JP2009542008A - 光起電デバイス用の微結晶シリコン膜を堆積するための方法および装置 - Google Patents

光起電デバイス用の微結晶シリコン膜を堆積するための方法および装置 Download PDF

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Abstract

改良された堆積レートおよび膜品質で微結晶シリコン膜層を堆積するための方法が本発明で提供される。また、微結晶シリコン膜を有する光起電（ＰＶ）電池が提供される。一実施形態では、該方法は、毎分約２０ｎｍより大きな堆積レートで基板上に微結晶シリコン膜を生成し、該微結晶シリコン膜は約２０パーセント〜約８０パーセントの結晶化容積を有している。
【選択図】 図２

Description

開示の背景
発明の分野
[0001]本発明は、光起電デバイス用の微結晶シリコン膜を堆積するための方法および装置に関する。
背景技術の説明
[0002]光起電デバイス（ＰＶ）や太陽電池は、太陽光を直流（ＤＣ）電力に変換するデバイスである。ＰＶや太陽電池は通常１つ以上のｐ−ｎ接合を有している。各接合は半導体材料内に２つの異なる領域を備えており、ここで一方の側はｐ型領域と記され、もう一方はｎ型領域と記されている。ＰＶ電池のｐ−ｎ接合が（光子からのエネルギーからなる）太陽光に曝露される場合、太陽光はＰＶ効果によって直接、電気に変換される。ＰＶ太陽電池は特定量の電力を生成し、電池は、所望の量のシステム電力を送出するようにサイズ設定されたモジュールに傾斜される。ＰＶモジュールは、多数のＰＶ太陽電池を接続することによって作成されてから、特定のフレームおよびコネクタによってパネルに接合される。
[0003]微結晶シリコン膜（μｃ−Ｓｉ）は、ＰＶデバイスを形成するために使用される膜の１タイプである。しかしながら、生産に適した装置およびプロセスはすでに、低コストでＰＶデバイスを提供できるように開発されているはずである。例えば、シリコン膜の不十分な結晶性は膜の不完全な形成および破片をもたらすことがあるため、ＰＶ太陽電池における変換効率を低下させることがある。加えて、微結晶シリコン膜（μｃ−Ｓｉ）の従来の堆積プロセスは低堆積レートを有しており、このことは不都合なことに、製造スループットを低下させ、かつ生産コストを増大させる。
[0004]したがって、微結晶シリコン膜を堆積するための方法の改良が必要とされる。
[0005]本発明は、ＰＶ太陽電池での使用に適した毎分約２０ｎｍより大きな改良された堆積レートで微結晶シリコン層を堆積するための方法を提供する。該微結晶シリコン膜は、改良された堆積レートおよび良好な膜品質で堆積される。一実施形態では、該方法は、プロセスチャンバにおいて１平方メートルより大きな表面積を有する基板を提供するステップと、シランベースガスおよびＨ２ガスを含むガス混合物を該プロセスチャンバに流すステップと、該プロセスチャンバにおいて該ガス混合物から形成されたプラズマを維持するステップと、毎分約２０ｎｍより大きな堆積レートで該基板上に微結晶シリコン膜を堆積するステップであって、該微結晶シリコン膜は、約２０パーセント〜約８０パーセントの結晶化容積を有するステップと、を含んでいる。
[0006]別の実施形態では、微結晶シリコン膜を堆積するための方法は、プロセスチャンバにおいて約１平方メートルより大きな表面積を有する基板を提供するステップと、シランベースガスおよびＨ２ガスを含むガス混合物を該プロセスチャンバに流すステップであって、該シランベースガスは少なくとも約０．２ｓｌｍ／ｍ２の流量であり、Ｈ２ガスは少なくとも約１０ｓｌｍ／ｍ２の流量であるステップと、摂氏約１００度〜摂氏約４００度の範囲で基板温度をコントロールするステップと、約３トールより大きな範囲にプロセス圧力を維持するステップと、少なくとも約１００ｍワット／ｃｍ２でＲＦ電力密度を印加して該ガス混合物からプラズマを形成するステップと、毎分約２０ｎｍより大きな堆積レートで該基板上に微結晶シリコン膜を堆積するステップであって、該微結晶シリコン膜が約２０パーセント〜約８０パーセントの結晶化容積と、約０．１原子百分率〜約２０原子百分率の水素含有量とを有するステップと、を含んでいる。
[0007]さらに別の実施形態では、シリコンベース光電変換器を製造するための方法は、プロセスチャンバにおいて基板を提供するステップと、該基板上に光電変換器を形成するステップとを含んでいる。該光電変換器は、該基板上にｐ型半導体層を堆積するステップと、ＣＶＤプロセスによって毎分約２０ｎｍより大きな堆積レートで、該基板上の微結晶シリコン膜によってｉ型半導体層を堆積するステップであって、該微結晶シリコン膜は約２０パーセント〜約８０パーセントの結晶化容積を有するステップと、該微結晶シリコン膜上にｎ型半導体層を堆積するステップと、を備えている。
