CN110945666A - 用于巨型光转换的全硅光电转换器的生产工艺 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的生产工艺包括：以嵌入硅晶片的晶格内的混合排列的晶体硅的纳米级转化，用热电子的方式提高光转化为电的效率。通过生产二十个系列的测试设备，已经分别测试和验证了制造巨型光电转换电池所涉及的所有参数，程序和步骤。该技术的一个示例包括制造具有单个收集器结的常规晶体硅光伏电池，并通过非晶化离子注入以及紧接的注入后热处理来完成由此获得的器件。然后，以受控的方式在纳米级上进行特定于巨型光转换的晶体调制，以获得SEGTON和SEG‑MATTER，它们在光学和电子上均具有活性，并且与主转换器进行一次转换。

Description

用于巨型光转换的全硅光电转换器的生产工艺
本发明涉及一种用于制造具有纳米系统的全硅光电转换器的方法，该系统以单晶硅内的特定排列触发巨型光转换。
该生产过程包括硅的纳米调制，并在考虑到调整后的几何因素的同时，可以通过叠加硅转化的不同阶段来避免由后续制造步骤引起的冲突。
更特别地，制造过程包括将硅晶格局部修改为新的纳米级排列以形成特定系统，从而提高使用全硅转换器的光电转换的效率。这涉及到利用热电子的动能，这是由于巨型光转化的机制(GPC，巨型光转化的英文缩写)而成为可能的；主要是二次电子的低能量生成和倍增。
1.技术领域
本发明涉及并且扩展到光能到电能的转换领域，尤其涉及高效地用于光电转换器、光电电池和光伏太阳能电池的所有应用。特别包括新光伏材料的制造过程，以及由于巨型光转换而具有非常高效率的使用该光伏材料的光伏器件。
当前的生产过程利用了具有两个附加工位的光伏工业设备，这些附加工位专门用于实现互补工艺以制造单晶硅光伏电池的特定操作。
所得的转换器可用于组成光伏板，所述光伏板以适当的电路串联或并联电连接，并且以片，垫或厚垫的形式进行电连接。
2.定义
在后续的描述中将使用以下定义。
超材料：该术语是指具有超出已知的所谓自然特性的物理特性的人造材料，尤其是转化的结晶硅。超材料保留其原始化学成分。更具体地，其采取至少一层连续或不连续层的形式，而且采用珠粒或颗粒或各种形状，例如附聚体或聚集体，这允许二次电子的低能量生成和倍增、特定电子的传输、增强的对光激发强度的敏感性、以及强烈的光学非线性。
SEGTON：[纳米级调谐的二次电子生成的首字母缩写]是晶格的条件元素单元，其特征在于其原始的电子能级系统，非常适合将光多级转换为电能。SEGTON允许二次电子的低能量生成和倍增，这是对自由载流子的主要光生作用的补充。
SEG-MATTER[二次电子生成-物质的首字母缩写]，是一种超材料，即在共轭相互作用的单个纳米空间中产生的特定晶体材料，其共轭相互作用包括用于有效的光电转换的结构、掺杂、电子传输和强物理场，其中包含称为SEGTONS的均匀分布的基本单元，这些基本单元形成有序的超晶格，并浸入由纳米膜界定的特定物理环境中。新的结晶度带来了纳米级所需的互补功能。
更一般而言，该表述还涉及用于制造能够利用SEGTON的一组能级的材料的生产过程。
纳米膜：它是异质界面或表面(垂直，水平，平行于该表面，或多或少为球形或非球形)，在其上改变了电子能带的模型、传导模式等。例如，这是两个结晶硅相之间的界面：SEG-MATTER和周围的未转化的天然硅，其特征在于电子传输模式的改变。
MTM：硅基超材料
a-Si：非晶硅
<a-Si>：机械应力下硅的非晶相
c-Si：晶体硅
<c-Si>：机械应力下硅的晶相
空位：晶格中的点状结构缺陷。
分离度：由两个相互连接的空位形成的晶格中的点状结构缺陷，形成特定的结构单元。
BSF：背面的电场，即，由于掺杂杂质的密度逐渐或突然改变而导致的LH型结。
RIE：反应离子蚀刻。
LPCVD：低压化学气相沉积。
非晶化的纳米聚集体：非晶化的聚集体或局部转化的晶体材料的纳米基团，最好是硅，其已经通过任何合适的生产方法包括在结晶介质中。
插入的纳米结构：被SEG-MATTER纳米层包围的非晶化纳米聚集体，即超材料(MTM)能够提供由于热电子的碰撞而产生的许多二次电子，最佳地分布在转换器中，最好是发射器。
GPC：巨型光电转换-巨型光电转换可以最佳地利用整个太阳光谱的能量。
3.背景技术
当前，商业光伏器件的制造是基于半导体的转变，例如掺杂杂质，形成PN结，金属化，电子钝化，抗反射装置。
光伏电池的相当简单的常规架构利用只能在有限程度上进行修饰的天然材料。很大比例的单元被设计为具有单个平面收集器结的半导体器件。
通过创建专用的子区域、子系统、子结构，可以丰富此愿景，这些子区域、子系统、子结构可以在纳米尺度上补充光伏设备架构的常规设计。
多年的多次实验使得有可能实现在纳米尺度上调制半导体材料(主要是硅)的方法，从而实现与巨型光转换有关的新奇迹。
现有先进技术尤其通过以SEGTON AdT公司的名义提交的在先专利申请的公开进行了广泛的说明和记录。
4.本发明解决的问题
一方面，由于量子力学的原因，将光电转换器调节到太阳光谱的较大部分很复杂，该转换仅在非常窄的光谱子带中有效且最佳，另一方面，由于全部的太阳光谱太大，无法使用带有单个收集器结的设备进行有效操作。
有两种方法可以进行。
*通过创建具有互补带隙的电池堆叠，从而保持光子/电子相互作用的相同独特机制，这是在“TANDEM”模式下(例如，使用GaAs系列的各种材料)最有效地利用电池的机制。与单结转换器相比，它可以在更大的太阳光谱范围内进行光转换，但是反过来，其特点是集电困难得多，并且存在光聚集问题。
