CN102834546B - 用于在光伏应用中沉积微晶材料的方法和设备 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于生产光伏电池的沉积方法和系统。该方法包括在半导体材料沉积的至少一部分期间在反应室内保持负压。将第一和第二电极分离的距离D用mm来表示，并且大于或等于约10mm但小于或等于约30mm。在半导体材料沉积的至少一部分期间建立按体积计至少百分之五十（50%）的工艺气体中的含半导体气体的浓度。

Description

用于在光伏应用中沉积微晶材料的方法和设备

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年4月16日提交的美国临时申请号61/324,909的优先权，其被整体地通过引用结合到本文中。

技术领域

本申请一般涉及用于产生太阳电池的方法和设备，并且更具体地涉及用于在用于薄膜式太阳电池的衬底上沉积微晶硅层的方法和设备。

背景技术

也称为光电转换器件或太阳电池的光伏器件是光、尤其是太阳光转换成直流电（DC）电功率的器件。针对低成本批量生产，薄膜式太阳电池特别令人感兴趣，因为其允许使用玻璃、玻璃陶瓷或其他刚性或柔性材料作为衬底代替晶体或多晶硅。太阳电池结构、即负责或能够产生光伏效应的层序列被沉积在衬底上的薄层中。此沉积可以在大气或真空条件下进行。沉积技术在本领域中是众所周知的，诸如PVD、CVD、PECVD、APCVD等，其中的每一个都在半导体器件的生产中使用。

薄膜式太阳电池一般包括第一电极、一个或多个半导体薄膜p-i-n结以及第二电极，其被连续地堆叠在衬底上。每个p-i-n结或薄膜光电转换单元包括被夹在p型层与n型层之间的i型层（p型＝正掺杂，n型＝负掺杂）。基本上为本征半导体层的i型层占用薄膜p-i-n结的厚度的多数，并且主要负责由太阳电池执行的光电转换。

随着薄膜太阳电池被越来越多地大量生产，要求用于高效地且有效地制造此类太阳电池的集成制造过程。诸如等离子体增强化学气相沉积（“PECVD”）的常规制造过程传统上以利用用氢气或其他稀释气体高度稀释的反应物。例如，传统上用H₂将硅烷（SiH₄）气体稀释至按体积计10%以下的浓度，要求大量的氢气（H₂），其最终离开沉积室而不与另一反应物反应。换言之，被引入到沉积室中的大量H₂的相当一部分意图仅稀释硅烷（SiH₄）气体。氢气（H₂）稀释剂的此相当一部分以其他方式对太阳电池的衬底上的层的形成没有贡献，并且作为要求处理的废产物被排出。对于此类过程而言，沉积期间的气体的总流量是影响泵、管道、气体供应的尺寸和要求处理的废料的主要因素之一，加剧了昂贵的生产成本。

诸如上文所述的常规过程中的大的氢气（H₂）体积流速的另一功能是冲走在等离子体体积中形成的含硅（Si）的产物。然而，大的氢气（H₂）体积流速还夹带并从沉积室去除未离解（未完全离解）的硅烷（SiH₄）。硅烷（SiH₄）气体从沉积室的此提前去除促使硅烷（SiH₄）气体被低效地消耗，并且要求处理将排出过量的硅烷（SiH₄）气体（和部分离解硅烷（SiH₄））。两个条件都增加薄膜式太阳电池的总产品成本。

此外，在常规太阳电池制造过程期间在沉积室内建立的高过程压力减小了过程域中的用于分子的平均自由路径。这些提高的过程压力促进等离子体中而不是衬底上的微粒状含硅产物的生长，导致低沉积速率，这增加薄膜式太阳电池的生产所需的总时间。

诸如磷化氢（PH₃）和三甲基硼（B(CH₃)₃)的掺杂气体在根据常规制造工艺来制备掺杂微晶硅层时负面地影响微晶硅的成核。为了抵制此类负面影响，因此传统上在与本征微晶硅的制备相比已经增加了氢气稀释和较低的总体积硅烷（SiH₄）流量下制备P型和n型掺杂微晶硅层。但是除上述解决的问题之外，增加的氢气稀释导致较低的沉积速率。结果，即使太阳电池的掺杂层的厚度（几十nm）小于本征层的厚度，要沉积掺杂层所消耗的时间也对用以制造此类太阳电池的总时间要求具有显著影响。

尝试克服上述问题通常涉及完全不同类型的沉积，常常涉及使用纯硅烷（SiH₄）（即未稀释）进行的等离子体的产生。然而，这些不同的沉积过程由于气流稳定性的差别和硅粉俘获而要求对被设计成用于利用稀释硅烷（SiH₄）的沉积过程的现有市售、大面积PECVD沉积机器进行显著修改。