[0008]さらに別の実施形態では、シリコンベース光電変換器を製造するための方法は、プロセスチャンバに配置された基板支持アセンブリ上に基板を提供するステップと、シランベースガスおよびＨ２ガスを含むガス混合物をガス分布プレートを介して該プロセスチャンバに流すステップであって、該ガス分布プレートは１つの曲面を有する拡散器を備えるステップと、該基板支持アセンブリと該ガス分布プレート間の間隔を維持するステップと、該プロセスチャンバにおいて該ガス混合物から形成されたプラズマを維持するステップと、毎分約２０ｎｍより大きな堆積レートで該基板上に微結晶シリコン膜を堆積するステップであって、該微結晶シリコン膜が約２０パーセント〜約８０パーセントの結晶化容積を有するステップと、を含んでいる。
[0009]さらに別の実施形態では、シリコンベース光電変換器を製造するための方法は、プロセスチャンバに配置されている基板支持アセンブリ上に基板を提供するステップであって、該基板支持アセンブリがこの中に埋め込まれた冷却チャネルを含むステップと、ｐ型半導体層とｎ型半導体層間に配置されたｉ型半導体層として微結晶シリコン膜を堆積することによって該基板上に光電変換器を形成するステップであって、該微結晶シリコン膜が、１つの曲面を有する拡散器から供給されたガス混合物によって堆積されるステップと、を含んでいる。
[0010]本発明の上記記載された特徴部が達成され、かつ詳細に理解されるように、上記簡潔に要約された本発明のより具体的な説明が、添付の図面に図示されている実施形態を参照してなされてもよい。
[0017]理解を容易にするために、同一の参照番号が、可能な限り、全図面に共通な同一要素を指し示すために使用されてきた。一実施形態の要素および特徴部が、さらなる引用なしに他の実施形態に便宜的に組み込まれてもよいことが想定されている。
[0018]しかしながら、添付の図面は本発明の例示的実施形態のみを図示しており、また本発明は他の等しく効果的な実施形態を許容可能であるため、本発明範囲を制限するものとみなされるべきではない点に注目すべきである。
図１は、本発明にしたがったプロセスチャンバの一実施形態の概略断面図を描いている。 図２は、本発明の一実施形態にしたがった結晶シリコンベース薄膜ＰＶ太陽電池の例示的断面図を描いている。 図３は、本発明の一実施形態にしたがったタンデムタイプＰＶ太陽電池３００の例示的断面図を描いている。 図４は、本発明の一実施形態にしたがったトリプル接合ＰＶ太陽電池の例示的断面図を描いている。 図５Ａは、凹型水平形状を有する拡散器の断面図である。 図５Ｂは、凸型水平形状を有する拡散器の断面図である。
詳細な説明
[0019]本発明は、微結晶シリコン層を堆積するための方法を提供する。本発明の特定の実施形態は、ＰＶ太陽電池での使用に適した毎分約２０ｎｍより大きな改良された堆積レートで微結晶堆積プロセスを提供する。特定の実施形態では、微結晶シリコン膜層は、約２０パーセント〜約８０パーセントの結晶化容積を有している。特定の実施形態では、微結晶シリコン膜は約０．１原子百分率〜約２０原子百分率の水素含有量を有する。特定の実施形態では、微結晶シリコン膜は、膜の表面に平行な結晶配向平面（２２０）と、約２〜約０．１のＸ線回折における（２２０）回折ピークに対する（１１１）回折ピークの強度比とを有する。特定の実施形態では、微結晶シリコン層を堆積するためのプロセスは、シランベースガスおよびＨ２ガスを含むガス混合物から形成されたプラズマを利用する。
[0020]図１は、本発明が実践可能なプラズマ化学気相堆積システム１００の一実施形態の概略断面図である。１つの適切なプラズマ増強化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）システムは、カリフォルニア州、サンタクララのＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．の子会社であるＡＫＴ，Ｉｎｃ．から入手可能である。他の製造業者によるものを含む他のプラズマ処理チャンバが本発明を実践するために利用されてもよい点が想定されている。
