专利名称：一种用晶核预控制激光晶化法制备多晶硅薄膜材料的方法
技术领域：
本发明涉及多晶硅薄膜材料的制备技术，特别是一种用晶核预控制激光晶化法制备多晶硅薄膜的方法。
背景技术：
非晶硅和多晶硅是目前用于制备有源选址矩阵的有源层的主流薄膜材料。多晶硅与非晶硅相比，具有较高的迁移率和较好的稳定性，适合于制备高质量、高分辨率、低功耗和高稳定性的有源选址显示器。在全集成小尺寸的显示器上的应用，具有明显的优势。但其制备工艺相对复杂，制备成本相对较高。如果欲在大尺寸有源选址技术上，与非晶硅一争高低，就必须在保持多晶硅原有优势的同时，开发出适于大面积玻璃衬底的低成本材料制备技术。低温晶化技术因其能低温下制备出高性能TFT所需的多晶硅材料而受到广泛关注和采用。用多晶硅制备的TFT在场效应迁移率、可靠性、阈值电压等方面的特性在很大程度上依赖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。可以用增大晶粒尺寸、减少晶界和提高晶粒均勻性的方法来提高多晶硅TFT的参数特性。实质上，在激光晶化过程中，增大晶粒尺寸和提高晶粒均勻性的关键在于控制晶核数量和分布。近年来，人们提出了用TS-SLS的方法来实现晶粒生长的控制。在这种方法中， 需要在非晶硅表面放置掩模板，通过两次激光照射起到控制晶粒横向生长的作用。但是使用这种方法也有缺点，比如掩模板的设计和制作较为复杂，缝宽和缝间距达到微米级；另外需要两次照射，第二次照射需要移动掩模板，精确位置很难控制。本发明采用晶核预控制激光晶化法制备多晶硅薄膜，具体是预先在激光晶化前驱物表面附着一薄层镍盐，而金属镍具有诱导晶化、降低晶化温度的作用，因此在晶化过程中，当镍盐浓度合适的时候，会优先在镍盐分子聚集处形成晶核，通过控制镍盐浓度，实现成核密度的控制，达到提高多晶硅性能的目的，同时由于镍的降低晶化温度的作用，还可以降低所使用的激光功率，节约了能源。且与传统激光晶化技术相比，本发明并没有引入复杂工艺。另一方面，通过测试，多晶硅内的镍残余量很少，在XPS检测灵敏度以下。另外，和准分子激光器相比，YLF固体激光器不需要很多的日常维护和补充昂贵的工作物质。因此，通过此项技术还具有与传统激光晶化技术相比相对低廉的成本。
发明内容
本发明的目的是针对上述技术分析和存在问题，提供一种用晶核预控制激光晶化法制备多晶硅薄膜的方法，该方法可提高多晶硅材料的性能、降低激光功率、节约能源，同时多晶硅内的镍残余量很少，在XPS检测灵敏度以下，且并不引入复杂工艺。本发明的技术方案
一种用晶核预控制激光晶化法制备多晶硅薄膜的方法，包括如下步骤
1)在石英玻璃衬底上沉积晶化前驱物；
2)在晶化前驱物表面涂覆亲和剂，然后在涂有亲和剂的晶化前驱物表面附着镍盐溶液，并风干；
3)用激光器的激光照射上述晶化前驱物，使其晶化为大晶粒多晶硅，大晶粒多晶硅的形状为条形、多边形或圆形，大晶粒的平均粒径为1-20微米；
4)将晶化后的多晶硅进行热退火处理，热退火温度为400-600°C，热退火时间为l_2h。所述晶化前驱物的沉积方法为化学汽相沉积法、等离子增强化学汽相沉积法或溅射沉积法；获得的晶化前驱物为厚度20nm-5000nm的非晶硅薄膜、微晶硅薄膜或过渡区薄膜。所述晶化前驱物表面亲和剂的涂覆方法为旋甩法、气熏法或喷淋法；所述亲和剂为正胶表面处理剂。所述镍盐溶液的附着方法为旋甩法或浸蘸法，其中旋甩法的条件为旋甩转速中低速为500-2000r/min、高速为1300_8000r/min，旋甩时间为30 -60秒；浸蘸法的条件为 浸蘸时间为1-2分钟、浸蘸后的喷淋时间为1-2分钟。所述镍盐溶液由NiNO3与去离子水构成，镍盐溶液的质量百分比浓度为3-5%。