本發(fā)明涉及半導(dǎo)體領(lǐng)域，特別是涉及一種多晶硅薄膜的制備方法及應(yīng)用該多晶硅薄膜的光電器件。

背景技術(shù)：

多晶硅薄膜因其良好的性能已受到人們的廣泛關(guān)注。在大陣列液晶顯示領(lǐng)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(yīng)的場效應(yīng)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(shù)；具有與晶體硅相同的穩(wěn)定性，不會產(chǎn)生類似于非晶硅嚴重的光致衰減效應(yīng)。

現(xiàn)有的多晶硅薄膜制備工藝主要包括化學(xué)氣相沉積(CVD)和非晶硅退火晶化兩類方法。CVD技術(shù)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(zhì)發(fā)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(dǎo)晶化法(MIC)以及準(zhǔn)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(chǔ)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(chǔ)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(yīng)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(nèi)到達熔化溫度，從而實現(xiàn)液相再結(jié)晶，盡管已經(jīng)在工業(yè)上得到應(yīng)用，然而其設(shè)備昂貴，大面積生產(chǎn)重復(fù)性差且需考慮成本問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

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(yīng)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(yīng)室中的水冷樣品臺上；

S2，向所述反應(yīng)室中通入等離子體氣體源，并將所述反應(yīng)室的壓力調(diào)節(jié)至100Pa至10000Pa；

S3，激發(fā)所述等離子體氣體源并產(chǎn)生等離子體，在所述等離子體環(huán)境中，所述非晶硅薄膜發(fā)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(yīng)室的壓力調(diào)節(jié)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(chǎn)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(quán)利要求1至9任一項所述的制備方法制備的多晶硅薄膜。

本發(fā)明通過將非晶硅薄膜置于中壓條件下產(chǎn)生的離子體環(huán)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；本發(fā)明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(jié)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(yōu)勢。

本發(fā)明中快速退火晶化的原理為：上述等離子體環(huán)境中，等離子體氣體的溫度超過2000℃，并且在優(yōu)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(xiàn)非晶硅膜層的快速退火。另外，由于在上述等離子體環(huán)境中存在大量的原子態(tài)的H，由于H原子的化學(xué)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(xiàn)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為本發(fā)明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(jié)果；

圖5為實施例1制備的多晶硅薄膜的Raman測試結(jié)果；

圖6為實施例3制備的多晶硅薄膜的Raman測試結(jié)果。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下通過實施例并結(jié)合附圖，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。

請參閱圖1，本發(fā)明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(yīng)室中的水冷樣品臺上；

S2，向所述反應(yīng)室中通入等離子體氣體源，并控制所述反應(yīng)室的壓力至100Pa至10000Pa；

S3，激發(fā)所述等離子體氣體源并產(chǎn)生等離子體，在所述等離子體環(huán)境中，所述非晶硅薄膜發(fā)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(yīng)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(yīng)室抽真空的步驟，以保證所述反應(yīng)室內(nèi)水蒸氣和雜質(zhì)氣體的含量保持在較低水平。優(yōu)選地，使所述反應(yīng)室的本底真空度為10^-3～10^-6Pa。更為優(yōu)選地，使所述反應(yīng)室的本底真空度為10^-5～10^-6Pa。

在步驟S2中，將所述反應(yīng)室的壓力調(diào)節(jié)至100Pa至10000Pa，可以在步驟S3中產(chǎn)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(xiàn)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(zhì)也不會發(fā)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(chǎn)業(yè)化。

優(yōu)選地，可將所述反應(yīng)室的壓力調(diào)節(jié)至200-1500Pa。更為優(yōu)選地，可將所述反應(yīng)室的壓力調(diào)節(jié)至500-1000Pa。

優(yōu)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(yōu)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(chǎn)生等離子體且不與所述非晶硅薄膜和多晶硅薄膜發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。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(yōu)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(yōu)選地，所述氫氣的通入流量不超過1.0slm，更為優(yōu)選地，所述氫氣的通入流量為0.3～0.7slm。

