多晶硅制备技术的研究现状.docx

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1、多晶硅制备技术的争论现状 院系： 学号： 日期：段昊化学化工学院15020701172023/10/24多晶硅制备技术的争论现状段昊，中南大学，化学化工学院，1502070117摘要：多晶硅是当今社会在能源和信息产业的重要无机材料，他具备单晶硅和非晶硅的诸多优点，广泛用于制造太阳能电池及半导体。高纯多晶硅是电子工 业和太阳能光伏产业的根底原料 ，在短期内 ，还不行能有其他材料 能够替代硅材料而成为电子和光 伏产业主要原材料。目前多晶硅生 产制备的多种生产工艺路线并存， 本文主 要争论了制备多晶硅的不 同方法及差异。关键字 ： 多晶硅，制备，晶化，气象沉积。引言：自从半导 体工业 进展以 来，硅

2、 作为性 能优良 的半导 体材料 受到人 们的重视。硅 有单晶 硅，多 晶硅和非 晶硅等 形态， 多晶硅 兼具单 晶硅和 非晶硅的大局部 优点于 一身， 以及相对 较成熟 的单晶 硅制造 工艺被 沿用到 多晶硅的制备中 ，人们 对多晶 硅制备的 争论兴 趣愈发 深厚。 多晶硅 主要应 用于半导体工业及制 造太阳能电池上，占多晶硅总需 求的 90%以上。目前有两个应用方向有发 展潜力：一是大晶粒多晶硅 ,具有远大于非晶 硅,并与单晶硅可相比较的高 载流子迁 移率,常代替非 晶硅应用 于薄膜 晶体管 (TFT) 的有源层, 因此不仅可以取代非晶硅用于液晶显示器件(LCD), 而且用它制作的互补MO

3、S(CMOS) 电路可以实现 LCD 一体化 ,即把外围驱动电路 和显示屏做在同一衬底上 ;另一方面,多晶硅薄膜 在光照 下,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), 而且带隙较窄,对可见光能有效吸取,被公认为是高效率和低功耗的光伏材料,由于在太阳电池制 作上的应用十 分成功。本文 总结了多晶硅制 备的一些方法。制备方法：目前多晶硅制备方法有铸造法1和低温合成法2两大方法。其中铸造法有浇铸法，定向凝固法，电磁感应加热连续铸造法等；低温合成则分为化学气象沉积(CVD)和非晶硅薄膜晶化两类。非晶硅薄膜晶化又有金属诱导横向晶化，

4、准分子激光诱导等方法；化学气象沉积则有触媒化学气象沉积(CAT-CVD)，电感耦合等离子体化学气象沉积(ICP-CVD)，等离子体增加气象沉积(PECVD)，热丝化学气象沉积(HWCVD)等。铸造法:有浇铸法，定向凝固法，电磁感应加热连续铸造法等。制备的多晶硅多是较大的颗粒。浇铸法是将预熔的硅倒入预备好的凝固坩埚结晶制备多晶硅的方法。该方法工艺成熟，简洁，可以实现半连续生产。但是在高温下坩埚会与熔融态的硅发生反响，引入杂志，并且倾倒到另一坩埚中同样会引入杂质，造成二次污染，因此制的的多晶硅纯度不高。定向凝固法在一个坩埚中熔炼，通过掌握和保持坩埚内温度梯度的方向和大小，会沿温度梯度方向凝固，从而

5、形成一个柱状晶体组织。该方法熔融和结晶在同一个坩埚内进展，不会产生二次污染；但是由于熔态和固态同时存在，定向结晶时固液两相中杂质含量不同，导致所的多晶硅的杂质含量不均匀。因此徐切除两边的局部，降低了原料的利用率。同时该方法也存在能耗高等缺陷。电磁感应加热连续铸造法(EMCP) 3利用电磁感应加热溶化硅原料，溶化局部信任的区域转移时其余局部凝固结晶。该方法不使用坩埚，有避开了杂质的二次污染，同时可实现连续生产，减小能耗等优点。低温合成4：该方法主要用于合成多晶硅薄膜，有非晶硅晶化法及气象沉积法两大方法。非晶硅晶化：该方法需要预先制备非晶硅薄膜，再通过晶化得到所需产物。快速退火法：该方法有快速热退

