CN104681407A - 一种制备多晶硅薄膜并控制其晶粒尺寸的方法 - Google Patents

一种制备多晶硅薄膜并控制其晶粒尺寸的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN104681407A
CN104681407A CN201310636987.1A CN201310636987A CN104681407A CN 104681407 A CN104681407 A CN 104681407A CN 201310636987 A CN201310636987 A CN 201310636987A CN 104681407 A CN104681407 A CN 104681407A
Authority
CN
China
Prior art keywords
light
thin film
silicon thin
crystallite dimension
control
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201310636987.1A
Other languages
English (en)
Inventor
王飞
王吉宁
郝雷
刘晓鹏
蒋利军
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing General Research Institute for Non Ferrous Metals
Original Assignee
Beijing General Research Institute for Non Ferrous Metals
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing General Research Institute for Non Ferrous Metals filed Critical Beijing General Research Institute for Non Ferrous Metals
Priority to CN201310636987.1A priority Critical patent/CN104681407A/zh
Publication of CN104681407A publication Critical patent/CN104681407A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic System or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/26—Bombardment with radiation
    • H01L21/263—Bombardment with radiation with high-energy radiation
    • H01L21/268—Bombardment with radiation with high-energy radiation using electromagnetic radiation, e.g. laser radiation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic System or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/30—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26
    • H01L21/324—Thermal treatment for modifying the properties of semiconductor bodies, e.g. annealing, sintering

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Recrystallisation Techniques (AREA)

Abstract

本发明提供一种制备多晶硅薄膜并控制其晶粒尺寸的方法，包括以下步骤：清洗基板，在基板上沉积非晶硅薄膜，然后将其置于快速退火炉中，采用分光谱技术对薄膜进行不同光谱波段下的快速光热退火，按短波光照、长波光照的顺序对非晶硅薄膜进行退火，利用短波段光谱的量子效应控制硅薄膜晶化过程的成核密度，利用长波段光谱的热效应使晶粒长大，最终生成具有一定晶粒尺寸的多晶硅薄膜。与传统快速光热退火相比，本发明利用分光谱法联合快速光热退火工艺，对非晶硅薄膜进行不同光谱波段下的快速光热退火，不仅可以使非晶硅发生晶化，生成多晶硅薄膜，并且可以对其成核密度和晶粒尺寸进行控制。

