專利名稱:一種多晶硅薄膜制備方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及多晶硅薄膜制備方法。
背景技術(shù):
多晶硅薄膜具有高載流子遷移率和可大面積生長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn),在太陽(yáng)能電池、薄膜晶 體管、傳感器等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。多晶硅薄膜太陽(yáng)電池是將多晶硅薄膜生長(zhǎng)在低成本 的襯底材料上,用相對(duì)薄的多晶硅層作為太陽(yáng)電池的激活層,不僅保持了晶體硅太陽(yáng)電池 的高性能和穩(wěn)定性,而且材料的用量大幅度下降,明顯地降低了電池成本。多晶硅薄膜太 陽(yáng)電池的工作原理與其它太陽(yáng)電池一樣,是基于太陽(yáng)光與半導(dǎo)體材料的作用而形成光伏效 應(yīng)。為了節(jié)省硅材料,研究人員從70年代中期就試圖在普通玻璃等廉價(jià)襯底上沉積多晶硅 薄膜,但由于生長(zhǎng)的硅膜晶粒大小,未能制成有價(jià)值的多晶硅太陽(yáng)能電池。多晶硅薄膜電池 被認(rèn)為是最有可能替代單晶硅電池和非晶硅薄膜電池的下一代太陽(yáng)電池,現(xiàn)在已經(jīng)成為國(guó) 際太陽(yáng)能領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。多晶硅的載流子遷移率比非晶硅高2個(gè)數(shù)量級(jí)甚至更高,因此 用多晶硅薄膜做成薄膜晶體管電路,可以使液晶屏的外圍驅(qū)動(dòng)電路與顯示屏在同一塊襯底 上.多晶硅薄膜晶體管由于能提供比非晶硅薄膜晶體管更高的遷移率、更快的開關(guān)速度和 更高的電流驅(qū)動(dòng)能力,其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛,如高速打印機(jī)、高壓薄膜晶體管、傳真機(jī)、有源 矩陣液晶顯示器、液晶投影儀等。目前,多晶硅薄膜在傳感器上的應(yīng)用主要有壓力傳感器、 加速度傳感器、應(yīng)變計(jì)、熱電傳感器及執(zhí)行器等。對(duì)于前幾種可歸結(jié)為力學(xué)量傳感器,其理 論基礎(chǔ)是依據(jù)多晶硅的壓阻效應(yīng)。要想提高多晶硅薄膜的應(yīng)變系數(shù),應(yīng)提高多晶硅薄膜的 載流子遷移率,增加薄膜厚度,提高薄膜表面的鏡面反射系數(shù)。制備多晶硅薄膜的方法有很多種,其中化學(xué)氣相沉積法(CVD)是制備多晶硅薄膜 最廣泛使用的方法。要制備高質(zhì)量多晶硅薄膜,首先需要選擇合適的襯底材料。襯底材料 必須滿足如下條件價(jià)格低廉,具有好的化學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性,與硅的熱膨脹系數(shù)匹配,耐高 溫且不會(huì)引入明顯雜質(zhì)污染。目前見報(bào)道的生長(zhǎng)多晶硅薄膜的襯底有冶金級(jí)多晶硅,石墨 或者SiC,陶瓷,石英,玻璃,不銹鋼等襯底。但可惜的是,沒有一種襯底能滿足上述全部要 求。所以低成本地制備大面積、大晶粒、高載流子遷移率的多晶硅薄膜依然是擺在各國(guó)研究 人員面前的巨大難題。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是,基于上述多晶硅薄膜在太陽(yáng)能電池、薄膜晶體管以 及傳感器等領(lǐng)域的重大應(yīng)用前景,提出一種多晶硅薄膜制備方法,它解決了高溫生長(zhǎng)多晶 硅薄膜的襯底問題,使得大面積多晶硅薄膜和多晶硅薄膜電池低成本制備成為可能。本發(fā)明的技術(shù)方案是,所述多晶硅薄膜制備方法為以承載有低熔點(diǎn)金屬錫的耐 高溫槽為襯底,在錫槽溫度范圍為800°C -1400°C時(shí),采用化學(xué)氣相沉積法先在液態(tài)錫表面 沉積一層二氧化硅或者氮化硅薄膜過渡層,再采用化學(xué)氣相沉積法在該過渡層上沉積一層 多晶硅薄膜;最后在保持錫為液態(tài)的溫度下,連帶過渡層分離多晶硅薄膜。
