專利名稱：一種用晶核預(yù)控制激光晶化法制備多晶硅薄膜材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多晶硅薄膜材料的制備技術(shù)，特別是一種用晶核預(yù)控制激光晶化法制備多晶硅薄膜的方法。
背景技術(shù)：
非晶硅和多晶硅是目前用于制備有源選址矩陣的有源層的主流薄膜材料。多晶硅與非晶硅相比，具有較高的遷移率和較好的穩(wěn)定性，適合于制備高質(zhì)量、高分辨率、低功耗和高穩(wěn)定性的有源選址顯示器。在全集成小尺寸的顯示器上的應(yīng)用，具有明顯的優(yōu)勢。但其制備工藝相對復(fù)雜，制備成本相對較高。如果欲在大尺寸有源選址技術(shù)上，與非晶硅一爭高低，就必須在保持多晶硅原有優(yōu)勢的同時(shí)，開發(fā)出適于大面積玻璃襯底的低成本材料制備技術(shù)。低溫晶化技術(shù)因其能低溫下制備出高性能TFT所需的多晶硅材料而受到廣泛關(guān)注和采用。用多晶硅制備的TFT在場效應(yīng)遷移率、可靠性、閾值電壓等方面的特性在很大程度上依賴于多晶硅材料本身的性能，如晶粒尺寸、晶向等。晶界上的缺陷能降低多晶硅TFT的特性?？梢杂迷龃缶Я３叽?、減少晶界和提高晶粒均勻性的方法來提高多晶硅TFT的參數(shù)特性。實(shí)質(zhì)上，在激光晶化過程中，增大晶粒尺寸和提高晶粒均勻性的關(guān)鍵在于控制晶核數(shù)量和分布。近年來，人們提出了用TS-SLS的方法來實(shí)現(xiàn)晶粒生長的控制。在這種方法中， 需要在非晶硅表面放置掩模板，通過兩次激光照射起到控制晶粒橫向生長的作用。但是使用這種方法也有缺點(diǎn)，比如掩模板的設(shè)計(jì)和制作較為復(fù)雜，縫寬和縫間距達(dá)到微米級；另外需要兩次照射，第二次照射需要移動(dòng)掩模板，精確位置很難控制。本發(fā)明采用晶核預(yù)控制激光晶化法制備多晶硅薄膜，具體是預(yù)先在激光晶化前驅(qū)物表面附著一薄層鎳鹽，而金屬鎳具有誘導(dǎo)晶化、降低晶化溫度的作用，因此在晶化過程中，當(dāng)鎳鹽濃度合適的時(shí)候，會優(yōu)先在鎳鹽分子聚集處形成晶核，通過控制鎳鹽濃度，實(shí)現(xiàn)成核密度的控制，達(dá)到提高多晶硅性能的目的，同時(shí)由于鎳的降低晶化溫度的作用，還可以降低所使用的激光功率，節(jié)約了能源。且與傳統(tǒng)激光晶化技術(shù)相比，本發(fā)明并沒有引入復(fù)雜工藝。另一方面，通過測試，多晶硅內(nèi)的鎳殘余量很少，在XPS檢測靈敏度以下。另外，和準(zhǔn)分子激光器相比，YLF固體激光器不需要很多的日常維護(hù)和補(bǔ)充昂貴的工作物質(zhì)。因此，通過此項(xiàng)技術(shù)還具有與傳統(tǒng)激光晶化技術(shù)相比相對低廉的成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述技術(shù)分析和存在問題，提供一種用晶核預(yù)控制激光晶化法制備多晶硅薄膜的方法，該方法可提高多晶硅材料的性能、降低激光功率、節(jié)約能源，同時(shí)多晶硅內(nèi)的鎳殘余量很少，在XPS檢測靈敏度以下，且并不引入復(fù)雜工藝。本發(fā)明的技術(shù)方案
一種用晶核預(yù)控制激光晶化法制備多晶硅薄膜的方法，包括如下步驟
1)在石英玻璃襯底上沉積晶化前驅(qū)物；
