一種磷摻雜多晶硅薄膜及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于薄膜材料領(lǐng)域，涉及一種磷摻雜多晶硅薄膜及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]自從1954年史密斯發(fā)現(xiàn)了半導(dǎo)體材料的壓阻性能，半導(dǎo)體應(yīng)變計在傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用迅速發(fā)展。目前半導(dǎo)體應(yīng)變計和固態(tài)傳感器主要是用單晶硅材料制備的，但是單晶硅存在造價高，線性范圍小，電阻溫度系數(shù)大等缺陷，使其在應(yīng)用上存在著諸多限制。早在20世紀80年代，人們開始致力于研宄多晶硅的壓阻性能并將多晶硅成功應(yīng)用于傳感器中。近年來，隨著薄膜技術(shù)的發(fā)展，作為新型薄膜材料，多晶硅薄膜的壓阻性能的應(yīng)用受到了廣泛的關(guān)注。多晶硅薄膜與單晶硅薄膜相比，其優(yōu)點是可以在不同襯底材料上制作，如金屬、玻璃、陶瓷襯底，其制備過程與常規(guī)半導(dǎo)體工藝相容，且無PN結(jié)隔離問題，因而有良好的溫度穩(wěn)定性。雖然多晶硅薄膜的靈敏系數(shù)比單晶硅低，但仍比金屬高一個數(shù)量級。多晶硅薄膜的晶粒尺寸包含了從納米到毫米的尺度范圍，具有很大的調(diào)控空間。因此，關(guān)于多晶硅薄膜的壓阻性能的研宄對其在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中制備半導(dǎo)體應(yīng)變計和傳感器的單晶硅材料造價高，線性范圍小，電阻溫度系數(shù)大，應(yīng)用受限制等問題，本發(fā)明提供了一種采用脈沖激光濺射沉積的方法制備具有較大的電阻橫向應(yīng)變系數(shù)的磷摻雜多晶硅薄膜的方法。通過對多晶硅薄膜材料進行磷摻雜，精確控制摻雜量得到所需要的電學(xué)性能的薄膜材料。
[0004]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:一種磷摻雜多晶硅薄膜的制備方法，包括以下步驟:將多晶硅粉末與磷粉末按比例混合均勻，壓片、真空燒結(jié)制得硅靶材，將硅靶材和石英玻璃基片放入真空系統(tǒng)中，采用激光濺射沉積的方法制備出磷摻雜多晶硅薄膜。
[0005]進一步的，上述磷摻雜多晶硅薄膜的制備方法具體為以下步驟:
[0006](I)硅靶材制備:選取多晶硅粉末及磷粉末為原料混合均勻，其中磷粉末含量為
0.1?0.5wt%,壓制成片，在真空爐中于600?1000°C燒結(jié)2?4h，制備出娃革El材；
[0007](2)基片前處理:將石英玻璃基片先用去離子水清洗，再用丙酮超聲處理，最后用無水乙醇清洗并烘干；
[0008](3)激光濺射沉積制備薄膜:將硅靶材與處理后的基片放入真空系統(tǒng)中，抽真空至1.0X10_4pa，基片溫度設(shè)為550°C，基片與硅靶材之間的距離為4cm，用準分子激光器作為激光源發(fā)射激光，頻率為3HZ，濺射I?2h，最后經(jīng)900°C退火I?2h，得到磷摻雜多晶硅薄膜。
[0009]優(yōu)選的，所述的多晶硅粉末純度為99.99%，顆粒大小為700目；磷粉末的顆粒大小為500目ο
[0010]本發(fā)明還請求保護利用上述方法制備的磷摻雜多晶硅薄膜。
[0011]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:通過脈沖激光濺射沉積方法獲得了一種電阻橫向應(yīng)變系數(shù)較大的磷摻雜多晶硅薄膜，其橫向應(yīng)變系數(shù)絕對值的最大值可達24.3，是現(xiàn)有的多晶硅薄膜橫向應(yīng)變系數(shù)絕對值的1.35倍；比金屬的應(yīng)變系數(shù)1.7?3.6高出一個數(shù)量級；橫向應(yīng)變系數(shù)的非線性在I?2.5%之間，比現(xiàn)有的多晶硅薄膜降低了 0.5% ;采用本發(fā)明方法可以使多晶硅薄膜摻雜均勻、平整度高、致密性好且控制晶粒尺寸范圍為0.1 μπι?0.5 μπι;本發(fā)明制備方法簡單、成本低、可控性強，為多晶硅薄膜領(lǐng)域拓展了新思路。
