CN102396079A - 用于形成太阳能应用的微晶硅层的脉冲等离子体沉积 - Google Patents

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Abstract

提供用于本征型微晶硅层的方法。一实施例中，藉由下列步骤制造微晶硅层：提供基板进入处理腔室，供应气体混合物进入处理腔室，在气体混合物中以第一模式施加RF功率，脉冲气体混合物进入处理腔室，并在经脉冲的气体混合物中以第二模式施加RF功率。

Description

用于形成太阳能应用的微晶硅层的脉冲等离子体沉积
发明背景
发明所属的技术领域
本发明的实施例大致是关于太阳能电池与形成太阳能电池的方法。更明确地，本发明的实施例是关于形成用于太阳能应用中的微晶硅层的方法。
相关技术的描述
光伏元件(PV)或太阳能电池是将太阳光转变成直流(DC)电功率的装置。PV或太阳能电池通常具有一或多个p-n结。各个结包括半导体材料中的两个不同区域，其中一侧代表p-型区而另一侧则为n-型区。当PV电池的p-n结暴露于太阳光(由光子能量所构成)时，太阳光经由PV效应直接转换成电力。PV太阳能电池产生特定量的电功率并可将电池铺成大小足以输送所需系统功率数量的模组。藉由连接多个PV太阳能电池并接着与特定框架与连结器结合成面板来产生PV模组。
微晶硅薄膜(μc-Si)是一种用来形成PV装置的薄膜类型。然而，尚未发展出能够以高沉积速率与高薄膜品质以及低制造成本提供PV装置的具生产效应的处理工艺。举例而言，硅薄膜结晶性的不足会造成薄膜形成不完全与断裂，因此降低PV太阳能电池的转换效率。此外，传统的微晶硅薄膜(μc-Si)沉积处理工艺的缓慢沉积速率会不利地降低制造产量且增加制造成本。
因此，需要一种沉积微晶硅薄膜的改善方法。
发明内容
本发明的实施例提供形成太阳能电池的方法。一实施例中，形成本征型微晶硅层的方法包括提供基板进入处理腔室、供应气体混合物进入处理腔室、在气体混合物中以第一模式施加RF功率、脉冲气体混合物进入处理腔室、并在经脉冲的气体混合物中以第二模式施加RF功率。
另一实施例中，形成本征型微晶硅层的方法包括提供基板进入处理腔室、供应气体混合物进入处理腔室、施加RF功率进入气体混合物、沉积硅籽晶层(seed silicon layer)于基板表面上、接着同步地脉冲气体混合物与供应至气体混合物的RF功率、并沉积硅主体层(bulk silicon layer)于硅籽晶层上。
又另一实施例中，光电元件包括p-型含硅层、配置于p-型含硅层上的本征型微晶硅层、及配置于本征型微晶硅层上的n-型含硅层，其中本征型微晶硅层是由包括下列步骤的处理过程所形成：供应气体混合物进入处理腔室，该处理腔室具有向其施加的第一RF功率模式；沉积本征型微晶硅籽晶层；脉冲处理腔室中的气体混合物，该处理腔室具有向其施加的第二RF功率模式；并沉积本征型微晶硅主体层于本征型微晶硅籽晶层上。
附图简单说明
为了更详细地获得和了解本发明的上述特征，可参照描绘于附图中的实施例来理解本发明简短概述于上的特定描述。
图1是根据本发明一实施例具有本征型微晶硅层形成于太阳能电池中的串接结(tandem junction)薄膜太阳能电池的示意性侧视图；
图2是根据本发明一实施例具有本征型微晶硅层形成于太阳能电池中的单结(single junction)薄膜太阳能电池的示意性侧视图；
图3是根据本发明一实施例的设备的剖面图；
图4是根据本发明一实施例描述在沉积过程中藉由不同RF功率沉积本征型微晶硅层的方法的处理流程图；
图5是根据本发明一实施例描述在本征型微晶硅层沉积过程中所供应的气体流率与RF功率的图示；及
图6是根据本发明一实施例具有图3的设备嵌入其中的系统的平面图。
为了促进理解，尽可能应用相同的元件符号来标示图示中相同的元件。预期一实施例揭露的元件与/或处理步骤可有利地用于其他实施例而不需特别详述。
然而，需注意附图仅描绘本发明的典型实施例，并因此不被视为限制本发明的范围，因为本发明可允许其他等效实施例。
具体实施方式
本发明描述一种以高沉积速率、高且均匀结晶率、及低制造成本来沉积本征型微晶硅层的方法。一实施例中，可藉由具有第一沉积模式与第二沉积模式的等离子体处理以分别形成本征型微晶硅籽晶层与本征型微晶硅主体层，从而沉积本征型微晶硅层。一实施例中，本征型微晶硅层可用于多结(multi-junction)太阳能电池或单结太阳能电池中。
图1是面向光线或太阳辐射的多结太阳能电池100的实施例的示意图。太阳能电池100包括具有薄膜形成于其上的基板102，诸如玻璃基板、聚合物基板、金属基板或其他适当基板。太阳能电池100还包括形成于基板102上的第一透明导电氧化物(TCO)层104与形成于第一TCO层104上的第一p-i-n结126。在一种构形中，任选的波长选择反射体(WSR)层112形成于第一p-i-n结126上。第二p-i-n结128可形成于第一p-i-n结126上，第二TCO层122可形成于第二p-i-n结128上，而金属背层124可形成于第二TCO层122上。为了藉由增加光线捕获来改善光线吸收，可任选地藉由湿、等离子体、离子与/或机械处理来织构(texture)基板与/或一或多个形成于其上的薄膜。举例而言，图1所示的实施例中，第一TCO层104经织构以致随后沉积于其上的薄膜通常将再现其下方表面的形态。
第一TCO层104与第二TCO层122可各自包括氧化锡、氧化锌、氧化铟锡、锡酸镉、上述的组合、或其他适当材料。可理解TCO层材料还可包括额外的掺杂物与成份。举例而言，氧化锌可进一步包括掺杂物，诸如铝、镓、硼、及其他适当掺杂物。氧化锌可包括5原子％或更少的掺杂物，例如包括约2.5原子％或更少的铝。某些实例中，可由玻璃制造商提供已经沉积第一TCO层104于其上的基板102。
第一p-i-n结126可包括p-型非晶硅层106、形成于p-型非晶硅层106上的本征型非晶硅层108、及形成于本征型非晶硅层108上的n-型微晶硅层110。某些实施例中，p-型非晶硅层106的厚度可形成于约
