多晶矽薄膜的製備方法以及光電器件與流程
2023-11-11 18:48:22 1
本發明涉及半導體領域，特別是涉及一種多晶矽薄膜的製備方法及應用該多晶矽薄膜的光電器件。
背景技術：
多晶矽薄膜因其良好的性能已受到人們的廣泛關注。在大陣列液晶顯示領域，大晶粒多晶矽薄膜擁有與單晶矽薄膜相似的高遷移率，可用於大面積、快速響應的場效應電晶體、傳感器等光電器件的製備。在太陽能電池方面，多晶矽薄膜不僅對長波段光線敏感性強，對可見光也具有較高的吸收係數；具有與晶體矽相同的穩定性，不會產生類似於非晶矽嚴重的光致衰減效應。
現有的多晶矽薄膜製備工藝主要包括化學氣相沉積(CVD)和非晶矽退火晶化兩類方法。CVD技術製備完全晶化的多晶矽薄膜，溫度較高且對襯底的選擇條件較苛刻，既要擁有較高的熔化溫度，又要有較高的純度以防止襯底雜質發生高溫擴散。非晶矽退火晶化方法主要包括固相晶化法(SPC)、金屬誘導晶化法(MIC)以及準分子雷射晶化法(ELA)三種。SPC是將非晶矽薄膜置於退火爐中進行退火，製備的多晶矽薄膜粒度均勻，表面平整，成本低，工藝簡單，然而退火時間較長，600℃情況下退火需要20h。MIC是在SPC的基礎上加入一層金屬或者其他鹽類薄膜後再進行退火，晶化溫度和晶化時間相比於SPC都有所降低。在此基礎上利用外加電場可以使晶化溫度降低至400℃，晶化時間降低至4小時左右。然而MIC存在著金屬汙染的問題，限制了其的廣泛應用。ELC利用大功率脈衝雷射照射到非晶矽表面使其在極短的時間內到達熔化溫度，從而實現液相再結晶，儘管已經在工業上得到應用，然而其設備昂貴，大面積生產重複性差且需考慮成本問題。
技術實現要素：
基於此，有必要提供一種低溫、快速且製備成本低的多晶矽薄膜製備工藝以及應用該多晶矽薄膜的光電器件。
一種多晶矽薄膜的製備方法，包括以下步驟：
S1，提供非晶矽薄膜，將所述非晶矽薄膜放入反應室中的水冷樣品臺上；
S2，向所述反應室中通入等離子體氣體源，並將所述反應室的壓力調節至100Pa至10000Pa；
S3，激發所述等離子體氣體源並產生等離子體，在所述等離子體環境中，所述非晶矽薄膜發生退火晶化，從而得到所述多晶矽薄膜。
在其中一個實施例中，所述非晶矽薄膜的厚度為100nm～1μm。
在其中一個實施例中，在所述步驟S2中，所述等離子體氣體源包括氬氣和/或氦氣，所述等離子體氣體源的流量為10-30slm。
在其中一個實施例中，在所述步驟S2中，所述等離子體氣體源的流量為15-25slm，並將所述反應室的壓力調節至200Pa至1500Pa。
在其中一個實施例中，在所述步驟S3中，採用電感耦合或直流電弧方式通過等離子體噴槍產生所述等離子體，所加射頻電源功率為10-20kW，所述等離子體噴槍的直徑為40-60mm，所述非晶矽薄膜與所述等離子體噴槍出口的距離為20-60mm。
在其中一個實施例中，所述射頻電源的功率為12～16kw。
在其中一個實施例中，所述等離子體氣體源還包括氫氣，所述氫氣的流量為0-1.0slm。
在其中一個實施例中，所述氫氣的流量為0.3～0.7slm。
在其中一個實施例中，所述非晶矽薄膜通過襯底進行支撐，在所述非晶矽薄膜退火晶化過程中，所述襯底的溫度為300-700℃，所述非晶矽薄膜退火晶化所需的時間為5-30s。
一種光電器件，其特徵在於，所述光電器件包括由權利要求1至9任一項所述的製備方法製備的多晶矽薄膜。
本發明通過將非晶矽薄膜置於中壓條件下產生的離子體環境中，並置於水冷樣品臺上，使得所述非晶矽薄膜進行快速退火晶化，從而在低溫條件下快速製備多晶矽薄膜；本發明不僅可以使用普通玻璃等廉價襯底，從而極大的降低了製備成本，而且極大的節約了時間成本，同時還具有低沉本、大面積製備和工藝簡單的優勢。
本發明中快速退火晶化的原理為：上述等離子體環境中，等離子體氣體的溫度超過2000℃，並且在優化的條件下具有非常高的H原子濃度。高的等離子體能量能夠使得非晶矽薄膜進行快速退火；由於採用水冷樣品臺，可以保持襯底在比較低的溫度條件下實現非晶矽膜層的快速退火。另外，由於在上述等離子體環境中存在大量的原子態的H，由於H原子的化學退火作用，大量H原子的存在能夠進一步促進非晶矽薄膜的退火晶化。綜合上述兩方面原因，可以實現非晶矽薄膜的快速退火；另外，由於退火時間比較短，襯底本身被加熱後的溫度不會很高，加上水冷樣品臺的使用，可以把襯底溫度控制在比較低的水平。
附圖說明