2)在晶化前驅(qū)物表面涂覆親和劑，然后在涂有親和劑的晶化前驅(qū)物表面附著鎳鹽溶液，并風(fēng)干；
3)用激光器的激光照射上述晶化前驅(qū)物，使其晶化為大晶粒多晶硅，大晶粒多晶硅的形狀為條形、多邊形或圓形，大晶粒的平均粒徑為1-20微米；
4)將晶化后的多晶硅進(jìn)行熱退火處理，熱退火溫度為400-600°C，熱退火時(shí)間為l_2h。所述晶化前驅(qū)物的沉積方法為化學(xué)汽相沉積法、等離子增強(qiáng)化學(xué)汽相沉積法或?yàn)R射沉積法；獲得的晶化前驅(qū)物為厚度20nm-5000nm的非晶硅薄膜、微晶硅薄膜或過渡區(qū)薄膜。所述晶化前驅(qū)物表面親和劑的涂覆方法為旋甩法、氣熏法或噴淋法；所述親和劑為正膠表面處理劑。所述鎳鹽溶液的附著方法為旋甩法或浸蘸法，其中旋甩法的條件為旋甩轉(zhuǎn)速中低速為500-2000r/min、高速為1300_8000r/min，旋甩時(shí)間為30 -60秒；浸蘸法的條件為 浸蘸時(shí)間為1-2分鐘、浸蘸后的噴淋時(shí)間為1-2分鐘。所述鎳鹽溶液由NiNO3與去離子水構(gòu)成，鎳鹽溶液的質(zhì)量百分比濃度為3-5%。所述激光器為半導(dǎo)體固體激光器或氣體激光器，激光波長為523nm、激光能量密度為200-600 mj/cm2、脈沖寬度頻率為10-150ns、掃描速度為6-lOmm/s，激光光斑形狀為圓形光束或線形光束。 一種所述采用晶核預(yù)控制激光晶化法制備多晶硅薄膜的應(yīng)用，用于制備多晶硅薄膜晶體管，進(jìn)而將該多晶硅薄膜晶體管用于多晶硅晶體管電路、顯示器象素電路、光電子器件以及采用多晶硅電路和象素電極制備的全集成顯示系統(tǒng)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是適用于在大面積襯底上流水線操作制備高質(zhì)量多晶硅薄膜材料，并可以通過控制旋甩轉(zhuǎn)速和旋甩時(shí)間或者浸蘸時(shí)間和浸蘸后的噴淋時(shí)間以及改變鎳鹽溶液的濃度來改變晶化效果；與準(zhǔn)分子激光器激光晶化的方法相比，工藝簡單，成本低廉。 所獲得的多晶硅薄膜可用于制備多晶硅薄膜晶體管和多晶硅晶體管電路，顯示器象素電路和光電子器件、面陣敏感器，平板顯示基板，多晶硅電路和象素電極制備的全集成顯示系統(tǒng)，具有重要的實(shí)用價(jià)值。


圖1為用晶核預(yù)控制激光晶化法制備多晶硅的結(jié)構(gòu)示意圖，其中(a)為激光照射前形態(tài)；(b)為激光照射后形態(tài)。圖中1.石英玻璃襯底 2.非晶硅薄膜 3.親和劑 4.鎳鹽溶液層 5.多晶硅薄膜
圖2為采用了不同激光能量制備的多晶硅薄膜霍爾遷移率以及退火后的變化曲線，箭頭表示500°C熱退火1小時(shí)后變化。圖3為采用了不同激光能量制備的多晶硅薄膜晶化率變化曲線。圖4為采用了不同濃度鎳鹽溶液制備的多晶硅薄膜的晶化率和霍爾遷移率。圖5為用光學(xué)顯微鏡所觀測到的多晶硅外部形貌，圖中(a)為未作處理的激光晶化多晶硅；(b)為使用了鎳溶液的激光晶化多晶硅，其中所用的鎳溶液濃度為3%; (c)為使用了鎳溶液的激光晶化多晶硅，其中所用的鎳溶液濃度為5%，三種樣品的激光晶化條件均為激光功率為24W，掃描速度為6mm/s。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明的晶核預(yù)控制激光晶化法制備大晶粒多晶硅的方法及產(chǎn)品和應(yīng)用做出詳細(xì)說明。實(shí)施例
