CN104404462B - 一种共溅射低温快速制备多晶硅薄膜的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种共溅射低温快速制备多晶硅薄膜的方法，采用磁控溅射镀膜***，以玻璃片为衬底，在衬底上利用共溅射法溅射制备Al/a‑Si复合膜，将Al均匀填埋在a‑Si薄膜中，通过调节Al/Si共溅射的功率比可控制薄膜中的Al/Si含量。采用Si溅射功率为100~350W、Al溅射功率20~30W共溅射制备出Al/a‑Si复合膜，再将其放入RTP快速光热退火炉中于N2气氛下150℃~300℃退火10~15min，可得到晶化率为45%~90%、晶粒尺寸为20~100nm的多晶硅薄膜，提高了晶化效率，实现了低温快速制备出晶化率高、均匀性好的多晶硅薄膜。

Description

一种共溅射低温快速制备多晶硅薄膜的方法
技术领域
本发明涉及一种共溅射低温快速制备多晶硅薄膜的方法，属于高效硅基薄膜太阳电池领域。
背景技术
多晶硅（Polycrystalline silicon）薄膜因具有载流子迁移率高、吸收系数大、光电导性能好及稳定性高等优点，可广泛应用于各种光电子器件，如薄膜晶体管、太阳电池、图像传感器等。多晶硅薄膜大多是由非晶硅薄膜晶化来获得，目前，非晶硅(Amorphoussilicon)薄膜晶化的方法主要有：快速热退火法、准分子激光晶化、固相晶化法、金属诱导法和微波退火法等。其中，金属诱导退火晶化法因具有温度低、时间短、与器件工艺匹配等特点而倍受人们的青睐。人们通过对镍（Ni）、铝（Al）、金（Au）、铜（Cu）、钯（Pd）、铂（Pt）、银（Ag）和铬（Cr）等金属诱导非晶硅(α-Si)薄膜晶化进行了研究，证实了金属诱导非晶硅薄膜晶化的驱动力是非晶硅转化为晶体硅时自由能的降低。此外，还有非晶硅薄膜中的应力、缺陷和位错也为非晶硅薄膜晶化提供驱动力。其机理是金属和非晶硅在其界面形成一种亚稳态富金属硅化物，金属和硅原子通过这种硅化物进行互扩散，诱导的金属将会掺进多晶硅中成为掺杂杂质，在硅的能带中引入一个能级，从而导致非晶硅转化为多晶硅的活化能降低。其中，金属铝（Al）引起的杂质能级约0.069eV，非常接近价带，使得非晶态硅向晶态硅转变的活化能很低，因此，铝作为诱导金属可低温快速制备出有良好性能的多晶硅薄膜。此外，Al作为第IIIA族元素，掺杂到硅薄膜中成为P型杂质。
近年来，人们对铝诱导低温快速制备多晶硅薄膜的研究很多，如专利（申请号：201310111724.9）上海大学利用金属Al的催化作用，首先在衬底上生长非晶硅薄膜、二氧化硅薄膜及Al膜，形成多重界面的结构，然后进行两部退火，最后将表面Al刻蚀去除，制备出多晶硅薄膜；专利（申请号：201210215016.5），北京航空航天大学采用金属点阵诱导晶化非晶硅薄膜，具体是先在衬底上制备金属点阵，然后镀上金属薄膜，在金属薄膜上制备非晶硅薄膜，通过退火制备多晶硅薄膜；西安理工大学梁戈等人在《人工晶体学报》2011年40卷第1期上公布了通过制备Al/Si/Al/Si….Al/Si/glass结构的薄膜，经退火后制备出多晶硅薄膜。Al诱导低温快速制备多晶硅薄膜的方法大多是先制备出Al/a-Si、a-Si/Al、Al/SiO2/a-Si和Al/AlO3/a-Si结构的复合膜，再进行退火制备出多晶硅薄膜。因此，硅薄膜从Al/Si界面开始逐渐晶化，存在晶化效率低、均匀性差和薄膜分层等不足。鉴于此，本专利提出一种共溅射低温快速制备多晶硅薄膜的方法，其特征是采用磁控溅射镀膜***，利用共溅射在衬底上制备Al/a-Si复合膜，将Al均匀填埋在a-Si薄膜中，经过退火处理制备出多晶硅薄膜，具有晶化界面大、效率高、晶粒分布均匀等优点。
发明内容
