一种非晶硅薄膜可控同质外延生长的方法技术

本发明专利技术涉及一种应用长波脉冲激光技术进行非晶硅薄膜可控同质外延生长的方法。首先将经化学气相沉积制得的具有单晶体或多晶体衬底的非晶硅薄膜置于具有惰性气体的保护性容器中；然后用波长为１．００～１．１０微米的脉冲激光，通过调整光斑尺寸，使之产生正离焦量方向的一个１×１ｃｍ２的光斑，用以对所述薄膜加热进行结晶退火，在保持输出功率不变的情况下，通过调整脉冲宽度与加热时间的比例即占空比，达到所述薄膜外延生长的晶粒尺寸要求。本发明专利技术通过调整脉冲的占空比，来控制薄膜中晶粒的生长；本发明专利技术方法不仅可应用于硅的可控外延生长，也可应用于ＺｎＯ等材料的快速可控外延生长；应用本发明专利技术方法生长的薄膜不仅可应用于太阳能行业，也可应用于集成电路和电子元器件的制造。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及非晶硅薄膜材料的改性技术，尤其涉及一种应用长波脉冲激光技术进 行非晶硅薄膜可控同质外延生长的方法。
技术介绍
非晶硅又称为无定形硅，其原子分布不具备周期性和长程序，因此，在非晶硅材料 中结构缺陷和悬挂键密度较高，当载流子在其中输运的时候，受到这些缺陷和悬挂键的影 响，复合率较高，从而降低了非晶硅传输电流的能力。非晶硅材料所制备的太阳能电池因为 存在光致退化、费米能级向带隙中心移动、载流子寿命降低、扩散长度减小、缺陷增加等多 种不利的物理变化，所以改进非晶硅薄膜材料的性能显得十分重要。其中，一个重要的手段 就是将非晶硅材料变为微晶硅材料。目前单结微晶硅电池的效率已经超过10%，用微晶硅 作为底电池的多结电池的效率已经超过了 15%。应用微晶硅作为叠层太阳能电池中的一层，可以起到提高太阳能电池转换效率的 作用。一般来说，微晶硅的禁带宽度约为1.5-2.0电子伏特，单晶硅为1. 1电子伏特左右， 如果将这两种材料制成叠层结构，由于禁带宽度不同，增强了太阳能电池对光的吸收，从而 提高太阳能电池的效率，这已经被实验所证实。但是，现有的直接淀积微晶硅薄膜的工艺方 法如各种等离子化学气相淀积的方法淀积薄膜所用的时间较长，不能满足大规模生产的需 求。对于非晶硅薄膜，如果使用高温退火结晶，其所需要的温度高达1500°C以上。这将导致 薄膜衬底中杂质的二次分布，不利于太阳能电池杂质分布的稳定。同时，微晶化硅薄膜中的 晶相比也会影响薄膜材料的性能。因此，需要探索一种可以快速使非晶硅薄膜微晶化且能 有效控制晶相比的工艺方法。激光晶化技术是一种利用激光能量密度高，升温快速的原理进行快速热处理可以 实现薄膜材料的快速加热和结晶的技术。但是，目前激光对薄膜的加热方式主要有以下两 种1)利用短波脉冲激光被非晶硅薄膜吸收，薄膜自身发热以形成多晶薄膜，由于是薄膜 自身发热形成微晶薄膜，晶粒的结晶取向不易控制与衬底的界面上将形成大量的界面态， 影响电池效率。2)长波连续激光透过薄膜对衬底加热后将热能传递给非晶硅薄膜，使薄膜 进行外延结晶生长，但是，其结晶过程可控性差。
技术实现思路
本专利技术的目的旨在克服现有非晶硅薄膜微晶化技术的缺陷，提出一种具有同质外 延生长能力，符合工业化生产及晶粒尺寸和晶相比可控要求的一种非晶硅薄膜可控外延生 长的方法。上述目的通过以下技术方案得以实施首先将经化学气相沉积制得的具有单晶体或多晶体衬底的非晶硅薄膜置于具有 惰性气体的保护性容器中；然后用波长为1.00 1. 10微米的脉冲激光，通过调整光斑尺 寸，使之产生正离焦量方向的一个IXlcm2的光斑，用以对所述薄膜加热进行结晶退火，通 过调整脉冲宽度与脉冲周期的比例即占空比，达到所述薄膜与衬底间同质外延生长且晶粒尺寸可控要求。所述脉冲激光的频率为4 25Hz、脉宽为0. 5 2ms，输出功率400_500w，加热时 间30 90s。所述惰性气体包括氮气或氩气。本专利技术用上述来方法实现对非晶硅薄膜的外延生长及结晶度可控是基于激光热 传导理论。对于单次脉冲激光作用，最高温度出现在脉冲结束后，设其为Tm，即Tm = Tm(0, τ )，则脉冲结束后的温度可近似表示为 (式中的τ表示脉冲的周期)。在下一个脉冲来时，衬底的温度受到两次脉冲间 的间歇Υ_ = ρρ-τ的影响。由此可见脉冲之间的间隔对衬底的温度变化影响很大，对激 光晶化结果的影响很大。