專利名稱：擇優(yōu)取向的多晶硅薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多晶硅薄膜的制備方法，特別是涉及一種具有擇優(yōu)取向的多晶硅薄膜低溫的制備方法。
背景技術(shù)：
多晶硅薄膜是由許多大小不等、具有不同晶面取向的小晶粒硅所構(gòu)成。高質(zhì)量的半導(dǎo)體多晶硅薄膜的許多性能參數(shù)是集晶體硅材料和非晶硅氫合金薄膜材料的優(yōu)點(diǎn)于一體。其在長(zhǎng)波段具有高光敏性、對(duì)可見(jiàn)光能有效吸收，又具有與晶體硅一樣的光照穩(wěn)定性，被認(rèn)為是一種高效、低耗的理想的光伏電池材料。
多晶硅薄膜中晶粒與晶粒之間的區(qū)域稱為晶界。晶界和晶粒的結(jié)構(gòu)不同，它們的原子化學(xué)勢(shì)也不同。晶界包含很多復(fù)合中心(懸掛鍵或雜質(zhì))，光致載流子在被結(jié)分開之前，如果碰到晶界，會(huì)導(dǎo)致電子和空穴的復(fù)合，從而降低電池效率。所以晶界對(duì)太陽(yáng)電池性能的影響很大。在一定的生長(zhǎng)條件下，晶粒有一種主要的生長(zhǎng)取向，稱為擇優(yōu)取向。擇優(yōu)取向?qū)Χ嗑Ч璞∧さ男阅苡绊懞艽?。如果晶粒生長(zhǎng)得象一根根柱子垂直于襯底，整片多晶硅薄膜就如同很多的小單晶并列而成，這樣的多晶硅薄膜制成的薄膜太陽(yáng)能電池，光致載流子穿過(guò)整個(gè)電池時(shí)可以不碰到晶界，大大減少光致載流子的復(fù)合，有利于提高太陽(yáng)能電池的效率。
另一方面，為了制備適合應(yīng)用于以普通玻璃為襯底的太陽(yáng)能電池的多晶硅薄膜材料，最近幾年發(fā)展了低溫制膜技術(shù)。通常用高氫稀釋的硅烷射頻輝光放電等離子體化學(xué)氣相沉積工藝可以制備多晶硅薄膜，但沉積速率太低，不適合于規(guī)模生產(chǎn)。對(duì)非晶硅薄膜進(jìn)行激光照射或熱退火等后處理工藝是制備多晶硅薄膜的重要方法。激光照射所制備的多晶硅薄膜具有低的缺陷態(tài)密度，但由于激光束的束斑大小的限制，難于制備大面積的多晶硅薄膜；熱退火固相晶化所制備的多晶硅薄膜均勻性好，具有比較光滑的表面結(jié)構(gòu)，可以制備大面積的多晶硅薄膜，但退火溫度通常在550℃～1000℃，退火時(shí)間為幾小時(shí)至幾十小時(shí)，對(duì)襯底性能的要求和制膜成本都比較高。金屬誘導(dǎo)固相晶化法是在沉積非晶硅薄膜之前或之后，用熱蒸發(fā)鍍上一層金屬(如鋁等)，然后再用熱處理的方法使其轉(zhuǎn)化為多晶硅薄膜。金屬誘導(dǎo)固相晶化法對(duì)非晶硅薄膜的原始狀態(tài)要求不高，降低了薄膜沉積的工藝條件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有擇優(yōu)取向的多晶硅薄膜低溫的制備方法，低溫、快速地制備具有垂直于襯底的擇優(yōu)取向的多晶硅薄膜，為制造太陽(yáng)能電池提供對(duì)太陽(yáng)光譜吸收利用率和光電轉(zhuǎn)換效率高的多晶硅薄膜。
本發(fā)明的一種擇優(yōu)取向的多晶硅薄膜的制備方法包括如下步驟(1)采用微電子的光刻工藝和磁控濺射鍍膜方法在襯底上形成分布均勻的鋁顆粒；(2)在步驟(1)制備的襯底上，采用磁控濺射方法制備非晶硅膜；(3)對(duì)步驟(2)制備的非晶硅膜進(jìn)行兩次退火，第一次退火溫度為500-550℃，時(shí)間為-5分鐘；第二次退火溫度為300-350℃，時(shí)間為20-25分鐘，獲得具有垂直于襯底的擇優(yōu)取向的多晶硅薄膜。
