非晶硅薄膜的制备及晶化研究_段良飞

第 ２ 期 段 良 飞 ，等 ： 非 晶 硅 薄 膜 的 制 备 及 晶 化 研 究
· １７ ·
２ 结 果 与 讨 论
２．１ 非 晶 硅 薄 膜 制 备 在磁控溅射制 备 非 晶 硅 薄 膜 的 工 艺 中，影 响
薄膜性能的主要因素有 功 率、时 间 和 压 强 等［７－８］。
大，７００℃衍射峰强度低于５００℃。图２（ｂ）是 Ｃ、Ｅ 的 Ｘ 射线衍射谱，从图中可以看出样品 Ｃ、Ｅ 退火 后都晶化出现了明显的 Ｓｉ（４００）衍射峰，Ｅ 的衍 射 峰强度明显高于 Ｃ的衍射峰。
图２ （ａ）不同退火温度铝诱导 ＸＲＤ 图 图２ （ｂ）同温度铝诱导和直接退火 ＸＲＤ 图
通过测量 Ｓｉ（４００）晶向的半高宽度 ｗ，并采用 Ｓｃｈｅｒｒｅｒ公式 Ｄ＝Ｋλ／ｗｃｏｓθ可 以 估 算 出 晶 粒 大
晶粒尺寸（ｎｍ）；ｗ 为积分半高宽度；θ为衍射角；λ 为 Ｘ 射 线 波 长，为 ０．１５４ ０５６ｎｍ［９］。 结 果 如 表 ２
小，式中，Ｋ 为 Ｓｃｈｅｒｒｅｒ常 数，其 值 为 ０．８９；Ｄ 为 所示。
Ｆｉｇ．２（ａ） Ｔｈｅ ＸＲＤ ｃｈｕｒｔ ｏｆ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｉｎｄｕｃｅｄ ｓａｍｐｌｅｓ Ｆｉｇ．２（ｂ） Ｔｈｅ ＸＲＤ ｃｈａｒｔ ｏｆ ｓａｍｐｌｅ Ｃ，Ｅ
ａｎｎｅａｌｉｎｇ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
· １８ ·
云 南 师 范 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ） 第 ３３ 卷
表２ 不同晶化温度制备的多晶硅薄膜的 ＸＲＤ 结果 Ｔａｂｌｅ ２ Ｔｈｅ ＸＲＤ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｐｏｌｙｓｉｌｉｃｏｎ ｆｉｌｍ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
５
Ｂ ５００
５
Ｃ ６００
５
Ｄ ７００
５
Ｅ ６００
５
Ｆ ７００
５
图２（ａ）是样品 Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ 的 Ｘ 射 线 衍 射 谱。 从图中可以看出样品 Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ 退 火 后 都 晶 化 出 明显的 Ｓｉ（４００）衍 射 峰；４００℃ 谱 线 的 特 征 峰 强 度 较低，谱线的 对 称 性 一 般，５００℃ 衍 射 峰 强 度 明 显 高于４００℃，但５００℃和６００℃ 衍 射 峰 强 度 相 差 不
通 过 多 次 实 验 ，获 得 了 较 优 化 的 工 艺 参 数 ：溅 射 功
率１２０Ｗ，Ａｒ压 强 ２．０Ｐａ，溅 射 时 间 ３．５～４．５ｈ， 其中溅 射 时 间 ４ｈ 获 得 的 平 均 膜 厚 为 ３．３μｍ，制 备的非晶硅 （α－Ｓｉ）薄 膜 的 拉 曼 光 谱 和 ＸＲＤ 谱 如 图 １（ａ）、１（ｂ）所 示 ：
图１（ａ） 非晶硅（α－Ｓｉ）薄膜拉曼光谱 图１（ｂ） 非晶硅（α－Ｓｉ）薄膜 ＸＲＤ 谱
Ｆｉｇ．１（ａ） Ｒａｍａｎ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｏｆ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ｓｉｌｉｃｏｎ（α－Ｓｉ）ｆｉｌｍ Ｆｉｇ．１（ｂ） ＸＲＤ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｏｆ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ｓｉｌｉｃｏｎ（α－Ｓｉ）ｆｉｌｍ
图３（ａ） 不同退火温度铝诱导拉曼图谱 图３（ｂ） 相同温度铝诱导和直接退火的拉曼光谱
Ｆｉｇ．３（ａ） Ｔｈｅ Ｒａｍａｎ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｏｆ ｉｎｄｕｃｅｄ Ｆｉｇ３（ｂ） Ｔｈｅ Ｒａｍａｎ ｓｐｅｃｔｒａ ｏｆ ｓａｍｐｌｅ Ｄ，Ｆ
