CN102024676A

CN102024676A - 单室反应器中制造半导体器件的方法

Info

Publication number: CN102024676A
Application number: CN2010101812427A
Authority: CN
Inventors: 李沅民; 张迎春; 林朝晖
Original assignee: FUJIAN GOLDEN SUN SOLAR TECHNIC Co Ltd
Current assignee: Beijing Jingcheng Boyang Optoelectronic Equipment Co.,Ltd.
Priority date: 2010-05-25
Filing date: 2010-05-25
Publication date: 2011-04-20

Abstract

本发明公开了一种在单室反应器中制造半导体器件的方法，所述半导体器件包括至少一个p-i-n结，本发明的方法在沉积i层之前，首先通入含氧气体对反应室内残留物进行反应吹扫；然后通入易与含氧气体反应的气体和/或惰性气体将所述含氧气体吹扫排出，或直接抽真空将含氧气体排出。通过上述的两步吹扫步骤，本发明的方法能够有效地降低n型掺杂剂的残留，防止对i层的交叉污染。此外，本发明的方法对p型掺杂剂的残留也具有良好效果。

Description

单室反应器中制造半导体器件的方法

技术领域

本发明涉及硅基半导体薄膜制造技术领域，特别的，涉及一种在单室反应器中制造含掺杂或非掺杂半导体结，例如硅基薄膜太阳能电池的方法。

背景技术

非晶硅或微晶硅薄膜太阳电池由多层具有一定电学、光学等物理特性的半导体膜层构成，这些膜层被依次沉积在一个衬底或基板上。非晶硅或微晶硅薄膜太阳电池(以下简称薄膜太阳能电池)的结构如图1所示，典型的薄膜太阳能电池通常包括玻璃基板10、透明导电前电极11、由p层12、i层13和n层14组成的p-i-n叠层结构，以及背电极15和背保护板16。其中，p层12和n层14由不同元素掺杂以获得所期望的特性，例如电导率，具体而言，p型掺杂层里以正电荷载流子空穴为主，n型掺杂层以带负电荷的载流子电子为主，i层是本征层。一般来说，硼元素被用于p型掺杂，磷元素被用于n型掺杂。p层12和n层14在i层13之间建立一个内部电场，i层13将入射光能转换成电能。这个p-i-n三层组合称为一个光电单元，或一个“结”。单结薄膜太阳能电池含有单一的光电单元，而多结薄膜太阳能电池含有两个或更多个叠加在一起p-i-n光电单元。

多结硅基薄膜太阳能电池的转换效率要高于单结电池，是目前的发展趋势。薄膜太阳能电池的制造商通常采用单室反应器或多室反应器来生产商用电池组件。单室反应工艺是在一个反应室内完成多个沉积工艺步骤，而多室反应器工艺是在不同的反应室内完成不同的沉积工艺步骤，因此单室工艺比多室工艺更加简便易行，具有更高的生产效率，从而能更好的降低成本。然而，在沉积多结硅基薄膜太阳能电池的工艺过程中，通常要求n层具有较高的掺杂浓度，因此n型掺杂剂例如磷烷的用量通常比较大，在n层沉积结束之后，反应室的内壁、管路、器件和部件的表面以及其它所有表面包括玻璃基板和电极板之间的缝隙表面都会残留一些含磷物质，在后续沉积i层时会不断地脱离其附着的表面，进入反应空间，从而造成对i层的磷残留交叉污染，导致光伏器件的性能下降。

单室反应器，例如专利号为200820008274.5的中国专利中所描述的可对大面积基板、批量沉积的大型PECVD沉积设备，虽然具有高效率、高产量的优点，但是其自身的特点和生产要求也决定了不允许经常中断生产，花费大量时间来清洗反应室，因为不允许有很长的处理时间，长时间的处理也会影响薄膜光伏器件的最佳表现。任何传统处理办法，包括抽真空、惰性气体的吹扫等，清洗时间都要求比较长，这会影响产量，而且浪费大量气体造成生产成本的上升，器件上已沉积的薄膜长时间处于加热状态易于导致性能下降。

现有技术中，虽然可以采用刻蚀的方法去除反应室表面的附着的磷，但刻蚀工艺极易损伤器件。现有技术中还有利用包括NF₃、水蒸汽、酒精、CO₂的混合气体处理交叉污染，但其主要是针对去除硼的交叉污染，对磷的去除效果并不理想，而且水蒸汽会使反应室内的湿度增加，需要烘干，即浪费时间也影响器件性能，不利于后续的工艺进行。上述方法对于磷残留造成的交叉污染都达不到很好的去除效果，甚至是束手无策。

多腔室反应系统虽然很好地解决了这个问题，将不同层分别在不同的反应室内沉积从而避免交叉污染，但是会造成设备上的投资增加、产出率降低，操作工艺复杂，不利于工艺优化，导致成本上升，这在成本是一个关键因素的太阳能电池制造领域是一个致命的不利因素。

