非晶硅薄膜表面微納結(jié)構(gòu)制備及抗反射性能研究

吳杰

（長春理工大學(xué)　電子信息工程學(xué)院，長春　130022）

非晶硅薄膜表面微納結(jié)構(gòu)制備及抗反射性能研究

吳杰

（長春理工大學(xué)電子信息工程學(xué)院，長春130022）

為了對非晶硅薄膜表面改性，使其具有更好的抗反射性，將采用激光干涉光刻的方法，在非晶硅薄膜表面制備具有抗反射性能的微納結(jié)構(gòu)。首先搭建三光束激光干涉系統(tǒng)，使用波長為1064nm的Nd：YAG激光光源，使其在空間分布上接近旋轉(zhuǎn)對稱的三束光，對非晶硅薄膜進(jìn)行干涉實驗，然后用掃描電子顯微鏡（SEM）、原子力顯微鏡（AFM）對激光刻蝕后的非晶硅薄膜表面結(jié)構(gòu)特征參數(shù)進(jìn)行檢測，并使用反射率測量儀對改性后的非晶硅薄膜表面反射率進(jìn)行測量，分析各參數(shù)對抗反射性能的影響。實驗結(jié)果表明，隨著能量逐步增加，光強分布周期沒有發(fā)生改變，孔的直徑、孔與孔之間的距離以及結(jié)構(gòu)深度逐漸發(fā)生改變且呈線性分布，而非晶硅表面反射率逐步降低，最低達(dá)到10%。

激光干涉；非晶硅薄膜；微納結(jié)構(gòu)；抗反射

隨著全球化石油能源的消耗殆盡，環(huán)境問題的日益加劇，太陽能作為一種清潔可再生能源正日益受到各國重視。目前太陽能電池作為利用太陽能的主要方式，以單晶硅太陽能電池為代表占據(jù)著太陽能電池的大部分市場。但由于單晶硅太陽能電池需要對硅進(jìn)行高質(zhì)量的提純處理，硅純度需達(dá)到99.9999%［1，2］，這在價格因素上很大程度限制了太陽能電池的大規(guī)模應(yīng)用。薄膜太陽能電池的厚度只有幾微米到幾十微米，是傳統(tǒng)單晶硅電池厚度的近百分之一，可以有效降低太陽能電池的材料成本。然而，如何利用盡可能薄的電池捕捉盡可能多的太陽光，是薄膜太陽能電池所面臨的重大挑戰(zhàn)。

表面微納結(jié)構(gòu)可以克服傳統(tǒng)減反射方法（光學(xué)鍍膜和表面制絨）在應(yīng)用于薄膜電池領(lǐng)域所受到的局限，其制備成為近年來薄膜陷光領(lǐng)域的研究熱點之一［3］。由于激光干涉光刻內(nèi)在干涉的本質(zhì)，在制備微納表面結(jié)構(gòu)上有著與生俱來的優(yōu)勢［4］。Wang等［5］使用該方法在硅表面制備具有減反射和超疏水性微錐結(jié)構(gòu)，反射率最低達(dá)到5.9%，接觸角為156.3°，達(dá)到了超疏水級別。Zhang等［6］將單晶硅置于一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓SF6氣體中，利用四光束干涉光刻的方法與其作用，產(chǎn)生具有極低反射率的黑硅結(jié)構(gòu)。Zhao等［7］利用三光束激光干涉光刻的方法在單晶硅表面制備了呈六邊形分布的孔狀結(jié)構(gòu)，在可見光范圍內(nèi)實現(xiàn)了最低1.86%的低反射率。

本文采用激光干涉光刻技術(shù)，在非晶硅薄膜上制備了周期性微納結(jié)構(gòu)；對不同結(jié)構(gòu)特征的抗反射性能進(jìn)行了研究；并對不同激光干涉圖案激光能量分布下，激光與非晶硅薄膜相互作用進(jìn)行了分析。本研究為大面積非晶硅表面微納結(jié)構(gòu)制備提供了一種廉價、快速的方法。