*引入其他机制，例如二次电子的低能量生成和倍增，以及它的众多耦合机制，例如特定的功能分离(材料的局部转变，局部电子传输和光生电子的收集)。
本发明涉及一种用于制造全硅转换器的方法，得益于其子区域、子系统或子结构，该全硅转换器由于巨型光电转换而提高了效率，例如，嵌入层的纳米系统包含硅光伏超材料。制造过程导致器件集成了二次电子的次级低能量生成和倍增，从而最佳地收集了所形成的光电载体。
巨型光电转换代表了一种在具有单个收集器结的设备中提高光能转换为电能的效率的途径。低能电子的倍增是间接空位半导体中的第一个机制，该机制已证明可以以这种方式极大地优化硅，以将太阳光谱转换为电能。
本发明是特别重要的，因为在光伏产业中占主导地位的硅(特别是其晶体形式)由于其丰富且在地壳里易于获取而不会引起资源问题。其提取和循环利用不会带来生态自然上的重大问题，特别是在毒性方面。在某种程度上，构成本发明中提及的巨型光转换器件的硅器件的最新发展代表了对第一代光伏技术的回归，并构成了其创始理念的出色改进。
常规的硅光伏电池生产线可以快速、经济地转变为巨型光转换电池生产线。
5.发明内容
本创新过程本质上是纳米技术。它为硅的实现所使用方法，设备和技术。特别重要的是要指出，所有这些方法和操作现在已经完全成熟和完善。
制造过程的具体步骤包括将晶体硅部分转变为最佳的纳米级排列，以形成可以提高光电转换效率的器件。在制造大约二十个测试系列的过程中，已经分别测试和验证了巨型光电转换设备制造中的所有参数，过程，程序和步骤。
第一步是生产常规的单结晶体硅电池。在该步骤中，用作掺杂剂的磷以例如每立方厘米约5.1015的密度扩散到预先均匀地预先掺杂有硼的硅中。
通过非晶化注入，然后进行注入后热处理，将纳米级调制嵌入晶体硅中。由于该工艺的物理性质，入射离子束以高精度使得具有预定厚度和深度(数十纳米量级)的区域中的硅晶格局部非晶化。所产生的非晶化本身没有技术用途，并且必须需要进行额外的热处理，这将导致以固相外延的形式进行受控的局部重结晶。
6.发明的效益及优点
为了生产光伏电池，本发明利用了在微电子学和光电子学领域中单独使用的工业机器。尽管如此，应该强调的是，至少由于器件的有源表面，微电子方法与巨型光转换制造工艺不直接兼容。
这里介绍的生产过程的目标是尽可能广泛地使用现有设备，经过验证的方法和现有光伏产品的生产场所，以及最初为微电子，光电或微纳米技术的制造业务而设立的安排。
几乎所有设备、工具、机器、机器集，以及专用于电子，光伏和微电子的生产设施，通常都可以在市场上买到。巨型光转换GPC光伏电池的所有制造步骤都可以在现有设备上进行，而只需很小的改动即可完成。可以使用经过适当调整的，因此价格便宜得多的专用机器来进行大规模制造，这些机器可以满足转换器批量生产的明确定义的限制性条件。
7.发明目的
本发明涉及一种全硅光电转换器的生产过程，该全硅光电转换器结合了以特定排列为条件的纳米系统，该纳米系统在用于例如GPC的光电子应用的晶体硅晶片内。
在实践中开发和验证的生产过程可导致晶体材料的完整的纳米调制，同时避免了不同连续制造步骤之间的冲突。
如前所述，最具体的问题涉及操作的串联，这些操作是一个接一个地直接连续执行的，因为如果未正确遵守顺序，这些操作中的某些操作会相互排斥。
有几种方法和操作是可用的，它们在微电子学领域是众所周知的，但不能照此应用在巨型光转换器件的整个制造周期中。通常，有效的解决方案需要已知操作的原始序列，该序列必须根据第二代转换器的特性进行参数设置。
8.附图说明
图1：表示巨型光电转换设备的所有重要制造步骤的总体流程图。
图2：是逐步显示过程的表格。
9.制造过程的完整描述
本发明包括并包含基础和一般方法，根据主要步骤的顺序在下面公开。以下是简短但完整的描述性清单，以适合整个工业制造过程的主要制造规格为例。
通常，小系列的巨型光转换设备的生产过程是基于硅晶片的多步处理。此外，这些步骤的数量取决于以或多或少的预处理状态供应的硅晶片的初始状态。
以下是一些主要处理步骤的示例：
硅晶片厚度的选择：从机械角度出发，厚度必须适应所有技术操作。
表面：最初的制造步骤涉及硅晶片的表面质量(RCA，微电子纯化)，对硅晶片表面进行冷抛光以使其剥离原生氧化层。
牺牲氧化：所谓的深度氧化(100纳米)，然后蚀刻初始氧化(95纳米)，并保留SiO2纳米层(厚度约5纳米)作为表面的电子钝化。
-或完全蚀刻初始氧化层，然后进行70nm沉积用作P2O5扩散的纳米层源，然后依次蚀刻至5nm的厚度。
制造过程中的电子钝化：在氧化和扩散后保留SiO2或P2O5的纳米层(厚度约5纳米)，以在注入过程中保护硅表面。
施体的扩散：磷从P2O5的纳米层源扩散而来，以建立P型材并创建PN结的界面。
防护掩模：在连续的工艺操作之间对前背面进行间歇性保护。
注入：在出色的几何平面特性的要求下，通过保护性表面纳米层(厚度约5纳米)进行非晶化离子注入。
注入掩模：用于不连续的非晶化操作，对应于嵌入式子结构的模式。
热处理：适合于允许温度范围的退火，该温度对应于通过固相外延调制转化材料所需的热能沉积。
SEGTON和SEG-MATTER的调节：减慢固相外延可确保对有源子系统进行校准。
隐蔽的子结构：根据已确认的转换器架构，将有源子系统插入。