一種用晶核預(yù)控制激光晶化法制備多晶硅薄膜的方法，如圖1所示，包括如下步驟
1)在550°C條件下采用低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)在石英玻璃襯底1上沉積IOOnm厚的非晶硅薄膜2作為晶化前驅(qū)物；
2)在晶化前驅(qū)物表面采用旋甩法涂覆親和劑3正膠表面處理劑，旋甩速度為在低速 1500r/min下旋甩10秒、在高速3000r/min下旋甩20秒，然后在涂有親和劑的晶化前驅(qū)物表面附著質(zhì)量百分比濃度為4%的NiNO3水溶液4，并風(fēng)干；
3)用YLF激光器線形光束掃描正面的非晶硅薄膜表面，激光波長為527nm、脈沖頻率為 ΙΚΗζ、光束長為km、寬為140 μ m、單脈沖能量密度為430mJ/cm2，使其晶化為大晶粒多晶硅 5，大晶粒多晶硅的形狀為條形、多邊形或圓形，大晶粒的平均粒徑為1-20微米；
4)將晶化后的多晶硅進(jìn)行熱退火處理，熱退火溫度為500°C，熱退火時(shí)間為lh。圖2為采用了不同激光能量制備的多晶硅薄膜霍爾遷移率以及退火后的變化曲線，箭頭表示500°C熱退火1小時(shí)后變化。圖中顯示晶核預(yù)控制激光晶化法制備的多晶硅薄膜在熱退火后霍爾遷移率的提升幅度更大，其霍爾遷移率從11. 5cm2/V · s提高到 18. 6cm2/V · s。圖3為采用了不同激光能量制備的多晶硅薄膜晶化率變化曲線。圖中顯示晶核預(yù)控制激光晶化法制備的多晶硅薄膜的晶化率得到一定的提高，晶核預(yù)控制激光晶化法較未摻鎳鹽的晶化樣品晶化率提高了 8%左右。圖4為采用了不同濃度鎳鹽溶液制備的多晶硅薄膜的晶化率和霍爾遷移率。圖中顯示鎳鹽濃度對晶化效果是有影響的，其中3%的鎳鹽溶度最好，使多晶硅的霍爾遷移率與未使用鎳鹽的樣品相比提高了 30%左右。圖5為用光學(xué)顯微鏡所觀測到的多晶硅外部形貌，圖中(a)為未作處理的激光晶化多晶硅；(b)為使用了鎳溶液的激光晶化多晶硅，其中所用的鎳溶液濃度為3%; (c)為使用了鎳溶液的激光晶化多晶硅，其中所用的鎳溶液濃度為5%，三種樣品的激光晶化條件均為激光功率為24W，掃描速度為6mm/s。圖中顯示未作處理的激光晶化多晶硅所得到的多晶硅晶粒形狀為長條形；鎳溶液濃度為3%的激光晶化多晶硅所得到的多晶硅晶粒形狀近似均勻的圓形或多邊形；鎳溶液濃度為5%的激光晶化多晶硅所得到的多晶硅晶粒形狀為多邊形并且分布一些小晶粒。將該采用晶核預(yù)控制激光晶化法制備的多晶硅，可應(yīng)用于制備多晶硅薄膜晶體管，進(jìn)而將該多晶硅薄膜晶體管用于多晶硅晶體管電路、顯示器象素電路、光電子器件以及采用多晶硅電路和象素電極制備的全集成顯示系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種用晶核預(yù)控制激光晶化法制備多晶硅薄膜的方法，其特征在于包括如下步驟1)在石英玻璃襯底上沉積晶化前驅(qū)物；2)在晶化前驅(qū)物表面涂覆親和劑，然后在涂有親和劑的晶化前驅(qū)物表面附著鎳鹽溶液，并風(fēng)干；3)用激光器的激光照射上述晶化前驅(qū)物，使其晶化為大晶粒多晶硅，大晶粒多晶硅的形狀為條形、多邊形或圓形，大晶粒的平均粒徑為1-20微米；4)將晶化后的多晶硅進(jìn)行熱退火處理，熱退火溫度為400-600°C，熱退火時(shí)間為l_2h。