1　三光束激光干涉原理及Matlab仿真

激光干涉光刻是采用兩束或多束相干光對光致抗蝕劑進(jìn)行曝光或者直接在材料表面直寫產(chǎn)生干涉圖形。根據(jù)入射光參數(shù)的不同可以形成光柵、點陣、孔陣或者更復(fù)雜的干涉圖形，其中入射光的偏振模式對干涉圖形影響尤為明顯［8］。根據(jù)電場分量是否垂直于入射面，可以劃分為TM模式和TE模式。當(dāng)偏振角分別為0°和90°時，偏振模式分別是TM模式和TE模式。本文的三光束干涉系統(tǒng)，采用相同的入射角、對稱的空間角以及TE-TE-TM偏振模式，則三光束干涉產(chǎn)生的光強為：

其中A為振幅的大小，θ為光線入射角。

根據(jù)以上理論分析，本文采用Matlab編寫程序，設(shè)置模擬的激光波長λ=1064nm，可得模擬的二維光強分布圖及其對應(yīng)的光強分布曲線。

2　非晶硅薄膜的制備及特征參數(shù)的提取

2.1非晶硅薄膜的制備方法

薄膜及表面層的真空沉積通?？梢圆捎梦锢須庀喑练e法和化學(xué)氣相沉積法。本文通過等離子體增強化學(xué)氣相沉積法（PECVD）在玻璃襯底沉積非晶硅薄膜（圖1（a）所示），相比使用物理方法沉積薄膜，該方法具有沉積溫度低、膜的厚度容易控制、膜層具有較好的粘附力，不易脫落等優(yōu)點。本文采用的薄膜厚度約為3μm。

圖1　三光束曝光前后示意圖

2.2激光處理

為了降低硅基太陽能電池的反射率，通常選擇化學(xué)堿腐蝕［9，10］的方法制備表面的絨面結(jié)構(gòu)，減少入射光的反射，但該方法不可控因素較多，很難得到周期性的形貌結(jié)構(gòu)。圖2為三光束干涉原理圖，圖中激光光源是由Nd：YAG大功率激光器發(fā)出，對非晶硅表面進(jìn)行刻蝕，脈沖周期7～9ns，激光輸出波長為1064nm。通過反射鏡（HR1、HR2、HR3、HR4、HR5）、分光鏡（BS1、BS2）控制光路方向，四分之一波片和偏振片分別控制激光輸出能量和偏振角，開展干涉曝光實驗研究。最終得到如圖1（b）所示的非晶硅表面結(jié)構(gòu)。

圖2　三光束激光干涉原理圖

2.3特征參數(shù)的提取及反射率測量方法

本文通過Quanta 250掃描電子顯微鏡（SEM）和安捷倫原子力顯微鏡（AFM）獲得結(jié)構(gòu)特征參數(shù)。首先將制備好的結(jié)構(gòu)用掃描電子顯微鏡（SEM）對其表面進(jìn)行觀察，然后用原子力顯微鏡對其樣品表面結(jié)構(gòu)的刻蝕深度進(jìn)行測量，得到不同能量刻蝕的表面結(jié)構(gòu)深度曲線圖。最后，通過反射率測量儀對樣品表面反射率進(jìn)行測量。

3　實驗結(jié)果與討論

3.1激光干涉周期結(jié)構(gòu)

本實驗中三束光入射角都是θ1=θ2=θ3=7°，空間角成對稱分布分別是 φ1=0o，φ2=120o，φ3=240o，偏振角分別是，干涉結(jié)構(gòu)周期可用表示，其中λ是激光

波長，α是其中一束光與平面的夾角。通過調(diào)整三光束干涉光路，使三光束入射角（入射光與平面法線的夾角）相同，空間角的設(shè)置在空間上呈旋轉(zhuǎn)對稱分布；同時能量相同的三束光應(yīng)盡量保持光程一致。相比兩光束干涉，三光束可以制備出點陣或者孔陣列，同時相比四光束干涉系統(tǒng)的搭建更加簡便，不容易產(chǎn)生調(diào)制。圖3（a）是三光束模擬的光強分布圖，3 （b）和3（c）分別是直線A和直線B的光強分布曲線。

