光照因素在光熱退火法制備多晶硅中的影響分析

魏晉軍 西北師范大學(xué)知行學(xué)院，甘肅蘭州 730070

馬書懿 西北師范大學(xué)物電學(xué)院

光照因素在光熱退火法制備多晶硅中的影響分析

魏晉軍 西北師范大學(xué)知行學(xué)院，甘肅蘭州 730070

馬書懿 西北師范大學(xué)物電學(xué)院

為改進(jìn)多晶硅薄膜制造工藝，研究了非晶硅薄膜的快速光熱退火技術(shù)。先利用PECVD 設(shè)備沉積非晶硅薄膜，然后放入快速光熱退火爐中進(jìn)行退火。退火前后的薄膜利用X 射線衍射儀（XRD）測試其晶體結(jié)構(gòu)，用電導(dǎo)率設(shè)備測試其暗電導(dǎo)率。研究表明光照時(shí)間、光照強(qiáng)度都對非晶硅薄膜的晶化都有很大的影響，光波頻率的影響作用更大。

光熱退火；多晶硅薄膜；光照因素

引言

快速光熱退火是近年來制備多晶硅薄膜過程中的一種新興工藝[1-2]，它克服了傳統(tǒng)高溫爐生長法用時(shí)長，成本高，結(jié)晶質(zhì)量較差的問題[3-4]。鹵鎢燈的光照因素是影響結(jié)晶質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)，所以研究光波頻率與光照強(qiáng)度對多晶硅薄膜的影響，是改進(jìn)發(fā)展光熱退火法的一個(gè)重要研究方向。

1 實(shí)驗(yàn)

我們制備a-Si:H薄膜樣品制備采用四室沉積設(shè)備，射頻頻率13.6MHz，工作氣體是SiH4+H2混合氣體，其中SiH4氣體混合比為1:5，壓強(qiáng)150Pa，射頻功率80W，沉積時(shí)基片預(yù)加熱至200℃，沉積時(shí)間為2h，制備好的非晶硅薄膜經(jīng)臺階測厚儀測定，厚度約為1000nm。將制備好的a-Si:H薄膜進(jìn)行快速退火，用 12個(gè)鹵鎢燈 (上下各6個(gè))作為光熱退火的光源，高純氮?dú)獗Ｗo(hù)壓力為1個(gè)大氣壓。一組為光熱退火（12個(gè)燈，溫度700℃）與不退火樣品的對比；一組為采用相同數(shù)量鹵鎢燈照射，但退火溫度不同；一組為采用相同升溫速度和退火溫度，但鹵鎢燈數(shù)量不同的比較，使用的電壓也不同，以發(fā)現(xiàn)變化規(guī)律，研究作用機(jī)理。

圖1 樣品退火前后的XRD譜圖

圖2 樣品相同溫度不同光強(qiáng)照退火的XRD譜圖

2 結(jié)果與分析

圖1是a-Si:H薄膜退火前后的XRD圖,A圖為薄膜退火前XRD，散射峰在480cm-1附近，它對應(yīng)非晶硅的散射峰，退火前薄膜a-Si:H薄膜。退火后散射峰在510cm-1附近，形狀窄而銳，表示薄膜已經(jīng)具有明顯晶相結(jié)構(gòu)。

圖3 不同溫度下樣品的XRD譜圖

圖2是a-Si:H薄膜采用相同的退火溫度，但采用不同數(shù)量的鹵鎢燈照射樣品的XRD譜圖，在28°都有較強(qiáng)的衍射峰，說明擇優(yōu)取向仍為（111）晶向，用10盞鹵鎢燈照射樣品的（111）晶向峰要比12盞鹵鎢燈照射樣品的要強(qiáng)，說明使用10盞燈照射的晶化效果要好，由于它們升溫的速度和退火的速度是一樣的，而10V鹵鎢燈照射時(shí)，為了達(dá)到相同的升溫速度，必須加大電源電壓，導(dǎo)致鹵鎢燈發(fā)射的光子比較多。根據(jù)成核理論，在晶體生長中需要首先形成晶核，然后晶核再擴(kuò)散生長成晶粒，生長的速率與溫度之間存在指數(shù)關(guān)系，溫度越高越有利于晶粒的張大，但溫度相同的條件下，發(fā)射功率大的鹵鎢燈照射的樣品結(jié)晶質(zhì)量較好，原因是增大鹵鎢燈的發(fā)射功率，其熱效應(yīng)會(huì)增強(qiáng)，730nm以下的短波長光的強(qiáng)度也會(huì)大大增強(qiáng)[5]，使量子效應(yīng)也相應(yīng)增強(qiáng)，薄膜中的硅原子獲得較高的能量而被激勵(lì)，重新在一定區(qū)域規(guī)則地排列，從而形成小晶粒，成為多晶硅薄膜。量子效應(yīng)越大，成核密度越高，這說明光熱退火中的光量子效應(yīng)和熱效應(yīng)是共同作用的，光量子在晶化中起著非常重要的作用。

