CN102234838A - 动态控制微晶层中形成的膜的微结构的方法 - Google Patents

动态控制微晶层中形成的膜的微结构的方法 Download PDF

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Abstract

提供了一种用于本征型微晶硅层的方法。在一个实施例中，形成本征型微晶硅层的方法包括动态增加供应到设置在处理室中的基板表面上的气体混合物中的硅烷气体，动态减小施加到供应至处理室的气体混合物中的用于在所述气体混合物中形成等离子体的RF功率，和在基板上形成本征型微晶硅层。

Description

动态控制微晶层中形成的膜的微结构的方法
技术领域
本发明的实施例大体涉及太阳能电池及其形成方法。更特别地，本发明的实施例涉及用于太阳能应用的微晶硅层的形成方法。
背景技术
光伏器件(PV)或太阳能电池是将太阳光转化成直流(DC)电功率的器件。PV或者太阳能电池通常具有一个或多个p-n结(p-njunction)。每个结都包括半导体材料内的两个不同区域，一侧表示为p型区而另一侧表示为n型区。当PV电池的p-n结暴露到太阳光(由光子能量构成)时，太阳光通过PV效应直接转换成电流。PV太阳能电池产生特定量的电功率且电池被平铺成模块，该模块的尺寸可传送所需量的系统功率。藉由连接多个PV太阳能电池可创造PV模块，之后藉由特定框架和连接器将该PV模块接合到面板中。
微晶硅膜(μc-Si)是用于形成PV器件的膜的一种类型。但是，尚未开发出具有制造价值而能够在高沉积速度和高膜质量及低制造成本等条件下提供PV器件的工艺。例如，硅膜的结晶度不足会引起膜的形成和结晶率(crystalline fraction)不足，从而降低PV太阳能电池的转换效率。此外，微晶硅膜(μc-Si)的常规沉积工艺的沉积速度慢，这不利地降低了制造产量并增加了制造成本。
因此，需要一种沉积微晶硅膜的改进方法。
发明内容
本发明的实施例提供了形成太阳能电池的方法。在一个实施例中，形成本征型微晶硅层的方法包括：动态增加供应到设置在处理室中的基板的表面的气体混合物中的硅烷气体，动态减小施加到供应至处理室的气体混合物中的RF功率，该气体混合物在处理室中形成等离子体，以及在存在等离子体的情况下在基板上形成本征型微晶硅层。
在另一实施例中，形成本征型微晶硅层的方法包括：在设置于处理室中的基板上形成本征型籽晶层，在形成籽晶层的同时施加低于400mW/cm2的RF功率以保持自气体混合物形成的等离子体，随后在存在等离子体的情况下在基板上形成本征型微晶硅层，其中藉由动态增加供应到气体混合物中的硅烷气体来形成本征型微晶硅层，以及动态减小施加到供应至处理室的气体混合物中的用于在该气体混合物中形成等离子体的RF功率。
在再一实施例中，形成本征型微晶硅层的方法包括：将第一气体混合物供应到设置在处理室中的基板的表面上，以在该基板上形成本征型籽晶层，其中第一气体混合物包括硅烷气体和氢气，其中在供应第一气体混合物时，该硅烷气体流速增加而氢气流速保持稳定，和供应第二气体混合物到基板表面上，以在该本征型籽晶层上形成本征型微晶硅层，其中在供应第二气体混合物时，硅烷气体流速增加，在形成本征型微晶硅层时，施加到第二气体混合物的RF功率减小。
附图说明
为了获得且能详细理解本发明的上述特征，通过参考附图中示出的本发明实施例，对简要说明如上的本发明进行更具体的描述。
图1是根据本发明一个实施例的串联结薄膜太阳能电池的示意性侧视图，在该太阳能电池内部形成有本征型微晶硅层。
图2是根据本发明一个实施例的单结薄膜太阳能电池的示意性侧视图，在该太阳能电池内部形成有本征型微晶硅层。
图3是根据本发明一个实施例的装置的截面图。
图4是描述根据本发明一个实施例的藉由动态控制沉积期间所使用的工艺参数来沉积本征型微晶硅层的方法的工艺流程图。
图5是根据本发明一个实施例的具有结合到其中的图3装置的系统的平面图。
为了便于理解，只要可能，使用相同参考数字表示图中共用的相同元件。可预期，一个实施例的元件和功能部件可有利地结合到其他实施例中而不需进一步的详述。
但是应注意，附图仅示出了本发明的示意性实施例，且由于本发明可允许其他等效实施例，因此不认为附图限制了本发明的范围。
具体实施方式
本发明描述了一种以高沉积速度和均匀结晶率沉积本征型微晶硅层的方法。在一个实施例中，可藉由动态控制沉积工艺期间所使用的工艺参数沉积本征型微晶硅层，从而动态控制最终的本征型微晶硅层中形成的膜特性和微结构。在一个实施例中，本征型微晶硅层可用于多结太阳能电池或者单结太阳能电池中。
图1是朝向光或者太阳辐射101定向的多结太阳能电池100的实施例的示意图。太阳能电池100包括基板102，诸如玻璃基板、聚合物基板、金属基板、或其他合适的基板，薄膜形成于基板102上方。太阳能电池100还包括形成在基板102上方的第一透明导电氧化物(TCO)层104和形成在第一TCO层104上方的第一p-i-n结126。在一种配置中，在第一p-i-n结126上方形成可选的波长选择反射器(WSR)层112。第二p-i-n结128可形成在第一p-i-n结126上方，第二TCO层122可形成在第二p-i-n结128上方，背金属层124可形成在第二TCO层122上方。为了藉由增强光俘获改善光吸收性，基板和/或形成在基板上方的一个或多个薄膜可选地可以藉由湿法、等离子体、离子和/或机械加工工艺纹理化。例如，在图1示出的实施例中，第一TCO层104被纹理化，使得随后沉积在该第一TCO层上方的薄膜将大体上再现其下方表面的形貌。