针对背景技术提出的问题，本发明提出一种共溅射低温快速制备多晶硅薄膜的方法，具体是利用磁控溅射镀膜***为制备***，本地真空为6.0×10-4~4.0×10-4pa；利用玻璃片为衬底经清洗后再N2吹干；溅射气体用纯度为99.999%的Ar气，流量为22sccm；采用纯度为 99.999 %的硅靶和纯度为99.999%的Al靶为靶材，工作气压为6.8~7.2pa，在衬底上共溅射制备Al/a-Si复合膜，将Al均匀填埋在a-Si薄膜中，复合薄膜中的Al/Si含量可通过调节Al/Si溅射功率比来调控；将Al/a-Si复合薄膜放入RTP-500快速光热退火炉中N2气氛下进行退火处理，从而实现了低温快速制备多晶硅薄膜。
本发明按以下步骤实施
A) 利用三靶磁控溅射镀膜***，将溅射***的本底真空抽至6.0×10-4~4.0×10-4pa；
B) 利用玻璃片为衬底，并经丙酮、无水乙醇、去离子水分别超声清洗10~15min后再用N2吹干；
C) 溅射气体用纯度为99.999%的Ar气，流量为22sccm；
D) 采用纯度为 99.999 %的硅靶和纯度为99.999%的Al靶为靶材，工作气压为6.8~7.2pa，在衬底上共溅射制备Al/a-Si复合膜；
E) 将Al均匀填埋在a-Si薄膜中，通过调节Al/Si的溅射功率比来控制复合膜中的Al/Si含量；
F) 将Al/Si共溅射制备的Al/a-Si复合薄膜放入RTP-500快速光热退火炉中于N2气氛下进行退火处理，制备出多晶硅薄膜。
本发明与公知技术相比具有的优点及积极效果
1、本发明涉及一种共溅射法低温快速制备多晶硅薄膜的方法，增大了复合薄膜结晶界面的面积，增加了薄膜的结晶速率、降低了晶化温度并缩短了晶化时间；
2、共溅射法制备的多晶硅薄膜晶粒均匀分布在薄膜内，改善了薄膜的均匀性。
附图说明
图1为本发明提出的一种共溅射法低温快速制备多晶硅薄膜的方法的流程图；
图2为本发明提出的一种共溅射法低温快速制备多晶硅薄膜的方法的复合膜结构图
图3为本发明提出的一种共溅射法低温快速制备多晶硅薄膜的方法在实施例1下的多晶硅形貌图；
图4为本发明提出的一种共溅射法低温快速制备多晶硅薄膜的方法在实施例1的薄膜Raman图。
具体实施方式
实施例1
本实施例按以下步骤
采用JCP-450三靶磁控溅射镀膜***，以玻璃片为衬底，并依次使用丙酮、无水乙醇和去离子水对其分别进行超声清洗10~15min，再用N2吹干，以多晶硅靶(纯度 99.999 %、电导率 0.02Ωcm) 为靶材和纯度为99.999%的Al靶为靶材，溅射气体为纯度99.999%的Ar气；将溅射腔室的本底真空抽至5.0×10-4pa，打开通气阀通入Ar气，Ar气流量为20sccm，调节溅射压强为6.8pa~7.2pa，在衬底上共溅射制备Al/a-Si复合膜，其中非晶硅（a-Si）薄膜的溅射功率为100W~300W，铝（Al）膜的溅射功率为20~30W，将共溅射制备的Al/a-Si复合膜放入快速光热退火炉中于N2气氛下，以150℃~300℃的温度进行快速退火10~15min。得到晶化率达45%~90%，晶粒尺寸为20~100nm的多晶硅薄膜。

Claims (2)

1.一种共溅射低温快速制备多晶硅薄膜的方法，其特征包括：采用磁控溅射镀膜***，在衬底上进行双靶共溅射，其中非晶硅（a-Si）薄膜的溅射功率为100W~300W，铝（Al）膜的溅射功率为20~30W，制备Al/a-Si复合膜，将Al/a-Si复合膜在快速退火炉中于N2气氛下进行低温快速退火，制备出晶华率高、晶粒尺寸均匀的多晶硅薄膜；退火温度在150℃~300℃，退火时间为10~15min，其薄膜晶化率达到45%~90%、晶粒尺寸达到30~80nm。
2.如权利要求1所述的方法，其特征是，通过共溅射将Al均匀填埋在a-Si薄膜基质中形成复合薄膜。
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