行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
應用雷射、電子束再結晶非晶矽太陽能電池薄膜之研究
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC91-2212-E-006-147- 執行期間： 91 年 08 月 01 日至 92 年 09 月 30 日 執行單位： 國立成功大學機械工程學系（所） 計畫主持人： 李驊登 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 92 年 12 月 30 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫
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應用雷射、電子束再結晶非晶矽太陽能電池薄膜之研究
計畫類別：█ 個別型計畫 □ 整合型計畫
計畫編號：NSC 91－2212－E－006－147
執行期間：91 年 8 月 1 日至 92 年 9 月 30 日
計畫主持人：李驊登
共同主持人：溫志中
計畫參與人員：劉全、林文全、昌增榮
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執行單位
：國立成功大學機械工程學系（所）
中 華 民 國 年 月 日
中文摘要 本研究目的是在開發低溫多晶矽（LTPS）製程以應用於太陽能電池，其中結合電漿輔 助化學氣相沈積與KrF 248 nm 準分子雷射結晶製作多晶矽薄膜。藉由改變準分子雷射的能 量密度與雷射發數，分析這兩個實驗參數對多晶矽薄膜的影響，以及確定多晶矽薄膜剖面 爆炸結晶與超級側向生長的機制，最後再討論實驗參數對側向晶粒尺寸的影響。 本實驗是採用電漿輔助化學氣相沈積厚 1 µm 的非晶矽薄膜，於常溫常壓下進行準分 子雷射結晶製程，雷射之能量密度為250 mJ/cm2〜450 mJ/cm2，雷射發數為1〜5 發。由實 驗結果可以定義熔融非晶矽之能量密度門檻值Ft約為200 mJ/cm2，矽薄膜表面非晶矽之完 全熔融能量密度Fc約為350 mJ/cm2；當實驗參數為350 mJ/cm2-5 shots 可將矽薄膜表面之 非晶矽幾乎完全熔融，而獲得最大的平均側向晶粒尺寸約為190 nm。當能量密度為 250〜 350 mJ/cm2時，晶粒尺寸會隨能量密度的增加而增加；當能量密度超過350 mJ/cm2時，晶 粒尺寸的增加趨勢趨於和緩甚至縮小；但是當實驗參數為350 mJ/cm2-5 shots 時，可以獲得 1.3 µm 超級側向生長的晶粒。 矽薄膜經準分子雷射結晶後，剖面微結構可以清楚的區分為三層，最表層是經由液相 結晶所生成的多晶矽，其次是熔融矽激冷所造成的微細晶粒，最底層則是未熔融的非晶矽。 晶粒的超級側向生長會發生於非晶矽近乎完全熔融的狀態，以完全熔融區周圍的小晶粒為 晶種，持續往熔融區中央生長，當晶界會合於熔融區中央時則終止生長。 Abstract
The purpose of this study is to develop a low temperature poly silicon (LTPS) process for solar cell. It combines plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) with KrF 248 nm Excimer laser crystallization to produce poly silicon thin film. By controlling the fluence and shots of Excimer laser, we can examine the influence of these two parameters on poly silicon thin film and analyze the mechanism of Explosive Recrystallization and Super Lateral Growth (SLG). At the end of the paper, we will discuss the relationship between the parameters and the grain size.
Amorphous silicon thin film of 1 µm in thickness has deposited by PECVD on Croning 1737 glass. Excimer laser crystallization processes are in air and at room temperature. The fluence range is from 250 to 450 mJ/cm2, and the shot of laser is from 1 shot to 5 shots. Defined by experiment results, the threshold fluence(Ft) is about 200 mJ/cm2, and the completely melting
one(Fc) is about 350 mJ/cm2. When the parameters of process are 350 mJ/cm2-5 shots, the
surface of amorphous silicon thin film would be almost completely melted. Then we can get the maximum grain size about 190 nm. When the fluence is from 250 to 350 mJ/cm2, the grain size willgrow with increasing fluence . But the grain size enlarges more slowly, even becomes smaller when the fluence is over 350 mJ/cm2. Under the condition of 350 mJ/cm2-5 shots, the SLG grain of 1.3 µm could be observed.