Figure BPA00001447171000031
与约之间。某些实施例中，本征型非晶硅层108的厚度可形成于约
Figure BPA00001447171000033
与约
Figure BPA00001447171000034
之间。某些实施例中，n-型微晶半导体层110的厚度可形成于约
Figure BPA00001447171000035
与约之间。
配置于第一p-i-n结126与第二p-i-n结128间的WSR层112通常被设以具有某些所需薄膜特性。在一种构形中，WSR层112主动地作为中间反射体，该中间反射体具有所需的折射率或折射率范围以反射自太阳能电池100的光入射侧接收的光线。WSR层112亦作为结层(junction layer)，该结层增加第一p-i-n结126内短至中等波长光线(例如，280nm至800nm)的吸收并改善短路电流，造成总量与转换效率的改善。WSR层112还具有对中等至长波长光线(例如，500nm至1100nm)的高薄膜透射比以促进光线传送至形成于结128中的层。一实施例中，WSR层112可为具有n-型或p-型掺杂物配置于WSR层112中的微晶硅层。示范性实施例中，WSR层112是具有n-型掺杂物配置于此WSR层112中的n-型结晶硅合金。配置于WSR层112中的不同掺杂物还可影响光学与电学特性，诸如带隙、结晶率、导电率、透明度、薄膜折射率、消光系数等等。某些实例中，可将一或多种掺杂物掺杂于WSR层112的不同区域以有效地控制与调控薄膜带隙、功函数、导电率、透明度等等。一实施例中，将WSR层112控制成具有约1.4与约3之间的折射率、至少约2eV的带隙、及大于约10-3S/cm的导电率。
第二p-i-n结128可包括p-型微晶硅层114、形成于p-型微晶硅层114上的本征型微晶硅层118、及形成于本征型微晶硅层118上的n-型非晶硅层120。一实施例中，在沉积本征型微晶硅层118的主体层之前，可将本征型微晶硅籽晶层116形成于p-型微晶硅层114上。一实施例中，可藉由利用在处理腔室中执行的沉积过程的多个处理步骤于一次处理中形成籽晶层116与本征型微晶硅层118。另选地，可在所需数量的多个腔室中形成籽晶层116与本征型微晶硅主体层118。参照第4-5图进一步于下文中描述更多如何沉积籽晶层116与本征型微晶硅主体层118的细节。
一实施例中，p-型微晶硅层114的厚度可形成于约与约之间。某些实施例中，本征型微晶硅籽晶层116的厚度可形成于约
Figure BPA00001447171000043
与约
Figure BPA00001447171000044
之间。某些实施例中，本征型微晶硅主体层118的厚度可形成于约
Figure BPA00001447171000045
与约
Figure BPA00001447171000046
之间。某些实施例中，n-型非晶硅层120的厚度可形成于约
Figure BPA00001447171000047
与约之间。
金属背层124可包括(但不限于)选自下列所构成的群组的材料：Al、Ag、Ti、Cr、Au、Cu、Pt、上述的合金或上述的组合。可实施其他处理(例如，激光刻划处理)来形成太阳能电池100。可在金属背层124上提供其他薄膜、材料、基板与/或封装以完成太阳能电池装置。可将形成的太阳能电池互相连接以形成模组，而可接着连接模组以形成阵列。
太阳辐射101主要是由p-i-n结126、128的本征层108、118所吸收且被转换成电子-空穴对。横跨本征层108、118的p-型层106、114与n-型层110、120间产生的电场造成电子流向n-型层110、120而空穴流向p-型层106、114进而产生电流。因为非晶硅与微晶硅吸收不同波长的太阳辐射101，所以第一p-i-n结126包括本征型非晶硅层108而第二p-i-n结128包括本征型微晶硅层118。因此，因为所形成的太阳能电池100捕获较大部分的太阳辐射光谱，这是更有效率的。因为非晶硅的带隙大于微晶硅，所以堆叠非晶硅本征层与微晶本征层108、118以致太阳辐射101首先照射本征型非晶硅层108并传送通过WSR层112并接着照射本征型微晶硅层118。第一p-i-n结126未吸收的太阳辐射持续传送通过WSR层112并持续至第二p-i-n结128。
通常藉由掺杂半导体层(例如，掺杂p-型或n-型掺杂物的硅层)提供电荷收集。P-型掺杂物通常为III族元素，诸如硼或铝。N-型掺杂物通常为V族元素，诸如磷、砷或锑。大部分实施例中，硼作为p-型掺杂物而磷作为n-型掺杂物。可藉由在反应混合物中包括含硼或含磷化合物而将这些掺杂物添加至p-型与n-型层106、110、114、120。适当的硼与磷化合物通常包括经取代与未经取代的小型硼烷与磷化氢寡聚物。某些适当的硼化合物包括三甲基硼(B(CH3)3或TMB)、二硼烷(B2H6)、三氟化硼(BF3)与三乙基硼(B(C2H5)3或TEB)。磷化氢是常见的磷化合物。通常以载气(诸如，氢、氦、氩与其他适当气体)提供掺杂物。若将氢作为载气，则反应混合物中的总体氢将会增加。因此，氢比例将包括作为掺杂物的载气的氢。
通常以惰性气体中的稀释气体混合物提供掺杂物。举例而言，通常以载气中约0.5％摩尔或体积浓度提供掺杂物。若在以1.0sccm/L流动的载气中提供0.5％体积浓度的掺杂物，得到的掺杂物流率将是0.005sccm/L。取决于所需的掺杂程度，可以约0.0002sccm/L与约0.1sccm/L间的流率将掺杂物提供至反应腔室。一般而言，掺杂物浓度维持在约1018原子/cm2与约1020原子/cm2之间。
