多晶硅薄膜的制备方法
lpcvd多晶硅生产工艺流程
lpcvd多晶硅生产工艺流程英文回答：Low-Pressure Chemical Vapor Deposition (LPCVD) Polysilicon Fabrication Process.LPCVD is a thin-film deposition technique used tocreate polycrystalline silicon (polysilicon) layers on semiconductor substrates. The process involves the chemical reaction of silane gas (SiH4) with oxygen in a vacuum chamber at low pressure. The following is an overview ofthe LPCVD polysilicon production process:1. Substrate Preparation: The substrate, typically a silicon wafer, is cleaned to remove any contaminants. Athin layer of silicon dioxide (SiO2) may be deposited onthe substrate to improve adhesion and prevent contamination.2. LPCVD Reactor: The substrate is placed in an LPCVD reactor, which is a vacuum chamber equipped with gas inlets,a heater, and a gas exhaust.3. Gas Introduction: Silane gas (SiH4) and oxygen (O2) are introduced into the reactor. The flow rates of these gases are carefully controlled to achieve the desired stoichiometry of the polysilicon film.4. Chemical Reaction: Inside the reactor, the silane and oxygen gases react to form silicon atoms and hydrogen gas according to the following chemical equation: SiH4 + O2 → Si + 2H2.5. Film Deposition: The silicon atoms condense on the substrate surface, forming a polycrystalline silicon film. The thickness and properties of the polysilicon film are controlled by the deposition time, temperature, and gas flow rates.6. Post-Deposition Treatment: After deposition, the polysilicon film may undergo additional processing steps, such as annealing or doping, to improve its electrical and physical properties.中文回答：LPCVD多晶硅生产工艺流程。
多晶硅薄膜
②多晶硅薄膜温度尽量要低，以便选用低 价优质的衬底材料；
③多晶硅薄膜电学性能的高可控性和高重 复性。
本章首先介绍多晶硅薄膜的材料特
