一种低温制备多晶硅膜材料的方法、得到的产品和用途技术

本发明专利技术涉及一种低温制备多晶硅膜材料的方法、得到的产品和用途。所述方法包括：采用高密度等离子体增强化学气相沉积设备制备多晶硅膜材料，气相沉积的温度≤300℃，所述高密度等离子体增强化学气相沉积设备的功率≥500W。本发明专利技术所述多晶硅膜材料的可以在300℃以下制备得到，且具有良好的光学性能，在633nm波长对应的折射率约为3.8、消光系数约为0.02，在四英寸基底范围内薄膜均匀性好；其次，本发明专利技术所述方法可以在不同材料界面制备具有良好均匀性的多晶硅膜材料；最后，本发明专利技术提供的低温多晶硅薄膜材料制备工艺简单易行，具有极大的应用潜力。

Method, product and application of polysilicon film material prepared at low temperature

【技术实现步骤摘要】
一种低温制备多晶硅膜材料的方法、得到的产品和用途
本专利技术属于光学、半导体和微电子器件
，具体涉及一种低温制备多晶硅膜材料的方法、得到的产品和用途。
技术介绍
薄膜是一种特殊的物质形态，由于其在厚度这一特定方向上尺寸很小，只是微观可测的量，而且在厚度方向上由于表面、界面的存在，使物质连续性发生中断，由此使得薄膜材料产生了与块状材料不同的独特性能。光学薄膜是由薄的分层介质构成的，通过界面传播光束的一类光学介质材料，广泛用于光学和光电子
，制造各种光学仪器。光学薄膜技术在理论、设计、计算和工艺方面已形成了完整的体系，一些新型微观结构的功能薄膜被不断开发出来，这些功能薄膜的相继出现，使得光学薄膜技术广泛地渗透到各个新兴的科学研究领域中。多晶硅薄膜是一种良好的光电材料，具有较高的光敏性以及良好的光电稳定性，近年来被广泛应用于光伏发电、平板显示器、集成电路以及超表面材料等研究领域。多晶硅薄膜材料同时具有单晶硅材料的高迁移率、高折射率及非晶硅材料的可大面积、低成本制备等优点。因此对于多晶硅薄膜材料的研究越来越引起人们的关注，多晶硅薄膜的制备工艺可以分为两大类：一类是高温工艺，制备过程中温度高于600℃，衬底使用昂贵的石英；另一类是低温工艺，整个加工工艺温度低于600℃，可以用廉价玻璃衬底，可以大面积制备但是工艺复杂。目前制备多晶硅的方法主要有如下几种：(1)低压化学气相沉积(LPCVD)是一种直接生成多晶硅的方法，具备生长速度快、成膜致密、均匀等特点，其沉积温度较高，在600℃左右，必须采用昂贵的石英作衬底；(2)固相晶化(SPC)是在非晶硅的基础上加高温使其熔融温度下结晶，属于高温晶化过程，通常需要1100℃左右退火时间长达10h以上，衬底材料需采用石英或单晶硅；(3)准分子激光晶化(ELA)是利用瞬间激光脉冲产生的高能量入射到非晶硅薄膜表面，是非晶硅薄膜在瞬间达到1000℃左右，从而实现非晶硅向多晶硅的转变，该方法相比固相晶化制备多晶硅来说更为理想，但具有仅在薄膜表层100nm的深度产生热效应、晶粒尺寸对激光功率敏感、大面积均匀性差、重复性差、设备成本高等缺点；(4)等离子体增强化学气相沉积(PECVD)是利用辉光放点的电子来激活化学气象沉积反应的，研究表明该方法必须采用衬底加热到600℃以上才能促进晶核的形成，而当温度低于300℃时，只能形成非晶硅薄膜。那么，低温大面积制备多晶硅薄膜工艺就成为需要解决的关键问题和挑战，而目前研究低温多晶硅薄膜制备工艺较少，尤其是运用在器件中的多晶硅光学薄膜。CN110257908A公开了一种多晶硅薄膜制备工艺，向立式炉内通入SiH4，在压力为15～35Pa，温度为650～675℃的条件下，恒温恒压沉积，在硅片表面生长多晶硅薄膜。但是，所述方法制备的多晶硅膜材料的衬底温度较高，属于高温制备(大于300℃)，且薄膜光学性能较差。CN109576671A公开了一种多晶硅薄膜电极制备工艺，包括如下步骤：首先在衬底上制备一层氮化硅绝缘层；在该氮化硅绝缘层高温下采用化学气相沉积技术沉积一层多晶硅薄膜用来制作感应电极；在该多晶硅薄膜上方制备氧化硅牺牲层；在该氧化硅牺牲层上方高温下采用化学气相沉积技术沉积一层多晶硅薄膜用来制作屏蔽电极；利用氧化硅疏松性将氧化硅清除，分离开感应电机和屏蔽电极。但是所述方法制备的多晶硅膜材料的衬底温度较高，属于高温制备(大于300℃)，且薄膜光学性能较差。因此，本领域需要开发出一种低温制备多晶硅膜材料的工艺，其制备过程可在较低温度下完成，且制得的多晶硅膜材料具有优异的光学性能。
技术实现思路
针对现有技术中低温制备难以得到多晶硅薄膜的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种低温制备多晶硅膜材料的方法、得到的产品和用途。所述多晶硅膜材料可在较低的温度下制备，且具有折射率高，消光系数低等良好的光学性能。本专利技术所述“低温”为温度≤300℃。为达上述目的，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术的目的之一在于提供一种低温制备多晶硅膜材料的方法，所述方法包括：采用高密度等离子体增强化学气相沉积设备制备多晶硅膜材料，气相沉积的温度≤300℃，所述高密度等离子体增强化学气相沉积设备的功率≥500W。所述气相沉积的温度≤300℃，例如20℃、25℃、50℃、80℃、100℃、120℃、150℃、180℃、200℃、220℃、250℃或280℃等；所述功率≥500W，例如550W、600W、650W、700W、750W、800W、850W、900W、950W或1000W等。本专利技术高密度等离子体增强化学气相沉积设备(ICPECVD)中，控制功率≥500W可以在300℃以下制备得到多晶硅膜，且具有良好的光学性能，在633nm波长对应的折射率约为3.8、消光系数约为0.02，在四英寸基底范围内薄膜均匀性好；其较现有磁控溅射法、电子束蒸镀法和等离子体增强化学气相沉积得到的多晶硅膜材料的光学性能有明显提高，沉积温度有明显降低；其次，本专利技术的方法可以在不同材料界面制备具有良好均匀性的多晶硅膜材料。本专利技术提供的低温多晶硅薄膜材料制备工艺简单易行，适于工业化生产，具有极大的应用潜力。优选地，所述方法包括：将衬底置于高密度等离子体增强化学气相沉积设备腔体中，通入硅源、载体和保护气体，进行气相沉积，获得多晶硅膜材料。优选地，所述高密度等离子体增强化学气相沉积设备腔体的工作温度为RT～300℃(例如25℃、50℃、80℃、100℃、120℃、150℃、180℃、200℃、220℃、250℃或280℃等)，优选为140～160℃。本专利技术所述RT的温度范围为19～21℃，该设备在超净间，实验室内部温度常年恒温20℃，由于设备工作以及衬底本身温度会使得衬底的室温出现小偏差。优选地，所述高密度等离子体增强化学气相沉积设备腔体的工作压力为1～10Pa(例如2Pa、3Pa、4Pa、5Pa、6Pa、7Pa、8Pa或9Pa等)，优选为2～3Pa。优选地，所述高密度等离子体增强化学气相沉积设备腔体的功率为500～900W(例如550W、600W、650W、700W、750W、800W或850W等)，优选为700～800W。本专利技术所述高密度等离子体增强化学气相沉积设备腔体的功率为500～900W，功率过低制备的薄膜不易结晶，最终制备为非晶硅薄膜光学参数影响也较大；功率过高设备本身功率限制，其次功率过高导致生长速率严重下降。优选地，所述气相沉积的速率为4～15nm/min(例如5nm/min、6nm/min、7nm/min、8nm/min、9nm/min、10nm/min、11nm/min、12nm/min、13nm/min或14nm/min等)，优选为8～10nm/min。本专利技术所述气相沉积的速率为4～15nm/min，速率过快容易制备为非晶硅薄膜；速率过慢容易使得热量在薄膜表面大量聚集，最终导致衬底表面温度过高。优选地，所述硅源的体积：载体和保护气体的总体积＝(0.01～0.1):1(例如0.02:1、0.03:1、0.本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低温制备多晶硅膜材料的方法，其特征在于，所述方法包括：采用高密度等离子体增强化学气相沉积设备制备多晶硅膜材料，气相沉积的温度≤300℃，所述高密度等离子体增强化学气相沉积设备的功率≥500W。/n