一实施例中，可藉由提供氢气与硅烷气体的气体混合物来沉积p-型微晶硅层114，氢-比-硅烷的比例是约200∶1或更高，例如1000∶1或更少，诸如约250∶1与约800∶1之间，而在进一步实例中是约601∶1或约401∶1。可以约0.1sccm/L与约0.8sccm/L之间(例如，约0.2sccm/L与约0.38sccm/L之间)的流率提供硅烷气体。可以约60sccm/L与约500sccm/L之间(例如，约143sccm/L)的流率提供氢气。可以约0.0002sccm/L与约0.0016sccm/L之间(例如，约0.00115sccm/L)的流率提供TMB。若以载气中0.5％摩尔或体积浓度提供TMB，则可以约0.04sccm/L与约0.32sccm/L之间(例如，约0.23sccm/L)的流率提供掺杂物/载气混合物。可在约50mW/cm2与约700mW/cm2之间(例如，约290mW/cm2与约440mW/cm2之间)施加RF功率。腔室压力可维持于约1托(Torr)与约100托之间，例如约3托与约20托之间，例如4托与约12托之间，例如约7托或约9托。这些条件将在约/分或更高(例如，约
Figure BPA00001447171000062
/分或更高)的速率下沉积出结晶率在约20％与约80％之间(例如，约50％与约70％之间)的p-型微晶层。
一实施例中，p-型微晶硅层114中的第二掺杂物(诸如，碳、锗、氮、氧)可改善光电转换效率。有关第二掺杂物如何改善太阳能电池总体性能的细节是详细揭露于2008年9月11日申请且名称为“Microcrystalline Silicon Alloys forThin Film and Wafer Based Solar Applications”(用于薄膜的微晶硅合金及基于晶片的太阳能应用)的美国专利申请12/208,478中，在此将其并入作为参考。
一实施例中，可藉由以约20∶1或更少的氢气比硅烷气体比例提供气体混合物来沉积p-型非晶硅层106。可以约1sccm/L与约10sccm/L之间的流率提供硅烷气体。可以约5sccm/L与60sccm/之间的流率提供氢气。可以约0.005sccm/L与约0.05sccm/L之间的流率提供三甲基硼。若以载气中0.5％摩尔或体积浓度提供三甲基硼，那么可以约1sccm/L与约10sccm/L之间的流率提供掺杂物/载气混合物。可以在约15mWatts/cm2与约200mWatts/cm2之间施加RF功率。腔室压力可维持在约0.1托与20托之间(例如，约1托与约4托之间)以约
Figure BPA00001447171000063
/分或更高的速率自气体混合物沉积p-型非晶硅层。
一实施例中，可藉由提供氢气与硅烷气体的气体混合物来沉积n-型微晶硅层110，氢气比硅烷气体的比例(体积)是约100∶1或更高，例如约500∶1或更低，例如约150∶1与约400∶1之间，诸如约304∶1或约203∶1。可以约0.1sccm/L与约0.8sccm/L之间(例如，约0.32sccm/L与约0.45sccm/L之间，例如约0.35sccm/L)的流率提供硅烷气体。可以约30sccm/L与约250sccm/L(例如，约68sccm/L与约143sccm/L之间，例如约71.43sccm/L)的流率提供氢气。可以约0.0005sccm/L与约0.006sccm/L(例如，约0.0025sccm/L与约0.015sccm/L，例如约0.005sccm/L)的流率提供磷化氢。换句话说，若以载气中0.5％摩尔或体积浓度提供磷化氢，便可以约0.1sccm/L与约5sccm/L之间(例如，约0.5sccm/L与约3sccm/L之间，例如，约0.9sccm/L与约1.088sccm/L之间)的流率提供掺杂物/载气。可在约100mW/cm2与约900mW/cm2之间(例如，约370mW/cm2)施加RF功率。腔室压力可维持于约1托与约100托之间(例如，约3托与约20托之间，例如，4托与约12托之间，诸如，约6托或约9托)以约
Figure BPA00001447171000064
/分或更高(例如，约
Figure BPA00001447171000065
/分或更高)的速率沉积结晶率在约20％与约80％之间(例如，50％与约70％之间)的n-型微晶硅层。
一实施例中，可藉由提供氢气与硅烷气体的气体混合物来沉积n-型非晶硅层120，氢气比硅烷气体的比例(体积)是约20∶1或更低，诸如约5.5∶1或7.8∶1。可以约0.1sccm/L与约10sccm/L之间(例如，约1sccm/L与约10sccm/L之间、约0.1sccm/L and 5sccm/L之间、或约0.5sccm/L与约3sccm/L之间，诸如约1.42sccm/L或5.5sccm/L)的流率提供硅烷气体。可以约1sccm/L与约40sccm/L之间(例如，约4sccm/L与约40sccm/L之间、或约1sccm/L与约10sccm/L之间，诸如约6.42sccm/L或27sccm/L)的流率提供氢气。可以约0.0005sccm/L与约0.075sccm/L之间(例如，约0.0005sccm/L与约0.0015sccm/L之间、或约0.015sccm/L与约0.03sccm/L之间，诸如约0.0095sccm/L或0.023sccm/L)的流率提供磷化氢。若以载气中0.5％摩尔或体积浓度提供磷化氢，便可以约0.1sccm/L与约15sccm/L之间(例如，约0.1sccm/L与约3sccm/L之间、约2sccm/L与约15sccm/L之间、或约3sccm/L与约6sccm/L之间，诸如约1.9sccm/L或约4.71sccm/L)的流率提供掺杂物/载气混合物。可在约25mW/cm2与约250mW/cm2之间(诸如，约60mW/cm2或约80mW/cm2)施加RF功率。约0.1托与约20托之间(例如，约0.5托与约4托之间，例如约1.5托)的腔室压力将在约
Figure BPA00001447171000071
/分或更高(例如，约
Figure BPA00001447171000072
/分或更高，诸如约/分或约
Figure BPA00001447171000074
/分)的速率下沉积n-型非晶硅层。
