CN101593674B

CN101593674B - 半导体衬底的形成方法以及太阳能电池的制作方法

Info

Publication number: CN101593674B
Application number: CN2008101128030A
Authority: CN
Inventors: 肖德元
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2008-05-26
Filing date: 2008-05-26
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2028-05-26
Also published as: CN101593674A

Abstract

一种半导体衬底的形成方法，包括：提供基体材料；在基体材料上依次形成第一材料层和第二材料层，所述第一材料层和第二材料层构成PN结；在第一材料层内进行离子注入，形成离子注入层，所述离子注入层靠近第一材料层和基体材料的连接面；在第二材料层上形成支撑层；退火；在离子注入层的位置分离所述基体材料和第一材料层。所述方法的成本低，第一材料层和第二材料层的膜层质量好，基体材料可重复利用，成本低。本发明还提供了一种太阳能电池的制作方法。

Description

半导体衬底的形成方法以及太阳能电池的制作方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种太阳能电池用半导体衬底的形成方法以及太阳能电池的制作方法。

背景技术

太阳能电池作为各种仪器的驱动能源已被进行了广泛的研究，通过科学家的不断努力，太阳能电池的制作成本已经显著的降低。在太阳能电池的制作中，大于45％的制作成本用于硅的制作上，所述硅用于形成PN结，并最终将太阳能转化为电能。为了降低太阳能电池的制作成本，科学家们通过努力，采用较薄的“薄膜硅”替代厚的“硅晶圆”。

美国专利6258698提供了一种薄膜硅层的制作方法，首先在硅晶圆上形成多孔硅层，所述多孔硅层可以通过阳极氧化法形成，随后在多孔硅层上生长薄膜硅层，随后，将所述的薄膜硅层从多孔硅层上分离出来。分离出来的薄膜硅层被用于制作太阳能电池。

所述薄膜硅层的制作方法中，薄膜硅层从硅晶圆上分离之后，硅晶圆也再次利用，但是由于硅晶圆通过阳极氧化法形成多孔硅层，所以硅晶圆可再次利用的次数非常有限。

由于所述的薄膜硅层是在多孔硅层上生长出来的，因此，形成的薄膜硅层的质量不好，用于形成太阳能电池时，影响太阳能电池的光电转换效率。

发明内容

有鉴于此，本发明解决的技术问题是提供一种半导体衬底的形成方法，所述的半导体衬底的制作成本低，质量较好，可用于制作太阳能电池。

本发明还提供了采用所述半导体衬底形成太阳能电池的方法。

一种半导体衬底的形成方法，包括：提供基体材料；在基体材料上依次形成第一材料层和第二材料层，所述第一材料层和第二材料层构成PN结；在第一材料层内进行离子注入，形成离子注入层，所述离子注入层靠近第一材料层和基体材料的连接面；在第二材料层上形成支撑层；退火；在离子注入层的位置分离所述基体材料和第一材料层。

可选的，所述第一材料层和第二材料层采用外延生长工艺形成。

可选的，所述第一材料层为N型掺杂硅，所述第二材料层为P型掺杂硅。

可选的，所述第一材料层为P型掺杂硅，所述第二材料层为N型掺杂硅。

可选的，所述离子注入层内的注入离子为氢离子或者硼离子或者氢离子和硼离子。

可选的，所述离子注入层与第一材料层和基体材料的连接面的距离为10埃至1000埃。

可选的，第一材料层的厚度为1～10μm，第二材料层的厚度为1～10μm。

一种太阳能电池的制作方法，包括：提供基体材料；在基体材料上依次形成第一材料层和第二材料层，所述第一材料层和第二材料层构成PN结；在第一材料层内进行离子注入，形成离子注入层，所述离子注入层靠近第一材料层和基体材料的连接面；在第二材料层上形成支撑层；退火；将离子注入层分离和基体材料从第一材料层上分离；在第一材料层上形成钝化层并刻蚀所述钝化层形成开口，所述开口成均匀或者不均匀的分布；在所述开口内壁形成籽晶层；在所述的籽晶层上形成导电层。

可选的，所述籽晶层为TiW/Ag，所述的导电层为Ag。

与现有技术相比，上述方案具有以下优点：

本发明所述半导体衬底的形成方法，在基体材料上形成由第一材料层和第二材料层形成的PN结以及支撑层，并通过离子注入的方法在第一材料层内、与基体材料和第一材料层的连接面靠近的位置注入氢离子等能够使离子注入层产生气泡的离子，随后，分离所述第一材料层与基体材料，形成可用于形成太阳能电池的半导体衬底，由于分离的基体材料可重复利用，节省制作成本，并且，工艺简单可控。