发明内容

根据一个方面，本申请涉及一种用于生产光伏电池的沉积系统，包括沉积室，该沉积室基本上包围其中将使半导体材料沉积衬底上以在沉底上形成半导体材料的微晶层的反应空间。衬底调节器向衬底提供加热效应，向衬底提供冷却效应，或者向衬底提供加热和冷却效应以建立衬底的用于半导体材料沉积的期望温度。彼此相对的第一和第二电极以距离D分离，并被操作连接至将被激励以便将等离子体点燃并在沉积的至少一部分期间保持反应空间中的等离子体的电源。真空子系统至少部分地将沉积室抽空，并且输送子系统向反应空间引入过程气体。该过程气体包括来自半导体源的含半导体气体和来自稀释源的稀释剂。控制器被编程为控制真空子系统和输送子系统中的至少一个的操作以在半导体材料沉积的至少一部分期间将在小于等于下式的压力下保持负压：

将第一和第二电极分离的距离D用mm来表示。控制器还被编程为在半导体材料沉积的至少一部分期间建立按体积计至少百分之五十（50%）的过程气体中的含半导体气体的浓度。

根据另一方面，本申请涉及在沉积系统的沉积室中向衬底上沉积半导体材料的方法。该沉积系统还包括向衬底提供加热效应和冷却效应中的一个或两个的衬底调节器、以距离D分离且被操作连接至电源以便在沉积室中建立等离子体的第一和第二电极、用于至少部分地将沉积室抽空的真空子系统以及用于向沉积室引入过程气体的输送子系统。该方法包括用控制器接收在半导体材料沉积的至少一部分期间将在沉积室内建立的负压。该负压小于或等于：

将第一和第二电极分离的距离D用mm来表示。该方法还包括传送压力信号，该压力信号控制真空子系统的操作以至少部分地抽空沉积室并建立用控制器接收的负压。同样用控制器，接收用于沉积的衬底的目标温度。从控制器传送控制衬底调节器以提高、降低或提高和降低衬底温度至接近于或近似等于目标温度的温度的温度信号。还从控制器传送控制电源以激励第一和第二电极并在沉积室内建立等离子体的等离子体信号。从控制器传送控制输送子系统的操作的流量信号以向沉积室中引入含半导体气体和适当量的稀释剂以在沉积的至少一部分期间在沉积室内建立按体积计至少百分之五十（50%）的含半导体气体的浓度。

根据另一方面，本申请涉及在沉积系统的沉积室中向衬底上沉积半导体材料的方法。该沉积系统还包括向衬底提供加热效应和冷却效应中的一个或两个的衬底调节器、以距离D分离并被操作连接到电源以便在沉积室中建立等离子体的第一和第二电极。提供用以至少部分地抽空沉积室的真空子系统以及向沉积室引入过程气体的输送子系统。该方法包括在半导体材料沉积的至少一部分期间在沉积室内建立负压，该负压小于或等于：

将第一和第二电极分离的距离D用mm来表示。使用衬底调节器，将衬底的温度提高、降低或提高和降低至接近于或近似等于在从约120℃至约280℃范围内的目标温度的温度。使用电源，激励第一和第二电极中的至少一个以在沉积室内建立等离子体。将含半导体气体和适当量的稀释剂引入沉积室以在沉积的至少一部分期间在沉积室内建立按体积计至少百分之五十（50%）的含半导体气体的浓度。

根据另一方面，本申请涉及在沉积系统的沉积室中向衬底上沉积半导体材料的方法。该沉积系统还包括向衬底提供加热效应和冷却效应中的一个或两个的衬底调节器、以距离D分离且被操作连接至电源以便在沉积室中建立等离子体的第一和第二电极、用于至少部分地将沉积室抽空的真空子系统以及用于向沉积室引入过程气体的输送子系统。该方法包括在半导体材料沉积的至少一部分期间在沉积室内建立负压，该负压小于或等于：

将第一和第二电极分离的距离D用mm来表示，并且大于或等于约10mm但小于或等于约30mm。使用衬底调节器，将衬底的温度提高、降低或提高和降低至接近于或近似等于在从约120℃至约280℃范围内的目标温度的温度。使用电源，激励第一和第二电极中的至少一个以在沉积室内建立等离子体。将含半导体气体和适当量的稀释剂引入沉积室以便执行沉积。

以上概要提出了简化的概要以便提供本文公开的系统和/或方法的某些方面的基本理解。此概要不是本文所讨论的系统和/或方法的全面概述。并不意图识别关键/重要元素或描述此类系统和/或方法的范围。其唯一目的是以简化形式提出某些概念作为稍后提出的更详细描述的前序。

