第十章多晶硅薄膜

§10.1 多晶硅薄膜的基本性质
10.1.2 多晶硅薄膜的制备技术
§10.1 多晶硅薄膜的基本性质
10.1.2 多晶硅薄膜的制备技术
• 化学气相沉积技术直接制备多晶硅薄膜时，可以分为高温 工艺（衬底温度高于600oC）和低温工艺（衬底温度低于 600oC），这主要由衬底材料的玻璃化温度决定。 • 注意：在600oC以上沉积时，硅中的氢很容易外扩散，导 致硅薄膜中的悬挂键增多，因此，高温工艺制备的多晶硅 薄膜常还需要第二次低温处理。这样只含有多晶硅晶粒， 没有非晶硅相，而且相对尺寸较大，约大小100nm. • 在低温制备的多晶硅薄膜中，含有一定量的非晶硅，而且 晶粒的尺寸较小，约为20-30nm左右，通常又称为微晶硅。
• 所以晶粒的大小是非常重要的，通常多晶硅薄膜太阳电池 的效率随晶粒尺寸的增大而增加。
§10.1 多晶硅薄膜的基本性质
10.1.3 多晶硅薄膜的晶界和缺陷
• 研究多晶硅薄膜中缺陷的 工具：扫描电镜、透射电 镜、电子自旋共振谱仪、 红外光谱等。
• 多晶硅薄膜缺陷的许多物 理机理还没有很好地解决。
§10.1 多晶硅薄膜的基本性质
10.1.4 多晶硅薄膜的杂质
• 氢是多晶硅薄膜的主要杂质。但是氢的浓度一般较低，只 有1%-2%。而且没有引起光致衰减现象。
• 多晶硅薄膜中少量的氢对改善多晶硅薄膜质量至关重要。 它可以起到两个作用： • 1）钝化晶界和位错的悬挂键； • 2）可以钝化与氧相关的施主态或其他金属杂质引入的能 级。
§10.1 多晶硅薄膜的基本性质
§10.1 多晶硅薄膜的基本性质
10.1.2 多晶硅薄膜的制备技术
• 化学气相沉积制备多晶硅薄膜主要有两个途径：
• 1）是与制备非晶硅薄膜一样，利用加热、等离子体、光 辐射等能源，通过硅烷或其它气体的分解，在不同的衬底 上一步工艺直接沉积多晶硅薄膜； • 2）是利用化学气相沉积技术首先制备非晶硅薄膜，然后 利用其亚稳的特性，通过不同的热处理技术，将非晶硅晶 化成多晶硅薄膜。
10.2.2 低压化学气相沉积制备多晶硅薄膜 10.2.3 热丝化学气相沉积制备多晶硅薄膜
§ 10.2 化学气相沉积制备多晶硅薄膜
10.2.1 等离子增强化学气相沉积制备多晶硅薄膜
• 在反应室中通入SiH4 和H2两者的混合气体作为气体源， 然后在等离子体中进行化学气相分解。
• H2的浓度90%-99%，可以制备多晶硅（微晶硅）薄膜。
§ 10.2 化学气相沉积制备多晶硅薄膜
10.2.1 等离子增强化学气相沉积制备多晶硅薄膜
• 与非晶硅薄膜生长机理一样，PECVD制备多晶硅薄膜的 机理至今仍然有争议。 • 除氢以外，在PECVD工艺中，决定硅薄膜是非晶还是多 晶的另一个重要因素是等离子体中离子的能量。 • 一般认为：当离子的能量较高，大于5eV时，倾向于生长 成非晶硅薄膜；反之，则为多晶硅薄膜。
§10.1 多晶硅薄膜的基本性质
10.1.4 多晶硅薄膜的杂质
• 多晶硅薄膜中氧施主态与直拉单晶硅中的“热施主”相似， 主要在400-500oC之间形成，与氧的扩散紧密相关。
• 研究表明：与氧相关的施主态缺陷是浅施主，其提供的电 子可以和多晶硅薄膜中具有深能能的悬挂键复合，能够降 低悬挂键的缺陷密度。
第 十章
多晶硅薄膜
• 多晶硅薄膜主要有两种制备途径： 1）通过化学气相沉积等技术，在一定的衬底材料上直接制 备； 2）首先制备非晶硅薄膜，然后通过固相晶化、激光晶化和 快速热处理晶化等技术，将非晶硅薄膜晶化成多晶硅薄膜。
第 十章
多晶硅薄膜
• 10.1 多晶硅薄膜的基本性质
• 10.2 化学气相沉积制备多晶硅薄膜 • 10.3 非晶硅晶化制备多晶硅薄膜
§10.1 多晶硅薄膜的基本性质
• 10.1.1 多晶硅薄膜的特点
• 10.1.2多晶硅薄膜的制备技术 • 10.1.3 多晶硅薄膜的晶界和缺陷 • 10.1.4多晶硅薄膜的杂质
§10.1 多晶硅薄膜的基本性质
10.1.1 多晶硅薄膜的特点