圖1為本發明多晶矽薄膜的製備方法的流程圖；
圖2為實施例1製備的多晶矽薄膜的SEM圖；
圖3為實施例1製備的多晶矽薄膜的TEM圖；
圖4為實施例1製備的多晶矽薄膜的AFM測試結果；
圖5為實施例1製備的多晶矽薄膜的Raman測試結果；
圖6為實施例3製備的多晶矽薄膜的Raman測試結果。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下通過實施例並結合附圖，對本發明進行進一步詳細說明。
請參閱圖1，本發明提供一種多晶矽薄膜的製備方法，包括以下步驟：
S1，提供非晶矽薄膜，將所述非晶矽薄膜放入反應室中的水冷樣品臺上；
S2，向所述反應室中通入等離子體氣體源，並控制所述反應室的壓力至100Pa至10000Pa；
S3，激發所述等離子體氣體源並產生等離子體，在所述等離子體環境中，所述非晶矽薄膜發生退火晶化，從而得到所述多晶矽薄膜。
在步驟S1中，可進一步提供一襯底，用於支撐所述非晶矽薄膜。所述襯底可以是純度較高的矽片，也可以是普通的石英玻璃。可以先在所述襯底上沉積所述非晶矽薄膜，然後將沉積有所述非晶矽薄膜的所述襯底放入所述反應室中。
所述非晶矽薄膜的厚度可以是100nm～1μm，所述非晶矽薄膜過厚，所述等離子體對所述非晶矽薄膜的退火晶化效果變差，所述非晶矽薄膜過薄，容易被所述等離子體刻蝕掉。
在步驟S2之前，可進一步包括對所述反應室抽真空的步驟，以保證所述反應室內水蒸氣和雜質氣體的含量保持在較低水平。優選地，使所述反應室的本底真空度為10-3～10-6Pa。更為優選地，使所述反應室的本底真空度為10-5～10-6Pa。
在步驟S2中，將所述反應室的壓力調節至100Pa至10000Pa，可以在步驟S3中產生高能量的等離子體，高的等離子體能量能夠使得非晶矽薄膜進行快速退火。另外，由於採用水冷樣品臺，可以保持襯底在比較低的溫度條件下實現非晶矽薄膜的快速退火，襯底的低溫條件可以使所述襯底的選擇範圍更寬，即使所述襯底(例如廉價的玻璃)的純度不高，所述襯底中的雜質也不會發生高溫擴散，這樣大大降低了所述多晶矽薄膜的製備成本，更有利於其產業化。
優選地，可將所述反應室的壓力調節至200-1500Pa。更為優選地，可將所述反應室的壓力調節至500-1000Pa。
優選地，所述非晶矽薄膜退火晶化過程中，所述襯底的溫度為300-700℃。更為優選地，所述非晶矽薄膜退火晶化過程中，所述襯底的溫度為400-600℃。
所述等離子體氣體源用於產生等離子體且不與所述非晶矽薄膜和多晶矽薄膜發生化學反應。所述等離子體氣體源可以包括氬氣和/或氦氣中的至少一種。所述等離子體氣體源的通入流量可以為10～30slm。優選地，所述等離子體氣體源的通入流量可以為15-25slm。
所述等離子體氣體源可進一步包括氫氣。所述氫氣在所述步驟S3中會分解為H原子，H原子對所述非晶矽薄膜的晶化有促進作用，從而進一步縮短所述多晶矽薄膜的製備時間。優選地，所述氫氣的通入流量不超過1.0slm，更為優選地，所述氫氣的通入流量為0.3～0.7slm。
在步驟S3中，可以採用射頻電源對所述反應室施加一射頻電場，從而激發所述等離子體氣體源產生所述等離子體。可以採用電感耦合或直流電弧方式通過等離子體噴槍產生等離子體。
所述等離子體噴槍的直徑可以為40-60mm，所述非晶矽薄膜與所述等離子體噴槍出口的距離可以為20-60mm。優選地，所述射頻電源的功率設置為10～20kw，所述射頻電源的功率越大，所述非晶矽薄膜的晶化時間越短，然而，若所述射頻電源的功率過大，則會使所述非晶矽薄膜發生刻蝕情況，從而不能得到完整的多晶矽薄膜。更為優選地，所述射頻電源的功率設置為12～16kw。
優選地，所述非晶矽薄膜退火晶化所需的時間為5-30s。更為優選地，所述非晶矽薄膜退火晶化所需的時間為5-15s。
本發明中快速退火晶化的原理為：上述等離子體環境中，等離子體氣體的溫度超過2000℃，並且在優化的條件下具有非常高的H原子濃度。高的等離子體能量能夠使得非晶矽薄膜進行快速退火；由於採用水冷樣品臺，可以保持襯底在比較低的溫度條件下實現非晶矽膜層的快速退火。另外，由於在上述等離子體環境中存在大量的原子態的H，由於H原子的化學退火作用，大量H原子的存在能夠進一步促進非晶矽薄膜的退火晶化。綜合上述兩方面原因，可以實現非晶矽薄膜的快速退火；另外，由於退火時間比較短，襯底本身被加熱後的溫度不會很高，加上水冷樣品臺的使用，可以把襯底溫度控制在比較低的水平。