圖3　三光束光強分布模擬圖及光強分布曲線

用1064nm波長的大功率激光光源，使用三光束干涉的方式制備微米孔，如圖4（c）所示。表面上看，此結(jié)構(gòu)類似于在單晶硅表面制備的倒金字塔結(jié)構(gòu)，但是相比內(nèi)壁光滑的倒金字塔內(nèi)壁［11］，由于在每個微米孔內(nèi)壁存在許多無規(guī)則的納米級別的孔，光線進(jìn)入到這些孔后，會發(fā)生多次反射和折射，這些納米級孔的存在將進(jìn)一步增強光的吸收。根據(jù)理論分析及Mtalab模擬，最終得到如圖4（a）所示的周期性微納孔陣結(jié)構(gòu)，與模擬結(jié)果一致（圖3（a））。圖4（a）、（b）、（c）分別是放大20000倍、40000倍、80000倍的掃描電鏡圖。

圖4　不同放大倍數(shù)下的掃描電鏡圖

圖5是在非晶硅薄膜表面，通過三光束干涉得到的不同能量密度下周期性孔陣列的掃描電鏡圖。通過不斷調(diào)整激光能量，當(dāng)激光能量低于材料閾值，則不能完成有效刻蝕；如果激光能量過高，則會產(chǎn)生過曝。本文選用12mJ、14mJ、16mJ、18mJ作為激光能量參數(shù)，通過本實驗表明，隨著能量的改變，光強分布周期沒有發(fā)生改變，大約5μm；孔的直徑、孔與孔之間的距離以及結(jié)構(gòu)深度逐漸發(fā)生改變。當(dāng)每束激光能量從12mJ增加到18mJ時，激光燒蝕區(qū)域的直徑從～2.5μm到～5.2μm。當(dāng)每束光能量增加到18mJ時，周期性孔陣結(jié)構(gòu)幾乎覆蓋整個非晶硅薄膜表面（圖5（d）），使之達(dá)到最大有效覆蓋。

圖5　三光束干涉結(jié)構(gòu)掃描電鏡圖

另外，結(jié)構(gòu)深度對非晶硅表面抗反射性也有著深遠(yuǎn)影響。實驗結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)深度隨著能量的增加而增加，且呈線性分布。圖6是三光束干涉原子力高度圖，從圖中可以看出最小結(jié)構(gòu)深度（圖6（a））和最大結(jié)構(gòu)深度（圖6（d））分別是～500nm和～1.5μm。

圖6　三光束干涉原子力高度圖

3.2抗反射性能測試

光學(xué)研究表明，電磁波入射到不同介質(zhì)的交界面上，發(fā)生反射、透射和吸收后有：

式中：A為吸收率，R為反射率，T為透射率?？梢姴煌该鞯母叻瓷渎实谋砻婢哂械偷耐干渎?。也就是說，材料表面的反射率越低，透射率越低，吸收率就越高［12］，本文采用紫外可見分光光度計測得不同能量曝光后的非晶硅薄膜的透射率（如圖7），從圖中可以看出無論是平板非晶硅薄膜還是刻蝕后的非晶硅薄膜透射率均在8%以下，其中380～600nm波段均低于1%，只在波長為680nm以及780nm附近出現(xiàn)兩個峰值，可以看出三光束干涉得到的非晶硅薄膜具有較好的吸收率。

圖7　三光束干涉非晶硅薄膜透射率

另外，為了準(zhǔn)確測得可見光范圍非晶硅薄膜的反射率，本文采用反射率測量系統(tǒng)進(jìn)行測量。該系統(tǒng)采用的是氙燈作為光源，可以精確的在350～2000nm光譜范圍內(nèi)模擬太陽光的相關(guān)特性。測量樣品之前先對標(biāo)準(zhǔn)板進(jìn)行測量，標(biāo)準(zhǔn)反射板適用的光譜范圍是300～2000nm，是精確的測光板。從圖8中可以看出，隨著能量的逐漸增大，非晶硅薄膜表面反射率逐步降低，從平板非晶硅的40%～60%，降低到10%～20%。當(dāng)每束光能量增加到18mJ時，反射率最低達(dá)到10%，且在500～800nm波長范圍，反射率均在15%以下。

圖8　三光束干涉非晶硅薄膜反射率

4　結(jié)論

本文采用激光干涉光刻的方法制備微納結(jié)構(gòu)，而不是通用的難以控制刻蝕形貌的化學(xué)方法。利用三光束干涉得到周期性微納結(jié)構(gòu)，并通過調(diào)整刻蝕參數(shù)不斷地改變結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)，當(dāng)激光能量為18mJ，結(jié)構(gòu)深度為～1.5μm時，在波長380～800nm范圍內(nèi)，周期性孔陣結(jié)構(gòu)得到了較低的反射率（10%）。

［1］Yuge N，Abe M，Hanazawa K，et al.Purification of metallurgical-gradesiliconuptosolargrade［J］. Process in Photovoltaics：Research and Applications，2001（9）：203-209.

