CN103215547A - 一种制备多晶硅薄膜的方法 - Google Patents

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江绍基
钟金池
周丽丹
胡洁
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Abstract

本发明涉及制备多晶硅薄膜的方法技术领域，更具体地，属于制备多晶硅薄膜的方法的改进。一种制备多晶硅薄膜的方法，包括以下步骤：磁控溅射镀膜：用射频磁控溅射技术在石英片基底上沉积一层硅薄膜;快速光热退火处理：采用快速热退火技术对磁控溅射镀膜制备的硅薄膜进行热退火得到多晶硅薄膜。本发明可制备结晶率高且不含氢的多晶硅薄膜；可利用廉价的石英片作为基底，节约制造成本；同时本发明通过射频磁控溅射镀膜装置实现，结构简单、设备成本低、生产安全。

Description

一种制备多晶硅薄膜的方法
技术领域
本发明涉及制备多晶硅薄膜的方法技术领域，更具体地，属于制备多晶硅薄膜的方法的改进。
背景技术
多晶硅是单质硅的一种状态，熔融的单质硅凝固时，硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则形成多晶硅。
多晶硅薄膜的光电性能不仅取决于其晶粒和晶界的性质，而且还取决于晶粒的大小及其相互间的取向关系的分布特性。它既具有与晶体硅相似的优良电学、光学性能，又具有非晶硅薄膜的低成本、制备简单和可以大面积生产等优点。多晶硅薄膜的主要用途有: 
电子信息工程的重要材料：在20世纪70年代，人们利用多晶硅薄膜代替金属铝作为MOS场效应晶体管的栅极材料。人们发现，大晶粒的多晶硅薄膜具有与单晶硅相似的高迁移率，可以做成大面积、具有快速响应的场效应薄膜晶体管、传感器等光电器件，于是多晶硅薄膜在大阵列液晶显示领域也得到广泛应用。
太阳能光伏发电：20世纪80年代以来，研究者希望开发既具有晶体硅高效率稳定的性能，又具有非晶硅的大面积、低成本优点的新型太阳能光电材料。多晶硅薄膜不仅对长波长光线具有高敏性，而且对可见光有很高的吸收系数；同时也具有与晶体硅相同的光稳定性，不会产生非晶硅中的光致衰减效应。因此，多晶硅薄膜被认为是理想的新一代太阳能光电材料。
目前，工业上制备多晶硅薄膜主要以离子体增强化学气相沉积 (PECVD)和热丝化学气相沉积（HWCVD）技术为主，而且配合高温炉退火。但是，化学气相沉积（CVD）通常要使用剧毒易爆的硅烷作为反应气体，因此在工业生产过程中往往要投入巨额资金用于硅烷的处理和回收，并且需要非常严格的安全系统作为保障，而且需要配备一套完整的尾气处理辅助设备及系统，其成本较高；而且高温炉退火的时间较长，制成后的多晶硅薄膜质量较差。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种制备结晶率高、不含氢的高质量多晶硅薄膜的方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种制备多晶硅薄膜的方法，其中，包括磁控溅射镀膜步骤S1和快速光热退火步骤S2，用射频磁控溅射可在石英基片上沉积一层硅薄膜，射频磁控溅射镀膜机可采用金盛微纳公司的MSP-3300型磁控溅射镀膜机，它主要由三个部分组成：真空系统、溅射系统和操控平台，热退火设备可采用北京东之星公司的RTP-500型快速光热退火设备。该设备主要由四部分组成：热退火工作腔、电源控制器、水箱和电脑。
所述的磁控溅射镀膜步骤S1包括以下步骤：
S11.将石英基片用蒸馏水洗净之后，用无水酒精擦拭，风干；风干后使用。
S12.打开磁控溅射镀膜机，将石英基片固定在托盘转台上，开启镀膜机电源，机械泵和分子泵开启，对工作室进行抽真空，至工作室的真空度为5.0×10-4 Pa；其中，可用高温胶将石英基片固定在托盘转台上，打开“运行系统-MSP3300”，在“实用流程”中选择“自动开机”功能，仪器的机械泵和分子泵依次开启，对工作室进行抽真空。
S13.以硅作为靶材，预溅射除去硅靶表面的杂质；
S14.开启挡板开始溅射，溅射功率为200W，溅射时间为9000s，托盘转速为20r/m，氩气的气流量为60sccm，工作气压0.2 Pa，取片温度为50 ℃；完成设置溅射工作，抽气取片即完成工作。
S15.在石英基片上沉积厚度为90nm~400nm的非晶硅薄膜；采用共溅的工艺流程。
硅属于半导体材料，熔点比较高，因此相对于其它PVD技术，磁控溅射方法更适合使用块体硅材料作为硅薄膜沉积原料。磁控溅射技术结构简单、成本低廉，并且不需要使用硅烷，无论是生产安全性还是成本控制上，磁控溅射都比CVD有着更大的优势。而且射频磁控溅射技术还具有膜厚和沉积速率易于控制；沉积稳定、膜厚均匀；工作时不存在其它杂质，制备出的多晶硅薄膜表面光滑、致密性好、纯度很高的特点。