步驟(1)中所述的鋁顆粒的平均粒徑優(yōu)選微米量級(jí)。
步驟(1)中所述的鋁顆粒的平均粒徑最佳為1微米。
本發(fā)明在常規(guī)的金屬誘導(dǎo)固相晶化法制備多晶硅薄膜的基礎(chǔ)上，通過(guò)先在襯底上形成分布均勻的鋁顆粒而不是鋁薄膜來(lái)用作固相晶化的誘導(dǎo)金屬；并在固相晶化時(shí)，分兩步進(jìn)行先用比較高的溫度在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生晶核，再用比較低的溫度使晶核生長(zhǎng)，從而獲得晶粒大和具有垂直于襯底的擇優(yōu)取向的多晶硅薄膜。
本發(fā)明與現(xiàn)有的多晶硅薄膜制備方法相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)1、在襯底上采用微電子的光刻工藝形成分布均勻、大小為微米量級(jí)的鋁顆粒，作為金屬誘導(dǎo)固相晶化的誘導(dǎo)金屬。
2、采用磁控濺射方法制備非晶硅薄膜，與采用等離子體化學(xué)氣相沉積工藝制備非晶硅薄膜相比，可提高非晶硅薄膜的沉積速率；并可使制備的非晶硅薄膜含氫比較少，有利于在固相晶化時(shí)晶核的再生長(zhǎng)。
3、固相晶化時(shí)分兩階段進(jìn)行，先進(jìn)行2至5分鐘的500℃至550℃退火，以在非晶硅薄膜中形成晶核；再進(jìn)行20至25分鐘的300℃至350℃退火使晶核生長(zhǎng)；較好地解決了采用單一退火溫度所遇到的晶核形成數(shù)量與晶核生長(zhǎng)之間的矛盾。
4、制備得到的多晶硅薄膜具有垂直于襯底的擇優(yōu)取向，適合于制造多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池。
5、整個(gè)制備過(guò)程中，溫度不大于550℃，適合應(yīng)用于以普通玻璃為襯底的多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)，從而有利于降低生產(chǎn)成本。
具體實(shí)施例方式
在制備過(guò)程中，為了使多晶硅薄膜具有擇優(yōu)取向，有別于常規(guī)的金屬誘導(dǎo)固相晶化法之處是首先在襯底上形成分布均勻、大小為微米量級(jí)的鋁顆粒用作固相晶化的誘導(dǎo)金屬；第二是采用磁控濺射方法制備非晶硅膜；第三是在固相晶化時(shí)，分兩步進(jìn)行先用比較高的溫度(500℃至550℃)在短時(shí)間(2至5分鐘)內(nèi)產(chǎn)生晶核，再用比較低的溫度300℃至350℃使晶核生長(zhǎng)，獲得晶粒大和具有垂直于襯底的擇優(yōu)取向的多晶硅薄膜。在整個(gè)制備過(guò)程中，溫度不大于550℃，因此該方法適合應(yīng)用于以普通玻璃為襯底的多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)。
實(shí)施例1具有垂直于襯底的多晶硅薄膜的制備方法依下列步驟進(jìn)行(1)采用微電子的光刻工藝和磁控濺射鍍膜方法在襯底上形成分布均勻、大小為微米量級(jí)的鋁顆粒；(2)在步驟(1)制備的襯底上，采用磁控濺射方法制備非晶硅膜；(3)進(jìn)一步對(duì)步驟(2)制備得到的薄膜在真空中進(jìn)行2分鐘的500℃退火；(4)再進(jìn)行20分鐘的300℃退火，獲得具有擇優(yōu)取向的多晶硅薄膜。