点，然后阐述化学气相沉积直接制备多 晶硅薄膜的技术和材料等特点，包括等 离子增强化学气相沉积、热丝化学气相 沉积等技术，阐述了通过固相晶化、激 光晶化和快速热处理晶化等技术晶化非 晶硅薄膜的技术和材料性能。
②由部分晶化、晶粒细小的多晶硅镶嵌 在非晶硅中组成。
这些多晶硅薄膜单独或与非晶硅组成， 构成了多种新型的硅薄膜太阳电池，具有 潜在的应用。如利用微晶硅单电池替代价 格昂贵的锗烷制备的a-SiGe:H薄膜太阳电 池作为底电池，它可以吸收红光，结合作 为顶电池的可以吸收蓝光、绿光的非晶硅 电池，可以大大改善层叠电池的效率。
多晶硅薄膜主要的制备途径
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。
无论是哪种途径，制备的多 晶硅薄膜应该具有晶粒大、晶界 缺陷少等性质。
在多晶硅薄膜研究中，目前人们主要关注的问题
晶界对材料的两方面破坏作用
①一方面会引入势垒，导致多数载流子的 传输受到阻碍；
②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， 导致太阳电池开路电压和效率的降低。
正是由于多晶硅的晶界是少数载流子的复
合中心，严重影响了少数载流子的扩散长度， 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着晶粒尺寸的增大而增大。 如果有一部分晶粒太小，具有很小的扩散长度， 会导致整个太阳电池的开路电压严重下降。对 于再结晶技术制备的多晶硅薄膜，其晶粒有一 定的分布，平均晶粒的大小约为最大晶粒的 1/3-1/5。
单晶硅和多晶硅的制备方法
单晶硅和多晶硅的制备方法单晶硅和多晶硅是制备半导体材料中常用的两种形式。
本文将分别介绍单晶硅和多晶硅的制备方法。
一、单晶硅的制备方法单晶硅是指硅材料中晶体结构完全一致的晶格。
单晶硅的制备方法主要包括Czochralski法和浮区法。
1. Czochralski法（CZ法）Czochralski法是单晶硅制备中最常用的方法之一。
其基本步骤如下：（1）准备单晶硅种子：将高纯度硅材料熔化，然后用特殊方式拉制成细长的单晶硅棒，作为种子晶体。
（2）准备熔融硅熔液：将高纯度硅材料加入石英坩埚中，加热至高温使其熔化。
（3）拉晶：将单晶硅种子缓缓浸入熔融硅熔液中并旋转，使其逐渐生长成大尺寸的单晶硅棒。
（4）降温：控制冷却速度，使单晶硅棒逐渐冷却并形成完整的单晶结构。
2. 浮区法（FZ法）浮区法也是一种制备单晶硅的方法，其基本步骤如下：（1）准备硅棒：将高纯度硅材料熔化，然后将其注入特殊形状的石英坩埚中，形成硅棒。
（2）形成浮区：在石英坩埚中施加电磁感应加热，使硅棒的一部分熔化，然后控制温度和电磁场的变化，使熔化硅在硅棒上形成浮区。
（3）拉晶：通过控制石英坩埚的运动，逐渐拉长浮区，使其逐渐变窄，最终形成单晶硅棒。
（4）切割和清洗：将形成的单晶硅棒切割成晶圆，并进行清洗和表面处理，以便后续的半导体工艺加工。
二、多晶硅的制备方法多晶硅是指硅材料中晶体结构不完全一致，由多个晶粒组成的材料。
多晶硅的制备方法主要包括气相沉积法和溶液法。
1. 气相沉积法（CVD法）气相沉积法是制备多晶硅的常用方法之一。
其基本步骤如下：（1）准备反应物气体：将硅源气体、载气体和掺杂气体按照一定比例混合。
（2）反应室反应：将混合气体引入反应室中，在一定的温度和压力下，反应气体在衬底表面沉积形成多晶硅薄膜。
（3）后处理：对沉积得到的多晶硅薄膜进行退火、清洗等后处理步骤，以提高薄膜的质量和电学性能。
2. 溶液法（溶胶-凝胶法）溶液法是另一种制备多晶硅的方法，其基本步骤如下：（1）溶胶制备：将硅源、溶剂和催化剂混合，形成均匀的溶胶。
制备多晶硅薄膜的晶化方法
制备多晶硅薄膜的晶化方法张宇翔冯团辉杨仕娥陈永生李瑞郭敏（郑州大学物理工程学院）摘要该文概述了目前世界上常用的利用晶化技术制各多晶硅薄膜的方法，这些技术包括直接固相晶化和激光晶化等，并讨论了它们各自的特点。
关键词多晶号薄膜；｛≤ｊｉＬ１引言多晶硅薄膜是有许多大小不等和晶面取向不同的小晶粒组成．晶粒尺寸一般在几十到几百纳米之间，大颗粒尺寸可达数微米。
