專利名稱：一種改進(jìn)的多晶硅薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種改進(jìn)的多晶硅薄膜的制備方法。
背景技術(shù)：
多晶娃薄I吳是由許多大小 不等，具有不同晶面取向的小晶粒構(gòu)成的，晶粒和晶粒之間是原子做無(wú)序排列的過(guò)渡區(qū)，即晶界。多晶硅薄膜的性能主要取決于晶粒大小、晶界勢(shì)壘高度、晶面排列情況和表面狀態(tài)。晶界可以捕捉電子和空穴，使雜質(zhì)在晶界分凝，成為復(fù)合中心，導(dǎo)致材料的性能降低。多晶硅材料被稱為“微電子大廈的基石〃，廣泛應(yīng)用于通訊雷達(dá)、廣播、自動(dòng)控制、傳感器等領(lǐng)域；多晶硅薄膜材料因其具有較高的載流子遷移率和穩(wěn)定的光電性能，是制備大面積平板顯示器以及薄膜太陽(yáng)能電池的優(yōu)質(zhì)材料。經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的今天，信息產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，能源需求的日益緊張，促使了太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展。而半導(dǎo)體硅材料是電子工業(yè)和光伏產(chǎn)業(yè)重要的基礎(chǔ)材料，在諸多的半導(dǎo)體材料中，多晶硅薄膜材料因其獨(dú)特的光電性能，簡(jiǎn)單的制備工藝，低廉的成本，豐富的材料等優(yōu)點(diǎn)，成為太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)的主要原料，也是發(fā)展信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)材料之一。因此，研制和發(fā)展優(yōu)質(zhì)的多晶硅材料對(duì)發(fā)展我國(guó)的電子工業(yè)和能源領(lǐng)域具有重大意義。其中，平板顯示是多晶硅薄膜應(yīng)用最為廣泛的領(lǐng)域之一。自發(fā)光的有機(jī)發(fā)光二極管顯示技術(shù)(OLED)因其具有主動(dòng)發(fā)光、高對(duì)比度、超薄、低功耗、無(wú)視角限制、響應(yīng)速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是下一代最有發(fā)展?jié)摿Φ钠桨屣@示技術(shù)，是可以在柔性襯底上制作大尺寸、高亮度、高分辨率的自發(fā)光顯示技術(shù)。目前OLED顯示屏已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在手機(jī)、MP3、數(shù)碼相機(jī)、儀器儀表、醫(yī)療、工控等消費(fèi)類電子產(chǎn)品以及工業(yè)產(chǎn)品中。OLED正處在從小尺寸向大尺寸的突破過(guò)程中。現(xiàn)在世界上具有TFT研發(fā)和制造能力的國(guó)際性大公司都看好AM — OLED的未來(lái)，并投入大量資金進(jìn)行研發(fā)。2007年日本索尼公司推出了 11英寸的OLED彩色電視機(jī)，率先實(shí)現(xiàn)OLED在中大尺寸，特別是在電視領(lǐng)域的應(yīng)用突破，其卓越的性能彰顯了 OLED在大尺寸顯示領(lǐng)域的巨大應(yīng)用前景，進(jìn)一步推動(dòng)了 AM-OLED產(chǎn)業(yè)和技術(shù)發(fā)展。光伏領(lǐng)域是多晶硅技術(shù)另一應(yīng)用廣泛的領(lǐng)域。目前由于非晶硅薄膜電池存在光致衰退效應(yīng)(S-W效應(yīng))口 1，即在受到長(zhǎng)時(shí)間照射后光電導(dǎo)和暗電導(dǎo)性能有所降低，而使得光照性能更為穩(wěn)定的多晶硅薄膜受到關(guān)注。但由于多晶硅對(duì)可見光部分的吸收系數(shù)較低，因此它可以與微晶硅電池或者非晶硅電池一起發(fā)展疊層電池。這已成國(guó)際上太陽(yáng)能領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。多晶硅薄膜的制備方法按成膜過(guò)程可分為兩大類:
