根據(jù)熱力學(xué)第二定律的Gibbs自由能描述，理論研究了鋁誘導(dǎo)晶化(AIC)制備多晶硅薄膜的鋁誘導(dǎo)層交換(ALILE)機理。用數(shù)學(xué)模型描述了ALILE過程中a-Si原子通過Al2O3緩沖層向鋁層擴散的動力學(xué)過程。在此模型框架下，根據(jù)多晶硅薄膜制備過程中退火溫度和Al2O3緩沖層的制備條件，對成核之前鋁層中硅原子的濃度隨時間的變化和成核時間變化的關(guān)系進行深入的理論研究，試驗驗證了理論計算結(jié)果；通透射電子顯微鏡測量了不同退火溫度下的非晶硅微孔深度，根據(jù)理論研究計算得到了非晶硅溶解到鋁膜中的激活能EA為0.57eV。

　　大顆粒多晶硅(Poly-Si)薄膜具有晶體硅材料的性能與電學(xué)結(jié)構(gòu)，在太陽能電池、薄膜晶體管(TFT)以及壓敏電阻材料領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，尤其在太陽能電池領(lǐng)域因其能顯著降低電池制造成本而成為薄膜太陽能電池研究的熱點。目前，對于多晶硅薄膜的制備方法有直接沉積制備，如等離子增強化學(xué)氣相沉積(PECVD)和熱絲化學(xué)氣相沉積(HWCVD)等，以及先在基底沉積非晶態(tài)硅薄膜(a-Si)，再利用其它手段晶化非晶硅薄膜，得到多硅薄膜的方法，如固相晶化(SPC)法、激光晶化(LIC)法等。直接制備法得到的薄膜多為微晶硅或微晶

　　硅摻雜非晶硅薄膜，晶粒較小，電學(xué)性能較差。雖SPC以及LIC等方法得到的多晶硅薄膜性能優(yōu)良但晶化溫度較高，能耗較大，更為主要的是對基底材料的耐溫性提出了苛刻的要求。鋁誘導(dǎo)晶化(AIC)法則是一種能在廉價基底(常用玻璃)上低溫(<577℃)制備大顆粒多晶硅薄膜有效降低器件成本的有潛力的方法。

　　AIC制備多晶硅薄膜的過程既是將玻璃/Al/Al2O3/a-Si結(jié)構(gòu)330～550℃下退火幾小時到1h，得到晶粒在100nm甚至幾十微米的多晶硅薄膜。關(guān)于AIC過程的研究已經(jīng)有很多報道。截至目前為止，已經(jīng)有在100℃下制備多晶硅薄膜的報道。但是通過AIC制備的是鋁原子重摻雜并且薄膜厚度受限，因此制備的多晶硅薄膜適合于多晶硅薄膜的p+層或者是多晶硅薄膜吸收層的晶籽層(seedlayer)，因此深刻認識AIC制備多晶硅薄膜的機理對于降低晶化溫度以及摻雜率具有重要的理論指導(dǎo)意義。O.Nast等通過實驗研究，提出了AIC的鋁誘導(dǎo)層交換(ALILE)晶化機理。Widenborg等研究了鋁誘導(dǎo)晶化制備多晶硅薄膜過程中多晶硅薄膜的表面形貌，并建立了一個原理模型來解釋ALILE過程。但是對于AIC機理還需要有進一步的認識。

　　本文根據(jù)熱力學(xué)第二定律的Gibbs自由能描述，理論研究了AIC制備多晶硅薄膜的ALILE機理，同時結(jié)合理論研究和實驗結(jié)果理論計算了AIC制備多晶硅薄膜的激活能。