After the Excimer laser crystallization, the cross-sectional microstructure of silicon film clearly shows that the large polycrystalline region transformed from liquid phase crystallization is on the top and the beneath is the micro-fine polycrystalline region caused by rapid cooling. The unmelting amorphous silicon is at the bottom. The Super Lateral Growth grain, which occurs in near-complete-melting region, utilizes small grain around complete-melting region as seeds that would form the grain boundaries toward the melting zone center until grain boundaries intersect each other.
一、 前言 由於地底天然能源蘊藏量逐漸耗竭，及使用傳統能源對環境的破壞等因素，導致人類 對開發潔淨新能源的重視。太陽能電池是利用太陽光與材料相互作用直接產生電力的一種 無污染潔淨能源，它的應用可以解決能源需求方面的三大問題：（1）研究開發太空科技所 需之連續不間斷的能源；（2）解決目前地底礦物燃料資源逐漸耗竭的問題；（3）解決工業 科技日益發展，所導致的供電不足問題。特別是太陽能電池在發電過程中，不會產生危害 環境的物質，這對改善生態環境、解決地球溫室效應大有助益，因此太陽能電池可望成為 21 世紀重要能源之一，許多國家已投入相關之研究與應用。 自從1954 年貝爾實驗開發出轉換效率 4.5 %的單晶矽太陽能電池以來，至今太陽能電 池最高效率已達30.3 %（GaInP/GaAs）。太能陽電池的應用更是由早期的太空發電與地面 偏遠地區的獨立發電，進而演進到市電並聯運行的民生補助電力。1970 年代歷經全球石油 危機與近年環保意識高漲的影響下，引發美、日等先進國家大舉投入太陽能光電的研發； 英、美、日、加等國於1990 年起，相繼提出『綠建築』等環保理念，期望能減緩建築物對 地球環境所造成的能源負荷與破壞；1993 年第七屆國際太陽光電科學與工程會議（PVSEC） 中，達成一項結論－太陽能電池應用於建築物上是最具有發展潛力的，此結論意味著太陽 能電池模板與建築物的結合將迅速發展。由於『綠色屋』意識的興起，1995 年我國也將『建 築物節能規範』納入建築法規，開發環保發電屋為未來建築物的新趨勢；1999 年第二屆世 界太陽能光電會議主席Jurgen Schmidt 曾樂觀的預估：「作為一種再生能源，太陽光電將在 下世紀（21 世紀）前半期超過核能，是 2030 年超過還是 2050 年超過，只是時間早晚的問 題」。因此學者們預期21 世紀的太陽能電池產業規模可能超過半導體產業，不論是國內經 濟發展的考量或是環境保護的需求，對此潔淨太陽能之運用技術的研究有其必要性。 推行以太陽能發電的綠色屋概念，必須考量太陽能電池安裝位置、發電效率及普及率 等問題，日本已於1999 年 10 月在電子展中推出大樓屋頂與外窗所使用的『建材一體型』 太陽能電池板，有效地解決太陽能電池運用於建築物的安裝問題。但此『建材一體型』的 太陽能電池是以非晶矽為光能吸收層，其轉換效率並不高，故本研究的研究重點在於如何 將沈積於玻璃基板上的非晶矽薄膜轉變為多晶矽薄膜，以增加發電效率。本研究先在玻璃 基板上沈積一層非晶矽薄膜，再以準分子雷射將非晶矽薄膜再結晶，使之轉換成為多晶矽 薄膜，期以此新製程概念生產以玻璃為基板高轉換效率的多晶矽薄膜太陽能電池。 二、研究目的 本研究目的是在開發低溫多晶矽（LTPS）製程以應用於太陽能電池，希望能研發製程 簡單及成本低廉的多晶矽薄膜型太陽能電池，以簡化多晶矽薄膜製程與降低成本為目標， 故本研究結合非晶矽沈積與準分子雷射結晶技術製作多晶矽薄膜。先以電漿輔助化學氣相 沈積非晶矽薄膜於玻璃基板，再以準分子雷射為加熱源，熔融非晶矽薄膜使其凝固結晶成 為多晶矽薄膜。藉由改變準分子雷射的能量密度與雷射發數，分析這兩個實驗參數對多晶 矽薄膜的影響，以及確定多晶矽薄膜剖面爆炸結晶與超級側向生長的機制，最後再討論實 驗參數對側向晶粒尺寸的影響。 三、文獻探討