［2］Woditsch P，Koch W.Solar grade silicon feedstock supply for PV industry［J］.Solar Energy Materials &Solar Cells，2002（72）：11-26.

［3］Oh J，Yuan H C，Branz H M，et al.An 18.2%-efficient black-silicon solar cell achieved through controlofcarrierrecombinationinnanostructures［J］. Nature Nanotechnology，2012（7）：743-748.

［4］Dobrzański L，Dryga?a A，Go?ombek K，et al.Laser surface treatment of multicrystalline silicon for enhancing optical properties［J］.Journal of MaterialsProcessing Technology，2008（201）：291-296.

［5］Wang D，Wang Z，Zhang Z，et al.Both antireflection and superhydrophobicity structures achieved by direct laser interference nanomanufacturing［J］.Journal of Applied Physics，2014（115）：233101.

［6］Zhang Z，Wang Z，Wang D，et al.Periodic antireflectionsurfacestructurefabricatedonsiliconby four-beamlaserinterferencelithography［J］.Journal of Laser Applications，2014（26）：012010.

［7］Zhao L，Wang Z，Zhang J，et al.Antireflection silicon structures with hydrophobic property fabrication by three-beam interference［J］.Applied Surface Science，2015（346）：574-579.

［8］王大鵬，車英.Matlab對激光干涉納米陣列的仿真與研究［J］.長春理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012，35（2）：67-70.

［9］Vazsonyi E，Clercq K D，Einhaus R，et al.Improved anisotropic etching process for industrial texturing of silicon solar cells［J］.Solar Energy Material&Solar Cells，1999（57）：179-188.

［10］Macdonald D H，Cuevas A，Kerr M J，et al.Texturing industrial multicrystalline silicon solar cells ［J］.Solar Energy，2004（76）：277-283.

［11］Yang B，Lee M.Laser interference-driven fabricationofregularinvertedpyra-midtectureon mono-crystalline Si［J］.Microelectronic Engineering，2014（130）：52-56.

［12］李艷紅，陳宏書，鄭建龍，等.紅外隱身涂料發(fā)射率的影響因素研究［J］.紅外技術(shù)，2008，30（8）：454-457.

Research on Preparation and Antireflective Performance of Micro-nano Structure of in Amorphous Silicon Thin Film

WU Jie
（School of Electronic and Information Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

In order to modify the amorphous silicon thin film and make it present a good anti-reflection.This article adopt the method of laser interference lithography to fabricate micro-nano structures with anti-reflective properties in amorphous silicon thin film surface.A three-beam laser interference system is built，using a wavelength of 1064nm Nd：YAG laser as a light source，the spatial distribution of nearly three beams rotationally symmetric.The surface pattern of the samples are observed by scanning electron microscope（SEM）.In order to obtain the characteristic parameters，including the size and depth information of amorphous silicon（a-Si），atomic force microscope（AFM）was operated in the tapping mode.The last but not least，the reflectance of the samples surface was measured by reflectivity measurement system which include a Xenon-lamp as light source and a spectrophotometer with an integrating sphere and analysied the effect of antireflective performance in different characteristic parameters.The experimental results show that with the increase of energy gradually，the period of the intensity distribution did not change，the diameter of the hole，the distance between the hole and the depth of the hole gradually changed and a linear distribution，and amorphous silicon surface reflectivity is gradually reduced，the average reflectance of this periodic structure is less than 10%.

laser interference lithography；amorphous silicon thin film；micro-nano structure；anti-reflection

TN249

A

1672-9870（2016）03-0045-05

2015-11-17

吳杰（1989-），男，碩士研究生，E-mail：custwj@126.com