CN109137063B - 一种高质量多晶硅薄膜的制备方法和制备装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种高质量多晶硅薄膜的制备方法和制备装置，包括：提供衬底，在所述衬底上设置非晶硅薄膜，在所述非晶硅薄膜上设置单晶硅薄膜，利用激光束透过所述衬底对所述非晶硅薄膜进行扫描，所述激光束到达所述非晶硅薄膜时，所述非晶硅薄膜上与所述单晶硅薄膜相接触的部位最先被所述激光束扫描到，以所述单晶硅薄膜作为籽晶层，所述非晶硅薄膜在所述激光束的作用下熔融再结晶，形成多晶硅薄膜；本发明制备出的多晶硅的质量趋近于单晶硅，适用于半导体材料制造领域。

Description

一种高质量多晶硅薄膜的制备方法和制备装置
技术领域
本发明涉及半导体材料制造领域，具体涉及一种高质量多晶硅薄膜的制备方法和制备装置。
背景技术
多晶硅薄膜的制备方法有化学沉积法、高温炉退火法、快速热退火法、金属诱导晶化法以及激光晶化法等。其中，化学气相沉积法，得到的多晶硅晶粒尺寸较小，难以满足诸如平板显示器、光伏电池等器件的未来发展要求；高温炉退火法和快速热退火法，总体成本较高，与开发多晶硅薄膜的出发点相违背；金属诱导晶化法，会大量引入金属原子，在很大程度上破坏了硅薄膜的电学性能。
目前，业界用的最为广泛的多晶硅薄膜制备方法是激光晶化法，利用激光产生的高能量使非晶硅熔融再结晶，能得到晶粒尺寸较大的多晶硅薄膜，为多晶硅薄膜在平板显示、太阳能电池等领域提供了广阔的应用前景。但是，激光直接扫描得到的多晶硅薄膜晶粒尺寸大小不一，晶粒排列不规则。鉴于此，亟需提出一种新的制备多晶硅薄膜的方法，能够制备出高质量的多晶硅薄膜。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种能够制备出质量趋近于单晶硅的多晶硅薄膜的制备方法和制备装置。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种高质量多晶硅薄膜的制备方法，包括：S101、提供衬底；S102、在所述衬底上设置非晶硅薄膜；S103、在所述非晶硅薄膜上设置单晶硅薄膜；S104、利用激光束透过所述衬底对所述非晶硅薄膜进行扫描，所述激光束到达所述非晶硅薄膜时，所述非晶硅薄膜上与所述单晶硅薄膜相接触的部位最先被所述激光束扫描到；S105、以所述单晶硅薄膜作为籽晶层，所述非晶硅薄膜在所述激光束的作用下熔融再结晶，形成多晶硅薄膜。
优选地，在所述衬底上设置非晶硅薄膜之前，先在所述衬底上沉积SiO2薄膜，再在所述SiO2薄膜上沉积非晶硅薄膜。
优选地，在所述非晶硅薄膜上设置单晶硅薄膜，具体包括：在所述非晶硅薄膜上设置单晶薄膜玻璃基板，所述单晶薄膜玻璃基板包括：单晶硅薄膜和玻璃基板，所述单晶硅薄膜和所述玻璃基板相互结合在一起，且所述单晶硅薄膜紧贴所述非晶硅薄膜。
优选地，所述单晶硅薄膜的表面晶向为{100}。
优选地，所述衬底为玻璃衬底。
相应地，一种高质量多晶硅薄膜的制备装置，包括：衬底，所述衬底上具有非晶硅薄膜，所述非晶硅薄膜上具有单晶硅薄膜，所述单晶硅薄膜作为籽晶层，使得所述非晶硅薄膜在激光束的作用下熔融再结晶，形成多晶硅薄膜，所述激光束由激光发生装置发射，当激光束透过所述衬底对所述非晶硅薄膜进行扫描时，所述非晶硅薄膜上与所述单晶硅薄膜相接触的部位最先被所述激光束扫描到。
优选地，所述衬底和所述非晶硅薄膜之间，还具有一层SiO2薄膜。
优选地，所述非晶硅薄膜上具有单晶薄膜玻璃基板，所述单晶薄膜玻璃基板包括：所述单晶硅薄膜和玻璃基板，所述单晶硅薄膜和所述玻璃基板相互结合在一起，且所述单晶硅薄膜紧贴所述非晶硅薄膜。