[0021]システム１００は、概して、プロセス容積１８０を部分的に画成する壁１１０および底部１１１を有する処理チャンバ本体１０２を含んでいる。プロセス容積１８０は通常、ポートおよび／またはバルブ１０６を介してアクセスされて、太陽電池ガラス基板、ステンレス鋼基板またはプラスチック基板、半導体基板あるいは他の適切な基板などの基板１４０の、処理チャンバ本体１０２に対する移動を容易にする。チャンバ１００は、カバープレート１１６と、第１のプレート１２８と第２のプレート１２０とから構成されるガス入口マニホルド１１４を囲む蓋アセンブリ１１８を支持する。一実施形態では、第１のプレート１２８は裏側プレートであり、第２のプレート１２０はガス分布プレート、例えば拡散器である。真空ポンプ１２９がチャンバ本体１０２の底部に配置されて、所望の圧力範囲にチャンバ１００を維持する。任意には、チャンバ１０２の壁１１０は、処理中のダメージを防止するために、セラミック材料などのライナー１３８によるカバー、陽極化または他の保護コーティングによって保護されてもよい。
[0022]拡散器１２０は、チャンバ本体１０２に結合されているガス源１０５からのプロセスガス用の複数のオリフィス１２２を提供するように適合されている略平面を有することがある。拡散器１２０は基板１４０上方に位置決めされて、拡散器重力サポート１１５によって垂直に吊り下げられる。一実施形態では、拡散器１２０は、柔軟性サスペンション１５７によって蓋アセンブリ１１８の上部リップ１５５から支持される。柔軟性サスペンション１５７は、“Ｆｌｅｘｉｂｌｙ Ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ Ｇａｓ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ Ｍａｎｉｆｏｌｄ ｆｏｒ Ａ Ｐｌａｓｍａ Ｃｈａｍｂｅｒ”というタイトルで２００２年１１月１２日に発行された米国特許第６，４７７，９８０号によって詳細に開示されている。柔軟性サスペンション１５７は、拡散器１２０をこの縁部から支持して、拡散器１２０の膨張および収縮を可能にするように適合されている。
[0023]一実施形態では、柔軟性サスペンション１５７は、拡散器１２０の膨張および収縮を容易にするために利用される異なる構成を有してもよい。別の実施形態では、柔軟性サスペンション１５７は、拡散器１２０の湾曲を容易にするために、拡散器重力サポート１１５と併用されてもよい。例えば、拡散器１２０は、図５Ａに示されているように、拡散器重力サポート１１５および／または柔軟性サスペンション１５７によって収縮された凹型表面を有することがある。代替的に、拡散器１２０は、図５Ｂに示されているように、拡散器重力サポート１１５および／または柔軟性サスペンション１５７によって膨張された凸型表面を有することがある。拡散器１２０の表面構成は、“Ｄｉｆｆｕｓｅｒ Ｇｒａｖｉｔｙ Ｓｕｐｐｏｒｔ”というタイトルでＫｅｌｌｅｒらによって２００４年９月２０日に出願された米国特許公開第２００６／０，０６０，１３８号に詳細に開示されている。
[0024]図５Ａに描かれている実施形態では、拡散器１２０は、曲面５０２と平面５０４間の距離が漸進的に変化する凹型表面５０２を有することによって、基板１４０に対する処理容積１８０における異なるプロセス間隔を作成することができる。基板１４０の縁部上方の狭い間隔領域から基板１４０の中央部上方のわずかに広い間隔領域への漸進的推移によって基板１４０は異なる間隔で処理されることが可能である。別の実施形態では、拡散器１２０は、異なるプロセス条件を容易にするために、図５Ｂに示されているように平面または凸型表面を有するように構成されてもよい。拡散器表面１３２と基板表面間の間隔は、図１に示されているように、膜堆積の均一性を維持しながら、広範囲の堆積条件で堆積プロセスが最適化されるように選択および調整される。一実施形態では、この間隔は、処理中に約１００ミル以上、例えば約４００ミル〜約１６００ミル、例えば約４００ミル〜約１２００ミルにコントロールされる。
[0025]拡散器重力サポート１１５は、サポート１１５に搭載されているガスブロック１１７にプロセスガスを供給可能である。ガスブロック１１７は、サポート１１５内で長手方向ボア１１９を介して拡散器１２０と連通しており、拡散器１２０内の複数の通路１２２にプロセスガスを供給する。一実施形態では、１つ以上のプロセスガスがガスブロック１１７、長手方向ボア１１９、角度付きボア１１９ａを介して移動して、裏側プレート１２８と拡散器１２０間に作成された大型プレナム１２１と、拡散器１２０内の小型プレナム１２３とに堆積される。引き続き、１つ以上のプロセスガスは、拡散器１２０内の複数のオリフィス１２２を介して大型プレナム１２１および小型プレナム１２３から移動して、拡散器１２０下方に処理容積１８０を作成する。動作時に、基板１４０は処理容積１８０に持ち上げられて、プラズマ源１２４から生成されたプラズマはガスを励起して、基板１４０上に膜を堆積する。
