CN101015037B - 处理衬底表面的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一般涉及对衬底表面的处理或加工。本发明特别涉及改变硅片表面的方法。

Description

处理衬底表面的方法
本发明一般涉及的是对衬底表面的处理或加工。本发明特别涉及改变硅片表面的方法。
在制造用于半导体和太阳能电池工业的硅片、硅板或晶片时，晶片要经受一系列的机械和/或化学处理步骤，以获得要求的尺寸和产品性能。下面描述了按现有技术水平制造太阳能电池的一般工艺步骤。
首先硅锭用线锯切割成薄片，也称为晶片。切割后为去除所谓的锯泥要对晶片进行清洗。随后大多是进行湿法化学锯损腐蚀，用合适的化学药剂，特别是碱液，用来去除在切割工序中出现的严重损坏层。紧接着对晶片进行清洗和烘干。
晶片或衬底通常是具有硼P型掺杂的单晶体和多晶体硅片。为制成一对太阳能电池的功能必要的P-N结，硅片的一面是N型掺杂的。此N型掺杂通常是借助磷掺杂进行的。在此工序中，衬底或硅片表面通过磷原子的吸附而改变，其中磷源一般是气体或液体-浆状的组合物。当硅片在气体中或用组合物作了相应的停留或涂覆后，通过加热到通常的800至1000℃，磷原子会在硅表面扩散或积聚或吸附。在此磷掺杂后，硅板具有几微米厚的、N+型磷掺杂的层。
这种改变表面的方法的问题在于，通常不仅要求的表面(上表面)，还有相对的表面(下表面)和特别是基片周围的边缘都通过这种处理都被改变或掺杂，这在以后使用时会导致短路危险，因为边缘是可导电的。对下表面的额外掺杂，其例如是通过气体阶段掺杂完成的，但在许多应用场合是可接受的，因为随后通过构成一“铝背场”，硅板下表面或背面的N+型掺杂通常都会转化为P+型掺杂，其例如对于太阳能电池随后的接触是必要的。但这样处理的晶片总是具有这样的边缘，其具有磷原子，因此是可导电的，对具有以上已提到的缺陷，即在以后使用时存在短路危险的硅片没有作进一步的处理。
为解决这些问题，现有技术已发展了不同的方法。例如边缘可导电的问题这样解决，即把它机械地磨掉。但磨平例如像拉锯一样，可能会在晶体结构上产生缺陷，这会导致电损耗。但这种做法的最大缺点是，对于这种敏感的薄片存在着巨大的折断危险。
此外还建议，在下表面或背面上存在的导电层在外区域或边缘处在激光光束的作用下被中断。但这种借助激光的边缘绝缘还没有建立，且特别在自动操作过程中和在可达到的生产能力方面都会产生问题。此外还存在这样的危险，即由于在使用激光时在晶片表面上产生的焚烧物质的沉淀，下面的工艺步骤和例如相应制成的电池的效率可能会受到影响。
最后还建议，把多个硅板堆叠在一起，并利用等离子体对硅板堆的边缘进行蚀刻。借助等离子体对边缘绝缘要求晶片彼此重叠。堆叠工作和及其操作要么由手工完成，要么就用借助机器的自动化，但花费巨大。因此堆叠工艺总是引起生产流程的中断或转换，特别是在“批次”生产时，其中晶片在过程输送器中被传输，和在“在线”生产时，其中晶片在输送带或辊等上被传输，经过不同的加工步骤。此外，由于操作复杂，晶片的折断危险也就高。
DE 100 32 279 A1介绍了只对边缘进行处理的另一方法。DE 10032 279 A1描述了一种工艺，其通过将边缘缺陷蚀刻掉，实现对硅太阳能电池的边缘缺陷的化学钝化。为此目的，用吸了腐蚀剂的毛毡在硅太阳能电池边缘上涂上腐蚀剂。
从现有技术中得知的其它工艺通过在酸液槽中进行蚀刻，去除边缘和衬底一面上的导电层，解决了边缘导电的问题。例如DE 43 24647 A1和US2001/0029978 A1中描述了一多阶段的蚀刻方法，其中衬底完全浸在酸液槽中。因此只在衬底的背面和边缘进行蚀刻的话，必须把衬底的前面通过一耐酸的光致抗蚀剂或罩子保护起来。
按DE 43 24 647 A1和US2001/0029978 A1的蚀刻方法不仅特别耗费时间，因为需要专门的工序来铺上和去除保护层，而且还需要投入额外的材料。特别的是由于保护层的铺上和去除工序，还可能会对待处理的衬底造成损坏。如果铺上的保护层是错误的或被损坏了，则会有这样的危险，即衬底的前面在蚀刻时被损坏，此衬底就不能用了。