所述的快速光热退火步骤S2包括以下步骤：
S21.以卤钨灯作为热源，开启电源，将S15中制备的非晶硅薄膜放入石英盒中，通入氮气并调节流量阀；
S22.进行热退火实验，石英盒内温度降至200℃以下关闭电源。
采用快速热退火技术对磁控溅射制备的硅薄膜进行后期热处理。与普通的高温炉不同，快速光热退火的热源是卤钨灯，可以进行快速的升降温，最快可以达到200℃/s，由于卤钨灯的光谱范围较宽（从450nm到2000nm），在工作的过程中既存在热效应，也存在光量子效应。由于热退火时间很短，所以晶化后的多晶硅薄膜内应力小、缺陷少，容易制得高质量的多晶硅薄膜。
进一步的，所述的石英基片尺寸为10mm×30mm×0.5mm。石英基片尺寸合适，方便实验进行。
进一步的，所述的步骤S14中工作室的温度为100℃或200℃或300℃。300℃以下镀制的硅薄膜，沉积速率随着温度的增高略有增大，但变化很小，其成分为非晶硅薄膜。
进一步的，所述的步骤S22中热退火实验的退火温度为1000℃或950℃或900℃或850℃或800℃或750℃或700℃。
进一步的，所述的步骤S22中热退火实验的退火温度为850℃，退火时间为30s或60s或90s或120s或180s。
可选的，所述的步骤S22中热退火实验的退火温度为750℃，退火时间为30s或60s或90s或120s或180s。
所述的步骤S22中热退火实验设备升温速率为0～200℃/s，本实验测试中，选用的升温速率为50℃/s。热源是卤钨灯，可以进行快速的升降温。
对磁控溅射镀膜步骤S1和快速光热退火步骤S2的样品采用拉曼光谱仪进行结晶率表征；扫描电子显微镜（SEM）进行表面形态表征；台阶仪进行膜厚分析；X射线衍射仪（XRD）进行薄膜晶向分析。
与现有技术相比，有益效果是：
（1）本发明采用磁控溅射方法沉积，无需使用SiH4等有毒气体及配备一套完整的尾气处理辅助设备及系统，从而制造成本大大降低。
（2）本发明采用快速光热处理法对薄膜进行后期处理，根据快速热处理的热效应及量子效应，我们可以寻求最佳的退火温度和退火时间快速的获得高结晶率的多晶硅薄膜。
（3）本发明在制备多晶硅薄膜的过程中无需对基底加高温，因此可选取廉价的石英片作基片，可降低成本。
附图说明
图1是本发明中使用的磁控溅射镀膜机系统简图；
图2是不同基底温度下的硅薄膜拉曼光谱图；
图3是不同退火温度下的拉曼光谱图；
图4是不同退火温度下多晶硅薄膜的结晶率图；
图5是不同退火温度下多晶硅薄膜的X衍射谱；
图6是700℃退火温度下不同退火时间的拉曼光谱图；
图7是850℃退火温度下不同退火时间的拉曼光谱图；
图8是不同退火时间下多晶硅薄膜的结晶率图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
实施例1
如图1所示，包括硅靶1，工作室2，溅射过程3，抽真空过程4，样品台5，石英基片6，进样室7，磁控溅射镀膜步骤S1包括以下步骤：
S11.将石英基片6用蒸馏水洗净之后，用无水酒精擦拭，风干；风干后使用。
S12.打开磁控溅射镀膜机，将石英基片6固定在样品台5的托盘转台上，开启镀膜机电源，机械泵和分子泵开启，对工作室2进行抽真空，至工作室2的真空度为5.0×10-4 Pa；其中，可用高温胶将石英基片固定在托盘转台上，打开“运行系统-MSP3300”，在“实用流程”中选择“自动开机”功能，仪器的机械泵和分子泵依次开启，对工作室进行抽真空。
S13.以硅作为靶材，预溅射除去硅靶表面的杂质；
S14.开启挡板开始溅射，溅射功率为200W，溅射时间为9000s，托盘转速为20r/m，氩气的气流量为60sccm，工作气压0.2 Pa，取片温度为50 ℃；完成设置溅射工作，抽气取片即完成工作。
S15.在石英基片6上沉积厚度为90nm~400nm的非晶硅薄膜；采用共溅的工艺流程。
其中，步骤S14中工作室的温度为100℃或200℃或300℃。采用拉曼光谱仪对上述样品进行结晶性能分析。如图2所示，是不同基底温度下的硅薄膜拉曼光谱图，我们容易得出，在300℃以下镀制的硅薄膜，沉积速率随着温度的增高略有增大，但变化很小，其成分为非晶硅薄膜，并且随着温度的变化，非晶硅的拉曼峰值出现向左的偏移（从476.5cm-1到468.2cm-1）。
实施例2
选用实施例1中射频磁控溅射法制备的质量优良的非晶硅薄膜样品，快速光热退火步骤S2包括以下步骤：
S21.以卤钨灯作为热源，开启电源，将S15中制备的非晶硅薄膜放入石英盒中，通入氮气并调节流量阀；
S22.进行热退火实验，石英盒内温度降至200℃以下关闭电源。
使用不同的退火温度（1000℃、950℃、900℃、850℃、800℃、750℃、700℃）重复上述操作。步骤S22中热退火实验设备升温速率为0～200℃/s，本实验测试中，选用的升温速率为50℃/s。热源是卤钨灯，可以进行快速的升降温。