3.1 準分子雷射結晶（Excimer Laser Crystallization）
一般稱此製程為準分子雷射結晶（ELC）或準分子雷射回火（ELA）。準分子雷射為脈 衝波雷射，其雷射光波長視結合氣體不同分別有λ=193 nm（ArF）、248 nm（KrF）、308 nm （XeCl）的深紫外光，脈衝時間隨機台設定而異，變動範圍約在 15〜50 nsec 之間，對矽 薄膜而言，僅有最上層20 nm 的非晶矽可以直接吸收深紫外光能量[7]；非晶矽之熱擴散長 度約100 nm[4,5]，所以入射能量幾乎集中於表面造成表面局部高溫，當溫度高於非晶矽之 熔點1143 ℃[1]，非晶矽會熔融再凝固結晶為多晶矽，熔融時間約持續 50〜150 nsec。
3.2 爆炸再結晶（Explosive Recryastallization, XCR） 爆炸結晶是被用來形容固/液結晶界面快速前進或遠離熱、光或機械源頭的物理現象。 1984 年由學者 J. Narayan 提出薄膜在雷射或是電子束的照射（加熱）條件下，有兩種爆炸 結晶模式同時發生：（1）XCR-1：結晶速度約 2 m/s，會對液相結晶造成影響；（2）XCR-2： 結晶速度約 12 m/s，初期推測是發生於固相，但近期已確定是發生於液相結晶。相對於 XCR-2 而言，XCR-1 會形成較粗大的結晶晶粒。爆炸結晶會產生細晶矽圍繞在大晶粒周 圍，偶而會有體成核或晶粒成長發生，但細晶矽才是爆炸結晶之典型特色[10]。 爆炸結晶的微結構如圖1 所示，圖 1（a）是晶格面為（1 0 0）的表面微觀形貌；爆炸 結晶的剖面微結構變化如圖 1（b）所示，最上層為液相結晶所形成的粗大晶粒區（Large
Grain），其次是因爆炸結晶生成的細小晶粒區（Fine Grain）[8,10]。粗大晶粒是以下面的細
小晶粒為結晶先驅，固/液界面沿平行基板方向側向移動，直到晶界遭遇一個或多個晶界相 互阻礙而終止晶粒成長。
3.3 超級側向生長（Super Lateral Growth, SLG）
當雷射光束照射到矽薄膜表面，瞬間即產生爆炸結晶面垂直向基板前進，隨即產生細 晶矽。當過冷態熔融矽之側向溫度梯度大於垂直方向之溫度梯度時，隨即以爆炸結晶所得 之細晶為晶種，固/液界面沿溫度梯度方向側向移動[12,13]。雖然準分子雷射脈衝時間極短 （15~50 nsec），但非晶矽薄膜之熔融與凝固現象也幾乎發生於雷射照射的瞬間，只有當雷 射之能量密度能夠幾乎完全熔融薄膜表面之非晶矽，才有機會可以得到最大的側向晶粒， 而此能量密度範圍相當狹窄，稱為SLG（Super Lateral Growth）[6,13]。
準分子雷射結晶製程中，能量密度對厚50 nm 之非晶矽薄膜再結晶晶粒尺寸與熔融態
最高溫的對應關係如圖2 所示，由圖中可以清楚知道當能量密度略低於 Fc時，才可以獲得
圖1、TEM micrographs from Si（1 0 0）specimens implanted with 350 KeV. Si+ ions after
irradiation with a 0.30 J/cm2 pulse（λ=249 nm, τ=24 nsec）：（a）（1 0 0） plan-view micrograph
showing explosively recrystallized regions, （b）（0 1 1）cross-section micrograph[10].
Large grain layer Fine grain layer
a-Si layer
圖3、Schematics of simplified 1-D temperature distribution indicating the evolution of the crystal growth process[17].
圖2、Dependence of maximum temperature and average grain size on laser fluence[14].