在步驟S3中，可以采用射頻電源對所述反應(yīng)室施加一射頻電場，從而激發(fā)所述等離子體氣體源產(chǎn)生所述等離子體。可以采用電感耦合或直流電弧方式通過等離子體噴槍產(chǎn)生等離子體。

所述等離子體噴槍的直徑可以為40-60mm，所述非晶硅薄膜與所述等離子體噴槍出口的距離可以為20-60mm。優(yōu)選地，所述射頻電源的功率設(shè)置為10～20kw，所述射頻電源的功率越大，所述非晶硅薄膜的晶化時間越短，然而，若所述射頻電源的功率過大，則會使所述非晶硅薄膜發(fā)生刻蝕情況，從而不能得到完整的多晶硅薄膜。更為優(yōu)選地，所述射頻電源的功率設(shè)置為12～16kw。

優(yōu)選地，所述非晶硅薄膜退火晶化所需的時間為5-30s。更為優(yōu)選地，所述非晶硅薄膜退火晶化所需的時間為5-15s。

本發(fā)明中快速退火晶化的原理為：上述等離子體環(huán)境中，等離子體氣體的溫度超過2000℃，并且在優(yōu)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(xiàn)非晶硅膜層的快速退火。另外，由于在上述等離子體環(huán)境中存在大量的原子態(tài)的H，由于H原子的化學(xué)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(xiàn)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。

本發(fā)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硅薄膜、多晶硅薄膜或其組合。

本發(fā)明進一步提供一種光電器件，包括采用上述制備方法制備的多晶硅薄膜。

實施例1

在清洗過的3cm×3cm硅片襯底上沉積一層1μm厚的非晶硅薄膜，取出樣品并將其安裝在中壓等離子CVD設(shè)備的水冷樣品臺上，調(diào)節(jié)樣品臺高度，使襯底表面與等離子體噴槍出口距離在30mm，關(guān)上真空腔室并且將真空室抽至10^-5Pa的本底真空度，關(guān)閉連接分子泵組與腔體之間的閘板閥并打開工藝泵組和壓力控制閥，通入流量為20slm的高純Ar，并且通過調(diào)節(jié)壓力控制閥使真空室內(nèi)的壓力達到800Pa，通入流量為0.5slm的高純H₂并打開射頻電源，產(chǎn)生等離子體，調(diào)節(jié)射頻電源功率至14kW，退火溫度為552℃，退火時間為7s。退火結(jié)束后關(guān)閉H₂、關(guān)閉等離子體電源、關(guān)閉Ar。

實施例2

本實施例與實施例1基本相同，不同之處在于，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(yīng)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，不同之處在于，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，不同之處在于，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(diào)節(jié)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，不同之處在于，所用襯底為5cm×5cm硅片，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(diào)節(jié)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，不同之處在于，僅通入21slm的高純Ar而并不通入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，不同之處在于，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(fā)明提供的制備方法得到的多晶硅薄膜具有明顯的晶粒結(jié)構(gòu)，表明所述非晶硅薄膜發(fā)生了晶化，所述多晶硅薄膜的表面粗糙度Ra為4.35nm。圖5中峰值位于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，所述多晶硅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制備的多晶硅薄膜的晶化程度表，從表1可以看出，本發(fā)明在30s內(nèi)即可得到完全晶化的多晶硅薄膜，而且所述非晶硅薄膜的退火溫度很低。此外，氫氣對所述非晶硅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(fā)明提供的多晶硅薄膜制備工藝，通過將非晶硅薄膜置于中壓條件下電感耦合產(chǎn)生的射頻等離子體環(huán)境中，從而使非晶硅薄膜快速晶化，且在低溫條件下即可快速獲得多晶硅薄膜，不僅可以使用普通玻璃等廉價襯底，極大的降低了制備成本，而且極大的節(jié)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(yōu)勢。

以上所述實施例的各技術(shù)特征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(shù)特征所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術(shù)特征的組合不存在矛盾，都應(yīng)當(dāng)認為是本說明書記載的范圍。

以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。