CN102243991A - 用锡诱导非晶硅薄膜晶化为多晶硅薄膜的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制备多晶硅薄膜的方法，具体的说就是利用金属锡在低温下诱导非晶硅薄膜晶化为多晶硅薄膜的方法。本发明方法的主要技术方案：1、对玻璃衬底用丙酮和去离子水分别进行超声波清洗，使玻璃衬底清洁；2、在玻璃衬底上用等离子增强化学气相沉积法（PECVD）生长一层非晶硅(a-Si:H)薄膜，沉积时衬底温度为200℃左后，薄膜厚度为200nm-300nm；3、在非晶硅薄膜上用物理气相沉积法生长一层金属锡(Sn)薄膜，厚度为10nm-20nm，得到衬底/(a-Si:H)/Sn结构；4、将衬底/(a-Si:H)/Sn叠层置于热处理炉中，在450℃下热处理1小时以上自然冷却，退火全过程通入氮气(N2)作为保护气体；5、用浓盐酸溶液(浓度为37.5%)来除去表面残留的金属锡，最后制得锡诱导晶化的多晶硅薄膜，晶粒大小约为70-200nm。本发明适用于薄膜场效应晶体管(TFT)和太阳能电池领域。

Description

用锡诱导非晶硅薄膜晶化为多晶硅薄膜的方法
技术领域
本发明涉及一种制备多晶硅薄膜的方法，具体的说就是利用金属锡在低温下诱导非晶硅薄膜晶化为多晶硅薄膜的方法。
背景技术
与非晶硅薄膜的载流子迁移率（0.3-1.0cm2/(V·s)）相比，多晶硅薄膜的载流子迁移率高8到9倍，因而广泛应用于平板显示、图像感应器和太阳能电池领域。
在过去的几年中,提出了很多在玻璃基板上制备多晶硅的技术方法,如快速热退火法(RTA)、准分子激光晶化法(ELA)、固相晶化法(SPC)和金属诱导法(MIC)等。
快速退火法(RTA)处理过程包含三个阶段：升温阶段、稳定阶段和冷却阶段。当退火炉的电源一打开，温度就随着时间而上升，这一阶段称为升温阶段。单位时间内温度的变化量是很容易控制的。在升温过程结束后，温度就处于一个稳定阶段。最后，当退火炉的电源关掉后，温度就随着时间而降低，这一阶段称为冷却阶段。RTA处理用含氢非晶硅作为初始材料，平衡温度控制在600℃以上，纳米硅晶粒能在非晶硅薄膜中形成，而且所形成的纳米硅晶粒的大小随着退火过程中的升温快慢而变化。RTA退火法制备的多晶硅晶粒尺寸小，晶体内部晶界密度大，材料缺陷密度高，而且属于高温退火方法，不适合于以玻璃为衬底制备多晶硅。
激光晶化(ELA)利用瞬间激光脉冲产生的高能量入射到非晶硅薄膜表面，仅在薄膜表层100nm厚的深度产生热能效应，使非晶硅薄膜在瞬间达到1000℃左右，从而实现非晶硅向多晶硅的转变。在此过程中，激光脉冲的瞬间(15-50ns)能量被非晶硅薄膜吸收并转化为相变能，因此，不会有过多的热能传导到薄膜衬底，合理选择激光的波长和功率，使用激光加热就能够使非晶硅薄膜达到熔化的温度且保证基片的温度低于450℃。激光晶化技术已经比较成熟，已经广泛应用，此方法是非晶硅熔融再结晶过程，晶化时间短，得到的多晶硅薄膜含氢量低，较致密，但晶粒小、大面积不够均匀，从而降低了开态电流和器件的稳定性。
固相晶化(SPC)，是指非晶固体发生晶化的温度低于其熔融后结晶的温度。固相晶化法
(SPC)的晶化温度太高，要在600℃以上经过20多个小时才能把非晶硅晶化成多晶硅，因此很难在廉价玻璃衬底上得到应用，基底材料采用石英或单晶硅。
