CN101053065A - 用线性聚焦的激光束对固体进行激光掺杂以及基于所述方法制造太阳能电池发射极 - Google Patents

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Abstract

在一种根据本发明的激光掺杂方法中，首先使包含掺杂物的介质与固体的表面形成接触。然后，通过激光脉冲的照射短时融化固体的在与介质接触的表面下的区域，使得掺杂物扩散进熔化的区域中并且在熔化区域冷却期间使熔融区域结晶。激光束以线性焦点聚焦在固体上，其中线性焦点的宽度优选小于10μm。

Description

用线性聚焦的激光束对固体进行激光掺杂以及基于所述方法制造太阳能电池发射极
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于在固体中产生掺杂区域的方法，本发明也涉及一种用于实施该方法的装置。此外，本发明还涉及一种基于根据本发明的方法的、用于制造太阳能电池的发射极区域的方法。另外，本发明还涉及一种基于根据本发明的方法的、在半导体和金属之间产生欧姆接触的方法。
在由单晶硅或者多晶硅构成的太阳能电池的商业制造中，通过制造中的高温步骤来产生太阳能电池发射极，接着在温度为大约1000K的扩散炉中扩散掺杂物、一般为磷。为此所需的时间大约为30分钟。因此，传统的通过在扩散炉中扩散来制造太阳能电池发射极是耗能且耗时的。
此外，由于在传统的扩散工艺中发射极扩散的工艺时间冗长，所以在制造系统中仅能分批地实施制造。然而，低成本制造太阳能电池要求工艺中简单且快速的各个步骤，这些步骤可以集成为一个连续的、即在线(inline)制造工艺。通过在扩散炉中扩散来制造太阳能电池反射器不能满足这些要求。
在US 5,918,140中公开了一种用于激光掺杂半导体的方法，其中首先将包含掺杂物的材料的薄层施加到半导体表面上，接着将半导体表面暴露于脉冲激光辐射，其中在半导体表面和施加的掺杂物层之间的接触面的区域中，激光脉冲的能量被吸收并且转换成热能。这导致半导体的上部区域融化并且因此导致在融化期间掺杂物原子扩散到半导体的熔化区域中。在激光脉冲的下降时间中和在此之后，半导体的熔融区域再结晶，因此掺杂物原子混进晶格中。通过这种方式原理上可能在固体中产生高掺杂浓度的靠近表面的掺杂区域。然而，至今还不能对半导体例如硅实施激光掺杂，使得在融化的表面层中能够使硅再结晶大约1μm或者更小的厚度而没有缺陷。在测试中，使用市面上可得到的激光处理系统在硅中产生掺杂区域，这些区域随后作为太阳能电池发射极使用。结果是，太阳能电池发射极的质量非常差，特别是太阳能电池的空载电压和效率是非常低的。此外，TEM分析显示太阳能电池发射极特别受到高位错密度而损坏。
因此，本发明的目的是，说明借助激光掺杂在固体中产生掺杂区域的方法，通过这些方法可以在掺杂的区域中得到固体的高度无缺陷性，或者借助这些方法，传统的方法可以以其它方式在提供掺杂物层、实现高掺杂浓度或者激光束功率的耦合输入的效率方面得以改善。
通过权利要求1和其它独立权利要求所述的特征来实现该目的。另一些有利的实施例和方面是从属权利要求的主题。同样说明了一种借助根据本发明的方法产生太阳能电池的发射极区域的方法。也说明了一种借助根据本发明的方法在半导体和金属之间产生欧姆接触的方法。此外，还说明了一种用于实施根据本发明的方法的装置。
在根据本发明的用于在固体中产生掺杂区域的方法中，首先将包含掺杂物的介质与固体的表面形成接触。然后，借助激光脉冲照射，使固体的与介质所接触的表面下的区域融化，使得掺杂物扩散进熔融的区域中并且在熔融区域冷却期间再结晶。
根据本发明的方法的重要方面是，激光束线性地聚焦在固体上，优选的是，选择线性焦点的宽度小于10μm。例如，焦点宽度可以在5μm到10μm范围内。然而，焦点宽度甚至也可为大约5μm或者更小。
同时测试证实，通过为激光掺杂方法提供线性焦点可以产生再结晶的具有高无缺陷性的掺杂区域。这通过根据本发明的方法来实现，而不需要高温过程和冗长的工艺时间。相反，根据本发明的方法是一种产生高结晶度和无缺陷的掺杂区域的掺杂固体的低温方法。
因此，根据本发明的方法使得能够替代半导体晶片在高温炉中的成批处理(batch＝Betrieb)，而用后勤上更有效的在线过程来替换，并且直接集成到电子部件(例如太阳能电池)的生产线中。
在所实施的测试中，激光束形成5μm宽且数百微米长的线，线性焦点的长度一般优选在100μm至10mm的范围内。
