CN110699674B - 一种低频pecvd沉积氧化铝的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低频PECVD沉积氧化铝的方法，该方法是以三甲基铝为原料，以O2、水蒸气、乙醇蒸气中的其中一种含氧物质为氧化剂，通过低频PECVD法制备得到氧化铝。本发明低频PECVD沉积氧化铝的方法具有工艺简单、操作方便、成本低廉等优点，不仅能够省去常规方法中的后续等离子体处理步骤、降低制备成本、缩减工艺时间、提升产能，而且能够制备得到钝化效果更好的氧化铝，对于制备高光电转换效率的太阳电池以及扩大太阳电池的应用范围具有十分重要的意义。
Description
技术领域
本发明属于太阳电池用氧化铝制备领域，涉及一种低频PECVD沉积氧化铝的方法。
背景技术
太阳电池的表面钝化分为两类：化学钝化和场效应钝化。硅片表面由于晶格周期排列的截止，含有大量的硅悬挂键，形成大量的表面缺陷态，具有较大的表面载流子复合速率，化学钝化就是利用O、H等原子填补表面空位的悬挂键形成Si-H或Si-O键，降低表面缺陷态。场效应钝化是通过内建电场来减少硅片界面处电子或空穴的浓度从而达到表面钝化的作用。由于复合过程需要同时有电子和空穴的存在，当两者在界面处的浓度在约同一个数量级(假定电子和空穴具有相同的捕获截面)时会达到最高的复合速率，其他情况下复合速率与界面处电子的浓度相关。在场效应钝化中，硅片界面处的电子或空穴的浓度被界面处的内建电场屏蔽。这种内建电场可以通过向界面下掺杂或是在界面处形成固定电荷来获得。
氧化铝(AlOx)兼具场效应钝化和化学钝化的优势，使得氧化铝薄膜广泛应用于太阳电池钝化膜。氧化铝薄膜沉积过程中大量的H和O进入膜层内，降低了硅片表面的缺陷态，化学钝化作用明显；而在Si-AlOx界面含有密度较大的固定负电荷密度，形成内建电场，屏蔽少数载流子，起到了场钝化作用。
目前，氧化铝钝化主要应用在PERC背面钝化，并通过在氧化铝薄膜上沉积氮化硅或氮氧化硅形成AlOx/SiNx或AlOx/SiOxNy/SixNy叠层钝化膜。然而，现有氧化铝(AlOx)薄膜通常是以三甲基铝(TMA)/N2O为反应气体，通过低频PECVD沉积制备得到，存在以下问题：(1)以TMA/N2O为反应气体，其中N2O氧化能力偏弱，无法向AlOx膜层中注入足够的O，从而使膜层在后续退火过程中无法形成具有场钝化作用的Al-O四面体结构，导致产生固定负电荷能力很弱，且由于O的缺失，导致无法在AlOx-Si界面处形成具有负电荷传输通道作用的SiOx界面层，降低了AlOx的场钝化作用。(2)为了弥补问题(1)中的缺陷，现有制备技术中还需要在沉积氧化铝(AlOx)薄膜后继续进行N2O(或其他含氧)等离子体处理，然而，后续处理步骤(N2O等离子体处理)的引入，不仅会使整体工艺时间增加3分钟～5分钟，导致产能降低6％～10％，而且由于N2O中含有N，当等离子体功率较高时，N2O等离子体轰击会破坏已形成的氧化铝(AlOx)薄膜，使部分N注入到AlOx中形成N-H、N-O键或间隙N原子，破坏钝化效应降低钝化性能。由此可见，获得一种工艺简单、操作方便、成本低廉的高性能氧化铝的制备方法，对于大幅缩短制备太阳电池的工艺时间以及提高太阳电池的产能具有十分重要的意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种工艺简单、操作方便、成本低廉的低频PECVD沉积氧化铝的方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种低频PECVD沉积氧化铝的方法，以三甲基铝为原料，以O2、水蒸气、乙醇蒸气中的其中一种含氧物质为氧化剂，通过低频PECVD法制备得到氧化铝。
上述的方法，进一步改进的，包括以下步骤：将基底材料置于低频PECVD沉积装置的反应腔室中，通入三甲基铝和氧化剂，控制电源的频率为30KHz～300KHz以及反应腔室的温度为200℃～400℃、压强为20Pa～500Pa，在基底材料表面沉积氧化铝，完成对氧化铝的制备。
上述的方法，进一步改进的，所述氧化剂为O2时，所述三甲基铝和氧化剂的流量比为1∶2～1∶10，所述氧化剂的流量以反应腔室单位体积计为1000slm/m3～7000slm/m3。