以下對(duì)本發(fā)明做出進(jìn)一步說明。本發(fā)明中,以硅源SiH4與氧源O2,或以硅源SiHCl3與氧源&為反應(yīng)氣體沉積二氧 化硅過渡層;以硅源SiH4與氮源NH3,或以硅源SiHCl3與氮源NH3為反應(yīng)氣體沉積氮化硅過 渡層;以硅源SiH4,或硅源SiH4與氫源H2,或硅源SiHCl3與氫源吐為反應(yīng)氣體沉積多晶硅薄膜。所述SiH4 與 O2、SiHCl3 與 O2、SiH4 與 NH3、SiHCl3 與 NH3 的體積比均為 1 1-5。所述SiH4 與 H2、SiHCl3 與 H2 的體積比 1 1-5。所述過渡層沉積速率為1納米/秒-100納米/秒,所述多晶硅薄膜沉積速率為 0. 5納米/秒-100納米/秒。為適應(yīng)多晶硅薄膜晶體管或者傳感器制作,所述過渡層厚度為50微米-500微米, 所述多晶硅薄膜厚度為20納米-200納米。為適應(yīng)多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池制作,所述過渡層厚度為0. 5微米-5微米,所述多 晶硅薄膜厚度為10微米-100微米。本發(fā)明提出一種低成本“浮法”多晶硅薄膜制備方法,即采用低熔點(diǎn)、低蒸汽壓、高 密度金屬錫作為可以分離的液態(tài)“襯底”,采用高溫化學(xué)氣相沉積技術(shù)先在液態(tài)金屬錫表面 沉積一層SW2或者SiNx過渡層,接著在上述過渡層上高溫沉積一層一定厚度的多晶硅層; 利用SiA或者SiNx過渡層和Sn的不浸潤(rùn)的特性來解決上層硅和錫的界面反應(yīng)問題和分離 問題。采用該高溫工藝生長(zhǎng)的多晶硅膜大面積成膜均勻,成本低廉,容易批量產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn), 而且硅膜晶粒大于10微米,載流子遷移率大于100cm2/V. s,非常適合高性能薄膜晶體管、高 效多晶硅薄膜電池制作。由以上可知,本發(fā)明為一種多晶硅薄膜制備方法,它巧妙地解決了高溫生長(zhǎng)多晶 硅薄膜的襯底問題,使得大面積多晶硅薄膜和多晶硅薄膜電池低成本制備成為可能。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的具體工藝過程是首先在高純耐高溫槽(例如石英、石墨)內(nèi)裝入高純 (純度大于99. 9% )金屬錫,放入真空腔體,當(dāng)真空度優(yōu)于10帕斯卡后,加熱承載有金屬 錫的槽體。在800°C -1400°C溫度范圍內(nèi)采用化學(xué)氣相沉積工藝,以SiH4(或者SiHCl3)為 硅源、O2為氧源(或者NH4為氮源),先在液態(tài)錫表面沉積一層氧化硅(或者氮化硅)過渡 層,通入的硅源和氧源(或者氮源)的比例范圍為1 1-1 5,過渡層厚度范圍為0.5微 米-500微米。接著保持錫槽溫度,以純硅烷(或者H2和SiHCl3)為反應(yīng)氣體,在該過渡層 上沉積一層多晶硅薄膜,沉積速率范圍為1-100納米/秒。當(dāng)用于薄膜晶體管和傳感器制 作時(shí),多晶硅薄膜厚度范圍為20納米-200納米,當(dāng)用于太陽(yáng)能電池制作時(shí),多晶硅薄膜厚 度范圍為10-150微米。最后降低反應(yīng)槽溫度到600°C -250°C,保持錫槽中的錫為液態(tài),分 離固態(tài)多晶硅薄膜。實(shí)施例1 將裝載有高純(> 99. 99% )金屬Sn的石英槽放入化學(xué)氣相沉積的腔 室,抽真空到真空度優(yōu)于10帕斯卡后加熱錫槽,保持錫槽溫度為900°C,按照1 2的比例 通入SH4和02,在液態(tài)Sn表面沉積一層厚度為100微米的S^2過渡層,S^2的沉積速率 為100納米/秒。接著僅僅通入SiH4,繼續(xù)采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)在S^2表面上沉積一層 厚度為100納米的多晶硅薄膜,多晶硅薄膜的沉積速率為0.5納米/秒。最后降低反應(yīng)槽溫度到300°C,保持錫槽中的錫為液態(tài),利用SW2和Sn互不浸潤(rùn)的現(xiàn)象分離已經(jīng)固化的氧
化硅和多晶硅薄膜。實(shí)施例2 將裝載有金屬Sn的石墨槽放入能抽真空的腔室,抽真空到真空度優(yōu)于 10帕斯卡后加熱錫槽,保持錫槽溫度為1000°C,按照1 2的比例通入SiHCl3和O2,在液 態(tài)Sn表面沉積一層厚度為1微米的SW2過渡層,SW2的沉積速率為10納米/秒。接著按 照2 1體積比通入H2*SiHCl3作為反應(yīng)氣體,繼續(xù)采用化學(xué)氣相沉積技術(shù),在SiO2薄膜 表面上沉積一層厚度為50微米的多晶硅薄膜,多晶硅薄膜的沉積速率為50納米/秒。最 后降低反應(yīng)槽溫度到^0°C,保持錫槽中的錫為液態(tài),分離已經(jīng)固化的多晶硅薄膜。實(shí)施例3 將裝載有金屬Sn的石英槽放入真空腔室,抽真空到真空度優(yōu)于10帕斯 卡后加熱錫槽,保持錫槽溫度為900°C,按照1 4的比例通入SiH4和NH3,在液態(tài)Sn表面 沉積一層厚度為0. 