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研究生: 鍾佩珊
Chung, Pei-Shan
論文名稱: 以穿透式電子顯微鏡時間解析法分析鋁誘發結晶製備多晶矽薄膜之缺陷研究
Time Resolved TEM Study of Defects Annihilation in Poly-Si Film Grown by Aluminum Induced Crystallization Process
指導教授: 陳福榮
Chen, Fu-Rong
口試委員: 張立
羅聖全
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 原子科學院 - 工程與系統科學系
Department of Engineering and System Science
論文出版年: 2011
畢業學年度: 99
語文別: 中文
論文頁數: 68
中文關鍵詞: 多晶矽薄膜鋁誘發結晶穿透式電子顯微鏡雙晶
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  •   鋁誘發結晶法被研究可用來製備成本便宜且擁有大晶粒的多晶矽薄膜,但是其晶粒內部擁有的高密度缺陷在載子傳輸的過程中將提供大量的電子電洞復合機會,直接影響了太陽能電池的效率。為解決此問題,我們利用穿透式電子顯微鏡時間解析法來了解矽晶粒成核成長的情形。
      利用濺鍍方法在玻璃基板上鍍上300nm的多晶鋁層,接著在大氣中放置2分鐘得到自身氧化層,最後再鍍上600nm的非晶矽層,得到鋁/氧化鋁/非晶矽的結構。接著將試片分別在通入氬氣以及氮氫混和的氣氛下以400℃在不同的時間下退火,接著利用穿透式電子顯微鏡等分析技術來了解矽晶粒隨著退火時間增加的成核成長情形。
      我們發現,在矽晶矽的初始核中雙晶即存在,且雙晶密度隨著退火時間的增加而有減少的趨勢,而在不同的氣氛下退火對雙晶密度也造成影響。另外也發現利用鋁誘發結晶法製備的多晶矽薄膜擁有(100)的優選方向,我們進而研究在退火初期的多晶矽薄膜,發現矽晶粒傾向於在鋁/氧化鋁的介面處成核,造成(100)優選方向的關係。


    Aluminum-induced crystallization (AIC) process was used to prepare the cheaper and has large grain poly-silicon films for thin film solar cell. But it is observed that the high density of intragrain defects form in the poly-Si film during AIC process, that will enhance the carrier recombination probability, and such that directly influence the efficiency of solar cell. To solve this problem, we use TEM to investigate the nucleation and growth of silicon grain in a series of time length of AIC process.
    Using sputtering method, 300 nm poly-Al layer was deposited onto glass substrate, then the sputtering chamber was exposed to atmosphere for 2 min in order to obtain a native oxide layer. Finally 600 nm amorphous silicon layer was deposited using a sputter, to get Al/Al2O3/α-Si stacking structure. After deposition processes, the samples were annealed in a tube furnace under Ar ambient and N2 mixed H2 ambient at 400℃ different times, respectively. The nucleation and growth mechanism of poly-Si grains are investigated with TEM.
    We found that twin has existed at initial state of silicon grains. The twin density decreases with increasing the annealing time, and will also be influenced in different annealing atmosphere. It was also found that AIC processed poly-Si grains has {100} preferred orientation. This promotes us to study the grain orientation in the poly-Si thin film at initial stage of annealing. The nuclei Si tends to growth at Al/ Al2O3 interface, resulting the phenomenon of {100} preferred orientation.

