專利名稱：一種制備多晶硅薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制備多晶硅薄膜的方法技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，屬于制備多晶硅薄膜的方法的改進(jìn)。
背景技術(shù)：
多晶硅是單質(zhì)硅的一種狀態(tài)，熔融的單質(zhì)硅凝固時(shí)，硅原子以金剛石晶格排列成許多晶核，如果這些晶核長成晶面取向不同的晶粒，則形成多晶硅。多晶硅薄膜的光電性能不僅取決于其晶粒和晶界的性質(zhì)，而且還取決于晶粒的大小及其相互間的取向關(guān)系的分布特性。它既具有與晶體硅相似的優(yōu)良電學(xué)、光學(xué)性能，又具有非晶硅薄膜的低成本、制備簡單和可以大面積生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。多晶硅薄膜的主要用途有:
電子信息工程的重要材料:在20世紀(jì)70年代，人們利用多晶硅薄膜代替金屬鋁作為MOS場效應(yīng)晶體管的柵極材料。人們發(fā)現(xiàn)，大晶粒的多晶硅薄膜具有與單晶硅相似的高遷移率，可以做成大面積、具有快速響應(yīng)的場效應(yīng)薄膜晶體管、傳感器等光電器件，于是多晶硅薄膜在大陣列液晶顯示領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用。太陽能光伏發(fā)電:20世紀(jì)80年代以來，研究者希望開發(fā)既具有晶體硅高效率穩(wěn)定的性能，又具有非晶硅的大面積、低成本優(yōu)點(diǎn)的新型太陽能光電材料。多晶硅薄膜不僅對長波長光線具有高敏性，而且對可見光有很高的吸收系數(shù)；同時(shí)也具有與晶體硅相同的光穩(wěn)定性，不會產(chǎn)生非晶硅中的光致衰減效應(yīng)。因此，多晶硅薄膜被認(rèn)為是理想的新一代太陽能光電材料。目前，工業(yè)上制備多晶硅薄膜主要以離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)和熱絲化學(xué)氣相沉積(HWCVD)技術(shù)為主，而且配合高溫爐退火。但是，化學(xué)氣相沉積(CVD)通常要使用劇毒易爆的硅烷 作為反應(yīng)氣體，因此在工業(yè)生產(chǎn)過程中往往要投入巨額資金用于硅烷的處理和回收，并且需要非常嚴(yán)格的安全系統(tǒng)作為保障，而且需要配備一套完整的尾氣處理輔助設(shè)備及系統(tǒng)，其成本較高；而且高溫爐退火的時(shí)間較長，制成后的多晶硅薄膜質(zhì)量較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為克服上述現(xiàn)有技術(shù)所述的至少一種缺陷，提供一種制備結(jié)晶率高、不含氫的高質(zhì)量多晶硅薄膜的方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種制備多晶硅薄膜的方法，其中，包括磁控濺射鍍膜步驟SI和快速光熱退火步驟S2，用射頻磁控濺射可在石英基片上沉積一層硅薄膜，射頻磁控濺射鍍膜機(jī)可采用金盛微納公司的MSP-3300型磁控濺射鍍膜機(jī)，它主要由三個(gè)部分組成:真空系統(tǒng)、濺射系統(tǒng)和操控平臺，熱退火設(shè)備可采用北京東之星公司的RTP-500型快速光熱退火設(shè)備。該設(shè)備主要由四部分組成:熱退火工作腔、電源控制器、水箱和電腦。所述的磁控濺射鍍膜步驟SI包括以下步驟:Sll.將石英基片用蒸餾水洗凈之后，用無水酒精擦拭，風(fēng)干；風(fēng)干后使用。S12.打開磁控濺射鍍膜機(jī)，將石英基片固定在托盤轉(zhuǎn)臺上，開啟鍍膜機(jī)電源，機(jī)械泵和分子泵開啟，對工作室進(jìn)行抽真空，至工作室的真空度為5.0 X 10_4 Pa;其中，可用高溫膠將石英基片固定在托盤轉(zhuǎn)臺上，打開“運(yùn)行系統(tǒng)-MSP3300”，在“實(shí)用流程”中選擇“自動(dòng)開機(jī)”功能，儀器的機(jī)械泵和分子泵依次開啟，對工作室進(jìn)行抽真空。S13.以硅作為靶材，預(yù)濺射除去硅靶表面的雜質(zhì)；