附图说明

本发明可以在某些部分和部分的布置中采取物理形式，其实施例将在本说明书中详细地描述并在构成其一部分的附图中说明，并且在所述附图中：

图1示出根据说明性实施例的沉积系统的示意图；

图2示出用于单结和多结太阳电池的本征和非本征微晶层的说明性布置；

图3是示意性地描述将半导体材料沉积到衬底上的自动化方法的流程图；以及

图4是示意性地描述将半导体材料沉积到衬底上的一般方法的流程图。

具体实施方式

某些术语在本文中仅仅是为了方便起见而使用的且不应将其视为对本发明的限制。参考附图可最好地理解本文所使用的相关语言，其中相同的附图标记用来标识相同或类似项目。此外，在附图中，可以以略微示意性的形式示出某些特征。

还应注意的是如果在本文中使用的话，后面是多个成员的短语“中的至少一个”在本文中意指成员中的一个或成员中的不止一个的组合。例如，短语“第一构件和第二构件中的至少一个”在本申请中意指：第一构件、第二构件或者第一构件和第二构件。同样地，“第一构件、第二构件和第三构件中的至少一个”在本申请中意指：第一构件、第二构件、第三构件、第一构件和第二构件、第一构件和第三构件、第二构件和第三构件或者第一构件和第二构件和第三构件。

图1示出用于生产光伏电池的等离子体增强化学气相沉积（“PECVD”）系统10的说明性实施例。如所示，沉积系统10的说明性实施例包括沉积室12，其基本上包围反应空间14，在那里，至少一个层且可选地半导体材料的多个微晶层将被沉积到衬底16上。此类沉积室12的物理布置示例可以在来自瑞士Triibbach的欧瑞康太阳能股份公司（OerlikonSolarAG）的型号KAI-1200沉积反应器中找到。如果如下文详细描述的那样将掺杂剂作为微晶层的一部分沉积，则将结果得到的微晶层称为n型或p型掺杂微晶层。将在没有掺杂剂的情况下沉积的微晶层认为成是本征微晶层。

基座或其他适当的衬底支撑体18将衬底16支撑在适合于沉积的反应空间14内的位置。可以邻近于衬底支撑体18提供衬底调节器20以基本上将衬底16的温度基本保持在用于半导体材料到衬底16上的沉积的期望水平。衬底调节器20可以可操作用于在本文所述的沉积期间将衬底16加热、将衬底16冷却或将衬底16加热和冷却。出于加热目的，衬底调节器20可以包括以诸如电阻加热、电感加热、辐射加热等的任何方式产生热能的加热元件。可选地，可以至少部分地由如本文所述地产生的等离子体来提供用于向衬底16提供加热效应所需的热能。针对其中将向衬底16提供冷却效应的实施例，衬底调节器20可以包括去除至少部分地由于制冷剂的相变而引起的热能的制冷电路、输送比衬底16低的温度下的冷却剂以从衬底16去除热能的导管或用于在沉积期间向衬底16提供期望的冷却效应的任何其他适当设备的各部分。由衬底调节器20建立的衬底16的期望温度可以取决于要沉积的特定半导体材料以及其他工艺条件。然而，根据本实施例，期望温度可以是在从约120℃至约280℃范围内的任何温度，包括温度的任何子范围。根据替换实施例，其中期望温度下降的温度范围是从约140℃至约220℃，优选地180℃至约200℃。

根据所示实施例，衬底支撑体18至少部分地由金属、金属合金或其他适当的导电材料形成以形成与第二电极22相对的第一电极。第二电极22基本上平行于衬底支撑体18，其根据本实施例也是第一电极，并且与衬底支撑体18分离距离D，该距离D正交于衬底支撑体18和第二电极22。针对各种实施例，将第一电极/衬底支撑体18和第二电极22分离的距离D可以大于或等于约10mm且小于或等于约30mm，虽然距离D的其他值也在本公开的范围内。虽然衬底支撑体18在参考图1所示和所述的实施例中是第一电极，但其他实施例可以可选地包括不同于衬底支撑体18的单独第一电极。

图1中的第一电极/衬底支撑体18和第二电极22被操作连接至电源24以便点燃等离子体26并在半导体材料到衬底16上的沉积的至少一部分期间保持反应空间14内的等离子体26。针对图1所示的实施例，电源24包括能够供应具有大于或等于13.56MHz或其谐波、诸如约28MHz或40MHz、或任何其他适当频率的RF功率。针对替换实施例，第一电极/衬底支撑体18和第二电极中的至少一个具有面对相对电极并包括预定表面面积的基本上平面的表面28。可以与电源24相结合地选择平面表面28的表面面积以建立用于执行特定沉积的期望功率密度。例如，RF发生器和第二电极22的平面表面28的表面面积可以共同地建立第二电极22的表面面积的大于或等于0.1W每cm²的功率密度。

