CN103972327A - 用于高效钝化硅太阳能电池的原位硅表面预清洗 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施方式一般涉及用于制造光生伏打装置的方法，以及更具体地涉及用于原位清洗太阳能电池基板的方法。在一个实施方式中，提供了一种制造太阳能电池装置的方法。所述方法包括以下步骤：将单结晶硅基板或多结晶硅基板暴露于湿法清洗工艺，以清洗所述结晶基板的表面，将所述结晶硅基板装载入具有真空环境的处理系统；在所述处理系统的所述真空环境中，将所述结晶硅基板的至少一个表面暴露于原位清洗工艺；以及在所述处理系统中，在所述结晶硅基板的至少一个表面上形成一或多个钝化层。

Description

用于高效钝化硅太阳能电池的原位硅表面预清洗
技术领域
本发明的实施方式一般涉及用于制造光生伏打装置的方法，以及更具体地涉及用于原位清洗太阳能电池基板的方法。
背景技术
太阳能电池是将阳光直接转换成为电能的光生伏打装置。在太阳能电池中使用的最常见材料是硅，硅通常是单结晶硅、多结晶硅，或非晶硅的形式。转换成电能的光与照射到太阳能电池的前表面或光接收表面上的光量的比率是太阳能电池效率的一个量度。制造技术的改良承担着提高太阳能电池的总效率同时维持或者降低制造成本的任务。
经由在太阳能电池背表面上使用钝化层可以增进太阳能电池的效率。当光从一个介质传递到另一个介质时，例如从空气到玻璃，或者从玻璃到硅，所述光中的一些光可能会从所述两个介质之间的界面反射出来。光的被反射部分是所述两个介质之间的折射率差的函数，其中两个相邻介质的更大折射率差会导致从所述两种介质之间的界面反射更大部分的光。设置在所述太阳能电池背表面上的各个层可以，诸如由所述两种介质之间的界面引起的，将光反射回硅中，以及提高所述太阳能电池的效率，在所述硅中所述反射光可以被吸收。
太阳能电池将入射光能量转变成电能的效率受许多因素的不利影响。这样的因素包括从太阳能电池的光接收表面反射出来的入射光的部分、未从所述太阳能电池的背表面反射出来的入射光的部分，未被所述电池结构吸收的任何其他入射光，以及在所述太阳能电池内的电子和空穴的复合率。每当电子空穴对复合时，载流子被去除，从而降低了太阳能电池的效率。复合可能会发生在基板的体硅中，所述复合是体硅中缺陷数量的函数；或者复合可能发生在基板的表面上，所述复合是所述基板表面上的非终止化学键数量的函数。
钝化层的一个功能是最小化太阳能电池背表面处的载流子复合。一种改善钝化层的钝化功能的方式是具有在所述钝化层中可用的充分的氢源，以用于体钝化和表面钝化。另一种改善所述钝化层功能的方式是在所述钝化层中提供负电荷或者有限量的净正电荷，以阻止分路电流的形成。分路电流是在所述太阳能电池的前表面触点和后表面触点之间不希望的电线短路。使用钝化层对太阳能电池进行彻底钝化经由降低复合率而极大地改善了太阳能电池的效率。
结晶硅太阳能电池的当前制造工艺通常包括在沉积所述钝化层之前定期清洗所述结晶硅基板，以用有效的方法从太阳能电池基板去除氧化物和其他杂质。在沉积表面钝化层之前，通常使用非原位湿法工艺清洗所述结晶硅基板。然而，在将所述结晶硅基板装载入钝化层沉积工具后，所述结晶硅基板的表面仍然可能会由于种种原因被污染，例如，由于在处理腔室内存在有机污染物。
因此，存在对有效的原位清洗工艺的需要，所述原位清洗工艺将会与有效和高产量的生产系统很好地集成。
发明内容
本发明的实施方式一般涉及用于制造光生伏打装置的方法，以及更具体地涉及用于原位清洗太阳能电池基板的方法。在一个实施方式中，提供了一种制造太阳能电池装置的方法。所述方法包括以下步骤：将单结晶硅基板或多结晶硅基板暴露于湿法清洗工艺，以清洗所述结晶基板的表面；将所述结晶硅基板装载入具有真空环境的处理系统；在所述处理系统的所述真空环境中，将所述结晶硅基板的至少一个表面暴露于原位清洗工艺；以及在所述处理系统中，在所述结晶硅基板的至少一个表面上形成一或多个钝化层。
在另一实施方式中，提供了一种制造太阳能电池装置的方法。所述方法包括以下步骤：将所述结晶硅基板装载入具有真空环境的处理系统；在所述处理系统的所述真空环境中，将所述结晶硅基板暴露于含氢的等离子体；以及在所述处理系统中，在所述结晶硅基板的至少一个表面上形成一或多个钝化层。
附图说明
因此，可详细理解本发明的上述特征结构的方式，即上文简要概述的本发明的更具体描述可参照实施方式进行，一些实施方式图示于附图中。
图1A到图1C是图示根据本文描述的实施方式在太阳能电池处理序列的不同阶段的太阳能电池基板的示意性横截面图；
图1D是根据本文描述的实施方式形成的太阳能电池装置的示意性横截面图；
图2是图示根据本文描述的实施方式于处理系统中在基板上执行的处理序列的方块图；以及
图3是根据本文描述的实施方式的处理系统的一个实施方式的示意性等轴视图。
然而，应注意，附图仅图示本发明的典型实施方式，且因此不应被视为本发明范围的限制，因为本发明可允许其他等效的实施方式。
具体实施方式
本发明的实施方式一般涉及用于制造光生伏打装置的方法，以及更具体地涉及用于原位清洗太阳能电池基板的方法。本文描述的实施方式可用于使用反应性的等离子体、基于溅射的工艺和/或基于非等离子体的工艺来有效地清洗硅基太阳能基板。在某些实施方式中，含有柔性H2或Ar的等离子体可用于清洗结晶硅基板的受污染表面。如本文所证明的，随着经由将结晶硅(crystalline silicon;c-Si)太阳能基板暴露于AKT5500PECVD工具上电容耦合的(CCP)射频H2等离子体（300W，30秒）以将所述测得的少数载流子寿命从约1毫秒增加到大于2毫秒，晶片表面复合率显著地降低，其中所述AKT5500PECVD工具可以从Applied Materials，Inc（应用材料公司）购得。