因此，所有这些在现有技术中已描述的方法都是把两个表面(上表面和下表面)在其导电方面分隔开来，但它们都具有前面提到的部分严重问题。
因此本发明的目的在于，提供一种对硅片的单面进行处理的方法，其中可以抛弃在现有技术水平的工艺步骤中，在不需处理的前面或上表面上加上保护层或罩子的工序，且此方法优选可在生产线上实施。
本发明还示出了，衬底两个表面中只有一个能够被选来处理。这种单面的处理包括例如对两个表面中的一个进行蚀刻、涂覆或清洗。按照一个实施例，例如对于相应的衬底如硅片，只有其上表面或下表面能够通过蚀刻改变，为此构成短路的问题就以简单的方式得以解决。为更好地理解，下面关于表面的蚀刻都是把对衬底单面的处理作为例子的。
按照一个特别优选的实施例，本发明的方法是在连续工艺中实施，其中衬底特别是硅片的下表面(在期望的情况下还包括周围的边缘)用位于液槽中的蚀刻液弄湿。
应该指出的是，如果只期望或要求对衬底的一单面上进行处理，则按本发明的方法是特别适合的。按一优选的实施例，本发明的方法规定，衬底优选以硅片的形式，在磷掺杂后，进行单面蚀刻，以去除磷掺杂的层。硅片的仅一个单面完全或部分地或局部地与一液状的组合物接触，所述组合物优选包括NaOH、KOH、HF、HNO3、带O3的HF和/或带氧化剂的HF，例如氧化酸。
为此，硅片基本是水平设置的，待蚀刻的面用蚀刻液润湿，所述蚀刻液位于一液槽中。蚀刻液至硅片下表面的距离这样选择，即衬底待蚀刻的面(在期望的情况下还包括周围的边缘)被润湿，但对面的表面不会被弄湿。
应该指出的是，此蚀刻步骤优选直接在磷掺杂后进行，因为磷玻璃蚀刻大多是湿化学下进行的，按本发明的边缘绝缘能够在同一装置中节省空间且节约费用地进行。但专业人员都知道，本发明的这一步骤也可以在其它时间进行。唯一重要的是，按本发明的蚀刻要在对给定的衬底的背面或下表面施加金属接触之前进行。
按本发明的方法的一优选实施例，衬底面和衬底周围的边缘都能以此处描述的方式处理。
按一实施例，衬底沉入到具有液体组合物的液槽中，其中沉入量可按照衬底的厚度、重量和表面特征和液体组合物的表面应力由专业人员轻易地调整。通过例如对处理池液位的精确调整，不仅下表面，还有边缘都能被处理到，这按本发明是特别优选的。
对于专业人员都清楚的是，按本发明的处理不仅可通过沉入到液槽中，还可以其它方式进行，只要保证，确实只有一面，在期望的情况下还包括边缘都能被蚀刻剂润湿，并因此改变。例如按另一实施例，还可设置两个大小不同的容器，其中较小的容器里含有液状的组合物，并被较大的容器包围。较小的容器用液体装满，并通过与大容器的连接实现供料。这种供料传输可以例如持续地借助泵实现，并这样设置，即一定量的蚀刻液总是溢入外池(较大的容器)中，其中液体从这里优选再次抽回到内池(较小的容器)中。液体组合物的泵这样起作用，即液位总是比较小容器的周围边缘高一点，其中液体的液位和容器边缘高度之间的差还与所用蚀刻介质的表面应力有关。用这个装置，待处理的硅片作为生产线的一部分很容易，水平地在液体上传输，因此硅片的下表面能够被润湿，而硅片不会碰到较小内容器的侧壁而损坏。
还可选用浸泡方法。其中液体在液槽中的高度应调得足够低，如果硅片在浸泡曲线的最低点，则只会润湿硅片的下表面，在期望的情况下还包括边缘。
应该指出的是，本发明建议的单面润湿和对衬底的处理，在此示出的实施例中能够以不同的方式实现或支持，其中它们主要区分为主动(直接)和被动(间接)湿润。
主动或直接湿润按本发明这样理解，即要求的衬底单面处理直接由衬底穿过处理液得以保证，按本发明，待处理的衬底下表面的水平至少在短时间内位于处理液最大液位之下。在主动润湿的框架内，例如衬底能够沉到液体中或液体在池中的液位完全或部分被提升，其中按本发明还包括衬底下沉和液体液位上升的结合。
例如池的表面在一位置，衬底在这个位置被导入到池中，可通过相应设置和对准的液体进口，局部地上升到表面的下方。此外，池面还可通过在衬底下方的气泡吹气，例如用压缩空气，被部分地提升，因此衬底下表面的润湿同样也可保证。