第一TCO层104和第二TCO层122可个别包括氧化锡、氧化锌、氧化铟锡、锡酸镉、其组合物或者其他合适的材料。应当理解，TCO层材料也可包括其他的掺杂剂或成分。例如，氧化锌还可以包括诸如铝、镓、硼之类的掺杂剂和其他合适的掺杂剂。氧化锌可包括5原子％或更低的掺杂剂，诸如包括约2.5原子％或更低的铝。在某些情况下，可由玻璃制造商提供已在其上沉积第一TCO层104的基板102。
第一p-i-n结126可包括p型非晶硅层106、形成在p型非晶硅层106上方的本征型非晶硅层108和形成在本征型非晶硅层108上方的n型微晶硅层110。在某些实施例中，可形成厚度在约
Figure BSA00000492957000031
和约
Figure BSA00000492957000032
之间的p型非晶硅层106。在某些实施例中，可形成厚度在约
Figure BSA00000492957000033
和约之间的本征型非晶硅层108。在某些实施例中，可形成厚度在约
Figure BSA00000492957000041
和约之间的n型微晶半导体层110。
设置在第一p-i-n结126和第二p-i-n结128之间的WSR层112通常被配置成具有某些所需的膜特性。在一种配置中，WSR层112有效地用作具有所需折射系数或折射系数范围的中间反射器，以反射自太阳能电池100的光入射侧接收的光。该WSR层112也用作提高第一p-i-n结126中短波长至中波长(例如280nm至800nm)的光的吸收性并改善短路电流的结层，从而实现提高的量子和转换效率。WSR层112对于中波长至长波长(例如500nm至1100nm)的光还具有高的膜透射性，以利于光透射到形成在结128中的层。在一个实施例中，WSR层112可以是微晶硅层，在该WSR层112中设置有n型或p型掺杂剂。在示范性实施例中，WSR层112是n型晶体硅合金，在该WSR层112中设置有n型掺杂剂。设置在WSR层112中的不同掺杂剂也会影响光学和电学特性，诸如带隙、结晶率、导电性、透明度、膜折射系数、消光系数等。在一些情况下，可将一种或多种掺杂剂掺杂到WSR层112的各个区中，以有效控制和调整膜带隙、功函数、导电性、透明度等。在一个实施例中，控制WSR层112以具有约1.4至约3之间的折射系数、至少约2eV的带隙和大于约10-3S/em的导电性。
第二p-i-n结128可包括p型微晶硅层114、形成在p型微晶硅层114上方的本征型微晶硅层118、和形成在本征型微晶硅层118上方的n型非晶硅层120。在一个实施例中，在沉积本征型微晶硅层118的主体层之前，可在p型微晶硅层114上方形成本征微晶硅籽晶层116。在一个实施例中，在于处理室中执行的沉积期间，可透过利用不同工艺参数而在该处理中个别形成籽晶层116和本征型微晶硅层118。下文将参考图3-4进一步描述关于如何沉积籽晶层116和主体本征型微晶硅层118的更多细节。
在一个实施例中，可形成厚度在约和约
Figure BSA00000492957000044
之间的p型微晶硅层114。在某些实施例中，可形成厚度在约
Figure BSA00000492957000045
和约之间的本征微晶硅籽晶层116。在某些实施例中，可形成厚度在约
Figure BSA00000492957000047
和约之间的主体本征型微晶硅层118。在某些实施例中，可形成厚度在约
Figure BSA00000492957000049
和约
Figure BSA000004929570000410
之间的n型非晶硅层120。
背金属层124可包括但不限于选自由Al、Ag、Ti、Cr、Au、Cu、Pt、其合金或其组合物构成的组的材料。可执行诸如激光划线工艺等其他工艺以形成太阳能电池100。其他膜、材料、基板和/或封装可提供在背金属层124上方以完成太阳能电池器件。可互连所形成的太阳能电池以形成模块，随后可连接模块以形成阵列。
太阳幅射101主要被p-i-n结126、128的本征层108、118吸收并转换成电子空穴对。在跨过本征层108、118伸展的p型层106、114和n型层110、120之间产生的电场引起电子流向n型层110、120和空穴流向p型层106、114，从而产生电流。由于非晶硅和微晶硅吸收不同波长的太阳幅射101，因此第一p-i-n结126包括本征型非晶硅层108，第二p-i-n结128包括本征型微晶硅层118。因此，由于可捕获太阳幅射光谱的较大部分，所形成的太阳能电池100效率更高。由于非晶硅具有大于微晶硅的带隙，因此非晶硅的本征层108和微晶的本征层118叠置，以使太阳幅射101首先撞击本征型非晶硅层108并透射过WSR层112，之后撞击本征型微晶硅层118。未被第一p-i-n结126吸收的太阳幅射连续透射过WSR层112并继续传送至第二p-i-n结128。