因此，单腔室反应器还是理想的选择，快速、有效的方式去除交叉污染就显得非常必要。如何寻找一种既能结合低成本的单室沉积系统又能抑制交叉污染的工艺方案就成为摆在技术人员面前的重要课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单室反应器中制造半导体器件的方法，在沉积i层之前，先利用含氧气体对反应器内部进行吹扫、再将所述含氧气体排出，通过这两次处理，能够有效去除n型掺杂剂交叉污染，同时对p型掺杂剂交叉污染也具有去除效果。

为达到上述目的，本发明提供了一种在单室反应器中制造半导体器件的方法，所述半导体器件包括至少一个p-i-n叠层结，所述方法在沉积i层之前执行下列步骤：

a、通入含氧气体对所述反应器内的残留物进行反应吹扫；

b、将含氧残留物排出。

可选的，所述含氧气体包括纯氧、氧化氮、干燥空气中的一种或几种的组合。

可选的，采取直接抽真空的方式将含氧残留物排出。

可选的，所述步骤a在p层沉积结束之后进行。

可选的，所述步骤a在前一结的n层沉积结束之后，或在前一结的n层和后一结的p层沉积结束之后进行。

可选的，所述步骤a的执行时间包括1～10分钟的范围。

本发明提供了另一种在单室反应器中制造半导体器件的方法，所述半导体器件包括至少一个p-i-n叠层结，所述方法在沉积i层之前执行下列步骤：

a、通入含氧气体对所述反应器内的残留物进行反应吹扫；

b、通入易与所述含氧气体反应的气体和/或惰性气体，将含氧残留物排出。

可选的，所述易与含氧气体反应的气体包括硅烷、双硅烷或氯化硅，或它们中的一种或几种与氢气的混和气体。

可选的，所述步骤a的执行时间包括1～10分钟的范围。

可选的，所述步骤a在p层沉积结束之后进行。

可选的，所述惰性气体包括氩气、氦气。

可选的，所述步骤b的执行时间包括3～15分钟的范围。

可选的，所述n层的掺杂剂包括磷(P)、砷(As)或锑(Sb)。

附图说明

通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。在附图中，为清楚起见，放大了层的厚度。

图1为硅基薄膜太阳能电池的典型结构示意图；

图2为说明本发明方法的单室反应器示意图。

所述示图是说明性的，而非限制性的，在此不能过度限制本发明的保护范围。

具体实施方式

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。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

在单腔室反应器中，如果一个半导体器件在沉积完一层有掺杂剂掺杂的掺杂层之后，还要在此掺杂层上沉积一层另外一种类型的膜层的话，会存在第一层所用掺杂剂对第二层的交叉污染问题。本发明的中心思想是针对这一问题提出一种防止掺杂剂、特别是n型掺杂剂残留物对后续沉积i层造成交叉污染的有效吹扫方法。本发明的主要针对多结p-i-n硅基薄膜太阳能电池，但也不排除单结p-i-n硅基薄膜太阳能电池或其它半导体器件，只要是在单室反应器中连续制造本征层和掺杂层的场合均适用本发明的方法，达到去除n型掺杂剂残留物对后续沉积层的交叉污染的目的。对p型掺杂剂残留物也具有去除效果。

本发明的方法在单结电池的p层沉积之后，或是在多结电池的前一结的n层沉积之后，或在前一结的n层和后一结的p层沉积之后，总之是在i层沉积之前，利用含氧气体对反应器内进行反应吹扫，使吸附在器壁的污染源物质例如n型掺杂剂(磷、砷或锑)等被氧化成为极易脱离器壁的氧化物气体，而后被这些含氧残留物抽出反应室。或者利用易与含氧气体反应的气体对反应室进行吹扫将含氧残留物气体排出。本发明的方法通过两个处理步骤能够达到很好的去除交叉污染的效果。

图2为说明本发明方法实施例的单室反应器示意图。如图2所示，图中所示设备是适用于本发明方法的一种批量生产硅基薄膜太阳能电池的单腔室反应器，例如专利号为200820008274.5的中国专利中所描述的可对大面积基板、批量沉积的大型PECVD沉积设备。该设备适合大批量生产大面积电池板，其生产效率很高，是目前优选的一种反应设备。本发明的方法优选在该设备环境下应用，但也不排除其它设备。

上述反应设备包括一个经出气管路170连接真空泵组的真空室100，一个内置在真空室100中的具有较热器壁的反应室110，大面积接地电极板120和射频电极板130在反应室110中等距、纵向间隔交替放置。气体通过进气管路150经喷淋板进入反应室110。140是固定在接地电极板和射频电极板表面的镀有透明导电薄膜(TCO)的玻璃基板。在玻璃基板140表面沉积n层时通入的反应气体包括硅烷、氢气和n型掺杂剂源气体，例如磷烷或砷烷，n型掺杂剂源气体还可以是包括含锑的源气体，以下描述以磷烷为例进行说明。

多结硅基薄膜太阳能电池的制造过程中，在沉积前一结n层之后，由于n层的掺杂浓度较高、掺杂剂的用量较大，沉积结束后会有磷残留，附着在反应室和真空室内任何物体表面，不断地、连续持久地向外释放。即使是少量的磷残留也会造成显著的交叉污染。

