PECVD研究

PECVD多晶硅薄膜制备工艺和性能研究

摘 要

在石油和天然气价格不断上扬的今天，可再生能源(尤其是太阳能)的研究业己成为各国各大研究小组研究的重点。随着第三代太阳能电池—薄膜太阳能电池的深入研究，要提高多晶硅薄膜太阳能电池的光伏转换效率，制备高质量的多晶硅薄膜是从本质上解决问题的一个途径。

为制备多晶硅薄膜，对所制非晶硅薄膜进行后续热处理。研究结果发现:较仅经过800℃下5h、1oh和22h常规热处理(SPC)的晶化薄膜，经过800℃、60s快速热处理(RTP)的非晶硅薄膜在常规热处理后所得的晶化薄膜有着更大的平均晶粒尺寸和更高的晶化率。研究结果表明:低温短时快速热预处理能促进在后续常规热处理中的非晶硅薄膜的晶化过程进而提高了薄膜的晶化率。 关键词：多晶硅；PECVD

PECVD多晶硅薄膜制备工艺和性能研究

PECVD preparation process and properties of

polycrystalline silicon thin film

Abstract

As the ever increasing prices of oil and natural gas, the renewable energy resources, especially solar energy, have been attracting more and more attention internationally. With the further research into the third generation solar cells一thin film solar cells, tofabricate high quality polycrystalline silicon (poly-Si) thin films is a most straightapproach to improve the photovoltaic conversion efficiency.

In order to fabricate poly-Si thin films, the as-deposited hydrogenated amorphoussilicon (a-Sigh) thin films are thermally annealed. 1t was found that rapid thermalpr℃essing (RTP) at 800 0C for 60 s resulted in slightly larger average grain size andhigher crystallinity than those without the RTP pretreatment after solid phasecrystallization (SPC) at 800 0C for 5, 10 and 22 h. The results suggest that the lowtemperature short-time RTP pretreatment can promote the crystallization pr℃ess ofthe as-deposited a-Si:H thin films during the following SPC and then improve theircrystallinity.

Keyword: Polycrystalline silicon；PECVD

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第1章 绪 论

1.1研究多晶硅薄膜的意义

经济迅速发展的今天，信息产业高速发展，源需求的日益紧张，促使了能太阳能产业飞速发展。而半导体硅材料是电子工业和光伏产业重要的基础材料，在诸多的半导体材料中，多晶硅薄膜材料因其独特的光电性能，简单的制备工艺，低廉的成本，丰富的材料等优点，成为太阳能电池产业的主要原料，也是发展信息产业的基础材料之一。因此，研制和发展优质的多晶硅材料对发展我国的电子工业和能源领域具有重大意义。

多晶硅薄膜是由许多大小不等，具有不同晶面取向的小晶粒构成的，晶粒和晶粒之间是原子做无序排列的过渡区，即晶界。多晶硅薄膜的性能主要取决于晶粒大小、晶界势垒高度、晶面排列情况和表面状态。晶界可以捕捉电子和空穴，使杂质在晶界分凝，成为复合中心，导致材料的性能降低。

多晶硅薄膜作为极有发展潜力的半导体材料，在长波段具有高光敏性，对可见光能有效吸收，且具有与晶体硅一样的光照稳定性，无光致衰退效应(S-W效应)，与晶体硅接近的光学带隙，对太阳光谱的响应扩展到1.1um，显著提高了电池的转换效率，被公认为是高效率和低功耗的光伏器件材料。据报道美国发明了柔软性强可以卷曲的硅质太阳能电池，这不但开辟了太阳能电池新的应用空间，而且使运输变得更加的容易。因此，多晶硅薄膜材料在太阳能电池领域具有巨大应用前景。

同时，多晶硅薄膜材料具有较高的迁移率，尺寸大、孔径比高、可实现自对准、兼容互补金属氧化物半导体(CMOS工艺，驱动器电路可集成于显示衬底以及驱动器制作与相关工艺成本低等优点，受到广泛关注。重掺杂低阻多晶硅薄膜可作为场效应晶体管(MO S晶体管)的栅极，MO S随机存储器电荷存储元件的极板、电荷藕合器件的电极，轻掺杂多晶硅薄膜则常用于集成电路中MO S随机存储器的负载电阻及其他电阻器。多晶硅薄膜不仅应用光伏集成电路、液晶显示器及光电组件领域，在有机发光和场发射显示领域也得到了应用。因此，对多晶硅薄膜