通常由掺杂的半导体层，诸如掺杂有p型或n型掺杂剂的硅层提供电荷收集。P型掺杂剂通常是III族元素，诸如硼或铝。N型掺杂剂通常是V族元素，诸如磷、砷或锑。在大部分实施例中，硼用作p型掺杂剂，且磷用作n型掺杂剂。藉由在反应混合物中包括含硼或含磷化合物，将这些掺杂剂添加到上述p型和n型层106、110、114、120中。合适的硼和磷化合物通常包括取代的和未取代的低级硼烷和磷化氢的低聚物。一些合适的硼化合物包括三甲基硼(B(CH3)3或TMB)、乙硼烷(B2H6)、三氟化硼(BF3)和三乙基硼(B(C2H5)3或TEB)。磷化氢是常见的磷化合物。掺杂剂一般与诸如氢、氦、氩和其他合适的气体等载气一起提供。如果氢用作载气，则将增加反应混合物中氢的总量。由此氢的比率将包括用作掺杂剂的载气的氢。
通常提供掺杂剂作为惰性气体中的稀释气体混合物。例如，在载气中以约0.5％的摩尔或体积浓度提供掺杂剂。如果在以1.0sccm/L速度流动的载气中以0.5％的体积浓度提供掺杂剂，则最终的掺杂剂流速为0.005sccm/L。根据所需的掺杂程度，可以约0.0002sccm/L和约0.1sccm/L之间的流速将掺杂剂提供到反应室中。通常，掺杂剂浓度保持在约1018原子/cm2和约1020原子/cm2之间。
在一个实施例中，可藉由以约200∶1或更高，诸如1000∶1或更低，例如约250∶1和约800∶1之间，且进一步例如约601∶1或约401∶1的氢对硅烷的比率提供氢气和硅烷气体的气体混合物，来沉积p型微晶硅层114。可以约0.1sccm/L和约0.8sccm/L之间，诸如约0.2sccm/L和约0.38sccm/L之间的流速提供硅烷气体。可以约60sccm/和约500sccm/L之间，诸如约143sccm/L的流速提供氢气。可以约0.0002sccm/L和约0.0016sccm/L之间，诸如约0.00115sccm/L的流速提供TMB。如果在载气中以0.5％摩尔或体积浓度提供TMB，则可以约0.04sccm/L和约0.32sccm/L之间，诸如约0.23sccm/L的流速提供掺杂剂/载气混合物。可施加约50mW/cm2和约700mW/cm2之间，诸如约290mW/cm2和约440mW/cm2之间的RF功率。腔室压力可保持在约1Torr和约100Torr之间，诸如约3Torr和约20Torr之间，例如4Torr和约12Torr之间，诸如约7Torr或约9Torr。这些条件将以约
Figure BSA00000492957000061
或更高，诸如约或更高的速率沉积结晶率在约20％至约80％之间，诸如50％和约70％之间的p型微晶层。
在一个实施例中，在p型微晶硅层114中的诸如碳、锗、氮、氧等第二掺杂剂可提高光电转换效率。涉及到第二掺杂剂如何提高整个太阳能电池性能的细节在2008年9月11日提交的美国专利申请12/208,478中详细公开，该申请名称为“Microcrystalline Silicon Alloys for Thin Film and Wafer Based SolarApplications(用于基于薄膜和晶片的太阳能应用的微晶硅合金)”，在此通过参考将该申请并入本文。
在一个实施例中，可通过提供约20∶1或更低比率的氢气对硅烷气体的气体混合物沉积p型非晶硅层106。可以约1sccm/L和约10sccm/L之间的流速提供硅烷气体。可以约5sccm/L和60sccm/L之间的流速提供氢气。可以约0.005sccm/L和约0.05sccm/L之间的流速提供三甲基硼。如果在载气中以0.5％摩尔或体积浓度提供三甲基硼，则可以约1sccm/L和约10sccm/L之间的流速提供掺杂剂/载气混合物。可施加约15mW/cm2和约200mW/cm2之间的RF功率。腔室压力可保持在约0.1Torr和20Torr之间，诸如约1Torr和约4Torr之间，从而以约
Figure BSA00000492957000063
或更高的速率自气体混合物沉积p型非晶硅层。
在一个实施例中，可藉由提供约100∶1或更高，诸如约500∶1或更低，诸如约150∶1和约400∶1之间，例如约304∶1或约203∶1的氢气对硅烷气体比率(体积)的气体混合物沉积n型微晶硅层110。可以约0.1sccm/L和约0.8sccm/L之间，诸如约0.32sccm/L和约0.45sccm/L之间，例如约0.35sccm/L的流速提供硅烷气体。可以约30sccm/L和约250sccm/L之间，诸如约68sccm/L和约143sccm/L之间，例如约71.43sccm/L的流速提供氢气。可以约0.0005sccm/L和约0.006sccm/L之间，诸如约0.0025sccm/L和约0.015sccm/L之间，例如约0.005sccm/L的流速提供磷化氢。换句话说，如果在载气中以0.5％摩尔或体积浓度提供磷化氢，则可以约0.1sccm/L和约5sccm/L之间，诸如约0.5sccm/L和约3sccm/L之间，例如约0.9sccm/L和约1.088sccm/L之间的流速提供掺杂剂/载气。可施加约100mW/cm2和约900mW/cm2之间，诸如约370mW/cm2的RF功率。腔室压力可保持在约1Torr和约100Torr之间，诸如约3Torr和约20Torr之间，例如4Torr和约12Torr之间，例如约6Torr或约9Torr，从而以约
Figure BSA00000492957000071
或更高，诸如约或更高的速率沉积结晶率在约20％和约80％之间，例如在50％和约70％之间的n型微晶硅层。