上述的方法，进一步改进的，所述氧化剂为水蒸气和/或乙醇蒸气时，所述三甲基铝和氧化剂的流量比为1∶1～1∶10，所述氧化剂的流量以反应腔室单位体积计为500slm/m3～8000slm/m3。
上述的方法，进一步改进的，所述三甲基铝的流量以反应腔室单位体积计为400slm/m3～3500slm/m3；所述三甲基铝通过氩气携带进入低频PECVD沉积装置的反应腔室中，所述氩气的流量以反应腔室单位体积计为600slm/m3～3000slm/m3。
上述的方法，进一步改进的，所述沉积过程中放电功率密度以基底材料单位面积计为25mW/cm2～200mW/cm2。
上述的方法，进一步改进的，所述沉积时间为40s～500s。
上述的方法，进一步改进的，所述低频PECVD沉积装置中反应腔室为平板式或管式。
上述的方法，进一步改进的，所述氧化铝的厚度为4nm～30nm。
上述的方法，进一步改进的，所述基底材料为硅片。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明提供了一种低频PECVD沉积氧化铝的方法，以三甲基铝为原料，以O2、水蒸气、乙醇蒸气中的其中一种含氧物质为氧化剂，通过低频PECVD法制备得到氧化铝。本发明中，采用低频PECVD(30-300kHz)制备氧化铝(AlOx)，通过将“以O2、水蒸气、乙醇蒸气中的其中一种含氧物质为氧化剂”替换传统方法中的“N2O”，由于本发明采用的氧化剂具有更强的氧化作用，这使得反应过程中制得的AlOx中能够产生足够的O原子，无需再进行后续的N2O/NH3等离子处理步骤，仍可使AlOx具有良好的钝化作用，从而省去了后续等离子处理步骤，节省了工艺时间(单次工艺时间由40±1分钟缩短为37±1分钟)，提升了设备产能(以5管pecvd设备为例，产能由2900片/小时提升至3120片/小时，提升幅度达到7.5％)，且本发明中采用的氧化剂的成本远低于N2O，能够大幅降低生产成本，如O2为常用气体，其成本仅为N2O的1-2％。另外，本发明采用的O2具有更强的氧化性，更利于AlOx形成更好的Al-O钝化结构，能够降低表面载流子复合速率，进而提升电池效率；本发明采用的水蒸气和乙醇蒸气，不仅具有O2的上述优点，而且由于水蒸气和乙醇蒸气中含有H原子，可以进一步加强AlOx的化学钝化能力。本发明低频PECVD沉积氧化铝的方法具有工艺简单、操作方便、成本低廉等优点，不仅能够省去常规方法中的后续等离子体处理步骤、降低制备成本、缩减工艺时间、提升产能，而且能够制备得到钝化效果更好的氧化铝，对于制备高光电转换效率的太阳电池以及扩大太阳电池的应用范围具有十分重要的意义。
(2)本发明中，通过优化电源的频率为30KHz～300KHz，相比常用的射频电源和微波电源具有成本低和辐射低的优势。
(3)本发明中，通过优化反应腔室的温度为200℃～400℃、压强为20Pa～500Pa，该参数对现有的设备没有额外的要求，使得现有设备完全满足实际制备需求。
(4)本发明中，通过优化三甲基铝和氧化剂的流量比为1∶1～1∶10，具有较宽的工艺窗口，可操控新好。
(5)本发明中，通过优化放电功率密度以基底材料单位面积计为25mW/cm2～200mW/cm2，满足现有的设备设计标准，不需额外改进。
附图说明
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
图1为本发明实施例1中低频PECVD沉积装置的结构示意图。
图例说明：
1、反应腔室；2、电极；3、电源；4、进气口；5、抽气口；6、硅片。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
以下实施例中所采用的材料和仪器均为市售。本发明的实施例中，若无特别说明，所采用的工艺为常规工艺，所采用的设备为常规设备，且所得数据均是三次以上试验的平均值。
实施例1：
一种低频PECVD沉积氧化铝的方法，具体为：以三甲基铝为原料，以O2为氧化剂，通过低频PECVD法沉积氧化铝，包括以下步骤：
将双面碱抛光硅片(p型、晶向(100)、电阻率1±0.5Ωcm)置于低频PECVD沉积装置的反应腔室(平板式)中，通入三甲基铝和O2，在基底材料表面沉积厚度为10nm的氧化铝，其中沉积过程中的沉积工艺参数为：电源的频率为40KHz，反应腔室的温度为300℃，反应腔室的压强为150Pa，放电功率密度以硅片单位面积计为80mW/cm2，三甲基铝通过氩气携带进入低频PECVD沉积装置的反应腔室中，且三甲基铝的流量以反应腔室单位体积计为1000slm/m3，氩气的流量以反应腔室单位体积计为1000slm/m3，O2的流量以反应腔室单位体积计为2000slm/m3，且三甲基铝与O2的流量比控制在1∶2～1∶10，沉积(反应)时间为60s。