• 1）晶粒尺寸一般为几百纳米到几十微米 • 2）具有晶体硅的性质 • 3）具有非晶硅薄膜的低成本、制备简单和可以大面积制 备的优点 • 4）大晶粒的多晶硅薄膜具有与单晶硅相似的高迁移率， 可以做成大面积、具有快响应的场效应薄膜晶体管、传感 器等光电器件，在大阵列液晶显示领域也广泛应用。 • 5）对长波长光线具有高敏性，而且对可见光有很高的吸 收系数。
§ 10.2 化学气相沉积制备多晶硅薄膜
10.2.1 等离子增强化学气相沉积制备多晶硅薄膜
• 在200oC下，不同条件下制备了多晶硅薄膜后，O.Vetterl 等发现，多晶硅薄膜生长存在三种情况： • 1）在高H2浓度稀释的情况下，多晶硅晶粒呈柱状生长， 生长速率较高； • 2）近非晶硅生长情况，晶粒呈柱状或树枝状生长，但尺 寸很小，晶粒之间有非晶硅； • 3）非晶硅生长情况，只有细小的微晶硅颗粒镶嵌在非晶 硅薄膜之中。
§10.1 多晶硅薄膜的基本性质
10.1.2 多晶硅薄膜的制备技术
• 一般认为，利用高温工艺可以使硅原子很好的结晶，通常 衬底温度越高，多晶硅薄膜的质量越好。 • 但是，高温对衬底材料提出了高的要求： • 1）要求衬底材料有高的玻璃化温度； • 2）要求衬底材料在高温时与硅材料有好的晶格匹配； • 3）要求衬底材料相对高纯，在高温时不能向多晶硅薄膜 扩散杂质。
• 液相外延: 将衬底浸入低溶点的硅的金属合金熔体中，通 过降低温度使硅在合金中处于过饱和状态，然后作为第二 相析出在衬底上，形成多晶硅薄膜。 • 优点 • 晶体质量好；缺陷少；晶界的复合能力低；少数载流子的 迁移率仅次于晶体硅；应用在高效率的薄膜太阳电池。 • 缺点 • 生长速率慢；生产速率效低，不适于大规模工业化生产
§ 10.2 化学气相沉积制备多晶硅薄膜
10.2.2 低压化学气相沉积制备多晶硅薄膜
• LPCVD是在异质衬底中大面积制备多晶硅薄膜的另一 种常用技术。
• 与常规的PECVD制备的多晶硅薄膜比较，其少数载流 子的迁移率要高，晶粒内部的应力要低；而且由于制备 时间较长，所以薄膜的晶粒较大；缺陷较多，因此少数 载流子的扩散长度小，会影响其太阳电池的效率。
10.1.3 多晶硅薄膜的晶界和缺陷
• 多晶硅薄膜的缺陷包括晶界、位错、点缺陷等。 • 由于多晶硅薄膜由大小不同的晶粒组成，因此晶界的面积 较大，是多晶硅的主要缺陷。 • 在制备过程中，由于冷却速速率快，晶粒内含有大量的位 错等微缺陷。 • 在实验室中，多晶硅薄膜的最高光电转换效率也仅在13% 左右。
§10.1 多晶硅薄膜的基本性质
10.1.2 多晶硅薄膜的制备技术
• 化学气相沉积技术 • 利用SiH4、SiH2Cl2 、 SiHCl3等和H2的混合气体，在各种 气相条件下分解，然后在加热（300-1200oC)的衬底上沉 积多晶硅薄膜。 • • • • • 根据化学气相沉积条件的不同，可分为以下几种： 等离子增强化学气相沉积 低压化学气相沉积 常压化学气相沉积 热丝化学气相沉积
§ 10.2 化学气相沉积制备多晶硅薄膜
10.2.1 等离子增强化学气相沉积制备多晶硅薄膜
• 在反应过程中，只有当SiH4超过一定临界浓度时，才能产 生呈多种多面体形态的细硅粒，然后这些细硅粒作为形核 中心进一步长大，最终形成多晶硅薄膜。 • T.Kitagawa等对PECVD制备的多晶硅薄膜进行了原位 RHEED研究，气体比例从10变化到200，而衬底温度TS则 从27oC变化到560oC. 发现，在衬底表面首先是生成非晶硅 层，在达到一个临界膜厚后，开始形核结晶，多晶硅薄膜 才开始生长，而且衬底表面氢起到了相当大的作用。
§10.1 多晶硅薄膜的基本性质
10.1.2 多晶硅薄膜的制备技术
• 为了防止在高温工艺中杂质自衬底向硅薄膜中扩散，目前 一般采用“缓冲层”技术。
• 高温工艺制备多晶硅薄膜的生长速率很高。一般认为，随 着衬底温度的升高，沉积速率增加。 • 薄膜的厚度一般为20-50um.需要衬底材料。
§10.1 多晶硅薄膜的基本性质
§10.1 多晶硅薄膜的基本性质
10.1.1 多晶硅薄膜的特点