优选地，所述单晶硅薄膜的表面晶向为{100}。
优选地，所述衬底为玻璃衬底。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明中的方法是在衬底上从下至上依次设置非晶硅薄膜和单晶硅薄膜，调整激光发生装置使其发出的激光束透过衬底扫描非晶硅薄膜，以单晶硅薄膜作为籽晶层，非晶硅薄膜在激光束的作用下熔融再结晶，形成多晶硅薄膜，其中，在晶化过程中，激光束到达非晶硅薄膜时，非晶硅薄膜上与单晶硅薄膜相接触的部位最先被激光束扫描到。由于扫描开始区域的晶粒生长方向会影响整个多晶硅方向，因此当激光束经过籽晶层、非晶硅薄膜开始融化结晶时，其生长方向保留了籽晶的晶体特征，从而使晶化后的多晶硅保持了单晶硅的晶向，质量趋近于单晶硅。
2、在衬底上设置非晶硅薄膜之前，可先在衬底上沉积一层SiO2薄膜，再在SiO2薄膜上沉积非晶硅薄膜，这样的话，能够防止在晶化过程中，杂质从衬底扩散至非晶硅层，影响结晶质量。
3、在非晶硅薄膜上设置单晶硅薄膜，可通过在非晶硅薄膜上设置单晶薄膜玻璃基板、将单晶薄膜玻璃基板的单晶硅薄膜紧贴非晶硅薄膜的方式实现。一方面，市场上具有单晶薄膜玻璃基板的成品，可直接拿来使用，简化了制备过程中的工艺流程；另一方面，玻璃基板可对单晶硅薄膜起到一定的保护和支撑作用，能够方便地使单晶硅薄膜与非晶硅薄膜紧密接触。
4、本发明中的衬底可采用玻璃衬底，玻璃衬底具有耐高温、与硅薄膜的粘附力较好的优点，而且是透明的，更方便后续工艺的实施。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明；
图1为本发明实施例提供的一种高质量多晶硅薄膜的制备方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种高质量多晶硅薄膜的制备装置的结构示意图；
图3A～3D为本发明实施例提供的一种高质量多晶硅薄膜的制备流程图；
图中：101为衬底，102为非晶硅薄膜，103为单晶硅薄膜，104为SiO2薄膜，105为玻璃基板，106为激光束。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种高质量多晶硅薄膜的制备方法，如图1所示，包括：
S101、提供衬底101。
S102、在所述衬底101上设置非晶硅薄膜102。
S103、在所述非晶硅薄膜102上设置单晶硅薄膜103。
S104、利用激光束106透过所述衬底101对所述非晶硅薄膜102进行扫描，所述激光束106到达所述非晶硅薄膜102时，所述非晶硅薄膜102上与所述单晶硅薄膜103相接触的部位最先被所述激光束106扫描到。
S105、以所述单晶硅薄膜103作为籽晶层，所述非晶硅薄膜102在所述激光束106的作用下熔融再结晶，形成多晶硅薄膜。
本实施例中的方法是在衬底101上从下至上依次设置非晶硅薄膜102和单晶硅薄膜103，调整激光发生装置使其发出的激光束106透过衬底101扫描非晶硅薄膜102，以单晶硅薄膜103作为籽晶层，非晶硅薄膜102在激光束106的作用下熔融再结晶，形成多晶硅薄膜，其中，在晶化过程中，激光束106到达非晶硅薄膜102时，非晶硅薄膜102上与单晶硅薄膜103相接触的部位最先被激光束106扫描到。由于扫描开始区域的晶粒生长方向会影响整个多晶硅方向，因此当激光束106经过籽晶层、非晶硅薄膜102开始融化结晶时，其生长方向保留了籽晶的晶体特征，从而使晶化后的多晶硅保持了单晶硅的晶向，质量趋近于单晶硅。