表1、PECVD 製程參數 Process pressure （mTorr） Process temperature （℃） Aux. Temperature （℃） Power （W） SiH4 flow rate （sccm） Deposition time 1µm a-Si 300 250 100 15 100 1：23”20’ 最大的晶粒，局部熔融區的結晶晶粒尺寸則會隨能量密度增加而增加，而當能量密度超過 Fc 時，晶粒尺寸則因為均質成核的影響而快速遞減[8,11,14,15,16]。當能量密度在 SLG 區 域之雷射照射非晶矽薄膜時，入射至薄膜之能量足以將薄膜表面之非晶矽幾乎完全熔融成 液相矽（圖 3（a））[11]，當液相矽開始釋放潛熱時，液相矽之溫度則會降至成核溫度 Tn 以下，此時自發性成核會開始發生於液相矽中（圖3（b）），潛熱持續於晶界處釋放[18]， 使晶界保持在成核溫度以上的高溫，固/液界面則開始向右側凝固成長（圖 3（c））為較大 的的側向晶粒（Lateral grains 1）[8,9]；自發性成核所形成的第二個固/液界面右側，因為 溫度低於成核溫度 Tn，而造成自發性成核凝固結晶為細小晶粒，固/液界面則向左側過冷 液相矽側向生長，所形成的側向晶粒較小（Lateral grain 2）（圖 3（d））。[17] 四、研究方法 4.1 玻璃基板之清洗步驟 （1） 將玻璃基板置於丙酮中，以超音波震盪10 分鐘，以去除油脂。 （2） 以去離子水（DI water）沖洗 10 分鐘。 （3） 將玻璃基板置於異丙醇中，以超音波震盪10 分鐘，以去除有機離子。 （4） 以去離子水沖洗10 分鐘。 （5） 再重複（1）（2）（3）（4）步驟一次。 （6） 以氮氣吹乾，送入PECVD 沈積腔，開始沈積非晶矽薄膜。 4.2 製備非晶矽薄膜 利用電漿輔助化學氣相沈積厚 1 µm 的非晶矽薄膜，電漿輔助化學氣相沈積的製程參 數如表1 所示。電漿輔助化學氣相沈積最大的優點是可以利用射頻（Radio Freqency，簡稱 為RF）產生電漿，以電漿中的高能量電子撞擊待反應的氣體分子，使其被解離，因此可以 在相當低的製程溫度下（200〜300 ℃），將氣體分子分解而產生所需要的固態沈積。通常 電漿輔助化學氣相沈積非晶矽薄膜無法完全避免氫原子的影響，沈積過程中氫原子可有效 填補非晶矽中的懸鍵，而大幅降低間隙狀態密度，得到的非晶矽薄膜一般稱為氫化非晶矽 （Hydrogenated Amorphous Silicon），即 a-Si:H，非晶矽薄膜內的氫濃度會隨製程溫度而有
所改變，製程溫度愈低，氫原子濃度會愈高，藉固定製程溫度為250 ℃，以固定氫濃度對 本實驗準分子雷射結晶製程的影響。 4.3 準分子雷射結晶（ELC） 本實驗將脈衝重複率與光束圖案分別固定為50 Hz 與 1 mm×1 mm 之正方形，脈衝時 間與基板溫度則受限於機台的設定，分別為30 nsec 與 25 ℃，準分子雷射結晶製程則在常 溫常壓（25 ℃, 1 atm）的大氣環境下進行。能量密度與加工發數為本實驗的操控變因，能 量密度有250、300、350、400、450 mJ/cm2共五組，能量密度則以能量計自行量測，最大 誤差量低於15 mJ/cm2；設定雷射發數分別為1、2、3、4、5 發，製程參數則以能量密度搭 配雷射發數，進行25 組的實驗。 4.4 分析試片之製備 完成準分子雷射結晶製程的試片，以玻璃切割機將30 mm×30 mm 之試片切成 15 mm× 15 mm 之大小，分別對雷射加工後的矽薄膜表面作 X-ray 繞射分析，確定其結晶型態，最 後再製備金相試片以觀察多晶矽之微結構。
NH4F + 1 part H2O）中腐蝕 60 秒，去除準分子雷射加熱非晶矽薄膜表面所產生的二氧化矽，
