雷射退火對薄膜性質之影響

Chung 和 Thompson (2004)[21]等人利用 XeCl 準分子雷射(波長:308 nm) 對 ITO 薄膜做退火實驗，探討其電性與光穿透率。實驗結果顯示在電性上，

當雷射能量密度由 50 到 175 mJ/cm²且脈衝數為 10 發，片電阻由未退火前 的 190 Ω/□下降為 33 Ω/□，如圖 2.20 所示。在圖 2.20 的內圖中顯示，載子 濃度和遷移率的上升，使得片電阻值下降。在光穿透率分析中，ITO 薄膜 經雷射退火後發現可見光穿透率從 70％提升至 85％，此現象歸咎於表面粗 糙度的降低，使得光穿透率提升，如圖 2.21 所示。

圖 2.20 ITO 薄膜雷射退火後的片電阻值

(內圖: ITO 薄膜雷射退火對載子濃度和遷移率關係)[21]

Zhang 和 Xie(2008)[22]等人以 YAG 雷射退火的方式備製 α-FeSi2。圖 2.22 為 XRD 量測結果，其中顯示 α-FeSi₂的繞射峰約為 33.1 且優選方向 為與 Si 基板(100)同方向，隨著雷射能量的提升，繞射峰強度也變大。圖 2.23 為 SEM 量測結果，當雷射能量提升時結晶越明顯，晶粒大小從 3 µm 提升 至 5 µm，從圖中得知當雷射能量密度在 0.95 J/cm²可獲得較佳 α-FeSi₂。

圖 2.22 α-FeSi2 薄膜在不同雷射密度退火後之 XRD 圖[22]

圖 2.23 α-FeSi2 薄膜之 SEM 圖：(a)在溫度 733K 的基板下沉積薄膜並使用 雷射能量密度為 2.25 J/cm²退火結果，(b)、(c)和(d)分別為在室溫下沉積薄 膜並使用雷射密度分別 0.95 J/cm²進行退火結果，(c)和(d)為(b)不同放大倍 率[22]

Tsang 和 Wong(2008)[13]等人以溶膠-凝膠法備製 AZO 薄膜，並以 KrF 準分子雷射(波長:248 nm)在不同能量下對薄膜退火之研究。相關雷射調變 參數如下：雷射脈衝數為 1、3、5 發(shots)條件下與雷射能量在 150、200 和 250 mJ。在薄膜結構分析方面，當脈衝數為 5 發且雷射能量分別為 150、

200 和 250 mJ 時(如圖 2.24)，我們可從材料 XRD 圖得知當脈衝數固定時，

隨著雷射能量提高，其量測的繞射峰值強度有變大趨勢，亦可從圖 2.24(a) 得知晶格的缺陷減少達到快速再結晶。相同的情形可在圖 2.24(b)中發現，

意謂著雷射能量和脈衝數將影響結構特性。在電性的探討中發現當雷射能 量往上提高時，電阻率明顯下降，此現象歸咎於晶格缺陷和晶界密度減少，

使遷移率提升，所以電阻率降低，如圖 2.25 所示。從 SEM 量測結果分析表 面形貌可知，隨著雷射能量的提升，晶格尺寸有明顯的增長，此現象與 XRD 分析結果是相符的，如圖 2.26 所示。對於雷射退火後平均穿透率則提升為 86％，主要是因為晶格尺寸的成長和晶界密度變小，如圖 2.27 所示。

圖 2.24 雷射退火後 AZO 薄膜之 XRD 圖：(a)改變雷射能量和固定雷射脈衝 數(5 發)、(b)改變雷射脈衝數和固定雷射能量(250 mJ)[13]

圖 2.25 雷射退火後 AZO 薄膜之電阻率之關係圖[13]

圖 2.26 AZO 薄膜之 SEM 圖：(a)未退火、(b)雷射能量 150 mJ、(c)雷射能量 200 mJ、(d)雷射能量 250 mJ[13]

圖 2.27 AZO 薄膜之光穿透率：(a)改變雷射能量和固定雷射脈衝數(5 發)、(b) 改變雷射脈衝數和固定雷射能量(250 mJ) [13]

Lee 和 Seong(2010)[10]等人以 KrF 準分子雷射(波長:248 nm)於 AZO 薄 膜表面進行退火實驗，分析其薄膜結構、表面形貌和光電特性。實驗參數 包括：雷射能量密度固定 160 mJ/cm²、頻率為 10 Hz，雷射脈衝(pulse)數調 整從 600 增加 3000 發數。在表面特性量測結果顯示，當雷射能量密度在 160 mJ/cm²和脈衝數為 1800 發時(如圖 2.28)，從 SEM 圖得知晶體獲得能量後可 使表面一些孔隙變小且晶界變大，導電性因此得到了提升。在薄膜結構特 性，利用 XRD(X-ray Diffraction)量測薄膜的結晶特性(如圖 2.29)，當脈衝數 上升時，繞射峰強度有變大的趨勢，可知結晶特性變得更好。由 Scherer 公 式[5]可求得晶格尺寸(grain size)，發現晶格尺寸有明顯增大的現象。在導電

性的探討中發現當脈衝數往上累積時，從霍爾量測儀量測中發現載子濃度 和載子遷移率有明顯往上增加趨勢(如圖 2.30)，而電阻率明顯的往下降，因 為載子濃度和遷移率的增加，使得導電性獲得提升。研究發現可見光範圍 的光穿透率平均接近 80％(如圖 2.31)，並沒有因脈衝數增加有明顯的改變，

推測光穿透與介電常數有關，無法藉由表面或是結構上的改變而產生趨勢 上的影響。

圖 2.28 AZO 薄膜之 SEM 圖：(a)未退火(b)雷射退火[10]

圖 2.29 雷射退火後 AZO 薄膜之 XRD 圖[10]

圖 2.30 雷射退火 AZO 薄膜之電阻率[10]

圖 2.31 雷射退火 AZO 薄膜之光穿透率[10]

Chen 和 Lin(2011) [23]等人以 Nd:YAG 雷射(波長:1064 nm)退火於 FTO 薄膜上，分析其薄膜結構、表面形貌和光電特性。當雷射功率小於 2W 時，

晶粒大小維特在一定的水平(圖 2.32)。而雷射功率超過 2W，晶粒大小逐漸 變大，意指薄膜表面產生再結晶現象。在電性的量測結果分析中發現：雷 射退火功率調整從 0.5 W 至 1.5 W 之間，電阻率是下降且載子濃度沒有明顯 增加趨勢(圖 2.33)。當雷射功率超過 1.5W，遷移率急劇下滑，導至電阻率 上升(圖 2.34)。

圖 2.32 不同雷射功率與 FTO 薄膜之 XRD 圖[23]

圖 2.33 不同雷射功率與 FTO 薄膜晶粒關係圖[23]

圖 2.34 不同雷射功率下遷移率、載子濃度和電阻率之關係圖[23]

第三章 氧化錫摻雜氟薄膜雷射退火實驗