S14.開啟擋板開始濺射，濺射功率為200W，濺射時(shí)間為9000s，托盤轉(zhuǎn)速為20r/m，氬氣的氣流量為60SCCm，工作氣壓0.2 Pa，取片溫度為50 V ;完成設(shè)置濺射工作，抽氣取片即完成工作。S15.在石英基片上沉積厚度為90nnT400nm的非晶硅薄膜；采用共濺的工藝流程。硅屬于半導(dǎo)體材料，熔點(diǎn)比較高，因此相對于其它PVD技術(shù)，磁控濺射方法更適合使用塊體硅材料作為硅薄膜沉積原料。磁控濺射技術(shù)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，并且不需要使用硅烷，無論是生產(chǎn)安全性還是成本控制上，磁控濺射都比CVD有著更大的優(yōu)勢。而且射頻磁控濺射技術(shù)還具有膜厚和沉積速率易于控制；沉積穩(wěn)定、膜厚均勻；工作時(shí)不存在其它雜質(zhì)，制備出的多晶硅薄膜表面光滑、致密性好、純度很高的特點(diǎn)。所述的快速光熱退火步驟S2包括以下步驟:
521.以鹵鎢燈作為熱源，開啟電源，將S15中制備的非晶硅薄膜放入石英盒中，通入氮?dú)獠⒄{(diào)節(jié)流量閥；
522.進(jìn)行熱退火實(shí)驗(yàn)，石英盒內(nèi)溫度降至200°C以下關(guān)閉電源。采用快速熱退火技術(shù)對磁控濺射制備的硅薄膜進(jìn)行后期熱處理。與普通的高溫爐不同，快速光熱退火的熱源是齒鎢燈，可以進(jìn)行快速的升降溫，最快可以達(dá)到200°C/s，由于鹵鎢燈的光譜范圍較寬(從450nm到2000nm)，在工作的過程中既存在熱效應(yīng)，也存在光量子效應(yīng)。由于熱退火時(shí)間很短，所以晶化后的多晶硅薄膜內(nèi)應(yīng)力小、缺陷少，容易制得高質(zhì)量的多晶硅薄膜。進(jìn)一步的，所述的石英基片尺寸為IOmmX30mmX0.5mm。石英基片尺寸合適，方便
實(shí)驗(yàn)進(jìn)行。進(jìn)一步的，所述的步驟S14中工作室的溫度為100°C或200°C或300°C。300°C以下鍍制的硅薄膜，沉積速率隨著溫度的增高略有增大，但變化很小，其成分為非晶硅薄膜。進(jìn)一步的，所述的步驟S22中熱退火實(shí)驗(yàn)的退火溫度為1000°C或950°C或900°C或850°C或 800°C或 750°C或 700°C。進(jìn)一步的，所述的步驟S22中熱退火實(shí)驗(yàn)的退火溫度為850°C，退火時(shí)間為30s或60s 或 90s 或 120s 或 180s。可選的，所述的步驟S22中熱退火實(shí)驗(yàn)的退火溫度為750°C，退火時(shí)間為30s或60s 或 90s 或 120s 或 180s。所述的步驟S22中熱退火實(shí)驗(yàn)設(shè)備升溫速率為O 200°C /s，本實(shí)驗(yàn)測試中，選用的升溫速率為50°C /S。熱源是鹵鎢燈，可以進(jìn)行快速的升降溫。 對磁控濺射鍍膜步驟SI和快速光熱退火步驟S2的樣品采用拉曼光譜儀進(jìn)行結(jié)晶率表征；掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行表面形態(tài)表征；臺階儀進(jìn)行膜厚分析；X射線衍射儀(XRD)進(jìn)行薄膜晶向分析。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果是:
(I)本發(fā)明采用磁控濺射方法沉積，無需使用SiH4等有毒氣體及配備一套完整的尾氣處理輔助設(shè)備及系統(tǒng)，從而制造成本大大降低。(2)本發(fā)明采用快速光熱處理法對薄膜進(jìn)行后期處理，根據(jù)快速熱處理的熱效應(yīng)及量子效應(yīng)，我們可以尋求最佳的退火溫度和退火時(shí)間快速的獲得高結(jié)晶率的多晶硅薄膜。(3)本發(fā)明在制備多晶硅薄膜的過程中無需對基底加高溫，因此可選取廉價(jià)的石英片作基片，可降低成本。


