為了考察硅鋁界面氧化鋁膜對(duì)鋁誘導(dǎo)多晶硅的影響,本文用磁控濺射方法制備了界面有無氧化鋁膜的硅鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)。XRD 測(cè)試表明兩種鋁誘導(dǎo)方法均制備了具有(111) 高度擇優(yōu)取向的多晶硅薄膜。光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡照片顯示,有氧化鋁膜時(shí)鋁誘導(dǎo)的多晶硅薄膜有兩層,下層為大晶粒(40μm - 60μm) 枝晶狀多晶硅,拉曼譜顯示其結(jié)晶質(zhì)量接近單晶,而上層膜晶粒較小,結(jié)晶質(zhì)量較差。無氧化鋁膜時(shí)鋁誘導(dǎo)的多晶硅薄膜只有單層結(jié)構(gòu),其晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)晶質(zhì)量都與有氧化鋁膜時(shí)鋁誘導(dǎo)的上層多晶硅薄膜相似。結(jié)果表明,硅鋁界面上氧化鋁的存在大大提高了鋁誘導(dǎo)多晶硅薄膜的質(zhì)量,但是另一方面也限制了鋁誘導(dǎo)多晶硅的晶化速率。

　　金屬誘導(dǎo)多晶硅是一種在玻璃等廉價(jià)的襯底低溫制備多晶硅薄膜的方法。自1999 年UNSW 大學(xué)的Nast 等以玻璃為襯底制備了Al 誘導(dǎo)多晶硅薄膜后,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此產(chǎn)生濃厚的興趣,相繼開展了鋁、鎳 、金等不同金屬誘導(dǎo)多晶硅薄膜生長(zhǎng)的研究。金屬誘導(dǎo)多晶硅薄膜的應(yīng)用研究也取得很大進(jìn)展:UNSW大學(xué)的Aberle 等以玻璃為襯底制備了鋁誘導(dǎo)多晶硅薄膜,并以此為籽晶層外延生長(zhǎng)多晶硅薄膜,制備了效率為2.2%的太陽(yáng)能電池。他們預(yù)測(cè):經(jīng)工藝優(yōu)化,上述方法制備的太陽(yáng)能電池效率有望達(dá)到10%。比利時(shí)的I. Gordon 等以Al2O3 陶瓷為襯底,制備了鋁誘導(dǎo)多晶硅籽晶層,在其上用熱壁CVD 法生長(zhǎng)多晶硅,并制備了效率為8 %的薄膜太陽(yáng)能電池。

　　但是由于金屬誘導(dǎo)過程本身的影響因素多,機(jī)理比較復(fù)雜,因此機(jī)理的研究很不充分。Al/a - Si 界面氧化鋁薄膜在鋁誘導(dǎo)形成連續(xù)的多晶硅薄膜的過程中起著至關(guān)重要的作用 。因此研究Al/a - Si 界面氧化鋁膜對(duì)鋁誘導(dǎo)多晶硅薄膜的影響,對(duì)于鋁誘導(dǎo)多晶硅薄膜的機(jī)理研究起著十分重要的作用。Schneider 等研究了氧化鋁薄膜對(duì)多晶硅薄膜( 100) 擇優(yōu)取向的影響, 并建立了簡(jiǎn)單的模型。Stoger-Pollach 等研究了氧化鋁膜在退火中的相變及其對(duì)鋁誘導(dǎo)多晶硅薄膜的影響 。但是兩者對(duì)于氧化鋁膜對(duì)鋁誘導(dǎo)多晶硅薄膜的影響說法不一致,前者認(rèn)為γ- Al2O3 易誘導(dǎo)生成(111) 擇優(yōu)取向的多晶硅, 而后者認(rèn)為γ - Al2O3 易誘導(dǎo)形成(100)擇優(yōu)取向的多晶硅。因此研究氧化鋁膜對(duì)鋁誘導(dǎo)多晶硅薄膜性能的影響有助于考察氧化鋁膜對(duì)鋁誘導(dǎo)制備多晶硅薄膜的作用。

　　本文比較了Al/ a - Si 界面有無氧化鋁膜時(shí)鋁誘導(dǎo)多晶硅薄膜的結(jié)構(gòu)、形貌及結(jié)晶性能,并討論了氧化鋁膜在鋁誘導(dǎo)制備多晶硅薄膜過程中的機(jī)理。

