利用固相磊晶法(Solid Phase Epitaxy, SPE)成長單晶矽鍺薄膜作為太陽能電池的基板，主要是為了改善太陽能電池(CuInSe2)與基板之間的穩定度，如減少彼此晶格常數不匹配度並可降低介面產生的缺陷。實驗嘗試三種不同的薄膜結構，首先是連續濺鍍非晶矽與非晶鍺薄膜於單晶矽上。另一方式是濺鍍單層非晶鍺薄膜於矽晶片上；最後則是階梯式混合，以改變濺鍍的瓦數與時間，同時濺鍍(co-sputtering)矽與鍺非晶薄膜。以快速熱退火使非晶薄膜結晶化，再由XRD繞射圖觀察薄膜的結晶性。實驗結果顯示僅呈現多晶無法形成磊晶薄膜，經由TEM的觀察發現基板與薄膜的介面處仍殘留氧化層（native oxide），厚度約為10 nm以下，此氧化層是導致無法磊晶的主要原因。

In order to improve the stability of interface between the solar cell (CuInSe2) and the substrate, such as reducing the lattice misfit and the number of defects at the interface, we used the Solid Phase Epitaxy (SPE) method to grow epitaxial germanium film as the substrate of solar cell. The experiment tried three different film structures. The first structure was sequential sputtering an amorphous silicon film and a germanium film on the silicon wafer. The next one was sputtering an amorphous germanium film on the bare silicon wafer. The last, called mixed step structure, was co-sputtering the amorphous silicon and germanium films by changing the sputtering power and time. After the recrystallization of amorphous films by rapid thermal process, x-ray diffraction patterns were performed to characterize the crystallinity of the processed films. The experimental results appeared that the epitaxy of amorphous films was not successful and that there was only polycrystalline films formed. TEM images of the processed amorphous films showed that there existed a thin native oxide layer at the interface between the silicon substrate and the polycrystalline films. The thin oxide layer (less than 10 nm) caused the epitaxy of amorphous films not to proceed.

目錄
第一章 前言 1
1.1 研究動機 1
1.2 未來應用 2
1.3 固相磊晶法之簡介 3
第二章 薄膜成長步驟與分析方法 4
2.1 試片準備步驟 4
2.1.1 試片清洗 4
2.1.2 去除氧化矽 6
2.2 成長薄膜 8
2.3 固相磊晶 9
2.4 薄膜分析方法 9
第三章 實驗儀器之簡介 11
3.1 磁控式濺鍍 11
3.2 快速熱退火 11
3.3 反射光譜儀 11
3.4 X-射線繞射儀 12
第四章 實驗結果討論 13
4.1 方法一：成長雙層非晶薄膜 13
4.1.1 實驗過程與目標 13
4.1.2 結果討論 14
4.2 方法二：成長單層非晶薄膜 17
4.2.1 實驗過程與目標 17
4.2.2 結果討論 17
4.2.2.1 在氮氣氣氛與真空下RTA之比較 18
4.2.2.2 不同電漿處理表面氧化物時間之比較 19
4.3 方法三：以階梯式同時成長混合非晶薄膜 20
4.3.1 實驗過程與目標 20
4.3.2 結果討論 21
4.3.2.1 RTA過程以矽晶片圍繞與未圍繞之比較 21
4.4 基板以RCA標準方法清洗 22
4.4.1 實驗過程與目標 22
4.4.2 結果與討論 22
4.4.2.1 基板以不同清洗方法之XRD比較 23
4.4.2.2 不同電漿氣氛的比較 23
4.4.2.3 不同工作距離的比較 23
4.5 TEM觀察結果與討論 24
第五章 結論 26
參考文獻 28
附表 30
表一 不同材料的各種性質數值 30
表二 學長與我的實驗參數比較表 30
表三 以不同實驗條件的試片製作TEM試片的比較 30
附圖 31
圖一 薄膜與基板之間晶格常數匹配度的關係圖 31
圖二 矽與鍺的二元相圖 32
圖三 電漿處理之XRD比較圖【7】 33
圖四 以階梯式成長矽與鍺漸層薄膜 34
圖五 晶格常數與組成比例的關係 35
圖六 矽的XRD繞射面與強度之模擬圖 36
圖七 鍺的XRD繞射面與強度之模擬圖 37
圖八 濺鍍系統的側視圖 38
圖九 薄膜磊晶的簡易圖示 39
圖十 不同成分比例的擴散分布結果 40
圖十一 針對成分分布圖所做的XRD模擬 40
圖十二 實驗所得的XRD 41
圖十三 假設矽與鍺之間的不同成分擴散圖 41
圖十四 磊晶單層非晶矽之退火前與退火後之XRD 42
圖十五 矽與鍺個別的再成長速率 42
圖十六 (a)退火前與退火後的XRD (b)放大q=31°~34° 43
圖十七 (a)退火前與退火後的XRD (b)放大q=31°~34° 44
圖十八 清除各層表面氧化矽的過程 45
圖十九 單層非晶鍺以不同溫度RTA之XRD繞射圖 46
圖二十 GexSi1-x其比例x與臨界厚度的關係圖 47
圖二十一 在不同環境下RTA的XRD繞射圖比較 48
圖二十二 不同表面處理時間之XRD比較圖 50
圖二十三 不同表面處理時間所成長的薄膜SEM圖 51
圖二十四 以階梯式方法成長的XRD繞射圖 52
圖二十五 試片在RTA過程以圍繞矽晶片阻擋四面八方的熱 53
圖二十六 RTA過程以矽晶片圍繞與未圍繞之比較 54
圖二十七 基板以不同清洗方法後，成長相同條件矽薄膜的XRD比較 圖 55
圖二十八 基板以不同清洗方法後，成長相同條件鍺薄膜的XRD比較圖 56
圖二十九 以不同氣氛電漿處理後，成長相同條件的單層矽之XRD比較圖 57
圖三十 不同工作距離成長相同條件的單層矽之XRD比較圖 58
圖三十一 0501-Si之TEM圖 59
圖三十二 0516-Si之TEM圖 60
圖三十三 0501-Si之高解析度TEM圖 61
圖三十四 0516-Si之高解析度TEM圖 62
圖三十五 圖十四的XRD曲線之放大圖 63

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