ｓａｍｐｌｅｓ ａｎｎｅａｌｅｄ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
样品
半 高 宽／２θ
晶 粒 尺 寸／ｎｍ
Ａ
０．４２
２２．９０
Ｂ
０．４０
２３．８６
Ｃ
０．３５
２７．３３
Ｄ
０．３８
２４．７９
Ｅ
０．３１
上 述 结 果 说 明：温 度 越 高，扩 散 速 率 越 快，同 时硅原子的能量 越 高，这 样 就 增 大 了 硅 原 子 在 铝 层中的结晶 速 率，因 此 晶 粒 尺 寸 越 大。 然 而 当 退 火 温 度 过 高 时 ，由 于 成 核 速 率 过 大 ，大 于 晶 粒 的 生 长速 率，抑 制 了 晶 粒 的 长 大，得 到 的 晶 粒 尺 寸 较 小 。 ［９］ ２．３ 直接退火晶化和铝诱导晶化 Ｒａｍａｎ分析
２．２ 直接退火晶化和铝诱导晶化 ＸＲＤ 分析
非晶硅溅射时间为４ｈ，铝膜溅射时间为 ４０ｓ，
表 １ 样 品 的 晶 化 参 数
Ｔａｂｌｅ １ Ｔｈｅ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｓａｍｐｌｅｓ
样品编号 退 火 温 度 （℃ ） 退 火 时 间 （ｍｉｎ）
Ａ ４００
Ｇ 为未退火 样 品，Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｆ 和 Ｇ 的 拉 曼 光 谱 如 图 ３（ａ）和 图 ３（ｂ）所 示 。 可 以 看 出 ，未 退 火
３０．９６
样品 Ｇ 在 ４８０ｃｍ－１ 处 有 很 明 显 的 峰，４００℃ 铝 诱 导退火样 品 Ａ 的 峰 值 位 于 ４８９．９１ｃｍ－１，多 数 还 处于非晶 态，５００℃ 铝 诱 导 退 火 样 品 Ｂ 的 峰 值 位 于５０７．８４ｃｍ－１，６００℃ 铝 诱 导 退 火 样 品 Ｃ 的 峰 值 位于５０２．７４ｃｍ－１，表明薄膜结晶良好，７００℃ 铝 诱 导退 火 样 品 Ｄ 的 峰 值 低 于 Ｂ，且 峰 位 在 ４９７． ６５ｃｍ－１。无铝诱导直 接 退 火 的 样 品 Ｆ，尽 管 退 火 温度 很 高，但 其 拉 曼 峰 不 明 显，且 其 峰 值 位 于 ４８０ｃｍ－１，对 称 性 不 高 。
利 用 晶 化 率 Ｘｃ＝ （Ｉ５１０ ＋Ｉ５２０）／（Ｉ５１０ ＋Ｉ５２０ ＋
特征峰的曲线进行面积积分的积分强度。结果如
来自百度文库
Ｉ４８０）计算公式可算出晶化率 ，式中，Ｉ５２０、Ｉ５１０和Ｉ４８０
表３所示：
是 中 心 位 置 在５２０ｃｍ－１、５１０ｃｍ－１和４８０ｃｍ－１附 近
云 南 师 范 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ） ２０１３ 年 ３ 月－３３ 卷 ２ 期 （Ｖｏｌ．３３ Ｎｏ．２）
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｙｕｎｎａｎ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ＤＩＯ：１０．７６９９／ｊ．ｙｎｎｕ．ｎｓ－２０１３－０１９
非晶硅薄膜的制备及晶化研究＊
段 良 飞１，２， 张 力 元１，２， 杨 培 志１，２， 化 麒 麟１，２， 邓 双１，２， 廖 华１，２
薄膜 的 厚 度 及 粗 糙 度 由 Ｖｅｅｃｏ Ｄｅｋｔａｔ １５０ 台阶仪（精确度０．１ｎｍ）获 得；Ｘ 射 线 衍 射 测 试 采 用 Ｂｒｕｋｅｒ Ａｐｅｘ ＩＩ Ｘ 射线衍射仪；拉曼（Ｒａｍａｎ） 光谱测 试 采 用 英 国 ＲＥＮＩＳＨＡＷ 公 司ＩＮＶＩＡ 共 焦显微拉曼光谱仪。
＊ 收稿日期：２０１３－０２－１８ 基 金 项 目 ：国 家 自 然 科 学 基 金 联 合 基 金 资 助 项 目 （Ｕ１０３７６０４）． 作 者 简 介 ：段 良 飞 （１９８８－ ）男 ，云 南 罗 平 人 ，硕 士 研 究 生 ，主 要 从 事 硅 基 薄 膜 材 料 及 其 太 阳 能 电 池 的 研 究 ． 通 信 作 者 ：杨 培 志 （１９６６－ ）男 ，研 究 员 ，博 士 生 导 师 ，主 要 从 事 太 阳 能 利 用 材 料 及 器 件 研 究 ．
规律，研究了退火 温 度 和 铝 诱 导 对 非 晶 硅 晶 化 的 影响。