多晶硅薄膜在长波段具有高光敏性，对可见光能有效地吸收，而且没有非晶硅氢簿膜的光致衰退现象，是理想的太阳能电池材料。
另外，大晶粒酌多晶硅薄膜有较高的迁移率，可以做成大面积、响应快的薄膜晶体管、传感器等光电器件。
因而，多晶硅薄膜在大阵列的液晶显示技术及徽电子技术中具有广阔的应用前景。
尤其是在太阳电池中的应用更。
、＇＿－●●Ｅ＝；●一为明显。
目前多晶硅薄膜的制各有许多方法。
有直接沉积法和闻接晶化法。
直接沉积法包括化学汽相沉积法、液相生长法和热丝法等。
问接晶化法包括激光再晶化法、固相晶化法等。
化学汽相沉积法是用化学汽相沉积（ＣＶＤ）等设备直接在衬底（玻璃、不锈钢、塑料等）上沉积多晶硅薄膜，这种方法沉积速度慢。
液相生长法是在单晶硅上液相外延生长多晶硅薄膜，这种方法成本较高。
间接晶化法是将将沉积的非晶硅薄膜利用晶化方法得到多晶硅薄膜。
下面简单介绍这些晶化方法。
２晶化方法晶化是将无序排列的原子经热退火、光退火、高能离子照射等手段变成短程有序排列的原子，即是将非晶结构变成多晶结构。
晶化的方法有固相晶化、激光晶化等。
２．１固相晶化固相晶化是指晶化温度低于非晶固体熔融后结晶的温度。
固相晶化的方法有掺杂或非掺杂固相晶化，金扇诱导固相晶化，光诱导固相晶化，微波诱导晶化等。
掺杂或非掺杂固相晶化是将一定厚度（几百纳米一几个微米）的掺杂或非掺杂的非晶硅薄膜放入加热炉中（温度６００．一１０００＂Ｃ），在氮气保护下，经数小时加温后，非晶硅变成了多晶硅。
晶粒为纳米、微米级，暗电导率提高２—４个数量级，光能隙减小，吸收限向长波方向移动。
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多晶硅薄膜的制备方法多晶硅薄膜材料同时具有单晶硅材料的高迁移率及非晶硅材料的可大面积、低成本制备的优点。
因此，对于多晶硅薄膜材料的研究越来越引起人们的关注，多晶硅薄膜的制备工艺可分为两大类：一类是高温工艺，制备过程中温度高于6 00℃,衬底使用昂贵的石英，但制备工艺较简单。
另一类是低温工艺，整个加工工艺温度低于600℃，可用廉价玻璃作衬底，因此可以大面积制作，但是制备工艺较复杂。
目前制备多晶硅薄膜的方法主要有如下几种：1 低压化学气相沉积（LPCVD）这是一种直接生成多晶硅的方法。
LPCVD是集成电路中所用多晶硅薄膜的制备中普遍采用的标准方法，具有生长速度快，成膜致密、均匀，装片容量大等特点。
多晶硅薄膜可采用硅烷气体通过LPCVD法直接沉积在衬底上，典型的沉积参数是：硅烷压力为13.3～26.6Pa，沉积温度Td=580～630℃，生长速率5～10nm /min。
由于沉积温度较高，如普通玻璃的软化温度处于500～600℃，则不能采用廉价的普通玻璃而必须使用昂贵的石英作衬底。
LPCVD法生长的多晶硅薄膜，晶粒具有<110>择优取向，形貌呈“V”字形，内含高密度的微挛晶缺陷，且晶粒尺寸小，载流子迁移率不够大而使其在器件应用方面受到一定限制。
虽然减少硅烷压力有助于增大晶粒尺寸，但往往伴随着表面粗糙度的增加，对载流子的迁移率与器件的电学稳定性产生不利影响。
2 固相晶化(SPC)所谓固相晶化，是指非晶固体发生晶化的温度低于其熔融后结晶的温度。
这是一种间接生成多晶硅的方法，先以硅烷气体作为原材料，用LPCVD方法在550℃左右沉积a-Si:H薄膜，然后将薄膜在600℃以上的高温下使其熔化，再在温度稍低的时候出现晶核，随着温度的降低熔融的硅在晶核上继续晶化而使晶粒增大转化为多晶硅薄膜。
使用这种方法，多晶硅薄膜的晶粒大小依赖于薄膜的厚度和结晶温度。
退火温度是影响晶化效果的重要因素，在700℃以下的退火温度范围内，温度越低，成核速率越低，退火时间相等时所能得到的晶粒尺寸越大；而在700℃以上，由于此时晶界移动引起了晶粒的相互吞并，使得在此温度范围内，晶粒尺寸随温度的升高而增大。
经大量研究表明，利用该方法制得的多晶硅晶粒尺寸还与初始薄膜样品的无序程度密切相关，T.Aoyama等人对初始材料的沉积条件对固相晶化的影响进行了研究，发现初始材料越无序，固相晶化过程中成核速率越低，晶粒尺寸越大。
