界面对金属诱导硅[111]取向薄膜生长的影响

通过金属铝诱导非晶硅晶化技术，在玻璃衬底上获得了[111]取向生长的多晶硅薄膜。研究了Al诱导Si取向结晶生长所需的退火温度和时间。通过对Al/Si界面层SiO2层厚度的改变，研究了界面SiO2层对取向结晶生长的影响。通过在Al层表面反应沉积Al2O3，研究了表面氧化对薄膜微结构的影响，获得了低表面空洞密度致密Si[111]取向生长薄膜。采用PECVD在铝诱导晶化硅薄膜表面沉积非晶硅层，经快速退火后获得外延[111]取向多晶硅薄膜，可用于多晶硅薄膜电池。

非晶硅和多晶硅薄膜在低成本大面积电子器件， 如太阳能电池和平板显示中的薄膜传感器(TFT)中有重要的应用。高质量的多晶硅薄膜生长在玻璃衬底上可应用于高效薄膜电池。非晶硅的取向结晶生长可以有效降低薄膜中的缺陷(晶界、位错等)，提高薄膜的电输运性能。因此，生长大晶粒，[111]取向生长的多晶甚至单晶薄膜，是提高硅基薄膜器件性能的关键。传统的单晶薄膜制备技术通常采用在籽晶层的诱导进行外延生长。在没有籽晶层的玻璃衬底上生长单一取向单晶薄膜成为过去十几年的一个重要研究方向。

金属诱导非晶硅结晶(AIC-Si)取向生长是在一定的退火温度下， 非晶硅与某些特定金属材料接触导致Si-Si键减弱发生重排，非晶硅通过金属的晶界扩散到金属表面重结晶的过程。这一过程降低了非晶硅向多晶硅转化的激活能， 从而降低非晶硅晶化的温度。

另外， 通过控制硅原子通过金属晶界扩散的速率， 可以实现Si沿表面能低的[111]取向优先生长，获得Si[111]取向生长的籽晶层。自从1998年Nast第一次发现Al可以诱导非晶硅的[111]诱导取向生长之后[1]，Al由于其成本低，可以在较低的温度下(150℃)实现诱导多晶硅薄膜生长， 成为人们的研究重点。

近年来， 人们发现可用于诱导非晶硅晶化的金属包括Al、Pd、Ni、Cu等[2]，同时，人们对金属诱导非晶硅晶化的机理，中间嵌入层以及退火温度的影响进行了比较深入的研究[3] [4]，也对金属诱导非晶锗晶化进行了探讨[5]。基于金属诱导的硅基薄膜太阳能电池的效率达到5% [6]。

Al诱导多晶硅生长通常采用玻璃衬底/Al/非晶硅的沉积薄膜顺序[7] [8]。通过后续退火诱导生长，发生Al和Si的位置置换，再通过化学溶液腐蚀去除置换到表面的Al层，留下多晶硅薄膜在玻璃表面。通过这种方法制备的薄膜表面Al腐蚀后表面粗糙度较差，有未置换出的Al层残存在底部或者夹杂在Si层中。

近年来人们开始研究倒置薄膜沉积顺序，即玻璃衬底/非晶硅/Al。通过Al诱导多晶硅生长，将Al层置换到玻璃衬底表面，同时可以直接充当导电电极，用于太阳能电池[9]-[13]。在这种倒置结构下，影响[111]取向生长和结晶的因素很多。包括AlSi层的厚度、退火温度等[14] [15]。本论文重点研究在Si/Al界面SiO2层及表面Al氧化对置换多晶硅薄膜的取向性、结晶性、和微结构的影响。

2. 实验部分 本实验采用沈阳真空公司制造的高真空射频磁控溅射仪以13.56 MHz射频频率进行薄膜沉积。

以石英玻璃为衬底， 沉积过程中采用水冷。

非晶硅薄膜和Al膜的沉积分别以纯度为99.999%的多晶硅和金属铝为