一類是在襯底上直接沉積多晶硅薄膜，如低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)方法和等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)方法，LPCVD法是集成電路中多晶硅薄膜制備所采用的普遍方法，具有生長(zhǎng)速率快、成膜致密、均勻等優(yōu)點(diǎn)。但因其沉積溫度高，必須采用耐高溫的石英、硅、陶瓷襯底、使制備LCD和太陽(yáng)能電池的成本過(guò)高；PECVD法是通過(guò)射頻電場(chǎng)產(chǎn)生輝光放電增強(qiáng)膜的沉積。采用甚高頻VHF及微波的方法可大大提高薄膜的沉積速率，但其氣源SiF0氣體具有強(qiáng)烈的腐蝕性，特別是在沉積過(guò)程中形成的氫氟酸(HF)對(duì)金屬儀器具有較強(qiáng)的腐蝕性引。另一類是采用兩步結(jié)晶的方法，先制備非晶硅薄膜，然后通過(guò)再結(jié)晶技術(shù)使非晶硅轉(zhuǎn)化為多晶硅，如金屬誘導(dǎo)晶化法(MIC)、固相晶化法(SPC)和激光晶化法。金屬誘導(dǎo)晶化法經(jīng)常用于多晶硅薄膜的制備中，存在于非晶材料中的金屬與硅反應(yīng)形成低溫的硅化物，可以降低材料結(jié)晶所需的能量，從而使結(jié)晶過(guò)程可以在較低的溫度下進(jìn)行。MIC技術(shù)具有晶化溫度低、所需時(shí)間短、晶粒尺寸大 等優(yōu)點(diǎn)，但采用此方法制備的多晶硅薄膜中殘留大量的金屬，使薄膜性能嚴(yán)重衰退；固相晶化技術(shù)是指在一定的溫度下，通過(guò)使在固態(tài)內(nèi)具有較高內(nèi)能的非晶硅薄膜無(wú)規(guī)網(wǎng)絡(luò)中的硅原子被激活、重組，從而使非晶硅薄膜轉(zhuǎn)化為多晶硅薄膜的晶化技術(shù)。它的特點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)大面積多晶硅薄膜的制備。但由于該過(guò)程是一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間的高溫過(guò)程(大于600攝氏度，24小時(shí)以上)，不但降低產(chǎn)率，也帶來(lái)襯底形變等問(wèn)題。而且制備的多晶硅由于晶粒尺寸較小，存在較多晶界等缺陷態(tài)而使得材料性能不佳。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種改進(jìn)的多晶硅薄膜的制備方法，其具有工藝簡(jiǎn)單、薄膜沉積速率快的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明提供一種改進(jìn)的多晶硅薄膜的制備方法，包括以下步驟:
(1)選擇FTO透明玻璃基底，然后通過(guò)以下步驟清洗:
a用去離子水將基底沖洗干凈，將基底放進(jìn)預(yù)先配制好的NH3 H20:H202:H20=1:1:5的清洗液中，在水浴恒溫75°C下浸泡5 10分鐘；
b將基底取出，用去離子水清洗后，再將基底放進(jìn)HC1:H202:H20=1:1:5的清洗液中，在水浴恒溫75°C下浸泡5 10分鐘；
c將基底取出后，用去離子水清洗干凈，放進(jìn)盛有HF:H20=1:1的溶液中，浸泡3 5分鐘，洗去表面的氧化層；
d最后將基底放進(jìn)丙酮溶液中超聲清洗5分鐘，再放進(jìn)酒精溶液中超聲清洗5分鐘，最后用去離子水沖洗干凈；
e:用分子泵抽本底真空至lX10_4Pa左右，加熱襯底至溫度為300°C，然后通AH2氣，用氫等離子體原位清洗15分鐘，工作條件為:工作功率100W，工作壓強(qiáng)lOOPa，流量30 40sCCm，然后通過(guò)靜電除塵槍吹干；
(2)將高純粒徑大約為10微米的SiO2顆粒和去離子水混合得到SiO2顆粒漿料，采用絲網(wǎng)印刷工藝在多晶硅襯底上印刷一層SiO2漿料，烘烤后在多晶硅襯底上獲得一層SiO2顆粒膜作為過(guò)渡層；