还可以提供真空子系统29以在反应空间14内建立负压。真空子系统29可以包括可操作用于至少部分地抽空沉积室12以使反应空间14内的压力降低至小于1个大气的任何设备。例如，可以结合向反应空间14引入工艺气体以将反应空间14内的负压保持在期望的沉积压力达半导体材料沉积的至少一部分的工艺气体输送子系统30相结合地操作真空子系统29。适当沉积压力的示例包括小于或等于下式的任何压力；

其中，用毫米（mm）来表示将第一和第二电极18、22分离的距离D。换言之，反应空间14内的用毫巴（mbar）表示的压力乘以将第一电极/衬底支撑体18与第二电极22分离的用毫米（mm）表示的距离D小于或等于约50mbar*mm。

输送系统30包括流量调节器32，其可以是诸如阀的任何可调整器件，例如，其能够调节和可选地计量工艺气体到反应空间14中的进入。除流量调节器32之外，输送系统30还可以可选地包括定义其中能够在引入反应空间14之前将工艺气体的分量组合的体积的混合器50。还可以可选地沿着在各种源34、36、38和反应空间14之间建立流体连通的管道设置用于各种源34、36、38中的每一个的单独阀52或其他流量调节器。如果存在的话，可以调整单独的阀52以调节被引入反应空间14中的含半导体气体、稀释剂和掺杂剂的流速。

工艺气体可以包括来自半导体源34的含半导体气体、来自稀释源36的稀释剂以及来自掺杂剂源38的掺杂剂中的至少一个。含半导体气体可以是任何气体，其包括诸如硅烷（SiH₄）的半导体物质，例如，其包括硅。用于光伏应用中的半导体沉积目的的最常见稀释剂是氢气，虽然用于稀释含半导体气体的浓度的任何其他适当稀释剂也在本公开的范围内。掺杂剂包括在被沉积时影响沉积的半导体材料层的导电性的材料。掺杂剂的示例包括但不限于磷化氢（PH₃）、乙硼烷（B₂H₆）以及三甲基硼（B(CH₃)₃）。为了简洁起见，并且为了清楚地描述本技术，图1所示和下文所述的实施例包括作为含半导体气体的硅烷（SiH₄）和作为稀释剂的氢气（H₂）。为了沉积N型微晶层，将磷化氢（PH₃）描述为掺杂剂，并且为了沉积p型微晶层，在说明性实施例中使用乙硼烷（B₂H₆）作为掺杂剂，但是再次地，其他适当的P型和N型掺杂剂在本公开的范围内。

提供控制器40以控制以下各项中的至少一个的操作：电源24向第一电极/衬底支撑体18和第二电极22供应RF功率以点燃并保持等离子体26、真空子系统29从反应空间14抽空沉积室的内含物的至少一部分、以及输送子系统30向反应空间14引入工艺气体。控制器40可以是例如可以使用非临时计算机可读存储器42的基于微处理器的嵌入式系统。根据此类实施例，可以由微处理器46来执行存储在计算机可读存储器42中的计算机可执行指令，微处理器46反而经由控制线44向将由控制器44控制的输送子系统30、真空子系统29和电源24的各部分发射控制信号。

根据替换实施例，可以将控制器40硬连接以执行调节输送子系统30、真空子系统29和电源24的操作的各种控制步骤。例如，控制器40可以包括一个或多个专用集成电路。

图2是并排地布置在公共玻璃衬底16上的单结太阳电池60和多结（在本示例中，双结）太阳电池62的示意性表示。如所示，单结太阳电池60包括P型微晶层64，在其上面沉积了本征微晶层66，后面是N型微晶层68。由导电材料制成的前接点70和后接点72形成单结太阳电池60的端子，通过该端子，响应于单结电池60被暴露于光74而产生DC电流。前接点70是基本上透明的以将施加于前接点70上的大部分光74透射到半导体的微晶层。

掺杂微晶层64是P型层，因为其包括具有与被沉积以形成微晶材料的半导体材料相比少了至少一个价电子的原子。针对其中从作为含半导体气体的硅烷（SiH₄）沉积的硅的P型非本征微晶层64的本示例，可以将例如含硼掺杂剂引入到反应空间14。上述乙硼烷（B₂H₆）和三甲基硼（B(CH₃)₃）是用于沉积P型非本征微晶层64的适当掺杂剂的两个示例。

