CN104505340A - 一种低温多晶硅薄膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低温多晶硅薄膜的制备方法，具体步骤为：在基板上先后形成缓冲层和非晶硅层；通过元素掺杂技术对非晶硅层进行区域选择性掺杂，在非晶硅层中形成掺杂区域和非掺杂区域相间的周期性结构；对上述非晶硅层进行激光晶化，得到低温多晶硅薄膜。非晶硅层接受激光束照射，掺杂区域和非掺杂区域因对激光能量吸收能力不同而形成完全熔融区域和非完全熔融区域，完全熔融区域和非完全熔融区域存在横向温度梯度，从而促进和控制晶核的超级横向晶化，增大了晶粒尺寸。本发明通过掺杂的方法，构建超级横向晶化条件，有利于成长大尺寸的晶粒；同时具有改变非晶硅层吸收能力的作用，采用固体激光器等廉价激光器用于晶化、降低了制备成本。
Description
技术领域
本发明涉及多晶硅技术领域，具体涉及一种基于掺杂形成的超级横向晶化制备低温多晶硅薄膜的方法。
背景技术
多晶硅(p-Si)具有远大于非晶硅（a-Si）流子迁移率，多晶硅(p-Si) 可比拟单晶硅的高载流子迁移率，常代替非晶硅应用于薄膜晶体管(TFT)的有源层，因此在集成周边驱动的有源液晶显示(AMLCD)和有源有机发光二极管(AMOLED)中应用非常广。平板显示器的多晶硅薄膜的衬底是难以承受高温工艺的玻璃，在此条件限制下，低温多晶硅（LTPS）技术是业界必然的选择。
就目前的技术而言，低温多晶硅技术主要有以下几种：快速退火固相晶化法(RTA)；准分子激光退火晶化法(ELA)；金属诱导横向结晶(MILC)；热丝催化化学气相沉积(Cat-CVD)等。准分子激光器晶化（ELA）是利用准分子激光器照射玻璃基板上非晶硅，非晶硅吸收光能转化为热能，非晶硅当温度达到一定值时就会从固态转化为熔融状态，接着又会在冷却时再结晶而生成多晶硅的过程。由于非晶硅薄膜对紫外光的吸收能力强，而且准分子激光脉冲功率大、对基板的损害小，这些特点使得准分子激光器成为工业制备低温多晶硅薄膜的首选激光源。但是，准分子激光器也存在光束均匀性差、功率不稳定和维护成本高等技术缺陷。 为了克服准分子激光器上述缺点，人们开始研究使用固体激光器等长波长激光器（比如：Nd:YAG，掺钕钇铝石榴石激光器；Nd:YVG，掺钕钒酸钇激光器）制备低温多晶硅的方法。与准分子激光器相比，这类激光器具有输出功率高且稳定、可靠耐用和维护成本低等优点。但是，这些固体激光器的输出波长一般位于可见光波段或者近红外波段，而非晶硅的吸收峰主要位于紫外光波段。为了缓解此问题，一般的方法是采用复杂的倍频技术和加大激光输出功率，这无疑会大大地增加了技术难度和制造成本。
在激光晶化技术中，为了生成大尺寸晶粒和实现晶粒控制，在非晶硅层中构建横向温度梯度（Thermal Gradient）条件，以实现晶粒的超级横向晶化（Super Lateral Growth）是目前研究主要方向之一。超级横向晶化（Super Lateral Growth, SLG）是指非晶硅在激光照射下，处于临界完全熔融状态，在临界熔融状态下，熔融态的非晶硅中存在着微量的固态硅，而且它们之间的距离合适；在非晶硅冷却时，就会以这些微量的固态硅粒为种子发生晶化，而且由于这种条件下的薄膜非晶硅晶化后的晶粒横向尺寸远远的大于其纵向尺寸。超级横向晶化的基本原理是通过各种方法改变非晶硅膜层的区域温度，在不同的区域间形成温度梯度，形成超级横向晶化。
低温多晶硅制备是AMOLED和AMLCD中的核心技术，而增大低温多晶硅晶粒尺寸和降低低温多晶硅的制备成本是低温多晶硅技术中的重点和难点。目前急需一种控制低温多晶硅制造成本、增大晶粒尺寸的制备方法。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题提供了一种低温多晶硅薄膜的制备方法，该方法解决了低温多晶硅制造成本高、晶粒尺寸不大的技术问题。