(3)打開磁控濺射真空鍍膜室，將步驟2)處理后的襯底放在轉(zhuǎn)動(dòng)支架上；開總電源，開機(jī)械泵，開真空室角閥，抽真空至2X10_4 4X10_4Pa;
(4)以高純鎳和高純硅分別作為靶材，預(yù)濺射以除去硅、鎳靶材靶表面的雜質(zhì)；
(5)鍍膜工作氛圍為99.99%的氬氣，保持鍍膜室內(nèi)溫度為25 30°C，鍍膜濺射工作氣壓到0.4 3.0Pa，通過(guò)流量控制器調(diào)整氬氣流量為12 15SCCm，鎳靶和硅靶射的濺射功率分別為120 180W、12 25W，鍍膜過(guò)程中兩靶分別控制實(shí)現(xiàn)共同濺射，靶和基底的距離為200 300mm,鎳祀的派射時(shí)間為20 30min,娃祀的派射時(shí)間為15 25min ；
(6)啟動(dòng)溫控電源，使多晶硅薄膜直接在濺射室內(nèi)氬氣氛圍中退火，退火溫度為480 560°C，退火時(shí)間30 90min ；
(J)停機(jī)，關(guān)閉電源、泵和閥，待樣品溫度降為室溫時(shí)取出樣品；將樣品置于H3PO4:醋酸:HNO3: HF: H2O = 12: I: I: 2: 4的腐蝕液中浸泡5min，再用去離子水清洗后吹干。本發(fā)明采用了諸多步驟和參數(shù) 保證最終實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的。首先，為了得到更加清潔光鮮的生長(zhǎng)表面，主要采用兩個(gè)步驟對(duì)襯底材料進(jìn)行清洗，即化學(xué)清洗和等離子體清洗。由于襯底材料的表面含有氧化層和一定的雜質(zhì)、有機(jī)物沾污，因此通過(guò)特別配比的腐蝕液對(duì)襯底進(jìn)行清洗和腐蝕處理，等離子體清洗:經(jīng)過(guò)化學(xué)清洗的襯底表面仍然覆蓋有的氧化物和其它雜質(zhì)沾污，所以采用純氫等離子體來(lái)清洗表面，通過(guò)上述復(fù)合步驟，為沉積薄膜提供一個(gè)清潔新鮮的具有活性的生長(zhǎng)表面，有利于反應(yīng)過(guò)程中粒子的吸附和多晶硅薄膜的沉積。其次，通過(guò)增加一層SiO2顆粒膜構(gòu)成的過(guò)渡層，利用該過(guò)渡層的疏松性可以將沉積的多晶硅薄膜和多晶硅片襯底相分離；清洗去掉粘附在多晶硅薄膜上的SiO2顆粒后得到多晶硅薄膜，分離后的多晶硅襯底經(jīng)清洗去掉粘附的SiO2顆粒后能夠重復(fù)利用。最后，本發(fā)明通過(guò)使用高純鎳和高純硅分別作為靶材，在單一磁控濺射設(shè)備中完成，工藝簡(jiǎn)單，制造成本低。另外，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)選擇的退火溫度和退火時(shí)間，也使得薄膜的晶化程度最優(yōu)。本發(fā)明的有益效果在于，與傳統(tǒng)使用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法制備多晶硅薄膜相比，節(jié)省了工藝，避免化學(xué)氣相沉積方法的化學(xué)污染，制造成本低。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1
(1)選擇FTO透明玻璃基底，然后通過(guò)以下步驟清洗:
a用去離子水將基底沖洗干凈，將基底放進(jìn)預(yù)先配制好的NH3 H20:H202:H20=1:1:5的清洗液中，在水浴恒溫75°C下浸泡5分鐘；
b將基底取出，用去離子水清洗后，再將基底放進(jìn)HC1:H202:H20=1:1:5的清洗液中，在水浴恒溫75°C下浸泡5分鐘；
c將基底取出后，用去離子水清洗干凈，放進(jìn)盛有HF:H20=1:1的溶液中，浸泡3分鐘，洗去表面的氧化層；
d最后將基底放進(jìn)丙酮溶液中超聲清洗5分鐘，再放進(jìn)酒精溶液中超聲清洗5分鐘，最后用去離子水沖洗干凈；
e:用分子泵抽本底真空至lX10_4Pa左右，加熱襯底至溫度為300°C，然后通AH2氣，用氫等離子體原位清洗15分鐘，工作條件為:工作功率100W，工作壓強(qiáng)lOOPa，流量30sccm,然后通過(guò)靜電除塵槍吹干；