不被理论束缚地，人们相信由H2等离子体产生的原子H+会显著地从所述c-Si表面降低并且甚至蚀刻掉天然氧化物、钝化表面缺陷并且甚至去除有机污染物。氩等离子体清洗是一种溅射工艺，所述工艺对去除天然的以及后形成的氧化物以及有机污染物和其他杂质具有低选择性。添加Ar到H2等离子体（即，H2/Ar等离子体）可以增强c-Si表面清洗，同时仍然保持良好的表面钝化。
除用于c-Si表面预清洗的H2、Ar和H2/Ar等离子体化学之外，其他含氢气体（诸如NH3、CH4）和含氧气体（诸如O2、O3、N2O、CO和CO2）也可以用于本文描述的实施方式。可以提供惰性气体，诸如Ar或He，来稳定化所述等离子体。含卤素气体，诸如F2、HF、NF3、Cl2、HCl等可用于更具侵袭性的清洗和蚀刻。
用于本文描述的实施方式的适当等离子源可以基于DC、LF、RF、VHF或微波放电（CCP、电感耦合等离子体(ICP)、远程或者磁性增强的）。等离子体源或离子源可以呈点配置或线性配置。热灯丝可用于产生高密度的原子团（例如，氢原子团）。紫外光(UV)源也可以用于产生高密度的原子团。基于非等离子体的清洗工艺包括气相（例如，热的O3、UV激发的Cl2）清洗，或者混合液体（蒸汽）/气体喷嘴喷淋清洗工艺(例如，HF蒸汽/N2等等)。
用于c-Si表面预清洗的等离子体源或离子源可以实施成组合工具、线性型工具或者分批式工具。所述等离子源可以实施于工艺腔室、预热腔室、缓冲腔室或者专用的预清洗腔室中。原子氢或者任何其他离子或原子团可以经由远程源产生，并且被注入到各腔室之间的通道，或者被注入到任何适当的腔室中。
然而，必须考虑c-Si表面的等离子体损伤，因为过度蚀刻将会损伤c-Si表面的电子性质。可以经由在受损伤的c-Si表面区域会重构或再结晶的温度下使所述基板退火来修补等离子体损伤，并且可以抑制缺陷和使缺陷退火。例如，在等离子体或者原子团清洗期间，可以在从约550摄氏度到800摄氏度的温度下，或者更确切地说约700摄氏度的温度下修补等离子体损伤。
在某些实施方式中，在将c-Si基板暴露于非原位湿法清洗工艺之后，所述c-Si基板被装载到入口腔室(entry loadlock)中并进行抽气，所述基板被传递到预热腔室并且经历使用线性的或者点状的等离子体/离子源进行的对c-Si基板表面的预清洗。所述等离子体/离子源可以产生H2、Ar或Ha/Ar等离子体。所述c-Si基板可以用灯辐射和/或电阻加热器加热到适当的高温，以用于有效的表面清洗和损伤恢复。在表面预清洗之后，所述c-Si基板可以移动到Al2O3或SiNx工艺腔室以沉积钝化层。
在某些实施方式中，分别使用安装用于沉积腔室中的预清洗和沉积的专用源来在钝化层沉积腔室（例如，所述Al2O3或者SiNx工艺腔室）中执行c-Si基板表面预清洗工艺。
图1A到图1C是根据本文描述的实施方式图示在太阳能电池处理序列的不同阶段的太阳能电池基板100的示意性横截面图。图1D是根据本文描述的实施方式形成的太阳能电池装置190的示意性横截面图。根据本文描述的某些实施方式，本文描述的所述工艺步骤也可以在下文描述的处理系统中执行。
图1A图示太阳能电池基板110的横截面图，所述太阳能电池基板110具有形成在太阳能电池基板110上的污染物层160。所述污染物层160可以包括下列任何物质：天然氧化物、表面缺陷、有机污染物和这些物质的组合。在太阳能电池基板110从一个位置运输到另一位置期间，所述污染物层160可能会形成在所述太阳能电池基板110的表面上。在某些实施方式中，当所述太阳能电池基板110从非原位位置（诸如，湿法清洗腔室）移动到用于附加处理的处理系统时，可能会形成所述污染物层160。在某些实施方式中，当太阳能电池基板在处理系统内原位移动时，所述污染物层可能会形成在所述太阳能电池基板110的表面上。例如，处理系统内的各处理腔室可能含有来自在所述处理腔室中执行的先前工艺的污染物，所述污染物在所述太阳能电池基板110的表面上形成所述污染物层160。在某些实施方式中，这将会在所述太阳能电池基板110进入所述处理系统之后并且在所述太阳能电池基板110的表面上形成钝化层之前发生。应注意，虽然关于清洗沉积层（诸如，污染物层160）的表面而讨论了本文描述的某些实施方式，但是这种配置并不意图限制本发明的范围，因为本文描述的装置和清洗工艺可以在太阳能形成工艺的任何阶段中使用，而不会背离本文描述的本发明的基本范围。在某些实施方式中，在沉积钝化堆叠120和钝化堆叠140中的至少一个之前，本文描述的工艺可用于准备所述太阳能电池基板110（诸如，结晶硅基板）的表面。
太阳能电池基板110具有前表面105和背表面106，所述污染物层160可能会形成在所述前表面105上。虽然未示出，但是应理解污染物层160也可能会形成在所述背表面上。在一个实施方式中，所述太阳能电池基板110包括硅基板，所述硅基板具有设置在所述硅基板中的p型掺杂剂以形成所述太阳能电池装置190的部分，这将在下文进一步讨论。在这种配置中，太阳能电池基板110可以具有形成在所述太阳能电池基板110上的p型掺杂基区101和n型掺杂发射区102，所述形成通常使用掺杂和扩散/退火工艺，虽然包括离子植入的其他工艺也可以使用。所述基板110还包括p-n结区域103，所述p-n结区域103设置在所述太阳能电池的基区101和发射区102之间，并且所述基板110是当用来自太阳150的光的入射光子“I”照射太阳能电池装置190时产生电子空穴对的区域。