    目錄 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 研究動機與目的 4 第二章 多晶矽薄膜成長技術與理論 5 2.1太陽能電池(solar cell) 5 2.2 再結晶製程 6 2.2.1固相結晶( SPC, Solid Phase Crystallization ) 6 2.2.2雷射誘發再結晶( Laser-Induced Recrystallization ) 7 2.2.3鋁誘發結晶(AIC, Aluminum Induced Crystallization) 9 2.3 晶界對電性造成的影響 13 2.4雙晶的形成 15 第三章 實驗流程與分析儀器 16 3.1試片製備 16 3.2 TEM試片製備 18 3.3 實驗分析 22 3.3.1 電子顯微鏡原理 22 3.3.2 電子束與物質交互作用 23 3.3.3 電子顯微鏡系統 25 3.3.4 電子槍 27 3.3.5 X-光能量分散光譜儀 (EDS) 29 3.3.6 電子能量損失能譜儀 (EELS) 30 3.3.7 EBSD (Electron Back Scatter Diffraction) 34 第四章 實驗結果與討論 36 4.1 在氮氫混合氣氛下退火 36 4.2 在氬氣氣氛下退火 42 4.3 雙晶形成的探討 48 4.3.1 雙晶的成長 50 4.3.2 晶粒成長過程對雙晶密度的影響 51 4.3.3 不同的退火氣氛對雙晶密度的影響 52 4.4 利用EBSD分析之結果 57 4.4.1 影響晶粒大小的因素 60 4.4.2晶粒之優選方向 61 第五章 結論 63 文獻回顧 65   表目錄 表 4. 1在氮氫混合氣氛下,不同時間退火的結果 37 表 4. 2試片ABCD的平均晶粒大小、平均雙晶密度的統計結果。 41 表 4. 3在氬氣氣氛下,不同時間退火的結果 42 表 4. 4試片EFGH的平均晶粒大小、平均雙晶密度的統計結果。 47 表 4. 5 EBSD量測晶粒大小結果 60   圖目錄 圖 1. 1 1999年到2009年太陽能電池的產量 1 圖 1. 2 NREL所提供各種太陽能電池的最高轉換效率 2 圖 2. 1 固相結晶法,經由600°C熱處理數十個小時,矽成核成長為多晶矽薄膜示意圖 6 圖 2. 2 利用雷射光使薄膜融化,進而成核成長為多晶矽薄膜示意圖 8 圖 2. 3 鋁、矽在退火過程中,通過氧化層交換的推測模型 11 圖 2. 4鋁誘發結晶成核過程示意圖 11 圖 2. 5用TEM拍攝鋁誘發結晶種子層的截面影像,在晶粒內可看到缺陷的存在(a) 為玻璃陶瓷基板 (b) 為二氧化矽 (c) 為可流動的氧化層覆蓋在異質基板上 13 圖 2. 6 表示當介面以三明治形狀夾在n-type半導體層中時,能帶彎曲的結果。 14 圖 3. 1 實驗流程示意圖 17 圖 3. 2 橫截面電鏡試片製備流程圖 21 圖 3. 3 Gatan離子減薄機(Ion Miller) 22 圖 3. 4 電子束與材料樣品作用所產生的訊號 24 圖 3. 5 電子顯微鏡外觀圖 26 圖 3. 6 電子顯微鏡構造示意圖 27 圖 3. 7 電子槍結構圖 29 圖 3. 8 (a) 入射電子對樣品繞射產生Kossel cones並在磷光屏幕上顯示菊池圖;(b) 菊池圖在屏幕上非常接近直線,圖中菊池線的交點為晶軸 34 圖 4. 1 用光學顯微鏡所拍攝的影像,(a)為試片A (b)為試片B (c)為試片C (d)為試片D。 38 圖 4. 2退火5小時試片TEM暗場像。 39 圖 4. 3退火10小時試片TEM暗場像 39 圖 4. 4退火15小時試片TEM暗場像 40 圖 4. 5退火20小時試片TEM暗場像 40 圖 4. 6雙晶密度和晶粒大小隨退火時間的變化。 41 圖 4. 7用光學顯微鏡所拍攝的影像,(a)為試片E  (b)為試片F  (c)為試片G  (d)為試片H。 43 圖 4. 8 退火5小時試片TEM暗場像 44 圖 4. 9 退火10小時試片TEM暗場像 45 圖 4. 10退火15小時試片TEM暗場像 46 圖 4. 11 退火20小時試片TEM暗場像 46 圖 4. 12雙晶密度和晶粒大小隨退火時間的變化。 47 圖 4. 13 多晶矽的成核點,我們可以看到在初始核內就擁有高密度的雙晶 49 圖 4. 14是傾轉晶界的角度與其對應的晶界能量關係圖,(a) 為<100>軸,(b) 為<110>軸 50 圖 4. 15連續多晶矽薄膜示意圖 51 圖 4. 16為TEM拍攝氧化鋁層的原子影像 52 圖 4. 17 兩種不同退火氣氛下,雙晶密度對退火時間的關係圖 54 圖 4. 18 (a)為利用TEM拍攝在氬氣氣氛下以400℃退火5小時的原子影像 (b) 為利用TEM拍攝在氮氫混和氣氛下以400℃退火5小時的原子影像。 56 圖 4. 19純鋁製備鋁誘發結晶EBSD結果 58 圖 4. 20鋁摻雜1%矽製備鋁誘發結晶EBSD結果 59 圖 4. 21 雙金字塔形狀之成核模型 62

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