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紫外拉曼光谱在微晶硅薄膜结晶度分析中的优势
日期:2024-09-09浏览量:20
硅薄膜的结晶度(晶体结构所占的比例)对光伏电池性能至关重要。由于大多数硅薄膜表征信号会被衬底信号掩盖,因此难以确定其结晶度。拉曼光谱、椭偏光谱、透射电子显微镜(TEM)等技术都常被用于测量硅薄膜的结晶度,其中拉曼光谱最快捷,在短短几秒钟内,波长或偏振的变化就能够揭示出样品的相关信息。美能晶化率测试仪采用325激光器,优化紫外光路设计,提高光谱稳定性,高效率利用325激光与样品拉曼信号,实现了5nm以上非晶/微晶材料的原位测试。
晶体、多晶、微晶硅和非晶硅中光的穿透深度
光在晶体、多晶、微晶和非晶硅中的穿透深度
我们使用325 nm紫外拉曼激发来分析不同晶体结构硅材料的结晶度。如图所示,325nm光在非晶硅薄膜中的穿透深度仅为8nm,在微晶硅薄膜中的穿透深度为8.5nm,⼏乎具有相同的穿透深度。常用的拉曼光谱波长还有514和532nm,对晶体硅和非晶硅的穿透深度相差10倍,这表明不同波长光在硅材料中穿透深度的差异性。
遮蔽底层硅片信号的非晶硅薄膜厚度范围
在325 nm激发下,不同厚度的非晶硅薄膜的拉曼光谱
图中可以看到,对于0.3nm至12.6nm之间的非晶硅薄膜,能看到来自底层硅片的晶体硅峰,但对于14.9nm(或更厚)的薄膜,则不可见。非晶硅薄膜的厚度对底层硅片信号在拉曼光谱中显现的影响,大致确定了能够完全遮蔽底层硅片信号的薄膜厚度范围。
不同厚度的非晶硅薄膜对拉曼信号的影响
如图所示,对于 325nm 激发和非晶硅或微晶硅薄膜,拉曼检测厚度(RDT)为 13nm,这意味着 13nm 或更厚的薄膜可以用紫外拉曼分析,并且13nm厚的薄膜对于拉曼分析更具代表性。
不同衬底上微晶硅薄膜的拉曼光谱对比
氢化微晶硅薄膜:分别在c-Si和Al2O3衬底上制备了16.6 nm的氢化微晶硅薄膜。
基底处理:均涂有PECVD沉积的10 nm的SiO2(拉曼透明),以确保后续氢化微晶硅层的相同生长。
16.6nm 厚的微晶硅薄膜在不同衬底上的拉曼光谱
SiO2/Al2O3衬底上的氢化微晶硅薄膜:325nm 激发下测量的结晶度(68%)略高于 532nm 激发下的结晶度(55%),这是因为薄膜的顶部比底部更容易结晶,而较短的波长(325nm)对薄膜表面更敏感。
SiO2/c-Si 衬底上的氢化微晶硅薄膜:532nm 拉曼光谱受到硅衬底信号的强烈干扰,而325nm 拉曼光谱测得的结晶度与在 SiO2/Al2O3上测量的结果几乎相同(66%)。
由此表明,325nm 拉曼光谱对硅衬底不敏感,更适用于分析微晶硅薄膜的结晶度,而 532nm 拉曼光谱会受到硅衬底信号的干扰。
微晶硅薄膜结晶度与厚度的关系
微晶硅薄膜结晶度-随薄膜厚度变化情况
上图表明,紫外拉曼结晶度随着微晶硅薄膜厚度的增加而稳步增加,在84nm后达到约90%的饱和,这反映了薄膜的结晶度与厚度存在依赖关系。
椭偏仪确定的结晶度对于大多数薄膜,结晶度接近零,而对于 24 和 84nm 厚的薄膜,结晶度则跃升至 60% 以上。这表明椭偏仪在测量结晶度时存在一定的困难,难以准确反映薄膜的结晶度变化。
最厚(84nm)微晶硅薄膜的TEM图像
TEM图像对于具有锥形晶体的较厚薄膜更容易转换成黑白对比图像。紫外拉曼可以用来监测微晶硅薄膜的结晶度,数据与TEM图像中明显的晶体区域在定性上是一致的。
综上所述,紫外拉曼在测量微晶硅薄膜结晶度方面具有优势,能够更准确地反映薄膜的结晶度与厚度的关系。
美能晶化率测试仪
联系电话:400 008 6690
美能晶化率测试仪拥有极佳的紫外灵敏度和优异的光谱重复性。采用325激光器,同时优化紫外光路设计,提高光谱稳定性,高效率利用325激光与样品拉曼信号,实现了5nm以上非晶/微晶材料的原位测试,是表征"微晶一异质结"电池的最优选择。
n 行业最佳,紫外灵敏度硅一阶峰的信号计数优于1000(1秒积分时间)
n 光谱重复性:单晶硅校准后,≤520±0.02cm-1
n 光栅刻线数:≤2400 gr/mm;≤1800 gr/mm
常见的拉曼光谱波长在分析硅薄膜时存在问题,而 325nm激光在分析薄的硅薄膜结晶度时具有优势,其在硅材料中的穿透深度合适,且对衬底信号不敏感。美能晶化率测试仪采用穿透深度较浅325nm激光器,能够实现晶化率的原位测试高效精确的一键输出晶化率数值。