紫外拉曼光谱在微晶硅薄膜结晶度分析中的优势

 

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

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 紫外拉曼激发光在a-Si:H中的穿透深度为8nm，在mc-Si:H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，实际测量场景中20nm厚的薄膜对于拉曼分析更常见。

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10nm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

 

 

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。

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)

光谱重复性：单晶硅校准后，≤520±0.02cm⁻¹

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。