利用去離子水清洗去除BOE etchant，再以 secco etchant（2 parts 49 % HF + 1 part 0.15 M
K2Cr2O7）腐蝕晶界，腐蝕時間約1 秒鐘左右，最後再以去離子水清洗並吹乾試片。製備剖 面金相試片的方法與上述步驟相同，但必須再將試片折斷，製備經secco etchant 腐蝕與未 經腐蝕的兩種剖面金相試片。最後再利用FE-SEM 觀察。 4.5 側向晶粒尺寸量測 利用FE-SEM 拍攝每個實驗參數的多晶矽微結構照片，每個實驗參數取 5 張放大倍率 為80000 倍的 SEM 照片，每張照片等距離取 8 條縱向之截線，利用截線法計算側向晶粒 尺寸，再取其平均值當作該實驗參數之平均側向晶粒尺寸。 五、結果與討論 5.1 能量密度臨界值 準分子雷射加工區域的巨觀形貌如圖4 所示，（a）能量密度 150 mJ/cm2幾乎不會對非 晶矽造成任何熔融；（b）能量密度 200 mJ/cm2時，雷射加工區域內出現零星且不均勻的局 部熔融區；（c）能量密度 250 mJ/cm2的雷射加工區域內，中央與周圍有熔融不均勻的差異 存在；（d）〜（h）能量密度超過 300 mJ/cm2時，雷射加工區域內的熔融凝固現象較為均 勻，且能量密度350 mJ/cm2已經開始有完全熔融的跡象出現。 圖5 為 200〜450 mJ/cm2單發雷射加工後X-ray 繞射分析的結果，於 250 mJ/cm2開始 有出現特徵X 光，當能量密度超過 350 mJ/cm2則會開始有清楚且明顯的特徵X 光之峰值； 且隨能量密度的增加，特徵X 光之強度則有更為增加趨勢，這說明非晶矽熔融再結晶有隨 能量密度的增加而逐漸增加的趨勢。 綜合巨觀形貌與XRD 分析的結果，可以定義厚 1 µm 非晶矽薄膜的幾個能量密度臨界 值—Ft（Threshold Fluence）：使薄膜表面開始熔融的臨界能量密度，約 200 mJ/cm2即可開
始對非晶矽產生局部的熔融現象，稱為能量密度門檻值；Fc（Complete Melting Fluence）：
使薄膜表面完全熔融之臨界能量密度，約350 mJ/cm2，稱為完全熔融之能量密度；若能量 密度介於Ft與Fc之間，則稱為部分熔融之能量密度Fa（Partial Fluence）。 5.2 剖面之爆炸結晶 研究中的多晶矽薄膜剖面微結構以未腐蝕與已腐蝕兩方面對照探討，未腐蝕之多晶矽 剖面微結構如圖6，最上層的微結構是以晶粒與晶界呈現的多晶矽，最下方則是未熔融的 200 150 300 250 350 450 400
≈
?
600 能量密度 （mJ/cm2） 圖4、準分子雷射加工區域之巨觀（單發雷射加工） （a） （b） （c） （d） （e） （f） （g） （h）非晶矽薄膜，介於兩者之間有一個不易清楚分辨的模糊區帶存在。採用擇向性腐蝕液腐蝕 多晶矽薄膜之剖面，經腐蝕後之剖面微結構如圖7 所示，比較圖 6 與圖 7 可以發現，最上 層的多晶矽晶粒經腐蝕後，晶粒與晶界位置更加清晰可見，介於多晶矽與非晶矽之間的模 糊區帶則因為腐蝕速度較快，形成一明顯的凹陷層在剖面微結構之中，經推測判定，此區 之微結構是由微細晶粒所組成。 比較腐蝕前後的微結構後，推測微細晶粒層是熔融矽形成瞬間固/液界面激冷所形成的 激冷區（Chilled Zone）；由於每個晶粒皆以激冷區的晶粒為核種成長，多晶矽之晶粒幾乎 都是呈現類似柱狀晶的晶體結構，當成核成長時，其晶界會隨垂直薄膜之等溫線往側向稍 作延伸，隨即會與其他晶界相遇而終止成長，形成多晶矽薄膜。晶粒在成長過程中與周遭 之晶粒競爭側向生長的空間，導致形成下窄上寬類似牙齒形狀的晶粒微結構，如圖6~7 中 的晶粒微結構。整個爆炸結晶的剖面微結構由下而上依序是未熔融的非晶矽，激冷所造成 的微細晶粒與液相結晶所得的多晶矽晶粒。 