电子钝化：在对SEGTON和SEG-MATTER进行调节之后，沉积钝化层和电子保护层。
背面：通过扩散或注入形成BSF(背面场的英文缩写)来创建受体轮廓(B)；电子钝化；尾镜；接触栅。
尾镜：背面的SiO2/Al层系统，用于光阱。
退火和接触调节。
在下文中，以正确布置的操作顺序描述了整个制造过程的一些选定示例，这些操作分别都是已知的，尤其是在微电子学中，但是必须根据巨型光转换器件的生产周期的特点进行参数化。
生产周期的操作顺序示例
9.1.预先掺杂的硅晶片，最好是硼
*单晶硅晶片CZOCHRALSKI-CZ-Si或带有FZ-Si浮带。
*磷(P)掺杂，优选为每立方厘米1018量级，而硼(B)以常规浓度预掺杂为每立方厘米1015量级。
*清洁正背面，但不一定要抛光。
*结晶方向<100>。
9.2.清洁
*在化学清洗站中的RCA浸泡清洗。
*通过在850℃的温度下进行牺牲性热氧化清洁约2小时，从而形成厚度为50至100纳米的牺牲性SiO2层。
9.3.热氧化
在氧离子扩散炉中。
9.4.在背面形成场
*通过以相对于垂直方向几度的偏移角注入能量相对较低的硼离子来避免离子沟道效应。
*穿透深度来自注入能量，注入能量是通过使用SRIM/TRIM之类的软件进行仿真而精确确定的；例如，25keV穿过厚度为100纳米的SiO2钝化层，剂量为：每平方厘米5-10x1014。
9.5.正面形成，n型掺杂扩散
*蚀刻保护性SiO2钝化层。
*沉积磷扩散的表面源，例如P2O5纳米层。
*磷在所谓的低温(<1000℃)下从表面源扩散。
*形成PN结和。
9.6.正面操作-离子注入
*将P2O5扩散源层蚀刻至5纳米厚，以形成保护性纳米层。
*相对于垂直方向偏移几度角，通过保护性P2O5纳米层注入磷离子，以避免离子沟道效应。
*注入深度取决于注入能量，该注入能量是通过仿真确定的，使用数字代码(例如SRIM/TRIM)确定。
*非晶化注入能量：30-200keV。
*注入剂量确定为低于每平方厘米1015个离子。
9.7.热处理
*进行第一次热处理，以减小非晶态纳米层的厚度，并在非晶态晶体相变区内相互稀释结晶相中的非晶态杂质和非晶态相中的晶体杂质。
*退火热循环-嵌入式子结构的形成和调节，该结构由非晶化以及转化且经过特殊结构化的结晶Si纳米层组成的系统。
注意：所谓的直的非晶化后的注入后热处理得到了显着简化，并具有改进的热平衡，特别适合于批量生产。
根据该热处理，退火温度高达700℃，这被证明特别有利于中和或几乎纠正所有广泛的注入后结构缺陷，以便获得更有效的材料。
例如，以相同的方式通过调节退火温度和热循环至非晶化的质量来执行该过程。
9.8.反应离子蚀刻(RIE)或化学蚀刻
*目标：根据图案去除保护性SiO2钝化层(100纳米)，以通过感应耦合等离子体蚀刻(RIE)进行金属化。
*化学蚀刻。
*始终保留5纳米薄层以保护半导体表面；可以使用在磷扩散过程之后残留的P2O5来代替SiO2。
9.9.掩模的注入-光刻实例
*目的：根据电子传输的要求，通过具有不同图案和几何形状的注入掩模对注入进行非晶化，从而嵌入不连续的非晶化子结构。
*用光刻掩模和汞蒸气灯照明的常规实现。
*该操作有许多使用具有不同图案掩模的中间步骤。
*用光致抗蚀剂覆盖以中间方式保护上下表面。
*暴露于光：上述所有反应都是由光引起的。
*化学过程：根据选定的模式去除碎片。
9.10.离子注入用于宽散焦束非晶化，即所谓的直的非晶化
使用聚焦离子束扫描Si晶片表面的常规非晶化不可避免地引入了许多结构缺陷。就这点而论，该操作不适用于第二代转换器的工业制造。取消资格的方面可以归纳如下：在离子束局部撞击过程中，材料调制的控制不善，以及因此而造成的在注入后退火过程中的控制不善；关于初始非晶化的厚度的夸大要求，以为执行纠正再结晶留有足够的空间；由于嵌入在晶格中的子结构的位置，严重限制了转换器的设计和架构；嵌入在受损材料中的纳米结构周围的电子运输的障碍物；涉及二级和一级电荷载体收集的复杂性。
本领域技术他们已知，注入后热处理可以纠正几种类型的结构缺陷。由于制造条件和SEG-MATTER的包装所造成的原因，从制造的角度出发，该处理在合适的温度范围内进行，并具有合理的热平衡。
存在多种组合，这些组合使用掺杂杂质的扩散和/或注入来控制GPC转换器的结构。
在第一种情况下(磷注入)，掺杂物轮廓和正面电场(FSF)以及晶体结构的改变都是离子的注入的结果(就非晶化而言，优选磷)。
在第二种情况下(掺杂杂质的扩散)，掺杂剂的分布是通过扩散(最好是磷)制成的，而晶体结构的改性是离子的注入(最好是磷或硅)的结果。
符合工业要求的晶体结构改性应为：
*由具有宽散焦束的离子注入机制造，安全稳定且均匀，可确保工业上有用的非晶化(直的非晶化)。
*注入能量为80-180keV且密度为6至10x1014离子/平方厘米的磷或硅。
*在预先进行磷扩散的情况下，为了获得嵌入非晶化，可以注入硅离子代替磷离子。
9.11.植入后热处理周期
低热平衡处理在盘式恒温箱中在约500℃的温度下基本上少于30分钟，然后逐步冷却。在某些特殊情况下，可能会进行短序列热循环。
9.12.后触点的金属化
通过梳状与铝的全表面接触相结合，可以实现光学限制(SiO2/Al镜)和背面收集的叠加效果。
9.13.前触点的金属化
例如，这涉及多层栅格金属化：钛/钯/银。
9.14.通过阴极溅镀进行LPCVD或SiO2沉积
