根據(jù)熱力學(xué)第二定律的Gibbs自由能描述，理論研究了鋁誘導(dǎo)晶化(AIC)制備多晶硅薄膜的鋁誘導(dǎo)層交換(ALILE)機(jī)理。用數(shù)學(xué)模型描述了ALILE過(guò)程中a-Si原子通過(guò)Al2O3緩沖層向鋁層擴(kuò)散的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。在此模型框架下，根據(jù)多晶硅薄膜制備過(guò)程中退火溫度和Al2O3緩沖層的制備條件，對(duì)成核之前鋁層中硅原子的濃度隨時(shí)間的變化和成核時(shí)間變化的關(guān)系進(jìn)行深入的理論研究，試驗(yàn)驗(yàn)證了理論計(jì)算結(jié)果；通透射電子顯微鏡測(cè)量了不同退火溫度下的非晶硅微孔深度，根據(jù)理論研究計(jì)算得到了非晶硅溶解到鋁膜中的激活能EA為0.57eV。

　　大顆粒多晶硅(Poly-Si)薄膜具有晶體硅材料的性能與電學(xué)結(jié)構(gòu)，在太陽(yáng)能電池、薄膜晶體管(TFT)以及壓敏電阻材料領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，尤其在太陽(yáng)能電池領(lǐng)域因其能顯著降低電池制造成本而成為薄膜太陽(yáng)能電池研究的熱點(diǎn)。目前，對(duì)于多晶硅薄膜的制備方法有直接沉積制備，如等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)和熱絲化學(xué)氣相沉積(HWCVD)等，以及先在基底沉積非晶態(tài)硅薄膜(a-Si)，再利用其它手段晶化非晶硅薄膜，得到多硅薄膜的方法，如固相晶化(SPC)法、激光晶化(LIC)法等。直接制備法得到的薄膜多為微晶硅或微晶

　　硅摻雜非晶硅薄膜，晶粒較小，電學(xué)性能較差。雖SPC以及LIC等方法得到的多晶硅薄膜性能優(yōu)良但晶化溫度較高，能耗較大，更為主要的是對(duì)基底材料的耐溫性提出了苛刻的要求。鋁誘導(dǎo)晶化(AIC)法則是一種能在廉價(jià)基底(常用玻璃)上低溫(<577℃)制備大顆粒多晶硅薄膜有效降低器件成本的有潛力的方法。

　　AIC制備多晶硅薄膜的過(guò)程既是將玻璃/Al/Al2O3/a-Si結(jié)構(gòu)330～550℃下退火幾小時(shí)到1h，得到晶粒在100nm甚至幾十微米的多晶硅薄膜。關(guān)于AIC過(guò)程的研究已經(jīng)有很多報(bào)道。截至目前為止，已經(jīng)有在100℃下制備多晶硅薄膜的報(bào)道。但是通過(guò)AIC制備的是鋁原子重?fù)诫s并且薄膜厚度受限，因此制備的多晶硅薄膜適合于多晶硅薄膜的p+層或者是多晶硅薄膜吸收層的晶籽層(seedlayer)，因此深刻認(rèn)識(shí)AIC制備多晶硅薄膜的機(jī)理對(duì)于降低晶化溫度以及摻雜率具有重要的理論指導(dǎo)意義。O.Nast等通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，提出了AIC的鋁誘導(dǎo)層交換(ALILE)晶化機(jī)理。Widenborg等研究了鋁誘導(dǎo)晶化制備多晶硅薄膜過(guò)程中多晶硅薄膜的表面形貌，并建立了一個(gè)原理模型來(lái)解釋ALILE過(guò)程。但是對(duì)于AIC機(jī)理還需要有進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。

　　本文根據(jù)熱力學(xué)第二定律的Gibbs自由能描述，理論研究了AIC制備多晶硅薄膜的ALILE機(jī)理，同時(shí)結(jié)合理論研究和實(shí)驗(yàn)結(jié)果理論計(jì)算了AIC制備多晶硅薄膜的激活能。