某些实施例中，可藉由以高速(例如，上述处理方法的较高数值速率)供应掺杂物化合物来重度掺杂或退化掺杂硅层。一般认为退化掺杂藉由提供低电阻接触结来改善电荷收集。亦认为退化掺杂可改善某些层(例如，非晶层)的导电率。
一实施例中，可藉由提供氢气与硅烷气体的气体混合物来沉积本征型非晶硅层108，氢气比硅烷气体的比例(体积)是约20∶1或更低。可以约0.5sccm/L与约7sccm/L之间的流率提供硅烷气体。可以约5sccm/L and 60sccm/L之间的流率提供氢气。可提供15mW/cm2与约250mW/cm2之间的RF功率至喷头。腔室压力可维持在约0.1托与20托之间，例如约0.5托与约5托之间。本征型非晶硅层108的沉积速率可约为
Figure BPA00001447171000075
/分或更高。示范性实施例中，以约12.5∶1的氢比硅烷比例沉积本征型非晶硅层108。
参照图4与图5进一步于下文描述本征型微晶硅籽晶层116与本征型微晶硅层118的沉积相关细节。
图2是单结太阳能电池200的实施例的示意图，该单节太阳能电池具有本征型微晶硅籽晶层116与本征型微晶硅层118。太阳能电池200包括基板102、形成于基板102上的第一透明导电氧化物(TCO)层104、形成于第一TCO层104上的单p-i-n结206。第二TCO层122形成于单p-i-n结206上，而金属背层124形成于第二TCO层122上。一实施例中，单p-i-n结206包括p-型硅层202、本征型微晶硅籽晶层116、本征型微晶硅层118、及形成于本征型微晶硅层118上的n-型硅层208。p-型硅层202与n-型硅层208可为用于形成p-i-n结206的任何类型的硅层，包括非晶硅、微晶硅、多晶硅等等。将参照图4与图5进一步于下文描述如何形成本征型微晶硅籽晶层116与本征型微晶硅层118的详细细节。
图3是等离子体增强化学气相沉积(PECVD)腔室300的一实施例的示意剖面图，在该腔室300中可沉积如图1与图2的本征型微晶硅籽晶层116与本征型微晶硅层118。一种适当的等离子体增强化学气相沉积腔室可自位于加州圣塔克拉拉的Applied Materials，Inc.取得。可构想到，其他腔室(包括自其他制造商取得)也可用来执行本发明。
腔室300通常包括界定制程空间306的壁302、底部304、喷头310与基板支撑件330。可透过阀308进出制程空间以致可传送基板进入与离开腔室300。基板支撑件330包括用以支撑基板的基板接收表面332以及耦接至举升系统336以提高与降低基板支撑件330的杆334。可任选地将遮蔽环333置于基板102周围上。举升销338配置成可移动地穿过基板支撑件330，并可加以致动以分隔基板与基板接收表面332，从而促进机器人传送。基板支撑件330亦可包括加热与/或冷却元件339以将基板支撑件330维持在所需温度下。基板支撑件330亦可包括RF传导带331以在基板支撑件330周围提供RF回流路径。
喷头310在其周围藉由悬吊件314耦接至背板312。喷头310亦可藉由一或多个中心支撑件316耦接至背板以避免下垂与/或控制喷头310的笔直/弯曲。气源320耦接至背板312以提供气体通过背板312并通过喷头310至基板接收表面332。真空泵309耦接至腔室300以将制程空间306控制在所需压力下。RF功率源322耦接至背板312与/或喷头310以提供RF功率至喷头310。RF功率在喷头与基板支撑件330之间产生电场，以致可自喷头310与基板支撑件330之间的气体产生等离子体。可应用不同的RF频率，例如约0.3MHz与约200MHz之间的频率。一实施例中，以13.56MHz的频率提供RF功率源。
远端等离子体源324(例如，感应耦合远端等离子体源)也可耦接于气源与背板之间。在处理基板之间，可将清洁气体提供至产生远端等离子体的远端等离子体源324，其中远端等离子体被提供用来清洁制程空间306中的腔室部件。可进一步藉由提供至喷头的RF功率源322来激发清洁气体。适当的清洁气体包括(但不限于)NF3、F2与SF6。
本征型微晶硅层(诸如，图1-2中的微晶硅层116、118)的沉积方法可在图3的处理腔室或其他适当腔室中包括下列沉积参数。将表面积为10,000cm2或更高(例如，40,000cm2或更高，例如55,000cm2或更高)的基板提供至腔室。可理解处理后可切割基板以形成较小的太阳能电池。
一实施例中，加热与/或冷却元件339可加以设定以在沉积过程中提供约400℃或更低(例如，约100℃与约400℃之间，例如约150℃与约300℃之间，例如约200℃)的基板支撑件温度。沉积过程中置于基板接收表面332上的基板顶表面与喷头310的间隔可在400密尔与约1,200密尔之间，例如400密尔与约800密尔之间。
图4描绘沉积本征型微晶硅层(诸如，本征型微晶硅籽晶层116与本征型微晶硅层118)的方法400的处理流程。方法400可执行于等离子体腔室(例如，图3中所示的等离子体腔室300)中。值得注意的是方法400可执行于任何适当的等离子体腔室(包括来自其他制造商的那些腔室)中。
方法400开始于步骤402，此步骤提供基板(例如，图1-2所示的基板102)进入处理腔室。如图2的实施例所示，基板102可具有第一TCO层104与置于第一TCO层104上的p-型硅层202。p-型硅层可为非晶硅层、微晶硅层、多晶硅层或任何其他适当含硅层。或者，如图1的实施例所示，基板102可具有第一TCO层104、第一p-i-n结126、可任选的WSR层112、及p-型微晶硅层114。值得注意的是基板102可具有先前形成于其上的薄膜、结构或层的不同组合以促进在基板102上形成本征型微晶硅层，从而形成太阳能电池。一实施例中，基板102可为玻璃基板、塑胶基板、聚合物基板或其他适于形成太阳能电池于其上的透明基板的任何一者。