进一步，所述形成半导体衬底的方法，第一材料层和第二材料层是通过外延生长工艺在基体材料上形成的，因此，第一材料层和第二材料层的质量较好。

本发明所述太阳能电池的制作方法工艺简单，太阳能电池的制作方法成本低，形成PN结的第一材料层和第二材料层采用外延生长工艺形成，质量较好。

附图说明

图1至图5为本发明实施例1所述半导体衬底的制作方法的结构示意图；

图6为本发明实施例1所述半导体衬底的制作方法的工艺流程图；

图7至图14为本发明实施例2所述太阳能电池的制作方法的结构示意图；

图15本发明实施例2所述太阳能电池的制作方法的工艺流程图。

具体实施方式

本发明的目的在于提供一种形成半导体衬底的方法，提高所述的半导体衬底的质量。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

实施例1

一种半导体衬底的形成方法，参考附图6所示，包括：步骤S10，提供基体材料，在基体材料上依次形成第一材料层和第二材料层，所述第一材料层和第二材料层构成PN结；步骤S11，在第一材料层内进行离子注入，形成离子注入层，所述离子注入层靠近第一材料层和基体材料的连接面；步骤S12，在第二材料层上形成支撑层；步骤S13，退火；步骤S14，在离子注入层的位置分离所述基体材料和第一材料层。

参考附图1所示，提供基体材料100，所述基体材料100为硅，绝缘体上硅或者硅锗等半导体材料，所述的硅、绝缘体上或者硅锗等材料为本征态或者掺杂态，本实施例中，可选的基体材料100为本征态的硅或者本征态的绝缘体上硅。

为了在所述的基体材料100表面形成结晶形态良好的第一材料层110，需要对基体材料100表面进行化学清洗，以去除所述基体材料100表面存在的有机污染物或者无机污染物以及其它影响杂质，所述的清洗方法可以是本领域技术人员熟知的任意清洗方法以及清洗试剂，例如采用HF进行清洗。

在所述基体材料100上形成第一材料层110以及第二材料层120，所述的第一材料层110和第二材料层120形成PN结。例如，所述的第一材料层110为N型掺杂的外延硅，掺杂离子例如磷离子，砷离子等，厚度为1～10μm，掺杂密度为10¹⁷～10¹⁹cm^-3，所述的第二材料层120为P型掺杂的外延硅，掺杂离子为硼离子，氟化硼离子等，厚度为1～10μm，掺杂密度为10¹⁷～10¹⁹cm^-3。

再例如，所述的第一材料层110为P型掺杂的外延硅，掺杂离子为硼离子，氟化硼离子等，厚度为1～10μm，掺杂密度为10¹⁷～10¹⁹cm^-3，所述的第二材料层120为N型掺杂的外延硅，掺杂离子例如磷离子，砷离子等，厚度为1～10μm，掺杂密度为10¹⁷～10¹⁹cm^-3。

形成所述第一材料层110和第二材料层120的工艺为常规的外延生长工艺，在此不再赘述。由于第一材料层110和第二材料层120采用外延生长工艺形成，因此，膜层质量较好。

参考附图2所示，通过所述的第二材料层120，在所述的第一材料层110内进行离子注入，形成离子注入层130，所述离子注入层130靠近第一材料层110和基体材料100的连接面，可选的，所述离子的注入深度为：位于第一材料层110内，与第一材料层110和基体材料100的连接面的距离为10埃至1000埃。所述离子注入工艺可以是注入为氢离子或者硼离子，也可以是同时注入氢离子和硼离子。可选的，注入氢离子或者硼离子的离子注入能量为1MeV～8MeV，剂量为1E15～1E17/cm²。

由于上述大剂量离子注入及其后的高温退火，所述的注入离子在第一材料层110内产生孔洞，因此，形成的离子注入层130为泡状。

参考附图3所示，在所述的第二材料层120上形成支撑层140，所述的支撑层140为导电材料，较好的为金属导电材料，例如金属铝等，在所述的半导体衬底用于形成太阳能电池时，用作太阳能电池的负极材料。

形成所述的支撑层140的工艺方法例如物理气相沉积法，或者电子束蒸发沉积法(e-beam evaporation)，形成的支撑层140的厚度为20～50μm。

之后，对所述的基体材料100以及第一材料层110，第二材料层120和离子注入层130进行退火工艺，所述的退火工艺在H₂等还原性气体氛围中进行，退火温度为300～500摄氏度，时间为10～50min。