所述太阳能电池基板110可以包括单结晶硅、多结晶硅(multicrystalline silicon)或者聚结晶硅(polycrystalline silicon)，但是也可以用于包括锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、碲化镉(CdTe)、硫化镉(CdS)、铜铟镓硒化物(CIGS)、铜铟硒化物(CulnSe2)、磷化镓铟(GaInP2)、有机材料的基板，以及异质结单元（诸如，GaInP/GaAs/Ge基板或者ZnSe/GaAs/Ge基板），所述基板用于将阳光转变成电能。
图1B图示根据本文描述的实施方式在已经例如用图2中所示出的方法200去除所述污染物层160之后的太阳能电池基板110的横截面图。
图1C图示根据本文描述的实施方式的太阳能电池基板110的横截面图，所述太阳能电池基板110具有在所述太阳能电池基板110的前表面（例如，顶表面105）上的钝化/ARC层堆叠120和在所述太阳能电池基板110的背表面（例如，背表面106）上的背表面钝化层堆叠140。在一个实例中，所述钝化/ARC层堆叠120和背表面钝化层堆叠140各自含有至少两个或两个以上的沉积材料层，所述沉积材料层都在处理系统300中形成在所述基板110上。所述钝化/ARC层堆叠120可以包括第一层121和第二层122，所述第一层121与所述基板表面105接触，所述第二层122设置在所述第一层121上。在一个实例中，所述第一层121可以包括用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺形成的氮化硅(SiN)层，所述氮化硅(SiN)层的厚度在约和约之间，诸如厚度为并且具有形成在氮化硅层中的理想量(Q1)的俘获电荷，以有效地钝化所述基板表面105。
在一个实例中，所述第二层122可以包括用PECVD工艺形成的氮化硅(SiN)层，所述氮化硅层的厚度在约和约之间，诸如厚度为并且可以具有形成在氮化硅层中的理想量(Q2)的俘获电荷，以有效地帮助体钝化所述基板表面105。将会注意到的是电荷类型（诸如，基于Q1和Q2之和的正净电荷或负净电荷）是根据在基板上方形成钝化层的基板类型而择优设置的。然而，在一个实例中，希望在n型基板表面上实现在约5×1011库仑/平方厘米和约1×1013库仑/平方厘米之间的总净正电荷，而将希望在p型基板表面上实现在约5×1011库仑/平方厘米和约1×1013库仑/平方厘米之间的总净负电荷。
在这种配置中，所述背表面钝化层堆叠140可以包括第一背部层141和第二背部层142，所述第一背部层141与所述基板背表面106接触，所述第二背部层142设置在所述第一背部层141上。在一个实例中，所述第一背部层141可以包括用PECVD工艺形成的氧化铝(AlxOy)层，所述氧化铝(AlxOy)层的厚度在约和约之间，并且具有形成在所述氧化铝层中的理想量(Q3)的俘获电荷，以有效地钝化所述太阳能电池基板110的背表面106。
在一个实例中，所述第二背部层142可以包括用PECVD工艺形成的氮化硅(SiN)层，所述氮化硅层的厚度在约和约之间，并且可以具有形成在所述氮化硅层中的理想量(Q4)的俘获电荷，以有效地帮助钝化所述太阳能电池基板110的背表面106。将会注意到的是电荷类型（诸如，基于Q3和Q4之和的正净电荷或负净电荷）是根据在基板上方形成钝化层的基板类型而择优设置的。在所述太阳能电池装置190的一个实施方式中，如图1C所示，对钝化/ARC层堆叠120和背表面钝化层堆叠140的选择将会在所形成的装置中分别最小化前表面反射R1并且最大化背表面反射R2，以改良太阳能电池装置的效率。
图1D图示所形成的太阳能电池装置190的横截面图。所形成的太阳能电池装置190具有形成在太阳能电池装置190上的前侧电触点107和形成背侧电触点146的导电层145，所述背侧电触点146穿过在钝化层堆叠140中形成的过孔区域147而与基板110的表面电接触。所述导电层145和前侧电触点107可以包括金属，诸如铝(Al)、银(Ag)、锡(Sn)、钴(Co)、镍(Ni)、锌(Zn)、铅(Pb)、钨(W)、钛(Ti)、钽(Ta)、镍钒(nickel vanadium;NiV)或者其他类似的材料，以及这些材料的组合。
图2是图示根据本文描述的实施方式于处理系统中在基板上执行的处理序列200的方块图。所述工艺序列可用于从如在图1A中所描述的所述太阳能电池基板110去除所述污染物层160，以及形成在图1D中描绘的所述太阳能电池装置190。所述工艺序列200可以在具有适合于执行本文描述的预清洗工艺的源（例如，等离子体、原子团或者离子）的任何系统中执行。本文描述的实施方式可以在系统上执行的示例性系统类型包括组合系统、线性型系统，或者分批式系统。一个示例性的处理系统300描绘于图3中。
在方块210，将可能类似于太阳能电池基板110的基板暴露于湿法清洗工艺。在将基板110插入所述处理系统300之前，在所述基板110上执行所述清洗工艺。所述湿法清洗工艺通常用于去除可能会影响钝化层性质和/或污染所述处理系统300的处理区域的任何不希望的材料。所述基板110可以使用湿法清洗工艺清洗，在所述湿法清洗工艺使用清洗液，诸如高频持续型清洗液、臭氧水清洗液、氢氟酸(HF)溶液以及过氧化氢(H2O2)溶液，或者其他适当的清洗液。在一些配置中，所述基板110可以是单结晶硅基板或多结晶硅基板、含硅基板、含掺杂硅的基板，或者其他适当的基板。在本文描绘的实施方式中，所述基板110是p型结晶硅(c-Si)基板，如以上结合图1A-1D讨论的。