[0026]複数のオリフィス１２２は、処理容積１８０における異なるガス流を容易にするために異なる構成を有してもよい。一実施形態では、オリフィス１２２は、約０．０１インチ〜約１．０インチ、例えば約０．０１インチ〜約０．５インチに及ぶ直径を有するフレア開口を有することがある。オリフィス１２２のフレア開口の寸法および密度は拡散器１２０の表面全体で変更されてもよい。一実施形態では、拡散器１２０の内部（例えば、中央）領域に配置されたオリフィス１２２の寸法および密度は、外部（例えば、縁部）領域に配置されたオリフィス１２２より大きくてもよい。チャンバ１００で使用可能なオリフィス構成および拡散器の例は、Ｃｈｏｉらによって２００４年７月１２日に出願され、同一出願人による米国特許公開第２００５／０，２５１，９９０号、Ｋｅｌｌｅｒらによって２００１年８月８日に出願された米国特許第６，７２２，８２７号、Ｗｈｉｔｅらに２００２年１１月１２に発行された米国特許第６，４７７，９８０号、Ｃｈｏｉらによって２００５年７月１日に出願された米国特許出願第１１／１７３，２１０号、Ｂｌｏｎｉｇａｎらによって２００３年１月７日に出願された第１０／３３７，４８３号、Ｃｈｏｉらによって２００４年１２月２２日に出願された公開番号第２００５／０，２５５，２５７号、およびＷｈｉｔｅらによって２００４年２月２４日に出願された公開番号第２００５／０，１８３，８２７号に説明されている。
[0027]基板支持アセンブリ１２２は概してチャンバ本体１０２の底部に配置されている。支持アセンブリ１１２は、プラズマ源１２４によって拡散器１２０に供給されたＲＦ電力が、上記のようにプロセス容積１８０に存在するガス、ソース化合物および／または前駆体を励起できるように接地される。プラズマ源１２４からのＲＦ電力は概して、化学気相堆積プロセスを駆動するために、基板１４０のサイズに合わせて選択される。
[0028]一実施形態では、ＲＦ電力は拡散器１２０に印加されて、プロセス容積１８０に電界を生成する。例えば、膜堆積中の電力密度は約１００ｍワット／ｃｍ２以上である。プラズマ源１２４および整合ネットワーク（図示せず）は、プロセス容積１８０においてプロセスガスのプラズマを作成および／または持続させる。種々の周波数のＲＦおよびＶＨＦ電力が、シリコン膜を堆積するために使用されてもよい。一実施形態では、約０．３ＭＨｚ〜約２００ＭＨｚの範囲、例えば約１３．５６ＭＨｚまたは約４０ＭＨｚのＲＦおよびＶＨＦ電力が使用されてもよい。別の実施形態では、約１３．５６ＭＨｚのＲＦ電力および約３５０ＫＨｚの低周波数ＲＦ電力が使用されてもよい。さらに別の実施形態では、約２７ＭＨｚ〜最大約２００ＭＨｚのＶＨＦ電力が、高堆積レートで膜を堆積するために利用されてもよい。
[0029]基板支持アセンブリ１２２は、基板１４０を支持するように適合された下部側部１２６および上部側部１０８を有している。ステム１４２は基板支持アセンブリ１１２の下部側部１２６に結合され、また上昇処理位置と降下基板移送位置間で支持アセンブリ１１２を移動させるためのリフトシステム（図示せず）に接続される。ステム１４２は電気リードおよび熱電対リードを基板支持アセンブリ１１２に結合するための導管を提供する。
[0030]基板支持アセンブリ１１２は、この上に配置する基板１４０を支持するための上部側部１０８を有する導電本体１９４を含んでいる。導電本体１９４は金属や金属合金材料から作られてもよい。一実施形態では、導電本体１９４はアルミニウムから作られている。しかしながら、他の適切な材料も使用可能である。基板支持アセンブリ１１２は、基板処理中に所定の温度範囲を維持するために温度コントロールされる。一実施形態では、基板支持アセンブリ１１２は、処理中に基板支持アセンブリ１１２の温度をコントロールするために利用される１つ以上の電極および／または加熱素子１９８を含んでいる。加熱素子１９８は、基板支持アセンブリ１１２と、この上に位置決めされている基板１４０を決められた温度範囲、例えば摂氏約１００度以上のセットポイント温度にコントロール可能に加熱する。例示的実施形態では、加熱素子１９８は、基板支持アセンブリ１１２の中央部分に埋め込まれている内部加熱素子と、基板支持アセンブリ１１２の縁部に埋め込まれている外部加熱素子とを含んでもよい。基板１４０の外縁は、プラズマ分布によって寄与された基板１４０の中央部分より低い温度を有することもあるため、外部加熱素子は、内部加熱素子の温度よりわずかに高い温度、例えば摂氏約２０度より高い温度を維持するように構成されており、基板１４０全体に均一な温度を維持することができる。内部および外部の加熱素子の温度構成はプロセス要件に基づいて変更してもよいことが想定されている。