所述激光器为半导体固体激光器或气体激光器，激光波长为523nm、激光能量密度为200-600 mj/cm2、脉冲宽度频率为10-150ns、扫描速度为6-lOmm/s，激光光斑形状为圆形光束或线形光束。 一种所述采用晶核预控制激光晶化法制备多晶硅薄膜的应用，用于制备多晶硅薄膜晶体管，进而将该多晶硅薄膜晶体管用于多晶硅晶体管电路、显示器象素电路、光电子器件以及采用多晶硅电路和象素电极制备的全集成显示系统。本发明的优点是适用于在大面积衬底上流水线操作制备高质量多晶硅薄膜材料，并可以通过控制旋甩转速和旋甩时间或者浸蘸时间和浸蘸后的喷淋时间以及改变镍盐溶液的浓度来改变晶化效果；与准分子激光器激光晶化的方法相比，工艺简单，成本低廉。 所获得的多晶硅薄膜可用于制备多晶硅薄膜晶体管和多晶硅晶体管电路，显示器象素电路和光电子器件、面阵敏感器，平板显示基板，多晶硅电路和象素电极制备的全集成显示系统，具有重要的实用价值。
图1为用晶核预控制激光晶化法制备多晶硅的结构示意图，其中(a)为激光照射前形态；(b)为激光照射后形态。图中1.石英玻璃衬底 2.非晶硅薄膜 3.亲和剂 4.镍盐溶液层 5.多晶硅薄膜
图2为采用了不同激光能量制备的多晶硅薄膜霍尔迁移率以及退火后的变化曲线，箭头表示500°C热退火1小时后变化。图3为采用了不同激光能量制备的多晶硅薄膜晶化率变化曲线。图4为采用了不同浓度镍盐溶液制备的多晶硅薄膜的晶化率和霍尔迁移率。图5为用光学显微镜所观测到的多晶硅外部形貌，图中(a)为未作处理的激光晶化多晶硅；(b)为使用了镍溶液的激光晶化多晶硅，其中所用的镍溶液浓度为3%; (c)为使用了镍溶液的激光晶化多晶硅，其中所用的镍溶液浓度为5%，三种样品的激光晶化条件均为激光功率为24W，扫描速度为6mm/s。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明的晶核预控制激光晶化法制备大晶粒多晶硅的方法及产品和应用做出详细说明。实施例
一种用晶核预控制激光晶化法制备多晶硅薄膜的方法，如图1所示，包括如下步骤
1)在550°C条件下采用低压化学气相沉积(LPCVD)在石英玻璃衬底1上沉积IOOnm厚的非晶硅薄膜2作为晶化前驱物；
2)在晶化前驱物表面采用旋甩法涂覆亲和剂3正胶表面处理剂，旋甩速度为在低速 1500r/min下旋甩10秒、在高速3000r/min下旋甩20秒，然后在涂有亲和剂的晶化前驱物表面附着质量百分比浓度为4%的NiNO3水溶液4，并风干；
3)用YLF激光器线形光束扫描正面的非晶硅薄膜表面，激光波长为527nm、脉冲频率为 ΙΚΗζ、光束长为km、宽为140 μ m、单脉冲能量密度为430mJ/cm2，使其晶化为大晶粒多晶硅 5，大晶粒多晶硅的形状为条形、多边形或圆形，大晶粒的平均粒径为1-20微米；
4)将晶化后的多晶硅进行热退火处理，热退火温度为500°C，热退火时间为lh。图2为采用了不同激光能量制备的多晶硅薄膜霍尔迁移率以及退火后的变化曲线，箭头表示500°C热退火1小时后变化。图中显示晶核预控制激光晶化法制备的多晶硅薄膜在热退火后霍尔迁移率的提升幅度更大，其霍尔迁移率从11. 5cm2/V · s提高到 18. 6cm2/V · s。图3为采用了不同激光能量制备的多晶硅薄膜晶化率变化曲线。图中显示晶核预控制激光晶化法制备的多晶硅薄膜的晶化率得到一定的提高，晶核预控制激光晶化法较未掺镍盐的晶化样品晶化率提高了 8%左右。图4为采用了不同浓度镍盐溶液制备的多晶硅薄膜的晶化率和霍尔迁移率。图中显示镍盐浓度对晶化效果是有影响的，其中3%的镍盐溶度最好，使多晶硅的霍尔迁移率与未使用镍盐的样品相比提高了 30%左右。图5为用光学显微镜所观测到的多晶硅外部形貌，图中(a)为未作处理的激光晶化多晶硅；(b)为使用了镍溶液的激光晶化多晶硅，其中所用的镍溶液浓度为3%; (c)为使用了镍溶液的激光晶化多晶硅，其中所用的镍溶液浓度为5%，三种样品的激光晶化条件均为激光功率为24W，扫描速度为6mm/s。