在一个实施例中，可藉由提供约20∶1或更低，诸如约5.5∶1或7.8∶1的氢气对硅烷气体比率(体积)的气体混合物沉积n型非晶硅层120。可以约0.1sccm/L和约10sccm/L之间，诸如约1sccm/L和约10sccm/L之间，约0.1sccm/L和5sccm/L之间，或者约0.5sccm/L和约3sccm/L之间，例如约1.42sccm/L或5.5sccm/L的流速提供硅烷气体。可以约1sccm/L和约40sccm/L之间，诸如约4sccm/L和约40sccm/L之间，或约1sccm/L和约10sccm/L之间，例如约6.42sccm/L或27sccm/L的流速提供氢气。可以约0.0005sccm/L和约0.075sccm/L之间，诸如约0.0005sccm/L和约0.0015sccm/L之间，或者约0.015sccm/L和约0.03sccm/L之间，例如约0.0095sccm/L或0.023sccm/L的流速提供磷化氢。如果在载气中以0.5％摩尔或体积浓度提供磷化氢，则可以约0.1sccm/L和约15sccm/L之间，诸如约0.1sccm/L和约3sccm/L之间，约2sccm/L和约15sccm/L之间，或约3sccm/L和约6sccm/L之间，例如约1.9sccm/L或约4.71sccm/L的流速提供掺杂剂/载气混合物。可施加约25mW/cm2和约250mW/cm2之间，诸如约60mW/cm2或约80mW/cm2的RF功率。在约0.1Torr和约20Torr之间，诸如约0.5Torr和约4Torr之间，例如约1.5Torr的腔室压力下，以约
Figure BSA00000492957000073
或更高，诸如约或更高，诸如约
Figure BSA00000492957000075
或约的速率沉积n型非晶硅层。
在一些实施例中，可藉由以高速率，例如以上述配比的上部中的速率供应掺杂剂化合物来重掺杂或者简并掺杂硅层。据信，简并掺杂可藉由提供低阻接触结而改善了电荷收集。也据信，简并掺杂改善了某些层的导电性，诸如非晶层的导电性。
在一个实施例中，可通过提供约20∶1或更低的氢气对硅烷气体比率(体积)的气体混合物沉积本征型非晶硅层108。可以约0.5sccm/L和约7sccm/L之间的流速提供硅烷气体。可以约5sccm/L和60sccm/L之间的流速提供氢气。可以提供15mW/cm2和约250mW/cm2之间的RF功率给喷头。腔室压力可保持在约0.1Torr和20Torr之间，诸如约0.5Torr和约5Torr之间。本征型非晶硅层108的沉积速率可为约
Figure BSA00000492957000081
或更高。在示范性实施例中，以约12.5∶1的氢气对硅烷的比率沉积本征型非晶硅层108。
下文将参考图4-5进一步描述涉及到本征型微晶硅籽晶层116和本征型微晶硅层118的沉积的进一步细节。
图2是具有本征型微晶硅籽晶层116和本征型微晶硅层118的单结太阳能电池200的实施例的示意图。太阳能电池200包括基板102，形成在基板102上方的第一透明导电氧化物(TCO)层104，形成在第一TCO层104上方的单个p-i-n结206。第二TCO层122形成在单个p-i-n结206上方，背金属层124形成在第二TCO层122上方。在一个实施例中，单个p-i-n结206包括p型硅层202，本征型微晶硅籽晶层116和本征型微晶硅层118，以及形成在本征型微晶硅层118上方的n型硅层208。p型硅层202和n型硅层208可是用于形成p-i-n结206的任意类型的硅层，包括非晶硅，微晶硅，多晶硅等。下文将参考图3-4进一步讨论涉及到如何形成本征型微晶硅籽晶层116和本征型微晶硅层118的详细描述。
图3是等离子体增强化学气相沉积(PECVD)室300的一个实施例的示意性截面图，可在腔室300中沉积图1和2中所述的本征型微晶硅籽晶层116和本征型微晶硅层118。一个合适的等离子体增强化学气相沉积室可从位于加州圣克拉拉市的应用材料公司获得。可预期其他的沉积室可用于实施本发明，包括从其他制造商获得的那些沉积室。
PECVD室300通常包括壁302，底部304和喷头310，以及基板支架330，从而限定处理空间306。通过阀门308进出处理空间，以使基板可传送进和出PECVD室300。该基板支架330包括用于支撑基板的基板接收表面332和耦合到升降系统306以升高和降低基板支架330的枢轴(stem)334。遮挡环333可选地设置在基板102周边上方。举升销338穿过基板支架330可移动地设置，且可被致动以使基板与基板接收表面332分开，从而便于机械臂式传送。基板支架330还可包括加热和/或冷却元件339，以保持基板支架330处于所需温度。基板支架330还可包括RF导电带331，以在基板支架330的周边提供RF返回路径。
藉由悬架314在背板312周边将喷头310耦合到背板312。喷头310也可藉由一个或多个中心支架316耦合到背板，从而有助于防止下垂和/或控制喷头310的直度/曲度。气体源320耦合到背板312以经由背板312和经由喷头310提供气体至基板接收表面332。真空泵309耦合到PECVD室300以控制处理空间306处于所需压力下。RF功率源322耦合到背板312和/或喷头310，以将RF功率提供到喷头310。RF功率在喷头和基板支架330之间产生电场，从而自喷头310和基板支架330之间的气体产生等离子体。可使用各种RF频率，诸如约0.3MHz和约200MHz之间的频率。在一个实施例中，提供频率为13.56MHz的RF功率源。