同样地，掺杂微晶层68是N型，因为其被负掺杂成包括具有与被沉积以形成微晶层的半导体材料相比多了至少一个价电子的原子。针对本示例，其中微晶层68由作为从硅烷（SiH₄）沉积的半导体材料的硅制成，例如可以向反应空间14引入包含磷的掺杂剂。上述磷化氢（PH₃）是用于沉积N型非本征微晶层68的适当掺杂剂的示例。

P型微晶层64与N型微晶层68之间的本征层66是在沉积期间未被故意掺杂的沉积硅层。因此，本征层66的导电性未被掺杂剂的引入改变。

在图2中出现的多结太阳电池62类似于单结太阳电池60，但包括包括P型、I型（本征）和N型层的多个重复堆叠。

根据I型层的结晶程度，诸如在图2中出现的那些的太阳电池被表征为非晶（a-Si）或微晶（μc-Si）光伏电池。本文所使用的微晶层指的是在非晶基质中包括相当一部分的晶体硅—所谓的微晶。

控制器40（图1）可以执行存储器42中的计算机可执行指令以执行将半导体材料沉积到设置在沉积室12中的衬底16上的方法。根据控制器40的其他实施例，可以将控制器40硬连接以执行此类方法，或者在不脱离本申请的范围的情况下可以手动地执行某些或所有方法步骤。可以参考在图3中出现的流程图来理解此类自动化方法的说明性实施例。除非另外指定，步骤在图3中出现的顺序不一定是将执行步骤所要求的顺序。

在图3中示意性地描述了用于使用标准沉积机器来沉积本征和/或掺杂微晶硅层的PECVD工艺的一个示例，所述标准沉积机器诸如可从欧瑞康太阳能股份公司购买的型号KAI-1200沉积系统。将用作为含半导体气体的硅烷（SiH₄）来描述本示例，其在反应空间14内以总工艺气体的百分之五十（50%）以上的混合物分数存在。本示例中的稀释剂包括氢气（H₂），并且针对其中要沉积掺杂微晶层的实施例，可以添加诸如磷化氢（PH₃）、乙硼烷（B₂H₆）或三甲基硼（B(CH₃)₃）的掺杂剂。被引入反应空间14的工艺气体的流速在本示例中在沉积期间是低的，小于第二电极22的平面表面28（图1）的表面面积的0.03sccm/cm²的。此外，在本示例中，沉积室内的负压被保持在50mbar*mm（压力*分离电极的距离）的归一化压力或以下。沉积的结果提供高RF功率密度下的至少5(50nm/s)的沉积速率（即，大于第二电极22的平面表面28（图1）的表面面积的0.1W/cm²）。用于本示例的上述参数规格已经基于用于与其他适当沉积系统10进行标准化缩放的平面表面28的一个cm2的表面面积被归一化。

如图3所示，该方法包括在步骤100处用控制器40接收将在半导体材料沉积的至少一部分期间在沉积室12内建立的负压。可以在沉积系统10的构造期间将该负压编程到控制器40中，由操作沉积系统10的用户输入，或者以其他方式输入到控制器40中。无论指定负压的方式如何，接收到的负压可以小于或等于：

其中，用毫米（mm）来表示将第一和第二电极分离的距离D。针对本示例，将第一和第二电极分离的距离D大于或等于约10mm且小于或等于约30mm。针对替换实施例，在步骤100处由控制器40接收到的负压为至少0.8mbar，但不大于3.0mbar。然而其他实施例要求在步骤100处由控制器40接收到的负压为至少1.0mbar，但不大于2.0mbar。控制器40可以随后传送将要沿着控制线路44输送的压力信号，其控制图3中的步骤110处的真空子系统29的操作以至少部分地抽空沉积室12并建立接收到的负压。

同样地，控制器40还接收在步骤120处用于要执行沉积过程的衬底16的目标温度。如同负压一样，可以在沉积系统10的构造期间将目标温度编程到控制器40中，由操作沉积系统10的用户输入，或者以其他方式输入到控制器40中。无论指定目标温度的方式如何，用于本示例的接收到的目标温度为至少120℃，但不大于280℃。根据替换实施例，接收到的目标温度为至少140℃但不大于220℃，并且优选地从约180℃至约200℃。控制器40随后传送将被沿着控制线44（图1）输送的温度信号以控制图3中的步骤130处的衬底调节器20的操作以将衬底16的温度提高或降低至接近于接收到的目标温度的温度。根据一个实施例，输送系统30（图1）可以可选地在图3中的步骤140处在工艺气体的引入之前或在等离子体26的点燃之前向反应空间14引入点火气体。例如，该点火气体可以是诸如来自稀释源36（图1）的氢气（H₂）或惰性气体的气体。在可选点火气体的引入之后，控制器40可以在步骤150处传送等离子体信号，其促使电源激励第一和第二电极18、22并在存在点火气体的情况下在沉积室12内建立等离子体26。根据本示例，例如，电源包括RF发生器，其提供具有至少为13.56MHz或该频率的谐波（诸如约28MHz或40MHz）的频率。根据替换实施例，该频率可以是至少35MHz或至少40MHz。此外，所供应的RF功率包括大于或等于第二电极22的平面表面28的表面面积的0.1W每cm²的功率密度。