【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明制備的磷摻雜多晶硅薄膜的SEM形貌圖；其中，(a)、磷含量0.1wt %, (b)、磷含量 0.2wt %，(c)、磷含量 0.3wt %，(d)、磷含量 0.4wt %，(e)磷含量
0.5wt% ；
[0013]圖2為本發(fā)明制備的磷摻雜多晶硅薄膜的橫向電阻的相對變化與微應(yīng)變的關(guān)系曲線；
[0014]圖3為本發(fā)明制備的磷摻雜多晶硅薄膜的橫向電阻應(yīng)變系數(shù)與磷含量的關(guān)系曲線。
【具體實施方式】
[0015]下面通過實施例對本發(fā)明做進一步描述，但不用于限制本發(fā)明。
[0016]本發(fā)明所涉及的實驗設(shè)備具體型號和生產(chǎn)廠家如下:PLD_450真空系統(tǒng)購自于沈陽科技儀器責(zé)任有限公司，TOL-25B準分子激光器購于安徽光機所；實施例中所涉及方法如無特殊說明，均為本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所公知的常規(guī)方法。
[0017]實施例1
[0018]選取700目純度為99.999 %的多晶硅粉末及500目的磷粉末為原料，把多晶硅粉末與磷粉按比例混合均勻，磷粉末的含量為0.1wt %，壓制成片，在真空爐中于800°C燒結(jié)2h，制備出直徑為20mm厚度為5mm的靶材。首先是基片的前處理:以尺寸為30mmX30mmX3mm的石英玻璃為基片，然后將石英玻璃基片經(jīng)去離子水洗，在丙酮中超聲lOmin，再用無水乙醇清洗，烘干。將硅靶材和處理后的基片放入真空系統(tǒng)中，抽真空至
1.0X 10_4Pa，基片溫度為550°C，基片與硅靶材之間的距離為4cm ;再用準分子激光器做為激光源發(fā)射激光，頻率為3HZ，濺射2h，最后經(jīng)過900°C退火lh，制備出磷摻雜多晶硅薄膜。
[0019]實施例2
[0020]選取700目純度為99.999%的多晶硅粉末及500目的磷粉末為原料，把多晶硅粉末與磷粉按比例混合均勻，磷粉末的含量為0.2wt %，壓制成片，在真空爐中于10000C燒結(jié)4h燒結(jié)，制備出直徑為20mm厚度為5mm的革El材。首先是基片的前處理:以尺寸為30mmX30mmX3mm的石英玻璃為基片，然后將石英玻璃基片經(jīng)去離子水洗，在丙酮中超聲lOmin，再用無水乙醇清洗，烘干。將硅靶材和處理后的基片放入真空系統(tǒng)中，抽真空至
1.0X 10_4Pa，基片溫度為550°C，基片與硅靶材之間的距離為4cm ;再用準分子激光器做為激光源發(fā)射激光，頻率為3HZ，濺射2h，最后經(jīng)過900°C退火lh，制備出磷摻雜多晶硅薄膜。
[0021]實施例3
[0022]選取700目純度為99.999%的多晶硅粉末及500目的磷粉末為原料，把多晶硅粉末與磷粉按比例混合均勻，磷粉末的含量為0.3wt%，壓制成片，在真空爐中于800°C燒結(jié)2h燒結(jié)，制備出直徑為20mm厚度為5mm的革El材。首先是基片的前處理:以尺寸為30mmX30mmX3mm的石英玻璃為基片，然后將石英玻璃基片經(jīng)去離子水洗，在丙酮中超聲lOmin，再用無水乙醇清洗，烘干。將硅靶材和處理后的基片放入真空系統(tǒng)中，抽真空至
1.0X 10_4Pa，基片溫度為550°C，基片與硅靶材之間的距離為4cm ;再用準分子激光器做為激光源發(fā)射激光，頻率為3HZ，濺射2h，最后經(jīng)過900°C退火lh，制備出磷摻雜多晶硅薄膜。
[0023]實施例4
[0024]與實施例1的區(qū)別僅在于，磷的含量為0.4wt%。
[0025]實施例5
[0026]與實施例1的區(qū)別僅在于，磷的含量為0.5wt%。