金属诱导法(MIC)能够在相对较低的温度使非晶硅晶化，它是在固相晶化法的基础上在非晶硅表面增加一些金属或其金属盐。如：Al、Ni、Pt、Au等，金属诱导法能够降低晶化温度是通过形成的金属硅化物发生迁移或通过形成共熔合金体或它们的综合作用。MIC多晶硅薄膜有如下优点：1)用比较成熟的溅射和热蒸发等方法沉积薄膜，工艺简单；2)它是一个低温制备过程，可以使用玻璃等廉价的低温衬底；3)晶化时间短；4)制备的多晶硅晶粒大，缺陷少。因此，金属诱导法制备的多晶硅薄膜均匀性好，能大面积应用。
发明内容
本发明的目的是利用金属锡与硅形成共熔合金并晶化为多晶硅。相比其他金属与硅合金，从硅-锡相图上可以得到共熔温度很低，为232℃，此方法能够在较低的温度下较快地晶化。
本发明是通过以下技术方案来实现。
本发明是一种利用金属锡在低温下诱导非晶硅薄膜晶化为多晶硅薄膜的方法，其特征在于具有以下过程和步骤：
(a)      将普通玻璃衬底切割成适当大小，用去污剂洗去表面污垢，然后分别放在丙酮和去离子水中超声波清洗15分钟后放入烘箱中烘干；
(b)     采用等离子增强化学沉积(PECVD)方法在玻璃衬底上沉积一层非晶硅(a-Si:H)薄膜，厚度约为200-300nm，沉积时衬底温度为200℃，沉积压强为10-5Pa，气体辉光气压范围50Pa-250Pa，射频电源13.56MHz，气源为纯度为100%的硅烷(SiH4)，作为稀释硅烷使用的氢气纯度为5N(99.999%)；
(c)      将生长好的非晶硅薄膜样品放入1%浓度的氢氟酸(HF)中浸泡10秒，除去非晶硅薄膜表面的氧化层后取出，用去离子水漂洗后氮气(N2)吹干，然后放入真空蒸发室中，沉积一层金属锡薄膜，厚度为10-20nm，真空蒸发电流为60A，锡蒸发温度为1184℃，压强为1×10-3Pa以下，锡原料采用纯度为5N(99.999%)的锡粒，得到衬底/a-Si:H/Sn结构；
(d)     取出衬底/a-Si:H/Sn结构样品进行热处理，放入热处理炉中，通入氮气，在450℃条件下退火处理1小时以上，让样品在退火炉中自然冷却至室温；
(e)      将退火处理后的样品置于浓度为37.5%的浓盐酸中浸泡2分钟，除去表面的金属锡，最后制得金属锡诱导晶化的多晶硅薄膜。
本发明相比用其他金属诱导晶化多晶硅薄膜的优点：
a． 可在较低温度下较快时间内制备晶粒尺寸在70nm-200nm的多晶硅薄膜；
b．工艺结构简单，操作方便，成本低廉；
c． 退火时间的延长可生长更大晶粒尺寸的多晶硅薄膜。
附图说明
图1为本发明所述各层薄膜生长结构图
    图示(1)为玻璃层；图示(2)为非晶硅薄膜层；图示(3)为锡薄膜层。
图2为本发明锡诱导晶化机理图
    图示a表示生长非晶硅薄膜层；图示b表示生长锡薄膜层；图示c表示退火时硅-锡合金形成；图示d表示多晶硅晶粒析出。
图3为本实施例方案后制备的多晶硅薄膜的检测XRD图
图示(1)为非晶硅薄膜XRD图谱；图示(2)为锡诱导晶化多晶硅薄膜XRD图。谱。
图4为本实施例方案后制备的多晶硅薄膜的检测拉曼散色光谱图。
图5为本实施例方案后制备的锡诱导晶化多晶硅薄膜的检测SEM图。
具体实施方式
现结合附图将本发明的具体实施例进一步说明如后。
实施例
本发明实施例中的过程和步骤如下：
（1）    将普通玻璃衬底切割成1cm×1cm大小，用去污剂洗去表面污垢，然后分别放在丙酮和去离子水中超声波清洗15分钟后放入烘箱中烘干；