也可将诸如感应耦合远程等离子体源的远程等离子体源324耦合到气体源和背板之间。在处理基板之间，可将清洗气体提供到产生远程等离子体的远程等离子体源324，提供该清洗气体以清洗处理空间306中的腔室部件。可藉由提供到喷头的RF功率源322进一步激发清洗气体。合适的清洗气体包括但不限于NF3，F2和SF6。
诸如图1-2的微晶硅层116、118的本征型微晶硅层的沉积方法可包括在图3的沉积室或者其他合适腔室中的以下沉积参数。将具有10,000cm2或更大，例如40,000cm2或更大，诸如55,000cm2或更大表面积的基板提供到腔室。可理解，在处理之后可切割基板以形成较小的太阳能电池。
在一个实施例中，可设置加热和/或冷却元件339以在沉积期间提供约400℃或更低，诸如约100℃和约400℃之间，例如约150℃和约300℃之间，诸如约200℃的基板支架温度。在沉积期间，设置于基板接收表面332上的基板的顶面和喷头310之间的间隔可在400密耳和约1200密耳之间，诸如400密耳和约800密耳之间。
图4描述了沉积诸如本征型微晶硅籽晶层116和本征型微晶硅层118等本征型微晶硅层的方法400的流程图。可在诸如图3中描述的PECVD室300的等离子体室中执行该方法400。应注意，方法400可在任意合适的等离子体室中执行，包括来自其他制造商的那些等离子体室。
方法400始于步骤402，提供诸如图1-2中描述的基板102之类的基板至处理室中。如图2的实施例中描述的，基板102可具有第一TCO层104和沉积于第一TCO层104上的p型硅层202。P型硅层可是非晶硅层，微晶硅层，多晶硅层或任意其他合适的含硅层。或者，如图1的实施例中描述的，基板102可具有第一TCO层104，第一p-i-n结126，任选的WSR层112，和p型微晶硅层114。应注意，基板102可具有之前形成于其上的膜、结构或层的不同组合，以便于在基板102上形成本征型微晶硅层，从而形成太阳能电池。在一个实施例中，基板102可为玻璃基板、塑料基板、聚合物基板或适合在其上形成太阳能电池的其他透明基板中的任一种。
在步骤404中，将气体混合物供应到处理室中以顺序沉积本征型微晶硅籽晶层116和主体本征型微晶硅层118。在沉积期间，可动态控制用于在气体混合物中点燃和形成等离子体的工艺参数，以便于沉积具有所需膜特性和膜微结构的籽晶层116和主体本征型微晶硅层118。在一个实施例中，气体混合物可包括硅系气体和氢系气体。合适的硅系气体包括但不限于硅烷(SiH4)、二硅烷(Si2H6)、四氟化硅(SiF4)、四氯化硅(SiCl4)、二氯硅烷(SiH2Cl2)及其组合。合适的氢系气体包括但不限于氢气(H2)。在一个实施例中，本文描述的硅系气体是硅烷(SiH4)，且本文描述的氢系气体是氢气(H2)。
在一个实施例中，在沉积工艺期间，供应到气体混合物中的诸如硅烷气体的硅系气体可从第一预设点逐渐增加到第二预设点。应注意，本文使用的术语“增加(ramp up)”意思是在预定时间周期内以所需的增加速度将工艺参数从第一设定点逐渐增加至第二设定点。本文使用的术语“增加(ramp up)”不是通过节流阀的打开和关闭动作导致的突然变化。
据信，气体混合物中硅烷气流的逐渐增加有助于硅原子均匀附着和分布在基板表面上，从而形成具有所需膜特性和低缺陷密度的籽晶层116和本征型微晶硅层118。形成在基板表面上的具有低缺陷密度的硅原子的均匀附着为随后的原子在其上成核提供了良好的成核位置，从而提高随后形成于其上的膜的结晶度。
在需要以低速率形成籽晶层116以保持籽晶层116具有低缺陷密度的实施例中，可使用从低到高的硅烷气体流速增加。或者，供应到气体混合物中的硅烷气流可根据需要保持稳定并且直到主体沉积工艺时才增加硅烷气流。在一个实施例中，可将在步骤404中供应之用于形成籽晶层116的硅烷气流控制在约0.01sccm/L和约0.1sccm/L之间，例如约0.03sccm/L(约3000sccm)，处理约30秒和约3000秒之间，诸如约60秒和约1800秒之间。将在步骤404中供应之用于形成籽晶层116的氢气流控制在约100000sccm和约500000sccm之间，例如约200000sccm。
在另一实施例中，可以预定的气体流速比将硅烷气体和氢气供应到处理室中。氢对硅烷气体的预定气体流速比有助于形成具有所需结晶率和晶粒结构的微晶硅籽晶层116。在一个实施例中，将气体混合物中氢对硅烷气流的比率(例如气流体积比)控制在约30和约300之间，或约20和约250之间，诸如约200。在一个特定实施例中，可以稳定速率提供供应到气体混合物中的氢气，同时逐渐增加硅烷气流直到达到硅烷气体对氢气的所需比率为止。据信，由于在气体混合物中相对纯的氢等离子体环境和/或高的氢稀释度，在沉积的初始阶段中低硅烷流速有助于形成膜结晶和成核位置。因此，可在硅烷气体之前将氢气供应到处理室中，以便产生所需的高氢稀释度的等离子体环境。或者，与硅烷气流增加的方式相似，可以相对较高的流速开始提供氢气流且之后逐渐减少，直到达到氢对硅烷气流的所需比率。
