CN101651154A - 供太阳能电池用的半导体基板及其制造方法 - Google Patents

供太阳能电池用的半导体基板及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种供太阳能电池用的半导体基板及其制造方法。根据本发明的半导体基板包含一基板以及一表面钝化层。该基板具有一上表面。该表面钝化层藉由一原子层沉积制程及/或一电浆辅助原子层沉积制程形成于该基板的该上表面上。

Description

供太阳能电池用的半导体基板及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种半导体基板，特别是涉及一种供太阳能电池用的半导体基板。
背景技术
太阳能电池因为其将发自一光源(例如，太阳光)的能量转换成电力以供电给例如＝，计算机、电脑、加热器等电子装置，所以太阳能电池已被广泛地使用。
到目前为止，硅晶太阳能电池虽为市场主流，但硅源料短缺的问题却日益严重。因此，为了节省材料及成本，薄型太阳能电池(例如，以薄型硅晶圆为基板的太阳能电池)的发展已成为一种趋势。同时，为因应薄型太阳能电池的发展，薄型硅晶圆已被制造出并应用在太阳能电池上。
太阳能电池的原理是光子进入硅基材并且由该硅基材吸收，以转移光子的能量给原为键结状态(共价键)的电子，并且藉此释放原为键结状态的电子成游离的电子。此种可移动的电子，以及其所遗留下原在共价键处的电洞(此种电洞也是可移动的)可以造成电流从该太阳能电池流出。为了贡献该电流，上述的电子以及电洞不可以重新结合，反而是由与硅基材内的p-n接合相关的电场所分离。
众所周知，于太阳能电池上形成表面钝化层可以使由光产生的载子(即电子与电洞)发生表面重合的机率减低。
请参阅图1A及图1B，传统的表面钝化层(例如，二氧化硅)12可以通过将硅晶圆10置入热氧化制程而形成。然而，薄型硅晶圆14在热氧化制程中会出现因温度过高而发生翘曲的现象，因此不利于后续制程的进行。请参阅图1B，图1B显示了薄型硅晶圆14在形成表面钝化层12的过程中因温度过高而发生翘曲的示意图。
因此，本发明的主要目的在于提供一种供太阳能电池用的半导体基板，以解决上述问题。
发明内容
本发明的一目的在于提供一种供太阳能电池用的半导体基板及其制造方法。
根据本发明的一具体实施例，该半导体基板包含一基板(substrate)以及一表面钝化层(surface passivation layer)。该基板具有一上表面。该表面钝化层是通过一原子层沉积(atomic layer deposition，ALD)制程、一电浆增强原子层沉积(plasma-enhanced ALD)制程或一电浆辅助原子层沉积(plasma-assisted ALD)制程形成于该基板的该上表面上，该钝化层还可通过一原子层沉积制程和一电浆增强原子层沉积制程或一原子层沉积制程和一电浆辅助原子层沉积制程的组合制程形成。
根据本发明的另一具体实施例为一种制造供一太阳能电池用的半导体基板的方法。该方法首先制备一基板。之后，该方法通过一原子层沉积制程、一电浆增强原子层沉积制程或一电浆辅助原子层沉积制程或形成一表面钝化层于该基板的一上表面上，该钝化层还可通过一原子层沉积制程和一电浆增强原子层沉积制程或一原子层沉积制程和一电浆辅助原子层沉积制程的组合制程形成。
现比现有技术，根据本发明的半导体基板能够通过原子层沉积制程形成该表面钝化层于该基板上。与现有的热氧化制程相比较，原子层沉积制程能够在较低温的环境中进行，因此基板不会有因温度过高而发生翘曲的现象。
关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。
附图说明
图1A显示了热氧化制程形成表面钝化层于硅晶圆上的示意图。
图1B显示了薄型硅晶圆于形成表面钝化层的过程中因温度过高而发生翘曲的示意图。
图2显示了根据本发明的一具体实施例的一半导体基板。