本发明所要解决的技术问题通过以下技术方案予以实现：一种低温多晶硅薄膜的制备方法， 其特征在于包括以下步骤：
步骤一：采用等离子增强化学气相沉积（PECVD）技术，在基板上先后形成缓冲层和非晶硅层，缓冲层在基板和非晶硅层之间；
步骤二：采用光刻构图工艺及元素掺杂技术，选择掺杂元素对非晶硅层进行选择性掺杂，在非晶硅层中形成掺杂区域和非掺杂区域相间的周期性结构；
步骤三：对掺杂后的非晶硅层采用激光器进行照射晶化，得到低温多晶硅薄膜；
激光照射方式为扫描式或步进式。
其中，步骤二具体为：a、使用光刻胶涂胶机，在非晶硅层上涂上光刻胶，并烘干；b、采用掩模板对光刻胶进行掩膜曝光，并显影；c、对画好光刻胶图形的非晶硅层进行掺杂，清洗掉光刻胶图形，并烘干；掩膜板图形为长条形周期性结构。
当激光器选用准分子激光器时，所述的掺杂元素为稀有元素，该稀有元素对紫外光能量的吸收能力要比非晶硅对紫外光能量的吸收能力小，非掺杂区域的面积大于掺杂区域面积，掺杂区域和非掺杂区域之间的面积比例可根据激光照射强度和掺杂浓度进行调节。
当激光器选用固体激光器时，所述的掺杂元素为稀有元素，该稀有元素对可见光或者近红外光能量的吸收能力要比非晶硅对可见光或者近红外光能量的吸收能力强，掺杂区域的面积大于非掺杂区域面积，掺杂区域和非掺杂区域之间的面积比例可根据激光照射强度和掺杂浓度进行调节。
优选的，对非晶硅层的掺杂方式采用方向性较强的离子注入技术，并精确地控制离子注入元素的浓度，来调节掺杂区域的光吸收系数。
优选的，缓冲层使用SiNx和SiO2复合层膜,先在基板上镀SiNx膜，然后再镀SiO2膜，缓冲层的厚度为 1500埃米~3000埃米。
优选的，所述的激光照射光束的宽度大于掺杂区域与非掺杂区域的周期之和。
进一步优选的，所述激光器照射光束为经过宽束、均化和整形的长为750毫米、宽约0.4毫米的长方形光束。
优选的，所述激光器照射光束的长边平行于基板短边，照射光束移动方向平行于基板长边。
优选的，所述的基板为树脂基板或无碱基板或石英基板。
进一步优选的，为了提高镀膜质量，在步骤一之前预先对基板进行清洗。
本发明提供了一种低温多晶硅薄膜的制备方法，该方法采用光刻构图工艺及元素掺杂技术，在非晶硅层中形成横向温度梯度，实现非晶硅的超级横向晶化；有效地改变非晶硅层吸收光谱的峰值范围及大小，消除低温多晶硅制备中对激光波长的限制，解决现有固体激光器等长波长激光器晶化技术中存在的波长限制问题；非晶硅层在一定功率的激光束照射下，杂质掺杂区域和非掺杂区域因对激光能量吸收能力不同而形成完全熔融区域和非完全熔融区域，完全熔融区域和非完全熔融区域存在横向温度梯度，能有效地促进和控制晶核的超级横向晶化，从而实现增大晶粒尺寸和晶界控制。本发明通过元素掺杂技术，构建超级横向晶化条件，有利于成长大尺寸的晶粒；同时能够改变非晶硅层的吸收能力；采用固体激光器等廉价激光器用于晶化，降低了低温多晶硅薄膜制备成本。
附图说明
图1为本发明制备流程图。
图2为本发明掩膜曝光前的剖切示意图。
图3为本发明实施例一的进行掩膜曝光过程的剖切示意图。
图4为本发明实施例一掩膜曝光和显影后的剖切示意图。
图5为本发明实施例一的进行掺杂时的剖切示意图。
图6为本发明实施例一掺杂后并光刻胶脱膜清洗后的剖切示意图。
图7为本发明实施例二的进行掩膜曝光过程的剖切示意图。
图8为本发明实施例二掩膜曝光和显影后的剖切示意图。
图9为本发明实施例二的进行掺杂时的剖切示意图。