在步骤404，供应气体混合物进入处理腔室以沉积本征型微晶硅籽晶层116。沉积过程中，可以第一模式控制被施加用来在气体混合物中点燃等离子体的RF功率以促进沉积具有所需薄膜特性的籽晶层116。一实施例中，气体混合物可包括硅-基气体与氢基气体。适当的硅基气体包括(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)、以及上述的组合。适当的氢-基气体包括(但不限于)氢气(H2)。一实施例中，本文所述的硅基气体是硅烷(SiH4)而本文所述的氢-基气体是氢(H2)。
一实施例中，气体混合物中供应的硅基气体(例如，硅烷气体)在第一处理周期中可自第一预设点逐渐地上升至第二预设点。举例而言，如图5所示的示范性实施例，气体混合物中纪录线502所示的硅烷气流可在步骤404执行的第一处理周期506的预定时间周期T2自第一预设点F1逐渐地上升至预设点F2。值得注意的是本文所用的词汇“上升”意指在预定时间周期中以所需上升速率将处理参数自第一设定点逐渐地调高至第二设定点。本文所用的词汇“上升”并非节流阀打开或关闭作用所造成的突然变化。
一实施例中，可根据对薄膜性质不同的需求改变硅烷气流的第一与第二预设定点F1、F2。举例而言，在需要将籽晶层116形成为高度多孔且富含氢的层以提供成核位置供随后Si原子成核于其上的实施例中，可应用低-至-高上升的硅烷气流。另选地，可根据需要改变或控制气体混合物中供应的硅烷气流。
相信气体混合物中硅烷气流的逐渐上升有助于硅原子均匀地附着与分布于基板表面上，藉此形成具有所需薄膜特性的籽晶层116。硅原子在基板表面上的均匀附着提供良好的成核位置供随后原子成核于其上。基板上形成的均匀成核位置促进随后形成于其上的薄膜的结晶性。因此，气体混合物中硅烷流的逐渐上升可让来自气体混合物的解离硅原子具有足够的时间逐渐地吸附于基板表面上，藉此提供具有均匀分布硅原子的表面，该表面提供可促进随后沉积层的结晶性改善的成核位置。
一实施例中，在第一处理周期506期间步骤404供应的硅烷气流是自第一设定点F1(例如，0)至第二设定点F2(例如，约2.8sccm/L与约5.6sccm/L之间，例如约3.99sccm/L(约570sccm))。硅烷流上升的预定时间周期T2是约20秒至约300秒之间，例如约40秒与约240秒之间，例如约60秒与约120秒之间。虽然图5所示的实施例指出硅烷气流纪录线502线性地逐渐上升，但值得注意的是可利用其他上升曲线供应硅烷气流直到到达所需的硅烷气体流率，上升曲线诸如抛物线、逆抛物线、或弧线、或任何其他适当的曲线。
一实施例中，可以预定的气流比例将硅烷气体与氢气供应进入处理腔室。氢比硅烷气体的预定气流比例有助于形成具有所需的结晶率与晶粒结构的微晶硅籽晶层116。一实施例中，气体混合物中氢比硅烷气流的比例(例如，流动体积比)是控制在约20∶1与约200∶1之间、或约30∶1与约150∶1之间，例如约50∶1。一特定实施例中，可以稳定的流率提供气体混合物中供应的氢气，同时将硅烷气流逐渐地上升直到达到所需的硅烷气体比氢气的比例。举例而言，若目标第二硅烷流F2如图5所示被设定为约3.99sccm/L，且氢比硅烷气流的比例被设定为50∶1，可在第一处理周期T0开始至第一处理时间周期506结束以约199.5sccm/L(例如，3.99sccm/L x 50＝199.5sccm/L)供应氢气。相对地，在预定时间周期T2中逐渐地，自零F1上升至3.99sccm/L目标硅烷流F2供应硅烷气流。相信因为相对纯净的氢等离子体环境与/或气体混合物中高氢稀释，沉积初始阶段的低硅烷流率有助于薄膜结晶与成核位置的形成。另选地，可以用与上升硅烷流相似的方式，以相对高的流率开始氢流动并接着逐渐地下降直到达到所需的氢比硅烷气流的比例。
步骤404的沉积期间，以可用所需方式等离子体离子化气体混合物的方法控制施加用来在气体混合物中点燃等离子体的RF功率。举例而言，当气体混合物中供应的硅烷流逐渐上升时，施加至处理腔室的RF功率也被设置为逐渐地上升以避免在处理初始阶段过度激发或解离气体混合物中供应的气体种类。在沉积初始阶段提供过度大量的RF功率会造成高度离子撞击(这会伤害下方的层)，并会在基板表面与腔室硬体部件上产生电弧，并促成气体混合物中形成的离子非均匀或过度激发状态，这会造成基板表面上原子的非均匀分布。为了避免上述事件，RF功率逐渐地上升以避免离子解离成过度激发或不稳定状态。
一实施例中，如图5所示，处理步骤404的早期阶段中，在第一时间周期T1期间以第一较低设定点R1施加如RF纪录线504所示的RF功率。在供应气体混合物(例如，纪录线502所示的硅烷气体)至处理腔室后，RF功率接着在第二时间周期T6自第一较低设定点R1逐渐地上升至第二较高设定点R2。换句话说，与供应气体混合物进入处理腔室的时间点T0相比，上升至第二设定点R2的RF功率具有时间延迟T1。T1时间周期被控制成长于T0时间周期，以致RF功率的上升迟于供应气体混合物进入处理腔室。一实施例中，T1周期可控制在约0.1秒与约240秒之间，例如约5秒与约80秒之间，例如约30秒。在预定时间周期T1流逝后，接着施加RF功率以在气体混合物中点燃等离子体。
相似于步骤404控制硅烷流的方式，施加至处理腔室的RF功率可如图5所示般在预定时间周期T6中自第一设定点R1上升至第二设定点R2。一实施例中，RF功率的第一较低设定点R1控制在约0瓦与约5千瓦之间。若以功率密度代表功率单位，RF功率密度可控制在约0瓦/cm2与约1.2瓦/cm2之间。RF功率的第二较高设定点R2控制在约2千瓦与约8千瓦之间，例如约4千瓦与约7千瓦之间，例如约6.6千瓦。若以功率密度代表功率单位，RF功率密度可控制在约0.46瓦/cm2与约2瓦/cm2之间，例如约0.92瓦/cm2与约1.61瓦/cm2之间，例如约1.52瓦/cm2。相似于控制硅烷流502的方式，施加至处理腔室的RF功率可如同上述般以线性、抛物线、逆抛物线、或弧线、或任何其他适当的曲线逐渐地上升直到达到RF功率的第二设定点R2。