(2)將高純粒徑大約為10微米的SiO2顆粒和去離子水混合得到SiO2顆粒漿料，采用絲網(wǎng)印刷工藝在多晶硅襯底上印刷一層SiO2漿料，烘烤后在多晶硅襯底上獲得一層SiO2顆粒膜作為過(guò)渡層；(3)打開磁控濺射真空鍍膜室，將清洗后的襯底放在轉(zhuǎn)動(dòng)支架上；開總電源，開機(jī)械泵，開真空室角閥，抽真空至2X10_4Pa ；
(4)以高純鎳和高純硅分別作為靶材，預(yù)濺射以除去硅、鎳靶材靶表面的雜質(zhì)；
(5)鍍膜工作氛圍為99.99%的氬氣，保持鍍膜室內(nèi)溫度為25°C，鍍膜濺射工作氣壓到0.4Pa，通過(guò)流量控制器調(diào)整氬氣流量為12SCCm，鎳靶和硅靶射的濺射功率分別為120W、12W，鍍膜過(guò)程中兩靶分別控制實(shí)現(xiàn)共同 濺射，靶和基底的距離為200mm，鎳靶的濺射時(shí)間為20min,娃祀的派射時(shí)間為15min ；
(6)鍍膜完畢后，啟動(dòng)溫控電源，使鎳硅復(fù)合膜在直接在磁控濺射室內(nèi)氬氣氛圍中退火，退火溫度為480°C，退火時(shí)間30min ；
(7)停機(jī)，關(guān)閉電源、泵和閥，待樣品溫度降為室溫時(shí)取出樣品；將樣品置于H3PO4:醋酸:HNO3: HF: H2O = 12: I: I: 2: 4的腐蝕液中浸泡5min，再用去離子水清洗后吹干；
采用型號(hào)為Rigaku D/max 2500v/pc的X射線衍射儀對(duì)制得的多晶娃薄膜樣品進(jìn)行XRD分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)制得的多晶硅薄膜結(jié)晶情況良好，具有較高的晶化率。 實(shí)施例2
(1)選擇FTO透明玻璃基底，然后通過(guò)以下步驟清洗:
a用去離子水將基底沖洗干凈，將基底放進(jìn)預(yù)先配制好的NH3 H20:H202:H20=1:1:5的清洗液中，在水浴恒溫75°C下浸泡10分鐘；
b將基底取出，用去離子水清洗后，再將基底放進(jìn)HC1:H202:H20=1:1:5的清洗液中，在水浴恒溫75°C下浸泡10分鐘；
c將基底取出后，用去離子水清洗干凈，放進(jìn)盛有HF:H20=1:1的溶液中，浸泡5分鐘，洗去表面的氧化層；
d最后將基底放進(jìn)丙酮溶液中超聲清洗5分鐘，再放進(jìn)酒精溶液中超聲清洗5分鐘，最后用去離子水沖洗干凈；
e:用分子泵抽本底真空至lX10_4Pa左右，加熱襯底至溫度為300°C，然后通AH2氣，用氫等離子體原位清洗15分鐘，工作條件為:工作功率100W，工作壓強(qiáng)lOOPa，流量40sCCm，然后通過(guò)靜電除塵槍吹干；
(2)將高純粒徑大約為10微米的SiO2顆粒和去離子水混合得到SiO2顆粒漿料，采用絲網(wǎng)印刷工藝在多晶硅襯底上印刷一層SiO2漿料，烘烤后在多晶硅襯底上獲得一層SiO2顆粒膜作為過(guò)渡層；
(3)打開磁控濺射真空鍍膜室，將清洗后的襯底放在轉(zhuǎn)動(dòng)支架上；開總電源，開機(jī)械泵，開真空室角閥，抽真空至2 X 10_4 4 X KT4Pa ；
(4)以高純鎳和高純硅分別作為靶材，預(yù)濺射以除去硅、鎳靶材靶表面的雜質(zhì)；
(5)鍍膜工作氛圍為99.99%的氬氣，保持鍍膜室內(nèi)溫度為25 30°C，鍍膜濺射工作氣壓到3.0Pa，通過(guò)流量控制器調(diào)整氬氣流量為15sCCm，鎳靶和硅靶射的濺射功率分別為180W、25W，鍍膜過(guò)程中兩靶分別控制實(shí)現(xiàn)共同濺射，靶和基底的距離為300mm，鎳靶的濺射時(shí)間為30min,娃祀的派射時(shí)間為15 25min ；
(6)鍍膜完畢后，啟動(dòng)溫控電源，使鎳硅復(fù)合膜在直接在磁控濺射室內(nèi)氬氣氛圍中退火，退火溫度為560°C，退火時(shí)間90min ；(7)停機(jī)，關(guān)閉電源、泵和閥，待樣品溫度降為室溫時(shí)取出樣品；將樣品置于H3PO4:醋酸:HNO3: HF: H2O = 12: I: I: 2: 4的腐蝕液中浸泡5 15min，再用去離子水清洗后吹干；
