非线性热累积固相晶化方法、多晶硅薄膜及激光晶化系统与流程

本发明属于激光加工，具体地说涉及非线性热累积固相晶化方法、多晶硅薄膜及激光晶化系统。

背景技术：

1、非晶硅薄膜因具备成本低、均匀性好、可在较低温度下制备的特点，在薄膜晶体管、柔性显示、太阳能电池等领域具有重要应用价值。然而，非晶硅薄膜存在光致退化效应显著，光谱响应范围窄的缺点，限制了它在高效光电器件中的应用。多晶硅薄膜具有更好的光电性能，是下一代高性能电子及光电器件的关键材料，因此，为克服该缺陷，往往会采用晶化技术将非晶硅转化为多晶硅，以提升载流子迁移率和器件稳定性。

2、而在各类晶化技术中，激光诱导晶化因非接触、晶粒质量高、工艺温度低等优势，被认为是最具潜力的技术路径之一。该技术常采用准分子激光、连续激光或飞秒激光作为能量源。其中，准分子激光晶化涉及液相熔融，熔池存在时易引发氢爆，导致表面粗糙度增加、晶界出现缺陷；连续激光热扩散显著、热影响区大，易使柔性衬底热变形，且晶化后薄膜表面尺寸分布不均，因而并非最佳的能量源。与传统长脉冲或连续激光相比，飞秒激光热影响区小，理论上可实现“冷加工”。但在非晶硅晶化应用中，当飞秒激光的单脉冲能量低于烧蚀阈值时，注入能量不足以将材料加热至晶化温度；若将单脉冲能量提高至晶化阈值以上，又极易跨越烧蚀阈值，导致材料气化损伤，故难以实现有效晶化。

3、为兼顾晶化质量与效率，现有技术尝试采用高重频激光或将不同脉冲宽度的激光复合使用。例如，隆基绿能中央研究院在cell press blue上发表了《micron- tosubmicron-scale selective crystallization of amorphous silicon for advancedpassivating contacts in silicon solar cells》一文，其依据热扩散主导与电磁吸收主导的两种机制，并利用纳秒与皮秒激光，在非晶硅层中实现了微米至亚微米尺度的选择性晶化。但纳秒激光热影响大、皮秒激光效率低，两者脉冲间隔远大于非晶硅的热扩散弛豫时间，导致热累积过程不可控。又比如，公开号为cn107017342a的中国发明专利，只是通过提升对材料注入的辐照能量，引发宏观的热累积效应，但该技术无法进一步对热累积过程进行实时调控，因而容易在该调控过程中出现因热累积不足无法实现晶化的情况，或出现因热扩散失控引发衬底过热的情况，无法实现真正的“冷相变”调控，最终导致难以真正实现无熔融固相晶化工艺。因此，急需开发一种能解决上述问题的激光固相晶化方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对上述不足之处提供非线性热累积固相晶化方法、多晶硅薄膜及激光晶化系统，拟解决在目前激光诱导晶化技术中，因热累积过程不可控，无法满足飞秒脉冲激光的冷加工要求，导致无熔融固相晶化工艺难以实现的问题。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

2、一种基于非线性热累积的固相晶化方法，包括以下步骤：

3、a)对激光脉冲序列进行时域调制，形成包含至少一个主脉冲包络的脉冲序列，所述主脉冲包络内包含一组子脉冲串，且子脉冲串中的子脉冲数量可调；

4、b)进一步设定激光脉冲序列的多级时域参数；其中，至少包括将子脉冲串的重复频率设置为第三级时域参数，且该频率设置使得相邻子脉冲的时间间隔短于目标材料受激后的晶格热弛豫时间；

5、c)输出时域调制后的激光脉冲序列，并将其聚焦至目标材料表面的加工区域；由于相邻子脉冲的时间间隔短于晶格热弛豫时间，使能量在目标材料内部逐级叠加并产生非线性热累积，且热累积效应使得材料温度自然维持在相变阈值与损伤阈值之间；同时，在线监测目标材料发生相变时的相变特征信号；

6、d)将相变特征信号输出至反馈控制系统；反馈控制系统根据该信号调整时域参数，以控制目标材料晶化后的结构特性；其中，结构特性至少包括晶化深度、晶粒尺寸与晶粒分布形态。

7、进一步地，在步骤b中，对多级时域参数的设定还包括：当主脉冲包络数量大于一时，设置第一级时域参数；所述第一级时域参数设定为主脉冲包络的重复周期，且该主脉冲包络的重复周期能保证相邻主脉冲包络之间存在热扩散特征时间；设置第二级时域参数，具体设定为将主脉冲包络的持续时间。