Description

一种制备多晶硅薄膜并控制其晶粒尺寸的方法
技术领域
本发明涉及一种制备多晶硅薄膜并控制其晶粒尺寸的方法，属于半导体制造技术领域。
背景技术
近几年来，作为未来新能源利用方式之一的光伏电池己被广泛应用于日常生产生活。能否实现量产是其处于科研与产业之间的界限之一，而量产的参考点则包括两点：效率与成本。非晶硅电池所用材料较少，成本较低，但效率较低与具有效率衰减现象；晶硅电池效率较高，成本也较高；多晶硅薄膜电池兼具非晶硅电池与晶硅电池的优点，没有明显的效率衰减现象，成本又较低，因此受到人们的关注。传统制备多晶硅薄膜的方法包括直接沉积法，如高温化学气相沉积(CVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、热丝化学气相沉积(HWCVD)和再结晶法，如区熔再结晶、金属诱导法、激光退火法、快速光热退火，与本发明直接相关的是快速光热退火方法。
快速光热退火使非晶硅薄膜发生晶化一般依靠数个卤钨灯来照明样品，使薄膜发热，提供薄膜晶化的驱动力；光热退火的条件，如升温速率、退火温度及时间、降温速率等对晶化效应都有影响；一般光热退火晶化后的薄膜特点是：结晶较均匀，但晶粒较小，约为几个纳米至几十个纳米。在光热退火过程中，卤钨灯光谱中的长波部分和短波部分有两种不同的效应，短波光谱主要为量子效应，而长波光谱主要为热效应，而快速光热退火实际上是两种效应与非晶硅薄膜协同作用的过程。学者发现，快速热退火温度和退火时间对最终晶粒尺寸的影响较大，但大家均未给出能够有效控制硅的成核密度、晶粒长大及晶粒尺寸的有效办法。实际上，硅薄膜在短波光谱的照射下，硅薄膜中发生电子跃迁，使电子从激发前的成键跃迁到反键状态，电子云从Si—Si键的中间位置向两端移动，使键能减小，键的结合力变弱，这时，在较高的温度下就能使无序的Si原子形成晶核；而长波的热效应主要使电子的热动能变大，使其振动变强，利于晶核的长大。即光量子效应更利于晶核的形成过程，而热效应更利于晶核的长大过程。
因此，传统的光热退火可以使非晶硅薄膜发生晶化，但缺点是无法将光的量子效应与热效应分开，两者同时进行，不利于控制成核密度和晶粒尺寸，晶粒尺寸较小且难以控制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备多晶硅薄膜的制备方法，在制备过程中能将硅的成核过程和晶核的长大过程分离，以达到控制晶粒尺寸的目的。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种制备多晶硅薄膜并控制其晶粒尺寸的方法，该方法包括以下步骤：清洗基板，在基板上沉积非晶硅薄膜，然后将其置于快速退火炉中，采用分光谱技术对薄膜进行不同光谱波段下的快速光热退火，按短波光照、长波光照的顺序对非晶硅薄膜进行退火，利用短波段光谱的量子效应控制硅薄膜晶化过程的成核密度，利用长波段光谱的热效应使晶粒长大，最终生成具有一定晶粒尺寸的多晶硅薄膜。
在所述方法中，在基板上沉积非晶硅薄膜的方法可以选择热丝化学气相沉积(HWCVD)、等离子体增强化学气相沉(PECVD)、或磁控溅射。沉积前需要对基板进行等离子体处理，以去除表面杂质；如果选择PECVD或HWCVD沉积方法，可以在沉积前先采用高氢稀释比例的SiH4或其它含硅气体作为硅源，预置一层微晶种子层，以利于后序晶化过程。
所述的分光谱技术是采用具有高的损伤阀值的分光装置将光源中的短波光谱和长波光谱分开。所谓高的损伤阀值指在较高的温度下不发生或仅发生微小的结构、光学性能的改变，要求本发明采用的分光装置在1200度及以下无结构、光学性能的改变。该分光装置包括长波通分光装置和短波通分光装置，其中长波通分光装置保证长波长的光波通过分光装置到达非晶薄膜表面，其截止波长优选限定在600～800nm；短波通分光装置保证短波长的光波通过分光装置到达非晶薄膜表面，其截止波长优选限定在400～750nm。
快速光热退火使用的光源既可以提供波长介于300～650nm的短波段的光，又可以提供波长介于650～1200nm的长波段的光。该光源发出的光通过长波通分光装置和短波通分光装置分光后得到所需的长波光谱和短波光谱。在快速光热退火过程中，控制光热退火升温速率介于100～200℃／s；光热退火温度介于600～1200℃，恒温退火时按短波-长波顺序依次进行，短波光照和长波光照的恒温时间t限定在0<t<60min。
在所述的快速光热退火过程中，升温过程主要由施加在光源的电流来控制，降温过程可通过风冷、循环水冷却、或自然降温方式控制。
所述的基板为耐高温石英玻璃、不锈钢、陶瓷、硅片或为其它耐高温的基板。
本发明的优点在于：
本发明利用分光谱法联合快速光热退火工艺，对非晶硅薄膜进行不同光谱波段下的快速光热退火，利用短波段光谱的量子效应控制硅薄膜晶化过程的成核密度，利用长波段光谱的热效应使晶粒长大，对晶化过程中的成核密度及晶粒尺寸进行控制。与传统快速光热退火相比，本发明不仅可以使非晶硅发生晶化，生成多晶硅薄膜，并且可以对其成核密度和晶粒尺寸进行控制。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示为本发明的工艺流程图，本发明的方法主要涉及清洗基板、制备非晶薄膜、安置分光装置及样品、对样品进行分光谱快速光热退火、降温取样等步骤。安置分光装置时可以将长波通分光装置和短波通分光装置安置在快速退火炉炉体内部，即与快速退火炉组合成为一种新式的光热退火炉；或者与快速退火炉炉体分离，单独控制分光装置在腔体中的位置。对样品进行分光谱快速光热退火时，将样品转移至快速光热退火炉内所需分光装置下方，以在所需光谱下进行光热退火；待该过程结束后，将样品转移至另一分光装置下方，或将另一分光装置移动至该样品之上，以达到分光谱快速光热退火的目的。
实施例1
本实施例中具体采用以下步骤制备多晶硅薄膜：
(1)选用耐高温石英玻璃为基板，并对基进行常规清洗处理；
(2)选择PECVD法在石英玻璃上沉积一层厚度为20μm的非晶硅薄膜。以SiH4作为硅源气体，首先采用SiH4：H2=2：98的高氢稀释比例的混合气体，预置一层微晶种子层，厚度约200nm，微晶颗粒约几纳米至几十纳米；
(3)选用具有高损伤阈值的长、短波通分光装置，长波通分光装置的截止波长为600nm，并保证更长波长的光波通过分光装置到达样品表面；短波通分光装置的截止波长为500nm，并保证更短波长的光波通过分光装置到达样品表面；分光装置被固定在快速退火炉中；
(4)将样品转移至快速退火炉内所需分光装置之下；
(5)通高纯惰性气体作为保护气体，保持通气10min以排出腔室内残余空气；
(6)开始加热，控制升温速率介于200℃／s；
(7)分别在600℃、700℃、800℃下，按短波(<500nm)-长波(>600nm)顺序依次进行退火，短波光照和长波光照的恒温时间分别为15min，40min。
(8)关闭电源，进行惰性气体保护下的降温过程，最终得到成核密度在1012～1010cm-2，晶粒尺寸在几十到几百纳米范围的多晶硅薄膜。
实施例2
本实施例中具体采用以下步骤制备多晶硅薄膜：
(1)选用耐高温氧化铝作为基底，并对其进行常规清洗处理；
(2)选择PECVD法在基底上沉积一层厚度为20μm的非晶硅薄膜。以SiH4作为硅源气体，首先采用SiH4：H2=2：98的高氢稀释比例的混合气体，预置一层微晶种子层，微晶颗粒约几纳米至几十纳米；
(3)选用具有高损伤阈值的长短波通分光装置，长波通分光装置的截止波长为600nm，并保证更长波长的光波通过分光装置到达样品表面；短波通分光装置的截止波长为500nm，并保证更短波长的光波通过分光装置到达样品表面；分光装置被固定在快速退火炉中；
(4)将样品转移至快速退火炉内所需分光装置之下；
(5)通高纯惰性气体作为保护气体，保持通气10min以排出腔室内残余空气；
(6)开始加热，控制升温速率介于200℃／s；
(7)分别在700℃、800℃、900℃、1000℃、1100℃下，按短波(<500nm)-长波(>600nm)顺序依次进行退火，短波光照和长波光照的恒温时间分别为5min，20min。
(8)关闭电源，进行惰性气体保护下的降温过程，最终得到成核密度在1010～108cm-2，晶粒尺寸在百纳米到微米范围的多晶硅薄膜。