　　1、AIC低溫制備多晶硅薄膜的機(jī)理研究

　　1.1、ALILE過(guò)程的動(dòng)力學(xué)描述

　　Al/a-Si界面由于a-Si濃度梯度以及a-Si原子的較高的Gibbs自由能，Si-Si鍵斷裂并通過(guò)擴(kuò)散的方式滲入鋁膜，與鋁原子相互作用形成Al-Si鍵，在Al/a-Si界面附近形成非共融的硅鋁化合物，Si-Si鍵由飽和鍵轉(zhuǎn)變?yōu)榉秋柡玩I，Si-Si鍵的鍵能降低，同時(shí)形成非穩(wěn)定態(tài)的硅鋁化合物，且Al-Si鍵斷裂所需能量較低；Si原子在Al膜中的濃度超過(guò)了退火溫度下的臨界濃度后，硅原子繼續(xù)擴(kuò)散便開始成核結(jié)晶，晶核周圍一定區(qū)域內(nèi)的Si原子向晶核移動(dòng)并使晶核長(zhǎng)大形成晶粒，同時(shí)在周圍形成Si原子耗盡區(qū)。上層的Si原子由于濃度梯度會(huì)持續(xù)擴(kuò)散到耗盡區(qū)，晶粒持續(xù)長(zhǎng)大。Si晶粒在Al膜中向各個(gè)方向生長(zhǎng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)Al/玻璃界面時(shí)，晶粒的生長(zhǎng)受到玻璃基底的束縛，便在玻璃基底表面橫向生長(zhǎng)，直到與相鄰晶粒交匯。根據(jù)Si-Al相圖，Al在晶體硅中的溶解度很低，Al原子被不斷長(zhǎng)大的晶粒“排擠”并向Al/a-Si界面擴(kuò)散最終擴(kuò)散到a-Si層中。經(jīng)過(guò)上述過(guò)程，Al原子擴(kuò)散到上層a-Si層的位置，相同厚度的a-Si原子則擴(kuò)散到下層Al膜的初始位置，形成多晶硅薄膜，Al層和Si層完成了位置交換。因?yàn)槎嗑Ч璧腉ibbs自由能比非晶硅的小，因此生成的多晶硅薄膜是穩(wěn)定的，也即ALILE是不可逆的過(guò)程。

　　1.2、AIC機(jī)理理論研究

　　1.2.1、建模過(guò)程描述

　　圖1給出了ALILE過(guò)程模型。ALILE過(guò)程中，將基底/Al/Si在低于577℃下退火。由于濃度梯度，硅原子將通過(guò)鋁和a-Si層之間的氧化鋁緩沖層擴(kuò)散到鋁膜中(step1)；當(dāng)硅原子在鋁層中的濃度達(dá)到成核的飽和濃度Cs后，成核現(xiàn)象發(fā)生(step2)；鋁膜中硅原子的擴(kuò)散(step3)，源源不斷地供應(yīng)硅原子使硅晶粒(核)逐漸長(zhǎng)大(step4)；逐漸長(zhǎng)大的硅顆粒替代了下層的鋁原子并將其“推擠”到表面(step5)，硅鋁層相互交換位置，完成ALILE過(guò)程，多晶硅薄膜生成，最終結(jié)構(gòu)為基底/poly-Si/Al(Si)。本文將對(duì)硅原子通過(guò)氧化鋁緩沖層擴(kuò)散，以及在鋁層中硅晶粒成核之前硅鋁化合物的形成(step1)進(jìn)行理論模擬研究；用數(shù)學(xué)模型來(lái)描述ALILE過(guò)程中step1的動(dòng)力學(xué)過(guò)程；在此框架下，根據(jù)退火溫度和氧化鋁緩沖層的實(shí)驗(yàn)制備條件，對(duì)初始階段硅成核之前鋁層中硅原子的濃度隨時(shí)間以及成核時(shí)間進(jìn)行研究。

圖1 鋁誘導(dǎo)層交換模型

　　結(jié)論

　　根據(jù)Gibbs自由能理論，理論研究了ALILE過(guò)程中a-Si原子通過(guò)Al2O3緩沖層向鋁層擴(kuò)散的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，得到了非晶硅原子通過(guò)Al2O3緩沖層的擴(kuò)散系數(shù)Dmem與激活能EA和退火溫度T之間的關(guān)系。理論計(jì)算結(jié)果很好地對(duì)應(yīng)了阿列紐斯函數(shù)，說(shuō)明非晶硅原子在Al2O3中的擴(kuò)散控制硅原子在鋁層中的擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)特性；通過(guò)TEM測(cè)量了不同退火溫度下的非晶硅原子融入鋁膜的微孔深度，根據(jù)理論研究結(jié)果計(jì)算得到了非晶硅溶解到鋁膜中的激活能Ea為0.57eV。對(duì)比將多晶硅溶解到鋁膜中的激活能(Ea=0.79eV)，說(shuō)明鋁層在裂解非晶硅原子的作用中具有重要作用。