非晶硅薄膜表面微纳结构制备及抗反射性能研究

吴杰

（长春理工大学　电子信息工程学院，长春　130022）

非晶硅薄膜表面微纳结构制备及抗反射性能研究

吴杰

（长春理工大学电子信息工程学院，长春130022）

为了对非晶硅薄膜表面改性，使其具有更好的抗反射性，将采用激光干涉光刻的方法，在非晶硅薄膜表面制备具有抗反射性能的微纳结构。首先搭建三光束激光干涉系统，使用波长为1064nm的Nd：YAG激光光源，使其在空间分布上接近旋转对称的三束光，对非晶硅薄膜进行干涉实验，然后用扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）对激光刻蚀后的非晶硅薄膜表面结构特征参数进行检测，并使用反射率测量仪对改性后的非晶硅薄膜表面反射率进行测量，分析各参数对抗反射性能的影响。实验结果表明，随着能量逐步增加，光强分布周期没有发生改变，孔的直径、孔与孔之间的距离以及结构深度逐渐发生改变且呈线性分布，而非晶硅表面反射率逐步降低，最低达到10%。

激光干涉；非晶硅薄膜；微纳结构；抗反射

随着全球化石油能源的消耗殆尽，环境问题的日益加剧，太阳能作为一种清洁可再生能源正日益受到各国重视。目前太阳能电池作为利用太阳能的主要方式，以单晶硅太阳能电池为代表占据着太阳能电池的大部分市场。但由于单晶硅太阳能电池需要对硅进行高质量的提纯处理，硅纯度需达到99.9999%［1，2］，这在价格因素上很大程度限制了太阳能电池的大规模应用。薄膜太阳能电池的厚度只有几微米到几十微米，是传统单晶硅电池厚度的近百分之一，可以有效降低太阳能电池的材料成本。然而，如何利用尽可能薄的电池捕捉尽可能多的太阳光，是薄膜太阳能电池所面临的重大挑战。

表面微纳结构可以克服传统减反射方法（光学镀膜和表面制绒）在应用于薄膜电池领域所受到的局限，其制备成为近年来薄膜陷光领域的研究热点之一［3］。由于激光干涉光刻内在干涉的本质，在制备微纳表面结构上有着与生俱来的优势［4］。Wang等［5］使用该方法在硅表面制备具有减反射和超疏水性微锥结构，反射率最低达到5.9%，接触角为156.3°，达到了超疏水级别。Zhang等［6］将单晶硅置于一个标准大气压SF6气体中，利用四光束干涉光刻的方法与其作用，产生具有极低反射率的黑硅结构。Zhao等［7］利用三光束激光干涉光刻的方法在单晶硅表面制备了呈六边形分布的孔状结构，在可见光范围内实现了最低1.86%的低反射率。

本文采用激光干涉光刻技术，在非晶硅薄膜上制备了周期性微纳结构；对不同结构特征的抗反射性能进行了研究；并对不同激光干涉图案激光能量分布下，激光与非晶硅薄膜相互作用进行了分析。本研究为大面积非晶硅表面微纳结构制备提供了一种廉价、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两束或多束相干光对光致抗蚀剂进行曝光或者直接在材料表面直写产生干涉图形。根据入射光参数的不同可以形成光栅、点阵、孔阵或者更复杂的干涉图形，其中入射光的偏振模式对干涉图形影响尤为明显［8］。根据电场分量是否垂直于入射面，可以划分为TM模式和TE模式。当偏振角分别为0°和90°时，偏振模式分别是TM模式和TE模式。本文的三光束干涉系统，采用相同的入射角、对称的空间角以及TE-TE-TM偏振模式，则三光束干涉产生的光强为：

其中A为振幅的大小，θ为光线入射角。

根据以上理论分析，本文采用Matlab编写程序，设置模拟的激光波长λ=1064nm，可得模拟的二维光强分布图及其对应的光强分布曲线。

2　非晶硅薄膜的制备及特征参数的提取

2.1非晶硅薄膜的制备方法

薄膜及表面层的真空沉积通常可以采用物理气相沉积法和化学气相沉积法。本文通过等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）在玻璃衬底沉积非晶硅薄膜（图1（a）所示），相比使用物理方法沉积薄膜，该方法具有沉积温度低、膜的厚度容易控制、膜层具有较好的粘附力，不易脱落等优点。本文采用的薄膜厚度约为3μm。

图1　三光束曝光前后示意图

2.2激光处理

为了降低硅基太阳能电池的反射率，通常选择化学碱腐蚀［9，10］的方法制备表面的绒面结构，减少入射光的反射，但该方法不可控因素较多，很难得到周期性的形貌结构。图2为三光束干涉原理图，图中激光光源是由Nd：YAG大功率激光器发出，对非晶硅表面进行刻蚀，脉冲周期7～9ns，激光输出波长为1064nm。通过反射镜（HR1、HR2、HR3、HR4、HR5）、分光镜（BS1、BS2）控制光路方向，四分之一波片和偏振片分别控制激光输出能量和偏振角，开展干涉曝光实验研究。最终得到如图1（b）所示的非晶硅表面结构。