LPCVD的目的：通过约100纳米的完全保护SiO2层来补充厚度为5纳米的基本SiO2层(以确保有效的电子钝化)。例如，将其在合适材料的管中制成，在420℃下稳定20分钟；沉积过程持续5分钟。
阴极溅镀的目的：用100纳米的SiO2层补充约5纳米的SiO2保护层(以确保有效的电子钝化)：
*在室温下进行操作
*压力为2x10-3mb
*功率为200瓦
*距目标硅片的距离为100纳米
*操作时间约13分钟
10.小系列巨型光转换器件系列的生产过程-硅晶片的多阶段处理
处理步骤的数量尤其取决于所购买的硅晶片的初始状态。主要制造步骤涉及：
表面：可以通过RCA处理，微电子纯化，冷抛光以使其脱离原生氧化物来获得所需的硅晶片的表面质量。
硅晶片的厚度：必须适应所有后续技术操作。
牺牲氧化：深度氧化(100纳米)，蚀刻初始氧化(95纳米)，保留纳米层作为保护性纳米层(厚度约5纳米)或保留纯硅表面本身，准备作为P2O5沉积的P扩散纳米层源。
保护掩模：连续操作之间的保护表面，以及与子结构图案相对应的非结晶的注入掩模。
背面：p型材，通过扩散或注入获得的B受体轮廓，BSF，钝化，尾镜，接触栅。
正面：n型材，通过以P2O5纳米层，PN结界面的形式从源扩散而得到P供体轮廓。
嵌入式子结构：插入并具有出色的几何平面特性的有源子结构，是特定转换器结构的概念。
注入：通过保护性纳米层(厚度约5纳米)注入离子。
热处理：调整热能沉积以调制和调节转化后的材料。
SEGTON和SEG-MATTER的调节：固相外延，并校准其环境中的有源子系统。
尾镜：背面的SiO2/Al尾镜，用于光阱。
退火以激活触点。
11.小系列的巨型光转换器件的生产过程-将纳米系统插入硅片中-具有非互斥序列的循环示例
导致将纳米系统插入全硅光电巨光转换器件的操作示例；主要步骤及其特点：
*所用硅：具有<100>的晶体取向的CZ或FZ硅片，
*所用硅片的厚度：大约150-500微米，
*所用硅片的直径：4、6或12英寸，
*p型预掺杂：硼的均质密度约为
Figure BDA0002377134930000111
-操作必须在转炉底部保留少数载流子的最大可用生命(避免激活意外的杂质和缺陷)，
*在低于100℃的温度下牺牲氧化50纳米，
*以1015cm-2的密度在硼的背面进行首次注入(BSF)，除了校准区域外，在表面/界面处具有最大的密度分布(使用金属后格栅的掩模)，
*除了校准区域外，使用HF缓冲液从正面蚀刻SiO2；
*预先沉积在磷源的正面以通过扩散进行n型掺杂，
*低温扩散曲线是通过模拟软件，例如ATHENA(注册商标)，以预测方式确定的，
*第二次磷注入到正面，能量：50-180keV，剂量为8.1014cm-2，除了校准区域(使用注入掩模)外，
*通过模拟代码可预测地确定热处理周期，
*通过化学剥离背面的SiO2进行部分蚀刻，并考虑使用掩模的接触指的图案，
*背面镀有1微米铝层的金属化层；
*刻蚀背面的校准图案(一个校准掩模)，
*使用HF：H2O缓慢蚀刻正面的SiO2层，
*正面栅格的三层金属化：钛/钯/银，
*蚀刻校准区域上表面的金属化层(两个校准掩模)，
*红外校准
*蚀刻正面的金属化层(正面栅格的掩模)。
12.小系列巨型光转换器件的生产过程-示例A：使用磷离子进行注入、非晶化和n型掺杂-具有非互斥序列的循环示例
A.仅注入
仅基于离子注入的过程的示例性解决方案，其特征在于以下步骤：
1)RCA清洁。
2)热氧化
Figure BDA0002377134930000121
3)1号注入：硼通过背面和
Figure BDA0002377134930000122
热氧化物注入。
4)树脂沉积在背面。
5)背面的光刻和校准图形(掩模1)。
6)将前面板减薄至
Figure BDA0002377134930000123
7)移除背面的树脂保护层。
8)将注入掩模施加到厚度为0.2微米的多晶硅层上。
9)在多晶硅(100、200微米，均具有500微米的相同宽度)上用不同间距的不同手指进行光刻(掩模6)。
10)2号注入：在通道0中注入非晶态磷。180keV，7.1014At/cm2。
11)完全去除多晶硅。
12)掺杂过量的3号注入；磷用于正面通道，具有以下特征：0.25keV，7.1014At/cm2。
13)注入后热处理。
14)以“完美”的平行扩散模式处理两组硅晶片。
15)正面的中间保护。
16)对背面的栅指进行光刻蚀刻。
17)光刻蚀刻
Figure BDA0002377134930000131
接合指。
18)从正面去除保护树脂。
19)用2微米的铝沉积物对硅片的背面进行全面处理。
20)背面的树脂保护。
21)正面梳状光刻(掩模3)。
22)通过蚀刻
Figure BDA0002377134930000132
的SiO2进行梳状光刻。
23)从背面移除树脂保护层。
24)蚀刻触点(掩模4)以将其去除。
25)沉积双层钛/金-150微米/1微米。
26)抬起(揭起)拆卸。
27)通过CVD或阴极溅镀在正面上沉积SiO2。
28)用树脂保护背面。
29)对正面触点(掩模5)进行光刻蚀刻。
30)正面接触的氧化物辅助光刻蚀刻。
31)去除背面的保护性树脂。
32)在N2H2环境下对触点进行退火，以表征处理过程。
33)在正面进行树脂保护以进行切割。
34)通过将其粘贴在蓝色胶带上来切割硅晶片上的元件。
13.小系列的巨型光转换器件的生产过程-示例B：使用磷扩散进行n型掺杂，使用磷离子进行非晶化注入-具有非互斥序列的循环示例