图中显示未作处理的激光晶化多晶硅所得到的多晶硅晶粒形状为长条形；镍溶液浓度为3%的激光晶化多晶硅所得到的多晶硅晶粒形状近似均勻的圆形或多边形；镍溶液浓度为5%的激光晶化多晶硅所得到的多晶硅晶粒形状为多边形并且分布一些小晶粒。将该采用晶核预控制激光晶化法制备的多晶硅，可应用于制备多晶硅薄膜晶体管，进而将该多晶硅薄膜晶体管用于多晶硅晶体管电路、显示器象素电路、光电子器件以及采用多晶硅电路和象素电极制备的全集成显示系统。
权利要求
1.一种用晶核预控制激光晶化法制备多晶硅薄膜的方法，其特征在于包括如下步骤1)在石英玻璃衬底上沉积晶化前驱物；2)在晶化前驱物表面涂覆亲和剂，然后在涂有亲和剂的晶化前驱物表面附着镍盐溶液，并风干；3)用激光器的激光照射上述晶化前驱物，使其晶化为大晶粒多晶硅，大晶粒多晶硅的形状为条形、多边形或圆形，大晶粒的平均粒径为1-20微米；4)将晶化后的多晶硅进行热退火处理，热退火温度为400-600°C，热退火时间为l_2h。
2.根据权利要求1所述用晶核预控制激光晶化法制备多晶硅薄膜的方法，其特征在于所述晶化前驱物的沉积方法为化学汽相沉积法、等离子增强化学汽相沉积法或溅射沉积法；获得的晶化前驱物为厚度20nm-5000nm的非晶硅薄膜、微晶硅薄膜或过渡区薄膜。
3.根据权利要求1所述用晶核预控制激光晶化法制备多晶硅薄膜的方法，其特征在于所述晶化前驱物表面亲和剂的涂覆方法为旋甩法、气熏法或喷淋法；所述亲和剂为正胶表面处理剂。
4.根据权利要求1所述用晶核预控制激光晶化法制备多晶硅薄膜的方法，其特征在于所述镍盐溶液的附着方法为旋甩法或浸蘸法，其中旋甩法的条件为旋甩转速中低速为500-2000r/min、高速为1300_8000r/min，旋甩时间为30 -60秒；浸蘸法的条件为浸蘸时间为1-2分钟、浸蘸后的喷淋时间为1-2分钟。
5.根据权利要求1所述用晶核预控制激光晶化法制备多晶硅薄膜的方法，其特征在于所述镍盐溶液由NiNO3与去离子水构成，镍盐溶液的质量百分比浓度为3-5%。
6.根据权利要求1所述用晶核预控制激光晶化法制备多晶硅薄膜的方法，其特征在于所述激光器为半导体固体激光器或气体激光器，激光波长为523nm、激光能量密度为 200-600 mj/cm2、脉冲宽度频率为10-150ns、扫描速度为6-lOmm/s，激光光斑形状为圆形光束或线形光束。
7.—种如权利要求1所述采用晶核预控制激光晶化法制备多晶硅薄膜的应用，其特征在于用于制备多晶硅薄膜晶体管，进而将该多晶硅薄膜晶体管用于多晶硅晶体管电路、显示器象素电路、光电子器件以及采用多晶硅电路和象素电极制备的全集成显示系统。
全文摘要
一种用晶核预控制激光晶化法制备多晶硅薄膜材料的方法，步骤如下1)在石英玻璃衬底上沉积晶化前驱物；2)在晶化前驱物表面涂覆亲和剂，然后在其表面附着镍盐溶液；3)用激光器的激光照射，使其晶化为大晶粒多晶硅，大晶粒的平均粒径为1-20微米；4)将晶化后的多晶硅进行热退火处理，热退火温度为400-600℃，热退火时间为1-2h。本发明的优点是适用于在大面积衬底上流水线操作制备高质量多晶硅薄膜材料，并可以通过控制旋甩转速和旋甩时间或者浸蘸时间和浸蘸后的喷淋时间以及改变镍盐溶液的浓度来改变晶化效果；该制备工艺简单、成本低；该多晶硅薄膜可用于制备多晶硅薄膜晶体管和多晶硅晶体管电路，具有重要的实用价值。
文档编号C30B28/02GK102263014SQ20111021528
公开日2011年11月30日 申请日期2011年7月29日 优先权日2011年7月29日
发明者叶成枝, 宰亚孟, 尹春建, 李娟 , 熊绍珍 申请人:南开大学