6、，火用时短，耗能少，效率高，工业应用前景好等优点。王红娟，卢景霄，刘萍，王生钊等争论了低温快速热退火晶化法5合成多晶硅薄膜，将沉积好的非晶硅薄膜放入特制的快速热退火炉中进展退火。利用射线衍射仪分析退火后的薄膜晶体构造，用电导率测试仪测试其暗电导率。争论结果说明，利用快速热退火晶化能够使非晶硅薄膜在较低温度下，在较短时间内发生晶化。张宇翔，王海燕，陈永生，杨仕峨等人争论了快速光热退火法6制备多晶硅薄膜，他们用等离子体增加型化学气相沉积先得到非晶硅薄膜，再用卤钨灯照耀的方法对其进展快速光热退火，得到了多晶硅薄膜。然后，进展 XRD 衍射谱、暗电导率和拉曼光谱等的测量。结果觉察，a-S i H 薄膜

7、在 RATA 退火中，退火温度在 750以上，晶化时间需要 2min，退火温度在 650以下，晶化时间则需要2 5h，晶化后，晶粒的优先取向是(111)晶向;退火温度 850时，得到的晶粒最大， 暗电导率也最大;退火温度越高，晶化程度越好 ;退火时间越长，晶粒尺寸越人 ; 光子鼓励在 RATA 退火中起着重要作用。金属诱导横向晶化法： 金属诱导晶化制备多晶硅方法是通过对制备 Ni、Al、Au、Ag、Pd 等金属与非晶态硅的复合薄膜并使其在低温下退火处理，在金属的诱导作用下使非晶态硅在较低温度下晶化而获得多晶硅。夏冬林，杨晨，徐慢，赵修建等争论了金属铝诱导制备多晶硅薄膜的方法7。他们以氢气稀释的

8、硅烷和硼烷为气源，利用等离子体增加化学气相沉积法(PECVD) 制备出 p 型 a-Si 薄膜.承受铝诱导晶化技术对不同厚度的铝膜对 a-Si 薄膜晶化的影响进展了研完。觉察，铝膜溅射为 10 s 的非晶硅薄膜样品在450下退火 10 min 后，p 型 a-Si 构造仍为非晶态，铝膜溅射为 20s、的非晶硅薄膜在 450 0C 下退火20 min 后，p 型 a-Si 薄膜开头晶化为 poly-Si 薄膜，并且铝膜厚度越厚，则 a-Si 薄膜晶化程度越强。激光诱导晶化法：激光诱导进化法利用瞬间激光脉冲产生的高能量入射到非晶硅薄膜外表，仅在薄膜表层 100 nm 厚的深度产生热能效应，使 a-

9、Si 薄膜在瞬间到达 1000 0C 左右，从而实现 a-Si 向 Poly-Si 的转变。在此过程中，激光脉冲的瞬间(1550 ns)能量被 a-Si 薄膜吸取并转化为相变能，因此，不会有过多的热能传导到薄膜衬底，合理选择激光的波长和功率，使用激光加热就能够使 a-Si 薄膜到达熔化的温度且保证基片的温度较低。廖燕平，黄金英，郜峰利等人争论了激光晶化多晶硅的制备与其 XRD 谱8， 对氢化非晶硅(aSiH)进展了脱氢和不同能量密度的准分子激光晶化多晶硅的试验，对所得样品用 X 射线衍射表征.针对多晶硅(111)面特征峰的强度、晶面间距和宽化信息，分析了激光功率密度对晶化多晶硅结晶度和应力的影

10、响，依据谢乐公式(S ch err er)估算了晶粒的大小，得到用准分子激光晶化多晶硅的较佳工艺参数，并且验证了激光辐射对薄膜材料作用的 3 种状况。戴永兵，邹雪城，徐重阳等用准分子激光诱导非晶硅晶化制备了多晶硅薄膜晶体管9，该方法用 XeCl 准分子激光器对 PECVD 法生长的非晶硅薄膜进展了诱导晶化处理，成功制备了多晶硅薄膜晶体管。低压气象化学沉积法： 低压化学气相沉积是一种直接生成多晶硅薄膜的方法。它是集成电路中普遍承受的标准方法，具有生长速度快、成膜致密、均匀、装片容量大等特点。邱春文，石旺舟等以四氟化硅和氢气为气源 PECVD 法低温制备了多晶硅薄膜10，并争论了其机理，承受常规的

11、 PECVD 法在低温(400)条件下制得大颗粒(直径100nm)、高迁移率(20cm2/vs),择优取向(220)明显的多晶硅薄膜。选用的反响气体为 SiH4 和 H2 混合气体。参加少量的 SiH4 后,沉积速率提高了将近 10 倍。 同时还提出该方法在低温时促使多晶硅构造形成的反响基元应是SiFmHn(m+n3),而不行能是 SiHn(n3)基团。赵晓锋，温殿忠也对 PECVD 制备多晶硅薄膜进展了争论争论11，该试验基于 PECVD 以高纯硅烷为气源争论制备多晶 i 硅薄膜，在衬底温度 550 ,射频( 13 56M H z)电源功率为 20W 直接沉积获得多晶硅薄膜。承受 X 射线衍