一实施例中，步骤404的总体处理时间506被控制以沉积籽晶层116于所需厚度范围中。一实施例中，籽晶层116的厚度被控制在约
Figure BPA00001447171000121
与约之间。再者，以相似的时间架构控制RF功率与硅烷气流上升至所需目标值R2、F2的总体处理时间506。举例而言，以相似于硅烷上升时间的总时间长度(T0+T2)来控制RF上升时间的总时间长度(T1+T6)。在预定第一时间周期506期间，RF上升时间的总时间长度(T1+T6)与硅烷上升时间的总时间长度(T0+T2)被控制在约20秒与约300秒之间。换句话说，接近第一时间周期506末端时，施加且供应于处理腔室中的RF功率与气体混合物中的硅烷流将接近所需的第二设定点R2与F2，以致在进入下一处理步骤与处理时间周期时，RF功率与硅烷流可维持在稳定状态下。
步骤404过程中，可在沉积处理期间控制许多处理参数。可在约100kHz与约100MHz之间(诸如，约350kHz或约13.56MHz)的频率下提供RF功率至处理腔室。另选地，可利用VHF功率来提供高达约27MHz与约200MHz之间的频率。可依照基板尺寸控制基板至气体分配板组件的间隔。一实施例中，大于1平方米的基板的间隔被控制在约400密尔与约1200密尔之间，例如，约400密尔与约850密尔之间，例如550密尔。处理压力可控制在约1托与约12托之间，例如约3托与约10托之间，例如约9托。基板温度可控制在约50℃与约300℃之间，例如约100℃与约250℃之间，例如约200℃。
步骤406，在供应至处理腔室的RF功率504与硅烷流502已经达到预设定点R2、F2后，利用第二模式改变供应与施加至处理腔室的气体混合物与RF功率的方式以沉积本征型微晶硅主体层118于籽晶层116上。取代持续供应RF功率与气体混合物进入处理腔室，步骤406的第二处理时间周期508中的RF功率与气体混合物是脉冲的。图5所示的示范性实施例中，在第一处理周期506达到设定点R2、F2后，交变(alternate)RF功率504与硅烷气流502的供应以在第二处理周期508中界定的不同时间周期内脉冲RF功率与硅烷气流进入处理腔室。第二处理周期508的长度可经控制以沉积本征型微晶硅层118达到所需的厚度。举例而言，总体第二处理周期508可控制在约300秒至约3600秒之间(例如，约600秒与约1800秒)以形成厚度在约
Figure BPA00001447171000131
与约
Figure BPA00001447171000132
之间的本征型微晶硅层118。
一实施例中，在进入第二处理时间周期508时，RF功率与气体流率可维持在与步骤404设定点R2、F2相同的水平下。在以流率F2供应硅烷流502持续预定时间周期T3后，硅烷流502可经脉冲并变低至第三流率F3且持续另一预定时间周期T5。一实施例中，流率F3控制在约0sccm/L与约1.42sccm/L之间。在将流率F3控制在0的实施例中，硅烷气流502是实质上关闭的。随后，硅烷流502可维持在“开-关”脉冲模式直到达到预设处理时间周期508。
类似于供应硅烷流的配置，在处理已经进入第二处理时间周期508后，可将施加用来点燃等离子体的RF功率设为脉冲模式，在第二处理时间周期508过程中不同的时间范围(span)上间歇地施加RF功率。如图5所示，在以设定点R2施加RF功率504持续预定时间周期T3后，RF功率504可经脉冲并以不同的功率范围R3施加另一预定时间周期T4。随后，RF功率504可维持在脉冲模式中并间歇地施加于处理腔室直到预定处理时间周期508到期为止。一实施例中，RF功率504可以第一功率供应持续第一时间周期T3，并经脉冲/降低至第二功率且持续第二时间周期T4。一实施例中，可以约4千瓦与约7千瓦之间(例如，约6.6千瓦)的第一范围R2供应RF功率504，并可将RF功率504降低至约0千瓦与约2千瓦之间(例如，约1千瓦)的第二范围R3。
一实施例中，可同步延迟地，或交替地脉冲RF功率范围与气体流率以维持处理腔室所需的处理条件。相信利用脉冲模式施加RF功率以在气体混合物中产生等离子体可降低处理过程中产生电弧的可能性。脉冲RF功率模式亦可避免处理过程中基板过热，基板过热会不利地造成低薄膜品质与低电特性。此外，脉冲RF功率模式可给予在处理过程中电压与峰值功率较高，同时保持较低范围平均功率的选择，藉此有效地改善沉积速率而不造成对基板表面过度高的离子撞击。传统操作中，相信高沉积述率仅可由大气体混合物流率、高RF功率范围与高氢比硅烷气体的比例所获得。然而，高气体混合物流率及高氢比硅烷气体的比例会造成高气体消耗与高制造成本，而高RF功率会提高基板伤害的可能性。此时，藉由调制供应至处理腔室的RF功率与气体混合物的脉冲模式，出人意外地发现可降低处理过程中供应至处理腔室所需的RF功率约20％至约50％，同时维持与利用传统连续RF功率供应相似的所需高沉积速率。再者，还可节约硅烷气体流率消耗约30至40％。还可降低氢比硅烷的比例以节省气体消耗约15％与20％气体，同时维持所需高沉积速率与高薄膜结晶。因此，藉由有效地控制所需数量的气体流率以及RF功率与气体混合物的脉冲模式，可实质降低与/或排除过高的离子撞击、不稳定的电子温度、等离子体过热，藉此提供有助于形成具有高薄膜结晶率与结晶均匀性的本征型微晶硅层118的等离子体环境。一实施例中，步骤406控制的处理沉积速率可位于约
Figure BPA00001447171000141
Figure BPA00001447171000142
/分与约/分之间，例如约
Figure BPA00001447171000144
/分与约
Figure BPA00001447171000145
/分之间，例如约
Figure BPA00001447171000146
/分。