由于在结晶过程中晶核的形成是自发的，因此，SPC 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，需要进行氢化处理来提高SPC多晶硅的性能。
这种技术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。
可进行原位掺杂，成本低，工艺简单，易于形成生产线。
由于SPC是在非晶硅熔融温度下结晶，属于高温晶化过程，温度高于600℃，通常需要1100 ℃左右，退火时间长达10个小时以上，不适用于玻璃基底，基底材料采用石英或单晶硅，用于制作小尺寸器件，如液晶光阀、摄像机取景器等。
3 准分子激光晶化(ELA)激光晶化相对于固相晶化制备多晶硅来说更为理想，其利用瞬间激光脉冲产生的高能量入射到非晶硅薄膜表面，仅在薄膜表层100nm厚的深度产生热能效应，使a-Si薄膜在瞬间达到1000℃左右，从而实现a-Si向p-Si的转变。
在此过程中，激光脉冲的瞬间(15～50ns )能量被a-Si薄膜吸收并转化为相变能，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薄膜达到熔化的温度且保证基片的温度低于450℃，可以采用玻璃基板作为衬底，既实现了p-Si薄膜的制备，又能满足LCD及OEL对透明衬底的要求。
其主要优点为脉冲宽度短(15～50ns )，衬底发热小。
通过选择还可获得混合晶化，即多晶硅和非晶硅的混合体。
准分子激光退火晶化的机理：激光辐射到a-Si的表面，使其表面在温度到达熔点时即达到了晶化域值能量密度Ec。
a-Si在激光辐射下吸收能量，激发了不平衡的电子－空穴对，增加了自由电子的导电能量，热电子－空穴对在热化时间内用无辐射复合的途径将自己的能量传给晶格，导致近表层极其迅速的升温，由于非晶硅材料具有大量的隙态和深能级，无辐射跃迁是主要的复合过程，因而具有较高的光热转换效率，若激光的能量密度达到域值能量密度Ec时，即半导体加热至熔点温度，薄膜的表面会熔化，熔化的前沿会以约10m/s的速度深入材料内部，经过激光照射，薄膜形成一定深度的融层，停止照射后，融层开始以108-1010K/s的速度冷却，而固相和液相之间的界面将以1-2m/s的速度回到表面，冷却之后薄膜晶化为多晶，随着激光能量密度的增大，晶粒的尺寸增大，当非晶薄膜完全熔化时，薄膜晶化为微晶或多晶，若激光能量密度小于域值能量密度Ec，即所吸收的能量不足以使表面温度升至熔点,则薄膜不发生晶化。
一般情况下,能量密度增大，晶粒增大，薄膜的迁移率相应增大，当Si膜接近全部熔化时，晶粒最大。
但能量受激光器的限制，不能无限增大，太大的能量密度反而令迁移率下降。
激光波长对晶化效果影响也很大，波长越长，激光能量注入Si膜越深，晶化效果越好。
ELA法制备的多晶硅薄膜晶粒大、空间选择性好，掺杂效率高、晶内缺陷少、电学特性好、迁移率高达到400cm2/v.s，是目前综合性能最好的低温多晶硅薄膜。
工艺成熟度高，已有大型的生产线设备，但它也有自身的缺点，晶粒尺寸对激光功率敏感，大面积均匀性较差。
重复性差、设备成本高，维护复杂。
4 快速热退火（RTA）一般而言，快速退火处理过程包含三个阶段：升温阶段、稳定阶段和冷却阶段。
当退火炉的电源一打开，温度就随着时间而上升，这一阶段称为升温阶段。
单位时间内温度的变化量是很容易控制的。
在升温过程结束后，温度就处于一个稳定阶段。
最后，当退火炉的电源关掉后，温度就随着时间而降低，这一阶段称为冷却阶段。
用含氢非晶硅作为初始材料，进行退火处理。
平衡温度控制在600℃以上，纳米硅晶粒能在非晶硅薄膜中形成，而且所形成的纳米硅晶粒的大小随着退火过程中的升温快慢而变化。
在升温过程中，若单位时间内温度变化量较大时(如100℃/s)，则所形成纳米硅晶粒较小(1.6～15nm)；若单位时间内温度变化量较小(如1℃/s)，则纳米硅粒较大(23～46nm)。
进一步的实验表明：延长退火时间和提高退火温度并不能改变所形成的纳米硅晶粒的大小；而在退火时，温度上升快慢直接影响着所形成的纳米硅晶粒大小。
为了弄清楚升温量变化快慢对所形成的纳米硅大小晶粒的影响，采用晶体生长中成核理论。
