CN102249553A - 一种多晶硅薄膜的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多晶硅薄膜的制备方法，该方法首先在衬底上沉积一层SiO₂或SiN_x颗粒膜作为过渡层，然后在所述的过渡层上在高温下采用化学气相沉积技术沉积一层厚度为10微米～100微米的致密的多晶硅薄膜，最后利用SiO₂或SiN_x颗粒膜的疏松性分离多晶硅薄膜和衬底。与现有技术相比，本发明使多晶硅薄膜和衬底相分离，衬底能够重复利用，极大地降低了衬底所带来的成本，同时由于多晶硅薄膜不需要衬底的支撑而被用于下一步工艺，避免了多晶硅薄膜应用领域中衬底对制作工艺的约束和限制，另外本发明的制备工艺简单，易于实现大规模工业化生产，在太阳能电池领域具有广阔的应用前景。

Description

一种多晶硅薄膜的制备方法

技术领域

本发明涉及多晶硅薄膜的制备方法，具体涉及一种低成本的多晶硅薄膜的制备方法，在多晶硅薄膜太阳能电池领域具有广阔的应用前景。

背景技术

太阳能发电是一种可再生的环保发电方式，其发电过程中不会产生二氧化碳等温室气体，因此对环境不会产生污染。以太阳能发电为机理的太阳能电池正逐渐被广泛应用，目前实用的太阳能电池按照制作材料分为晶体硅电池、GaAs电池、硅基薄膜电池、铜铟锡(CIS)薄膜电池和碲化镉(CdTe)薄膜电池。

晶体硅太阳能电池因其效率较高、技术成熟并且原材料充足，所以占据了太阳能电池市场的大部分份额。但是，晶体硅太阳能电池的生产工艺中需要使用大量的硅材料，能耗较高，例如，通常的晶体硅太阳能电池是在厚度约200μm的硅片衬底上制成，而硅片是从提拉或浇铸的硅锭上切割而成，因此实际消耗的硅材料更多，所以，该方法的缺点是成本较高。

与晶体硅太阳能电池相比，薄膜太阳能电池的效率虽然较低，但是其原料消耗小、制造成本低，所以被视为未来市场占有率较高的下一代太阳能技术。其中，硅基薄膜太阳能电池的发展最为迅速，已实现大规模产业化。但是，非晶硅薄膜太阳能电池由于效率低并且衰减大，极大地制约了其发展。为了获得具有高效率、高稳定性的硅基薄膜太阳能电池，近年来出现了微晶硅、多晶硅薄膜太阳能电池。其中，多晶硅薄膜太阳能电池不仅原料消耗低，所需的硅片衬底的厚度只有晶体硅太阳能电池中所需厚度的3％左右，而且具有高效率和性能稳定的优点。

目前，制备多晶硅薄膜的方法有多种，其中化学气相沉积法(CVD)是最广泛使用的一种方法。CVD制备多晶硅薄膜主要有两种途径，一种是直接在衬底上一步沉积多晶硅薄膜；另一种是先沉积非晶硅薄膜，然后通过热处理技术将非晶硅薄膜晶化成为多晶硅薄膜，又被称为两步工艺法。这两种途径中都需要衬底，而且对衬底材料有很高的要求。首先，高温的工艺条件可以使衬底上的硅原子结晶良好，通常衬底温度越高，多晶硅薄膜的质量越好，但是高温对衬底材料提出了很高的要求，衬底材料必须满足如下条件：具有良好的化学和机械稳定性，与硅的热膨胀系数相匹配，耐高温且不会引入过多的杂质污染；其次，衬底材料需要具备良好的导电性，以使太阳能电池正背面电极制作方便，而当衬底由绝缘材料构成时，太阳能电池的电极必须使用特别的结构使电极全部制作在同一面，这样不但增加了工艺复杂性和成本，而且容易降低电池效率。除此之外，由于衬底在高温的工艺条件下与多晶硅薄膜紧密结合在一起而不能分离，所以目前衬底是一次性使用的。目前报道的衬底材料有冶金级硅、石墨、SiC、陶瓷、玻璃和不锈钢等，但是没有一种衬底满足上述全部要求。