[0031]別の実施形態では、基板支持アセンブリ１１２はさらに、導電本体１９４内に埋め込まれている１つ以上の冷却チャネル１９６を含んでもよい。この１つ以上の冷却チャネル１９６は、処理中に処理容積１８０の温度変動を所定の温度範囲に維持する、つまり摂氏２０度未満の温度変動を維持するように構成されている。冷却チャネル１９６は、所望の熱伝導率を提供する金属や金属合金から製作されてもよい。一実施形態では、冷却チャネル１９６はステンレス鋼材料から作られている。
[0032]一実施形態では、加熱素子１９８と、この中に埋め込まれている冷却チャネル１９６とを含む基板支持アセンブリ１１２の温度は、アルカリガラス、プラスチックおよび金属などの融点が低い基板を本発明で利用可能にする所望の範囲で処理された、この上に配置されている基板１４０をコントロールしてもよい。一実施形態では、加熱素子１９８および冷却チャネル１９６は、摂氏約１００度以上、例えば摂氏約１５０度〜摂氏約５５０度に温度を維持してもよい。
[0033]図２は、本発明の一実施形態にしたがった結晶シリコンベース薄膜ＰＶ太陽電池２００の例示的断面図を描いている。結晶シリコンベース薄膜ＰＶ太陽電池２００は基板１４０を含んでいる。基板１４０は、適切な材料のうちの金属、プラスチック、有機材料、シリコン、ガラス、石英またはポリマーからなる薄いシートであってもよい。基板１４０は、約１平方メートルより大きい、例えば約２平方メートルより大きい表面積を有してもよい。任意の誘電層（図示せず）が基板１４０と透過性導電酸化物（ＴＣＯ）層２０２間に配置されてもよい。一実施形態では、この任意の誘電層はＳｉＯＮまたは二酸化シリコン（ＳｉＯ２）層であってもよい。透過性導電酸化物（ＴＣＯ）層２０２は、酸化スズ（ＳｎＯ２）、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）またはこれらの組み合わせからなる群より選択された少なくとも１つの酸化物層を含むことができるが、これらに限定されない。ＴＣＯ層２０２は、ＣＶＤプロセス、ＰＶＤプロセスまたは他の適切な堆積プロセスによって堆積されてもよい。
[0034]光電変換ユニット２１４がＴＣＯ層２０２上に形成される。光電変換ユニット２１４はｐ型半導体層２０４と、ｎ型半導体層２０８と、光電変換層としての真正（ｉ型）半導体層２０６とを含んでいる。ｐ型およびｎ型半導体層２０４、２０８は、IIIまたはV族のいずれかから選択された元素によってドープされたシリコンベース材料であってもよい。III族元素ドープシリコン膜はｐ型シリコン膜と称されるのに対して、V族元素ドープシリコン膜はｎ型シリコン膜と称される。一実施形態では、ｎ型半導体層２０８はリンドープシリコン膜であってもよく、ｐ型半導体層２０４はホウ素ドープシリコン膜であってもよい。ドープシリコン膜は、およそ５ｎｍ〜約５０ｎｍの厚さを具備するアモルファスシリコン膜（ａ−Ｓｉ）、多結晶膜（ポリ−Ｓｉ）および微結晶膜（μｃ−Ｓｉ）を含んでいる。代替的に、半導体層２０４、２０８のドープ元素は、ＰＶ太陽電池２００のデバイス要件を満たすように選択されてもよい。ｎ型およびｐ型半導体層２０８、２０４はＣＶＤプロセスや他の適切な堆積プロセスによって堆積されてもよい。
[0035]ｉ型半導体層２０６は無ドープタイプシリコンベース膜である。このｉ型半導体層２０６は、改良された光電変換効率を有する膜特性を提供するようにコントロールされたプロセス条件下で堆積されてもよい。一実施形態では、ｉ型半導体層２０６はｉ型多結晶シリコン（ポリ−Ｓｉ）またはｉ型微結晶シリコン膜（μｃ−Ｓｉ）を含んでいる。ｉ型結晶シリコンベース膜２０６は処理チャンバ１０２または他の適切な処理チャンバに堆積されてもよい。
[0036]図２に描かれている実施形態では、ｉ型半導体層２０６は、約２０パーセント〜約８０パーセント、例えば約５０パーセントより大きな結晶化容積を有する微結晶シリコン膜（μｃ−Ｓｉ）である。堆積プロセス中の基板温度は所定の範囲に維持される。一実施形態では、基板温度は、アルカリガラス、プラスチックおよび金属などの融点が低い基板が本発明で利用されるように、摂氏約４００度未満に維持される。別の実施形態では、プロセスチャンバの基板温度は摂氏約１００度〜摂氏約４００度の範囲に維持される。さらに別の実施形態では、基板温度は、摂氏約１５０度〜摂氏約４００度の範囲、例えば摂氏２００度に維持される。