圖1是本發(fā)明中使用的磁控濺射鍍膜機(jī)系統(tǒng)簡 圖2是不同基底溫度下的硅薄膜拉曼光譜 圖3是不同退火溫度下的拉曼光譜 圖4是不同退火溫度下多晶硅薄膜的結(jié)晶率 圖5是不同退火溫度下多晶硅薄膜的X衍射譜；
圖6是700°C退火溫度下不同退火時(shí)間的拉曼光譜圖； 圖7是850°C退火溫度下不同退火時(shí)間的拉曼光譜 圖8是不同退火時(shí)間下多晶硅薄膜的結(jié)晶率圖。
具體實(shí)施例方式附圖僅用于示例性說明，不能理解為對本專利的限制；為了更好說明本實(shí)施例，附圖某些部件會有省略、放大或縮小，并不代表實(shí)際產(chǎn)品的尺寸；對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，附圖中某些公知結(jié)構(gòu)及其說明可能省略是可以理解的。實(shí)施例1
如圖1所示，包括硅靶I，工作室2，濺射過程3，抽真空過程4，樣品臺5，石英基片6，進(jìn)樣室7，磁控濺射鍍膜步驟SI包括以下步驟:
Sll.將石英基片6用蒸餾水洗凈之后，用無水酒精擦拭，風(fēng)干；風(fēng)干后使用。S12.打開磁控濺射鍍膜機(jī)，將石英基片6固定在樣品臺5的托盤轉(zhuǎn)臺上，開啟鍍膜機(jī)電源，機(jī)械泵和分子泵開啟，對工作室2進(jìn)行抽真空，至工作室2的真空度為5.0X 10_4Pa;其中，可用高溫膠將石英基片固定在托盤轉(zhuǎn)臺上，打開“運(yùn)行系統(tǒng)-MSP3300”，在“實(shí)用流程”中選擇“自動(dòng)開機(jī)”功能，儀器的機(jī)械泵和分子泵依次開啟，對工作室進(jìn)行抽真空。S13.以硅作為靶材，預(yù)濺射除去硅靶表面的雜質(zhì)；
S14.開啟擋板開始濺射，濺射功率為200W，濺射時(shí)間為9000s，托盤轉(zhuǎn)速為20r/m，氬氣的氣流量為60SCCm，工作氣壓0.2 Pa，取片溫度為50 V ;完成設(shè)置濺射工作，抽氣取片即完成工作。S15.在石英基片6上沉積厚度為90nnT400nm的非晶硅薄膜；采用共濺的工藝流程。其中，步驟S14中工作室的溫度為100°C或200°C或300°C。采用拉曼光譜儀對上述樣品進(jìn)行結(jié)晶性能分析。如圖2所示，是不同基底溫度下的硅薄膜拉曼光譜圖，我們?nèi)菀椎贸?，?00°C以下鍍制的硅薄膜，沉積速率隨著溫度的增高略有增大，但變化很小，其成分為非晶硅薄膜，并且隨著溫度的變化，非晶硅的拉曼峰值出現(xiàn)向左的偏移(從476.5cm-1到468.2cm 1X實(shí)施例2
選用實(shí)施例1中射頻磁控濺射法制備的質(zhì)量優(yōu)良的非晶硅薄膜樣品，快速光熱退火步驟S2包括以下步驟:
521.以鹵鎢燈作為熱源，開啟電源，將S15中制備的非晶硅薄膜放入石英盒中，通入氮?dú)獠⒄{(diào)節(jié)流量閥；
522.進(jìn)行熱退火實(shí)驗(yàn)，石英盒內(nèi)溫度降至200°C以下關(guān)閉電源。使用不同的退火溫度(10000C>9500C >900°C、850°C、800°C、750°C、700°C )重復(fù)上述操作。步驟S22中熱退火實(shí)驗(yàn)設(shè)備升溫速率為O 200°C /s，本實(shí)驗(yàn)測試中，選用的升溫速率為50°C /S。熱源是鹵鎢燈，可以進(jìn)行快速的升降溫。采用拉曼光譜儀對上述樣品進(jìn)行結(jié)晶性能分析。如圖3所示是不同退火溫度下的拉曼光譜圖，從圖中我們可以看出拉曼散射的峰值隨著退火溫度的降低向左偏移，但偏移量較小，這說明隨著溫度的降低，晶粒尺寸有所減小。再對譜線進(jìn)行雙峰高斯擬合，根據(jù)公式
權(quán)利要求