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材料的研究越来越引起人们的关注。

1.2多晶硅薄膜的应用

1.21多晶硅在太阳电池中的应用

随着人们对能源要求越来越大，传统能源的医乏以及对环境污染的日益严重，太阳能作为取之不尽、用之不竭的洁净能源受到了人们的青睐。发展比较成熟的晶体硅太阳能电池以其好的性能、高的光电转换效率占领着光伏市场，但是晶体硅电池的制备工艺复杂，价格昂贵，难以进入民用。薄膜太阳能电池以其工艺简单、省却了拉单晶(或铸多晶硅锭)，切、磨、抛等诸多繁琐的制备过程，大大降低了生产成本，引起了人们的注意，成为光伏领域研究的焦点。

薄膜太阳能电池主要分为非晶硅、微晶硅、多晶硅薄膜电池，其中占有市场份额最大、工艺研究最为成熟的是非晶硅薄膜太阳能电池，但是非晶硅和微晶硅电池都存在光致亚稳效应，降低了电池的稳定性和寿命，限制了在光伏领域的发展。多晶硅薄膜电池具有与晶体硅一样的高稳定性及高寿命，无非晶硅薄膜材料在受到长时间的光照之后，光电导和暗电导的性能均有所降低的光致亚稳效应(S-W效应)，可以制作在玻璃等廉价衬底上，大大降低了成本。所以，多晶硅薄膜电池被认为是最有可能替代单晶硅电池和非晶硅薄膜电池的下一代太阳能电池，现在己经成为国际太阳能领域的研究热点。

日本三菱公司在石英(Si02)衬底上制备的多晶硅薄膜太阳能电池的光电转化效率达到16.5%，澳大利亚太平洋光伏公司制作在面积为660cm2的钢化玻璃上的多晶硅薄膜太阳能电池的效率达到8%，德国Fraunhofer研究所在石墨和碳化硅((SiC)衬底上制备的p-Si薄膜太阳能电池的光电转化效率分别为11%和9.3%，北京太阳能研究所在重掺杂单晶硅衬底上用RTCVD法外延生长得到20um厚的硅薄膜，之后制作的多晶硅薄膜太阳能电池的效率达到15 . 12 %,理论和实验都表明，多晶硅薄膜太阳电池有可能成为比非晶硅更为优越的民用太阳电池。影响多晶硅薄膜性能提高的主要因素是晶粒晶界、晶粒尺寸、膜厚以及薄膜中含有的杂质，因此，如何改善制备工艺，优化沉积参数来制造高效率、低成本、长寿命

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的多晶硅薄膜太阳能电池成为目前研究的重点。

1.22多晶硅在电子器件中的应用

近年来，由于对多晶硅薄膜研究的深入，发现多晶硅薄膜具有高的电子迁移率和电流驱动能力，多晶硅TFT能够提供比非晶硅TFT更快的开关速度，其应用也越来越广泛。主要应用在传真机、高速打印机、三维集成电路、高压TFT,真空荧光显示、有源矩阵液晶显示器(AMLCD)等领域。

在多晶硅薄膜晶体管的应用领域中，由于多晶硅薄膜具有存储电容低、电子迁移率高及能兼容CMOS工艺等这些优点，促使其在AMLCD有广泛的应用它是唯一一种己证明在灰度、色彩和图象质量上可与CRT媲美的液晶显示技术。多晶硅薄膜TFT有源矩阵LCD技术也受到人们的重视。采用多晶硅薄膜的AMLCD形成外围驱动电路与显示屏的一体化。一体化技术提高了成品率和可靠性，减小和减轻了液晶屏与驱动电路组成模块的体积和重量，解决了驱动电路与液晶屏的连接问题，降低了栅源之间的漏电流。所有的这些都可以大大提高液晶屏的开口率。目前多晶硅TFT的电流通断比达到1×105～106，截止电流为1×10?12～10?13A，电子迁移率为5～100 cm2/V· S，一体化显示模块中驱动电路的工作频率己达25MHz以上。

多晶硅薄膜具有高的电子迁移率。本征多晶硅薄膜作为有源寻址显示基板 CAM-OLED)以及TFT的有源层，而掺杂的多晶硅薄膜用来与TFT的源、漏两金属电极引线相连使界面形成欧姆接触，从而形成低电阻的源、漏两极。多晶硅薄膜因其特殊的光学特性在平板显示有源寻址基板中也有很重要的应用多晶硅薄膜在可见光波段内具有半反半透、很小的吸收率[5]，促使多晶硅薄膜作为OLED的TFT有源层及阳极材料，得到了很好的红光微腔器件，明显的提高了发光谱的强度、电流效率和功率效率，这种光学功能层的最佳厚度为40nm[6]成功地将电学功能层拓展为光学功能层。

多晶硅薄膜的高迁移率，以及特殊的光学和电学特性，实现了多晶硅薄膜晶体管的广泛应用，也为简化TFT基板的制备流程提供了必要的研究基础。由

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