而由T(OJ) = 2ocap^(2)At L-(式中αA表示靶材表面的吸收比、λ i表示材料热导率、t0表示脉冲宽度、Ps表 示作用于靶材表面的激光功率密度、α t表示材料的热扩散率)可知，激光平均输出功率Ps 对硅片表面温度有很大的影响，因此，当保持两个参数频率f和脉宽tp中一个参数，如tp 固定，即可改变对P的影响。当tp固定，f增加，保持一般单脉冲能量和峰值功率基本保持 不变，由激光平均输出功率P = f XE = f XtpPm(E表示单脉冲能量，Pm表示峰值功率)可 知，P增加。也就是说tp —定时，P随着f的增加而增加。t Iχ I由Γ(0, ) = rm(i)2和Γ'(0， ) = Tm(-y，可知脉宽和频率的改变对硅片的温度影响τt很大，结合脉宽和频率的改变对功率的影响，随着频率的增加，在整个脉冲激光作用于非晶 硅薄膜期间，衬底的温度受到激光的影响而逐步增加，当脉冲频率增加时，衬底温度增长率 增加，这导致不同的样品的温度不一样，因此结晶情况发生变化。以上分析表明，频率和脉 宽是脉冲激光能量的表征形式，可以通过改变脉冲激光频率和脉宽实现对非晶硅薄膜晶化 的控制。本专利技术方法是应用长波激光器对非晶硅薄膜进行快速热处理，由于非晶硅薄膜对 于该波长的激光能量不吸收，因此激光将透过薄膜，进入衬底，通过激光与衬底，衬底与薄 膜的作用，可以有效的进行薄膜的外延生长。通过调整激光的占空比，可以控制薄膜中晶粒 的生长，实现非晶硅薄膜的外延生长及结晶度可控的要求。应用该技术可以快速有效的生 长晶粒取向与尺寸可控的微晶硅薄膜。本专利技术不仅可以应用于硅的可控外延生长，也可以 应用于ZnO等多种材料的快速可控外延生长。应用本技术生长的薄膜材料不仅仅可以应用 于太阳能行业，也可以应用于集成电路和电子元器件的制造。附图说明图1是经化学气相沉积制得的非晶硅薄膜置于保护性性容器中的示意图。图2是实施例1所对应的表示在单晶硅衬底上生长的非晶硅薄膜在不同激光脉冲 频率下的XRD图。图3是实施例2所对应的在多晶硅衬底上生长的非晶硅薄膜在不同激光脉冲频率 下的XRD图。图4是实施例3所对应的多晶硅衬底上生长的非晶硅薄膜在不同激光脉冲脉宽下 的XRD图。图5是激光脉冲的脉宽和频率的对应关系比较的XRD图。具体实施方式 下述实施例都在图1所示的保护性容器1的腔体内进行，该容器1的腔体内置有 垫块12，非晶硅薄膜的硅片4放置在垫块12上。容器1的上方设有一供激光束3射入的窗 口 11，激光器(未画出)置于该容器1的外侧，其上的的聚焦镜2置于窗口 11的上方。由 聚焦镜2反射的激光束照射在垫块12上的非晶硅薄膜4上。该容器1下方一侧设有进气 口 13，惰性气体由进气口进入容器1的腔体内。下面将根据不同的工艺条件对非晶硅薄膜 结晶性能的影响，一一举例说明本专利技术实施方法。实施例1本实施例采用是(111)单晶硅衬底的非晶硅薄膜，要求外延生长的晶体尺寸是 1 50nm之间，将通过占空比来调整。首先将经化学气相沉积制得的具有单晶体的非晶硅薄膜的硅片4置于图1所示的 保护性容器1的腔体内。再通入氮气保护，防止非晶硅薄膜氧化。然后用长波YAG激光器 对薄膜样品进行脉冲激光结晶退火，长波的波长为1. 00 1. 10微米，最佳为1. 06微米。 选择脉冲频率分别为4ΗΖ、8ΗΖ、10ΗΖ、12ΗΖ和15Hz，保持激光器的输出功率450w不变，选择 2ms脉宽，作用时间30 90s。作业时，不能使用焦点处的脉冲激光，调整光斑尺寸，在正离 焦量方向形成一个IXlcm2的光斑。用该光斑对上述薄膜加热进行结晶退火。通过调整加 热时间与脉冲宽度的比例即占空比，达到所述薄膜要求的晶粒尺寸。表1是本实施例各频 率所对应的占空比，通过控制激光加热的占空比，实现了对薄膜中晶本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非晶硅薄膜可控同质外延生长的方法，其特征在于首先将经化学气相沉积制得的具有单晶体或多晶体衬底的非晶硅薄膜置于具有惰性气体的保护性容器中；然后用波长为１．００～１．１０微米的脉冲激光，通过调整光斑尺寸，使之产生正离焦量方向的一个１×１ｃｍ↑［２］的光斑，用以对所述薄膜加热进行结晶退火，在保持输出功率不变的情况下，通过调整脉冲宽度与脉冲周期的比例即占空比，达到所述薄膜外延生长的晶粒尺寸要求。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：花国然，王强，张华，罗辰，顾江，陈宏，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]