§10.1 多晶硅薄膜的基本性质
10.1.2 多晶硅薄膜的制备技术
• 真空蒸发、溅射、电化学沉积、化学气相沉积、液相外延 和分子束外延等。 • 液相外延 • 化学气相沉积技术
§10.1 多晶硅薄膜的基本性质
10.1.2 多晶硅薄膜的制备技术
§10.1 多晶硅薄膜的基本性质
10.1.3 多晶硅薄膜的晶界和缺陷
• 多晶硅薄膜的中的晶界可以引入势垒，引起能带的弯曲。
§10.1 多晶硅薄膜的基本性质
10.1.3 多晶硅薄膜的晶界和缺陷
• 晶界对材料的性能有两方面的破坏作用：一方面会引入垫 垒，导致多数载流子的传输受到阻碍；另一方面，其晶界 成为少数载流子的复合中心，降低了少数载流子的扩散长 度，导致太阳电池的开路电压和效率的降低。
§ 10.2 化学气相沉积制备多晶硅薄膜
10.2.1 等离子增强化学气相沉积制备多晶硅薄膜
• 在制备过程中，微晶硅的晶化分数主要取决于反应气体中 H2的浓度。通常，随着H2浓度的提高，硅薄膜晶化的比 率就大。
§ 10.2 化学气相沉积制备多晶硅薄膜
10.2.1 等离子增强化学气相沉积制备多晶硅薄膜
§ 10.2 化学气相沉积制备多晶硅薄膜
10.2.1 等离子增强化学气相沉积制备多晶硅薄膜
• 人们利用各种技术试图降低等离子体中的高能离子数目， 以便增加薄膜晶化率。 • 1）利用甚高频等离子增强化学气相沉积技术（VHF PECVD)来制备多晶硅薄膜。 • 2）利用氘替代H2作SiH4的稀释气体，不仅可以增加晶化 率，而且可以降低缺陷密度。 • 3）通过电极的设计也可以改变等离子体中高能离子的数 量。
§ 10.2 化学气相沉积制备多晶硅薄膜
10.2.2 低压化学气相沉积制备多晶硅薄膜
• 利用SiH4 作为气体源，也有用乙硅烷（ Si2H6 ）作为气 体源的，在低压条件下热分解气体源，从而直接在衬底上 沉积多晶硅。工艺参数见书P245
§ 10.2 化学气相沉积制备多晶硅薄膜
10.1.4 多晶硅薄膜的杂质
• 氧是多晶硅薄膜中的另一种重要杂质，活化能约为 0.15eV.
• 由于系统的真空度不够或者反应气体不够高纯所引起的。
• 有研究报道，在适合的气压下生长多晶硅薄膜，薄膜表面 的氧有可能扩散进入体内。
§10.1 多晶硅薄膜的基本性质
10.1.4 多晶硅薄膜的杂质
• 在多晶硅氧杂质通常打断Si-Si，形成氧桥，构成Si-O-Si 。 • 处于氧桥位臵的氧对多晶硅薄膜的影响有限，尤其是对薄 膜是对薄膜的晶粒大小和晶化率基本没有影响。 • 在薄膜的制备过程和太阳电池的制备工艺中，氧可以产生 扩散，在多晶硅薄膜晶界聚集，降低了系统的能量，也产 生了施主态，影响薄膜材料的性能。
§ 10.2 化学气相沉积制备多晶硅薄膜
10.2.1 等离子增强化学气相沉积制备多晶硅薄膜
• 利用等离子增强化学气相沉积技术制备多晶硅薄膜，要求 衬底的温度在500-600oC，但是由于辉光放电技术本身的 原因，衬底的温度很难达到550oC以上。 • 因此对衬底材料进行不同程度的预处理，可以促进多晶硅 薄膜的形成。（见P244)
§10.2 化学气相沉积制备多晶硅薄膜
• 设备和技术与制备非晶硅薄膜非常相似，尤其是在低温制 备工艺中。但是与非Baidu Nhomakorabea硅不同的是，通常利用纯的SiH4或 低浓度H2稀释的SiH4作为源气体制备非晶硅薄膜，而利用 高浓度H2稀释的SiH4来制备多晶硅薄膜。
§ 10.2 化学气相沉积制备多晶硅薄膜
10.2.1 等离子增强化学气相沉积制备多晶硅薄膜
第 十章
多晶硅薄膜
• 多晶硅薄膜材料：指在玻璃、陶瓷、廉价硅等低成本衬底 上，通过化学气相沉积等技术，制备成一定厚度的多晶硅 薄膜。 • 根据多晶硅晶粒的大小，部分多晶硅薄膜又可称为微晶硅 薄膜（uc-Si，其晶粒大小在10-30nm左右）或纳米硅 （nc-Si,其晶粒在10nm左右）薄膜。 • 多晶硅薄膜主要分为两类：一类是晶粒较大，完全由多晶 硅颗粒组成；另一类是由部分晶化、晶粒细小的多晶硅镶 嵌在非晶硅中组成。