采用拉曼光谱仪对上述样品进行结晶性能分析。如图3所示是不同退火温度下的拉曼光谱图，从图中我们可以看出拉曼散射的峰值随着退火温度的降低向左偏移，但偏移量较小，这说明随着温度的降低，晶粒尺寸有所减小。再对谱线进行双峰高斯拟合，根据公式                                                
Figure 2013100716515100002DEST_PATH_IMAGE001
,其中 Ia——非晶态峰的积分强度；Ic——拉曼光谱中晶态峰的积分强度；
Figure 461682DEST_PATH_IMAGE002
——晶态与非晶态的拉曼散射截面积分之比；Im为中间态峰的积分强度。算出每个样品的结晶率
Figure 2013100716515100002DEST_PATH_IMAGE003
，如图4所示，可以发现在温度超过850℃后，结晶率的增大趋势明显，而在700~850℃的范围内，其结晶率只有很小的增长。我们在对样品进行XRD的测试，测试结果如附图5所示，XRD的测试结果显示多晶硅的晶态峰值较低，我们可以发现在1000℃的退火温度下存在（111）（220）两个晶向，在850℃的退火温度下（220）晶向峰值降低，而750℃的退火温度下基本看不到（220）晶向的存在。据此我们不难得出结论，硅薄膜晶向的生长存在着择优取向。
实施例3
选用实施例1中射频磁控溅射法制备的质量优良的非晶硅薄膜样品，快速光热退火步骤S2包括以下步骤：
S21.以卤钨灯作为热源，开启电源，将S15中制备的非晶硅薄膜放入石英盒中，通入氮气并调节流量阀；
S22.进行热退火实验，石英盒内温度降至200℃以下关闭电源。
将样品分成若干片，对850℃和700℃两个温度条件下，做两组光热退火实验，分别使用不同的退火时间（30s、60s、90s、120s、180s）。
采用拉曼光谱仪对上述样品进行结晶性能分析。附图6及附图7是不同退火温度下的拉曼光谱图。通过对谱线的双峰高斯拟合，我们可以算出每个样品的结晶率，如附图8所示，从图中我们很容易发现，在退火时间为60秒的时候，两个退火温度下的多晶硅薄膜结晶率都出现了一个极值点，但在850℃的温度下，多晶硅薄膜的结晶率总体呈上升趋势，而700℃的温度下，结晶率保持在40%以下。从晶体生长的动力学角度分析，再结晶过程是通过原子的迁移实现新析出相形与长大的，所以维持一个较高的温度才能保证原子迁移所需要的热激活条件，而700℃下的热退火无法激活原子进行更加有效的迁移，所以结晶率无法随着退火时间的增长而变大。
附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种制备多晶硅薄膜的方法，其特征在于，包括磁控溅射镀膜步骤S1和快速光热退火步骤S2，所述的磁控溅射镀膜步骤S1包括以下步骤：
S11.将石英基片用蒸馏水洗净之后，用无水酒精擦拭，风干；
S12.打开磁控溅射镀膜机，将石英基片固定在托盘转台上，开启镀膜机电源，机械泵和分子泵开启，对工作室进行抽真空，至工作室的真空度为5.0×10-4 Pa；
S13.以硅作为靶材，预溅射除去硅靶表面的杂质；
S14.开启挡板开始溅射，溅射功率为200W，溅射时间为9000s，托盘转速为20r/m，氩气的气流量为60sccm，工作气压0.2 Pa，取片温度为50 ℃；
S15.在石英基片上沉积厚度为90nm~400nm的非晶硅薄膜；
所述的快速光热退火步骤S2包括以下步骤：
S21.以卤钨灯作为热源，开启电源，将S15中制备的非晶硅薄膜放入石英盒中，通入氮气并调节流量阀；
S22.进行热退火实验，石英盒内温度降至200℃以下关闭电源。
2.根据权利要求1所述的一种制备多晶硅薄膜的方法，其特征在于，所述的石英基片尺寸为10mm×30mm×0.5mm。
3.根据权利要求1所述的一种制备多晶硅薄膜的方法，其特征在于，所述的步骤S14中工作室的温度为100℃或200℃或300℃。
4.根据权利要求1所述的一种制备多晶硅薄膜的方法，其特征在于，所述的步骤S22中热退火实验的退火温度为1000℃或950℃或900℃或850℃或800℃或750℃或700℃。
5.根据权利要求1所述的一种制备多晶硅薄膜的方法，其特征在于，所述的步骤S22中热退火实验的退火温度为850℃，退火时间为30s或60s或90s或120s或180s。
6.根据权利要求1所述的一种制备多晶硅薄膜的方法，其特征在于，所述的步骤S22中热退火实验的退火温度为750℃，退火时间为30s或60s或90s或120s或180s。
7.根据权利要求1所述的一种制备多晶硅薄膜的方法，其特征在于，所述的步骤S22中热退火实验设备升温速率为0～200℃/s。