12、射仪(XRD)和场放射扫描电子显微镜(sEM)对多个样品薄膜的结晶状况及形貌进展分析，薄膜结淤.粒取向均为、晶向。对 550沉积态薄膜在 goo、1000 时进展高温退火处理，硅衍射峰明显加强。结果说明，退火温度越高，退火时间越长，得到多 b 硅薄膜外表晶粒趋于平坦，择优取向为晶向，晶粒也相对增大。刘丰珍，朱美芳，冯勇，刘金龙，汪六九，韩一琴承受了等离子体热丝法对多晶硅薄膜进展了合成12，他们承受热丝化学气相沉积和等离子体增加化学气相沉积相结合的技术制备了多晶硅薄膜，并通过 Raman 散射、XRD、吸取谱等手段争论了薄膜构造和光学性质。觉察与单纯的热丝和等离子体技术相比，等离子体热丝 CV

13、D 技术在肯定条件下有助十薄膜的钻化和提高薄膜均匀性。Auger 谱争论说明等离子体的引入人人降低了硅化物在高温热丝外表的形成。结果与展望：等离子体增加化学气相沉积(PECVD)在制备多晶硅薄膜方面有很大的应用潜力，这种方法所需的衬底温度较低，可选用廉价的玻璃作衬底，从而降低器件的本钱，另外可大面积均匀成膜的优点使其获得广泛的应用。固相晶化法的优点是能制备大面积的薄膜，晶粒尺寸大于直接沉积的多晶硅。可进展原位掺杂，本钱低，工艺简洁，易于形成生产线。但是该法制的的多晶硅薄膜晶粒的晶面取向是随机的。相邻晶粒晶面取向不同将形成较高的势垒，需要进展氢化处理来提高SPC 多晶硅的性能。激光法制备的多晶硅

14、薄膜晶粒大、空间选择性好、掺杂效率高、晶内缺陷少但晶粒对激光功率敏感，生产本钱高，设备维护简单。总体来看， 气象沉积法有望成为大量制备高品质多晶硅的抱负方法。参考文献：1. 张发云,叶建雄 铸造多晶硅制备技术的争论进展材 料 导 报 : 综 述 篇2023 年 5 月(上)第 23 卷第 5 期：1142. 武冠男,张军,刘林,等太阳能级多晶硅定向凝固技术的争论进展铸 造 技术,2023,29(5)：6733. 杨德仁 太阳能电池材料M.北京:化学工业出版社,20234. 杨定宇，蒋孟衡，涂小强低温多晶硅薄膜制备技术应用进展 电 子 元 件与材料 第 26 卷第 8 期5. 王红娟，卢景霄，刘

15、萍，王生钊，张宇翔，张丽伟 低温快速热退火晶化制备多晶硅薄膜 可再生能源 2023.3 总第 7 期 13 页6. 张宇翔，王海燕，陈永生，杨仕峨，部小勇，卢景霄，冯团辉，李瑞，郭敏用快速光热退火制备多晶硅薄膜的争论 人工晶体学报 第 34 卷第 2 期 2023年 4 月 3407. 夏冬林，杨晨，徐慢，赵修建 金属铝诱导法低温制备多晶硅薄膜 感光科学与光化学 第 24 卷第 2 期 2023 年 3 月8. 廖燕平，黄金英，郜峰利，邵喜斌，付国柱，荆海，缪国庆 激光晶化多晶硅的制备与 XRD 谱 吉林大学学报(理学版)第 42 卷第 1 期 2 0 0 4 年 1 月9. 戴永兵，邹雪城，徐重阳，李兴教，沈荷生，张志明准分子激光诱导非晶硅晶化制备多晶硅薄膜晶体管微电子学第 30 卷第 5 期 2023 年 10 月10.邱春文，石旺舟以四氟化硅和氢气为气源 PECVD 法低温制备多晶硅薄膜太阳能学报能 第 25 卷第 3 期 2023 年 6 月11.赵晓锋，温殿忠基于 PECVD 制备多晶硅薄膜争论人工晶体学报第 35 卷第 5 期 2023 年 10 月12.刘丰珍，朱美芳，冯勇，刘金龙，汪六九，韩一琴 等离子体-热丝 CVD技术制备多晶硅薄膜半导体学报 第 24 卷第 5 期 2023 年 5 月