B.扩散和植入
基于离子扩散和注入的过程的示例性解决方案，其特征在于以下步骤：
1)RCA清洁。
2)热氧化
Figure BDA0002377134930000141
3)1号注入：通过
Figure BDA0002377134930000142
热氧化层将硼注入背面。
4)用树脂保护背面。
5)对有源区和正面的校准图(掩模1)进行光刻蚀刻。
6)完全去除SiO2。
7)去除前面的保护性树脂。
8)通过扩散源和使用钝化层来沉积P2O5氧化物。
9)P扩散。
10)减薄正面的P氧化物。
11)扩散P的退火。
12)注入掩模，沉积厚度为0.2微米的多晶硅层。
13)多晶硅的光刻蚀刻：指状物100、200和500微米之间的几个间距。它们都具有500纳米的相同宽度(掩模6)。
14)以180keV和7.1014At/cm2在0度角的正面沟道中注入非晶化磷。
15)完全去除多晶硅。
16)注入后退火。
14.小系列巨型光转换装置的生产过程-热氧化示例
GPC单元的热氧化可以在微电子学中使用的氧化炉中进行，在N2、O2、H2、HCl下达到1000℃并形成厚度为0.5至1.6μm的氧化层。
15.小系列巨型光转换器件的生产过程-离子束电流示例
聚焦束的注入特性要求束电流为3微安至2毫安，加速电压为5至200kV，最大原子质量为125，并且能够处理直径为1cm2至6英寸的硅晶片样品。
16.小系列巨型光转换设备的生产过程-创建前表面场的示例
可以使用磷离子的浅注入(深度<1.0μm)在硅晶片的正面创建固有静电场以制造GPC单元。GPC单元的第二次注入可以使用在较低能量范围内运行的同一离子注入机完成，从而形成浅杂质分布。
17.小系列巨型光转换器件的生产过程-基于结晶热力学效应的热处理示例
通常应在大约500℃的温度下对GPC单元进行第一次退火，然后再进行第二次退火操作，该操作随加热和冷却步骤而循环变化。该循环可以在与第一退火步骤相同的烘箱中进行。
18.大型光转换装置的小系列生产过程-通过特定的表征过程来反复调整GPC单元制造机以便启动程序的值的示例
起始值表
Figure BDA0002377134930000151
Figure BDA0002377134930000161
选择用于制造的设备的初始值是通过CAD软件CAM获得的，该软件在微制造机器的迭代过程开始时提供了调整数据，其误差范围因超材料制造的特异性和适当的机械而降低。
19.小系列巨型光转换器件的生产过程-晶体硅纳米级转变为最佳结构以形成嵌入式有源子系统的示例
根据本发明的制造方法构成了晶体硅的纳米级转变为最佳结构，以形成嵌入在晶格中的子系统，从而可以提高光电转换效率。GPC的所有参数，程序和制造步骤都已在制造多个测试系列的过程中分别进行了测试和验证，并进行了组合验证。
为了在光电转换方面有用，硅必须经历复杂的转变，该转变将以稀有，随机和分散的方式从正态分布的结构缺陷转变为由有序超晶格的称为SEGTONS的基本单元组成的结构，从而形成称为SEG-MATTER的超材料。最重要的方面涉及正确放置在转换器空间内的点缺陷的性质，密度和数量。
为了执行其功能，将超材料的纳米层集成到通过n型掺杂适当掺杂的材料(最好是晶体硅，c-Si)中。根据较早的发明，该层由界定它的两个平面界面(纳米膜)界定。
超材料纳米层(<c-Si>纳米层)的厚度和连接的SEGTON的密度在制造过程中是通过局部机械应力(来自a-Si和c-Si之间的膨胀)自控的，该应力是由于在合适的温度下发生的重结晶循环(固相外延)所致。实验(X射线，LEED)表明，在结晶相的一侧(可用技术可以很好地看到)，纳米层SEG-MATTER的最终厚度约为5至10纳米级别。
牢记所有单个步骤，它们被集成到一个完整的工业型制造过程中。结果，与SEG-MATTER相关的主要功能受到关注：
-半导体(最好是c-Si)的深部局部转变，可能在纳米尺度上发生，从而导致形成称为SEG-MATTER的晶体硅超材料，
-超材料中SEGTON拥有分布均匀的高密度(1020cm-3)，
-SEG-MATTER纳米层的成分均匀且稳定，
-足够数量的所有超材料纳米层，对应于入射光子通量的强度，
-SEG-MATTER系统的适应空间位置，该位置必须靠近吸收高能光子的位置(空间优化)：
*吸收区和次生区的接近和/或统一；
*与热电子发生碰撞相互作用的最大和最佳曝光表面(形状和排列)。
由于维持了局部机械应力，超材料纳米层被设计成可以承受并在异常的相对高温(450-550℃和250-450℃)下对空位进行处理后保留。该特征不同于本领域技术他们公知的事实，即空位在低于250℃的温度下重新结合。
最具体的问题涉及连续相继的操作的串联，因为某些操作是互斥的。例如，在本发明中，在生产周期中，连续步骤的温度必须从最高到最低逐步地变化，同时遵守上述每个步骤。
先前已经描述了在发射器中包含子结构(连续或不连续)的光电转换器。专用子区域、子系统和子结构的最重要元素之一是在纳米尺度上人工制造的组件，由于新机制的改进，该组件应能够通过改进来补充传统转换。
这是通过人造材料(SEG-MATTER)来确保的，该人造材料尤其由定义明确的建筑单元形成，具有明确定义的密度并以明确定义的方式位于转换器的确定体积中。为了确保SEGTON和SEG-MATTER转换的完整功能，必须满足许多严格的条件。