圖3給出了a-Si:H薄膜在不同退火條件下退火后的 XRD圖譜。可知a-Si:H薄膜在700℃下退火30min，主峰位于28°附近，未見其它明顯峰位，說明薄膜還未晶化；在750℃下退火2min后，XRD譜就已經(jīng)出現(xiàn)了表征Si（111）取向的特征峰，可以明顯觀察到a-Si:H薄膜晶化現(xiàn)象的發(fā)生；800℃退火2min 時(shí)，薄膜中的Si（111）取向的衍射峰已經(jīng)變得明顯窄銳。說明薄膜晶化程度進(jìn)一步提高了。從圖3中還可知，隨著退火溫度的升高，a-Si:H薄膜充分晶化所需要的時(shí)間明顯變短，說明量子效應(yīng)的作用非常明顯[6],上述試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證明了光熱退火過程中同時(shí)存在有熱效應(yīng)和量子效應(yīng)。由于a-Si:H薄膜光學(xué)能隙約在1.7eV左右，相當(dāng)于波長730nm。非晶硅薄膜中Si-Si鍵發(fā)生畸變時(shí)，成鍵價(jià)電子吸收入射光子的能量后，激發(fā)成反鍵態(tài)。電子云分布發(fā)生變化，由成鍵時(shí)的主要聚集在核間轉(zhuǎn)變?yōu)榉植荚阪I的兩端，使Si-Si鍵減弱。能量和強(qiáng)度更大的短波光可以使Si原子的更多價(jià)電子都激發(fā)成反鍵態(tài)，這正是光熱退火中溫度較高時(shí),很短的時(shí)間內(nèi)就能使薄膜晶化的原因所在。

3 結(jié)論

快速熱退火過程中，鹵鎢燈加熱不僅產(chǎn)生了熱效應(yīng)，還產(chǎn)生了光量子效應(yīng)。輻射光波中長波主要作用為熱效應(yīng)，短波光主要作用為光量子效應(yīng)，并且光量子效應(yīng)對晶化的影響相對熱效應(yīng)更加顯著，因此短波長光的增強(qiáng)有助于非晶硅薄膜的晶化。

參考資料

[1]Rohatgi A and Jeong JW. Highefficiency Screen-printed Silicon Ribbon Solar Cells by Effective Defect Passivation and Rapid Thermal Processing[J]. Applied Physics Letters, 2003 82:224.

[2] Eoshi P, RohatgiA, RoppM, et al. Rapid Thermal Processing of Highefficiency Silicon Solar Cellswith Controlled in-situ Annealing[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells, 1996 412 42: 31.

[3] HatalisM K . GreveDW. High-Performance Thin-Film Transistors in Low-Temperature Crystallized LPCVD Amorphous Silicon Films[M]. 1987,EDL-8: 361.

[4] Zhang Xin, Zhang Tongyi,WongMan, et al . Residual-stress Relaxation in Polysilicon Thin Films by High-temperature Rapid Thermal Annealing[J]. Sensors and Actuators ,1998 A 64 : 109.

[5] Zhang Yuxiang, Lu Jingxiao, Wang Haiyan, et al . Study of Polycrystalline Silicon Films Prepared by Rapid Photo-Thermal Annealing at LowTemperature [C].15th International Photovoltaic Science &Engineering Conference, Shanghai China,2005, 512 2: 770.

[6] Chan W H, Shen H L, Chou L H,et al, Effects of in-situ dc-bias on the composition, microstructures and dielectric properties of rf magnetron reactive sputtered (Ba, Sr)TiO3 films[J]. Mat Res Soc Symp, 2000, 596:43–48.

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.16.032