CN102320757A - 利用氯化铝升华诱导晶化非晶硅薄膜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制备多晶硅薄膜的方法，具体的说就是利用氯化铝(AlCl3)升华的物理性质来作为铝源进行铝诱导非晶硅薄膜晶化为多晶硅薄膜的方法。本发明是通过以下技术方案来实现：1、使用玻璃作为衬底，用丙酮和去离子水分别进行超声波清洗，使玻璃衬底清洁，烘干后放入等离子增强化学气相沉积反应室；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，薄膜厚度为100nm-200nm；3、将作为铝源的无水氯化铝粉末和制备好的非晶硅薄膜制品一起放入特制的石英舟内，将装载好的石英舟置于石英管式退火炉中，在550℃下热处理4小时以上自然冷却，退火前和期间通入氩气(Ar)，气体流量为200sccm；4、用浓度为20%的盐酸溶液来除去表面残留的铝，最后得到诱导晶化的多晶硅薄膜；本发明适用于薄膜场效应晶体管(TFT)和太阳能电池领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备多晶硅薄膜的方法，具体的说就是利用氯化铝(AlCl3)升华的物理性质来作为铝源进行铝诱导非晶硅薄膜晶化为多晶硅薄膜的方法，属于多晶硅制造工艺技术领域。
背景技术
多晶硅薄膜（P-Si）由于具有较高的光吸收率及光电导等优异性能而受到广泛应用，如薄膜晶体管（TFT）、太阳能电池、图像传感器等。P-Si薄膜可通过化学气相沉积或激光诱导（LC）直接于基板上沉积而得，也可通过对非晶态硅的高温退火处理来获得；对于化学气相沉积的方法一般需在一定条件下（如高氢比例）才能获得，且沉积速度较慢，激光诱导的方法虽然沉积速度较快，但由于设备过于复杂，且成本较高，在商业应用方面受到很大的限制，而非晶硅固相晶化（SPC）技术虽然设备比较简单，但时间较长（20小时以上），且热处理温度高（600℃以上），因此对于基板的选择方面受到了较大的限制。
近年来，金属诱导非晶硅晶化而获得多晶硅的方法越来越受到人们的关注，该方法即通过对制备好的Al、Cu、Au、Ag、Ni、Pb等金属与非晶态硅的复合薄膜在低温下进行退火处理，在以上金属的诱导作用下使a-Si薄膜低温晶化而获得多晶硅薄膜。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。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。
金属诱导法成功实现了低温（＜600℃）制备多晶硅，也存在致命缺陷：在晶化的过程中诱导金属易进入硅薄膜，金属污染硅基半导体器件。利用氯化铝升华的物理性质来进行铝诱导非晶硅薄膜晶化为多晶硅薄膜的方法制备的P-Si薄膜不存在金属污染问题，表面处仅存在微量Al原子，此方法制备的薄膜的性能优于金属Al薄膜诱导再结晶的P-Si薄膜。
发明内容
本发明一种利用氯化铝(AlCl3)升华诱导晶化非晶硅薄膜的方法，其特征在于具有以下过程和步骤：
a. 将康宁1737号玻璃衬底切割成2cm×2cm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. 然后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；
c. 将上述步骤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，以除去非晶硅薄膜表面的氧化层；然后取出，用去离子水漂洗后氮气(N2)吹干；
d. 将石英管式退火炉加热至150度预热半小时，除去炉管内的水分，同时通入氩气(Ar)，作为保护气体；
e. 将处置好的2cm×2cm大小的非晶硅薄膜样品和10克无水氯化铝粉末放入特制的石英舟内；
f. 将上述装载有非晶硅薄膜样品和无水氯化铝的石英舟置于管式退火炉中，在550℃条件下退火处理4小时以上；然后让样品在退火炉中自然冷却至室温；该过程中需全程通入氩气，气体流量为200sccm，气流要稳定；
g. 将退火处理后的样品置于浓度为20％盐酸溶液中浸泡2分钟，除去表面的残留铝，最后制得晶化多晶硅薄膜。
本发明相比于用其他金属诱导晶化多晶硅薄膜的优点：
a． 工艺结构简单，操作方便，成本低廉；
b．可在较低温度下较快时间内制备出较大晶粒尺寸的多晶硅薄膜；
c． 制备的多晶硅薄膜相比传统的金属铝薄膜诱导晶化表面平整，表面残留铝原子少，非常适合运用于太阳能电池领域。