通常，该解决方案需要已知操作的特定顺序，必须根据过程的物理和技术特征对其进行参数设置。
GPC设备的制造需要集成一系列的操作，这些操作一方面是光伏和微电子技术中众所周知的(操作，过程，机器)，但另一方面却无法应用，因为它们的特定条件与设备的大有源表面有关。
可以使用现有设备进行一些小改动就可以进行制造。几乎所有必要的机械和工具都已经过测试，并且在行业中通常可用。未来的大规模生产将在专用，更简单且价格便宜得多的生产机器上进行。
例如，测试装置的结构包含通过低压气相沉积法进行的电子钝化SiO2。钝化层具有100纳米的厚度。掺磷的结晶硅的厚度等于或小于170纳米，强掺非晶硅层的厚度为20纳米，PN结在表面以下1微米(此值不是很严格)。由于晶格和非晶化之间的差异，非晶化层溶胀，从而引起机械应力。
背面触点可以由铝制成，而正面电极可以由银或金属三层制成。
与晶体硅电池的常规技术相比，本发明制造技术的主要创新在于特定操作的范围以及制造步骤的组织。主要限制来自以下事实：GPC子结构无法加热到500℃以上。
一旦超材料层被制造出来，为了在不加热太多的情况下形成钝化层，必须使用化学气相沉积，该化学气相沉积可以在低温下进行(热氧化不是这种情况)。因此，最好的进行方法是使用折衷方案：
-首先，进行第一次热氧化，
-然后通过蚀刻至5纳米来使SiO2层变薄，
-通过宽散焦束离子注入产生纳米结构层，
-通过退火循环来调整纳米层系统，
-回到电子钝化层以通过化学沉积增加其厚度。
例子：
*材料：具有晶体学取向<100>的晶片形式的CZ或FZ硅，
*均质密度p型预掺杂，硼的含量为1至5.1015每立方厘米，
*少数载流子的生命必须尽可能长(取决于质量)，
*硅片的直径和厚度：4、6或12英寸，厚度150-500微米，
*初始牺牲氧化层的厚度在低于1000℃的温度下累积，
*第一次在背面注入硼：1015At/cm2，导致轮廓在表面上除校准区域外具有最大值，
*用HF缓冲液从正面蚀刻SiO2，校准区域除外；
*在正面预先沉积磷扩散源，
*根据通过使用软件，例如ATHENA，执行的先前模拟确定的配置文件进行扩散
*第二次向表面注入磷，能量为180keV，剂量为8x1014At/cm2，校准区域除外；“直的”非晶化。
热处理周期
*考虑接触指的图案，对背面的SiO2进行部分蚀刻，
*背面金属化；1-μm铝层的沉积，
*根据校准图案蚀刻背面(可能使用掩模)，
*用HF：H2O缓慢蚀刻正面的SiO2，
*正面三层金属化：钛/钯/银，
*根据接触区域的图案蚀刻表面的金属。
20.可用作实施本发明生产方法的参考的机器
下面的列表是一个非详尽的示例。
-用于硅晶片的反应性离子蚀刻的机器：感应耦合等离子体蚀刻机器，例如AVI21TEC OMEGA 201机器，具有600W(13.56MHz)的RF感应功率，600W(13.56MHZ)的RF钳位功率，温度范围为10至20摄氏度，并可以使用以下气体：SF6、CF4、O2、CHF3、AR，并通过氦气冷却GPC的背面；
-标准生产的光刻设备(标准车间掩模作为仪器)，仅在具有不连续子结构的GPC时才需要。校准掩模是必要仪器的一个例子；
-离子注入器，用于GPC单元的第二次处理；
-GPC单元的第二退火步骤：与第一退火步骤相同的恒温箱，计算机可以控制快速的温度变化；
-用于GPC单元后触点金属化的阴极溅镀机，例如UNIVEX 450C，其中金属可以是铝，RF或DC功率和所需的真空极限为1.10-7托；
-VARIAN 3 6 16机器，使用功率为6kW的电子枪蒸发，以及最小压力为5.10-7bar的低温泵，以便用钛，钯或银对GPC单元的前触点进行金属化；
-用于通过LPCVD恒温箱，例如LPCVD6，钝化GPC单元而形成100纳米保护性SiO2层的仪器，其特征是：最高温度580℃，托盘区域长度50cm，气体：N2、NH3、SiH4、SiH2Cl2，N2O；
-阴极溅镀机，用于在GPC单元，例如ALCATEL 600，溅镀SiO2或ITO，具有低温泵、RF或DC电源，压力为10-7托；
-拥有100级大气控制的用于微电子电路的GPC单元的最终清洁机器，使用无离子水的氮气干燥器，电阻率测量功能可测量不同浴槽之间的干燥和清洁质量，从而从设备顶部的底部提取蒸气。
当然，本发明不限于所描述和示出的实施例，而是涵盖了在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以做出的所有变型，替代或改变或其等同使用。

Claims (20)

1.生产工艺，其特征在于，该工艺包括将结晶硅的局部纳米级转变为材料的最佳排列，根据嵌入在结晶块内的非晶化的分布和确定的深度，在其周围形成结晶SEG-MATTER系统，以便借助于热电子来提高光电转换的效率。
2.根据权利要求1所述的生产工艺，所述全硅光电巨光转换装置具有纳米子系统，所述纳米子系统以受控的非晶化周围的能量束，优选为离子束在晶体硅内被调节为特定的排列，其特征在于以下步骤：
A.准备生产过程；材料和半导体结构的选择和初始状态，适用于加工和构造巨型光转换器件
*单晶CZ-Si硅晶片(或浮置区-FZ-Si)或等效
*P型掺杂，优先掺硼(通常浓度为每平方厘米1015)
*适当地清洁正面和背面，但不一定要抛光
*结晶取向<100>
B.清洁
*在化学清洗站中的RCA浸泡清洗
*使用牺牲性热氧化进行约2小时的电子清洁，产生50至100纳米的SiO2层
