一种制备多晶硅薄膜的方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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；同时本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及制备多晶硅薄膜的方法
，更具体地，属于制备多晶硅薄膜的方法的改进。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术采用的技术方案是:，其中，包括磁控溅射镀膜步骤SI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SI包括以下步骤:Sll.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 X 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 V ;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90nnT400nm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: 521.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； 522.进行热退火实验，石英盒内温度降至200°C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齒钨灯，可以进行快速的升降温，最快可以达到200°C/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IOmmX30mmX0.5mm。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°C或200°C或300°C。300°C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°C或950°C或900°C或850°C或 800°C或 750°C或 700°C。进一步的，所述的步骤S22中热退火实验的退火温度为850°C，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°C，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O 200°C /s，本实验测试中，选用的升温速率为50°C /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SI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: (I)本专利技术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)本专利技术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)本专利技术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是本专利技术中使用的磁控溅射镀膜机系统简 图2是不同基底温度下的硅薄膜拉曼光谱 图3是不同退火温度下的拉曼光谱 图4是不同退火温度下多晶硅薄膜的结晶率 图5是不同退火温度下多晶硅薄膜的X衍射谱； 图6是700°C退火温度下不同退火时间的拉曼光谱图； 图7是850°C退火温度下不同退火时间的拉曼光谱 图8是不同退火时间下多晶硅薄膜的结晶率图。具体实施例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I，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SI包括以下步骤: Sll.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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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Si和快速光热退火步骤S2，所述的磁控溅射镀膜步骤SI包括以下步骤: 511.将石英基片用蒸馏水洗净之后，用无水酒精擦拭，风干； 512.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5.0X10—4 Pa ； 513.以硅作为靶材，预溅射除去硅靶表面的杂质； 514.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 V ； 515.在石英基片上沉积厚度为90nnT400nm的非晶硅薄膜； 所述的快速光热退火步骤S2包括以下步骤: 521.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； 522.进行热退火实验，石英盒内温度降至200°C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...

【专利技术属性】
技术研发人员：江绍基，钟金池，周丽丹，胡洁，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：