多晶硅薄膜的制備方法以及光電器件技術

一種多晶硅薄膜的制備方法，包括以下步驟：S1，提供非晶硅薄膜，將所述非晶硅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，并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并產生等離子體，在所述等離子體環境中，所述非晶硅薄膜發生退火晶化，從而得到所述多晶硅薄膜。本發明專利技術通過將非晶硅薄膜置于中壓條件下電感耦合產生的射頻等離子體環境中，使得所述非晶硅薄膜進行快速退火晶化，從而在低溫條件下快速制備多晶硅薄膜；本發明專利技術不僅可以使用普通玻璃等廉價襯底，從而極大的降低了制備成本，而且極大的節約了時間成本，同時還具有低沉本、大面積制備和工藝簡單的優勢。

Method for preparing polycrystalline silicon thin film and photoelectric device

A preparation method of a polysilicon film, which comprises the following steps: S1, with amorphous silicon thin films, the amorphous silicon thin film into the water samples in the reaction chamber; S2, the plasma source gas is introduced into the reaction chamber, and the chamber pressure is adjusted to 100Pa to 10000Pa; S3, the plasma excitation source and generate plasma in the plasma environment, the amorphous silicon thin film annealed crystallization, resulting in the polycrystalline silicon thin film. The non RF plasma environment generate medium conditions of amorphous silicon films under inductive coupling, so that the amorphous silicon thin film by rapid annealing crystallization, to prepare poly Si thin films at low temperature; the invention not only can use ordinary glass cheap substrate, thereby greatly reducing the cost of preparation. But also save time and cost, but also has a large area, the preparation process is simple and advantage.

