Nanosaniye atımlı 1064 nm fiber lazer ile polikristal silisyum ince filmlerin üretilmesi ve özelliklerinin incelenmesi
Production of polycrystalline silicon thin films by nanosecond pulsed 1064 nm fiber laser and investigating their properties
Yazar: HAYDAR SARPER SALMAN
Danışman: DOÇ. DR. AKIN BACIOĞLU
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanoteknoloji ve Nanotıp Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Enerji = Energy ; Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Hidrojenlendirilmiş amorf silisyum (a-Si:H) tek katman ince film örnekler, plazma destekli kimyasal buhar biriktirme (PECVD) sisteminde SiH4 gazının 13,56 MHz RF plazması kullanılarak üretilmiştir.  RF gücü 15 W, reaktöre SiH4 akış hızı 10 sccm, vakum kazan basıncı 200 mTorr ve alttaban sıcaklığı 300 °C değerlerinde olmak üzere deney boyunca sabit tutulmuştur. Tüm örnekler cam ve kristal silisyum alttabanlar üzerine, eş zamanlı olarak, büyütülmüştür. Lazer ile işleme gerçekleştirilmeden önce, a-Si:H ince film örneklerin kalınlıkları, iki farklı teknikle; optik geçirgenlik kullanılarak ve atomik kuvvet mikroskobu (AFM) ile belirlenmiştir.
PECVD sisteminde üretilen örnekler, 1064 nm tepe dalgaboyunda çalışan nanosaniye atımlı, iterbiyum katkılı fiber lazer etkileşimli kristalizasyon işlemi ile işlenmiştir. Lazer ortalama optik gücü, lazer tekrar frekansı, lazer tarama hızı, lazer atımlarının üste üste binme oranı ve odaklanmış lazer nokta çapı gibi parametreler değiştirilerek örnekler işlenmiştir. İşlenen örneklerin yüzeyleri taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile incelenerek, lazer etkileşimli kristalizasyon uygulanacak yeni örnekler  için işleme parametrelerinin belirlenmesinde kullanılmıştır. 
Lazer etkileşimli kristalize edilen örneklerin yüzeyde oluşabilecek oksit katmanının varlığının belirlenebilmesi amacıyla Fourier dönüşümlü kızılaltı spektroskopisi (FTIR) kullanılmıştır. FTIR deneylerinden elde edilen soğurma katsayısı spektrumundan, örneklerin lazer ile işlenmesinden sonra içerdiği atomik oksijen konsantrasyonu (%[O] at.) hesaplanmıştır. Oksijen konsantrasyonunun yaklaşık at. % 2 – 4 aralığında değiştiği gözlenmiştir. 
Raman saçılması deneyi ile lazer etkileşimli kristalize edilen örneklerin kristalizasyon oranları hesaplanmıştır. Bulunan kristalizasyon oranlarının, lazer ortalama optik gücü, lazer tekrar frekansı, lazer tarama hızı ve lazer atımlarının üst üste binme oranı ile nasıl değiştiği irdelenmiştir. Yapılan analizde değişen parametrelere göre kristalizasyon oranının Xc = % 16 – 99 arasında değiştiği ve Raman kayması tepe noktalarının, bu değişime bağlı olarak, sırasıyla, ~ 510 – 520 cm-1 dalga sayıları arasında kaydığı saptanmıştır. 


Anahtar Kelimeler: Lazer etkileşimli kristalizasyon, nanosaniye atımlı lazer, 1064 nm atımlı lazer, iterbiyum katkılı fiber lazer, hidrojenlendirilmiş amorf silisyum (a-Si:H), lazer – malzeme etkileşimi.

Abstract:
Hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) samples were grown in a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) system, by using 13.56 MHz RF plasma of SiH4 gas. The deposition parameters were kept constant as RF power of 15 W, SiH4 flow rate of 10 sccm, total chamber pressure of 200 mTorr and substrate temperature of 300 °C. All samples were produced on glass and monocrystalline silicon substrates at the same deposition. Before laser induced crystallization, the thicknesses of the samples were determined by two techniques: optical transmittance and atomic force microscopy (AFM).
The samples produced in PECVD system were processed by nanosecond pulsed, ytterbium doped fiber laser operating at a peak wavelength of 1064 nm. Laser crystallized samples were prepared at different laser parameters such as, average power, laser repetation rate, laser scanning speed, pulse overlap and focused laser spot size. The surfaces of the processed samples were monitored by scanning electron microscopy (SEM). The images were used as feedback to choose optimum laser parameters in processing new samples.
To evaluate the presence of oxide layer created by ambient oxygen during laser processing, fourier transformed infrared spectroscopy (FTIR) were used. The atomic oxygen concentration ([O]% at.) was calculated by using the IR absorption spectra as ranging from 2 to 4 at.%.
The crystal phase ratios of the laser-processed samples were calculated by Raman Scattering spectra. The dependence of the crystal ratio on the laser parameters, such as average laser power, laser repetition rate, laser scanning speed and amount of pulse overlaps, was examined. The crystal ratios were calculated to be between Xc = 16 and 99 %, depending on the laser parameters. Also the peak positions of Raman shifts of the scattering from crystal phase were observed to shift from 510 to 520 cm-1, respectively. 


Keywords: Laser induced crystallization, nanosecond pulsed laser, 1064 nm pulsed laser, ytterbium doped fiber laser, hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H), laser – material interaction.