在晶体生长中需要两步：第一步是成核，第二步是生长。
也就是说。
在第一步中需要足够量的生长仔晶。
结果显示：升温快慢影响所形成的仔晶密度.若单位时间内温度变化量大,则产生的仔晶密度大；反之,若单位时间内温度变化量小，则产生的仔晶密度小。
RTA退火时升高退火温度或延长退火时间并不能消除薄膜中的非晶部分，薛清等人提出一种从非晶硅中分形生长出纳米硅的生长机理：分形生长。
从下到上，只要温度不太高以致相邻的纳米硅岛不熔化，那么即使提高退火温度或延长退火时间都不能完全消除其中的非晶部分。
RTA退火法制备的多晶硅晶粒尺寸小，晶体内部晶界密度大，材料缺陷密度高，而且属于高温退火方法，不适合于以玻璃为衬底制备多晶硅。
5 等离子体增强化学反应气相沉积（PECVD）等离子体增强化学反应气相沉积（PECVD）法是利用辉光放电的电子来激活化学气相沉积反应的。
起初，气体由于受到紫外线等高能宇宙射线的辐射，总不可避免的有轻微的电离，存在着少量的电子。
在充有稀薄气体的反应容器中引进激发源（例如，直流高压、射频、脉冲电源等），电子在电场的加速作用下获得能量，当它和气体中的中性粒子发生非弹性碰撞时，就有可能使之产生二次电子，如此反复的进行碰撞及电离，结果将产生大量的离子和电子。
由于其中正负粒子数目相等。
故称为等离子体，并以发光的形式释放出多余的能量，即形成“辉光”。
在等离子体中，由于电子和离子的质量相差悬殊，二者通过碰撞交换能量的过程比较缓慢，所以在等离子体内部各种带电粒子各自达到其热力学平衡状态，于是在这样的等离子体中将没有统一的温度，就只有所谓的电子温度和离子温度。
此时电子的温度可达104℃，而分子、原子、离子的温度却只有25～300℃。
所以，从宏观上来看，这种等离子的温度不高，但其内部电子却处于高能状态，具有较高的化学活性。
若受激发的能量超过化学反应所需要的热能激活，这时受激发的电子能量（1～10eV）足以打开分子键，导致具有化学活性的物质产生。
因此，原来需要高温下才能进行的化学反应，通过放电等离子体的作用，在较低温度下甚至在常温下也能够发生。
PECVD法沉积薄膜的过程可以概括为三个阶段：1.SiH4分解产生活性粒子Si、H、SiH2 和SiH3等；2.活性粒子在衬底表面的吸附和扩散；3.在衬底上被吸附的活性分子在表面上发生反应生成Poly-Si层，并放出H2；研究表面，在等离子体辅助沉积过程中，离子、荷电集团对沉积表面的轰击作用是影响结晶质量的重要因素之一。
克服这种影响是通过外加偏压抑制或增强。
对于采用PECVD技术制备多晶体硅薄膜的晶化过程,目前有两种主要的观点.一种认为是活性粒子先吸附到衬底表面,再发生各种迁移、反应、解离等表面过程,从而形成晶相结构,因此,衬底的表面状态对薄膜的晶化起到非常重要的作用.另一种认为是空间气相反应对薄膜的低温晶化起到更为重要的作用,即具有晶相结构的颗粒首先在空间等离子体区形成,而后再扩散到衬底表面长大成多晶膜。
对于SiＨ4:Ｈ2气体系统,有研究表明,在高氢掺杂的条件下,当用RF PECVD的方法沉积多晶硅薄膜时,必须采用衬底加热到600℃以上的办法,才能促进最初成长阶段晶核的形成。
而当衬底温度小于300℃时,只能形成氢化非晶硅(a-Si:Ｈ)薄膜。
以SiＨ4:Ｈ2为气源沉积多晶硅温度较高，一般高于600℃，属于高温工艺，不适用于玻璃基底。
目前有报道用SiC14:H2或者SiF4:H2为气源沉积多晶硅，温度较低，在300℃左右即可获得多晶硅，但用CVD法制备得多晶硅晶粒尺寸小，一般不超过50nm，晶内缺陷多，晶界多。
6 金属横向诱导法(MILC)20世纪90年代初发现a-Si中加入一些金属如Al，Cu，Au，Ag，Ni等沉积在a-Si∶H上或离子注入到a-Si∶H薄膜的内部，能够降低a-Si向p-Si转变的相变能量，之后对Ni/a-Si:H进行退火处理以使a-Si薄膜晶化，晶化温度可低于500℃。
但由于存在金属污染未能在TFT中应用。
随后发现Ni横向诱导晶化可以避免孪晶产生，镍硅化合物的晶格常数与单晶硅相近、低互溶性和适当的相变能量，使用镍金属诱导a-Si薄膜的方法得到了横向结晶的多晶硅薄膜。