8.根据权利要求7所述的一种制备多晶硅薄膜的方法，其特征在于，所述的升温速率为50℃/s。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104378083A (zh) * 2014-11-05 2015-02-25 东晶锐康晶体（成都）有限公司 一种低成本石英晶体谐振器晶片
CN104681407A (zh) * 2013-12-02 2015-06-03 北京有色金属研究总院 一种制备多晶硅薄膜并控制其晶粒尺寸的方法
CN104790032A (zh) * 2015-03-16 2015-07-22 大连大学 激光脉冲溅射沉积制备多晶硅薄膜的方法
CN105506734A (zh) * 2015-12-18 2016-04-20 浙江师范大学 一种多晶硅薄膜及其低温制备方法
CN106206840A (zh) * 2016-07-15 2016-12-07 华北电力大学 一种石墨衬底浓度渐变p型多晶硅薄膜的制备方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6649032B2 (en) * 2001-05-21 2003-11-18 Sharp Laboratories Of America, Inc. System and method for sputtering silicon films using hydrogen gas mixtures
CN101709456A (zh) * 2009-12-09 2010-05-19 中国科学院半导体研究所 利用磁控溅射在石墨衬底上生长多晶硅薄膜的方法
CN101740358A (zh) * 2009-12-02 2010-06-16 中国科学院半导体研究所 在玻璃衬底上制备p型多晶硅薄膜的方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6649032B2 (en) * 2001-05-21 2003-11-18 Sharp Laboratories Of America, Inc. System and method for sputtering silicon films using hydrogen gas mixtures
CN101740358A (zh) * 2009-12-02 2010-06-16 中国科学院半导体研究所 在玻璃衬底上制备p型多晶硅薄膜的方法
CN101709456A (zh) * 2009-12-09 2010-05-19 中国科学院半导体研究所 利用磁控溅射在石墨衬底上生长多晶硅薄膜的方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
WEIYAN WANG，ET,AL.: "Effect of rapid thermal annealing condition on the structure and conductivity properties of polycrystalline silicon films on glass", 《MATERIALS SCIENCE FORUM》 *
WEIYAN WANG,ET,AT.: "Crystallization of as-deposited amorphous silicon films on glass prepared by magnetron sputtering with different substrate biases and temperatures", 《JOURNAL OF CRYSTAL GROWTH》 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104681407A (zh) * 2013-12-02 2015-06-03 北京有色金属研究总院 一种制备多晶硅薄膜并控制其晶粒尺寸的方法
CN104378083A (zh) * 2014-11-05 2015-02-25 东晶锐康晶体（成都）有限公司 一种低成本石英晶体谐振器晶片
CN104790032A (zh) * 2015-03-16 2015-07-22 大连大学 激光脉冲溅射沉积制备多晶硅薄膜的方法
CN105506734A (zh) * 2015-12-18 2016-04-20 浙江师范大学 一种多晶硅薄膜及其低温制备方法
CN106206840A (zh) * 2016-07-15 2016-12-07 华北电力大学 一种石墨衬底浓度渐变p型多晶硅薄膜的制备方法

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