[实用新型]一种低温多晶硅薄膜的制备装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种低温多晶薄膜的制备装置，特别是指在薄膜晶体管(Thin Film Transistor,TFT)和薄膜太阳电池领域具有广泛应用价值的硅基薄膜材料沉积设备。

背景技术

多晶硅薄膜(p-Si)在结构有序度上介于单晶硅和非晶硅之间。有序度的提高使得多晶硅薄膜的电学性能相比于非晶硅薄膜有很大提升，如更高的电子迁移率(低温多晶硅电子迁移率是非晶硅400倍以上，高达200cm²/V·sec)，更低的暗电流和更佳的热稳定性。薄膜晶体管TFT驱动电路是提高液晶显示(LCD)质量的关键一步。目前，基于成本控制原因，大部分TFT阵列仍采用廉价的非晶硅薄膜(a-Si)制造。如采用多晶硅薄膜晶体管(p-Si TFT)技术，TFT器件体积将更小，提高了单个像素的“开口率”，进而增强显示器亮度，降低能耗。而且，p-Si TFT驱动IC可与玻璃基板集成，避免传统a-Si TFT的分离式设计，使驱动IC与玻璃基板之间的连接器数量从a-Si TFT的4000个左右降低到200个以下，显示屏可以做得更轻更薄，降低了模块制造成本，提高了器件的工作稳定性，也与笔记本电脑和平板电脑轻薄化的发展趋势相适应。在薄膜光伏领域，如采用多晶硅薄膜替代非晶硅薄膜，可望提高器件的光电转换效率和工作稳定性，推动薄膜光伏器件的产业化进程。目前，非晶硅(a-Si)薄膜太阳电池虽实现了产业化，但受制于a-Si材料的结构稳定性和电学性能，该类组件转换效率一般低于8％，远低于单晶硅的20％以上的主流效率，且存在严重光致衰退(S-W)效应，多年来竞争优势一直不明显。因此，采用电学性能更好结构更稳定的多晶硅薄膜替代非晶硅薄膜制造半导体器件，是半导体产业的必然要求。

早期，为获得多晶硅薄膜，常采用高温工艺技术，如快速热退火(Rapid Thermal Annealing,RTA)或高温固相晶化(Solid Phase Crystalline,SPC)。此时的工艺温度至少超过800℃，普通玻璃早发生软化熔融而根本无法使用，只有使用耐温性能更好的石英基片。然而，石英玻璃往往价格昂贵且尺寸较小，无法适应大尺寸显示面板和大面积薄膜光伏器件制造的需要。为此，大部分厂商只能选择廉价的a-Si薄膜材料制造TFT器件或太阳电池。

目前，发展低温多晶硅(Low Temperature Polycrystalline Silicon,LTPS)技术已成为业界共识。LTPS的现有主流工艺技术有两种：金属诱导横向晶化法(Metal Induced Lateral Crystallization,MILC)和准分子激光晶化法(Excimer Laser Annealing,ELA)。两种方法的共同点是需要在衬底上预先沉积a-Si薄膜(一般是通过低压CVD或电容耦合式的等离子体增 强CVD制备)，再通过热退火或激光局部加热促使a-Si薄膜晶化，得到多晶硅薄膜。相对于快速热退火(RTA)、固相晶化(SPC)等高温晶化工艺，两者均实现了晶化温度的大幅度下降，一般可在500～600℃的工艺温度下即可完成转化。如，中国专利“一种横向诱导晶化低温多晶硅薄膜的方法”(CN10185378 A)提供了一种MILC技术，采用镍作为催化剂在惰性保护气体环境、590℃下退火1小时得到多晶硅薄膜。中国专利(CN102709160 A)则提供一种ELA技术获得低温多晶硅薄膜，该制作方法对非晶硅层进行准分子激光退火得到多晶硅薄膜，晶粒尺寸较大，分布均匀。

然而，MILC和ELA均需要预制a-Si薄膜，再通过后期晶化工艺转变为多晶硅薄膜，实际上存在不少缺点。比如，MILC易造成金属污染，工艺时间长达数小时。ELA的缺点是晶粒尺寸对激光功率敏感，不适合大面积均匀薄膜的晶化且设备成本高。同时，限于a-Si薄膜对激光能量的强烈吸收能力，ELA晶化形成的多晶硅薄膜厚度一般小于100nm。