根据本发明的一个实施例，本发明的方法在单结电池的p层沉积之后，或是在多结电池的前一结的n层沉积之后，或在前一结的n层和后一结的p层沉积之后，总之是在i层沉积之前，首先向反应室内通入含氧气体，对反应室进行反应吹扫。具体来说，含氧气体通过阀门160和管路150与保持在低压状态下的真空室100相连，当阀门160打开时，含氧气体流入反应室110。此时射频电源是关闭的。在这个过程中，反应室110的温度在100-350℃间，典型温度值是200℃，反应室内的压力为1-10000Pa。通入时间持续1～10分钟，典型值是5分钟。含氧气体的流量要比较充足，比如说0.5～3SLM(标准升/分钟)是比较合适的值。在一个实施例中，含氧气体是纯氧气；在另一个实施例中，含氧气体可以是氧化氮；在其它实施例中，含氧气体还可以直接使用干燥空气。在其它实施例中，含氧气体还可以是纯氧、氧化氮、干燥空气中的几种或组合。在上述通入含氧气体的过程中，真空室100优选为维持连续进气排气的状态(吹扫)。通入含氧气体进行反应吹扫操作完成后，为了排除含氧残留物，可采用抽真空的方式将含氧残留物气体抽出反应室。

根据本发明的另一个优选的实施例，在上述通入含氧气体对反应室110内的残留物进行反应吹扫之后，再执行另一个反应式吹扫步骤，通入易与含氧气体反应的气体，所述易与含氧气体反应的气体包括硅烷、双硅烷或氯化硅、或它们中的一种或几种与氢气的混和气体，对反应室110进行吹扫，真空室100优选为维持连续进气排气的状态，将含氧残留物排出。也可以在吹扫的过程中将真空室100密闭，吹扫结束之后将含氧残留物抽走。该吹扫步骤的时间为3～15分钟，典型值是10分钟。利用硅烷、双硅烷、氯化硅，或它们和氢气的混和气体的化学活性，与含氧气体吹扫后的含氧残留物发生化学反应，能够很快且彻底地排除含氧残留物。

在其它实施例中，易与含氧气体反应的气体中还可以加入惰性气体，例如氩气(Ar)、氦气(He)，将剩余的含氧残留物吹扫排出。

在其它实施例中，通入含氧气体对所述反应器内的残留物进行反应吹扫之后，也可以直接利用惰性气体对反应室110进行吹扫，真空室100维持连续进气排气的状态，将含氧残留物排出。

上述本发明的方法能够对n层沉积结束之后反应室内n型掺杂剂的残留实现很好的清洗效果，反应室内磷的残留可以降到很低的水平，极大地降低了磷对后续沉积的i层的交叉污染，而且本发明的方法对于已经沉积在基板上的薄膜没有不良影响。

本发明的方法既可以在多结硅基薄膜太阳能电池的前一结的n层沉积结束后实施，然后沉积后一结的p层和i层(p型掺杂剂例如硼对i层几乎无负面影响)；也可以在前一结的n层和后一结的p层沉积完之后进行，只要是在i层沉积之前，执行通入含氧气体对所述反应器进行吹扫和通入易与氧气反应的气体或惰性气体将氧气排出的步骤，都可以达到很好的防止磷交叉污染的效果。

以上仅是以单结或多结硅基薄膜太阳能电池为例说明本发明的方法，显然，本发明的方法还适用于其它任何需要去除n型残留物(例如磷残留物)的场合。需要说明的是，对于p型残留物的去除，本发明的方法也同样适用。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims

1.一种在单室反应器中制造半导体器件的方法，所述半导体器件包括至少一个p-i-n叠层结，其特征在于：所述方法在沉积i层之前执行下列步骤：

a、通入含氧气体对所述反应器内的残留物进行反应吹扫；

b、将含氧残留物排出。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述含氧气体包括纯氧、氧化氮、干燥空气中的一种或几种的组合。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：采取直接抽真空的方式将含氧残留物排出。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤a在p层沉积结束之后进行。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤a在前一结的n层沉积结束之后，或在前一结的n层和后一结的p层沉积结束之后进行。

6.如权利要求1或4或5所述的方法，其特征在于：所述步骤a的执行时间包括1～10分钟的范围。

7.一种在单室反应器中制造半导体器件的方法，所述半导体器件包括至少一个p-i-n叠层结，其特征在于：所述方法在沉积i层之前执行下列步骤：

a、通入含氧气体对所述反应器内的残留物进行反应吹扫；

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述易与含氧气体反应的气体包括硅烷、双硅烷或氯化硅，或它们中的一种或几种与氢气的混和气体。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述步骤a的执行时间包括1～10分钟的范围。

10.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述步骤a在p层沉积结束之后进行。

11.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述步骤a在前一结的n层沉积结束之后，或在前一结的n层和后一结的p层沉积结束之后进行。

12.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述惰性气体包括氩气、氦气。

13.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述步骤b的执行时间包括3～15分钟的范围。

14.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述n层的掺杂剂包括磷(P)、砷(As)或锑(Sb)。