1、實(shí)驗(yàn)方法

　　以康寧Eagle2000 玻璃為襯底,分別用丙酮、無水乙醇、去離子水超聲清洗10min 后,氮?dú)獯蹈�。用�?guó)產(chǎn)JGP- 500 型磁控濺射儀先后在經(jīng)過上述處理的襯底上沉積370nm 厚的鋁薄膜和420nm 厚的非晶硅薄膜。沉積鋁薄膜的條件如下:本底真空1.0 ×10 ^{- 4} Pa ,直流濺射,功率60W ,Ar 氣壓1.0Pa 。沉積非晶硅薄膜的條件如下:本底真空1.0 ×10^{- 4} Pa ,射頻濺射,功率100W ,Ar 氣壓1.5Pa 。為了比較有無氧化鋁膜的區(qū)別,制備的薄膜分兩組:1 # 樣品沉積鋁薄膜后置于空氣中自然氧化數(shù)十小時(shí)生成氧化鋁薄膜后再沉積非晶硅薄膜,制備出glass/ Al/ Al2O3/ a- Si 結(jié)構(gòu);2 # 樣品鋁薄膜不經(jīng)氧化直接在其上沉積非晶硅薄膜,制備出glass/ Al/ a - Si 結(jié)構(gòu)。沉積了鋁和非晶硅薄膜的1 # 和2 # 樣品同時(shí)置于真空管式爐中,通入氮?dú)?于500 ℃退火7h 以使非晶硅在鋁誘導(dǎo)下生成多晶硅。最后,將樣品置于鋁標(biāo)準(zhǔn)腐蝕液(80 %H3PO4 + 5 %HNO3 + 5 %HAc + 10 %去離子水)中腐蝕15min 以去除表面的鋁。

　　利用x 射線衍射儀(XRD ,Bruker D8 Advance) 分析薄膜樣品的晶體結(jié)構(gòu),采用CuKa 作為輻射源,λ= 0.154nm;用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM,LEO - 1530VP)和光學(xué)顯微鏡(上海長(zhǎng)方CMM - 50) 分析薄膜的形貌;用臺(tái)階儀(AMBIOS ,XP - 1) 測(cè)量薄膜厚度;用配有光學(xué)顯微鏡的微區(qū)激光拉曼光譜儀( RMS ,T64000) 分析薄膜的結(jié)晶性能,采用Ar + 激光,λ=514.5nm ,光斑大小為1μm。

2、結(jié)果與討論

2.1、多晶硅薄膜晶體結(jié)構(gòu)比較

　　圖1 是1#和2 # 多晶硅薄膜的XRD 譜,測(cè)試前樣品經(jīng)鋁標(biāo)準(zhǔn)腐蝕液腐蝕去除鋁。由圖可見,glass/Al/Al2O3/ a-Si 和glass/ Al/ a-Si 兩種結(jié)構(gòu)均可以誘導(dǎo)生成多晶硅薄膜,且所制備的多晶硅均為(111) 高度擇優(yōu)取向,其中1 # 樣品的衍射角2θ為28.5°,半高寬為0.1674°,2 # 樣品的衍射角2θ為28.24°,半高寬為0.1712°。1 # 樣品與Si (111) 的標(biāo)準(zhǔn)衍射角2θ28147°接近,而2 # 樣品的衍射角2θ向小角度方向偏移,根據(jù)布拉格方程:2 dsinθ= nλ,在λ不變的情況下,2θ變小,表明晶面間距d 變大,薄膜中存在平行于薄膜表面的壓應(yīng)力。

　　根據(jù)Scherrer 公式:

D = kλ/βcosθ

　　其中,D 為晶粒尺寸( nm) ; k 為Scherrer 常數(shù),其值為0.89 ;λ為X射線波長(zhǎng),為0.154056 nm;β為積分半高寬(rad) ;θ為衍射角(°) 。計(jì)算出1 # 和2 #樣品晶粒大小分別為48.4nm 和47.3nm ,兩者差別不大。

　　1 # 和2 # 多晶硅薄膜晶體結(jié)構(gòu)的比較表明氧化鋁膜不影響多晶硅薄膜擇優(yōu)取向的形成,但是氧化鋁膜的存在使生成的多晶硅薄膜的應(yīng)力減小。

圖1 　1 # 和2 # 多晶硅薄膜的XRD 譜

2.2、多晶硅薄膜的形貌比較

　　在透射光學(xué)顯微鏡下多晶硅呈黃色,非晶硅呈桔紅色,鋁為黑色。退火前,由于glass/ Al/ Al2O3/ a-Si 和glass/ Al/ a-Si 兩種疊層中均含有鋁,因此其在透射顯微鏡下均不透光,照片呈黑色。

圖2 　1 # 和2 # 多晶硅薄膜表面的光學(xué)顯微鏡和SEM照片

　　圖2 是1 # 和2 # 樣品退火后的光學(xué)顯微圖(原圖為彩色,本文處理成黑白色) 和表面SEM 照片,其中:1 # (a) 和2 # (a) 分別是1 # 和2 # 樣品腐蝕鋁前的透射光學(xué)顯微圖;1 # (b) 和2 # (b) 分別是1 # 和2 # 樣品腐蝕鋁后的透射光學(xué)顯微圖,1 # (a) 和1 # (b) 的右上角插圖為從玻璃襯底側(cè)觀察的同一樣品反面的反射光學(xué)顯微圖;1 # (c) 是1 # 樣品去除鋁后經(jīng)1 %HF溶液浸泡剝離后轉(zhuǎn)移到載波片上的薄膜的反射光學(xué)顯微圖;2 # (c) 是2 # 樣品的表面SEM圖。