在方块220处，将所述基板110装载入处理系统，诸如处理系统300。所述基板110可以被装载入基板接收腔室，诸如基板接收腔室305。可以从一或多个模块化基板传送带接收所述基板110，所述模块化基板传送带配置用于接收含有多个基板的盒或堆叠箱。在一种配置中，设置在所述基板接收腔室305中的致动器组件（例如，传送带、机械手）被配置成将基板从标准大气压下的所述模块化基板传送带传递入动态负载锁定腔室，以便所述基板随后可以移动穿过耦接到所述处理系统300中的处理区域的所述处理腔室。
在方块230，可以将基板110暴露于预热工艺，以准备基板用于清洗或者进一步的工艺。所述基板110穿过一或多个腔室传递，以准备所述基板用于在后续处理腔室中执行的沉积工艺。所述预热工艺可以在配置用于充分预热基板110的任何腔室中执行。在某些实施方式中，在基板进入沉积腔室之前，所述预热工艺可以在预处理腔室（诸如预处理腔室330）中执行。在某些实施方式中，所述预热工艺可以在沉积腔室（诸如，第一处理腔室340、第二处理腔室360，以及第三处理腔室380）中执行。在某些实施方式中，可以在通道或者传递腔室（诸如，传递腔室350和370）中执行所述预热工艺。
在一种配置中，配置成预热所述基板110的腔室是配置用于当基板被传递穿过在所述腔室中建立的处理区域时输送能量（诸如，辐射热）到基板。在一个实例中，所述腔室元件配置成当基板被传递穿过所述预处理腔室的处理区域时加热所述基板到在约100摄氏度和450摄氏度之间的温度。在一些配置中，当多个基板连续传递穿过所述腔室的所述处理区域时，可以在所述基板上执行加热、清洗、干法蚀刻、掺杂或者其他类似的工艺。
在方块240，将所述基板暴露于原位清洗工艺。可以执行所述原位清洗工艺，以钝化表面缺陷和从所述基板110的表面去除污染物（例如，天然氧化物和有机污染物）。所述原位清洗工艺可以是基于等离子体的工艺、气相工艺或者混合液体（蒸汽）/气体喷嘴喷淋清洗工艺。
在处理系统（诸如，处理系统300）内执行所述原位清洗工艺。例如，可以在下列任何一者内执行所述原位等离子体清洗工艺：预处理/预热腔室、处理/沉积腔室中的任何一者，以及在使基板110传递穿过所述处理系统期间在通道/传递腔室中的任何一者。在一个实施方式中，在预处理腔室330中执行所述原位清洗工艺。
在某些实施方式中，可以在一温度范围（诸如，在小于约800摄氏度的温度处）执行所述原位清洗工艺，所述温度范围经选择以阻止太阳能电池基板110受到热损伤。不同于传统的高温工艺（例如，大于800摄氏度），低温原位等离子体工艺可以修补基板110的表面或者从所述基板110的表面去除污染物，而不会不利地影响形成在所述基板110上的薄膜性质以及现有装置性能。在一个实施方式中，可以在小于约800摄氏度的温度下执行原位等离子体工艺，诸如在约10摄氏度和约700摄氏度之间，或者在约200摄氏度和约500摄氏度之间。
在一个实施方式中，可以执行所述原位清洗工艺达约10秒到约300秒的时段，例如从约30秒到约240秒，以及在一个实施方式中从约60秒到约180秒。在其中原位清洗工艺是基于等离子体的工艺的某些实施方式中，原位等离子体工艺可以在等离子体功率处进行，诸如13.56MHz时的感应射频功率，所述感应射频功率设置为从约100瓦特到约4500瓦特，例如从约200瓦特到约3000瓦特，或者约300瓦特。可以用约百分之2到约百分之50的工作循环，或者当进行连续循环时百分之100的工作状态，以及在大约10kHz的脉冲频率进行所述等离子体工艺。在某些实施方式中，以约百分之5的工作循环脉冲输送射频功率。在某些实施方式中，在约800瓦特的设定点，以大约百分之5的工作循环脉冲输送射频功率，从而产生约40瓦特有效等离子体激励功率的有效功率。或者，可以用其他等离子源提供等离子体功率，所述其他等离子源包括电容耦合等离子体(CCP)源、电感耦合等离子体(ICP)源、远程等离子体源、磁增强等离子体源、热丝增强等离子体源、直流电源、其他适当的等离子体、离子，或者原子团来源。其他基于非等离子体的来源，诸如热丝（氢）原子团来源，可以用于实践本文描述的实施方式。
所述处理腔室可以具有从约0mTorr到约5000mTorr的压力。可选的惰性气体可以具有从约20标准立方厘米/分钟(sccm)到约200标准升/分钟(slm)的流率，或者从约200sccm到约20000sccm的流率，或者从约500sccm到约5000sccm的流率。
在某些实施方式中，用于执行所述原位清洗工艺的气体混合物可包括至少一种含氢气体，以及选择性地包括惰性气体，或者其他适当的气体。含氢气体的实例包括氢气(H2)、氨气(NH4)、甲烷(CH4)，以及这些气体的组合。所述惰性气体的实例包括氩气(Ar)或者氦气(He)。在本文描述的一个示例性实施方式中，所述气体混合物包括H2和Ar。
在某些实施方式中，用于执行所述原位清洗工艺的所述气体混合物可包括至少一种惰性气体。所述惰性气体的实例包括Ar或氦气(He)。在本文描述的一个示例性实施方式中，所述气体混合物包括Ar。
