CN101866839B - 一种应用掩膜保护进行激光快速加热方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种应用掩膜保护进行激光快速加热方法。首先将多晶硅衬底的硅片置于PECVD沉积装置完成非晶硅薄膜淀积；然后进行氮化硅薄膜的淀积，形成氮化硅薄膜的掩膜；将含有所述掩膜的非晶硅薄膜置于具有惰性气体的保护性性容器中，用波长为1.00～1.10微米的脉冲激光，通过调整光斑尺寸，使之产生正离焦量方向的一个1×1cm2的光斑，用以对所述薄膜加热进行结晶退火，在保持输出功率不变的情况下，通过调节脉冲频率，达到薄膜外延生长的晶粒尺寸要求，再用氢氟酸水溶液去除氮化硅保护层。本发明使薄膜外延晶粒可控，且通过淀积形成掩膜防薄膜氧化，并通过对激光的增透能力提高激光在衬底中的能量利用率，以降低激光的耗能，提高了薄膜的质量，优化了激光洁净工艺。

Description

一种应用掩膜保护进行激光快速加热方法
技术领域
本发明涉及激光加热非晶硅薄膜材料的方法，尤其涉及应用非晶硅薄膜上掩蔽层，降低激光功率，提高非晶硅薄膜激光结晶质量的一种应用掩膜保护进行激光快速加热方法。
背景技术
激光晶化技术是一种利用激光能量密度高，升温快速的原理进行快速热处理以实现薄膜材料的快速加热和结晶的技术。但是，目前应用脉冲激光对薄膜进行加热时，如果工作频率过高会导致薄膜汽化，薄膜表面龟裂等结晶质量不佳的问题；如果工作频率过低，薄膜又无法有效结晶。这成为了激光快速加热技术的一个瓶颈。因此，寻找一种能保持激光输出功率较高，又能在较低频率下进行薄膜有效结晶的工艺方法显得十分重要。
发明内容
本发明的目的旨在克服现有激光结晶技术在结晶过程中薄膜结晶质量不佳的问题，提出一种保持激光功率不变，降低激光作用频率的工艺方法。符合实验室研究和工业化生产需求，可以提高薄膜结晶质量。上述目的通过以下技术方案得以实施：
所述方法包括如下步骤：
1)将多晶硅衬底的硅片置于PECVD沉积装置中，通入SiH4和H2的混合气体进行非晶硅薄膜淀积，淀积气压为5Pa，衬底淀积温度为250℃，淀积功率为400W，淀积时间为60min，完成非晶硅薄膜淀积；
2)在非晶硅薄膜淀积完成后，通入NH3和SiH4的混合气体进行氮化硅薄膜的淀积，淀积气压为5Pa，衬底淀积温度为250℃，淀积功率为400W，淀积时间为60min，形成氮化硅掩膜层；
3)将含有所述掩膜的非晶硅薄膜置于具有惰性气体的保护性容器中，然后用波长为1.6微米的脉冲激光，通过调整光斑尺寸，使之产生正离焦量方向的一个1×1cm2的光斑，用以对所述薄膜进行结晶退火，保持输出功率和脉宽不变，通过调节脉冲频率，达到所述薄膜外延生长的晶粒尺寸要求。
4)用5％体积比浓度的氢氟酸水溶液，去除所述氮化硅掩膜层。
所述方法的进一步设计在于，输出功率为450W，脉宽为2ms，脉冲频率为4～25Hz，对所述薄膜的加热时间60s。
所述方法的进一步设计在于，惰性气体包括氮气或氩气。
本发明用上述方法来实现对非晶硅薄膜的快速结晶，可以降低结晶所需的激光工作频率，从而减少脉冲激光结晶后薄膜表面龟裂的现象。所形成的氮化硅薄膜具有防止非晶硅薄膜氧化的作用和对激光具有的抗反射的作用，可提高激光在衬底中的能量利用率，从而达到降低激光结晶频率的目的。由于非晶硅表面氮化硅层的存在，非晶硅薄膜的热散失减缓，热脉冲对薄膜结构和表面的破坏作用被抑制，提高了薄膜的质量，优化了激光结晶工艺。本发明不仅可以应用于硅的激光快速退火工艺，也可以应用于ZnO等多种材料的快速结晶生长。应用本技术生长的薄膜材料不仅仅可以应用于太阳能行业，也可以应用于集成电路和电子元器件的制造。
附图说明
图1是经化学气相沉积制得的具有增透非晶硅薄膜置于保护性容器中的示意图。
图2是实施例1所对应的表示在多晶硅衬底上生长的非晶硅薄膜在不同激光脉冲频率下的XRD图。
图3是实施例1所对应的应用了氮化硅保护薄膜的在多晶硅衬底上生长的非晶硅薄膜在不同激光脉冲频率下的XRD图。
具体实施方式
采用PECVD淀积系统进行非晶硅薄膜的淀积。将多晶硅衬底的硅片清洗好，放入上述淀积装置中，通入淀积气体，淀积气体为SiH4和H2的混合气体，淀积气压为5Pa，使衬底淀积温度保持在250℃，淀积功率为400W，淀积时间为60min，完成非晶硅薄膜淀积。
在非晶硅薄膜淀积完成后，通入NH3和SiH4的混合气体进行氮化硅薄膜的淀积。淀积气压为5Pa。使衬底淀积温度保持在250℃，淀积功率为400W，淀积时间为60min，形成氮化硅掩膜层。
将上述含有氮化硅保护层的非晶硅薄膜置于保护性容器1的腔体内，请参见图1。该容器1的腔体内置有垫块12，非晶硅薄膜的硅片4放置在垫块12上。容器1的上方设有一供激光束3射入的窗口11，激光器(未画出)置于该容器1的外侧，其上的的聚焦镜2置于窗口11的上方。由聚焦镜2反射的激光束照射在垫块12上的非晶硅薄膜4上。该容器1下方一侧设有进气口13，惰性气体由进气口进入容器1的腔体内。惰性气体为氮气或氩气，惰性气体可防非晶硅薄膜氧化。然后用长波YAG激样器进行脉冲激光结晶退火，长波的波长为1.06微米。分别应用4Hz、8Hz、10Hz、12Hz、15Hz、20Hz和25Hz的频率对多晶硅衬底上的非晶硅薄膜退火。保持激光器的输出功率450w不变，选择波长为1.06μm，脉宽为2ms的激光脉冲，激光光斑为1×1cm2。各频率所对应的占空比见表1。最后用5％体积比浓度的氢氟酸水溶液，去除氮化硅掩膜层。
表1
将经上述方法进行外延生长的非晶硅薄膜用XRD机(X射线衍射仪)进行薄膜结晶性能测试，其性能见图2。图3为用相同方法制备但未淀积氮化硅掩膜层的非晶硅薄膜样品的XRD图。从图2和图3中可以看出随着激光频率的增加，淀积了氮化硅掩膜层的样品其衍射峰的强度的变化趋势与未淀积的样品是一样的，即先下降后上升，再下降。但是，其衍射峰强最低的频率为8Hz，最大衍射峰频率为15Hz，与未淀积氮化硅掩膜层(图3)相比，出现最小(12Hz)与最大衍射峰(20Hz)的频率都提前。这说明氮化硅掩膜层对于薄膜的结晶可以起到降低激光脉冲频率，减小激光作用能量的作用。