为了避开高温的工艺条件对衬底材料所带来的要求，可以采用激光晶化工艺，该工艺是先在低温下制备非晶硅薄膜，再利用脉冲激光使非晶硅薄膜局部快速升温而晶化，由于激光处理时间很短，衬底温度较低，所以对衬底材料的要求较低。但是，激光晶化技术设备复杂，激光处理面积很小，生产率低，难以实现大规模工业化生产。

因此，截止目前，低成本地制备大面积、大晶粒、高载流子迁移率的多晶硅薄膜依然是摆在各国研究人员面前的巨大难题。

发明内容

本发明的技术目的是针对上述现有技术，提供一种多晶硅薄膜的制备方法，该方法具有成本低、简单易行的优点，在太阳能电池、薄膜晶体管以及传感器等领域具有潜在的应用前景。

本发明实现上述技术目的所采用的技术方案为：一种多晶硅薄膜的制备方法，首先在衬底上沉积一层SiO₂或SiN_x颗粒膜作为过渡层，接着在该过渡层上在高温下采用化学气相沉积技术沉积一层厚度为10微米～100微米的多晶硅薄膜，然后利用SiO₂或SiN_x颗粒膜的疏松性分离多晶硅薄膜和衬底，最后清洗去掉粘附在多晶硅薄膜上的SiO₂或SiN_x颗粒后得到多晶硅薄膜。

衬底材料优选为石英、多晶硅、单晶硅或石墨。

在衬底上沉积SiO₂或SiN_x颗粒膜可以采用印刷、喷涂或者化学气相沉积等方法。当利用化学气相沉积的方法沉积SiO₂颗粒膜时，硅源气体优选是SiH₄或者SiHCl₃，氧源气体优选是O₂。当利用化学气相沉积的方法沉积SiN_x颗粒膜时，硅源气体优选是SiH₄或者SiHCl₃，氮源气体优选是NH₃。

多晶硅薄膜的沉积温度优选为700℃～1100℃。

多晶硅薄膜沉积所采用的气体优选为SiH₄或者SiHCl₃。

多晶硅薄膜沉积过程中可同时通入硼烷或磷烷，分别实现P型掺杂或N型掺杂。

与现有技术相比，本发明提供的多晶硅薄膜的制备方法具有如下优点：

(1)在衬底与多晶硅薄膜之间增加了由SiO₂或SiN_x颗粒膜构成的过渡层，利用该过渡层的疏松性巧妙地分离多晶硅薄膜和衬底，分离后的衬底经清洗去掉粘附的SiO₂或SiN_x颗粒后能够重复利用，极大地降低了衬底所带来的成本；

(2)由于多晶硅薄膜的厚度较大，可以不需要衬底的支撑而被用于下一步工艺，避免了多晶硅薄膜应用领域中衬底对制作工艺的约束和限制；

(3)制备工艺简单，易于实现大规模工业化生产。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细描述，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1：

将高纯石英片衬底放入化学气相沉积腔体，当本底真空低于1Pa以后，室温下按照4∶1流量比通入O₂和SiH₄，在气压为100Pa时在石英片衬底上沉积一层SiO₂颗粒膜作为过渡层；接着抽真空到本底真空低于1Pa后，加热衬底温度到850℃，按照1∶1的比例通入SiH₄和H₂，沉积多晶硅薄膜，所沉积的多晶硅薄膜厚度为50微米；自然冷却后移出化学气相沉积腔体，并利用SiO₂颗粒膜的疏松性将沉积的多晶硅薄膜和石英衬底相分离；清洗去掉粘附在多晶硅薄膜上的SiO₂颗粒后得到多晶硅薄膜，分离后的高纯石英片衬底经清洗去掉粘附的SiO₂颗粒后能够重复利用。