采用型號(hào)為Rigaku D/max 2500v/pc的X射 線衍射儀對(duì)制得的多晶娃薄膜樣品進(jìn)行XRD分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)制得的多晶硅薄膜結(jié)晶情況良好，具有較高的晶化率。
權(quán)利要求
1.一種改進(jìn)的多晶硅薄膜的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)選擇FTO透明玻璃基底，然后通過(guò)以下步驟清洗: a用去離子水將基底沖洗干凈，將基底放進(jìn)預(yù)先配制好的NH3 H20:H202:H20=1:1:5的清洗液中，在水浴恒溫75°C下浸泡5 10分鐘； b將基底取出，用去離子水清洗后，再將基底放進(jìn)HC1:H202:H20=1:1:5的清洗液中，在水浴恒溫75°C下浸泡5 10分鐘； c將基底取出后，用去離子水清洗干凈，放進(jìn)盛有HF:H20=1:1的溶液中，浸泡3 5分鐘，洗去表面的氧化層； d最后將基底放進(jìn)丙酮溶液中超聲清洗5分鐘，再放進(jìn)酒精溶液中超聲清洗5分鐘，最后用去離子水沖洗干凈； e:用分子泵抽本底真空至lX10_4Pa左右，加熱襯底至溫度為300°C，然后通AH2氣，用氫等離子體原位清洗15分鐘，工作條件為:工作功率100W，工作壓強(qiáng)lOOPa，流量30 40sCCm，然后通過(guò)靜電除塵槍吹干； (2)將高純粒徑大約為10微米的SiO2顆粒和去離子水混合得到SiO2顆粒漿料，采用絲網(wǎng)印刷工藝在多晶硅襯底上印刷一層SiO2漿料，烘烤后在多晶硅襯底上獲得一層SiO2顆粒膜作為過(guò)渡層； (3)打開磁控濺射真空鍍膜室，將步驟2)處理后的襯底放在轉(zhuǎn)動(dòng)支架上；開總電源，開機(jī)械泵，開真空室角閥，抽真空至2X1`0_4 4X10_4Pa; (4)以高純鎳和高純硅分別作為靶材，預(yù)濺射以除去硅、鎳靶材靶表面的雜質(zhì)； (5)鍍膜工作氛圍為99.99%的氬氣，保持鍍膜室內(nèi)溫度為25 30°C，鍍膜濺射工作氣壓到0.4 3.0Pa，通過(guò)流量控制器調(diào)整氬氣流量為12 15SCCm，鎳靶和硅靶射的濺射功率分別為120 180W、12 25W，鍍膜過(guò)程中兩靶分別控制實(shí)現(xiàn)共同濺射，靶和基底的距離為200 300mm,鎳祀的派射時(shí)間為20 30min,娃祀的派射時(shí)間為15 25min ； (6)啟動(dòng)溫控電源，使多晶硅薄膜直接在濺射室內(nèi)氬氣氛圍中退火，退火溫度為480 560°C，退火時(shí)間30 90min ； (J)停機(jī)，關(guān)閉電源、泵和閥，待樣品溫度降為室溫時(shí)取出樣品；將樣品置于H3PO4:醋酸:HNO3: HF: H2O = 12: I: I: 2: 4的腐蝕液中浸泡5min，再用去離子水清洗后吹干。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種改進(jìn)的多晶硅薄膜的制備方法，包括清洗玻璃基底，配置環(huán)境，在多晶硅襯底上獲得一層SiO2顆粒膜作為過(guò)渡層，以高純鎳和高純硅分別作為靶材，預(yù)濺射以除去硅、鎳靶材靶表面的雜質(zhì)；再在適合環(huán)境下開始鍍膜，鍍膜過(guò)程中兩靶分別控制實(shí)現(xiàn)共同濺射，靶和基底的距離為200~300mm，鎳靶的濺射時(shí)間為20～30min，硅靶的濺射時(shí)間為15～25min；鍍膜完畢后在磁控濺射室內(nèi)氬氣氛圍中退火，待樣品溫度降為室溫時(shí)取出樣品；再置于H3PO4∶醋酸∶HNO3∶HF∶H2O＝12∶1∶1∶2∶4的腐蝕液中浸泡5~15min，然后再進(jìn)行鍍膜，即可獲得多晶硅薄膜。本發(fā)明節(jié)省了工藝，避免化學(xué)氣相沉積方法的化學(xué)污染，制造成本低。
文檔編號(hào)C23C14/02GK103103488SQ20121053439
公開日2013年5月15日 申請(qǐng)日期2012年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月12日
發(fā)明者楊利云 申請(qǐng)人:楊利云