在籽晶层116已经达到所需厚度之后，可以改变氢气对硅烷气体的比率以沉积主体本征型微晶硅层118。当形成主体本征型微晶硅层118时，可逐渐增加提供到气体混合物中的硅烷气体直到达到所需的气体流速。由于结晶率会随着主体本征型微晶硅层118的厚度增加而增加，因此在沉积期间动态调整流速比可有效调节主体本征型微晶硅层118中形成的结晶率，使形成的结晶率保持于所需范围内。据信，供应到气体混合物中的高硅烷流速会减小主体本征型微晶硅层118中形成的结晶率。因此，可以藉由逐渐增加供应到气体混合物中的硅烷气流的流速，用膜厚度的增加补偿主体本征型微晶硅层118中形成的结晶率，从而使主体本征型微晶硅层118中形成的结晶率保持恒定。在一个实施例中，硅烷气体在沉积工艺期间可逐渐增加。例如，在约500秒和约2500秒之间的周期期间，硅烷气体可从0.03sccm/L增加至约0.035sccm/L。在另一个实施例中，在处理室中以预定的对氢气的流速比逐渐增加硅烷气体。例如，供应到气体混合物中的硅烷气体流速对氢气流速的比率在约1∶50至约1∶200，诸如约1∶70至约1∶80的范围内增加。
动态控制用于沉积主体本征型微晶硅层118的硅烷气流的逐渐增加，以使在沉积工艺的不同阶段供应的气流不同。与使用阶梯式工艺参数调整的常规做法不同，在沉积工艺期间供应的气流仅在由用户预定的各个时间段中变化，从而逐步地形成具有不同膜特性的多层以构成整个体膜。与之相比，藉由使用本发明，气流可动态、恒定地变化和调整以使最终的主体本征型微晶硅层118具有平滑过渡的不同膜特性。在一个实施例中，所供应的气流可动态控制为线性增加或以其他变化轮廓增加，诸如抛物线、反抛物线、曲线或任何其他合适的变化轮廓，直到形成最终的主体本征型微晶硅层118为止。在一个实施例中，可线性供应且动态控制供应以沉积主体本征型微晶硅层118的气流。
在一个实施例中，根据需要也可将诸如He和Ar等惰性气体或者载气供应到处理室中。而且，如果需要在最终的本征型微晶硅层中形成一种或多种掺杂，则提供含有诸如CO2、O2、N2O、NO2、CH4、CO、H2、Ge等一种或多种掺杂剂气体的前驱体、N2等，以根据需要形成硅合金微晶硅层。
在一个实施例中，在沉积籽晶层116和主体本征型微晶硅层118之前，可在基板上执行任选的氢气处理工艺。可执行氢处理工艺处理下方层从而抑制表面污染。而且，由于在处理工艺期间可移除或消除表面缺陷，因此等离子体处理工艺也可改善界面处的电特性。当执行氢处理工艺时，以低RF功率供应氢气到处理室中。将RF功率控制在低位准以避免等离子体损伤下方层，同时保持从基板表面移除污染的良好的等离子体处理效果。用于供应氢气或氩气的气流在约0.1sccm/L和约5sccm/L之间，例如约0.5sccm/L和约2sccm/L之间。可将供应以实施处理工艺的RF功率控制为小于约150mW/cm2，诸如在约40mW/cm2和约80mW/cm2之间。在氢处理工艺完成之后，如上所述，可将步骤404中描述的气体混合物中的硅烷气体供应到处理室中，且RF功率逐渐增加以沉积籽晶层116和本征微晶硅体层118。
在步骤406中，在步骤404中供应气体混合物到工艺室中的同时，动态调整多个工艺参数。当在步骤404中供应气体混合物到工艺室时，以能够按照所需方式等离子体离子化气体混合物的方式控制所施加的用于点燃气体混合物中的等离子体的RF功率。在一个实施例中，将施加到处理室的RF功率控制为低于400mW/cm2以沉积籽晶层116。在沉积的初始阶段提供过高的RF功率会导致高离子轰击，这可能会损伤下方层，在基板表面上和腔室硬件部件上产生电弧，和引起气体混合物中形成的离子的不均匀或过度激发状态，这可能导致基板表面上原子的不均匀分布。为了防止这样情况的发生，当形成籽晶层116时，将RF功率控制在低于30千瓦的位准，以防止离子在过度激发或者不稳定状态下解离。在一个实施例中，根据需要将沉积籽晶层116期间供应的RF功率保持稳定或者动态控制(即增加或减小)。
在基板上形成籽晶层116之后，在预定时间周期内将供应到处理室中的用于形成主体本征型微晶硅层118的RF功率控制为从第一设定点到第二设定点。在一个实施例中，所供应的用于形成主体本征型微晶硅层118的RF功率被配置成逐渐减小。据信，在沉积期间施加到处理室的低RF功率将减小最终的主体本征型微晶硅层118中形成的结晶率。因此，为了在膜厚度增加时保持恒定的膜结晶度，执行RF功率的逐渐减小以补偿由于膜厚度而增加的结晶率。在一个实施例中，在约1000秒和约1800秒之间的周期内，RF功率从50000瓦减小至约45000瓦。如果用功率密度表示功率单位，则在约1000秒和约1800秒之间的时间周期内，可控制RF功率密度在约800mW/cm2和约700mW/cm2之间。可使用VHF功率以提供10MHz和约200MHz，诸如约13.56MHz或约40MHz的频率，以提供足够的RF功率在气体混合物中解离离子，由此获得高沉积速度。
与控制步骤404中供应的气体混合物相似，可动态控制所施加的RF功率，从而以能够形成具有所需膜结晶率的主体本征型微晶硅层118的所需方式保持气体混合物中形成的等离子体。可以任意变化轮廓，诸如线性、抛物线、反抛物线、曲线或任何其他合适变化轮廓控制RF功率，直到形成最终的主体本征型微晶硅层118为止。在一个实施例中，施加的用以沉积主体本征型微晶硅层118的RF功率可线性减小且可被动态控制。