在等离子体26的点火之后（图1），控制器40在步骤160处经由控制线44来传送流量信号，其控制输送系统30的操作以向沉积室12中引入包括至少硅烷（SiH₄）和适当量的氢气（H₂）的工艺气体。输送系统30的操作在沉积的至少一部分期间以及可能在大部分或全部的沉积期间在反应空间14中建立按体积计至少百分之五十（50%）的硅烷（SiH₄）的浓度。针对本征微晶层的沉积，硅烷（SiH₄）的浓度可以为按体积计至少百分之七十（70%）或按体积计至少百分之七十五（75%）。无论硅烷（SiH₄）的浓度如何，可以将控制器进一步编程为调整输送子系统30的一部分以建立用于被引入反应空间14的工艺气体的第一和/或第二电极18、22的平面表面28的表面面积A的约0.03sccm每cm²的流速。根据此类方法的微晶层的沉积提供至少5(50nm/s)的生长速率。

参考图3所述的方法是自动化方法的示例。然而，如上所述，在不脱离本申请的范围的情况下，可以手动地或用除控制器40之外的其他手段来执行一个或多个步骤。因此无论执行此类步骤的实体如何，参考图4可以理解使用沉积系统10来控制本文所述的半导体材料沉积的一般方法。

如图4所描述的，在步骤200处在沉积室12内建立负压，并且在半导体材料沉积的至少一部分期间保持该负压。如前所述，负压可以小于或等于：

其中，用mm来表示将第一和第二电极分离的距离D。针对本示例，将第一和第二电极分离的距离D为至少约10mm，但不大于约30mm。针对替换实施例，要建立的负压为至少0.8mbar，但不大于3.0mbar。然而其他示例要求在步骤200处建立的负压将为至少1.0mbar，但不大于2.0mbar。无论其值如何，可以通过控制真空子系统29和输送子系统30中的至少一个的操作来建立负压。

使用衬底调节器20（图1），在图4的步骤210处将衬底16的温度调整（即提高、降低或保持）至接近于或近似等于用于执行特定沉积过程的目标温度的温度。如上所述，可以将目标温度编程到控制器40中，由操作员经由控制面板来输入，或者以其他方式指定。针对使用硅烷（SiH₄）作为含半导体气体的本示例，目标温度为至少120℃，但不大于280℃。根据替换实施例，目标温度为至少140℃但不大于220℃，并且优选地从约180℃至约200℃。

根据一个实施例，输送系统30（图1）可以可选地在硅烷（SiH₄）或其他含半导体气体的引入之前以及在等离子体26的点火之前在图4中的步骤220处将点火气体引入到反应空间14。点火气体可以是诸如来自稀释源36（图1）的氢气（H₂）或惰性气体的气体，例如，其一旦被点燃不会在存在等离子体26的情况下沉积相当量或可选地任何不期望的固体。

在点火气体的可选引入之后，在步骤230处使用电源24（图1）来激励第一和第二电极18、22以可选地在存在点火气体的情况下在沉积室12内建立等离子体26。根据本示例，例如，电源包括RF发生器，其提供具有13.56MHz或该频率的谐波（诸如约28MHz或40MHz）的RF功率。根据替换实施例，该频率可以是至少35MHz或至少40MHz。此外，所供应的RF功率包括大于或等于第一和/或第二电极18、22的平面表面28的表面面积的0.1W每cm²的功率密度。

