[发明专利]一种制备多晶硅薄膜并控制其晶粒尺寸的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备多晶硅薄膜并控制其晶粒尺寸的方法，属于半导体制造技术领域。

背景技术

近几年来，作为未来新能源利用方式之一的光伏电池己被广泛应用于日常生产生活。能否实现量产是其处于科研与产业之间的界限之一，而量产的参考点则包括两点：效率与成本。非晶硅电池所用材料较少，成本较低，但效率较低与具有效率衰减现象；晶硅电池效率较高，成本也较高；多晶硅薄膜电池兼具非晶硅电池与晶硅电池的优点，没有明显的效率衰减现象，成本又较低，因此受到人们的关注。传统制备多晶硅薄膜的方法包括直接沉积法，如高温化学气相沉积(CVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、热丝化学气相沉积(HWCVD)和再结晶法，如区熔再结晶、金属诱导法、激光退火法、快速光热退火，与本发明直接相关的是快速光热退火方法。

快速光热退火使非晶硅薄膜发生晶化一般依靠数个卤钨灯来照明样品，使薄膜发热，提供薄膜晶化的驱动力；光热退火的条件，如升温速率、退火温度及时间、降温速率等对晶化效应都有影响；一般光热退火晶化后的薄膜特点是：结晶较均匀，但晶粒较小，约为几个纳米至几十个纳米。在光热退火过程中，卤钨灯光谱中的长波部分和短波部分有两种不同的效应，短波光谱主要为量子效应，而长波光谱主要为热效应，而快速光热退火实际上是两种效应与非晶硅薄膜协同作用的过程。学者发现，快速热退火温度和退火时间对最终晶粒尺寸的影响较大，但大家均未给出能够有效控制硅的成核密度、晶粒长大及晶粒尺寸的有效办法。实际上，硅薄膜在短波光谱的照射下，硅薄膜中发生电子跃迁，使电子从激发前的成键跃迁到反键状态，电子云从Si—Si键的中间位置向两端移动，使键能减小，键的结合力变弱，这时，在较高的温度下就能使无序的Si原子形成晶核；而长波的热效应主要使电子的热动能变大，使其振动变强，利于晶核的长大。即光量子效应更利于晶核的形成过程，而热效应更利于晶核的长大过程。

因此，传统的光热退火可以使非晶硅薄膜发生晶化，但缺点是无法将光的量子效应与热效应分开，两者同时进行，不利于控制成核密度和晶粒尺寸，晶粒尺寸较小且难以控制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备多晶硅薄膜的制备方法，在制备过程中能将硅的成核过程和晶核的长大过程分离，以达到控制晶粒尺寸的目的。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种制备多晶硅薄膜并控制其晶粒尺寸的方法，该方法包括以下步骤：清洗基板，在基板上沉积非晶硅薄膜，然后将其置于快速退火炉中，采用分光谱技术对薄膜进行不同光谱波段下的快速光热退火，按短波光照、长波光照的顺序对非晶硅薄膜进行退火，利用短波段光谱的量子效应控制硅薄膜晶化过程的成核密度，利用长波段光谱的热效应使晶粒长大，最终生成具有一定晶粒尺寸的多晶硅薄膜。

在所述方法中，在基板上沉积非晶硅薄膜的方法可以选择热丝化学气相沉积(HWCVD)、等离子体增强化学气相沉(PECVD)、或磁控溅射。沉积前需要对基板进行等离子体处理，以去除表面杂质；如果选择PECVD或HWCVD沉积方法，可以在沉积前先采用高氢稀释比例的SiH₄或其它含硅气体作为硅源，预置一层微晶种子层，以利于后序晶化过程。

所述的分光谱技术是采用具有高的损伤阀值的分光装置将光源中的短波光谱和长波光谱分开。所谓高的损伤阀值指在较高的温度下不发生或仅发生微小的结构、光学性能的改变，要求本发明采用的分光装置在1200度及以下无结构、光学性能的改变。该分光装置包括长波通分光装置和短波通分光装置，其中长波通分光装置保证长波长的光波通过分光装置到达非晶薄膜表面，其截止波长优选限定在600～800nm；短波通分光装置保证短波长的光波通过分光装置到达非晶薄膜表面，其截止波长优选限定在400～750nm。

快速光热退火使用的光源既可以提供波长介于300～650nm的短波段的光，又可以提供波长介于650～1200nm的长波段的光。该光源发出的光通过长波通分光装置和短波通分光装置分光后得到所需的长波光谱和短波光谱。在快速光热退火过程中，控制光热退火升温速率介于100～200℃／s；光热退火温度介于600～1200℃，恒温退火时按短波-长波顺序依次进行，短波光照和长波光照的恒温时间t限定在0<t<60min。

在所述的快速光热退火过程中，升温过程主要由施加在光源的电流来控制，降温过程可通过风冷、循环水冷却、或自然降温方式控制。

所述的基板为耐高温石英玻璃、不锈钢、陶瓷、硅片或为其它耐高温的基板。

本发明的优点在于：