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及半導體領域，特別是涉及一種多晶硅薄膜的制備方法及應用該多晶硅薄膜的光電器件。
技術介紹
多晶硅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，大晶粒多晶硅薄膜擁有與單晶硅薄膜相似的高遷移率，可用于大面積、快速響應的場效應晶體管、傳感器等光電器件的制備。在太陽能電池方面，多晶硅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系數；具有與晶體硅相同的穩定性，不會產生類似于非晶硅嚴重的光致衰減效應。現有的多晶硅薄膜制備工藝主要包括化學氣相沉積(CVD)和非晶硅退火晶化兩類方法。CVD技術制備完全晶化的多晶硅薄膜，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。非晶硅退火晶化方法主要包括固相晶化法(SPC)、金屬誘導晶化法(MIC)以及準分子激光晶化法(ELA)三種。SPC是將非晶硅薄膜置于退火爐中進行退火，制備的多晶硅薄膜粒度均勻，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后再進行退火，晶化溫度和晶化時間相比于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存在著金屬污染的問題，限制了其的廣泛應用。ELC利用大功率脈沖激光照射到非晶硅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，盡管已經在工業上得到應用，然而其設備昂貴，大面積生產重復性差且需考慮成本問題。
技術實現思路
基于此，有必要提供一種低溫、快速且制備成本低的多晶硅薄膜制備工藝以及應用該多晶硅薄膜的光電器件。一種多晶硅薄膜的制備方法，包括以下步驟：S1，提供非晶硅薄膜，將所述非晶硅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，并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并產生等離子體，在所述等離子體環境中，所述非晶硅薄膜發生退火晶化，從而得到所述多晶硅薄膜。在其中一個實施例中，所述非晶硅薄膜的厚度為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，并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，采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，所述非晶硅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，所述非晶硅薄膜通過襯底進行支撐，在所述非晶硅薄膜退火晶化過程中，所述襯底的溫度為300-700℃，所述非晶硅薄膜退火晶化所需的時間為5-30s。一種光電器件，其特征在于，所述光電器件包括由權利要求1至9任一項所述的制備方法制備的多晶硅薄膜。本專利技術通過將非晶硅薄膜置于中壓條件下產生的離子體環境中，并置于水冷樣品臺上，使得所述非晶硅薄膜進行快速退火晶化，從而在低溫條件下快速制備多晶硅薄膜；本專利技術不僅可以使用普通玻璃等廉價襯底，從而極大的降低了制備成本，而且極大的節約了時間成本，同時還具有低沉本、大面積制備和工藝簡單的優勢。本專利技術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℃，并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硅薄膜進行快速退火；由于采用水冷樣品臺，可以保持襯底在比較低的溫度條件下實現非晶硅膜層的快速退火。另外，由于在上述等離子體環境中存在大量的原子態的H，由于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硅薄膜的退火晶化。綜合上述兩方面原因，可以實現非晶硅薄膜的快速退火；另外，由于退火時間比較短，襯底本身被加熱后的溫度不會很高，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為本專利技術多晶硅薄膜的制備方法的流程圖；圖2為實施例1制備的多晶硅薄膜的SEM圖；圖3為實施例1制備的多晶硅薄膜的TEM圖；圖4為實施例1制備的多晶硅薄膜的AFM測試結果；圖5為實施例1制備的多晶硅薄膜的Raman測試結果；圖6為實施例3制備的多晶硅薄膜的Raman測試結果。具體實施方式為了使本專利技術的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下通過實施例并結合附圖，對本專利技術進行進一步詳細說明。請參閱圖1，本專利技術提供一種多晶硅薄膜的制備方法，包括以下步驟：S1，提供非晶硅薄膜，將所述非晶硅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，并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并產生等離子體，在所述等離子體環境中，所述非晶硅薄膜發生退火晶化，從而得到所述多晶硅薄膜。在步驟S1中，可進一步提供一襯底，用于支撐所述非晶硅薄膜。所述襯底可以是純度較高的硅片，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硅薄膜，然后將沉積有所述非晶硅薄膜的所述襯底放入所述反應室中。所述非晶硅薄膜的厚度可以是100nm～1μm，所述非晶硅薄膜過厚，所述等離子體對所述非晶硅薄膜的退火晶化效果變差，所述非晶硅薄膜過薄，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硅薄膜進行快速退火。另外，由于采用水冷樣品臺，可以保持襯底在比較低的溫度條件下實現非晶硅薄膜的快速退火，襯底的低溫條件可以使所述襯底的選擇范圍更寬，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硅薄膜的制備成本，更有利于其產業化。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，所述非晶硅薄膜退火晶化過程中，所述襯底的溫度為300-700℃。更為優選地，所述非晶硅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于產生等離子體且不與所述非晶硅薄膜和多晶硅薄膜發生化學反應。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原子對所述非晶硅薄膜的晶化有促進作用，從而進一步縮短所述多晶硅薄膜的制備時間。優選地，所述氫本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種多晶硅薄膜的制備方法，包括以下步驟：S1，提供非晶硅薄膜，將所述非晶硅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，并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并產生等離子體，在所述等離子體環境中，所述非晶硅薄膜發生退火晶化，從而得到所述多晶硅薄膜。

【技術特征摘要】
1.一種多晶硅薄膜的制備方法，包括以下步驟：S1，提供非晶硅薄膜，將所述非晶硅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，并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并產生等離子體，在所述等離子體環境中，所述非晶硅薄膜發生退火晶化，從而得到所述多晶硅薄膜。2.根據權利要求1所述的多晶硅薄膜的制備方法，其特征在于，所述非晶硅薄膜的厚度為100nm～1μm。3.根據權利要求1所述的多晶硅薄膜的制備方法，其特征在于，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通入流量為10-30slm。4.根據權利要求3所述的多晶硅薄膜的制備方法，其特征在于，在所述步驟S2中，所述等離子體氣體源的通入流量為15-25slm，并將所述反應室的壓力調節至200Pa至1500Pa。5.根據權利要求1所述的多晶硅薄膜的制備方法，其特征在于，在所述步...

【專利技術屬性】
技術研發人員：蘆子玉，鄔蘇東，葉繼春，高平奇，丁麗，
申請(專利權)人：中國科學院寧波材料技術與工程研究所，
類型：發明
國別省市：浙江;33