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

　　金屬誘導多晶硅是一種在玻璃等廉價的襯底低溫制備多晶硅薄膜的方法。自1999 年UNSW 大學的Nast 等以玻璃為襯底制備了Al 誘導多晶硅薄膜后,國內外學者對此產生濃厚的興趣,相繼開展了鋁、鎳 、金等不同金屬誘導多晶硅薄膜生長的研究。金屬誘導多晶硅薄膜的應用研究也取得很大進展:UNSW大學的Aberle 等以玻璃為襯底制備了鋁誘導多晶硅薄膜,并以此為籽晶層外延生長多晶硅薄膜,制備了效率為2.2%的太陽能電池。他們預測:經工藝優化,上述方法制備的太陽能電池效率有望達到10%。比利時的I. Gordon 等以Al2O3 陶瓷為襯底,制備了鋁誘導多晶硅籽晶層,在其上用熱壁CVD 法生長多晶硅,并制備了效率為8 %的薄膜太陽能電池。

　　但是由于金屬誘導過程本身的影響因素多,機理比較復雜,因此機理的研究很不充分。Al/a - Si 界面氧化鋁薄膜在鋁誘導形成連續的多晶硅薄膜的過程中起著至關重要的作用 。因此研究Al/a - Si 界面氧化鋁膜對鋁誘導多晶硅薄膜的影響,對于鋁誘導多晶硅薄膜的機理研究起著十分重要的作用。Schneider 等研究了氧化鋁薄膜對多晶硅薄膜( 100) 擇優取向的影響, 并建立了簡單的模型。Stoger-Pollach 等研究了氧化鋁膜在退火中的相變及其對鋁誘導多晶硅薄膜的影響 。但是兩者對于氧化鋁膜對鋁誘導多晶硅薄膜的影響說法不一致,前者認為γ- Al2O3 易誘導生成(111) 擇優取向的多晶硅, 而后者認為γ - Al2O3 易誘導形成(100)擇優取向的多晶硅。因此研究氧化鋁膜對鋁誘導多晶硅薄膜性能的影響有助于考察氧化鋁膜對鋁誘導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鋁誘導多晶硅薄膜的結構、形貌及結晶性能,并討論了氧化鋁膜在鋁誘導制備多晶硅薄膜過程中的機理。

1、實驗方法

　　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,氮氣吹干。用國產JGP- 500 型磁控濺射儀先后在經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十小時生成氧化鋁薄膜后再沉積非晶硅薄膜,制備出glass/ Al/ Al2O3/ a- Si 結構;2 # 樣品鋁薄膜不經氧化直接在其上沉積非晶硅薄膜,制備出glass/ Al/ a - Si 結構。沉積了鋁和非晶硅薄膜的1 # 和2 # 樣品同時置于真空管式爐中,通入氮氣,于500 ℃退火7h 以使非晶硅在鋁誘導下生成多晶硅。最后,將樣品置于鋁標準腐蝕液(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構,采用CuKa 作為輻射源,λ= 0.154nm;用場發射掃描電鏡(SEM,LEO - 1530VP)和光學顯微鏡(上海長方CMM - 50) 分析薄膜的形貌;用臺階儀(AMBIOS ,XP - 1) 測量薄膜厚度;用配有光學顯微鏡的微區激光拉曼光譜儀( RMS ,T64000) 分析薄膜的結晶性能,采用Ar + 激光,λ=514.5nm ,光斑大小為1μm。

2、結果與討論

2.1、多晶硅薄膜晶體結構比較

　　圖1 是1#和2 # 多晶硅薄膜的XRD 譜,測試前樣品經鋁標準腐蝕液腐蝕去除鋁。由圖可見,glass/Al/Al2O3/ a-Si 和glass/ Al/ a-Si 兩種結構均可以誘導生成多晶硅薄膜,且所制備的多晶硅均為(111) 高度擇優取向,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) 的標準衍射角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力。

　　根據Scherrer 公式:

D = kλ/βcosθ

　　其中,D 為晶粒尺寸( nm) ; k 為Scherrer 常數,其值為0.89 ;λ為X射線波長,為0.154056 nm;β為積分半高寬(rad) ;θ為衍射角(°) 。計算出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 # 多晶硅薄膜晶體結構的比較表明氧化鋁膜不影響多晶硅薄膜擇優取向的形成,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顯微鏡和SEM照片

　　圖2 是1 # 和2 # 樣品退火后的光學顯微圖(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顯微圖,1 # (a) 和1 # (b) 的右上角插圖為從玻璃襯底側觀察的同一樣品反面的反射光學顯微圖;1 # (c) 是1 # 樣品去除鋁后經1 %HF溶液浸泡剝離后轉移到載波片上的薄膜的反射光學顯微圖;2 # (c) 是2 # 樣品的表面SEM圖。