在某些实施方式中，所述基于原位的清洗工艺是基于氧的工艺。所述基于氧的工艺可以是等离子体工艺或者非等离子体工艺。所述基于氧的工艺可用于从所述基板和/或腔室元件灼烧/腐蚀掉有机污染物，以及从所述基板和/或腔室元件的表面去除/驱逐羟基种类和氢种类。在某些实施方式中，提供用于执行所述原位清洗工艺的气体混合物可包括至少一种含氧气体，以及选择性地包括含氮气体、惰性气体，或者其他适当的气体。所述含氧气体的实例包括O2、N2O、NO2、NO、O3、H2O等等。所述含氮气体的实例包括N2、NH3、N2O、NO2、NO等等。所述惰性气体的实例包括Ar或He。在某些实施方式中，所述气体混合物可至少包括含氧气体。在另一实施方式中，所述气体混合物可至少包括含氮气体和/或含氧气体。或者，所述惰性气体可以与所述气体混合物中的含氧气体、含氮气体，或者这些气体的组合一起供应。在本文描述的一示例性实施方式中，在所述气体混合物中供应的所述含氧气体是N2O或者O2。在某些实施方式中，所述含氧等离子体工艺或者基于非等离子体的工艺是气相（受热O3）清洗或者混合液体（蒸汽）/气体喷嘴喷淋清洗。
在某些实施方式中，用于执行所述原位清洗工艺的气体混合物可包括至少一种含卤素气体，以及选择性地包括惰性气体，或者其他适当的气体。所述含卤素气体的实例可包括F2、HF、NF3、Cl2、HCl，以及这些气体的组合。所述惰性气体的实例包括Ar或He。
在方块250，将所述基板选择性地暴露于退火工艺。通常是在处理系统（诸如，处理系统300）内执行所述退火工艺。例如，可以在下列任何一者内执行所述退火工艺：预处理/预热腔室、处理/沉积腔室中的任何一者，以及在使基板110传递穿过所述处理系统期间在通道/传递腔室中的任何一者。在一个实施方式中，在预处理腔室330中执行所述退火工艺。所述退火工艺可以被执行用于修补由所述原位等离子体清洗工艺造成的任何等离子体损伤。可以经由在受损伤的c-Si表面区域会重构或再结晶的温度下执行所述退火工艺，并且可以抑制缺陷和使缺陷退火。可以在550到800摄氏度范围内的温度执行所述退火工艺。在某些实施方式中，可以在大约700摄氏度执行所述退火工艺。适当的退火技术包括在真空状态中或者标准大气压下的传统炉内退火，诸如H2或者合成气体（H2/N2混合物）内的快速热退火；或者包括快速和选择性的电磁(射频或微波)退火方法，所述退火方法可以实现更低的热平衡。
在方块260，在所述基板110上形成钝化层。在某些实施方式中，在处理腔室中在具有光接收表面105和背表面106的太阳能电池基板110上形成一或多个钝化层堆叠120和140，其中在所述基板上所述背表面106通常与所述光接收表面105平行并且相对。通常，将所述基板110引入到处理腔室（诸如，等离子体增强化学气相沉积(PECVD)腔室）中，所述PECVD腔室可以从加利福尼亚州、圣克拉拉市的应用材料公司购得。沉积腔室340、360和380中的任何一者可以配置作为PECVD腔室。在共同受让的美国专利申请案第13/732，662号，现公开为美国专利2013-0171757中公开了可以适合于执行本文描述的一或多个工艺的PECVD腔室设计的实例。
在方块260，当使用基板自动化系统相对于沉积源传递所述基板时，使用两个或更多个沉积源在所述太阳能电池基板110的前表面105上形成钝化/ARC层堆叠120的一或多个层，其中所述沉积源设置在设置于处理腔室340中的处理区域的一部分中。在一个实施方式中，所述钝化/ARC层堆叠120可以包括两个或更多个抗反射/钝化层，所述抗反射/钝化层可以包括氧化硅和/或氮化硅。在一个实例中，在处理腔室中的处理期间，第一气源和第二气源配置成经由使用设置在所述处理腔室340中的所述沉积源而输送一或多个前驱物气体或者载气到所述基板110的所述表面。所述第一气源和所述第二气源可以适合于输送硅烷(SiH4)、氨气(NH3)、氮气(N2)和氢气(H2)到形成在所述基板110上的所述处理区域。所述电源可以适合于输送射频能量（例如，在高达13.56MHz时为100W到4kW）到所述工艺气体，所述工艺气体设置在所述基板110上的所述处理区域中。在一个实施方式中，所述第一沉积源和所述第二沉积源配置成经由以约1：1或更小的比率（N2/SiH4）提供氮气(N2)和硅烷(SiH4)而形成所述钝化/ARC层堆叠120的第一层121，同时经由使用加热元件使所述基板维持在约300-450℃之间的温度，经由电源提供约2000到10000瓦特（例如，4000瓦特）的射频功率，以及维持约10mTorr的处理压力，从而在所述基板110的所述表面上形成厚度在约和约之间的氮化硅(SiN)层。第三沉积源和第四沉积源配置成经由以约1：1或更大的比率（N2/SiH4）提供氮气(N2)和硅烷(SiH4)以及用约1：1的比率（NH3/SiH4）提供氨气(NH3)和硅烷而在所述第一层121上形成所述钝化/ARC层堆叠120的第二层122，同时经由使用加热元件使所述基板维持在约300-450℃之间的温度，经由电源提供约2000到10000瓦特（例如，4000瓦特）的射频功率，以及维持约10mTorr的处理压力，从而在所述基板的所述表面上形成厚度在约和约之间的氮化硅(SiN)层。
选择性地使所述基板110重定向，以便可以在所述基板110的所述背表面106上执行沉积工艺，所述背表面106在所述基板110上与所述前表面105相对的一侧上。在所述处理序列200的一种配置中，所述基板110均被分组重定向（例如，至少一列基板（在双行（R1-R2）配置中的两个基板））。可以在传递腔室（诸如，传递腔室350和370）中重定向所述基板110。在一个实例中，为了使所述基板被重定向，设置在所述基板自动化系统上的所述基板被分组传递到重定向装置，以及随后设置在所述基板自动化系统上的所有基板都暂时地停止，以便所述重定向装置可以将所述基板的所述定向从朝上配置“翻转”为朝下配置。在2013年1月2日提交的共同受让的美国专利申请案第13/732，662号，现公布为美国专利2013-0171757的段落[0082]-[0086]中描述以及图7A-7B中描绘了一种示例性的重定向装置。