在步骤406中执行的工艺期间，可在沉积工艺期间动态控制多个工艺参数。在一个实施例中，在整个沉积工艺过程中可动态调整沉积工艺期间保持的工艺压力。在一个实施例中，当主体本征型微晶硅层118生长时，工艺压力可逐渐增加以减小最终的主体本征型微晶硅层118中形成的结晶率。与步骤404中执行的气体混合物的控制方式相似，在预定时间周期内，工艺压力可从第一设定点增加至第二设定点。据信，沉积工艺期间的低工艺压力有助于在膜中形成结晶结构，从而增加最终的主体本征型微晶硅层118中的结晶率。因此，在本征型微晶硅层沉积工艺期间控制的工艺压力可逐渐增加，以便减小主体本征型微晶硅层118中形成的结晶率。在一个实施例中，在约1000秒至约1800秒的时间周期内，工艺压力可从12Torr增加至约15Torr。
可根据需要动态控制基板与气体分散板组件的间隔。在一个实施例中，基板间隔可逐渐增加，以便减小主体本征型微晶硅层118中形成的结晶率。例如，在约1000秒至约1800秒之间的时间周期内，基板间隔从600密耳增加至约750密耳。应注意如上所述的工艺参数，包括工艺压力，RF功率，间隔，气体流速等全部都可动态控制，以便随着膜厚度生长保持膜结晶率处于所需范围内。可动态控制——即增加或减小基板温度至约50摄氏度和约300摄氏度之间，诸如约100摄氏度和约250摄氏度之间，例如约200摄氏度。
藉由在沉积工艺期间有效且动态地控制气体混合物的流速、RF功率和保持的工艺压力，可获得遍及主体本征型微晶硅层118的所需的膜特性，诸如均匀的结晶率。藉由在沉积工艺期间动态增加硅烷气流和动态减小RF功率，可在主体本征型微晶硅层118中获得均匀的膜结晶率。在一个实施例中，最终的本征型微晶硅层可具有大于40％，诸如约45％和约55％之间或更高的结晶率。随着膜结晶率和膜结晶均匀性提高，光电转换效率可提高约50％至约150％，导致PV太阳能电池的器件性能明显增加。
图5是工艺系统600的一个实施例的顶部示意图，该工艺系统具有多个工艺室531-537，诸如图3的PECVD室300或能沉积硅膜的其他合适腔室的。工艺系统500包括耦合到负载锁定室510和工艺室531-537的传送室520。负载锁定室510允许在系统外部的周围环境与传送室520和工艺室531-537内部的真空环境之间传送基板。负载锁定室510包括固持一个或多个基板的一个或多个可排空区域。对该可排空区域抽气以利于将基板插入到系统500中，使该可排空区域通气以利于从系统500移除基板。传送室520具有设置在其中的至少一个真空机械臂522，真空机械臂522适合于在负载锁定室510和工艺室531-537之间传送基板。虽然图5中示出了七个工艺室，但是由于该系统可具有任何合适数目的工艺室，因此此种配置无意限定本发明的范围。
在本发明的某些实施例中，系统500经配置以沉积诸如图1中所示的多结太阳能电池中的第一p-i-n结126。在一个实施例中，工艺室531-537中的一个经配置以沉积第一p-i-n结的p型层，而剩余的工艺室531-537个别经配置以沉积本征型层和n型层。第一p-i-n结的本征型层和n型层可在相同腔室中沉积，而不需在沉积步骤之间执行任何钝化工艺。由此，在一个实施例中，基板经由负载锁定室510进入到该系统，之后该基板由真空机械臂传送到经配置以沉积p型层的指定工艺室。接下来，在形成p型层之后，基板由真空机械臂传送到经配置以沉积本征型层和n型层的剩余工艺室中的一个中。在形成本征型层和n型层之后，基板由真空机械臂522传送回负载锁定室510。在某些实施例中，在工艺室中处理基板以形成p型层的时间比在单个腔室中形成本征型层和n型层的时间快大约4倍或4倍以上，诸如快6倍或6倍以上。因此，在该系统的某些实施例中，p-腔室和i/n-腔室的比率为1∶4或更高，诸如1∶6或更高。包括提供工艺室的等离子体清洗的时间的系统产量约为10个基板/小时或更高，例如20个基板/小时或更高。
在本发明的某些实施例中，系统500可经配置以沉积诸如图1中所示出的多结太阳能电池中的第二p-i-n结128。在一个实施例中，工艺室531-537中的一个经配置以沉积第二p-i-n结的p型层，而剩余工艺室531-537个别经配置以沉积本征型层和n型层。第二p-i-n结的本征型层和n型层可在相同腔室中沉积，而不需在沉积步骤之间执行任何钝化工艺。在某些实施例中，在工艺室内处理基板以形成p型层的时间比在单个腔室中形成本征型层和n型层的时间快大约4倍或4倍以上。因此，在用于沉积第二p-i-n结的该系统的某些实施例中，p-腔室和i/n-腔室的比率为1∶4或更高，诸如1∶6或更高。包括提供工艺室的等离子体清洗的时间的系统的基板产量可为约3个基板/小时或更高，诸如5个基板/小时或更高。
在本发明的某些实施例中，系统500可经配置以沉积如图1中所示的WSR层112，WSR层112可被设置在第一和第二p-i-n结之间或者第二p-i-n结和第二TCO层之间。在一个实施例中，工艺室531-537中的一个经配置以沉积一个或多个WSR层，工艺室531-537中的另一个经配置以沉积第二p-i-n结的p型层，而剩余工艺室531-537个别经配置以沉积本征型层和n型层。经配置以沉积WSR层的腔室数量与经配置以沉积p型层的腔室数量相似。此外，可在经配置以沉积本征型层和n型层的相同腔室中沉积WSR层。