【技术特征摘要】
1.一种低温制备多晶硅膜材料的方法，其特征在于，所述方法包括：采用高密度等离子体增强化学气相沉积设备制备多晶硅膜材料，气相沉积的温度≤300℃，所述高密度等离子体增强化学气相沉积设备的功率≥500W。


2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括：
将衬底置于高密度等离子体增强化学气相沉积设备腔体中，通入硅源、载体和保护气体，进行气相沉积，获得多晶硅膜材料；
优选地，所述高密度等离子体增强化学气相沉积设备腔体的工作温度为RT～300℃，优选为140～160℃；
优选地，所述高密度等离子体增强化学气相沉积设备腔体的工作压力为1～10Pa，优选为2～3Pa；
优选地，所述高密度等离子体增强化学气相沉积设备腔体的功率为500～900W，优选为700～800W；
优选地，所述气相沉积的速率为4～15nm/min，优选为8～10nm/min；
优选地，所述硅源的体积：载体和保护气体的总体积＝(0.01～0.1):1，优选为(0.04～0.06):1。


3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述高密度等离子体增强化学气相沉积设备腔体的真空度为3×10-5～1×10-6Pa；
优选地，所述载体和保护气体皆为惰性气体，优选所述载体和保护气体各自独立的选自氖气、氪气、氮气和氩气中的任意一种或至少两种的混合；
优选地，所述载体和保护气体的纯度皆大于99％，优选为大于99.99％。


4.如权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，所述衬底为石英玻璃、金属或柔性薄膜衬底；优选所述衬底上存在金属薄膜或非金属薄膜；
优选地，所述柔性薄膜衬底为聚酰亚胺柔性薄膜。


5.如权利要求1-4之一所述的方法，其特征在于，所述衬底在进行气相沉积前，进行如下预处理：用丙酮和...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋志伟，褚卫国，徐丽华，闫兰琴，
申请(专利权)人：国家纳米科学中心，
类型：发明
国别省市：北京;11