魏晋军 西北师范大学知行学院，甘肃兰州 730070

马书懿 西北师范大学物电学院

光照因素在光热退火法制备多晶硅中的影响分析

魏晋军 西北师范大学知行学院，甘肃兰州 730070

马书懿 西北师范大学物电学院

为改进多晶硅薄膜制造工艺，研究了非晶硅薄膜的快速光热退火技术。先利用PECVD 设备沉积非晶硅薄膜，然后放入快速光热退火炉中进行退火。退火前后的薄膜利用X 射线衍射仪（XRD）测试其晶体结构，用电导率设备测试其暗电导率。研究表明光照时间、光照强度都对非晶硅薄膜的晶化都有很大的影响，光波频率的影响作用更大。

光热退火；多晶硅薄膜；光照因素

引言

快速光热退火是近年来制备多晶硅薄膜过程中的一种新兴工艺[1-2]，它克服了传统高温炉生长法用时长，成本高，结晶质量较差的问题[3-4]。卤钨灯的光照因素是影响结晶质量的关键参数，所以研究光波频率与光照强度对多晶硅薄膜的影响，是改进发展光热退火法的一个重要研究方向。

1 实验

我们制备a-Si:H薄膜样品制备采用四室沉积设备，射频频率13.6MHz，工作气体是SiH4+H2混合气体，其中SiH4气体混合比为1:5，压强150Pa，射频功率80W，沉积时基片预加热至200℃，沉积时间为2h，制备好的非晶硅薄膜经台阶测厚仪测定，厚度约为1000nm。将制备好的a-Si:H薄膜进行快速退火，用 12个卤钨灯 (上下各6个)作为光热退火的光源，高纯氮气保护压力为1个大气压。一组为光热退火（12个灯，温度700℃）与不退火样品的对比；一组为采用相同数量卤钨灯照射，但退火温度不同；一组为采用相同升温速度和退火温度，但卤钨灯数量不同的比较，使用的电压也不同，以发现变化规律，研究作用机理。

图1 样品退火前后的XRD谱图

图2 样品相同温度不同光强照退火的XRD谱图

2 结果与分析

图1是a-Si:H薄膜退火前后的XRD图,A图为薄膜退火前XRD，散射峰在480cm-1附近，它对应非晶硅的散射峰，退火前薄膜a-Si:H薄膜。退火后散射峰在510cm-1附近，形状窄而锐，表示薄膜已经具有明显晶相结构。

图3 不同温度下样品的XRD谱图

图2是a-Si:H薄膜采用相同的退火温度，但采用不同数量的卤钨灯照射样品的XRD谱图，在28°都有较强的衍射峰，说明择优取向仍为（111）晶向，用10盏卤钨灯照射样品的（111）晶向峰要比12盏卤钨灯照射样品的要强，说明使用10盏灯照射的晶化效果要好，由于它们升温的速度和退火的速度是一样的，而10V卤钨灯照射时，为了达到相同的升温速度，必须加大电源电压，导致卤钨灯发射的光子比较多。根据成核理论，在晶体生长中需要首先形成晶核，然后晶核再扩散生长成晶粒，生长的速率与温度之间存在指数关系，温度越高越有利于晶粒的张大，但温度相同的条件下，发射功率大的卤钨灯照射的样品结晶质量较好，原因是增大卤钨灯的发射功率，其热效应会增强，730nm以下的短波长光的强度也会大大增强[5]，使量子效应也相应增强，薄膜中的硅原子获得较高的能量而被激励，重新在一定区域规则地排列，从而形成小晶粒，成为多晶硅薄膜。量子效应越大，成核密度越高，这说明光热退火中的光量子效应和热效应是共同作用的，光量子在晶化中起着非常重要的作用。

图3给出了a-Si:H薄膜在不同退火条件下退火后的 XRD图谱。可知a-Si:H薄膜在700℃下退火30min，主峰位于28°附近，未见其它明显峰位，说明薄膜还未晶化；在750℃下退火2min后，XRD谱就已经出现了表征Si（111）取向的特征峰，可以明显观察到a-Si:H薄膜晶化现象的发生；800℃退火2min 时，薄膜中的Si（111）取向的衍射峰已经变得明显窄锐。说明薄膜晶化程度进一步提高了。从图3中还可知，随着退火温度的升高，a-Si:H薄膜充分晶化所需要的时间明显变短，说明量子效应的作用非常明显[6],上述试验结果进一步证明了光热退火过程中同时存在有热效应和量子效应。由于a-Si:H薄膜光学能隙约在1.7eV左右，相当于波长730nm。非晶硅薄膜中Si-Si键发生畸变时，成键价电子吸收入射光子的能量后，激发成反键态。电子云分布发生变化，由成键时的主要聚集在核间转变为分布在键的两端，使Si-Si键减弱。能量和强度更大的短波光可以使Si原子的更多价电子都激发成反键态，这正是光热退火中温度较高时,很短的时间内就能使薄膜晶化的原因所在。

3 结论

快速热退火过程中，卤钨灯加热不仅产生了热效应，还产生了光量子效应。辐射光波中长波主要作用为热效应，短波光主要作用为光量子效应，并且光量子效应对晶化的影响相对热效应更加显著，因此短波长光的增强有助于非晶硅薄膜的晶化。

参考资料

[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