１ 实 验
１．１ 薄 膜 的 制 备 室温下，采 用 ＪＣＰ—４５０ 三 靶 磁 控 溅 射 镀 膜
仪，以 单 晶 Ｐ 型 硅 靶 （纯 度 ９９．９９９％、电 导 率 ０． ０２Ωｃｍ）和 金 属 Ａｌ靶 为 原 料，在 玻 璃 衬 底 和 单 晶 硅 Ｓｉ（１００）衬 底 上 溅 射 α－Ｓｉ膜 和 α－Ｓｉ／Ａｌ膜。 衬 底依次使用无水乙醇和去离子水在超声波清洗机 中清洗 １０ｍｉｎ；溅 射 气 体 使 用 纯 度 为 ９９．９９％ 的 Ａｒ，本 底 真 空 为６．０×１０－４ｐａ，Ａｒ流 量 为２０ｓｃｃｍ； 其中溅射 Ｓｉ薄膜 的 功 率 为 １２０Ｗ；溅 射 铝 （Ａｌ）膜 的功率 ６０Ｗ，时 间 ３０ｓ．利 用 快 速 退 火 炉 （ＲＴＰ— ５００）在 不 同 温 度 下 对 薄 膜 进 行 快 速 退 火 。 １．２ 薄 膜 的 表 征
非晶硅（α－Ｓｉ）是 硅 基 薄 膜 太 阳 电 池 的 基 础 材 料，其主要特点是：光 吸 收 系 数 大、折 射 率 高 （３．０ ～４．０）和热性能良好［１］，因而用于太阳电池 时，所 需薄膜的厚度仅为晶硅 的 １％ 左 右。 非 晶 硅 薄 膜 太阳电池具有诸 多 优 点，尤 其 是 弱 光 性 能 好 和 温 度 系 数 低 ，使 其 成 为 一 种 有 潜 力 的 薄 膜 光 伏 器 件 。 非 晶 硅 薄 膜 太 阳 电 池 制 造 工 艺 简 单 ，能 耗 低 ，易 实 现 大 面 积 生 产 ，既 可 采 用 玻 璃 衬 底 ，又 可 采 用 不 锈 钢、钛 箔、铝 箔 和 塑 料 等 柔 性 衬 底，因 而 可 做 成 柔 性 太 阳 电 池 ，它 既 能 应 用 在 计 算 器 、手 表 等 弱 光 领 域，也能应用在微波中继站、光伏水泵和 ＢＩＰＶ 等 领域。鉴于此，非 晶 硅 太 阳 电 池 近 年 来 得 到 快 速 发展 。 ［１－４］ 但目前它还存在转 换 效 率 低 和 稳 定 性 较 差 （光 致 衰 减 效 应 ）等 缺 点 ，为 此 ，人 们 又 研 究 了 非 晶／微 晶 叠 层 太 阳 电 池 等 ，微 晶 硅 和 多 晶 硅 薄 膜 材料是未 来 硅 基 薄 膜 太 阳 电 池 的 发 展 重 点 。 ［５－７］ 微晶硅和多晶硅通常通过非晶硅晶化来获得。在 常 规 高 温 退 火 、快 速 光 热 退 火 、金 属 诱 导 晶 化 和 激 光晶化等方法中，快 速 光 热 退 火 和 金 属 诱 导 晶 化 由 于 所 需 设 备 简 单 ，适 于 大 面 积 制 备 ，受 到 人 们 的 重视。本文利用 磁 控 溅 射 方 法 在 玻 璃 基 片、单 晶 硅 Ｓｉ（１００）上沉积了 非 晶 硅 （α－Ｓｉ）薄 膜 和 α－Ｓｉ／Ａｌ 膜，研究了工艺参 数 对 薄 膜 厚 度 和 粗 糙 度 的 影 响
由 图 １ 可 见，拉 曼 谱 在 ４８０．０４１ｃｍ－１处 出 现 衬底为单晶硅。样品 Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ 为α－Ｓｉ／Ａｌ膜；Ｅ、
了明显 的 峰，ＸＲＤ 谱 中 没 有 出 现 任 何 峰，这 说 明 Ｆ 为α－Ｓｉ膜，将样品放入退火炉中快速光热退火，
制备的薄膜为 α－Ｓｉ薄膜。
其工艺参数如表１所示：
（１．可再生能源材料先进技术与制备教育部重点实验室，云南 昆明 ６５００９２； ２．云南师范大学 太阳能研究所，云南 昆明 ６５００９２）
摘 要： 采用磁控溅射技术首先在玻璃基片、单晶 硅 片 上 溅 射 非 晶 硅 薄 膜 再 在 其 表 面 溅 射 铝 膜 ，并 用 快速退火炉在不同温度下进行退火。利用台阶 仪、拉 曼 散 射 光 谱（Ｒａｍａｎ）仪 和 Ｘ 射 线 衍 射（ＸＲＤ）仪 对 薄膜进行性能表征。结果表明：在功率１２０Ｗ，气 压 １．５～２．５ｐａ，时 间 为 ３．５～４．５ｈ 的 条 件 下 可 制 备 得 非 晶 硅 薄 膜 ，Ａｌ诱 导 能 降 低 晶 化 温 度 ，并 在 ５００～６００℃ 间 存 在 一 最 佳 晶 化 温 度 。 关 键 词 ： 非 晶 硅 薄 膜 ；磁 控 溅 射 ；铝 诱 导 晶 化 ；多 晶 硅 中 图 分 类 号 ： Ｏ４８４．１ 文 献 标 志 码 ： Ａ 文 章 编 号 ： １００７－９７９３（２０１３）０２－００１６－０４