C.热氧化
在恒温箱中，扩散氧离子
D.在背面形成表面场(BSF)
*使用硼进行相对较低能量的离子注入，注入时相对于垂直方向偏移几度，以避免离子沟道效应
*注入深度可通过模拟预测
*在100纳米SiO2钝化范围为25keV
*剂量每平方厘米5.1014
E.前表面的形成-n型掺杂扩散
*蚀刻保护性SiO2钝化层
*沉积表面扩散源，例如P2O5层
*低温<1000℃，磷从表面源扩散
*PN结的形成
F.正面的形成和离子注入
*蚀刻P2O5层，扩散源至约5纳米
*通过保护性P2O5纳米层以相对于垂直方向成几度偏移角的方式注入磷离子，以避免离子沟道效应
*通过模拟预测控制注入深度，例如，使用SRIM代码
*30至200keV之间的注入能量剂量
*注入剂量约为每平方厘米1015个离子
G.退火和热处理
*首次退火可减少缺陷层的厚度
*退火周期和通过非晶化获得的嵌入式子结构的形成
H.反应离子蚀刻(RIE)或化学蚀刻
*目的：去除100纳米SiO2钝化层，以进行感应耦合RIE等离子刻蚀
*化学蚀刻
*保留5纳米的薄层
*可以使用来自扩散工艺的P2O5来代替SiO2。
I.光刻
*目的：覆盖PV电池的某些部分以保护它们免受注入，从而形成不同的非晶化层几何形状
*使用掩模和汞蒸气灯
*子步骤：
用树脂覆盖，
暴露在光下，
化学处理
J.离子注入
*例如由离子注入机执行，
*以每平方厘米6-10 1014个离子的180keV注入磷
*也可以注入硅离子代替磷离子
K.退火周期
*在500℃的恒温箱中放置30分钟，然后快速冷却
L.背面金属化
*铝制
M.正面金属化
*由钛，钯，银制成
N.LPCVD或阴极溅镀
LPCVD＝低温化学气相沉积
*目标：生成100nm的SiO2保护层(电子钝化)
*在420℃的管子中稳定20分钟，沉积阶段持续5分钟
阴极溅镀：
*目标：生成具有电子钝化的100nm保护性SiO2层
*在室温下进行
*压力为2.10-3mb
*功率为200瓦
*距目标的距离为100毫米
*持续时间为13分钟。
3.根据权利要求1或2所述的小系列巨型光转换装置的生产工艺，其特征在于，通过注入器的非晶化来进行所述的离子注入，所述注入器具有稳定且受控的宽散焦束，从而产生扩展的散焦离子斑。
4.根据权利要求1或2所述的小系列巨型光转换装置的生产工艺，其特征在于，基于硅晶片的多步骤处理，步骤数尤其取决于所购买的硅晶片的初始状态，其特点是：
表面：第一步涉及硅晶片的表面质量(RCA，微电子纯化)，对硅晶片的表面进行冷抛光以使其脱离原生氧化物
硅片的厚度：必须适应所有后续操作
牺牲氧化：深度氧化(100纳米)，蚀刻初始氧化(95纳米)，保留作为基础纳米层的纳米层(厚度约5纳米)或纯硅表面本身，准备好用于P扩散的由纳米层源沉积P2O5
防护掩模：在连续操作之间进行表面保护，注入与子结构图案相对应的掩模
背面：B型材，扩散型受主，BSF，B型材用于注入、钝化、尾镜和接触栅
施体的扩散：从P2O5的纳米源扩散，P型材，PN结界面，优异的几何平面特性，厚度约5nm的纳米P2O5基层
嵌入式子结构：插入发射极中的有源子结构，转换器架构
注入：通过基础纳米层注入离子(厚度约5纳米)
热处理：调整的热能沉积以调制和调节改性材料
SEGTON和SEG-MATTER的调节：通过固相外延对有源子系统进行校准
尾镜：背面为SiO2/Al尾镜
接触退火。
5.根据权利要求1或2所述的具有纳米系统的全硅光电巨光转换装置的生产工艺，其特征在于以下步骤和特性：
*所用硅：具有晶体取向<100>的CZ或FZ硅晶片
*所用硅片的厚度：大约150-500微米
*所用硅片的直径：4英寸、6英寸或更大
*p型预掺杂：硼的密度均匀，密度约为每平方厘米
Figure FDA0002377134920000053
*操作必须将最大使用生命留给转换器基座中的少数载流子(避免激活杂质和缺陷)
*在低于100摄氏度的温度下进行50纳米牺牲氧化
*硼的背面第一次注入(BSF)，密度为每平方厘米1015，除了校准区域外，在表面/界面处具有最大密度分布(使用金属后格栅的掩模)
*使用HF缓冲液从正面蚀刻SiO2，校准区域除外
*预先沉积在磷源的正面以通过扩散进行n型掺杂
*低温扩散曲线由模拟软件ATHENA预测确定
*在前面进行第二次磷注入，能量：50-180keV，剂量为每平方厘米8.1014，校准区域除外(使用注入掩模)
*通过模拟代码可预测地确定热处理周期
*通过在背面化学剥离SiO2进行部分蚀刻，并考虑使用掩模的接触指的图案
*背面金属化，带有1微米的铝层
*刻蚀背面的校准图案(一个用于校准的掩模)
*使用HF：H2O缓慢蚀刻正面的SiO2层
*正面栅格的三层金属化：钛/钯/银
*在校准区域中蚀刻上表面的金属化层(2个用于校准的掩模)
*红外校准蚀刻正面的金属化层(正面栅格的蒙版)。
6.根据权利要求1或2的生产工艺，用于生产光电巨型光转化电池，其特征在于以下步骤：
A.仅注入
1)RCA清洁
2)热氧化
Figure FDA0002377134920000051
3)1号注入：硼通过背面和
Figure FDA0002377134920000052
热氧化物注入
4)树脂沉积在背面
5)背面的光刻和校准图形(掩模1)
6)将前面板减薄至
Figure FDA0002377134920000061
7)移除背面的树脂保护层
8)将注入掩模施加到厚度为0.2微米的多晶硅层上