在等离子体26（图1）的点火之后，并且在存在等离子体26的情况下，在步骤240处调整输送子系统30的一部分（诸如流量调节器32）以向沉积室12中引入包括至少硅烷（SiH₄）和适当量的氢气（H₂）的工艺气体。输送子系统30的操作在沉积期间在反应空间14内建立按体积计至少百分之五十（50%）的硅烷（SiH₄）的浓度。针对本征微晶层的沉积，硅烷（SiH₄）的浓度可以为按体积计至少百分之七十（70%）或按体积计至少百分之七十五（75%），用作为稀释剂的氢气（H₂）稀释。针对非本征微晶层的沉积，可以在沉积期间将反应空间14中的硅烷（SiH₄）的浓度建立为按体积计至少百分之五十（50%），并且掺杂剂和氢气（H₂）的组合的组成可以是至少30%。针对此类实施例，掺杂剂和氢气（H₂）的组合可以包括用氢气（H₂）稀释的按体积计小于1%的掺杂剂浓度。无论硅烷（SiH₄）的浓度如何，可以控制输送子系统30以建立用于被引入反应空间14的工艺气体的第一和/或第二电极18、22的平面表面28的表面面积A的约0.03sccm每cm²的流速。根据其他实施例，可以将被引入反应空间14的工艺气体的总流速保持在小于500sccm。

依照本文所述的方法和系统已执行了以下沉积示例。

示例#1

使用来自欧瑞康太阳能股份公司的型号KAI-1200的沉积系统进行的本征微晶硅层的沉积：

工艺气体包括约75%的SiH₄和约25%的H₂。

在沉积期间被引入反应空间的工艺气体的总流速为约2.5sccm/（平面电极表面28的表面面积的100cm²），针对本示例，其总计达约330sccmSiH₄和约100sccmH₂的工艺气体体积流速。

电源24所供应的能量为RF功率，其具有约40MHzRF频率的频率和约0.17W/（平面电极表面28的表面面积的cm²）的功率密度，其在本示例中总计达约3,000W每沉积室。

针对将第一和第二电极18、22分离的约28mm的距离D（即约36.4mbar*mm），反应空间内的压力被保持在约1.3mbar。

衬底温度在沉积期间被保持在120℃和280℃之间。

与其中高度稀释硅烷（SiH₄）（即包括用按体积计约90%的氢气稀释的小于按体积计10%的硅烷浓度的工艺气体）的常规沉积过程相比，氢气（H₂）消耗被减少了约95%，硅烷（SiH₄）使用效率增加了约35%，并且微晶层的生长速率相比于此类常规沉积过程而言增加了约35%。

示例#2

使用来自欧瑞康太阳能股份公司的型号KAI-1200的沉积系统进行的N型非本征微晶硅层的沉积：

工艺气体包括约67%的SiH₄和包括磷化氢（PH₃）的约33%掺杂剂气体，其中，掺杂剂气体包括用氢气（H₂）稀释的按体积计约0.5%的磷化氢（PH₃）。

在沉积期间被引入反应空间14的工艺气体的总流速为约2.5sccm/(平面电极表面28的表面面积的100cm²)，其针对本示例总计达约300sccmSiH₄和约150sccm的掺杂剂气体的工艺气体体积流速。

电源24所供应的能量为RF功率，其具有约40MHzRF频率的频率和约0.2W/（平面电极表面28的表面面积的cm²）的功率密度，其在本示例中总计达约3,500W每沉积室12。

针对将第一和第二电极18、22分离的约28mm的距离D（即约36.4mbar*mm），反应空间内的压力被保持在约1.3mbar。

衬底温度在沉积期间被保持在120℃和280℃之间。

与其中高度稀释硅烷（SiH₄）（即包括用按体积计约90%的氢气稀释的小于按体积计10%的硅烷浓度的工艺气体）的常规沉积过程相比，氢气（H₂）消耗被减少了约95%，硅烷（SiH₄）使用效率增加了约35%，并且微晶层的生长速率相比于此类常规沉积过程而言增加了约35%。

在上文已描述了说明性实施例。对于本领域的技术人员来说显而易见的是在不脱离本发明的一般范围的情况下上述设备和方法可以结合变更和修改。意图在本发明的范围内包括所有此类修改和变更。此外，在已在详细描述或权利要求中使用术语“包括”的程度上，此类术语意图以与术语“包含”类似的方式是包括性的，因为在被采用时“包含”在权利要求中被解释为过渡词语。

Claims (17)