Claims (3)

1.一种应用掩膜保护进行激光快速加热方法，其特征在于包括如下步骤：
1)将多晶硅衬底的硅片置于PECVD沉积系统中，通入SiH4和H2的混合气体进行非晶硅薄膜淀积，淀积气压为5Pa，衬底淀积温度为250℃，淀积功率为400W，淀积时间为60min，完成非晶硅薄膜淀积；
2)在非晶硅薄膜淀积完成后，通入NH3和SiH4的混合气体进行氮化硅薄膜的淀积，淀积气压为5Pa，衬底淀积温度为250℃，淀积功率为400W，淀积时间为60min，形成氮化硅掩膜层；
3)将含有所述掩膜的非晶硅薄膜置于具有惰性气体的保护性容器中，然后用波长为1.6微米的脉冲激光，通过调整光斑尺寸，使之产生正离焦量方向的一个1×1cm2的光斑，用以对含有氮化硅掩膜层的所述非晶硅薄膜进行结晶退火，保持输出功率和脉宽不变，通过调节脉冲频率，达到含有氮化硅掩膜层的所述非晶硅薄膜外延生长的晶粒尺寸要求；
4)用5％体积比浓度的氢氟酸水溶液，去除所述氮化硅掩膜层。
2.根据权利要求1所述的一种应用掩膜保护进行激光快速加热方法，其特征在于所述输出功率为450W，所述脉宽为2ms，所述脉冲频率为4～25Hz，对含有氮化硅掩膜层的所述非晶硅薄膜的加热时间60s。
3.根据权利要求2所述的一种应用掩膜保护进行激光快速加热方法，其特征在于所述惰性气体包括氮气或氩气。
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