图10为本发明实施例二掺杂后并光刻胶脱膜清洗后的剖切示意图。
图11为本发明中激光对元素掺杂后的非晶硅薄膜进行照射晶化的示意图。
具体实施方式
为了让本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步阐述。
本发明提供了一种低温多晶硅薄膜的制备方法， 其特征在于包括以下步骤：
步骤一：采用等离子增强化学气相沉积（PECVD）技术，在基板上先后形成缓冲层和非晶硅层，缓冲层在基板和非晶硅层之间；
步骤二：采用光刻构图工艺及元素掺杂技术，选择掺杂元素对非晶硅层进行选择性掺杂，在非晶硅层中形成掺杂区域和非掺杂区域相间的周期性结构；
步骤三：对掺杂后的非晶硅层采用激光器进行照射晶化，得到低温多晶硅薄膜。
方法步骤详情见附图1—10，其中：1为基板，2为缓冲层，3为非晶硅层，4为光刻胶层，11、21分别为实施例一和实施例二的紫外曝光掩膜板，12、22分别为实施例一和实施例二的紫外曝光光束，13、23分别为实施例一和实施例二的掺杂离子束，14、24分别为实施例一和实施例二的掺杂区域； 5在实施例一中为掺杂区域、在实施例二中为非掺杂区域，6在实施例一中为非掺杂区域、在实施例二中为掺杂区域，7在实施例一中为准分子激光器紫外光束、在实施例二中为固体激光器光束，8为光束移动方向。
实施例一
在本实施例中，使用于制备低温多晶硅的激光器为准分子激光器。
本发明提供了一种低温多晶硅薄膜的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，采用等离子增强化学气相沉积（PECVD）技术，先在基板1上形成缓冲层2，然后再在缓冲层上形成非晶硅层3。
在本步骤中，缓冲层起着防止基板上的杂质进入非晶硅层和减少非晶硅层缺陷的作用。缓冲层使用SiNx和SiO2复合层膜，先在基板上镀一层SiNx膜，然后再镀SiO2膜，缓冲层的厚度为 1500埃米~3000埃米。 当然，缓冲层的厚度也可以根据实际制备需要设置为其他数值。
基板可选用树脂基板、无碱基板和石英基板，在制备过程中， 在执行步骤一之前，可以预先对基板进行清洗，使基板保持洁净，能提高镀膜质量。
步骤二，通过光刻构图工艺及元素掺杂技术，选择掺杂元素对非晶硅层进行选择性掺杂，在非晶硅层中形成掺杂区域和非掺杂区域相间的周期性结构。
在本步骤中，所述掺杂元素为稀有元素，该稀有元素对紫外光能量的吸收能力要比非晶硅对紫外光能量的吸收能力小得多。非掺杂区域的面积远大于掺杂区域面积，但它们之间面积比例可根据激光照射强度和掺杂浓度进行调节。
具体地，步骤二的具体工艺步骤包括：
参考附图2所示，使用光刻胶涂胶机，在非晶硅层3上涂上光刻胶4，并烘干；
参考附图3、附图4所示，采用掩模板对光刻胶进行掩膜曝光，并显影；
参考附图5、附图6所示，对画好光刻胶图形的非晶硅层进行掺杂，清洗掉光刻胶图形，并烘干。
本步骤中选用的掩膜板图形为长条形周期性结构，掩膜板的图形也可以根据实际制备需要设计为其他图形。为了确保掺杂区域和非掺杂区域界面相对明显，非晶硅层的掺杂方式采用方向性较强的离子注入技术，精确地控制离子注入杂质的浓度，来调节掺杂区域的光吸收系数。
步骤三，如图11所示，对经过步骤一、步骤二处理的非晶硅层进行准分子激光照射晶化，得到低温多晶硅薄膜。
在本步骤中，由于掺杂区域的吸光能力比非掺杂区域弱，在照射激光功率达到一定的阈值条件下，非掺杂区域处于完全熔融状态时，掺杂区域还处于非完全熔融状态，处于完全熔融状态区域和处于非完全熔融状态区域之间就会在非晶硅中形成横向温度梯度，这促进了晶粒的超级横向晶化，增大晶粒尺寸。非掺杂区域也具有一定的光照射吸收能力，能有效地提高晶化环境的温度，延长非晶硅熔融时间，有利于大尺寸晶粒的成长。对于选定的掺杂元素，其在降低非晶硅光能量吸收能力的同时，具有金属诱导晶化的作用，能有效地降低晶化温度、增大晶粒尺寸。