在根据本发明的方法中，待掺杂的区域的深度的范围可通过合适地选择激光波长来确定。这通过选择这样的波长来完成，使得激光辐射在固体中的吸收长度或者穿透深度与待掺杂区域中所希望的深度范围相应。对于太阳能电池发射极，通常选择该深度为1μm或者更小。当固体是半导体硅时，激光辐射的波长应为600nm或者更小。
此外，当希望待掺杂区域为确定的深度时，脉冲宽度应这样选择，使得掺杂物原子在熔融固体中的热扩散长度为所希望的深度范围的量级。当固体为半导体硅并且所希望的深度范围为1μm时，脉冲宽度应低于100ns，特别是低于50ns。
通常，应掺杂其横向伸展至少在一个方向上大于激光焦点的区域，使得辐射束必须被扫描经过固体。在固体与辐射束之间产生垂直于线性焦点的线而对准的相对运动。优选地，固体安装在X-Y线性移动台上并且激光束保持不动。然而，也可以设置固体保持不动而配置激光束的光学系统，使激光束在固体上扫描。
包含掺杂物的介质可以以液体或者固体涂层的形式通过旋涂或者通过丝网印刷或者薄膜印刷方法被施加到界面上。然而，还可能的是，介质是气态的，并且与固体的表面直接接触。
另一种根据本发明的方法的重要方面是，通过溅射方法将固体涂层形式的、包含掺杂物的介质施加到固体上，其中在稍后的融化中不必将激光束成形为线性焦点。在此可以设置，首先将该介质施加到起始衬底上，接着在第一溅射方法步骤中被从起始衬底溅射并沉积到中间目标上，最后在第二溅射方法步骤中从中间目标被溅射并且沉积到待掺杂的固体上。
在该设置中，类似中间目标，起始衬底可以总是包括硅衬底，如硅晶片。该介质可以基本上或者完全由掺杂物本身构成，并且例如粉末状沉积在起始衬底上。因此，特别是通常提供的掺杂物元素，例如磷、砷、锑、硼、铝、镓、铟、钽或者钛，首先可以粉末状地沉积在硅晶片上，接着这些元素可以从硅晶片溅射到中间目标上。最后，从中间目标沉积到待掺杂的固体的层因此可以超过90％由掺杂物构成，因为在第一溅射步骤中在溅射时仅仅少量衬底硅被一同溅射。因此，在这种方法中，在待掺杂的固体上仅仅需要很薄的、例如仅仅几纳米厚度的掺杂物层，以在固体中产生很高的掺杂物浓度，例如达到1022/cm3。
应理解的是，本申请上下文中的待掺杂的固体可以为待掺杂的半导体本身，但是也应理解的是，固体包含主体，该主体是实际待掺杂的半导体本体，还包含沉积到主体的表面上的中间层，其中按照根据本发明的另一种方法，介质沉积在中间层上。在该设置中，并非强制地要求在后来激光束掺杂中激光束被线性聚焦。当作为对激光辐射的抗反射层起作用的中间层被施加到半导体本体上时，例如则给出这种实施形式。抗反射层使得激光辐射的全部光功率都被利用，并且用于融化位于中间层下的半导体材料的表面区域。然后，掺杂物可以在融化期间通过中间层扩散进半导体本体中。尽管有中间层，在半导体本体中仍能以这样的方式产生高掺杂物浓度，因为特别是通过前述的溅射方法事先在中间层上产生很高的掺杂物浓度。由于高掺杂物梯度，掺杂物也以高速扩散通过中间层。
中间层可以替代地或附加地构造成用于使半导体本体的表面钝化的钝化层。
特别是，中间层也可以包含氮化硅，二氧化硅或者无定形硅或者由这些材料其中之一构造。
中间层可以通过溅射方法来产生。特别是当掺杂物层通过溅射方法来产生时，可以在同一个的溅射装置中产生掺杂物层和中间层。
根据本发明的方法可以特别是用于制造太阳能电池的发射极区域，其中通过根据本发明的方法掺杂半导体表面的、用作太阳能电池发射极的区域。
此外，根据本发明的方法也可以用于在半导体和金属之间制造欧姆接触，其中在半导体中，根据本发明的方法生成被掺杂的区域，接着金属层被施加到该掺杂的区域上。通过这种方式，在p型晶片和n型晶片上都能够产生很低的接触电阻的欧姆接触。在该申请中所描述的方法此外也允许产生点接触或者带接触。
本发明也涉及一种用于实施根据本发明的方法的装置，该装置包括脉冲激光束源、用于产生线性焦点的圆柱透镜和用于将线性焦点缩小地成像到固体的表面上的物镜。
该装置优选具有自动聚焦装置，该自动聚焦装置测量固体表面距参考点的间距并且调整物镜与固体表面之间的间距，使得焦点位置维持在固体表面上的焦深之内。通过这种方式，即使表面弯曲或者粗糙也可以使焦点位置保持在晶片表面上的焦深之内。
参照附图将详述根据本发明的方法的实施例和用于实施根据本发明的方法的装置。其中：
图1是用于实施根据本发明的方法的装置的实施例的图示；
图2a，b是通过使用两步的溅射方法实施根据本发明的方法的实施例的图示；
图3是具有在半导体本体上的附加的抗反射层的、用于实施根据本发明的方法的实施例的图示。