　　1、AIC低溫制備多晶硅薄膜的機理研究

　　1.1、ALILE過程的動力學(xué)描述

　　Al/a-Si界面由于a-Si濃度梯度以及a-Si原子的較高的Gibbs自由能，Si-Si鍵斷裂并通過擴散的方式滲入鋁膜，與鋁原子相互作用形成Al-Si鍵，在Al/a-Si界面附近形成非共融的硅鋁化合物，Si-Si鍵由飽和鍵轉(zhuǎn)變?yōu)榉秋柡玩I，Si-Si鍵的鍵能降低，同時形成非穩(wěn)定態(tài)的硅鋁化合物，且Al-Si鍵斷裂所需能量較低；Si原子在Al膜中的濃度超過了退火溫度下的臨界濃度后，硅原子繼續(xù)擴散便開始成核結(jié)晶，晶核周圍一定區(qū)域內(nèi)的Si原子向晶核移動并使晶核長大形成晶粒，同時在周圍形成Si原子耗盡區(qū)。上層的Si原子由于濃度梯度會持續(xù)擴散到耗盡區(qū)，晶粒持續(xù)長大。Si晶粒在Al膜中向各個方向生長，當?shù)竭_Al/玻璃界面時，晶粒的生長受到玻璃基底的束縛，便在玻璃基底表面橫向生長，直到與相鄰晶粒交匯。根據(jù)Si-Al相圖，Al在晶體硅中的溶解度很低，Al原子被不斷長大的晶粒“排擠”并向Al/a-Si界面擴散最終擴散到a-Si層中。經(jīng)過上述過程，Al原子擴散到上層a-Si層的位置，相同厚度的a-Si原子則擴散到下層Al膜的初始位置，形成多晶硅薄膜，Al層和Si層完成了位置交換。因為多晶硅的Gibbs自由能比非晶硅的小，因此生成的多晶硅薄膜是穩(wěn)定的，也即ALILE是不可逆的過程。

　　1.2、AIC機理理論研究

　　1.2.1、建模過程描述

　　圖1給出了ALILE過程模型。ALILE過程中，將基底/Al/Si在低于577℃下退火。由于濃度梯度，硅原子將通過鋁和a-Si層之間的氧化鋁緩沖層擴散到鋁膜中(step1)；當硅原子在鋁層中的濃度達到成核的飽和濃度Cs后，成核現(xiàn)象發(fā)生(step2)；鋁膜中硅原子的擴散(step3)，源源不斷地供應(yīng)硅原子使硅晶粒(核)逐漸長大(step4)；逐漸長大的硅顆粒替代了下層的鋁原子并將其“推擠”到表面(step5)，硅鋁層相互交換位置，完成ALILE過程，多晶硅薄膜生成，最終結(jié)構(gòu)為基底/poly-Si/Al(Si)。本文將對硅原子通過氧化鋁緩沖層擴散，以及在鋁層中硅晶粒成核之前硅鋁化合物的形成(step1)進行理論模擬研究；用數(shù)學(xué)模型來描述ALILE過程中step1的動力學(xué)過程；在此框架下，根據(jù)退火溫度和氧化鋁緩沖層的實驗制備條件，對初始階段硅成核之前鋁層中硅原子的濃度隨時間以及成核時間進行研究。

圖1 鋁誘導(dǎo)層交換模型

　　結(jié)論

　　根據(jù)Gibbs自由能理論，理論研究了ALILE過程中a-Si原子通過Al2O3緩沖層向鋁層擴散的動力學(xué)過程，得到了非晶硅原子通過Al2O3緩沖層的擴散系數(shù)Dmem與激活能EA和退火溫度T之間的關(guān)系。理論計算結(jié)果很好地對應(yīng)了阿列紐斯函數(shù)，說明非晶硅原子在Al2O3中的擴散控制硅原子在鋁層中的擴散動力學(xué)特性；通過TEM測量了不同退火溫度下的非晶硅原子融入鋁膜的微孔深度，根據(jù)理論研究結(jié)果計算得到了非晶硅溶解到鋁膜中的激活能Ea為0.57eV。對比將多晶硅溶解到鋁膜中的激活能(Ea=0.79eV)，說明鋁層在裂解非晶硅原子的作用中具有重要作用。