[0037]処理中、ガス混合物がプロセスチャンバ１０２に流されて、ＲＦプラズマを形成し、かつｉ型μｃ−Ｓｉ膜２０６を堆積するために使用される。一実施形態では、ガス混合物はシランベースガスおよび水素ガス（Ｈ２）を含んでいる。シランベースガスの適切な例は、モノシラン（ＳｉＨ４）、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）、四フッ化シリコン（ＳｉＦ４）、四塩化シリコン（ＳｉＣｌ４）およびジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）などを含むがこれらに限定されない。シランベースガスおよびＨ２ガスのガス比は、ガス混合物の反応挙動をコントロールするように維持されるため、形成されたシリコン膜の所望の割合、例えば約２０パーセント〜約８０パーセントの結晶化を可能にする。一実施形態では、シランベースガスはＳｉＨ４である。ＳｉＨ４ガスは少なくとも約０．２ｓｌｍ／ｍ２の流量で供給されてもよく、Ｈ２ガスは少なくとも約１０ｓｌｍ／ｍ２の流量で供給されてもよい。ガス混合物は、ＳｉＨ４ガス流より大きくコントロールされたＨ２ガス流を有することがある。代替的に、ＳｉＨ４ガスおよびＨ２ガスのガス混合物は約１：２０〜約１：２００、例えば約１：８０〜約１：１２０、例えば約１：１００のＳｉＨ４対Ｈ２比で供給されてもよい。加えて、プロセス圧力は約１トール〜約１００トール、例えば約３トール〜約２０トール、例えば３トールより大きく維持される。
[0038]代替的に、１つ以上の不活性ガスが、プロセスチャンバ１０２に提供されたガス混合物によって含められてもよい。不活性ガスは、Ａｒ、Ｈｅ、Ｘｅなどの希ガスを含んでもよいが、これらに限定されない。不活性ガスは、約１：１０〜約２：１の不活性ガス対Ｈ２ガスの流量比で処理チャンバ１０２に供給されてもよい。
[0039]ＲＦ電力が、堆積中にプラズマを維持するために印加される。一実施形態では、ＲＦ電力密度は、毎分２０ｎｍより大きな堆積レートを取得するために、少なくとも約１００ｍワット／ｃｍ２で供給されてもよい。約１００ｋＨｚ〜約１００ＭＨｚ、例えば約３５０ｋＨｚまたは約１３．５６ＭＨｚのＲＦ電力が提供される。代替的に、ＶＨＦ電力が、最大約２７ＭＨｚ〜約２００ＭＨｚの周波数を提供するために利用されてもよい。高堆積レートが必要とされる実施形態では、ＲＦ電力密度は、毎分６０ｎｍより大きな、例えば毎分１００ｎｍの堆積レートを取得するために、３００ｍワット／ｃｍ２より大きな高電力密度で印加されてもよい。
[0040]ガス分布プレートアセンブリ１１８に対する基板の間隔は基板寸法にしたがってコントロールされてもよい。一実施形態では、１平方メートルより大きな基板の処理間隔は、約４００ミル〜約１２００ミル、例えば約４００ミル〜約８００ミル、例えば５００ミルにコントロールされる。
[0041]ｉ型μｃ−Ｓｉ層２０６の堆積膜品質を容易にするために、ｉ型μｃ−Ｓｉ膜２０６の堆積前の薄い層は、高品質かつ高割合の微結晶位相形成のために、ｐ型半導体層２０４とｉ型μｃ−Ｓｉ膜２０６間のより良好な接触接着および界面品質を提供するためのシード層として、堆積および利用されてもよい。一実施形態では、約２０Å〜約５００Å、例えば約５０Å〜約３００Åの厚さを有するシード層は比較的低い堆積レート、例えば毎分２０ｎｍ未満で堆積されてもよい。シード層の低堆積レートは、約１：１００〜約１：２００００、例えば１：２００〜１：１０００、例えば１：５００のシランベースガス対Ｈ２比を有するガス混合物によってコントロールされてもよく、他のプロセスパラメータは実質的にｉ型μｃ−Ｓ層２０６の堆積と類似している。別の実施形態では、ｉ型μｃ−Ｓｉ膜２０６の堆積は、シード層を堆積する第１のステップと、バルクｉ型μｃ−Ｓｉ層２０６を堆積する第２のステップとを有する２ステップ堆積プロセスを含んでもよい。第１のステップのシード層堆積プロセスは、約１：１００〜約１：２０００、例えば１：２００〜１：１０００、例えば１：５００のシランベースガス対Ｈ２比を有するガス混合物によってコントロールされた比較的低い堆積レート、例えば毎分１０ｎｍ未満を有する。第２のステップのバルクｉ型μｃ−Ｓｉ層２０６は、製造スループットおよびコストを容易にするために、上記のように毎分２０ｎｍより大きな堆積レートを有する。