图3A及图3B分别显示了以热氧化制程形成表面钝化层的硅晶圆及根据本发明的半导体基板。
图4A及图4B显示了根据本发明的另一具体实施例的制造一半导体基板的方法的截面视图。
具体实施方式
请参阅图2，图2显示了根据本发明的一具体实施例的一半导体基板2。该半导体基板2可以供太阳能电池之用。
如图2所示，该半导体基板2包含一基板20以及一表面钝化层22。该基板20具有一上表面200。
于一具体实施例中，该基板20可以由硅制成并且该基板20的厚度大致上等于或小于300μm。换句话说，该基板20可以是一薄型基板20。
该表面钝化层22可以通过一原子层沉积制程、一电浆增强原子层沉积制程或一电浆辅助原子层沉积制程形成于该基板20的该上表面200上，该钝化层还可通过一原子层沉积制程和一电浆增强原子层沉积制程或一原子层沉积制程和一电浆辅助原子层沉积制程的组合制程形成。
请参阅表一，表一列出该表面钝化层22的组成及其原料的对照表。如表一所示，于实际应用中，该表面钝化层22可以是Al2O3、AlN、HfO2、Hf3N4、Si3N4、SiO2、Ta2O5、TiO2、TiN、ZnO、ZrO2、Zr3N4或其他类似化合物，或为上述化合物的混合物(mixture)，但不以此为限。
表一
  組成   原料
Al2O3   AlCl3+H2O；AlBr3+H2O；AlCl3+O2；AlCl3+O3；AlCl3+ROH；Al(CH3)3+H2O；Al(CH3)3+H2O2；Al(CH3)3+N2O；Al(CH3)3+NO2；Al(CH3)3+O2-plasma；Al(C2H5)3+H2O；Al(OC2H5)3+H2O/ROH；Al(OCH2CH2CH3)3+H2O/ROH；AlCl3+Al(OC2H5)3；AlCl3+Al(OCH(CH3)2)3；Al(CH3)3+Al(OCH(CH3)2)3；Al(CH3)2Cl+H2O；Al(CH3)2H+H2O；Al[OCH(CH3)C2H5]3+H2O；Al(N(C2H5)2)3+H2O；Al(NCH3(C2H5))3+H2O
AlN   AlCl3+NH3；Al(CH3)3+NH3；Al(CH3)2Cl+NH3；Al(C2H5)3+NH3；((CH3)3N)AlH3+NH3；((CH3)2(C2H5)N)AlH3+NH3
HfO2   HfCl4+H2O；Hf[OC(CH3)3]4+H2O；[(CH3)C2H5)N]4Hf+H2O；[(CH3)2N]4Hf+H2O；[(CH2CH3)2N]4Hf+H2O
Hf3N4   HfCl4+NH3；Hf[OC(CH3)3]4+NH3；[(CH3)C2H5)N]4Hf+NH3；[(CH3)2N]4Hf+NH3；[(CH2CH3)2N]4Hf+NH3
  Si3N4   SiCl4+NH3；Si2Cl6+N2H4；SiCl2H2+NH3-plasma
SiO2   SiCl4+H2O；Si(NCO)4+H2O；Si(NCO)4+N(C2H5)3；Si(C2H5O)4+H2O；CH3OSi(NCO)3+H2O2；SiH4+O2；(ButO)3SiOH+Al(CH3)3
Ta2O5   TaCl5+H2O；TaCl5+Ta(OC2H5)5；TaI5+H2O2；Ta(OC2H5)5+H2O；Ta(N(CH3)2)5+H2O；(CH3)3CNTa(N(C2H5)2)3+H2O
TiO2   TiCl4+H2O；TiCl4+H2O2；Ti(OC2H5)4+H2O；Ti(OCH(CH3)2)4+H2O；[(CH3C2H5)N]4Ti+H2O；Ti(N(CH3)2)2(N(CH2CH3)2)2+H2O；[(C2H5)2N]4Ti+H2O；[(CH3)2N]4Ti+H2O；((CH3)3CO)4Ti+H2O
TiN   TiCl4+NH3；TiCl4+(CH3)2NNH2；TiI4+NH3；Ti(N(CH3)2)4+NH3；Ti(N(C2H5)(CH3))4+NH3；[(CH3C2H5)N]4Ti+NH3