本發明還可以通過控制所述壓力、射頻電源功率、退火時間、氫氣的流量等等因素來得到不同晶化程度的微晶矽薄膜、多晶矽薄膜或其組合。
本發明進一步提供一種光電器件，包括採用上述製備方法製備的多晶矽薄膜。
實施例1
在清洗過的3cm×3cm矽片襯底上沉積一層1μm厚的非晶矽薄膜，取出樣品並將其安裝在中壓等離子CVD設備的水冷樣品臺上，調節樣品臺高度，使襯底表面與等離子體噴槍出口距離在30mm，關上真空腔室並且將真空室抽至10-5Pa的本底真空度，關閉連接分子泵組與腔體之間的閘板閥並打開工藝泵組和壓力控制閥，通入流量為20slm的高純Ar，並且通過調節壓力控制閥使真空室內的壓力達到800Pa，通入流量為0.5slm的高純H2並打開射頻電源，產生等離子體，調節射頻電源功率至14kW，退火溫度為552℃，退火時間為7s。退火結束後關閉H2、關閉等離子體電源、關閉Ar。
實施例2
本實施例與實施例1基本相同，不同之處在於，襯底為石英玻璃襯底，等離子體氣體源為Ar與H2的混合氣體，等離子體氣體源的流量為10slm，反應室的腔體壓力為200Pa，退火功率為16kW，退火時間為5s，退火溫度為600℃。
實施例3
本實施例與實施例1基本相同，不同之處在於，等離子體氣體源為He與H2的混合氣體，等離子體氣體源的流量為30slm，薄膜厚度為200nm，退火時間為10s，退火溫度為500℃。
實施例4
本實施例與實施例1基本相同，不同之處在於，等離子體氣體源為He，等離子體氣體源的流量為15slm，薄膜厚度為500nm，腔體壓力調節為1500Pa，襯底表面與等離子體噴槍出口的距離為40mm，退火功率為18kW,H2流量為0.3slm，退火時間為8s，退火溫度為700℃。
實施例5
本實施例與實施例1基本相同，不同之處在於，所用襯底為5cm×5cm矽片，等離子體氣體源為Ar與H2的混合氣體，等離子體氣體源的流量為25slm，腔體壓力調節為400Pa，襯底表面與等離子體噴槍出口的距離為20mm，射頻電源功率為16kW，H2流量為0.7slm，退火時間為10s，退火溫度為643℃。
實施例6
本實施例與實施例5基本相同，不同之處在於，僅通入21slm的高純Ar而並不通入H2，襯底表面與等離子體噴槍出口的距離為60mm，射頻電源功率為15kW，退火時間為15s，退火溫度為593℃。
實施例7
本實施例與實施例1基本相同，不同之處在於，等離子體氣體源為Ar與H2的混合氣體，等離子體氣體的流量為30slm，腔體壓力為1000Pa，H2流量為0.4slm，退火時間為25s，退火溫度為800℃。
表1
請參閱圖2至圖4，從圖中可以看出，由本發明提供的製備方法得到的多晶矽薄膜具有明顯的晶粒結構，表明所述非晶矽薄膜發生了晶化，所述多晶矽薄膜的表面粗糙度Ra為4.35nm。圖5中峰值位於480cm-1、510cm-1、520cm-1分別代表非晶組分、多晶組分以及單晶組分，從圖5可以看出，所述多晶矽薄膜的晶化程度很高；而圖6的晶化程度則達到了100％。表1為實施例1至7製備的多晶矽薄膜的晶化程度表，從表1可以看出，本發明在30s內即可得到完全晶化的多晶矽薄膜，而且所述非晶矽薄膜的退火溫度很低。此外，氫氣對所述非晶矽薄膜的晶化具有促進作用，且在0.3～0.7sml的流量條件下，其促進作用最強。
本發明提供的多晶矽薄膜製備工藝，通過將非晶矽薄膜置於中壓條件下電感耦合產生的射頻等離子體環境中，從而使非晶矽薄膜快速晶化，且在低溫條件下即可快速獲得多晶矽薄膜，不僅可以使用普通玻璃等廉價襯底，極大的降低了製備成本，而且極大的節約了時間成本，同時還具有低沉本、大面積製備和工藝簡單的優勢。
以上所述實施例的各技術特徵可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術特徵所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術特徵的組合不存在矛盾，都應當認為是本說明書記載的範圍。
以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對發明專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。因此，本發明專利的保護範圍應以所附權利要求為準。