[0027]將實施例1?5制備的磷摻雜多晶硅薄膜進行SEM測試，由圖1 (a)可以看出，當(dāng)磷摻雜量為0.1#%時，薄膜表面平整度較差，有細小微晶粒稀疏分布，粒徑平均尺寸約為0.1 μπι。隨著磷摻雜量的增加晶粒尺寸逐漸變大，當(dāng)磷摻雜量達到0.3界1:%時(如圖1 (C)所示)多晶硅薄膜表面密集分布著粒徑較大且均勻的晶粒，粒徑平均尺寸約為0.4?0.5 μ m。當(dāng)磷摻雜量大于0.3被％時(如圖1 (d)、(e)所示)制得的薄膜表面較為平整且晶粒增多。
[0028]將實施例1?5制備的磷摻雜多晶硅薄膜進行壓阻性能測試，測試結(jié)果如圖2所示，本發(fā)明實施例制備的磷摻雜多晶硅薄膜其橫向應(yīng)變系數(shù)絕對值的最大值可達24.3，是現(xiàn)有的多晶硅薄膜橫向應(yīng)變系數(shù)絕對值的1.35倍；比金屬的應(yīng)變系數(shù)1.7?3.6高出一個數(shù)量級。
[0029]圖3為實施例1?5制備的磷摻雜多晶硅薄膜的橫向電阻應(yīng)變系數(shù)與磷含量的關(guān)系曲線，橫向應(yīng)變系數(shù)的非線性在I?2.5%之間，比現(xiàn)有的多晶硅薄膜降低了 0.5%。通過以上實驗數(shù)據(jù)可知通過摻雜磷以提高多晶硅薄膜材料的壓阻性能是決定該多晶硅薄膜能夠?qū)嵱没年P(guān)鍵因素。
[0030]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種磷摻雜多晶硅薄膜的制備方法，其特征在于，包括以下步驟:將多晶硅粉末與磷粉末按比例混合均勻，壓片、真空燒結(jié)制得硅靶材，將硅靶材和石英玻璃基片放入真空系統(tǒng)中，采用激光濺射沉積的方法制備出磷摻雜多晶硅薄膜。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磷摻雜多晶硅薄膜的制備方法，其特征在于，具體為以下步驟: (1)硅靶材制備:選取多晶硅粉末及磷粉末為原料混合均勻，其中磷粉末含量為0.1?0.5wt%,壓制成片，在真空爐中于600?1000°C燒結(jié)2?4h，制備出娃革El材； (2)基片前處理:將石英玻璃基片先用去離子水清洗，再用丙酮超聲處理，最后用無水乙醇清洗并烘干； (3)激光濺射沉積制備薄膜:將硅靶材與處理后的基片放入真空系統(tǒng)中，抽真空至1.0X10_4pa，基片溫度設(shè)為550°C，基片與硅靶材之間的距離為4cm，用準分子激光器作為激光源發(fā)射激光，頻率為3HZ，濺射I?2h，最后經(jīng)900°C退火I?2h，得到磷摻雜多晶硅薄膜。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磷摻雜多晶硅薄膜的制備方法，其特征在于，所述的多晶硅粉末純度為99.99%，顆粒大小為700目；磷粉末的顆粒大小為500目。4.一種磷摻雜多晶硅薄膜是按照權(quán)利要求1中所述的方法制備所得。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種磷摻雜多晶硅薄膜及其制備方法，屬于功能材料領(lǐng)域。通過將多晶硅粉末與磷粉末按比例混合均勻，壓片、真空燒結(jié)制得硅靶材，將硅靶材和石英玻璃基片放入真空系統(tǒng)中，采用激光濺射沉積的方法制備出磷摻雜多晶硅薄膜。本發(fā)明獲得的磷摻雜多晶硅薄膜，其橫向應(yīng)變系數(shù)絕對值的最大值可達24.3；橫向應(yīng)變系數(shù)的非線性在1-2.5％之間，比現(xiàn)有的多晶硅薄膜降低了0.5％；采用本發(fā)明方法可以使多晶硅薄膜摻雜均勻、平整度高、致密性好且控制晶粒尺寸范圍為0.1μm～0.5μm；本發(fā)明制備方法簡單、成本低、可控性強，為多晶硅薄膜領(lǐng)域拓展了新思路。
【IPC分類】C23C14/34, C23C14/14
【公開號】CN104911541
【申請?zhí)枴緾N201510353648
【發(fā)明人】王宙, 駱旭梁, 付傳起, 董桂馥, 雍帆, 張慶樂
【申請人】大連大學(xué)
【公開日】2015年9月16日
【申請日】2015年6月24日