附图说明
图1为本发明中所用的管式退火炉的结构示意图。
图中1为氩气进口，2为石英舟。
图2为本发明中所用的石英舟的结构示意图。
图中a表示无水氯化铝粉末， b表示非晶硅薄膜样品。
图3为本实施例制得的多晶硅薄膜的检测XRD图。
图中1为非晶硅薄膜XRD图谱，2为本实施例诱导晶化多晶硅薄膜XRD图谱。
图4为本实施例制得的多晶硅薄膜的检测拉曼散色光（Raman）谱图。
图5 为本实施例制得的多晶硅薄膜的检测原子力显微镜（AFM）图。
具体实施方式
现将本发明的具体实施例进一步叙述于后。
本发明实施例中的过程和步骤如下：
1) 将康宁1737号玻璃（耐热660℃）衬底切割成2cm×2cm大小，用去污剂洗去表面污垢，然后分别放在分析纯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) 将清洗好的玻璃衬底放入沉积薄膜腔体中，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) 将生长好的非晶硅薄膜样品放入1%浓度的氢氟酸中浸泡10秒（除去非晶硅薄膜表面的氧化层）取出，用去离子水漂洗后氮气吹干；
4) 预先将石英管式退火炉加热至150度预热半小时，除去炉管内的水分，同时通入氩气(Ar)，作为保护气体；
5) 将处置好的2cm×2cm大小的非晶硅薄膜样品和10克无水氯化铝(AlCl3)粉末放入特制的石英舟内（如图2所示）；
6) 将装载好的石英舟置于管式退火炉中（如图1所示），在550℃条件下退火处理4小时以上，让样品在退火炉中自然冷却至室温，全程通入氩气，气体流量为200sccm（即标准毫升/分钟），气流要稳定；
7) 将退火处理后的样品置于浓度为20%盐酸溶液中浸泡2分钟，除去表面的残留铝，最后制得晶化多晶硅薄膜。
本发明中起到作用的是利用氯化铝升华的物理性质，形成氯化铝蒸汽，在此氛围中退火晶化，来实现非晶硅薄膜的低温铝诱导晶化。在用氯化铝蒸汽晶化中，铝和非晶硅不是直接接触，而是氯化铝蒸汽接触非晶硅，因此铝源的提供受到氯化铝蒸汽分解的限制，相比传统的金属铝薄膜诱导晶化后的铝残留量少很多。同时氯化铝加热可分解为铝和氯气，提供了铝源。
仪器检测及检测结果评述：
如图3所示，X射线衍射仪分析（XRD）测试表明：与不用氯化铝晶化非晶硅薄膜的XRD图相比，本实施例制备出（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，本实施例制备样品的Raman散射峰会向着520cm-1方向偏移。如图5所示，原子力显微镜分析（AFM）测试表明：本实施例诱导晶化制备的多晶硅薄膜三维岛结构最高处和最低处分别为20nm和40nm，说明相比金属铝薄膜诱导晶化制备的多晶硅薄膜表面更光滑，从图中看出平均晶粒尺寸大小约在100-200nm之间。
Claims (1)
1.一种利用氯化铝(AlCl3)升华诱导晶化非晶硅薄膜的方法，其特征在于具有以下过程和步骤：
a．将康宁1737号玻璃衬底切割成2cm×2cm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．然后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；
c．将上述步骤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，以除去非晶硅薄膜表面的氧化层；然后取出，用去离子水漂洗后氮气(N2)吹干；
d．将石英管式退火炉加热至150度预热半小时，除去炉管内的水分，同时通入氩气(Ar)，作为保护气体；
e．将处置好的2cm×2cm大小的非晶硅薄膜样品和10克无水氯化铝粉末放入特制的石英舟内；
f．将上述装载有非晶硅薄膜样品和无水氯化铝的石英舟置于管式退火炉中，在550℃条件下退火处理4小时以上；然后让样品在退火炉中自然冷却至室温；该过程中需全程通入氩气，气体流量为200sccm，气流要稳定；
g．将退火处理后的样品置于浓度为20％盐酸溶液中浸泡2分钟，除去表面的残留铝，最后制得晶化多晶硅薄膜。
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| CN102978590A (zh) * | 2012-11-27 | 2013-03-20 | 上海大学 | 多循环快速热退火非晶硅薄膜的方法 |
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