在某些实施方式中，在重定向所述基板110之后，在沉积所述背表面钝化层堆叠140之前清洗所述基板110的所述第二表面106可能是合乎需要的。可以使用在方块240中描述的工艺清洗所述基板110的所述第二表面106。
在所述基板110的所述第二表面106（例如，背表面）上沉积背表面钝化层堆叠140。所述背表面钝化层堆叠140可以是提供良好的界面性质的介电层，所述界面性质降低在所形成的太阳能电池装置中的复合失败。在一个实施方式中，所述背表面钝化层堆叠140可以是用介电材料制造的，所述介电材料选自由以下物质组成的组：氮化硅(Si3N4)、氮化硅氢化物(SixNy：H)、氧化硅、氮氧化硅、氧化硅和氮化硅的复合薄膜、氧化铝层、氧化钽层、氧化钛层，或者任何其他适当的材料。在一种配置中，所述背表面钝化层堆叠140包括第一背表面层141，所述第一背表面层141包括氧化铝层(Al2O3)。当使用基板自动化系统相对于沉积源传递所述基板时，可以经由使用两个或更多个沉积源形成所述氧化铝层(Al2O3)，所述沉积源设置在设置于处理腔室（诸如，处理腔室360）中的处理区域的部分中。在一个实例中，在处理腔室中的处理期间，第一气源和第二气源配置成经由使用设置在所述处理腔室360中的所述沉积源而输送一或多个前驱物气体或者载气到所述基板110的所述表面。所述第一气源和所述第二气源可以适合于输送三甲基铝(TMA)和氧气(O2)到形成在所述基板110上的所述处理区域中。所述电源可以适合于输送射频能量（例如，在高达13.56MHz时为100W到10kW）到所述工艺气体，所述工艺气体设置在所述基板110上的所述处理区域中。在所述工艺序列200的一个实施方式中，所述第一沉积源和所述第二沉积源配置成经由以约1：3的比率（TMA/O2）提供三甲基铝(TMA)和氧气(O2)而形成所述第一背表面层141，同时经由使用加热元件使所述基板维持在约350℃的温度，经由电源提供约4000瓦特的射频功率，以及维持约10mTorr的处理压力，从而在所述基板110的所述表面上形成厚度在约50埃(Angstroms;)和约之间的氧化铝(Al2O3)层。
选择性地，所述背表面钝化层堆叠140中的所述第二背表面层142是沉积在设置于所述基板110的所述第二表面106（例如，背表面）上的所述第一背表面层141上。所述第二背表面层142可以是介电层，所述介电层提供良好的绝缘性质、体钝化性质，以及充当针对后续的金属化层的扩散阻挡层。当相对于沉积源传递所述基板时，可以经由使用两个或更多个沉积源在所述基板110的所述第二表面106上形成所述第二背表面层142，所述沉积源设置在设置于处理腔室（诸如，处理腔室380）中的处理区域的部分中。在一个实例中，所述第二背表面层142可以包括一或多个钝化层，所述钝化层可以包括氮化硅。在一个实例中，在处理腔室中的处理期间，第一气源和第二气源配置成经由使用设置在所述处理腔室中的所述沉积源而输送一或多个前驱物气体或者载气到所述基板110的所述表面。所述第一气源和所述第二气源可以适合于输送硅烷(SiH4)、氨气(NH3)、氮气(N2)和氢气(H2)到形成在所述基板110上的所述处理区域。所述电源可以适合于输送射频能量（例如，在高达13.56MHz时为100W到10kW）到所述工艺气体，所述工艺气体设置在所述基板110上的所述处理区域中。在一个实施方式中，在所述处理腔室中，所述第一沉积源、第二沉积源、第三沉积源和第四沉积源配置成经由以约1：1或更大的比率（N2/SiH4）提供氮气(N2)和硅烷(SiH4)以及用约1：1的比率（NH3/SiH4）提供氨气(NH3)和硅烷而在所述第一背表面层141上形成所述第二背表面层142，同时经由使用加热元件使所述基板维持在约300-450摄氏度之间的温度，经由电源提供约4000瓦特的射频功率，以及维持约10mTorr的处理压力，从而在所述基板的所述表面上形成厚度在约400埃(Angstroms;)和约之间的氮化硅(SiN)层。
在基板110离开所述处理系统300之前，可以在处理腔室（诸如，处理腔室390）中进一步处理所述基板110。根据帮助可靠地形成理想的太阳能电池装置的需要，可以在一或多个附加处理腔室中执行这些后处理步骤。在一个实施方式中，所述后处理步骤可包括热处理（例如，快速热退火、掺杂剂推进步骤）步骤，激光烧蚀所述基板110的区域以在所述基板的两个表面上形成的钝化层中开过孔，从而随后在所述基板110的所述表面上形成背面场(back-surface-field;BSF)区域和电触点，和/或其他沉积工艺步骤（诸如，PVD或蒸发型接触层沉积步骤）。在一个实例中，在所述处理腔室390中经由蒸发过程在所述背表面钝化层堆叠140上沉积含铝层，以在所述基板110的所述背表面106的部分中形成金属触点。可能已经使用激光烧蚀工艺形成了制造在所述基板110上的接触区域，所述激光烧蚀工艺是在所述背表面钝化层堆叠140形成之后以及在所述铝层沉积工艺步骤之前执行的。
图3是根据本文描述的实施方式的处理系统300的一个实施方式的示意性等轴视图。本发明的实施方式通常提供高产量的基板处理系统300，或者组合工具，以用于原位清洗和处理用于形成太阳能电池装置的区域的薄膜堆叠。在一种配置中，在所述处理系统300中原位清洗太阳能电池基板，并且在各个基板上形成一或多个薄膜堆叠。所述薄膜堆叠可能含有一或多个钝化层或介电层，所述钝化层或介电层在所述高产量的基板处理系统300内含有的一或多个处理腔室中沉积和进一步地处理。所述处理腔室可以是，例如等离子体增强化学气相沉积(PECVD)腔室、低压化学气相沉积(LPCVD)腔室、原子层沉积(ALD)腔室、物理气相沉积(PVD)腔室、热处理腔室（例如，RTA或者RTO腔室）、预热腔室、预清洗腔室、基板重定向腔室（例如，翻转腔室），和/或其他类似的处理腔室。