5.3 晶粒之側向生長機制 實驗參數為350 mJ/cm2-5 shots 的多晶矽薄膜中，可以發現晶粒往側向生長的明顯證 據，如圖8。當在 SLG 的能量密度時，非晶矽薄膜接近完全熔融，其熔融體積幾乎接近熔 融的極限。大熔融區周圍的熔融矽，在熱能快速由非晶矽薄膜散失下，熔融矽處於極大的 過冷狀態，當溫度低於成核溫度時，自發性成核則會逐漸發生於固/液界面，結晶矽晶粒尺 寸在受到成核密度的限制下，無法持續往側向成長，此區域則稱為小晶粒區；相對而言， 圖5、200 mJ/cm2〜450 mJ/cm2單發雷射加工的XRD 光譜圖，試片未經腐蝕 圖6、未經腐蝕之多晶矽薄膜剖面微結構 （300 mJ/cm2-5 shots） 圖7、經腐蝕之多晶矽薄膜剖面微結構 （300 mJ/cm2-4 shots） 350 mJ/cm2-1 shot 200 mJ/cm2-1 shot 300 mJ/cm2-1 shot 250 mJ/cm2-1 shot 400 mJ/cm2-1 shot 450 mJ/cm2-1 shot
大熔融區域中央部分的熔融矽則有較小的過冷度，且平行薄膜方向的溫度梯度大於垂直薄 膜方向的溫度梯度[2,3]，熔融矽則以熔融區周圍已經結晶的小晶粒為晶種，晶界則隨熔融 矽中垂直薄膜的等溫線向熔融區中央生長，側向晶粒的生長過程必須持續與剛從固/液界面 成核結晶的小晶粒競爭生長空間，受到溫度梯度與晶粒優選生長方向的限制，側向晶粒的 生長會優於底部的小晶粒，直到數個側向生長的晶粒相撞而阻礙晶界前進，最終形成超級 側向生長的側向晶粒，最大之側向晶粒尺寸可超過1.3 µm，此種特殊的晶粒生長則稱為超 級側向生長（SLG）。 5.4 雷射參數對晶粒尺寸的影響
準分子雷射結晶所獲得的多晶矽薄膜，經BOE 與 secoo etchant 腐蝕後，直接利用截線
法計算多晶矽晶粒的平均側向晶粒尺寸，結果如表2 所示。其中受到準分子雷射加工特性
的影響，第一發雷射加工主要是產生孵化作用（Incubation），生成介於多晶矽與非晶矽之
間的過渡組織如圖9 所示，圖 9（a）為未經腐蝕的高密度缺陷過渡組織，圖 9（b）為經過
BOE 與 secco etchant 腐蝕後，過渡組織大都被侵蝕而無法確切量測單發加工之晶粒尺寸。 2 shots 3 shots 4 shots 5 shots
250 mJ/cm2 94.2 103 96.5 107.8 300 mJ/cm2 108.3 106.4 118.3 118.4 350 mJ/cm2 127 146.2 157.2 189.7 400 mJ/cm2 130.2 142.7 166.4 175.6 450 mJ/cm2 149.4 170.1 170.6 － 雷射發數與平均側向晶粒尺寸的關係如圖10，能量密度 250 與 300 mJ/cm2屬於Fa， 入射至薄膜的能量僅會造成矽薄膜局部區域的熔融，晶粒的生長受限於熔融矽體積不足的 限制，平均晶粒尺寸維持在100〜120 nm 左右，雷射發數則沒有顯著的影響； 當能量密度接近或超過Fc（約350 mJ/cm2）的多發數雷射加工時，雷射能量會將矽薄膜一 再重新熔融，使熔融矽不再侷限於局部區域而是集中擴大成為有利於晶粒側向生長的熔融 區，平均側向晶粒尺寸會隨雷射發數而有顯著增加，在350 mJ/cm2-5 shots 可以獲得最大的 平均側向晶粒尺寸，約為189 nm，然而 450 mJ/cm2-5 shots 的多晶矽薄膜在蝕刻過程中則 會因捲曲而由基板被剝離，無法觀察與量測其側向晶粒尺寸。 將平均側向晶粒尺寸、能量密度與雷射發數的相對關係繪製成圖11，在雷射發數相同
圖9、（a）未經腐蝕之過渡組織（250 mJ/cm2-1 shot）（b）經過 BOE 與 secco etchant
腐蝕之晶粒微結構（250 mJ/cm2-1 shot）
（a） （b）
表2、多晶矽晶粒之平均側向晶粒尺寸（單