激光照射方式为扫描式，当然激光的照射方式也可以根据实际制备需要选择步进式。激光照射的光束宽度远大于掺杂区域与非掺杂区域周期之和。激光照射光束为经过宽束、均化和整形的长为约750毫米、宽约为0.4毫米的长方形光束。当然光束的长宽也可以根据实际制备需要设置为其他数值。激光照射光束的长边平行于基板长度比较短的一边，即基板短边；光束移动方向平行于基板长度比较长的一边，即基板长边。
实施例二
在本实施例中，使用于制备低温多晶硅的激光器为固体激光器等长波长激光器，它们输出光波长范围为可见光波段或者近红外光波段。
本发明提供了一种低温多晶硅薄膜的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，采用等离子增强化学气相沉积（PECVD）技术，先在基板1上形成缓冲层2，然后再在缓冲层上形成非晶硅层3。
在本步骤中，缓冲层起着防止基板上的杂质进入非晶硅层和减少非晶硅层缺陷的作用。缓冲层使用SiNx和SiO2复合层膜，先在基板上镀一层SiNx膜，然后再镀SiO2膜，缓冲层的厚度为 1500埃米~3000埃米。 当然，缓冲层的厚度也可以根据实际制备需要设置为其他数值。
基板可选用树脂基板、无碱基板和石英基板，在制备过程中， 在执行步骤一之前，可以预先对基板进行清洗，使基板保持洁净，能提高镀膜质量。
步骤二，通过光刻构图工艺及元素掺杂技术，选择掺杂元素对非晶硅层进行选择性掺杂，在非晶硅层中形成掺杂区域和非掺杂区域相间的周期性结构。
在本步骤中，所述掺杂元素为稀有元素，该稀有元素对可见光或者近红外光能量的吸收能力要比非晶硅对可见光或者近红外光能量的吸收能力强得多。掺杂区域的面积远大于非掺杂区域面积，但它们之间面积比例可根据激光照射强度和掺杂浓度进行调节。
具体地，步骤二的具体工艺步骤包括：
参考附图1所示，使用光刻胶涂胶机，在非晶硅层3上涂上光刻胶4，并烘干；
参考附图7、附图8所示，采用掩模板对光刻胶进行掩膜曝光，并显影；
参考附图9、附图10所示，对画好光刻胶图形的非晶硅层进行掺杂，清洗掉光刻胶图形，并烘干。
本步骤中选用的掩膜板图形为长条形周期性结构，掩膜板的图形也可以根据实际制备需要设计为其他图形。为了确保掺杂区域和非掺杂区域界面相对明显，非晶硅层的掺杂方式采用方向性较强的离子注入技术，精确地控制离子注入杂质的浓度，来调节掺杂区域的光吸收系数。
步骤三，如图11所示，对经过步骤一、步骤二处理的非晶硅层进行准分子激光照射晶化，得到低温多晶硅薄膜。
在本步骤中，由于掺杂区域的吸光能力比非掺杂区域强，在照射激光功率达到一定的阈值条件下，掺杂区域处于完全熔融状态时，非掺杂区域还处于非完全熔融状态，处于完全熔融状态区域和处于非完全熔融状态区域之间就会在非晶硅层形成横向温度梯度，这促进了晶粒的超级横向晶化，增大晶粒尺寸。非掺杂区域也具有一定的光照射吸收能力，能有效地提高晶化环境的温度，延长非晶硅熔融时间，有利于大尺寸晶粒的成长。对于选定的掺杂元素（如钴元素），其在提高非晶硅光能量吸收能力时，同时具有金属诱导晶化的作用，能有效地降低晶化温度、增大晶粒尺寸。
激光照射方式为扫描式，当然激光的照射方式也可以根据实际制备需要选择步进式。激光照射的光束宽度远大于掺杂区域与非掺杂区域周期之和。激光照射光束为经过宽束、均化和整形的长为约750毫米、宽约为0.4毫米的长方形光束。当然光束的长宽也可以根据实际制备需要设置为其他数值。激光照射光束的长边平行于基板长度比较短的一边，即基板短边；光束移动方向平行于基板长度比较长的一边，即基板长边。
