退火温度对Al_Cu_Ni诱导Si薄膜晶化进程的影响

图 1 为在 300
退火后 A l S 、 i Cu S i和 N i S i薄 退火后
膜的 XRD 图谱。由图 1 可以看出经过 300
A l S、 i Cu S i和 N i Si薄膜的 XRD 图谱中均未出现 Si 的衍射峰 ; 此时因退火温度较低, 金属层和 S i层界 面处的原子扩散能力较差, 扩散进程较短, 即扩散至 金属层中的 S i原子浓度很小 , 尚未达到 Si原子固相 晶化的临界浓度 C s, 故此时 3 种金属诱导下的 S i薄 膜均未出现明显的衍射峰。
摘要 : 基于金属诱导晶化方 法 , 利用直流磁控溅射离子 镀技术制 备了 A l S 、 i Cu Si和 N i S i薄膜。采 用真空退 火炉和 X 射线衍射 仪 于不同温度下对样品进行了退火试验并分析了退火后薄膜物相结构的 变化规律。结果表明 , A l诱导 Si薄膜晶化的效果最好 , Cu 次 之 , N i诱导 S i薄膜晶 化的效果较差 ; A l可 在退火温度为 400 关键词 : 硅薄膜 ; 退火 ; 晶化过程 ; 扩散 中图分类号 : T M 914 4 文献标志码 : A 文章编号 : 0254 6051( 2010) 06 0033 04 时诱导 Si薄膜 晶化 , 且随 退火温度的升高 S i的平均 晶粒尺寸增大 ; Cu S i薄膜的内应力较大和 N i Si薄膜中 N i/S i界面 处难以形成 N iS i 、 N i诱导 S i薄膜 晶化效果较差的主要原因。 2 是 Cu
收稿日期 : 2010 01 07 基金项目 : 陕西省教 育厅科学 技术研究 计划 ( 09 J K 623 ) 和西安 理工 大学优秀博士学位论文研究基金 ( 101 210905) 作者简介 : 蒋百灵 ( 1960! ) , 男 , 陕 西渭南 人 , 材料 学院院 长 , 博 士生导师 , 主要 从事 材料 表面 改性 研究。 联系 电话 : E m ai: l jb @ l xau t . edu . cn 029 82312617,
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第 35 卷
1 试验方法
室温下, 采用 UDP450 磁控溅射离子镀设备于玻 璃基体上分别沉积了 A l 、 Cu 、 N i金属薄膜 , 随后在 其上制备了非晶硅薄膜。玻璃基体在进行薄膜沉积之 前于丙酮溶液中进行 10 m in 超声波清洗并用冷风吹 干。溅射靶材的纯度均为 99 99 % , 其中 S i靶材选用 p 型高纯多晶硅。在本底真空度为 4 0 ∀ 10 Pa 时进
表 1 退火前 A l Si 、 Cu S i和 N i S i薄膜中各层的厚度 Tab le 1 Th ickness of every layer in A l S i , Cu S i and N i S i th in film s before annealing
薄膜 厚度 / n m Al 930 Cu 600 Ni 680 a Si 640
Effect of annealing te mperature on crystallization process of A ,l Cu, N i induced Si fil ms
JI ANG B ai ling , L I H ong tao , CA IM in l,i M I AO Q i lin, YANG Bo ( D epartm ent o fM ater ia l Sc ience and Eng ineering , X i an U niversity of T echno logy , X i an Shaanx i 710048, Ch ina) Ab stract : B ased on m eta l induced crysta llization m ethod, A l S,i Cu S i and N i Si fil m s w ere prepared by DC magnetron sputter ion plating techn ique A nnea ling exper i m ent under d ifferen t te m pera ture and bu lk phase structure o f the fil m s afte r annealing w as ca rr ied by vacuum annealing furnace and X ray diffrac tion( XRD ) T he results show that the e ffect o fA l induced crystallization of S i fil m is the best , and then is Cu, the last is N i A fter annea ling at 400 , cry sta llites is found in S i fil m by A l induced and the averag e crysta l size is increased a t higher temperature H igh inte rnal stress o f Cu Si fil m and ha rd to for m the N iSi2 around N i/Si interface in the N i S i fil m are the m a in reasons o f that the effect of Cu and N i induced crysta llization of S i fil m s a re wo rse K ey w ords : S i films; annea ling ; crysta llization process ; diffuse