8、进一步地，所述第一级时域参数被配置为khz量级或mhz量级；所述第三级时域参数被配置为ghz量级。

9、进一步地，在步骤b中，对激光脉冲序列的时域调制，还包括对以下至少一种参数的独立控制：单脉冲能量、子脉冲宽度、主脉冲包络宽度和主脉冲包络占空比。

10、进一步地，将主脉冲包络的持续时间设定为不大于目标材料的晶格热弛豫时间。

11、进一步地，将子脉冲的单脉冲能量配置为低于目标材料的烧蚀阈值，且脉宽为飞秒、皮秒或纳秒量级。

12、进一步地，在激光脉冲序列聚焦至目标材料表面前，对激光脉冲序列进行光束整形或扫描路径规划处理，以使激光在目标材料表面形成点状、线状或面状的加工区域。

13、进一步地，所述目标材料为非晶硅、钙钛矿、相变存储材料或金属玻璃中的至少一种。

14、进一步地，一种多晶硅薄膜，所述多晶硅薄膜中的多晶硅层采用前述的固相晶化方法制成。

15、一种激光晶化系统，用于实施前述的固相晶化方法，包括：

16、超快激光源，用于输出具有高频重复频率的脉冲串；

17、时域脉冲整形模块，与超快激光源光路连接，用于将脉冲串裁剪并进行调制，然后输出包含预设子脉冲串的主脉冲包络；

18、光束扫描与聚焦模块，用于将调制后的激光脉冲序列聚焦至目标材料表面，并按预设路径移动；

19、实时监测模块，用于实时采集目标材料在激光晶化过程中的相变特征信号；

20、反馈控制模块，用于接收实时监测模块输出的相变特征信号，并输出控制指令至超快激光源、时域脉冲整形模块和光束扫描与聚焦模块，以调整时域参数和扫描参数；

21、协同控制模块，分别与超快激光源、时域脉冲整形模块、光束扫描与聚焦模块及实时监测模块电连接。

22、本发明的有益效果是：

23、1.本发明通过将相邻子脉冲的时间间隔配置为短于目标材料的晶格热弛豫时间，使多个子脉冲的能量在材料内部逐级叠加，将传统单脉冲的瞬时高温转变为平稳攀升的温度窗口，从根本上改变热累积方式，从而在无熔融条件下实现固相晶化，避免热损伤和表面缺陷。

24、2.本发明通过多级时域调制配合实时反馈控制，实时调控目标材料的晶化过程，使加工时的温度始终维持在相变阈值与损伤阈值之间，突破现有激光晶化技术中热累积不可控、难以兼顾冷加工与晶化效率的技术瓶颈。

25、3.本发明适用于非晶硅、钙钛矿、相变存储材料及金属玻璃等多种材料体系，通过灵活调节时域参数即可适配不同晶化需求，具有良好的工艺普适性和产业化应用前景。

1.一种基于非线性热累积的固相晶化方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的固相晶化方法，其特征在于，在步骤b中，对多级时域参数的设定还包括：当主脉冲包络数量大于一时，设置第一级时域参数；所述第一级时域参数设定为主脉冲包络的重复周期，且该主脉冲包络的重复周期能保证相邻主脉冲包络之间存在热扩散特征时间；设置第二级时域参数，具体设定为将主脉冲包络的持续时间。

3.根据权利要求2所述的固相晶化方法，其特征在于：所述第一级时域参数被配置为khz量级或mhz量级；所述第三级时域参数被配置为ghz量级。

4.根据权利要求3所述的固相晶化方法，其特征在于：在步骤b中，对激光脉冲序列的时域调制，还包括对以下至少一种参数的独立控制：单脉冲能量、子脉冲宽度、主脉冲包络宽度和主脉冲包络占空比。

5.根据权利要求2所述的固相晶化方法，其特征在于：将主脉冲包络的持续时间设定为不大于目标材料的晶格热弛豫时间。

6.根据权利要求1所述的固相晶化方法，其特征在于：将子脉冲的单脉冲能量配置为低于目标材料的烧蚀阈值，且脉宽为飞秒、皮秒或纳秒量级。

7.根据权利要求1所述的固相晶化方法，其特征在于，在激光脉冲序列聚焦至目标材料表面前，对激光脉冲序列进行光束整形或扫描路径规划处理，以使激光在目标材料表面形成点状、线状或面状的加工区域。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的固相晶化方法，其特征在于：所述目标材料为非晶硅、钙钛矿、相变存储材料或金属玻璃中的至少一种。

9.一种多晶硅薄膜，其特征在于：所述多晶硅薄膜中的多晶硅层采用权利要求1至8中任一项所述的固相晶化方法制成。

10.一种激光晶化系统，其特征在于，用于实施权利要求1至8中任一项所述的固相晶化方法，包括：