所述高产量的基板处理系统300可包括一或多个沉积腔室，在所述一或多个沉积腔室中基板暴露于一或多个气相材料和射频等离子体。在一个实施方式中，所述处理系统300包括至少一个PECVD处理腔室，所述PECVD处理腔室已经适合于当多个基板在线性方向穿过所述系统300时同时地处理所述基板。在一个实施方式中，各太阳能电池基板同时地在真空或惰性环境中穿过所述线性系统300，以防止基板污染和改良基板产量。在某些实施方式中，所述基板是以线性阵列排列的以用于与处理基板的垂直堆叠（例如，堆叠在盒中的多批基板）相反地处理基板，或者以平面基板阵列（所述基板通常在同批次中于基板载体上传递）排列，对线性阵列排列的基板的这种处理使得各个基板直接地和均匀地暴露于所产生的等离子体、辐射热和/或工艺气体。所述线性阵列可以含有所述基板的子集或组，当所述基板连续地传递穿过所述处理系统时，所述基板经受类似的处理。在这种配置中，所述基板子集或组通常是以线性阵列设置的基板，所述基板以垂直于基板传递方向的方向类似地对准，并且因此在所述处理序列的任何给定时间将会经受类似的处理。因此，处理以线性阵列设置的基板组并不依靠扩散型工艺或者从一个基板到下一个基板的连续能量转移，诸如在传统配置的垂直堆叠或背对背分批基板处理中不理想地建立的。
本文公开的本发明的实施方式可用于在高产量的基板处理系统300中快速地形成下一代太阳能电池装置。在一些配置中，下一代太阳能电池装置将会含有多个沉积层，诸如在所述处理系统300中形成在太阳能电池基板的两面上的先进的钝化层（即，钝化层堆叠120和140）在所述基板的两面上形成层（诸如，具有减少的污染物的高品质钝化层）可以减少载流子复合、将电子和空穴重定向回太阳能电池以产生理想的光电流，以及充当背侧反射镜以更好地收集入射太阳能。然而，如本领域技术人员将了解的，对于太阳能电池制造行业，处理系统在基板的两面上形成和处理多个高品质层，同时维持高基板产量（例如，每小时大于3000块基板）和提供可重复和理想的薄膜品质的能力已经是难以捉摸的。本文描述的处理系统配置因此通常配置成在太阳能电池基板的两个表面上可靠地形成高品质、先进的钝化层。
在一个实施方式中，所述基板处理系统300可包括基板接收腔室305、预处理腔室330、维持在标准大气压以下压力的至少一个处理腔室（诸如，第一处理腔室340、第二处理腔室360和第三处理腔室380）、至少一个传送腔室（诸如，传送腔室350和370）、缓冲腔室390和基板卸载腔室395。总体来说，所述处理腔室330-390可包括下列腔室类型中的一者：预清洗腔室、预热腔室、PECVD腔室、LPCVD腔室、热丝腔室、热丝化学气相沉积(HWCVD)腔室、离子植入/掺杂腔室、等离子体氮化腔室、原子层沉积(ALD)腔室、物理气相沉积(PVD)或溅射腔室、等离子体或蒸汽化学蚀刻腔室、热处理腔室（例如，RTA或RTO腔室）、基板重定向腔室（例如，翻转腔室），和/或其他类似的处理腔室。在2013年1月2日提交，共同受让的美国专利申请案第13/732，662号中公开了对经由本文实施方式可以用来钝化结晶硅太阳能电池的先进平台的进一步描述。
在某些实施方式中，所述工艺可以经由下列步骤进行：在预处理腔室330中将所述基板暴露于原位预清洗工艺，以及在第一处理腔室340和第二处理腔室360中处理所述基板；在基板重定向腔室中翻转所述基板；以及在类似于所述第一处理腔室的第三处理腔室中和类似于所述第二处理腔室的第四处理腔室中进一步处理所述基板。在本实施方式中，可以在所述基板的光接收表面和背表面两者上形成钝化层堆叠。可以预期也可以执行其他处理序列来实现所需的钝化层堆叠沉积，并且上述实施方式不应理解为限制本发明。
通常，所述处理系统300包括系统控制器310，所述系统控制器310配置成控制所述系统的自动化方面。所述系统控制器310促进对整个基板处理系统300的控制和自动化，并且可包括中央处理器(CPU)（未示出）、存储器（未示出）以及辅助电路(或者I/O)（未示出）。所述CPU可以是任何形式的计算机处理器中的一种，所述计算机处理器在工业设置中用于控制各个腔室工艺和硬件（例如，传送带、电动机、流体输送硬件等等）并监控所述系统和腔室工艺（例如，基板位置、工艺时间、检测器信号等等）。所述存储器接到所述CPU，并且所述存储器可为随时可用的存储器中的一或多者，诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、软盘、硬盘，或任何其他形式的本地或远程数字存储器。软件指令和数据可以被编码和存储在所述存储器内，用于指示所述CPU。所述辅助电路还连接至所述CPU，以用于以传统方式支持所述处理器。所述辅助电路可包括高速缓冲存储器、电源、时钟电路、输入/输出电路系统、子系统等等。可由所述系统控制器310读取的程序（或者计算机指令）确定哪些任务在基板上是可执行的。更好地，所述程序是可由所述系统控制器310读取的软件，所述程序包括代码以至少产生和存储基板的位置信息、各个受控组件的运动顺序，以及这些事物的组合。
实例：
提供下列非限制性的实例以进一步地说明本文描述的实施方式。然而、所述实例并不意图为包括一切的，以及并不意图限制本文描述的实施方式的范围。
