1.3 複晶矽的結晶方式
1.3.4 金屬誘發結晶/金屬側向誘發結晶(MIC/MILC)
1963 年時，由Wagner和Ellis 發現了少數的特定元素可以幫助矽結[2]
晶。其中一種金屬誘發結晶方式是利用金屬與矽反應成介穩定的矽化 物(例如：Ni[3,4 ]、Pd[4,5]等)，在矽化物移動的過程中，金屬原子的自 由電子與Si-Si共價鍵發生反應，降低a-Si結晶所需的能障，使得結 晶溫度降低。以Ni為例， Ni會先與Si反應成多種矽化物[6]，在靠近 a-Si區域的地方會產生Si-rich的NiSi2。
Ni
Si
圖 1-4 Si與NiSi2的晶體結構[5]
由圖 1-5 的Ni-Si反應自由能圖中可知，在NiSi2中的Ni原子在NiSi2與 a-Si介面的自由能比在NiSi2與poly-Si介面處低，這個自由能差會使 Ni原子往a-Si層移動；反之，在NiSi 中的Si原子在NiSi2 2與a-Si介面 的自由能比在NiSi2與poly-Si介面處高，使得Si原子會往poly-Si的 方向擴散。這結果會使得NiSi2持續的往a-Si延伸，而所經之處產生 Si結晶。
圖 1-5 Ni-Si間反應自由能圖[8]
而金屬誘發結晶的原理，主要是在Ni-Si的反應中，藉由Ni原子的擴 散。在約 200℃時開始產生δ-Ni2Si，之後隨著退火溫度的提高，在 500℃時Ni2Si逐漸被NiSi相所取代，在 650℃左右慢慢形成NiSi2。 NiSi2的形成主要是由成核機制所控制的，需要在高溫下才能形成。
但在退火的過程中Ni並不會直接與矽反應形成NiSi2，而會先反應形 成NiSi的介穩定相[6]，再由NiSi與Si反應而得到NiSi2。在NiSi與Si 的反應機制裡，NiSi與a-Si反應形成NiSi2是屬於擴散控制在 350℃左 右就可以形成NiSi2；而NiSi與c-Si反應形成NiSi2則是屬於成核控 制，所以需要在高溫下才能得到。所以就金屬誘發而言，Ni與a-Si 薄膜反應形成NiSi 來誘發結晶並不需要很高的溫度。 2
而在金屬側向誘發結晶方面，首先是在非晶矽上們看到在非晶矽上面 鍍上一層鎳金屬(利用sputter或是無電鍍方式)，接著在適合溫度下 進行退火（350℃～550℃），此時鎳金屬與a-Si間會形成一層薄薄的 NiSi2，隨著上述的機制，NiSi2向下移動，成金屬誘發結晶（MIC）， 接著NiSi2向旁移動，形成金屬側向誘發結晶（MILC）。這就是MILC的 成長機制（如下圖所示）。
由於NiSi2（111）平面跟Si（111）平面的晶格常數只有 0.44﹪的不 匹配，所以當c-Si在NiSi2{111}平面上產生磊晶時，並不會有介面差
在軸向為<110>-的情況下，c-Si 八面體結構的四個{111}方向將會平 行薄膜的上下表面，但是如果軸向為<100>-或<111>-的情況下，{111}
方向並不會平行薄膜表面，所以 c-Si 的成長將會被薄膜上下表面所 限制。所以 c-Si 的成長的優選軸向為<110>-而優選成長方向為
<111>-。
圖 1-7 MILC的優選成長方向[8]
主要優點 主要缺點
直接沈積法 低溫 晶粒較小
固相結晶法(SPC) 結晶性不錯 高溫，時間長
準分子雷射退火 (ELA)
時間短，結晶性佳 均一性不好
金屬(側向)誘發結晶 (MIC/MILC)
時間短，均一性佳，
可用於玻璃基板
(後續討論)
表 1-1 數種用於製作複晶矽的方法
1.4 金屬側向誘發結晶之製作
1.4.1 爐管(FA)退火
一般用於退火的方式，將元件送入高溫爐管中進行 24~72 小時不等時 間，而溫度範圍在 350∘C 至 600∘C 之間的退火過程。
1.4.2 快速熱退火爐(RTA)退火
此快速熱退火爐方式為本篇論文主要之實驗方向。
圖 1-8 快速熱退火爐(RTA) 外部圖
而快速熱退火爐(RTA)機台如上圖所示。此機台為利用鹵素燈照射所 放出的紅外線光，照射矽晶片進而產生快速加熱的效果。同時也利用 氮氣氣冷以及水冷機兩個冷卻方式，達到能夠快速升溫和降溫的目 的，如此一來將可以實現實驗所需要的快速升降溫目的。