Claims (9)

1.一种制备多晶硅薄膜并控制其晶粒尺寸的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：清洗基板，在基板上沉积非晶硅薄膜，然后将其置于快速退火炉中，采用分光谱技术对薄膜进行不同光谱波段下的快速光热退火，按短波光照、长波光照的顺序对非晶硅薄膜进行退火，利用短波段光谱的量子效应控制硅薄膜晶化过程的成核密度，利用长波段光谱的热效应使晶粒长大，最终生成具有一定晶粒尺寸的多晶硅薄膜。
2.根据权利要求1所述的制备多晶硅薄膜并控制其晶粒尺寸的方法，其特征在于，所述的分光谱技术是采用具有高损伤阀值的分光装置将光源中的短波光谱和长波光谱分开。
3.根据权利要求2所述的制备多晶硅薄膜并控制其晶粒尺寸的方法，其特征在于，所述分光装置包括长波通分光装置和短波通分光装置，其中长波通分光装置的截止波长限定在600～800nm；短波通分光装置的截止波长限定在400～750nm。
4.根据权利要求1所述的制备多晶硅薄膜并控制其晶粒尺寸的方法，其特征在于，所述快速光热退火使用的光源既可以提供波长介于300～650nm的短波段的光，又可以提供波长介于650～1200nm的长波段的光。
5.根据权利要求1所述的制备多晶硅薄膜并控制其晶粒尺寸的方法，其特征在于，在快速光热退火过程中，控制光热退火升温速率介于100～200℃／s。
6.根据权利要求1所述的制备多晶硅薄膜并控制其晶粒尺寸的方法，其特征在于，退火温度介于600～1200℃。
7.根据权利要求1所述的制备多晶硅薄膜并控制其晶粒尺寸的方法，其特征在于，在快速光热退火过程中，短波光照和长波光照的恒温时间t限定在0<t<60min。
8.根据权利要求1所述的制备多晶硅薄膜并控制其晶粒尺寸的方法，其特征在于，在快速光热退火过程中，升温过程由施加在光源的电流来控制，降温过程通过风冷、循环水冷却、或自然降温方式控制。
9.根据权利要求1所述的制备多晶硅薄膜并控制其晶粒尺寸的方法，其特征在于，所述的基板为耐高温石英玻璃、不锈钢、陶瓷、硅片或为其它耐高温的基板。
CN201310636987.1A 2013-12-02 2013-12-02 一种制备多晶硅薄膜并控制其晶粒尺寸的方法 Pending CN104681407A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310636987.1A CN104681407A (zh) 2013-12-02 2013-12-02 一种制备多晶硅薄膜并控制其晶粒尺寸的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310636987.1A CN104681407A (zh) 2013-12-02 2013-12-02 一种制备多晶硅薄膜并控制其晶粒尺寸的方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN104681407A true CN104681407A (zh) 2015-06-03