第 35 卷 2010年
第 6期 6月
V ol 35 N o 6
H EAT TREATMENT OF METALS
June 2010
退火温度对 A 、 l Cu 、 N i诱导 Si薄膜晶化进程的影响
蒋百灵 , 李洪涛, 蔡敏利, 苗启林 , 杨 波 710048) (西安理工大学 材料科学与工程学院 , 陕西 西安
F ig 1 XRD pa tterns of A l S , i Cu S i and N i S i
图 2 为 400
退火后 A l Si 、 Cu S i和 N i S i薄膜 退火后 A l Si
的 XRD 图谱。由图 2 可看出经过 400
薄膜中出现了明显的 S i衍射峰 , S i( 111) 晶面的衍射 峰最强; Cu S i薄膜中仅出现了微弱的 S i( 111) 晶面 衍射峰; 而 N i S i薄膜中未出现任何 Si的衍射峰。
3
行薄膜沉 积, 保持 Ar 气流量为 15 sccm ( mL /m in) , 工作真空度为 2 0 ∀ 10 P a 。沉积 A 、 l Cu、 N i和 Si薄
1
膜的靶电流分别为 1 5 、1 、 1 和 0 5 A, 沉积时间分 别为 60 、 60 、 60 和 180 m in 。 使用场发射扫描电子显微镜 ( JS M 6700F ) 测量了 退火前 A 、 l Cu、 N i和 Si薄膜各自的厚度 ; 采用 GSL 1600X 真空管式高温退火炉对样品进行了退火试验 , 退火温度分别为 300 、 400 和 500 均为 2 h , 其中升温速率为 5
。晶态硅
( nc Si 、 c Si 、 m c S i)薄膜太阳能电池因与非晶硅薄 膜 ( a S i)太阳能电池相比具有较高的载流子迁移率 , 高的光电 转换效率 ( 约 为 18 % , 尤其是在 强光范围 内 )且无效率衰减问题等优点, 在大面积、工业化生 产太阳能 光电 转 换硅 薄 膜领 域 有着 广 300 退火后 A l Si 、 Cu S i和 N i S i薄膜的 XRD 图谱 th in fil m s after annea ling a t 300
/m in , 随炉冷却至室
温, 退火过程中真空度为 5 0 ∀ 10 P a ; 通过 X 射线 衍射仪 ( Cu 靶辐射 ) 对薄膜的物相结构进行 分析 ( 仪 器参 数: 特 征 X 射 线波 长 = 1 540562 nm, 步长 0 02# , 扫 描 速 度 10# /m in , 管 压 40 kV, 管 流 40 mA ), 根据谢乐公式计算薄膜的平均晶粒尺寸。
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根据谢乐公式计算出 A l S i薄膜中 A l和 S i的平 均晶粒尺寸分别为 50 21 nm 和 16 57 nm。与 300 退火相比 , 400 退火时 , A 、 l S i原子在 A l /S i界面 处相互扩散的速率随退火温度的升高而加快 ; 扩散至 A l层中的 S i原子的浓度很快超过了固相晶化的临界 浓度 C s ; 同时温度升高时, S i原子的形核速率会加 快, 从而使 S i原子在 A l层中很快进行了固相晶化 , 缩短了晶化时间, 故此时 A l S i薄膜中出现了明显的 S i衍射峰。根据 XRD 图谱测出 Cu S i和 N i Si薄膜此 时的内应力分别为 27 8 GP a 和 14 7 GPa , 远高于 A l S i薄膜的内应 力 ( - 0 5 GP a) , 说明在 400 退火 时, 退火过程中提供给 Cu S i和 N i Si薄膜的能量主 要用于消除 Cu、 N i和 Si各薄膜内在的缺陷, 而金属 层和 S i层界面处虽亦发生了原子间的相互扩散, 但 扩散能力仍较低; 同时 Cu S i的 XRD 图谱中亦出现 了 CuO ( 313) 衍射峰, 说明退火过程中 Cu 原子部分 发生了氧化, 此时扩散至 Cu 层中的 S i原子虽然达到 了临界浓 度 C s , 但 固 相 晶化 的 程 度很 低 , 因 此在 XRD 图谱中仅能看到微弱的 S i衍射峰。文献 [ 11] 研 究表明, N i诱导 S i薄膜晶化的实质是 N i 、 Si原子在 N i /S i界面处发生反应生成 N iS i Si 2; 随着 N i 2的迁移 , 亚稳态非晶硅薄 膜才能转变 为稳态的 晶态 S i薄膜。 而欲在 N i /S i界面处 形成 N iS i2, 则 N i 、 Si原子必须 先在界面处形成 N i Si键 , 400 退 火时, 随 着 N i 、 S i原子沿界面的相互扩散, N i /S i界面处可能存在很 多 N i S i键 , 但因进一步扩散的能量不够 , 尚未形成 S i薄膜晶化所必须的 N iS i2, 致使此时 S i薄膜未发生 晶化。 图 3 为 500 退火后 A l Si 、 Cu S i和 N i S i薄膜 退火后 A l Si