最后，参考附图4所示，在离子注入层130的位置分离所述基体材料100和第一材料层110，由于所述的离子注入层130含有较多的孔洞，为泡状，因此，比较容易在离子注入层130的位置将所述的基体材料100和第一材料层110分离开来，由于离子注入层130的厚度相对于第一材料层110和基体材料100的厚度来说相对较小，几乎可以忽略不计，因此，分离之后，基体材料100和第一材料层110上残留的离子注入层130的厚度也可以忽略不计。

本实施例中，由于第一材料层和第二材料层采用外延生长工艺形成，因此，膜层质量较好。进一步，分离出的基体材料100的厚度变化非常小，几乎可以忽略，因此，可以不断的重复利用，继续用作形成半导体衬底的基体材料100，大大的节约了制作半导体衬底的费用，由于太阳能电池的成本大部分用在制作半导体衬底上，因此，采用本实施例所述的方法形成半导体衬底，降低了太阳能电池的制作成本。

参考附图5所示，为本实施例形成的半导体衬底的结构图，所述的支撑层140用作所述半导体衬底的底部，支撑所述的第一材料层110和第二材料层120，并且，在形成太阳能电池之后，用作太阳能电池的一个电极，所述材料为金属铝时，通常用作太阳能电池的负极，第一材料层110和第二材料层120构成PN结，在太阳能照射下，发生电子迁移，产生电流。

实施例2

本实施例提供一种太阳能电池的制作方法，参考附图15所示，包括：步骤S20，提供基体材料，在基体材料上依次形成第一材料层和第二材料层，所述第一材料层和第二材料层构成PN结；步骤S21，在第一材料层内进行离子注入，形成离子注入层，所述离子注入层靠近第一材料层和基体材料的连接面；步骤S22，在第二材料层上形成支撑层；步骤S23，退火；步骤S24，将离子注入层分离和基体材料从第一材料层上分离；步骤S25，在第一材料层上形成钝化层并刻蚀所述钝化层形成开口；步骤S26，在所述开口内壁形成籽晶层；步骤S27，在所述的籽晶层上形成导电层。

本实施例中，所述的步骤S20至步骤S24的具体工艺方法参考实施例1中步骤S10至步骤S14的描写。

进行步骤S20至步骤S24后，本实施例形成的半导体衬底结构参考附图7所示，包括支撑层200，位于支撑层200上的第二材料层210，位于第二材料层上的第一材料层220。

所述支撑层为导电金属材料，例如金属铝，用于太阳能电池的负极，形成所述的支撑层200的工艺方法例如物理气相沉积法，或者电子束蒸发沉积法(e-beam evaporation)，形成的支撑层200的厚度为20～50μm。

所述第一材料层220和第二材料层210形成PN结，例如，所述的第一材料层220为N型掺杂的外延硅，掺杂离子例如磷离子，砷离子等，厚度为1～10μm，掺杂密度为10¹⁷～10¹⁹cm^-3，所述的第二材料层210为P型掺杂的外延硅，掺杂离子为硼离子，氟化硼离子等，厚度为1～10μm，掺杂密度为10¹⁷～10¹⁹cm^-3。

再例如，所述的第一材料层220为P型掺杂的外延硅，掺杂离子为硼离子，氟化硼离子等，厚度为1～10μm，掺杂密度为10¹⁷～10¹⁹cm^-3，所述的第二材料层210为N型掺杂的外延硅，掺杂离子例如磷离子，砷离子等，厚度为1～10μm，掺杂密度为10¹⁷～10¹⁹cm^-3。

形成所述第一材料层220和第二材料层210的工艺为常规的外延生长工艺，在此不再赘述。由于第一材料层和第二材料层采用外延生长工艺形成，因此，膜层质量较好。

参考附图8所示，在第一材料层220上形成钝化层230，所述的钝化层230的材料例如为氮化硅等绝缘材料，形成工艺可采用化学气相沉积法，例如等离子化学气相沉积法，厚度为1000埃至3000埃。

参考附图9所示，刻蚀所述钝化层230形成开口，暴露出第一材料层220，所述开口的位置为设计需要形成太阳能电池负极的位置。所述的钝化层230的工艺为本领域技术人员熟知的任何工艺，例如，在所述的钝化层230上形成光刻胶，并曝光显影所述光刻胶形成光刻胶开口，然后以所述的光刻胶为掩膜，刻蚀所述钝化层230，最后去除所述钝化层230上的光刻胶。