9)在多晶硅(100、200微米，均具有500微米的相同宽度)上用不同间距的不同手指进行光刻(掩模6)
10)2号注入：在通道0中注入非晶态磷。180keV，7.1014At/cm2
11)完全去除多晶硅
12)掺杂过量的3号注入；磷用于正面通道，具有以下特征：0.25keV，7.1014At/cm2
13)注入后热处理
14)以“完美”的平行扩散模式处理两组硅晶片
15)正面的中间保护
16)对背面的栅指进行光刻蚀刻
17)光刻蚀刻
Figure FDA0002377134920000062
接合指
18)从正面去除保护树脂
19)用2微米的铝沉积物对硅片的背面进行全面处理
20)背面的树脂保护
21)正面梳状光刻(掩模3)
22)通过蚀刻
Figure FDA0002377134920000063
的SiO2进行梳状光刻
23)从背面移除树脂保护层
24)蚀刻触点(掩模4)以将其去除
25)沉积双层钛/金-150微米/1微米
26)抬起(揭起)拆卸
27)通过CVD或阴极溅镀在正面上沉积SiO2
28)用树脂保护背面
29)对正面触点(掩模5)进行光刻蚀刻
30)正面接触的氧化物辅助光刻蚀刻
31)去除背面的保护性树脂
32)在N2H2环境下对触点进行退火，以表征处理过程
33)在正面进行树脂保护以进行切割
34)通过将其粘贴在蓝色胶带上来切割硅晶片上的元件
B.扩散和植入
1)RCA清洁
2)热氧化
Figure FDA0002377134920000071
3)1号注入：通过
Figure FDA0002377134920000072
热氧化层将硼注入背面
4)用树脂保护背面
5)对有源区和正面的校准图(掩模1)进行光刻蚀刻
6)完全去除SiO2
7)去除前面的保护性树脂
8)通过扩散源和使用钝化层来沉积P2O5氧化物
9)P扩散
10)减薄正面的P氧化物
11)扩散P的退火
12)注入掩模，沉积厚度为0.2微米的多晶硅层
13)多晶硅的光刻蚀刻：指状物100、200和500微米之间的几个间距；它们都具有500纳米的相同宽度(掩模6)
14)以180keV和7.1014At/cm2在正面沟道中注入非晶化磷
15)完全去除多晶硅
16)注入后退火。
7.根据权利要求1或2所述的生产工艺，其特征在于，所述GPC单元在为微电子设计的氧化炉中热氧化，在气态的N2、O2、H2、HCl和氧化层下达到1000℃，其氧化层厚度范围从0.5到1.6微米。
8.根据权利要求1或2所述的生产工艺，其特征在于，形成背表面场(BSF)，并且在有硼离子注入机的GPC单元的情况下。
9.根据权利要求1或2所述的生产工艺，其特征在于，所述注入特性要求束电流为3微安至2毫安或更高，加速电压为5至200keV，最高为125原子质量，并且具有处理直径范围为1cm2至6英寸或更大的硅晶片样品的能力。
10.根据权利要求3所述的生产工艺，其特征在于，使用磷离子注入机通过离子注入在所述GPC硅晶片上产生前表面场(FSF)。
11.根据权利要求1或2所述的生产工艺，其特征在于，使用合适的机器，例如AVI 21TEC OMEGA 101，对具有感应耦合等离子体的GPC硅晶片进行反应离子刻蚀(RIE)，所述的机器在13.56MHz时的RF感应功率为600W，RF钳位功率为600W，处理温度为10至20摄氏度，并且可能使用以下气体SF6、CF4、O2、CHF3和Ar中的一种，同时用氦气冷却硅晶片的后部。
12.根据权利要求2和6所述的生产工艺，其特征在于，使用相同的离子注入机对所述GPC单元进行第二次处理以进行第二次注入。
13.根据权利要求2所述的生产工艺，其特征在于，使用阴极溅镀机，例如UNIVEX 450C，以铝、RF或DC功率，以及真空极限为1.10-7托对背面触点进行金属化。
14.根据权利要求2所述的生产工艺，其特征在于，使用LPCVD炉，例如LPCVD 6，形成由SiO2制成的厚度为100纳米的保护层，用于GPC单元的电钝化；所述LPCVD炉具有以下特征：最高温度580℃，活动区域的大小为50厘米，气体N2、NH3、SiH4、SiH2Cl2、N2O。
15.根据权利要求2所述的生产工艺，其特征在于，使用100类清洁剂对GPC单元进行最终清洁，该清洁剂为大气控制而设计，通常专用于微电子电路的清洁，使用无离子水的氮气干燥器进行干燥，并具有通过电阻率测量浴后干燥和清洁质量的功能，蒸汽从设备顶部的底部抽出。
16.根据权利要求3所述的生产工艺，其特征在于，所述GPC单元的第一次退火在约500℃下进行，并且所述第二次退火操作是如前所述的带有加热和冷却步骤的热处理循环，并用与第一步退火相同的炉子取出。
17.根据权利要求1或2所述的生产工艺，其特征在于，使用宽的散焦离子束进行非晶化注入，导致所谓的直的非晶化，该非晶化保留了优异的晶体晶片质量，从而有可能将注入后的热处理温度范围扩大到高达700℃。
18.根据权利要求2所述的生产工艺，其特征在于，沉积用于GPC单元的电子钝化的100纳米保护性SiO2层，该层通过LPCVD在低于350℃的温度下沉积，可使用N2、NH3、SiH2Cl2和N2O气体。
19.根据前述权利要求中任一项的方法得到的光电转换器。
20.根据前述权利要求中任一项的方法得到的巨型光转化光伏电池。
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