在具体实施时，所述非晶硅薄膜102的厚度可为5μm～15μm，可优选为10μm；所述单晶硅薄膜103可为P型，表面晶向可为{100}，厚度可为100nm～300nm，可优选为200nm。所述激光发生装置可为连续激光器，波长可为808nm，功率可为110W～160W，线光斑可为31mm×0.17mm。所述激光发生装置的扫描速度可为3mm/min，功率密度可为2.0KW/cm2。
具体地，在所述衬底101上设置非晶硅薄膜102之前，可先在所述衬底101上沉积SiO2薄膜104，再在所述SiO2薄膜104上沉积非晶硅薄膜102。
本实施例中，沉积SiO2薄膜104的目的是为了防止在晶化过程中，杂质从衬底扩散至非晶硅层，影响结晶质量。
在具体实施时，可采用电子束蒸发工艺将所述非晶硅薄膜102沉积在所述SiO2薄膜104上。所述SiO2薄膜104的厚度可为100nm～300nm，可优选为200nm。
具体地，在所述非晶硅薄膜102上设置单晶硅薄膜103，具体可包括：
在所述非晶硅薄膜102上设置单晶薄膜玻璃基板，所述单晶薄膜玻璃基板包括：单晶硅薄膜103和玻璃基板105，所述单晶硅薄膜103和所述玻璃基板105相互结合在一起，且所述单晶硅薄膜103紧贴所述非晶硅薄膜102。
本实施例中，在非晶硅薄膜102上设置单晶硅薄膜103，可通过在非晶硅薄膜102上设置单晶薄膜玻璃基板、将单晶薄膜玻璃基板的单晶硅薄膜103紧贴非晶硅薄膜的方式实现。一方面，市场上具有单晶薄膜玻璃基板的成品，可直接拿来使用，简化了制备过程中的工艺流程；另一方面，玻璃基板105可对单晶硅薄膜103起到一定的保护和支撑作用，能够方便地使单晶硅薄膜103与非晶硅薄膜102紧密接触。
具体地，所述衬底101可为玻璃衬底。
本实施例中，玻璃衬底具有耐高温、与硅薄膜的粘附力较好的优点，而且是透明的，更方便后续工艺的实施。
更具体地，所述玻璃衬底可采用硼硅酸盐玻璃，由于这种玻璃具有较好的耐热性能和光学性能，因此在激光晶化前，可对衬底101进行700℃的预热，以减少晶化过程中的热应力。
本发明还提供了一种高质量多晶硅薄膜的制备装置，如图2所示，包括：衬底101，所述衬底101上具有非晶硅薄膜102，所述非晶硅薄膜102上具有单晶硅薄膜103，所述单晶硅薄膜103作为籽晶层，使得所述非晶硅薄膜102在激光束106的作用下熔融再结晶，形成多晶硅薄膜，所述激光束106由激光发生装置发射，当激光束106透过所述衬底101对所述非晶硅薄膜102进行扫描时，所述非晶硅薄膜102上与所述单晶硅薄膜103相接触的部位最先被所述激光束106扫描到。
具体地，所述衬底101和所述非晶硅薄膜102之间，还可具有一层SiO2薄膜104。
具体地，所述非晶硅薄膜102上具有单晶薄膜玻璃基板，所述单晶薄膜玻璃基板可包括：所述单晶硅薄膜103和玻璃基板105，所述单晶硅薄膜103和所述玻璃基板105相互结合在一起，且所述单晶硅薄膜103紧贴所述非晶硅薄膜102。
具体地，所述单晶硅薄膜103的表面晶向可为{100}。
具体地，所述衬底101可为玻璃衬底。
本发明还提供了一种高质量多晶硅薄膜的制备流程，包括：
提供衬底101，如图3A所示；
在所述衬底101上沉积SiO2薄膜104，如图3B所示；
在所述SiO2薄膜104上沉积非晶硅薄膜102，如图3C所示；
在所述非晶硅薄膜102上设置单晶薄膜玻璃基板，所述单晶薄膜玻璃基板包括：单晶硅薄膜103和玻璃基板105，所述单晶硅薄膜103和所述玻璃基板105相互结合在一起，且所述单晶硅薄膜103紧贴所述非晶硅薄膜102，利用激光束106透过所述衬底101对所述非晶硅薄膜102进行扫描，如图3D所示；