相反按本发明应这样理解被动或间接润湿，待处理的衬底下表面在整个处理过程中都位于液体液位之上，因此润湿只能通过系统的构件或元件间接地完成，所述构件或元件一面与液体接触，并促成衬底下表面的润湿。在此处需指出的是，待处理的衬底面通过与中间的构件接触需要全部(整个表面的)润湿或只需要部分润湿，因为通过硅片表面的吸湿特性可以保证，即使下表面的部分润湿也可以在最短的时间内通过一构件实现整个表面的润湿。
关于元件和构件，其可以是为间接润湿设置的，应该指出的是，它们要么是所述传输系统的组成部分，要么这样设置在液槽上，即它们至少部分能从液体中突出来或扩张出来。相应地，按本发明的相同固定的、旋转的或在高度上可移动的构件都可以考虑。优选通过其表面特性和/或通过构件的造型(例如通过利用毛细管效果)，保证为与衬底下表面接触而规定的范围被润湿，实现待处理表面的润湿，而衬底本身不与液槽接触。此构件例如是指一润湿辊，其在池中的液体中旋转，并通过此旋转运动吸入蚀刻液，借助它位于液位上方的衬底下表面能被润湿。如同已阐述过的一样，按本发明还可使用其它构造的构件例如(在高度上可移动的)桌子、销钉或印章，因为令人惊讶的是，即使与衬底下表面只有一个点状的接触，都足以保证整个表面的润湿。
使用传输系统，用来在本发明的工艺框架内传输待处理的衬底，基本都可实现主动和被动润湿。在主动润湿的情况下，待处理的衬底是通过液体传导，而在被动润湿情况下则是通过传输系统相应构造的元件实现。
按本发明，在下面附加参考图1进一步描述示例的传输系统的适宜性。
按本发明的一个实施例，衬底被放在一传输系统上，例如辊道式传输系统。在这种情况下，衬底借助多个依次设置、水平对齐的传输滚轮(1)得以传输。按上面定义的主动润湿的意思，各个传输滚轮优选这样设置在液槽中，即滚轮的上边缘大概位于池面的高度上，也就是说液体的液体上边缘处，因此衬底的下表面通过与池面的直接接触被润湿。在这种情况下，可能在衬底边缘上构成一半月板。随后剪力和表面应力的相互作用把衬底向下压，保证它与滚轮无浮动地接触。因此用辊道式传输系统可实现衬底受控制和精确的传输。
重要的是，液槽的高度相对于传输系统能够被调整得这样准确，即下表面和在可能情况下衬底边缘都能被润湿，但各自的上表面都不会润湿。传输系统的构造还必须实现衬底和液槽中液体之间的接触。
按一特别优选的实施例，至少两个支承元件(3)位于传输滚轮(1)上，所述支承元件优选能够在两个槽口(2)的范围内设置在传输滚轮上的。支承元件之间的距离由待处理衬底的宽度决定。在主动润湿的情况下，关于上面传输滚轮定位的描述在本实施例中也适用于支承元件。
按上面定义的被动润湿的意思，传输滚轮自身或支承元件执行对衬底下表面的全部或部分润湿。
传输滚轮优选由至少两部分构成，由轴元件和至少一个围绕轴元件的示踪元件。此轴元件可以具有纯粹的稳定器功能，或具有稳定轴承的功能。它优选是指承载轴。轴的材料，其既不会与传输物接触，也不会与在某种情况下有腐蚀特性的化学环境相接触，可以只需以机械和热量为着眼点进行选择。按本发明，所述材料是抗弯曲的。相反，示踪元件由于稳定的承载轴允许一定的热量公差。对于材料起决定用用的是，它既不会与零担货物，也不会与周围的介质起反应。抗弯曲的承载轴保证，传输物在与传输方向垂直的方向上保持在一规定的直线上。因此可实现传输滚轮在沿着其整个长度上的同步运转，这对于具有多个传输轨迹的宽滚轮，和对于平面的、易碎的传输物来说特别重要的。
在一优选的实施例中，轴元件由碳纤维合成物制成。碳纤维合成物具有很高的热量和机械稳定性，因此特别适合作为承载轴用在温度变化的地方。
在一优选的实施例中，承载轴相对于处理传输物的介质，例如通过密封圈被封进内部。此介质，其按本发明是一种湿法化学池，只与示踪元件的外部接触，此液体介质不能进入到示踪元件的内部、承载轴上或在承载轴和示踪元件之间可能存在的固定元件上。此密封圈是可设置为液体密封的，甚至在一定程度上是气密的，因此有害的水气不会进入到示踪元件的内部。
