利用KrF準分子激光對非晶硅薄膜的表層進行了晶化。研究了激光能量密度和照射脈沖數對薄膜結晶度的影響，并對晶化后薄膜的形貌和結構進行了表征。結果表明：該非晶硅薄膜晶化閾值約為110mJ/cm²，且不受照射脈沖數的影響；激光能量密度是影響薄膜結晶度的首要因素，但在較低的能量密度時，增加照射脈沖數也會顯著的提高薄膜結晶度；結構及形貌表征發現，薄膜晶化層厚度約為400~500nm，平均晶粒尺寸為30~50nm。

　　準分子激光晶化（ELC）是一種將非晶硅薄膜轉換為多晶硅薄膜的有效方法，目前在薄膜晶體管（TFT）和薄膜太陽能電池領域有著廣泛的研究和應用。通常準分子激光工作在紫外光區，非晶硅薄膜對其光子的吸收僅限于表層的幾納米深度；并且由于激光脈寬較窄，非晶硅的融化和結晶過程在納秒級的短時間內完成，整個晶化過程對于薄膜的襯底幾乎沒有影響。因此，可以采用廉價襯底，如玻璃，不銹鋼等，這對于制造低成本、大面積的高效太陽能電池來說是非常關鍵的。然而，目前的研究主要集中于將非晶硅薄膜整體晶化，至今很少有文獻報道利用該技術來進行薄膜的表層晶化，從而制備微晶硅/ 非晶硅（μc-Si/a-Si）復合薄膜。眾所周知，非晶硅薄膜在接受陽光照射時存在光致亞穩效應（SWE），并且對紅光及紅外波長吸收不足，這些在很大程度上影響了薄膜電池的轉換效率及穩定性。而微晶硅薄膜對紅外吸收系數高、穩定性好，可以大大彌補非晶硅的不足。因此，這種復合薄膜對于提升薄膜電池的轉換效率及穩定性具有巨大的潛力。然而，由于非晶與微晶結構上的差異，使得復合薄膜沉積工藝復雜、制備困難。因此，將ELC技術應用于此，使得復合薄膜制備工藝簡單快捷，有著很好的研究和應用前景。

　　本文采用KrF（波長為248nm）準分子激光對非晶硅薄膜進行晶化處理，制備了μc-Si/a-Si復合薄膜。主要研究了激光能量密度和輻照脈沖數對薄膜結晶度的影響，并且對晶化行為和機制進行了討論。

1、實驗方法

　　待晶化的非晶硅薄膜通過電子回旋共振-等離子體增強的化學氣相沉積（ECR-PECVD）方法制得，采用普通玻璃作為襯底，反應氣體為Ar和SiH₄。沉積工藝參數為：沉積室本底真空7×10^-3Pa，SiH₄流量10 sccm，Ar 流量70sccm，沉積溫度~300℃，工作壓力3.0Pa，微波功率600 W，沉積時間為6h。沉積得到的薄膜厚度約為1.7μm。激光晶化采用Lambda Physik LPX 305iKrF (λ = 248 nm)準分子激光作為輻照源，激光脈寬25 ns，光斑尺寸為30×10mm。實驗在室溫（25℃）空氣條件下進行，采用Ar作為保護氣體，激光能量密度為50~300mJ/cm2。采用JEOL JSM-6301F 場發射掃描電子顯微鏡（FE- SEM） 來進行薄膜形貌觀察。利用JYLabram HR 800 激光拉曼光譜儀來進行結晶度的研究，工作氣體He- Ne，激光波長632.8nm。采用Tecnai G220透射電子顯微鏡（TEM）對薄膜進行形貌觀察及電子衍射分析。

2、結果分析與討論

2.1、激光能量密度對薄膜結晶度的影響

　　激光能量密度直接影響薄膜的晶化效果。圖1給出了在不同激光能量密度輻照下薄膜的Raman散射譜。從圖中可以看出，在激光能量密度為50mJ/cm² 和80 mJ/cm² 時，Raman譜顯示為480cm-1處的非晶包，表明薄膜仍處于非晶狀態。當激光能量密度為110 mJ/cm²時，Raman 譜首次出現了520 cm^-1處的尖峰，表明薄膜晶化已經開始，晶化閾值110mJ/cm² 在附近，這與真空技術網以往的文章上的結果一致。而且，隨著激光能量密度升高，520 cm^-1 處的晶體峰越來越強，表明薄膜的結晶度逐漸提高。

圖1 不同激光能量密度條件下薄膜的Raman散射譜

　　為了進一步分析薄膜晶化層中微晶相的比例，我們對Raman 散射譜進行分峰擬合，采用公式Xc=(I520+I510)/(I520+I510+I480)來計算薄膜的結晶度。其中，Xc代表薄膜中微晶相所占的比例，I520、I510、I480分別指對應于520cm^{- 1}，510cm^-1和480 cm^{- 1}處進行Lorentzian分解后，三個波峰的相對積分強度。通過計算得到薄膜結晶度對激光能量密度的曲線，如圖2所示。從圖中可以看出，結晶度隨著激光能量密度的增加呈現出先緩慢、再迅速、最后緩慢增加的變化趨勢。這是由于：當激光能量密度高于晶化閾值而低于150 mJ/cm² 時，晶化過程剛剛開始，薄膜表面并未出現熔化現象，非晶硅是以固相結晶機制進行晶化，因而結晶度增加緩慢；當激光能量密度超過150 mJ/cm²，即非晶硅薄膜的表面熔化閾值時，由于薄膜表面熔化而使結晶度急劇增加，并且隨能量密度升高，薄膜表面熔化的停留時間增加， 熔化的比例增加，因而結晶度迅速增加； 當激光能量密度高于250 mJ/cm²時， 由于薄膜表面晶化程度已經處于較高水平，增長的空間不大，因而結晶度增加緩慢。

圖2 結晶度與激光能量密度的關系