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述用晶核預(yù)控制激光晶化法制備多晶硅薄膜的方法，其特征在于所述晶化前驅(qū)物的沉積方法為化學(xué)汽相沉積法、等離子增強(qiáng)化學(xué)汽相沉積法或?yàn)R射沉積法；獲得的晶化前驅(qū)物為厚度20nm-5000nm的非晶硅薄膜、微晶硅薄膜或過渡區(qū)薄膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述用晶核預(yù)控制激光晶化法制備多晶硅薄膜的方法，其特征在于所述晶化前驅(qū)物表面親和劑的涂覆方法為旋甩法、氣熏法或噴淋法；所述親和劑為正膠表面處理劑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述用晶核預(yù)控制激光晶化法制備多晶硅薄膜的方法，其特征在于所述鎳鹽溶液的附著方法為旋甩法或浸蘸法，其中旋甩法的條件為旋甩轉(zhuǎn)速中低速為500-2000r/min、高速為1300_8000r/min，旋甩時(shí)間為30 -60秒；浸蘸法的條件為浸蘸時(shí)間為1-2分鐘、浸蘸后的噴淋時(shí)間為1-2分鐘。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述用晶核預(yù)控制激光晶化法制備多晶硅薄膜的方法，其特征在于所述鎳鹽溶液由NiNO3與去離子水構(gòu)成，鎳鹽溶液的質(zhì)量百分比濃度為3-5%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述用晶核預(yù)控制激光晶化法制備多晶硅薄膜的方法，其特征在于所述激光器為半導(dǎo)體固體激光器或氣體激光器，激光波長為523nm、激光能量密度為 200-600 mj/cm2、脈沖寬度頻率為10-150ns、掃描速度為6-lOmm/s，激光光斑形狀為圓形光束或線形光束。
7.—種如權(quán)利要求1所述采用晶核預(yù)控制激光晶化法制備多晶硅薄膜的應(yīng)用，其特征在于用于制備多晶硅薄膜晶體管，進(jìn)而將該多晶硅薄膜晶體管用于多晶硅晶體管電路、顯示器象素電路、光電子器件以及采用多晶硅電路和象素電極制備的全集成顯示系統(tǒng)。
全文摘要
一種用晶核預(yù)控制激光晶化法制備多晶硅薄膜材料的方法，步驟如下1)在石英玻璃襯底上沉積晶化前驅(qū)物；2)在晶化前驅(qū)物表面涂覆親和劑，然后在其表面附著鎳鹽溶液；3)用激光器的激光照射，使其晶化為大晶粒多晶硅，大晶粒的平均粒徑為1-20微米；4)將晶化后的多晶硅進(jìn)行熱退火處理，熱退火溫度為400-600℃，熱退火時(shí)間為1-2h。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是適用于在大面積襯底上流水線操作制備高質(zhì)量多晶硅薄膜材料，并可以通過控制旋甩轉(zhuǎn)速和旋甩時(shí)間或者浸蘸時(shí)間和浸蘸后的噴淋時(shí)間以及改變鎳鹽溶液的濃度來改變晶化效果；該制備工藝簡單、成本低；該多晶硅薄膜可用于制備多晶硅薄膜晶體管和多晶硅晶體管電路，具有重要的實(shí)用價(jià)值。
文檔編號C30B28/02GK102263014SQ20111021528
公開日2011年11月30日 申請日期2011年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月29日
發(fā)明者葉成枝, 宰亞孟, 尹春建, 李娟 , 熊紹珍 申請人:南開大學(xué)