在图1所示的装置中，作为激光束源在这种情况下使用了调Q Nd:YV04激光器，其通过使频率加倍而发射具有波长为λ＝532nm的激光辐射。脉冲频率典型地在10kHz至100kHz范围内。当激光掺杂硅时，最佳脉冲能量密度在2至6J/cm-2的范围内。
然后，(必要时在扩宽之后)通过圆柱透镜引导激光束以产生线性焦点。在该情况中，圆柱透镜具有f＝200mm的焦距。
最后，通过物镜将激光束成像在硅晶片上，在该实施例中该物镜具有f＝50mm的焦距。物镜将线性焦点缩小地成像在硅晶片上。在此，必需保证，甚至在表面弯曲或者粗糙的情况下，在晶片表面上焦点位置也总是维持在成像光学系统的焦深内。这可以通过自动聚焦装置来实现，该聚焦装置在工艺期间不断地测量晶片表面距参考点的间距并且修正物镜与硅晶片之间的间距。在所示的实施例中，物镜的位置通过使它在激光束的中心线上移动来修正，同样也可设置硅晶片的位置在激光束的中心线上移动来修正。
硅晶片安装在X-Y线性移动台上，X-Y平面垂直于激光束。通过使硅晶片相对于碰撞的辐射束移动，可以在硅晶片上扫描更大的区域。
在制造太阳能电池发射极的测试中，借助旋涂器通过旋涂方法将市面上可得到的含磷的掺杂物液体施加到硅晶片上。通过一个或者多个激光脉冲来实施掺杂，其中晶片表面直到1μm或者更小的深度被迅速熔化并且磷原子从掺杂物液体进入液态硅中。在熔融物冷却和固化之后完成高掺杂的n型发射极区域。
n型Si晶片上的硼掺杂的p+型发射极也已通过根据本发明的方法处理过。
在确定对表面的每个区域需要多少个激光脉冲以达到令人满意的掺杂程度之后，优选连续地以预定的速度引导辐射束经过晶片表面。从该数量和脉冲频率可以确定扫描速度。优选地，扫描速度在0.1至0.5m/s的范围内。然而，作为上面的替换方案，也可以设置，以基本上与焦点宽度相应的离散步来移动移动台。在每个到达的点，硅晶片被固定地施加以预先给定数量的激光脉冲，并且随后线性焦点没有施加以激光脉冲地垂直于线的取向而移向下一个点。
当使用30W激光系统时可以达到大约10cm2/s的产量。
现在参照图2a、b，图示了根据本发明的方法的一种变形方案，其中以固体涂层的形式通过两步的溅射方法将介质施加到待掺杂的固体上。首先，掺杂物2(例如纯磷)以粉末形式施加到作为起始衬底的硅晶片1上。然后，在图2a中在第一溅射步骤中，溅射粉末状的掺杂物2并且施加到同样通过硅晶片形成的中间目标3上并且作为掺杂物层4沉积在该中间目标3上。由此首先实现了，提供了相连接的掺杂物层4，其例如可以具有超过90％的掺杂物浓度。除掺杂物(例如磷)本身外，掺杂物层也可以含有硅，硅是在第一溅射步骤中从硅晶片1中被附加地去除的。
在如图2b中所示的第二溅射步骤中，掺杂物层4随后被溅射并且例如以第二掺杂物层6的形式沉积在实际要掺杂的固体5上。与掺杂物层4比较，该掺杂物层6的特征是其材料成分的更好的均匀性，使得在随后的激光束掺杂中在固体5中可以实现非常均匀的掺杂物分布。掺杂物层6可以为仅仅数nm、例如1-10nm的厚度。
之后，激光束聚焦在具有沉积的掺杂物层的固体材料5上并且例如在表面区域短暂地熔化，只是不必一定使用线性焦点。然后，掺杂层6的掺杂物扩散进固体5的熔融的接近表面的区域并且在再结晶时合并进固体的晶格结构中。
现在，参照图3示出了根据本发明的方法的另一变形方案，其中在半导体本体10的待掺杂的区域上方，抗反射层11施加在半导体本体、例如硅晶片10上。抗反射层11这样构造，使得对于后来用于熔化的激光辐射具有尽可能低的反射系数，以致于其光功率几乎完全耦合输入到半导体本体10中。
然后，含有掺杂物的介质12施加到抗反射层11上。该介质本身可以例如由掺杂物构成，并且通过溅射方法施加到抗反射层11上。如上所述，特别是使用两步的溅射方法，掺杂物元素例如磷等可以以高浓度施加到抗反射层11上。同样可以通过溅射方法、优选地是在同一溅射室中产生抗反射层11。
然后，激光束聚焦到半导体本体10上并且在表面区域短暂地用于融化，对此并非必须使用线性焦点。接着，掺杂物通过抗反射层11扩散进半导体本体10的熔融的靠近表面的区域并且在再结晶时混进半导体本体的晶格结构中。
对于特别有效的太阳能电池，还公开了多级发射极，根据迄今公知的方法，多级发射极此外需要进一步的高温处理以及光刻结构化方法。通过根据本发明的方法利用具有比较高的脉冲频率的激光，可以额外地并且同时地实现掺杂物浓度的横向结构化，以产生多级发射极。