在从应用材料公司购得的AKT-5500PECVD腔室中对p型CZ裸硅晶片执行范例#1-3。将所述裸晶片暴露于热传递工艺，以将所述晶片暴露于在所述PECVD腔室中可能存在的残余污染物。所述热传递工艺可以用或者不用灯加热来执行。示例性的热传递工艺包括：预处理腔室PH2，330：20%灯功率，加热器温度650℃；AIO处理腔室，340：加热器温度650℃；传递腔室PH3，350：20%灯功率，加热器在室温下；SiN处理腔室，360：加热器温度700℃。所述热传递工艺可以在未沉积和未暴露于等离子体的情况下执行，以监控所述腔室环境。在暴露于所述热传递工艺之后，测量并在标签为“测得的热传递(Hot Pass as measured)”的栏中公开少数载流子寿命。在所述热传递工艺之后，将范例#1暴露于氢等离子体（300W）达30秒的时段；将范例#2暴露于氢等离子体（900W）达30秒的时段；以及将范例#3暴露于氩等离子体（900W）达30秒的时段。如表1所示，范例#1和范例#3两者的少数载流子寿命在等离子体处理之后均获得改良。然而，范例#2显示所述少数载流子寿命减少。据信在范例#2的氢等离子体期间的功率过高，导致了硅表面的损伤。
表1。
如表1所证明的，随着经由将结晶硅(c-Si)太阳能基板暴露于AKT5500PECVD工具上电容耦合的(CCP)射频H2等离子体（300W，30秒）以将所述测得的少数载流子寿命从约1毫秒增加到大于2毫秒，晶片表面复合率显著地降低，其中所述AKT5500PECVD工具可以从Applied Materials，Inc（应用材料公司）购得。
尽管上述内容是针对本发明的实施方式，但可在不脱离本发明的基本范围的情况下设计本发明的其他和进一步实施方式，且本发明的范围是由以下权利要求书来确定。

Claims (15)

1.一种制造太阳能电池装置的方法，包括：
将单结晶硅基板或多结晶硅基板暴露于湿法清洗工艺，以清洗所述结晶硅基板的表面；
将所述结晶硅基板装载入具有真空环境的处理系统；
在所述处理系统的所述真空环境中，将所述结晶硅基板的至少一个表面暴露于原位清洗工艺；以及
在所述处理系统的所述真空环境中，在所述结晶硅基板的所述至少一个表面上形成一或多个钝化层。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述原位清洗工艺包括将所述结晶硅基板暴露于含氢等离子体。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述含氢等离子体进一步包括选自由以下物质构成的组的惰性气体：氩气、氦气，以及这些气体的组合。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述含氢等离子体包括选自由以下物质组成的组的含氢气体：氢气、氨气、甲烷，以及这些物质的组合。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述原位清洗工艺包括将所述结晶硅基板暴露于含氧气体，所述含氧气体选自由以下物质组成的组：O2、O3、N2O、CO2、CO，和这些物质的组合。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述原位清洗工艺包括将所述结晶硅基板暴露于含卤素的等离子体，所述含卤素的等离子体包括选自由以下物质组成的组的含卤素气体：F2、HF、NF3、Cl2、HCl，以及这些物质的组合。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述原位清洗工艺包括将所述结晶硅基板暴露于含氩等离子体。
8.如权利要求1所述的方法，进一步地包括：于所述处理系统的所述真空环境中将所述结晶硅基板的至少一个表面暴露于原位清洗工艺之后，以及于所述处理系统的所述真空环境中在所述结晶硅基板的至少一个表面上形成一或多个钝化层之前，使所述结晶硅基板退火。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在500到800摄氏度范围内的温度执行使所述结晶硅基板退火的步骤。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述处理系统中于真空状态下，在以下至少一者中执行所述原位清洗工艺：处理腔室、预热腔室、缓冲腔室、在各腔室之间的通道，以及专门的预清洗腔室。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述原位清洗工艺是基于等离子体的工艺。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述等离子体由等离子源形成，所述等离子源选自以下等离子源：电容耦合等离子源、电感耦合等离子体源、远程等离子体源、磁增强等离子体源、热丝增强等离子体源、直流电源和射频（RF）源。
13.如权利要求1所述的方法，进一步地包括：在将所述结晶硅基板装载入具有真空环境的处理系统之前，将所述结晶硅基板暴露于非原位湿法清洗工艺。
14.如权利要求1所述的方法，进一步包括：在所述处理系统的所述真空环境中，在将所述结晶硅基板装载入具有真空环境的处理系统之后，以及在将所述结晶硅基板的至少一个表面暴露于原位清洗工艺之前，将所述基板预热到在约100摄氏度和450摄氏度之间的温度。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在约200摄氏度和约500摄氏度之间的温度执行所述原位等离子体工艺。
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