1.一种用于生产光伏电池的沉积系统，所述沉积系统包括：

沉积室，其包围其中半导体材料将被沉积到衬底上以在衬底上形成半导体材料的微晶层的反应空间；

衬底支撑体，其在反应空间中支撑所述衬底；

第一和第二电极，其彼此相对并以距离D分离，所述第一和第二电极被操作连接至将被激励以便将等离子体点燃并在沉积的至少一部分期间保持反应空间中的等离子体的电源；

真空子系统，其至少部分地抽空所述沉积室；

输送子系统，其向所述反应空间引入工艺气体，所述工艺气体包括：来自半导体源的含半导体气体和来自稀释源的稀释剂；以及

控制器，其被编程为控制真空子系统和输送子系统中的至少一个的操作以：

在小于或等于下式的压力下在半导体材料沉积的至少一部分期间保持负压：

其中，将所述第一和第二电极分离的距离D用mm来表示，以及所述距离D大于或等于10mm且小于或等于30mm，并且

在半导体材料沉积的至少一部分期间建立工艺气体中的按体积计至少百分之五十（50%）的含半导体气体的浓度。

2.根据权利要求1所述的沉积系统，还包括衬底调节器，其向衬底提供加热效应或向衬底提供冷却效应，或者向衬底提供加热和冷却效应以建立用于半导体材料到衬底上的沉积的期望温度。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的沉积系统，其中，所述第一电极包括所述衬底支撑体。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的沉积系统，其中，由所述衬底调节器建立的衬底的期望温度在从120℃至280℃的温度范围内。

5.根据权利要求4所述的沉积系统，其中，所述温度范围从140℃至220℃。

6.根据权利要求1或权利要求2所述的沉积系统，其中，所述电源包括提供具有大于或等于35MHz的频率的RF功率的RF发生器。

7.根据权利要求6所述的沉积系统，其中，第一和第二电极中的至少一个包括平面的表面，所述平面的表面包括表面面积A，并且所述RF功率包括大于或等于表面面积A的0.1W每cm²的功率密度。

8.根据权利要求1或权利要求2所述的沉积系统，其中，所述第一和第二电极中的至少一个包括平面的表面，所述平面的表面包括表面面积A，并且所述控制器进一步被编程为建立用于被引入到反应空间的工艺气体的表面面积A的0.03sccm每cm²的流速。

9.根据权利要求1或权利要求2所述的沉积系统，其中，所述控制器被编程为在半导体材料沉积的所述部分期间保持按体积计百分之七十（70%）以上的工艺气体中的含半导体气体的浓度。

10.根据权利要求1或权利要求2所述的沉积系统，其中，所述工艺气体包括按体积计百分之七十五（75%）的作为含半导体气体的硅烷（SiH₄）和按体积计百分之二十五（25%）的作为稀释剂的氢气（H₂）。

11.根据权利要求1或权利要求2所述的沉积系统，其中，所述输送子系统引入与稀释剂组合的掺杂剂，其中，所述掺杂剂包括将被包含在微晶层中以建立掺杂微晶层的杂质。

12.一种用于在沉积系统的沉积室中向衬底上沉积半导体材料的方法，所述沉积系统还包括以距离D分离并被操作连接至电源以便在沉积室中建立等离子体的第一和第二电极、用于至少部分地将沉积室抽空的真空子系统以及用于向沉积室引入工艺气体的输送子系统，所述方法包括：

用控制器接收在半导体材料沉积的至少一部分期间将在沉积室内建立的负压，所述负压小于或等于：

其中，用mm来表示将所述第一和第二电极分离的距离D；

传送压力信号，所述压力信号控制真空子系统的操作以至少部分地抽空沉积室并建立接收到的负压；

用控制器来传送等离子体信号，所述等离子体信号控制电源以激励所述第一和第二电极并在沉积室内建立等离子体；以及

传送流量信号，所述流量信号控制输送子系统的操作以向沉积室中引入含半导体气体和稀释剂以在沉积的至少一部分期间在沉积室内建立按体积计至少百分之五十（50%）的含半导体气体的浓度，

其中，所述压力信号包括将负压保持在从0.8mbar至小于或等于3.0mbar范围内的指令。

13.根据权利要求12所述的方法，所述沉积系统还包括向衬底提供加热效应和冷却效应中的一个或两个的衬底调节器；

用控制器接收用于沉积的衬底的目标温度；

传送温度信号，所述温度信号控制衬底调节器将衬底的温度提高或降低或提高和降低至目标温度的温度。

14.根据权利要求12或权利要求13所述的方法，其中，接收到的目标温度为至少120℃且不大于280℃。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述接收到的目标温度为至少140℃且不大于220℃。

16.根据权利要求12或权利要求13所述的方法，其中，所述第一和第二电极中的至少一个包括平面的表面，所述平面的表面包括表面面积A，且所述流量信号包括用于调整流量调节器以建立被引入反应空间的工艺气体的表面面积A的0.03sccm每cm²期望流速的指令。

17.根据权利要求12或权利要求13所述的方法，还包括传送掺杂剂信号，所述掺杂剂信号控制输送子系统的操作以与稀释剂相组合地引入掺杂剂，其中，所述掺杂剂包括修改微晶层的本征导电性以建立掺杂微晶层的杂质。