一实施例中，如图5所示的示范性实施例所示，可在步骤406开始时同时施加硅烷流502与RF功率504至制程处理，持续时间为第一时间周期T3。一实施例中，第一时间周期T3在约10秒与约150秒之间，例如约20秒与约120秒之间，例如约90秒。随后，可实质上关闭或降低硅烷流502与RF功率504至第二范围F3、R3，持续时间为第二时间周期T4与T5。一实施例中，第二时间周期T4与T5在约0.1秒与约60秒之间，例如约5秒与约30秒之间，例如约10秒。值得注意的是T4与T5时间周期可根据需要为相同或不同的。因此，可每隔0.1秒至约60秒(例如，T4与T5时间周期)脉冲硅烷气流与RF功率持续约10秒与约150秒之间(例如，T3时间周期)。各个脉冲之间(例如，T4与T5时间周期)，可将氢气或其他净化气体(诸如，Ar或He)供应至处理腔室以维持处理腔室中的压力。
一实施例中，步骤406沉积过程中，可将氢气流率维持在与步骤404供应的流率实质相同的流率下。另一实施例中，步骤406的氢流率可在约80sccm/L与约400sccm/L之间。又另一实施例中，可用相似于在第二处理过程中供应RF功率与硅烷流的脉冲模式供应氢流率。一实施例中，每隔约0.1秒至约60秒同步地脉冲氢气与硅烷气体流进入处理腔室。
一实施例中，可根据需要供应惰性气体或载气(诸如，He与Ar)至处理腔室。再者，如果希望在得到的本征型微晶硅层中形成一或多种掺杂物，可根据需要提供一或多种掺杂物气体(诸如，CO2、O2、N2O、NO2、CH4、CO、H2、含Ge前驱物、N2等等)以形成硅合金微晶硅层。
一实施例中，脉冲进入处理腔室的RF功率与硅烷气流的循环可根据需要重复多次直到达到总体第二处理时间周期508。一实施例中，脉冲进入处理腔室的RF功率与硅烷气流的循环可重复约1次与约20次之间，例如约3次与约8次之间，例如约5次。另选地，脉冲进入处理腔室的RF功率与硅烷气流的循环可根据需要重复多次直到本征型微晶硅层118达到所需的厚度。一实施例中，本征型微晶硅层118的厚度在约
Figure BPA00001447171000151
与约
Figure BPA00001447171000152
之间，例如约
Figure BPA00001447171000153
与约
Figure BPA00001447171000154
例如约
藉由有效地以脉冲模式控制供应至处理腔室的气体混合物流率与RF功率，可获得所需的处理条件。此外，藉由有效地调节气体混合物的流率/比例、RF功率范围、及第一处理时间506与第二处理时间508期间的供应模式，可在整个基板上沉积所需薄膜特性，诸如高结晶率与薄膜结晶均匀性。如上所述，当在步骤404的初始阶段将硅烷流率控制在相对低气体流率时，可在本征型微晶硅籽晶层116取得高薄膜结晶率(与本征型微晶硅主体层118相比)。本征型微晶硅籽晶层116中的高初始薄膜结晶率有助于随后沉积于其上的本征型微晶硅主体层维持良好的结晶率。由于步骤404的沉积提供良好的成核表面于基板表面上，步骤406沉积的后续材料会依循籽晶层116界定的结晶面，藉此让后续层成长于其上并具有良好的结晶率与均匀性。一实施例中，得到的本征型微晶硅层具有大于60％的结晶率。当薄膜结晶率与薄膜结晶均匀性改善时，光电转换效率可改善约50％至约150％，造成明显提高PV太阳能电池的元件性能。
图6是处理系统600的一实施例的俯视图，处理系统600具有多个处理腔室631-637，诸如图3的PECVD室300或其他能够沉积硅薄膜的适当腔室。处理系统600包括移送室620，该移送室620耦接至装载锁定腔室610与处理腔室631-637。装载锁定腔室610可让基板传送于系统外的周围环境以及移送室620与处理腔室631-637的真空环境之间。装载锁定腔室610包括一或多个保持一或多个基板的可排空区。可排空区经抽吸以促进基板插入系统800且可排空区经排气以促进自系统600移除基板。移送室620具有至少一真空机器人622配置于其中，该真空机器人622适以在装载锁定腔室810与处理腔室631-637之间传送基板。虽然图6所示为七个处理腔室，但此结构并不意图限制本发明的范围，因为该系统可具有任何适当数目的处理腔室。
本发明某些实施例中，系统600被设置成沉积多-结太阳能电池的第一p-i-n结126(例如，图1所示)。一实施例中，处理腔室631-637中的一个被设置成沉积第一p-i-n结的一或多个p-型层，而其余处理腔室631-637各自被设置成沉积本征层(多个)与n-型层(多个)两者。可在同一腔室中沉积第一p-i-n结的本征层(多个)与n-型层(多个)，而不需在沉积步骤之间执行钝化处理。因此，一实施例中，基板穿过装载锁定腔室610进入系统，接着基板被真空机器人传送进入被设置成沉积p-型层(多个)的专门处理腔室中。随后，在形成p-型层之后，基板被真空机器人传送进入其余处理腔室中的一个处理腔室中，该一个处理腔室被设置成沉积本征层(多个)与n-型层(多个)两者。形成本征层(多个)与n-型层(多个)后，基板被真空机器人622传送回装载锁定腔室610。某些实施例中，在处理腔室中处理基板以形成p-型层(多个)的时间比在单一腔室中形成本征层(多个)与n-型层(多个)的时间快约4倍或更快，例如6倍或更快。因此，系统的某些实施例中，p-腔室比i/n-腔室的比例是1∶4或更高，例如1∶6或更高。包括提供等离子体清洁处理腔室时间的系统产量可约为10基板/时或更高，例如20基板/时或更高。
本发明某些实施例中，系统600可被设置为沉积多-结太阳能电池的第二p-i-n结128(例如，图1所示)。一实施例中，处理腔室631-637中的一个被设置为沉积第二p-i-n结的p-型层(多个)，而其余处理腔室631-637各自被设置为沉积本征层(多个)与n-型层(多个)两者。第二p-i-n结的本征层(多个)与n-型层(多个)可沉积于相同腔室中，而不需在沉积步骤之间执行任何钝化处理。某些实施例中，在处理腔室中处理基板以形成p-型层(多个)的时间比在单一腔室中形成本征层(多个)与n-型层(多个)的时间快约4倍或更快。因此，用以沉积第二p-i-n结的系统的某些实施例中，p-腔室比i/n-腔室的比例是1∶4或更高，例如1∶6或更高。包括提供等离子体清洁处理腔室时间的系统产量可约为3基板/时或更高，例如5基板/时或更高。