所述激光束106到达所述非晶硅薄膜102时，所述非晶硅薄膜102上与所述单晶硅薄膜103相接触的部位最先被所述激光束106扫描到，以所述单晶硅薄膜103作为籽晶层，所述非晶硅薄膜102在所述激光束106的作用下熔融再结晶，形成多晶硅薄膜。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种高质量多晶硅薄膜的制备方法，其特征在于：包括：
S101、提供衬底(101)；
S102、在所述衬底(101)上设置非晶硅薄膜(102)；
S103、在所述非晶硅薄膜(102)上设置单晶硅薄膜(103)；
在所述非晶硅薄膜(102)上设置单晶硅薄膜(103)，具体包括：
在所述非晶硅薄膜(102)上设置单晶薄膜玻璃基板，所述单晶薄膜玻璃基板包括：单晶硅薄膜(103)和玻璃基板(105)，所述单晶硅薄膜(103)和所述玻璃基板(105)相互结合在一起，且所述单晶硅薄膜(103)紧贴所述非晶硅薄膜(102)；
S104、利用激光束(106)透过所述衬底(101)对所述非晶硅薄膜(102)进行扫描，所述激光束(106)到达所述非晶硅薄膜(102)时，所述非晶硅薄膜(102)上与所述单晶硅薄膜(103)相接触的部位最先被所述激光束(106)扫描到；
S105、以所述单晶硅薄膜(103)作为籽晶层，所述非晶硅薄膜(102)在所述激光束(106)的作用下熔融再结晶，形成多晶硅薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种高质量多晶硅薄膜的制备方法，其特征在于：在所述衬底(101)上设置非晶硅薄膜(102)之前，先在所述衬底(101)上沉积SiO2薄膜(104)，再在所述SiO2薄膜(104)上沉积非晶硅薄膜(102)。
3.根据权利要求1所述的一种高质量多晶硅薄膜的制备方法，其特征在于：所述单晶硅薄膜(103)的表面晶向为{100}。
4.根据权利要求1所述的一种高质量多晶硅薄膜的制备方法，其特征在于：所述衬底(101)为玻璃衬底。
5.一种高质量多晶硅薄膜的制备装置，其特征在于：包括：衬底(101)，所述衬底(101)上具有非晶硅薄膜(102)，所述非晶硅薄膜(102)上具有单晶硅薄膜(103)，所述单晶硅薄膜(103)作为籽晶层，使得所述非晶硅薄膜(102)在激光束(106)的作用下熔融再结晶，形成多晶硅薄膜，所述激光束(106)由激光发生装置发射，当激光束(106)透过所述衬底(101)对所述非晶硅薄膜(102)进行扫描时，所述非晶硅薄膜(102)上与所述单晶硅薄膜(103)相接触的部位最先被所述激光束(106)扫描到；
所述非晶硅薄膜(102)上具有单晶薄膜玻璃基板，所述单晶薄膜玻璃基板包括：所述单晶硅薄膜(103)和玻璃基板(105)，所述单晶硅薄膜(103)和所述玻璃基板(105)相互结合在一起，且所述单晶硅薄膜(103)紧贴所述非晶硅薄膜(102)。
6.根据权利要求5所述的一种高质量多晶硅薄膜的制备装置，其特征在于：所述衬底(101)和所述非晶硅薄膜(102)之间，还具有一层SiO2薄膜(104)。
7.根据权利要求5所述的一种高质量多晶硅薄膜的制备装置，其特征在于：所述单晶硅薄膜(103)的表面晶向为{100}。
8.根据权利要求5所述的一种高质量多晶硅薄膜的制备装置，其特征在于：所述衬底(101)为玻璃衬底。
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