位：nm）
的條件下，當能量密度介於250〜350 mJ/cm2（Fa）的區間內，晶粒的平均側向尺寸會隨著 能量密度增加而有顯著增加的趨勢；但是當能量密度超過350 mJ/cm2，雷射發數由2 發增 加至4 發，平均側向晶粒尺寸隨著能量密度增加而增加的趨勢已經趨於減緩，當加工發數 為5 發時，晶粒尺寸反而呈現縮小的趨勢。 5.5 最大側向晶粒 由表2 的數據可以確定，能量密度與雷射發數均會對側向晶粒尺寸造成影響，在固定 能量密度下，當雷射發數為5 發時可獲得該能量密度的最大晶粒尺寸（450 mJ/cm2發生於 最高發數4 發）。在 350 mJ/cm2-5 shots 時，可得最大的晶粒尺寸，其值約為 1.3 µm（圖 12 （c）），晶粒則是屬於細窄且長條形的超級側向生長的晶粒；400 mJ/cm2-5 shots 的最大晶 粒也是發生在側向生長的晶粒（圖12（d）），但晶粒尺寸卻只有 0.9 µm，主要是受限於成 核密度的影響，導致在沒有持續生長空間的條件下，而終止晶粒的側向生長；其餘實驗參 數下的最大側向晶粒也都是屬於長條形狀的晶粒為主，如圖12 所示。 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 150 200 250 300 350 400 450 500 550 能量密度（mJ/cm^2） 平均側向晶 粒尺寸（ nm ） 5shots 4shots 3shots 2shots 圖11、平均側向晶粒尺寸與 能量密度之關係圖 60 80 100 120 140 160 180 200 220 0 1 2 3 4 5 6 雷射發數（shots） 平均 側向晶粒 尺寸（ nm ） 450mJ/cm^2 400mJ/cm^2 350mJ/cm^2 300mJ/cm^2 250mJ/cm^2 圖10、平均側向晶粒尺寸與雷射發數之關係圖 426 （a） （b） 466 （c） 1348 （d） 921 （e） 547
圖12、（a）250 mJ/cm2-5 shots（b）300 mJ/cm2-5 shots（c）350 mJ/cm2-5 shots（d）400 mJ/cm2-5 shots
六、結論 本研究是以電漿輔助化學氣相沈積厚 1 µm 的非晶矽薄膜於 Corning 1737 的玻璃基 板，再以KrF 248 nm 準分子雷射於常溫常壓下，進行再結晶的研究，使用光罩圖案為 1 mm ×1 mm 的正方形。本研究歸納出六點結論如下： 1. 以準分子雷射結晶厚 1 µm 的非晶矽薄膜，其能量密度門檻值 Ft約為200 mJ/cm2，完 全熔融之能量密度Fc約為350 mJ/cm2強；SLG 出現在實驗參數為 350 mJ/cm2-5 shots 的條件下，當能量密度超過600 mJ/cm2且多發加工時，即會造成燒蝕現象。 2. 由實驗結果的剖面微結構可以確定，準分子雷射結晶無法將厚 1 µm 的非晶矽薄膜完 全再結晶完全再結晶為多晶矽薄膜，矽薄膜的剖面微結構由上至下依序為柱狀晶、微 細晶粒與非晶矽這三層所構成。 3. 在雷射發數為 2〜4 發的條件下，平均側向晶粒尺寸會隨能量密度增加而增加；當雷射 發數為5 發時，平均側向晶粒尺寸雖然會隨能量密度增加而增加，但能量密度超過 350 mJ/cm2時，晶粒尺寸則呈現下降的趨勢。 4. 實驗參數 350 mJ/cm2-5 shots 時，可以獲得約 1.3 µm 超級側向生長的側向晶粒。歸納 實驗結果得知，能量密度主要決定非晶矽的熔融狀態，而雷射發數則決定熔融矽的分 佈，唯有確實控制這兩個製程參數，使非晶矽接近完全熔融才可能出現超級側向生長 的晶粒。 七、參考文獻
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