實(shí)施例2具有垂直于襯底的多晶硅薄膜的制備方法依下列步驟進(jìn)行(1)采用微電子的光刻工藝和磁控濺射鍍膜方法在襯底上形成分布均勻、大小為微米量級(jí)的鋁顆粒；(2)在步驟(1)制備的襯底上，采用磁控濺射方法制備非晶硅膜；(3)進(jìn)一步對(duì)步驟(2)制備得到的薄膜在真空中進(jìn)行5分鐘的550℃退火；(4)再進(jìn)行25分鐘的350℃退火，獲得具有擇優(yōu)取向的多晶硅薄膜。
實(shí)施例3具有垂直于襯底的多晶硅薄膜的制備方法依下列步驟進(jìn)行(1)采用微電子的光刻工藝和磁控濺射鍍膜方法在襯底上形成分布均勻、大小為微米量級(jí)的鋁顆粒；(2)在步驟(1)制備的襯底上，采用磁控濺射方法制備非晶硅膜；(3)進(jìn)一步對(duì)步驟(2)制備得到的薄膜在真空中進(jìn)行2分鐘的550℃退火；(4)再進(jìn)行20分鐘的350℃退火，獲得具有擇優(yōu)取向的多晶硅薄膜。
實(shí)施例4具有垂直于襯底的多晶硅薄膜的制備方法依下列步驟進(jìn)行(2)采用微電子的光刻工藝和磁控濺射鍍膜方法在襯底上形成分布均勻、大小為1微米的鋁顆粒；(3)在步驟(1)制備的襯底上，采用磁控濺射方法制備非晶硅膜；(4)進(jìn)一步對(duì)步驟(2)制備得到的薄膜在真空中進(jìn)行5分鐘的500℃退火；(5)再進(jìn)行25分鐘的300℃退火，獲得具有擇優(yōu)取向的多晶硅薄膜。
掃描電鏡結(jié)果顯示，實(shí)施例1-4均獲得晶粒大和具有垂直于襯底的擇優(yōu)取向的多晶硅薄膜，實(shí)施例4效果最佳。
權(quán)利要求
1.一種擇優(yōu)取向的多晶硅薄膜的制備方法，其特征在于包括如下步驟(1)采用微電子的光刻工藝和磁控濺射鍍膜方法在襯底上形成分布均勻的鋁顆粒；(2)在步驟(1)制備的襯底上，采用磁控濺射方法制備非晶硅膜；(3)對(duì)步驟(2)制備的非晶硅膜進(jìn)行兩次退火，第一次退火溫度為500-550℃，時(shí)間為-5分鐘；第二次退火溫度為300-350℃，時(shí)間為20-25分鐘，獲得具有垂直于襯底的擇優(yōu)取向的多晶硅薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(1)中所述的鋁顆粒的平均粒徑為微米量級(jí)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于步驟(1)中所述的鋁顆粒的平均粒徑為1微米。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有擇優(yōu)取向的多晶硅薄膜的制備方法，包括采用微電子的光刻工藝和磁控濺射鍍膜方法在襯底上形成分布均勻、大小為微米量級(jí)的鋁顆粒；采用磁控濺射方法在有鋁顆粒的襯底上制備非晶硅薄膜；將非晶薄膜在真空中先進(jìn)行2至5分鐘的500℃至550℃退火，再進(jìn)行20至25分鐘的300℃至350℃退火，制備得到的多晶硅薄膜具有垂直于襯底的擇優(yōu)取向，且整個(gè)制備過(guò)程中溫度不大于550℃，該方法適合于制造以普通玻璃為襯底的多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池。
文檔編號(hào)H01L21/02GK1967882SQ200610123789
公開日2007年5月23日 申請(qǐng)日期2006年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月27日
發(fā)明者姚若河 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)