5微米的氮化硅過渡層,氮化硅的沉積速率為1納米/秒。接著僅僅通 入SHl4在氮化硅薄膜表面上沉積一層厚度為50微米的多晶硅薄膜,多晶硅薄膜的沉積速 率為50納米/秒。最后降低反應(yīng)槽溫度到300°C,在Sn為液態(tài)時(shí)分離固態(tài)多晶硅薄膜。實(shí)施例4 將裝載有高純金屬Sn的石英槽放入化學(xué)氣相沉積的腔室,抽真空到真 空度優(yōu)于10帕斯卡后加熱錫槽,保持錫槽溫度為1200°C,按照1 2的比例通入SiHjno2, 在液態(tài)Sn表面沉積一層厚度為5微米的SW2層,SW2的沉積速率為10納米/秒。接著僅 僅通入SiH4,在SiO2表面上沉積一層厚度為150微米的多晶硅,多晶硅膜的沉積速率為100 納米/秒。最后降低反應(yīng)槽溫度到300°C,保持錫槽中的錫為液態(tài),利用SW2和Sn互不浸 潤(rùn)的現(xiàn)象分離已經(jīng)固化的S^2和多晶硅膜。
權(quán)利要求
1.一種多晶硅薄膜制備方法,其特征在于,該方法為,以承載有低熔點(diǎn)金屬錫的耐高溫 槽為襯底,在錫槽溫度范圍為800°c -1400°C時(shí),采用化學(xué)氣相沉積法先在液態(tài)錫表面沉積 一層二氧化硅或者氮化硅薄膜過渡層,再采用化學(xué)氣相沉積法在該過渡層上沉積一層多晶 硅薄膜;最后在保持錫為液態(tài)的溫度下,連帶過渡層分離多晶硅薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述多晶硅薄膜制備方法,其特征在于,以SiH4與O2,或以SiHCl3與 O2為反應(yīng)氣體沉積二氧化硅過渡層;以SiH4與NH3,或以SiHCl3與NH3為反應(yīng)氣體沉積氮化 硅過渡層;以SiH4,或SiH4與H2,或SiHCl3與H2為反應(yīng)氣體沉積多晶硅薄膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述多晶硅薄膜制備方法,其特征在于,所述SiH4與02、SiHCl3 與O2、SiH4與NH3、SiHCl3與NH3的體積比均為1 1-5。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述多晶硅薄膜制備方法,其特征在于,所述SiH4與H2、SiHCl3 與H2的體積比1 1-5。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述多晶硅薄膜制備方法,其特征在于,所述過渡層沉積速率為 1納米/秒-100納米/秒,所述多晶硅薄膜沉積速率為0. 5納米/秒-100納米/秒。5、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述多晶硅薄膜制備方法,其特征在于,為適應(yīng)多晶硅薄膜晶 體管或者傳感器制作,所述過渡層厚度為50微米-500微米,所述多晶硅薄膜厚度為20納 米-200納米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述多晶硅薄膜制備方法,其特征在于,為適應(yīng)多晶硅薄膜太陽(yáng) 能電池制作,所述過渡層厚度為0. 5微米-5微米,所述多晶硅薄膜厚度為10微米-150微米。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多晶硅薄膜生長(zhǎng)方法,高溫下在裝載有液態(tài)金屬Sn的石英、石墨等耐高溫槽內(nèi),采用化學(xué)氣相沉積工藝,以SiH4、SiHCl3等硅的氣態(tài)化學(xué)物為硅源、以O(shè)2為氧源或者NH3為氮源先在液態(tài)Sn表面沉積一層SiO2或者SiNx過渡層,接著以SiH4或者含H2的SiH4或SiHCl3為反應(yīng)氣體,在過渡層上沉積一層一定厚度的多晶硅薄膜。最后利用過渡層和液態(tài)金屬錫不浸潤(rùn)的特性,從液態(tài)Sn表面分離多晶硅薄膜。本發(fā)明解決了高溫生長(zhǎng)多晶硅薄膜的襯底問題,使得大面積多晶硅薄膜和多晶硅薄膜電池低成本制備成為可能,具有重要產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)C23C16/24GK102071405SQ20101057098
公開日2011年5月25日 申請(qǐng)日期2010年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月3日
發(fā)明者萬青, 佘鵬, 張雪平, 曾夢(mèng)麟 申請(qǐng)人:湖南大學(xué)