示踪元件可组合为任意的长度，传输滚轮例如由具有任意多示踪元件的轴组成。传输滚轮的制造商或经销商可以非常灵活的满足顾客的要求，而不必进行复杂的库存管理。因为示踪元件可用于不同长度的传输滚轮，所以它是批量生产的物品，这降低了生产成本。
示踪元件可以例如接插、互相拧住、与夹子相连或彼此焊接在一起。
在一优选的实施例中，待处理的衬底实际支承在承载元件(3)上，其具有与工件相适应的静态摩擦性能，其中承载元件如已提到的一样除传输功能外还可用于被动润湿。这些元件应同样在热量和化学方面都是稳定的。使用由加有少量氟的橡胶制成的O形环已被证明是适合生产太阳能电池的。因为直径被承载元件的绷紧，比示踪元件的差数要大，传输物就只经受一点状的接触，必要时润湿。这与线状接触相反，有利于保护传输物，同时保证与周围介质的良好接触。
在另一有利的实施例中，示踪元件由塑料制成。众所周知，塑料容易加工，提供了许多不同的特性，其按传输滚轮的应用和使用场合进行选择。例如使用聚乙烯、氟塑料或聚偏氟乙烯都证明是可行的。这些材料一直到超过80摄氏度是热稳定的，是可焊接的，具有一定的化学稳定性，不会引起金属污染，且磨损小。
本发明一有利的改进在于，示踪元件是可驱动的。也就是说，以下是可能的，即动力不是施加在承载轴上，并从承载轴传递到示踪元件上的，而是动力直接在示踪元件上起作用。具有这种示踪元件的传输滚轮可以装配在一起，构成特别同步运转的传输系统。将最适宜的牵引力传输至传输物上。
在一实施例中，在具有许多示踪元件的组合中，第一边缘元件具有装置用来传输驱动力，第二边缘示踪元件具有装置用来可旋转的支承。通过装在传动轴上的耦合元件，其与第一边缘示踪元件是可相连接的，此驱动力可传输到传输滚轮上。此耦合元件还具有装置用来容纳承载轴。如果传输滚轮从传输位置上移开，则第二个边缘示踪元件首先从承载轴上松开，整个传输滚轮围绕耦合元件摇动，紧接着传输滚轮从耦合元件上移开。
用来可旋转支承的装置可以由一上半罩和下半罩组成，其中下半罩固定在传输系统的壁板上，并用来支承传输滚轮，第二上半罩可松开的固定，用来实现制动。
示踪元件的宽度优选至少与待传输工件的宽度一致，因此工件的宽度侧只会搁在示踪元件上。优选每个示踪元件上只容纳一个工件，也就是说示踪元件的宽度和传输物的宽度是几乎相同的。
在传输滚轮一有利的实施例中，将固定环装在承载轴上，其中示踪元件的内直径至少在一个位置处比固定环的直径小。因此固定环避免了示踪元件能够在承载轴上作更大的移动。这在温度变化的情况下是特别重要的，如果承载轴和示踪元件的材料膨胀得不同，则可能会引起它们之间彼此相对的移动。
固定环优选由金属制成，因为金属可很好地折弯成轴，并在此处夹紧。
对于在不同温度下的应用，细微的长度改变应该不会影响整个传输滚轮的稳定性。因在本发明另一有利的实施例中，此示踪元件设置有补偿褶缝，在它上面热膨胀得以平衡。此补偿褶缝通常由在示踪元件材料上内部中空的凸面组成，其通过在纵向上的延伸吸收由温度引起的材料膨胀。如果补偿褶缝不位于传输物的支承点之间，则支承稳定性既使在温度引起长度变化时也是稳定的。此外，如果示踪元件总是固定在承载轴上，则示踪的直线性也能保持。
如果按本发明的传输滚轮组装成一传输系统，则特别能够保证传输物的有规律输送。
在传输系统的一优选改进中，每个传输滚轮都被驱动。在这种情况下，每个传输滚轮都承受相同的力传输，因此也承受相同的负载。
因为通过本发明建议的传输系统可实现较高的生产能力，同时对传输物也特别轻柔，特别适合在按本发明的方法的框架内使用。
还需提出的是，还可以使用可替代的传输系统实施例，即没有使用传输滚轮。例如衬底也可以在旋转的皮带、链条或绳索上传输。传输系统的另一传输方案是运行的横杠。在这种系统中使用了两个或多个横杠，其交替地把衬底向前输送。第一横杠向前移动时，则第二横杠向后移动。在此情况下，第二横杠在液槽中设置得更深，与衬底没有直接接触。如果第一横杠或上横杠到达了其可能的传输行程的终点，第二横杠或下横杠到达了其起点，则下横杠就会被提升，因此衬底就会与两个横杠相接触。随后上横杠将下沉，因此可以再次回到液槽的起点，下横杠则向前移动。