本发明提供了一种低温多晶硅薄膜的制备方法，该方法采用光刻构图工艺及元素掺杂技术，在非晶硅层中形成横向温度梯度，实现非晶硅的超级横向晶化；有效地改变非晶硅层吸收光谱的峰值范围及大小，消除低温多晶硅制备中对激光波长的限制，解决现有固体激光器等长波长激光器晶化技术中存在的波长限制问题；非晶硅层在一定功率的激光束照射下，杂质掺杂区域和非掺杂区域因对激光能量吸收能力不同而形成完全熔融区域和非完全熔融区域，完全熔融区域和非完全熔融区域存在横向温度梯度，能有效地促进和控制晶核的超级横向晶化，从而实现增大晶粒尺寸和晶界控制。本发明通过元素掺杂技术，构建超级横向晶化条件，有利于成长大尺寸的晶粒；同时能够改变非晶硅层的吸收能力；采用固体激光器等廉价激光器用于晶化，降低了低温多晶硅薄膜制备成本。
以上为本发明较佳的实现方式，需要说明的是，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种低温多晶硅薄膜的制备方法， 其特征在于包括以下步骤：
步骤一：采用等离子增强化学气相沉积（PECVD）技术，在基板上先后形成缓冲层和非晶硅层，缓冲层在基板和非晶硅层之间；
步骤二：采用光刻构图工艺及元素掺杂技术，选择掺杂元素对非晶硅层进行选择性掺杂，在非晶硅层中形成掺杂区域和非掺杂区域相间的周期性结构；
步骤三：对掺杂后的非晶硅层采用激光器进行照射晶化，得到低温多晶硅薄膜；
激光照射方式为扫描式或步进式。
2.根据权利要求1所述的低温多晶硅薄膜的制备方法，其特征在于：所述的步骤二具体为：a、使用光刻胶涂胶机，在非晶硅层上涂上光刻胶，并烘干；b、采用掩模板对光刻胶进行掩膜曝光，并显影；c、对画好光刻胶图形的非晶硅层进行掺杂，清洗掉光刻胶图形，并烘干；掩膜板图形为长条形周期性结构。
3.根据权利要求2所述的低温多晶硅薄膜的制备方法，其特征在于：所述的激光器为准分子激光器。
4.根据权利要求2所述的低温多晶硅薄膜的制备方法，其特征在于：所述的激光器为固体激光器。
5.根据权利要求3所述的低温多晶硅薄膜的制备方法，其特征在于：所述的掺杂元素为稀有元素，该稀有元素对紫外光能量的吸收能力要比非晶硅对紫外光能量的吸收能力小，非掺杂区域的面积大于掺杂区域面积，掺杂区域和非掺杂区域之间的面积比例可根据激光照射强度和掺杂浓度进行调节。
6.根据权利要求4所述的低温多晶硅薄膜的制备方法，其特征在于：所述的掺杂元素为稀有元素，该稀有元素对可见光或者近红外光能量的吸收能力要比非晶硅对可见光或者近红外光能量的吸收能力强，掺杂区域的面积大于非掺杂区域面积，掺杂区域和非掺杂区域之间的面积比例可根据激光照射强度和掺杂浓度进行调节。
7.根据权利要求5或6所述的低温多晶硅薄膜的制备方法，其特征在于：对非晶硅层的掺杂方式采用方向性较强的离子注入技术，并精确地控制离子注入元素的浓度，来调节掺杂区域的光吸收系数。
8.根据权利要求7所述的低温多晶硅薄膜的制备方法，其特征在于：缓冲层使用SiNx和SiO2复合层膜,先在基板上镀SiNx膜，然后再镀SiO2膜，缓冲层的厚度为 1500埃米~3000埃米。
9.根据权利要求8所述的低温多晶硅薄膜的制备方法，其特征在于：所述的激光照射光束的宽度大于掺杂区域与非掺杂区域的周期之和，激光器照射光束的长边平行于基板短边，照射光束移动方向平行于基板长边。
10.根据权利要求9所述的低温多晶硅薄膜的制备方法，其特征在于：为了提高镀膜质量，在步骤一之前预先对基板进行清洗，所述的基板为树脂基板或无碱基板或石英基板。
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