在某些实施例中，由于本征型微晶硅层和本征型非晶硅层之间的厚度差，被配置成用于沉积包括本征型非晶硅层的第一p-i-n结的系统500的产量是用于沉积包括本征型微晶硅层的第二p-i-n结的系统500的产量的两倍。因此，适于沉积包括本征型非晶硅层的第一p-i-n结的单个系统500可与适于沉积包括本征型微晶硅层的第二p-i-n结的两个或两个以上系统500匹配。因此，WSR层沉积工艺可经配置以在适合于沉积第一p-i-n结的系统中执行，以便进行有效的产量控制。一旦在一个系统中形成第一p-i-n结，可将基板暴露到周围环境(即，破坏真空)并传送到形成第二p-i-n的第二系统。在沉积第一p-i-n结和第二p-i-n结的第一系统之间的湿法或干法清洗基板可能是必须的。在一个实施例中，WSR层沉积工艺可在分立系统中执行。
由此，提供了在太阳能电池器件中形成具有均匀结晶率的本征型微晶硅层的方法。该方法利用沉积工艺期间所使用的工艺参数的动态控制。该方法有利地生产具有高结晶率、结晶均匀性和光电转换效率以及PV太阳能电池的器件性能的本征型微晶硅层。
虽然前述内容涉及本发明的实施例，但是可设计本发明的其他和进一步的实施例而不会脱离其基本范围，且本发明的范围由以下权利要求确定。

Claims (20)

1.一种形成本征型微晶硅层的方法，包括：
动态增加供应到设置在处理室中的基板表面的气体混合物中的硅烷气体；
动态减小施加到供应至处理室的气体混合物的RF功率，所述气体混合物在所述处理室中形成等离子体；和
在存在所述等离子体的情况下，在基板上形成本征型微晶硅层。
2.如权利要求1所述的方法，其中供应到所述气体混合物中的所述硅烷气体是线性增加的。
3.如权利要求1所述的方法，其中施加到所述气体混合物中的所述RF功率是线性减小的。
4.如权利要求1所述的方法，还包括：
在形成所述本征型微晶硅层之前形成籽晶层。
5.如权利要求4所述的方法，还包括：
在于所述基板表面上形成所述籽晶层之前执行氢处理工艺。
6.如权利要求4所述的方法，其中执行所述氢处理工艺还包括：
在所述氢处理工艺中施加低于150mW/cm2的RF功率。
7.如权利要求1所述的方法，还包括：
动态增加设置在所述处理室中的所述气体混合物的工艺压力。
8.如权利要求7所述的方法，其中动态增加所述工艺压力还包括：
将所述工艺压力从约12Torr增加至约15Torr。
9.如权利要求1所述的方法，其中动态增加供应到所述气体混合物中的所述硅烷气体还包括：
将供应到所述气体混合物中的所述硅烷气体和氢气的流速比从约1∶70增加至约1∶80。
10.如权利要求1所述的方法，其中动态减小施加到所述气体混合物的所述RF功率还包括：
将所述RF功率从800mW/cm2减小至约700mW/cm2。
11.如权利要求1所述的方法，还包括：
将基板间隔从约600密耳动态增加至约700密耳。
12.如权利要求4所述的方法，其中形成所述籽晶层还包括：
增加供应到所述气体混合物中的硅烷气体流速；和
增加所述硅烷气体流速的同时，保持供应到气体混合物中的稳定氢气流速。
13.如权利要求5所述的方法，其中形成所述籽晶层还包括：
在形成所述籽晶层时施加低于400mW/cm2的RF功率。
14.如权利要求1所述的方法，还包括：
供应所述气体混合物至所述处理室长达约1000秒和约1800秒之间的时间。
15.一种形成本征型微晶硅层的方法，包括：
在设置于处理室中的基板上形成本征型籽晶层；
在形成所述籽晶层时施加低于400mW/cm2的RF功率以保持自气体混合物形成的等离子体；
随后在存在所述等离子体的情况下，在基板上形成本征型微晶硅层，其中所述本征型微晶硅层是藉由动态增加供应到气体混合物中的硅烷气体而形成的；和
动态减小施加到供应至处理室的气体混合物中的用于在所述气体混合物中形成等离子体的RF功率。
16.如权利要求15所述的方法，其中动态增加供应到所述气体混合物中的所述硅烷气体的步骤还包括：
将供应到所述气体混合物中的所述硅烷气体对氢气的流速比从约1∶70增加至约1∶80。
17.如权利要求15所述的方法，其中动态减小所述RF功率的步骤还包括：
将所述RF功率从800mW/cm2减小至约700mW/cm2。
18.如权利要求15所述的方法，其中动态增加供应到所述气体混合物中的所述硅烷气体的步骤还包括：
将工艺压力从约12Torr增加至约15Torr。
19.如权利要求15所述的方法，还包括：
在于所述基板表面上形成所述本征型籽晶层之前执行氢处理工艺。
20.一种形成本征型微晶硅层的方法，包括：
将第一气体混合物供应到设置于处理室中的基板的表面上，以在所述基板上形成本征型籽晶层，其中第一气体混合物包括硅烷气体和氢气，当供应所述第一气体混合物时，所述硅烷气体流速增加而所述氢气流速保持稳定；和
将第二气体混合物供应到所述基板表面上，以在所述本征型籽晶层上形成本征型微晶硅层，其中当供应所述第二气体混合物时，所述硅烷气体流速增加，并且当形成所述本征型微晶硅层时，施加到所述第二气体混合物的RF功率减小。
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