Family

ID=53316305

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201310636987.1A Pending CN104681407A (zh) 2013-12-02 2013-12-02 一种制备多晶硅薄膜并控制其晶粒尺寸的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN104681407A (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6365446B1 (en) * 2000-07-03 2002-04-02 Chartered Semiconductor Manufacturing Ltd. Formation of silicided ultra-shallow junctions using implant through metal technology and laser annealing process
US20020056839A1 (en) * 2000-11-11 2002-05-16 Pt Plus Co. Ltd. Method of crystallizing a silicon thin film and semiconductor device fabricated thereby
CN1567534A (zh) * 2003-06-16 2005-01-19 友达光电股份有限公司 多晶硅薄膜的制造方法
JP2008085236A (ja) * 2006-09-29 2008-04-10 Hitachi Computer Peripherals Co Ltd ２波長レーザアニール装置
CN103215547A (zh) * 2013-03-06 2013-07-24 中山大学 一种制备多晶硅薄膜的方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6365446B1 (en) * 2000-07-03 2002-04-02 Chartered Semiconductor Manufacturing Ltd. Formation of silicided ultra-shallow junctions using implant through metal technology and laser annealing process
US20020056839A1 (en) * 2000-11-11 2002-05-16 Pt Plus Co. Ltd. Method of crystallizing a silicon thin film and semiconductor device fabricated thereby
CN1567534A (zh) * 2003-06-16 2005-01-19 友达光电股份有限公司 多晶硅薄膜的制造方法
JP2008085236A (ja) * 2006-09-29 2008-04-10 Hitachi Computer Peripherals Co Ltd ２波長レーザアニール装置
CN103215547A (zh) * 2013-03-06 2013-07-24 中山大学 一种制备多晶硅薄膜的方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Becker et al. Polycrystalline silicon thin-film solar cells: Status and perspectives
US8021910B2 (en) Method for producing single crystal silicon solar cell and single crystal silicon solar cell
Gordon et al. Three novel ways of making thin-film crystalline-silicon layers on glass for solar cell applications
CN102134703B (zh) 一种具有多带特征的硅量子点薄膜的制备方法
CN101626048B (zh) 一种太阳电池用硅量子点的低温生长方法
CN101665905B (zh) 铝诱导低温制备大晶粒多晶硅薄膜的方法
CN100568547C (zh) ZnO/纳米金刚石共面栅紫外光探测器的制备方法
CN102978590A (zh) 多循环快速热退火非晶硅薄膜的方法
CN101740358A (zh) 在玻璃衬底上制备p型多晶硅薄膜的方法
CN103700576A (zh) 一种自组装形成尺寸可控的硅纳米晶薄膜的制备方法
CN102243991A (zh) 用锡诱导非晶硅薄膜晶化为多晶硅薄膜的方法
CN103695855B (zh) 一种具有各向异性的硅量子点薄膜的制备方法
CN106128940B (zh) 一种低温多晶硅薄膜的制备方法
Rau et al. Development of a rapid thermal annealing process for polycrystalline silicon thin-film solar cells on glass
CN101299513A (zh) 电场诱导光抽运硅基氧化锌薄膜随机激光器及其制备方法
CN104465799B (zh) 一种晶体硅太阳能电池及其制备方法
CN102709404A (zh) 一种用金属铜在低温下诱导非晶硅薄膜晶化为多晶硅薄膜的方法
CN112259620A (zh) 一种Sb2Se3薄膜太阳能电池及其制备方法
CN104681407A (zh) 一种制备多晶硅薄膜并控制其晶粒尺寸的方法
CN104404462B (zh) 一种共溅射低温快速制备多晶硅薄膜的方法
CN101866839B (zh) 一种应用掩膜保护进行激光快速加热方法
CN103199151A (zh) 一种基于金属诱导的多晶硅薄膜的制备方法
CN103227239A (zh) 干法刻蚀两步法铝诱导非晶硅晶化薄膜的方法
CN101719528B (zh) 玻璃衬底上光控制备硅薄膜太阳能电池的方法及沉积室
Ambrosone et al. Structural, optical and electrical characterizations of μc-Si: H films deposited by PECVD

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20150603