ZnO   (C2H5)2Zn+H2O；(C2H5)2Zn+O3；(C2H5)2Zn+O2-plasma；ZnCl2+H2O；Zn(CH3)2+H2O
ZrO2   ZrCl4+H2O；ZrI4+H2O2；Zr(OC(CH3)3)4+H2O；Zr(C5H5)2Cl2+O3；[(C2H5)2N]4Zr+H2O；[(CH3)2N]4Zr+H2O；Zr(NCH3C2H5)4+H2O
Zr3N4   ZrCl4+NH3；Zr(OC(CH3)3)4+NH3；Zr(C5H5)2Cl2+NH3；[(C2H5)2N]4Zr+NH3；[(CH3)2N]4Zr+NH3；Zr(NCH3C2H5)4+NH3
在一具体实施例中，若该表面钝化层22是ZnO原子层，该ZnO原子层的原料可以采用一DEZn(Diethylzinc，Zn(C2H5)2)先驱物(precursor)与一H2O先驱物或一O3先驱物所形成，其中DEZn即为Zn的来源，H2O或O3为O的来源。
以沉积ZnO原子层为例，在一个原子层沉积的周期内的反应步骤可分成四个部分：
1.利用载送气体将H2O分子导入反应腔体，H2O分子在进入腔体后会吸附于基材表面，在基材表面形成单一层OH基，其曝气时间为0.1秒。
2.通入载送气体将多余未吸附于基材的H2O分子抽走，其吹气时间为5秒。
3.利用载送气体将DEZn分子导入反应腔体中，与原本吸附在基材表面的单一层OH基，在基材上反应形成单一层的ZnO，副产物为有机分子，其曝气时间为0.1秒。
4.通入载送气体，带走多余的DEZn分子以及反应产生的有机分子副产物，其吹气时间为5秒。
其中载送气体可以采用高纯度的氩气或氮气。以上四个步骤称为一个原子层沉积的周期。一个原子层沉积的周期可以在基材的全部表面上成长单一原子层厚度的薄膜，此特性称为『自限成膜』(self-limiting)，此特性使得原子层沉积在控制薄膜厚度上，精准度可达一个原子层。利用控制原子层沉积的周期次数即可精准地控制ZnO薄膜的厚度。
总结来说，本发明所采用的原子层沉积制程具有以下优点：(1)可在原子等级控制材料的形成；(2)可更精准地控制薄膜的厚度；(3)可大面积量产；(4)有优异的均匀度(uniformity)；(5)有优异的三维包覆性(conformality)；(6)无孔洞结构；(7)缺陷密度小；以及(8)沉积温度低等制程优点。
与传统的热氧化制程相较之下，原子层沉积制程可以在较低的制程温度下形成该表面钝化层22。于一具体实施例中，该表面钝化层22的沉积可以在一介于室温至600℃之间的制程温度下执行。
随后，为了进一步降低缺陷密度及提升表面形态，于该表面钝化层22形成之后，该表面钝化层22还可在一介于100℃至600℃之间的退火温度下执行退火。
请参阅图3A及图3B。图3A及图3B分别为以热氧化制程形成表面钝化层12的硅晶圆10以及根据本发明的半导体基板2。如图3A所示，相比图3B，图3A中的硅晶圆10在支撑物上产生的阴影(如虚线部份)较多，证明图3A中的硅晶圆10翘曲的程度比根据本发明的半导体基板2较明显。换句话说，根据本发明的半导体基板2，其表面钝化层22可以通过原子层沉积制程在低温下形成，故较不会使半导体基板2发生翘曲的现象。
请参阅图4A及图4B并配合参阅图2，图4A及图4B显示了根据本发明的另一具体实施例的制造一半导体基板2的方法的截面视图。该半导体基板2可以供太阳能电池的用。
首先，如图4A所示，该方法制备一基板20，该基板20具有一上表面200。
接着，如图4B所示，通过一原子层沉积制程、一电浆增强原子层沉积制程或一电浆辅助原子层沉积制程形成一表面钝化层22于该基板20的该上表面200上，该钝化层还可通过一原子层沉积制程和一电浆增强原子层沉积制程或一原子层沉积制程和一电浆辅助原子层沉积制程的组合制程形成。
现比现有的技术，根据本发明的半导体基板能够通过原子层沉积制程形成该表面钝化层于该基板上。与传统的热氧化制程相比较，原子层沉积制程能够在较低温的环境中进行，因此基板不会有因温度过高而发生翘曲的现象。
