摘要：實驗采用glass/a-Si:H/Al結構，在厚100 nm非晶硅膜上蒸鍍了不同厚度的鋁膜，利用鋁誘導晶化法晶化非晶硅薄膜，結果發現經380℃退火后非晶硅薄膜晶化率在鋁膜厚度與非晶硅膜相等時有**大值，且其晶化率隨晶粒尺寸的增大而增大，而其表面粗糙度隨鋁厚度的增加而增大。 
　　Abstract: Al-induced crystallization (AIC) of hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) film (100nm) with a stack of glass/a-Si:H/Al was investigated by changing differently interfacial aluminum layers. It is shown that there is a greater value for crystalline volume fraction of the AIC a-Si:H films at the annealing temperature of 380℃ when aluminum layer thickness equal to amorphous silicon film and the crystalline volume fraction increased with increasing the grain size, but the mean roughness of the samples increased with increasing aluminum film thickness. 
　　關鍵詞： 非晶硅 鋁誘導晶化 晶化率 
　　Key words: amorphous silicon；aluminum-induced crystallization；crystalline volume fraction 
　　中圖分類號：TG1 文獻標識碼：A文章編號：1006-4311（2011）２7-0028-02 
　　0引言 
　　近年來，人們發現當金屬（Ni、Al、Au、Ag、Pd等）與非晶硅接觸時，在金屬層的誘導作用下可以使非晶態硅在低溫下晶化為多晶硅——金屬誘導晶化法（Metal Induced Cryst-allization:MIC）。這種制備多晶硅薄膜的方法具有晶化時間短、晶化溫度低、制得的硅晶粒尺寸大的優點，因此金屬誘導晶化越來越受到人們的關注，而目前用得**多的是鋁誘導晶化（Aluminum induced crystallization：AIC）。當1988年Nast等人**提出用AIC法在玻璃上形成了連續的多晶硅[1]之后，AIC法就引起了許多研究者的興趣。據報道，采用AIC法，非晶硅（Amorphous Silicon：a-Si）薄膜的晶化溫度可降到150℃[2]，晶粒平均尺寸可達八十多微米[3]，而非晶硅薄膜固相晶化溫度通常在600℃以上才能制出微米量級尺寸晶粒，因而用AIC法制備多晶硅薄膜是一項很有潛力的工藝方法。多晶硅薄膜結構特性依賴于其制備條件，如薄膜沉積條件[4]、退火時間和退火溫度[5]等等，然而很少有人考慮采用AIC法時鋁厚度對其結構特性的影響。鑒于此，本節主要研究鋁膜厚度對非晶硅晶化的影響，也就是非晶硅膜沉積條件相同，只有金屬鋁膜厚度不同，**后在相同的退火條件下來觀察鋁膜厚度對非晶硅膜低溫晶化的影響。 
　　1實驗 
　　實驗中采用glass/a-Si:H/Al結構，**用PECVD法在玻璃襯底上制備了厚100nm氫化非晶硅（a-Si:H）薄膜，再蒸鍍厚度分別為50nm、80nm、100nm、120nm的鋁薄膜，所得樣品分別編號為所有樣品**后被置于溫度控制箱式電阻爐內于氮氣氣氛中380℃退火2h，具體參數見表1。利用X射線衍射儀（XRD）、激光拉曼（Raman）光譜儀、原子力顯微鏡（AFM）等測試手段研究了多晶硅薄膜的結構和性質，測試前將樣品放入50℃的標準腐蝕液中浸泡5min，除去樣品表面的鋁膜。 
　　2結果與討論 
　　圖1是圖中分別對應的是Al層厚度分別為50nm、80nm、100nm、120nm的四個樣品的XRD譜，1#樣品的鋁膜厚度為50 nm，由圖可知，硅的Si（220）和Si（311）峰幾乎沒有出現，而Si（111）峰的相對強度也很弱，這主要是因為鋁膜太薄，不足以提供Si晶化所需要的Al，因而只有一部分a-Si被晶化；2#樣品Al膜厚度為80nm，退火處理后發現硅的Si（111）、Si（220）和Si（311）峰都出現了，且峰的強度明顯大于1#樣品；當鋁膜厚度與非晶硅薄膜厚度相同（均為100nm）時，硅的這三個峰的相對強度都比前兩者明顯增強；然而當鋁膜厚度為120nm時，硅的這三個峰的相對強度卻比3#樣品強度明顯減小，這是因為當鋁膜較非晶硅膜厚時，大量的硅原子擴散到了鋁膜中，使得單位體積內的硅原子就少于等厚時的情形，硅原子要生長到硅核上就要克服更多的鋁原子對其的束縛，因而硅完全晶化時需要的時間就會更長，晶化效果就不如等厚時的情形。所以當鋁膜與非晶硅膜等厚時，非晶硅薄膜的晶化效果**佳，這與O. Nast的結果相同[6]。 
　　圖2是四個樣品的拉曼圖譜。a曲線對應1#樣品，即鋁層厚度為50 nm的樣品，峰位出現在511cm-1處，說明樣品已經開始結晶，但是峰的強度較弱，同時峰的左端較寬，包含有480cm-1的無定形硅所特有的峰位，所以1#樣品出現部分晶化。2#樣品的峰位向高波段移動到515cm-1處，同時強度明顯增強，即2#樣品已經有相當部分的晶態硅。3#樣品的峰位移動更加明顯，峰的強度也進一步增大。這說明鋁層厚度由50 nm增加到100 nm的過程中，樣品的晶化率是增加的。但是從d圖可以看到，當鋁層厚度增加到120 nm時，峰位向低波段移動到516cm-1處，與3#樣品相比不僅峰的強度減小，而且峰的左端變高，非晶態硅開始增加，這一現象表明Al層的厚度超過a-Si層后，反而不利于a-Si的晶化。 
　　圖3為厚度不同的Al層樣品晶化率圖像。利用三峰高斯擬合樣品的拉曼譜計算晶化率[7]，結果發現對應Al層厚度為50nm、80nm、100nm、120nm的四個樣品的晶化率分別43%、60%、94%和62%，參見圖3。顯然，經380℃退火后非晶硅薄膜晶化率在鋁膜厚度與非晶硅膜相等時達到**大值，當鋁膜厚度超過非晶硅薄膜時晶化率呈下降趨勢。圖4是四個樣品的AFM測試結果，圖像I、II、III、IV分別對應樣品1#、2#、3#、4#。 
　　1#樣品表面較為平整，但是晶粒尺寸較小，同時還可以看到晶粒都彼此“獨立”，呈現“尖島”狀，薄膜生長不連續；2#樣品晶粒尺寸和粗糙度都有增加；3#樣品的晶粒尺寸有較大增加，同時薄膜表面變得平滑；4#樣品不但晶粒尺寸減小，而且薄膜表面變得粗糙，說明過厚的鋁層不利于非晶硅薄膜的晶化。1#、2#、3#、4#樣品的晶粒尺寸分別為90nm、120nm、206nm、129nm，表面粗糙度分別為6nm、17nm、14nm、20nm，顯然非晶硅薄膜晶粒尺寸在鋁膜厚度與非晶硅膜相等時也有**大值，因而非晶硅薄膜晶化率應該與晶粒尺寸有關，且其晶化率隨晶粒尺寸增大而增大，而其表面粗糙度隨鋁厚度增加而增大。