实施例2：

将高纯多晶硅衬底放入化学气相沉积腔体，当本底真空低于1Pa以后，800℃时按照4∶1流量比通入NH₃和SiH₄，在气压为300Pa时在单晶硅衬底上沉积一层SiN_x颗粒膜作为过渡层；接着抽真空到本底真空低于1Pa后，保持衬底温度800℃，按照1∶1的比例通入SiH₄和H₂，沉积多晶硅薄膜，所沉积的多晶硅薄膜厚度为60微米；自然冷却后移出化学气相沉积腔体，并利用SiN_x颗粒膜的疏松性将沉积的多晶硅薄膜和多晶硅衬底相分离；清洗去掉粘附在多晶硅薄膜上的SiN_x颗粒后得到多晶硅薄膜，分离后的高纯多晶硅衬底经清洗去掉粘附的SiN_x颗粒后能够重复利用。

实施例3：

混合高纯粒径大约为10微米的SiO₂颗粒和去离子水得到SiO₂颗粒浆料，采用丝网印刷工艺在多晶硅衬底上印刷一层SiO₂浆料，烘烤后在多晶硅衬底上获得一层SiO₂颗粒膜作为过渡层；将覆盖有SiO₂颗粒膜的多晶硅片衬底放入化学气相沉积腔体，当本底真空低于1Pa以后，900℃时按照2∶1流量比通入SiH₄和H₂，沉积多晶硅薄膜，所沉积的多晶硅薄膜厚度为100微米；自然冷却后移出化学气相沉积腔体，并利用SiO₂颗粒膜的疏松性将沉积的多晶硅薄膜和多晶硅片衬底相分离；清洗去掉粘附在多晶硅薄膜上的SiO₂颗粒后得到多晶硅薄膜，分离后的多晶硅衬底经清洗去掉粘附的SiO₂颗粒后能够重复利用。

Claims (8)

1.一种多晶硅薄膜的制备方法，其特征是：首先在衬底上沉积一层SiO₂或SiN_x颗粒膜作为过渡层，接着在该过渡层上在高温下采用化学气相沉积技术沉积一层厚度为10微米～100微米的多晶硅薄膜，然后利用SiO₂或SiN_x颗粒膜的疏松性分离多晶硅薄膜和衬底，最后清洗去掉粘附在多晶硅薄膜上的SiO₂或SiN_x颗粒后得到多晶硅薄膜。

2.根据权利要求1所述的一种多晶硅薄膜的制备方法，其特征是：所述的衬底材料为石英、多晶硅、单晶硅或石墨。

3.根据权利要求1所述的一种多晶硅薄膜的制备方法，其特征是：所述的SiO₂或SiN_x颗粒膜采用印刷、喷涂或者化学气相沉积的方法在衬底上沉积。

4.根据权利要求3所述的一种多晶硅薄膜的制备方法，其特征是：利用化学气相沉积的方法沉积所述的SiO₂颗粒膜时，硅源气体是SiH₄或者SiHCl₃，氧源气体是O₂。

5.根据权利要求3所述的一种多晶硅薄膜的制备方法，其特征是：利用化学气相沉积的方法沉积所述的SiN_x颗粒膜时，硅源气体是SiH₄或者SiHCl₃，氮源气体是NH₃。

6.根据权利要求1所述的一种多晶硅薄膜的制备方法，其特征是：所述的多晶硅薄膜的沉积温度为700℃～1100℃。

7.根据权利要求1所述的一种多晶硅薄膜的制备方法，其特征是：所述的多晶硅薄膜沉积所采用的气体为SiH₄或者SiHCl₃。

8.根据权利要求1所述的一种多晶硅薄膜的制备方法，其特征是：所述的多晶硅薄膜沉积过程中同时通入硼烷或磷烷，分别实现P型掺杂或N型掺杂。