借助根据本发明的方法也可以附加地(或者例如单独地)产生所谓的“背面场(back surface field)”，其减小了背面少数载流子的复合。该工艺如上所述，其中含硼的掺杂物糊剂被施加到p型晶片的背面并且接着用激光处理表面。

Claims (21)

1.一种在固体中产生掺杂的区域的方法，其中
将包含掺杂物的介质与所述固体的表面形成接触，
通过激光脉冲照射使所述固体的在与所述介质接触的表面下的区域融化，使得所述掺杂物扩散进所述熔化的区域中，并且在所述熔化的区域冷却期间再结晶，
其特征在于，所述激光束以线性焦点聚焦到所述固体上。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述线性焦点的宽度小于10μm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述线性焦点的长度在100μm至10mm的范围内。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述激光的波长这样选择，使得所述激光辐射在所述固体中的吸收长度与预定的长度、特别是1μm相应。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述固体为硅并且所述激光辐射的波长小于600nm。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述脉冲宽度这样地选择，使得所述掺杂物原子在所述熔化的固体中的热扩散长度与预定的长度、特别是1μm相应。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述固体为硅并且所述脉冲宽度小于100ns，特别是小于50ns。
8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，辐射束扫过所述表面，其方式是在所述固体与所述辐射束之间产生相对运动。
9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述液体或固体涂层形式的介质通过旋涂方法或者丝网印刷或者薄膜印刷方法施加到所述表面上。
10.根据上述权利要求中任一项或者根据权利要求1的前序部分所述的方法，其特征在于，所述介质以固体涂层(6)形式通过溅射方法来施加。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，
首先将所述介质施加到起始衬底(1)上，
在第一溅射步骤中被从所述起始衬底(1)进行溅射，并且沉积到中间目标(3)上，以及
在第二溅射步骤中从所述中间目标(3)被溅射并且沉积到所述待掺杂的固体(5)上。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述中间目标(3)为硅衬底。
13.根据权利要求11或者12所述的方法，其特征在于，所述介质由所述掺杂物构成并且粉末状地被施加到所述起始衬底(1)上。
14.根据上述权利要求中任一项或者权利要求1的前序部分所述的方法，其特征在于，所述固体包含主体(10)和施加在所述主体(10)的表面上的中间层(11)，并且所述介质被施加在所述中间层(11)上。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述中间层(11)为钝化层。
16.根据权利要求14或者15所述的方法，其特征在于，所述中间层(11)作为对所述激光辐射的抗反射层。
17.根据上述权利要求14至16中任一项所述的方法，其特征在于，所述中间层(11)包含氮化硅、二氧化硅或者无定形硅或者由这些材料中的其中一种构造。
18.一种通过根据上述权利要求中任一项所述的用于在半导体中产生掺杂的区域的方法来制造太阳能电池的发射极区域的方法。
19.一种在半导体和金属之间产生欧姆接触的方法，在该方法中按照权利要求1至17中任一项所述地在半导体中产生掺杂的区域并且随后将金属层施加到所述掺杂的区域上。
20.一种用于实施根据上述权利要求中任一项所述的方法的装置，所述装置包括
脉冲激光束源，
用于产生线性焦点的圆柱透镜，
用于使所述线性焦点缩小地成像到所述固体的表面上的物镜。
21.根据权利要求20所述的装置，其特征在于自动聚焦装置，其测量所述固体表面距参考点的间距并且这样地调整物镜与固体表面之间的间距，使得在所述固态表面上维持焦点位置在焦深内。
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