图2　三光束激光干涉原理图

2.3特征参数的提取及反射率测量方法

本文通过Quanta 250扫描电子显微镜（SEM）和安捷伦原子力显微镜（AFM）获得结构特征参数。首先将制备好的结构用扫描电子显微镜（SEM）对其表面进行观察，然后用原子力显微镜对其样品表面结构的刻蚀深度进行测量，得到不同能量刻蚀的表面结构深度曲线图。最后，通过反射率测量仪对样品表面反射率进行测量。

3　实验结果与讨论

3.1激光干涉周期结构

本实验中三束光入射角都是θ1=θ2=θ3=7∘，空间角成对称分布分别是 φ1=0o，φ2=120o，φ3=240o，偏振角分别是，干涉结构周期可用表示，其中λ是激光

波长，α是其中一束光与平面的夹角。通过调整三光束干涉光路，使三光束入射角（入射光与平面法线的夹角）相同，空间角的设置在空间上呈旋转对称分布；同时能量相同的三束光应尽量保持光程一致。相比两光束干涉，三光束可以制备出点阵或者孔阵列，同时相比四光束干涉系统的搭建更加简便，不容易产生调制。图3（a）是三光束模拟的光强分布图，3 （b）和3（c）分别是直线A和直线B的光强分布曲线。

图3　三光束光强分布模拟图及光强分布曲线

用1064nm波长的大功率激光光源，使用三光束干涉的方式制备微米孔，如图4（c）所示。表面上看，此结构类似于在单晶硅表面制备的倒金字塔结构，但是相比内壁光滑的倒金字塔内壁［11］，由于在每个微米孔内壁存在许多无规则的纳米级别的孔，光线进入到这些孔后，会发生多次反射和折射，这些纳米级孔的存在将进一步增强光的吸收。根据理论分析及Mtalab模拟，最终得到如图4（a）所示的周期性微纳孔阵结构，与模拟结果一致（图3（a））。图4（a）、（b）、（c）分别是放大20000倍、40000倍、80000倍的扫描电镜图。

图4　不同放大倍数下的扫描电镜图

图5是在非晶硅薄膜表面，通过三光束干涉得到的不同能量密度下周期性孔阵列的扫描电镜图。通过不断调整激光能量，当激光能量低于材料阈值，则不能完成有效刻蚀；如果激光能量过高，则会产生过曝。本文选用12mJ、14mJ、16mJ、18mJ作为激光能量参数，通过本实验表明，随着能量的改变，光强分布周期没有发生改变，大约5μm；孔的直径、孔与孔之间的距离以及结构深度逐渐发生改变。当每束激光能量从12mJ增加到18mJ时，激光烧蚀区域的直径从～2.5μm到～5.2μm。当每束光能量增加到18mJ时，周期性孔阵结构几乎覆盖整个非晶硅薄膜表面（图5（d）），使之达到最大有效覆盖。

图5　三光束干涉结构扫描电镜图

另外，结构深度对非晶硅表面抗反射性也有着深远影响。实验结果表明，结构深度随着能量的增加而增加，且呈线性分布。图6是三光束干涉原子力高度图，从图中可以看出最小结构深度（图6（a））和最大结构深度（图6（d））分别是～500nm和～1.5μm。

图6　三光束干涉原子力高度图

3.2抗反射性能测试

光学研究表明，电磁波入射到不同介质的交界面上，发生反射、透射和吸收后有：

式中：A为吸收率，R为反射率，T为透射率。可见不透明的高反射率的表面具有低的透射率。也就是说，材料表面的反射率越低，透射率越低，吸收率就越高［12］，本文采用紫外可见分光光度计测得不同能量曝光后的非晶硅薄膜的透射率（如图7），从图中可以看出无论是平板非晶硅薄膜还是刻蚀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%，只在波长为680nm以及780nm附近出现两个峰值，可以看出三光束干涉得到的非晶硅薄膜具有较好的吸收率。

图7　三光束干涉非晶硅薄膜透射率

另外，为了准确测得可见光范围非晶硅薄膜的反射率，本文采用反射率测量系统进行测量。该系统采用的是氙灯作为光源，可以精确的在350～2000nm光谱范围内模拟太阳光的相关特性。测量样品之前先对标准板进行测量，标准反射板适用的光谱范围是300～2000nm，是精确的测光板。从图8中可以看出，随着能量的逐渐增大，非晶硅薄膜表面反射率逐步降低，从平板非晶硅的40%～60%，降低到10%～20%。当每束光能量增加到18mJ时，反射率最低达到10%，且在500～800nm波长范围，反射率均在15%以下。

图8　三光束干涉非晶硅薄膜反射率

4　结论

本文采用激光干涉光刻的方法制备微纳结构，而不是通用的难以控制刻蚀形貌的化学方法。利用三光束干涉得到周期性微纳结构，并通过调整刻蚀参数不断地改变结构的特征参数，当激光能量为18mJ，结构深度为～1.5μm时，在波长380～800nm范围内，周期性孔阵结构得到了较低的反射率（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，Drygała A，Gołombek 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］王大鹏，车英.Matlab对激光干涉纳米阵列的仿真与研究［J］.长春理工大学学报：自然科学版，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］李艳红，陈宏书，郑建龙，等.红外隐身涂料发射率的影响因素研究［J］.红外技术，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

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