通过以上优选实施例的详述，是希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所公开的优选实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的专利范围的范畴内。因此，本发明所申请的专利范围的范畴应该根据上述的说明作最宽广的解释，以致使其涵盖所有可能的改变以及具相等性的安排。

Claims (12)

1.一种供一太阳能电池(solar cell)用的半导体基板(semiconductorsubstrate)，该半导体基板包含：
一基板(substrate)，该基板具有一上表面；以及
一表面钝化层(surface passivation layer)，该表面钝化层由一原子层沉积(atomic layer deposition，ALD)制程、一电浆增强原子层沉积(plasma-enhancedALD)制程或一电浆辅助原子层沉积(plasma-assisted ALD)制程)形成于该基板的该上表面上，该钝化层还可通过一原子层沉积制程和一电浆增强原子层沉积制程或一原子层沉积制程和一电浆辅助原子层沉积制程的组合制程形成。
2.如权利要求1所述的半导体基板，其特征在于，该表面钝化层由Al2O3、AlN、HfO2、Hf3N4、Si3N4、SiO2、Ta2O5、TiO2、TiN、ZnO、ZrO2及Zr3N4中的其中一种制成。
3.如权利要求1所述的半导体基板，其特征在于，该表面钝化层的沉积是在一介于室温至600℃之间的制程温度下执行。
4.如权利要求3所述的半导体基板，其特征在于，该表面钝化层是在一介于100℃至600℃之间的退火温度下执行退火。
5.如权利要求1所述的半导体基板，其特征在于，该基板的厚度等于或小于300μm。
6.如权利要求5所述的半导体基板，其特征在于，该基板由硅制成。
7.一种制造供一太阳能电池(solar cell)用的半导体基板(semiconductorsubstrate)的方法，该方法包含下列步骤：
制备一基板(substrate)，该基板具有一上表面；以及
通过一原子层沉积(atomic layer deposition，ALD)制程、一电浆增强原子层沉积(plasma-enhanced ALD)制程或一电浆辅助原子层沉积(plasma-assisted ALD)制程在该基板的该上表面上形成一表面钝化层(surface passivation layer)，该钝化层还可通过一原子层沉积制程和一电浆增强原子层沉积制程或一原子层沉积制程和一电浆辅助原子层沉积制程的组合制程形成。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，该表面钝化层由Al2O3、AlN、HfO2、Hf3N4、Si3N4、SiO2、Ta2O5、TiO2、TiN、ZnO、ZrO2及ZrN4中的其中一种制成。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，该表面钝化层的沉积是在一介于室温至600℃之间的制程温度下执行。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，该表面钝化层是在一介于100℃至600℃之间的退火温度下执行退火。
11.如权利要求7所述的方法，其特征在于，该基板的厚度等于或小于300μm。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，该基板由硅制成。
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Granted publication date: 20110907

Termination date: 20200812