参考附图10所示，在所述的钝化层230上以及刻蚀钝化层230形成的开口内形成籽晶层240，所述的籽晶层例如是TiW/Ag的复合结构，形成工艺为化学气相沉积或者溅射工艺，例如，采用溅射工艺，首先在钝化层230上以及刻蚀钝化层230形成的开口内形成薄层的TiW，随后在所述TiW薄层上溅射一薄层金属Ag，所述的TiW用于防止金属Ag的扩散。所述的TiW/Ag的用作电镀金属Ag的籽晶层。

参考附图11所示，在所述籽晶层240上形成掩膜层250，并在所述掩膜层250上形成开口，所述掩膜层250上开口的位置与钝化层开口位置相对应。所述掩膜层250例如是光刻胶层，通过曝光显影的工艺形成开口。

参考附图12所示，在所述掩膜层250上形成的开口内以及所述的籽晶层240上形成导电层260，所述的导电层260的材料例如为金属Ag，可以采用电镀工艺形成。所述的导电层260可用作太阳能电池的正极。

参考附图13所示，去除所述掩膜层250，去除所述掩膜层250的工艺为本领域技术人员熟知的现有技术，例如所述掩膜层250为光刻胶时，采用灰化工艺。

参考附图14所示，去除所述钝化层230上的籽晶层，去除工艺例如湿法刻蚀工艺，仅仅保留附图中位于钝化层230开口内的籽晶层。

采用本实施例所述的工艺方法，形成太阳能电池，所述太阳能电池的第一材料层和第二材料层采用外延生长工艺形成，形成的膜层质量好，形成PN结，提高了太阳能电池的光电转换效率。所述太阳能电池的半导体衬底形成方法工艺简单可控，并且，所采用的基体材料可重复利用，大大降低了形成所述半导体衬底的成本，从而降低了形成太阳能电池的成本。

虽然本发明以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims

1.一种半导体衬底的形成方法，其特征在于，包括：

提供基体材料；

在基体材料上依次形成第一材料层和第二材料层，所述第一材料层和第二材料层构成PN结；

在第一材料层内进行离子注入，形成泡状离子注入层，所述离子注入层与第一材料层和基体材料的连接面的距离为10埃至1000埃；

在第二材料层上形成支撑层；

退火；

在离子注入层的位置，分离所述基体材料和第一材料层。

2.根据权利要求1所述半导体衬底的形成方法，其特征在于，所述第一材料层和第二材料层采用外延生长工艺形成。

3.根据权利要求1所述半导体衬底的形成方法，其特征在于，所述第一材料层为N型掺杂硅，所述第二材料层为P型掺杂硅。

4.根据权利要求1所述半导体衬底的形成方法，其特征在于，所述第一材料层为P型掺杂硅，所述第二材料层为N型掺杂硅。

5.根据权利要求1所述半导体衬底的形成方法，其特征在于，所述离子注入层内的注入离子为氢离子或者硼离子或者氢离子和硼离子。

6.根据权利要求1所述半导体衬底的形成方法，其特征在于，第一材料层的厚度为1～10μm，第二材料层的厚度为1～10μm。

7.一种太阳能电池的制作方法，其特征在于，包括：

提供基体材料；

在第二材料层上形成支撑层；

退火；

在离子注入层的位置，分离所述基体材料和第一材料层；

在第一材料层上形成钝化层，刻蚀所述钝化层形成开口；

在所述开口内壁形成籽晶层；

在所述的籽晶层上形成导电层。

8.根据权利要求7所述太阳能电池的制作方法，其特征在于，所述第一材料层和第二材料层采用外延生长工艺形成。

9.根据权利要求7所述太阳能电池的制作方法，其特征在于，所述第一材料层为N型掺杂硅，所述第二材料层为P型掺杂硅。

10.根据权利要求7所述太阳能电池的制作方法，其特征在于，所述第一材料层为P型掺杂硅，所述第二材料层为N型掺杂硅。

11.根据权利要求7所述太阳能电池的制作方法，其特征在于，所述离子注入层内的注入离子为氢离子或者硼离子或者氢离子和硼离子。

12.根据权利要求7所述太阳能电池的制作方法，其特征在于，第一材料层的厚度为1～10μm，第二材料层的厚度为1～10μm。

13.根据权利要求7所述太阳能电池的制作方法，其特征在于，所述籽晶层由TiW和Ag的复合结构组成，所述的导电层为Ag。