さらに別の実施形態では、第２のステップのバルクｉ型μｃ−Ｓｉ層２０６は、ガス混合物を希釈するために使用されるＨ２ガス比の漸進的変化によって成長されて、所望のグレード膜の堆積をもたらす。例えば、ガス混合物の希釈に対するＨ２ガスの漸進的変化はシード層堆積期間中約１：２００〜約１：２０で変更されてもよく、比較的高いＨ２希釈ガス比のガス混合物を、比較的低いＨ２希釈ガス比のガス混合物に供給することから開始するプロセスをもたらす。したがって、微結晶位相の割合は所望の厚さのμｃ−Ｓｉ層２０６内でコントロールされてもよい。Ｈ２希釈ガス比の漸進的変化は、コントロールされたディジタルモードまたはアナログモードのＨ２ガス流によって達成されてもよい。さらに別の実施形態では、第１のステップのシード層は、ｐ型半導体層２０４の一部として堆積されてもよい。
[0042]上記のプロセスガス混合物、プロセス温度およびＲＦ電力は、有利な結晶構造を有するｉ型シリコン膜２０６を提供する。例えば、摂氏約１５０度〜摂氏約３５０度の温度で処理する間に、例えば約２０〜３０ｎｍの粒子の小さいμｃ−Ｓｉ膜が取得されてもよい。摂氏約３５０度〜摂氏約６００度の温度で処理する間に、例えば約１０ｎｍより大きな、粒子の大きいポリＳｉ膜が取得されてもよい。したがって、ＲＦ電力が、μｃ−Ｓｉ膜の堆積レートを容易にする程度の比較的高い範囲で選択されるため、所定の流量比のガス混合物が、所望の結晶および膜特性を有するμｃ−Ｓｉ膜を堆積するために利用され、これによって所望の光電変換効率でＰＶ太陽電池の動作を容易にすることができる。
[0043]一実施形態では、堆積されたｉ型μｃ−Ｓｉ膜２０６は、約０．１原子百分率〜約２０原子百分率、例えば約１原子百分率〜約１０原子百分率、例えば１０原子百分率未満の水素含有量を有する水素化μｃ−Ｓｉ膜である。堆積されたｉ型μｃ−Ｓｉ膜２０６の粒子は、膜の表面に平行な結晶配向平面（２２０）を有しており、Ｘ線回折における（２２０）回折ピークに対する（１１１）回折ピークの密度比は約２〜約０．１、例えば約１．０未満である。加えて、堆積されたｉ型μｃ−Ｓｉ膜２０６は、約５００ｎｍ〜約１０μｍ、例えば約１０００ｎｍ〜約５０００ｎｍの厚さを有してもよい。
[0044]再度図２を参照すると、光電変換ユニット２１４がＴＣＯ層２０２上に形成された後、裏側電極２１６が光電変換ユニット２１４上に配置される。一実施形態では、裏側電極２１６は、透過性導電酸化物（ＴＣＯ）層２１０および導電層２１２を含む積層膜によって形成されてもよい。導電層２１２は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｐｔまたはこれらの組み合わせの合金からなる群より選択された金属層を含んでもよいが、これらに限定されない。透過性導電酸化物（ＴＣＯ）層２１０は、基板上に形成されたＴＣＯ層２０２と類似の材料から製作可能である。適切な透過性導電酸化物（ＴＣＯ）層２１０は、酸化スズ（ＳｎＯ２）、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）またはこれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない。金属層２１２およびＴＣＯ層２１０は、ＣＶＤプロセス、ＰＶＤプロセスまたは他の適切な堆積プロセスによって堆積されてもよい。
[0045]動作中、この環境によって提供された入射光２２２、例えば太陽光や他の光子がＰＶ太陽電池２００に供給される。ＰＶ太陽電池２００における光電変換ユニット２１４は光エネルギーを吸収して、光電変換ユニット２１４に形成されたｐ−ｉ−ｎ接合の動作によってこの光エネルギーを電気エネルギーに変換することによって、電気またはエネルギーを生成することができる。代替的に、ＰＶ太陽電池２００は逆の順序で製作または堆積されてもよい。例えば、基板１４０は裏側電極２１６に配置されてもよい。
[0046]図３は、本発明の別の実施形態にしたがったタンデムタイプＰＶ太陽電池３００の例示的断面図を描いている。タンデムタイプＰＶ太陽電池３００は、図２に上述されたように、シート１４０上に形成されたＴＣＯ層３０２と、ＴＣＯ層３０２上に形成された第１の光電変換ユニット３２２とを含むＰＶ太陽電池２００と類似の構造を有している。一実施形態では、第１の光電変換ユニット３２２におけるｉ型半導体層３０６はアモルファスＳｉ膜として堆積される。代替的に、第１の光電変換ユニット３２２におけるｉ型半導体層３０６はポリＳｉまたはμｃ−Ｓｉ膜として堆積されてもよい。任意の界面層３１０が第１の光電変換ユニット３２２と第２の光電変換ユニット３２４間に形成されてもよい。