在这种横杠传输系统的传统实施例中，横杠用偏心轮支承在可旋转的轴上，也就是说它们不间断地朝上和朝下移动。然而，为保证对衬底的单面处理，衬底在主动润湿的情况下必须总是停留在同一高度上。按上面定义的被动润湿的意思，传统横杠传输系统的更改及其应用，每个专业人员来都很清楚此处描述的知识。
因此按本发明的方法特别优选在一连续式的装置中运行，因为在这样一种“在线”生产的情况下，就不需要其它对硅片的额外手工操作。此外按本发明，背面/边缘绝缘还可以用氧化物蚀刻在同一装置中进行，因此加工链更简单且成本更低。此外，通过应用按本发明的方法，也实现了这样的太阳能电池设想，即电池的背面没有整个面的“铝背面场”(ALBSF)。因为在本发明的方法中，在电池背面的N形掺杂层完全被去除。所以不必再为了构成P形掺杂区域，而通过构成ALBSF来平衡这一掺杂。这就给电池背面的构造留下了许多可能性，并使无ALBSF电池方案的实现变得更加简单。
依照不同的(连续的或不连续的)工艺方法，液体的组合物需要辅助材料，例如为避免或减小气泡，其中这种辅助材料可由专业人员在考虑实际要求的情况下很容易地选择。在选择合适的辅助材料时，特别是在连续工艺中，需注意，晶片由于可能形成的气泡不能获得太大的浮力，其可能会影响传输的效率，因为晶片可以因此会失去与相应输送装置的接触。因此一优选的实施例建议，蚀刻溶液包含至少一种添加剂，其大体上可以在化学反应时把产生的气体集结起来，从而基片下表面上的气泡构成就会大大减少。
需指出的是，按本发明的方法不仅用于晶片或太阳能电池的两面电绝缘，而且还适合用来实施其它的湿式化学处理，其中用液体介质只对衬底的单面进行处理是必要或是被期望的，例如在清洗和涂覆的情况下。

Claims (12)

1.使用液槽对硅片进行单面湿化学处理的方法，硅片在处理时位于传输装置上，并以待处理的下表面的整个表面通过位于液槽中的液体传输或在位于液槽中的液体之上传输，其中所述传输装置位于所述液槽中，且其中硅片非待处理的上表面总是定位在液体的液位之上。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，处理时不保护硅片的上表面。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，硅片的边缘也被处理。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，传输装置以带或滚轮的形式提供。
5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，硅片在连续工艺中连续地处理。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，硅片以其下表面沉入到液槽中。
7.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，硅片在生产线中通过位于液槽中的处理液水平地传输或在位于液槽中的液体之上水平地传输。
8.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所使用的液槽为一种池，该池的周围边缘比处理液的液位低。
9.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，此处理是指蚀刻。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，蚀刻在含有KOH、HF、HNO3、带O3的HF和/或带氧化剂的HF的液体组合物中进行。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，氧化剂是一种氧化酸。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，液体组合物包含有至少一种附加物，用来集结在蚀刻时产生的气体。
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