（2）    采用等离子增强化学沉积(PECVD)方法在玻璃衬底上沉积一层非晶硅(a-Si:H)薄膜，厚度约为200nm，沉积时衬底温度为200℃，沉积压强为10-5Pa，气体辉光气压范围50Pa-250Pa，射频电源13.56MHz，气源为纯度为100%的硅烷(SiH4)，作为稀释硅烷使用的氢气(H2)纯度为5N；
（3）    将生长好的非晶硅样品放入1%浓度的氢氟酸(HF)中浸泡10秒，除去非晶硅薄膜表面的氧化层后取出，用去离子水漂洗后氮气(N2)吹干，然后放入真空蒸发室中，沉积一层金属锡薄膜，厚度约为10nm，真空蒸发电流为60A，锡的蒸发温度为1184℃，压强为1×10-3Pa以下，锡原料采用纯度为5N的锡粒，得到衬底/a-Si:H/Sn结构；
（4）    取出衬底/a-Si:H/Sn结构样品进行热处理，放入热处理炉中，通入氮气，在450℃条件下退火处理1小时，让样品在退火炉中自然冷却至室温；
（5）    将退火处理后的样品置于浓度为37.5%的浓盐酸中浸泡2分钟，除去表面的金属锡，最后制得金属锡诱导晶化多晶硅薄膜。
本发明中起到作用的是非晶硅与锡金属界面处，金属原子扩散到非晶硅中，形成硅-锡金属键，加速锡和硅原子的扩散，导致锡-硅混合层，锡中的超饱和的硅以核的形式形成并在非晶硅与锡的界面析出。
本发明中的各层薄膜生长结构参见图1；本发明的锡诱导晶化机理图参见图2。如图3所示，X射线衍射仪分析（XRD）测试表明：实施例制备出（111）择优取向的多晶硅薄膜。如图4所示，拉曼散色光谱图（Raman）测试分析表明：非晶硅薄膜的Raman散射峰在480cm-1，而晶体硅的Raman散射在520cm-1，经过晶化，实施例制备样品的Raman散射峰会向着520cm-1方向偏移。如图5所示，扫描电子显微镜分析（SEM）测试表明：实施例制备的多晶硅薄膜晶粒大小在70nm-200nm之间，表面光滑。经过测试制备的多晶硅薄膜的迁移率约为6.1cm2/(V·s)，远好于非晶硅薄膜迁移率，可运用于硅薄膜太阳能电池领域。

Claims (1)

1.一种利用金属锡在低温下诱导非晶硅薄膜晶化为多晶硅薄膜的方法，其特征在于具有以下过程和步骤：
将普通玻璃衬底切割成适当大小，用去污剂洗去表面污垢，然后分别放在丙酮和去离子水中超声波清洗15分钟后放入烘箱中烘干；
采用等离子增强化学沉积(PECVD)方法在玻璃衬底上沉积一层非晶硅(a-Si:H)薄膜，厚度约为200-300nm，沉积时衬底温度为200℃，沉积压强为10-5Pa，气体辉光气压范围50Pa-250Pa，射频电源13.56MHz，气源为纯度为100%的硅烷(SiH4)，作为稀释硅烷使用的氢气纯度为5N(99.999%)；
将生长好的非晶硅薄膜样品放入1%浓度的氢氟酸(HF)中浸泡10秒，除去非晶硅薄膜表面的氧化层后取出，用去离子水漂洗后氮气(N2)吹干，然后放入真空蒸发室中，沉积一层金属锡薄膜，厚度为10-20nm，真空蒸发电流为60A，锡蒸发温度为1184℃，压强为1×10-3Pa以下，锡原料采用纯度为5N(99.999%)的锡粒，得到衬底/a-Si:H/Sn结构；
取出衬底/a-Si:H/Sn结构样品进行热处理，放入热处理炉中，通入氮气，在450℃条件下退火处理1小时以上，让样品在退火炉中自然冷却至室温；
将退火处理后的样品置于浓度为37.5%的浓盐酸中浸泡2分钟，除去表面的金属锡，最后制得金属锡诱导晶化的多晶硅薄膜。
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