本实施例中，所用低频PECVD沉积装置，其结构示意图如图1所示，包括反应腔室1，反应腔室1内设有电极2，电极2上还连接有电源3(具体为低频电源)；反应腔室1还设有进气口4(具体为反应气体的进气口)和抽气口5(具体为真空泵的抽气口)；电极2之间放置有硅片6。
在上述本实施例中制得的氧化铝薄膜之上再沉积厚度为80nm的SiNx膜，组成完整的钝化结构，该钝化结构的少子寿命达到435us，表面复合速率为19.8cm/s，具有出色的钝化效果。
更为重要的是，本发明低频PECVD沉积氧化铝的方法可作为太阳电池中沉积氧化铝薄膜的方法，具体的，采用低频PECVD制备氧化铝(AlOx)，通过将“以O2、水蒸气、乙醇蒸气中的其中一种含氧物质为氧化剂”替换传统方法中的“N2O”，由于O2具有更强的氧化作用，这使得反应过程中制得的AlOx中能够产生足够的O原子，无需再进行后续的N2O/NH3等离子处理步骤，仍可使AlOx具有良好的钝化作用，从而省去了后续等离子处理步骤，节省了工艺时间(单次工艺时间由40±1分钟缩短为37±1分钟)，提升了设备产能(以5管pecvd设备为例，产能由2900片/小时提升至3120片/小时，提升幅度达到7.5％)，且O2的成本远低于N2O，仅为N2O的1-2％，能够大幅降低生产成本。另外，采用的O2具有更强的氧化性，更利于AlOx形成更好的Al-O钝化结构，能够降低表面载流子复合速率，进而提升电池效率。本发明低频PECVD沉积氧化铝的方法具有工艺简单、操作方便、成本低廉等优点，不仅能够省去常规方法中的后续等离子体处理步骤、降低制备成本、缩减工艺时间、提升产能，而且能够制备得到钝化效果更好的氧化铝，对于制备高光电转换效率的太阳电池以及扩大太阳电池的应用范围具有十分重要的意义。
以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种低频PECVD沉积氧化铝的方法，其特征在于，以三甲基铝为原料，以O2、水蒸气、乙醇蒸气中的其中一种含氧物质为氧化剂，通过低频PECVD法制备得到氧化铝，包括以下步骤：将基底材料置于低频PECVD沉积装置的反应腔室中，通入三甲基铝和氧化剂，控制电源的频率为30KHz～300KHz以及反应腔室的温度为200℃～400℃、压强为20Pa～500Pa，在基底材料表面沉积氧化铝，完成对氧化铝的制备；所述氧化剂为O2时，所述三甲基铝和氧化剂的流量比为1∶2～1∶10，所述氧化剂的流量以反应腔室单位体积计为1000slm/m3～7000slm/m3；所述氧化剂为水蒸气和/或乙醇蒸气时，所述三甲基铝和氧化剂的流量比为1∶1～1∶10，所述氧化剂的流量以反应腔室单位体积计为500slm/m3～8000slm/m3；所述沉积过程中放电功率密度以基底材料单位面积计为25mW/cm2～200mW/cm2。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述三甲基铝的流量以反应腔室单位体积计为400slm/m3～3500slm/m3；所述三甲基铝通过氩气携带进入低频PECVD沉积装置的反应腔室中，所述氩气的流量以反应腔室单位体积计为600slm/m3～3000slm/m3。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述沉积时间为40s～500s。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述低频PECVD沉积装置中反应腔室为平板式或管式。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氧化铝的厚度为4nm～30nm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基底材料为硅片。
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