1.一種制備多晶硅薄膜的方法，其特征在于，包括磁控濺射鍍膜步驟Si和快速光熱退火步驟S2，所述的磁控濺射鍍膜步驟SI包括以下步驟: 511.將石英基片用蒸餾水洗凈之后，用無水酒精擦拭，風(fēng)干； 512.打開磁控濺射鍍膜機(jī)，將石英基片固定在托盤轉(zhuǎn)臺上，開啟鍍膜機(jī)電源，機(jī)械泵和分子泵開啟，對工作室進(jìn)行抽真空，至工作室的真空度為5.0X10—4 Pa ； 513.以硅作為靶材，預(yù)濺射除去硅靶表面的雜質(zhì)； 514.開啟擋板開始濺射，濺射功率為200W，濺射時(shí)間為9000s，托盤轉(zhuǎn)速為20r/m，氬氣的氣流量為60SCCm，工作氣壓0.2 Pa，取片溫度為50 V ； 515.在石英基片上沉積厚度為90nnT400nm的非晶硅薄膜； 所述的快速光熱退火步驟S2包括以下步驟: 521.以鹵鎢燈作為熱源，開啟電源，將S15中制備的非晶硅薄膜放入石英盒中，通入氮?dú)獠⒄{(diào)節(jié)流量閥； 522.進(jìn)行熱退火實(shí)驗(yàn)，石英盒內(nèi)溫度降至200°C以下關(guān)閉電源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備多晶硅薄膜的方法，其特征在于，所述的石英基片尺寸為 10mmX 30mmX 0.5臟。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備多晶硅薄膜的方法，其特征在于，所述的步驟S14中工作室的溫度為100°C或200°C或300°C。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備多晶硅薄膜的方法，其特征在于，所述的步驟S22中熱退火實(shí)驗(yàn)的退火溫度為1000°C或950°C或900°C或850°C或800°C或750°C或700°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備多晶硅薄膜的方法，其特征在于，所述的步驟S22中熱退火實(shí)驗(yàn)的退火溫度為850°C，退火時(shí)間為30s或60s或90s或120s或180s。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備多晶硅薄膜的方法，其特征在于，所述的步驟S22中熱退火實(shí)驗(yàn)的退火溫度為750°C，退火時(shí)間為30s或60s或90s或120s或180s。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備多晶硅薄膜的方法，其特征在于，所述的步驟S22中熱退火實(shí)驗(yàn)設(shè)備升溫速率為O 200°C /s。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種制備多晶硅薄膜的方法，其特征在于，所述的升溫速率為 500C /S。
全文摘要
本發(fā)明涉及制備多晶硅薄膜的方法技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，屬于制備多晶硅薄膜的方法的改進(jìn)。一種制備多晶硅薄膜的方法，包括以下步驟磁控濺射鍍膜用射頻磁控濺射技術(shù)在石英片基底上沉積一層硅薄膜;快速光熱退火處理采用快速熱退火技術(shù)對磁控濺射鍍膜制備的硅薄膜進(jìn)行熱退火得到多晶硅薄膜。本發(fā)明可制備結(jié)晶率高且不含氫的多晶硅薄膜；可利用廉價(jià)的石英片作為基底，節(jié)約制造成本；同時(shí)本發(fā)明通過射頻磁控濺射鍍膜裝置實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)備成本低、生產(chǎn)安全。
文檔編號C23C14/58GK103215547SQ20131007165
公開日2013年7月24日 申請日期2013年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月6日
發(fā)明者江紹基, 鐘金池, 周麗丹, 胡潔 申請人:中山大學(xué)