本发明某些实施例中，系统600被设置为沉积图1所示的WSR层112，该WSR层可配置于第一与第二p-i-n结之间、或第二p-i-n结与第二TCO层之间。一实施例中，处理腔室631-637中的一个被设置成沉积一或多个WSR层，而处理腔室631-637中的另一个被设置成沉积第二p-i-n结的p-型层(多个)，而其余处理腔室631-637各自被设置成沉积本征层(多个)与n-型层(多个)两者。设置成沉积WSR层的腔室数目可相似于设置成沉积p-型层(多个)的腔室数目。此外，可在设置成沉积本征层(多个)与n-型层(多个)两者的同一腔室中沉积WSR层。
某些实施例中，由于本征型微晶硅层(多个)与本征型非晶硅层(多个)之间厚度的差异，设置成沉积包括本征型非晶硅层的第一p-i-n结的系统600的产量比用来沉积包括本征型微晶硅层的第二p-i-n结的系统600的产量的高两倍。因此，适以沉积包括本征型非晶硅层的第一p-i-n结的单一系统600可搭配两个或更多适以沉积包括本征型微晶硅层的第二p-i-n结的系统600。因此，WSR层沉积处理可被设置成在适以沉积第一p-i-n结的系统中执行，以进行有效产量控制。一旦第一p-i-n结已经在一系统内形成后，可将基板暴露于周围环境(即，破坏真空)并传送至适以形成第二p-i-n结的第二系统。第一系统沉积第一p-i-n结与第二p-i-n结之间，基板的湿或干燥清洁可为必需的。一实施例中，WSR层沉积处理可执行于不同系统中。
因此，提供了形成太阳能电池元件中的本征型微晶硅层的方法。该方法利用了多步骤沉积处理，该多步骤沉积处理提供第一沉积模式以及具有脉冲的RF功率与气体混合物的第二沉积模式。此方法有利地产生具有高结晶率、结晶均匀性、光电转换效率与PV太阳能电池设备性能的本征型微晶硅层。
虽然上述系针对本发明的实施例，但可在不悖离本发明的基本范围下设计出本发明的其他与更多实施例，而本发明的范围是由随后的权利要求所界定的。

Claims (15)

1.一种形成本征型微晶硅层的方法，包括：
提供基板进入处理腔室；
供应气体混合物进入所述处理腔室；
以第一模式对所述气体混合物施加RF功率；
脉冲所述气体混合物进入所述处理腔室；及
以第二模式对所述经脉冲的气体混合物施加所述RF功率。
2.如权利要求1所述的方法，其中以第一模式施加RF功率的步骤还包括：
在所述第一气体混合物存在下，并在所述第一RF功率模式下，沉积本征型微晶硅籽晶层于所述基板上。
3.如权利要求1所述的方法，其中脉冲所述气体混合物的步骤还包括：
沉积本征型微晶硅主体层于所述基板上。
4.如权利要求1所述的方法，其中以第一模式施加RF功率的步骤还包括：
在约20秒与约300秒之间的周期中，使供应至所述处理腔室的RF功率自第一预定范围上升至第二预定范围，其中RF功率的第一预定范围是在约0瓦与约5千瓦之间，而RF功率的第二预定范围是控制在约2千瓦与约8千瓦之间。
5.如权利要求1所述的方法，其中供应所述气体混合物的步骤还包括：
在以第一模式施加RF功率之前，供应所述气体混合物进入所述处理腔室。
6.如权利要求1所述的方法，其中供应气体混合物的步骤还包括：
在一约20秒与约300秒之间的周期中，使供应进入所述处理腔室的气体混合物的流率上升至一预定点，其中所述气体混合物的流率自约0sccm/L上升至约2.8sccm/L与约5.6sccm/L之间。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述气体混合物包括至少一硅基气体与一氢基气体。
8.如权利要求1所述的方法，其中脉冲所述RF功率的步骤还包括：
每隔约0.1秒至约60秒脉冲所述RF功率，或脉冲所述RF功率持续约10秒与约150秒之间。
9.如权利要求1所述的方法，其中脉冲所述气体混合物的步骤还包括：
当脉冲供应进入所述处理腔室的气体混合物时，同步地以第二模式脉冲所述RF功率。
10.一种形成本征型微晶硅层的方法，包括：
提供基板进入处理腔室；
供应气体混合物进入所述处理腔室；
施加RF功率以激发所述气体混合物；
在所述气体混合物存在下沉积硅籽晶层于所述基板表面上；
在沉积所述硅籽晶层后，同步地脉冲所述气体混合物与所述RF功率；及
在所述经脉冲的气体混合物存在下沉积硅主体层于所述硅籽晶层上。
11.如权利要求10所述的方法，其中使所述RF功率上升的步骤还包括：
同步地使所述RF功率上升且使所述气体混合物上升。
12.一种光电设备，至少包括：
p-型含硅层；
本征型微晶硅层，该本征型微晶硅层配置于所述p-型含硅层上；及
n-型含硅层，该n-型含硅层配置于所述本征型微晶硅层上，其中所述本征型微晶硅层是由包括下列步骤的处理所形成：
供应气体混合物进入处理腔室，该处理腔室具有向其施加的第一RF功率模式；
沉积本征型微晶硅籽晶层；
脉冲处理腔室中的所述气体混合物，该处理腔室具有向其施加的第二RF功率模式；及
沉积本征型微晶硅主体层于所述本征型微晶硅籽晶层上。
13.一种形成本征型微晶硅层的方法，包括：
提供基板进入处理腔室；
使供应进入所述处理腔室的气体混合物的流率逐渐地上升持续第一预定时间周期；
当使所述气体混合物的流率上升时，同步地使供应进入所述气体混合物的RF功率上升；
沉积本征型微晶硅籽晶层于所述基板表面上。
14.如权利要求13所述的方法，还包括：
在所述第一预定时间周期结束后，控制供应至所述处理腔室的所述气体混合物在稳定流率下持续第二预定时间周期；及
沉积本征型微晶硅主体层于所述基板上。
15.如权利要求13所述的方法，其中控制所述气体混合物的步骤还包括：
控制供应至所述处理腔室的RF功率在稳定功率下持续所述第二预定时间周期。
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