この任意の界面層３１０は、基板１４０上に形成されたＴＣＯ層３０２であるＴＣＯ層であってもよい。第１の下地変換ユニット３２２および第２の光電変換ユニット３２４の組み合わせは光電変換効率を増大させる。第２の光電変換ユニット３２４は、ｐ型半導体層３１２とｎ型半導体層３１６間に挟持されたｉ型半導体層３１４としてμｃ−Ｓｉ膜を有するμｃ−Ｓｉベース光電変換ユニット３２４であってもよい。代替的に、第２の光電変換ユニット３２４におけるｉ型半導体層３１４は、図２に説明されているように、単一接合ＰＶ太陽電池２００の光電変換ユニット２１４で利用されているμｃ−Ｓｉ膜２０６として製造されてもよい。代替的に、ｐ型半導体層３１２はμｃ−Ｓｉ層であってもよい。
[0047]裏側電極３２６が第２の光電変換ユニット３２４上に配置される。裏側電極３２６は、図２に説明されている裏側電極２１６に類似していてもよい。裏側電極３２６は、ＴＣＯ層３１８上に形成された導電層３２０を備えてもよい。導電層３２０およびＴＣＯ層３１８の材料は、図２に説明されている導電層２１２およびＴＣＯ層２１０に類似していてもよい。
[0048]動作中、この環境によって提供された入射光３２８がＰＶ太陽電池３００に供給される。ＰＶ太陽電池３００における光電変換ユニット３２２、３２４は光エネルギーを吸収して、光電変換ユニット３２４、３２２に形成されたｐ−ｉ−ｎ接合の動作によってこの光エネルギーを電気エネルギーに変換することによって、電気またはエネルギーを生成することができる。代替的に、ＰＶ太陽電池３００は逆の順序で製作または堆積されてもよい。例えば、基板１４０は裏側電極３２６に配置されてもよい。
[0049]代替的に、第３の下地光電変換ユニット４１０が、図４に示されているように、第２の光電変換ユニット３２４上に形成されてもよい。任意の界面層４０２が第２の光電変換ユニット３２４と第３の光電変換ユニット４１０間に配置されてもよい。この任意の界面層４０２は、図３に説明されたＴＣＯ層３１０、３０２であるＴＣＯ層４０２であってもよい。第３の光電変換ユニット４１０は、ｐ型半導体層４０４とｎ型層４０８間に配置されているｉ型半導体層４０６を有する第２の光電変換ユニット３２４と実質的に類似していてもよい。第３の光電変換ユニット４１０は、μｃ−Ｓｉ膜によって形成されたｉ型半導体層４０６を有するμｃ−Ｓｉ型光電変換ユニットであってもよい。代替的に、ｉ型半導体層４０６はポリＳｉまたはアモルファスシリコン層によって形成されてもよい。代替的に、ｐ型半導体層３１２はμｃ−Ｓｉ層であってもよい。１つ以上の光電変換ユニットが、光電変換効率を促進するために利用される第３の光電変換ユニット上に任意に堆積されてもよい点に注目すべきである。
[0050]したがって、μｃ−Ｓｉ膜を堆積するための改良された方法が提供される。この方法は有利なことに、ＰＶ太陽電池で利用されるμｃ−Ｓｉ膜の堆積レートおよび膜品質を増大させることによって、従来の方法と比較してＰＶ太陽電池の光電変換効率およびデバイス性能を増大させることができる。
[0051]上記は本発明の実施形態を目的としているが、本発明の他のさらなる実施形態もこの基本的範囲から逸脱することなく考案可能であり、またこの範囲は以下の特許請求の範囲によって判断される。
１００…プラズマ化学気相堆積システム、１０２…処理チャンバ本体、１０５…ガス源、１０６…ポートまたはバルブ、１０８…上部側部、１１０…壁、１１１…底部、１１２…基板支持アセンブリ、１１４…ガス入口マニホルド、１１５…拡散器重力サポート、１１６…カバープレート、１１７…ガスブロック、１１８…蓋アセンブリ、１１９…長手方向ボア、１２０…第２のプレート、１２１…大型プレナム、１２２…オリフィス、１２３…小型プレナム、１２４…プラズマ源、１２６…下部側部、１２８…第１のプレート、１２９…真空ポンプ、１４０…基板、１４２…ステム、１５５…上部リップ、１５７…柔軟性サスペンション、１８０…プロセス容積、１９４…導電本体、１９６…冷却チャネル、１９８…加熱素子、２００…ＰＶ太陽電池、２０２…透過性導電酸化物（ＴＣＯ）層、２０４…ｐ型半導体層、２０６…ｉ型半導体層、２０８…ｎ型半導体層、２１２…導電層、３００…ＰＶ太陽電池、３０２…ＴＣＯ層、３０６…ｉ型半導体層、３１０…界面層、３１２…ｐ型半導体層、３１４…ｉ型半導体層、３１６…ｎ型半導体層、３１８…ＴＣＯ層、３２０…導電層、３２２…第１の光電変換ユニット、３２４…第２の光電変換ユニット、３２６…裏側電極、３２８…入射光、４０２…界面層、４０４…ｐ型半導体層、４０６…ｉ型半導体層、４０８…ｎ型半導体層、４１０…第３の下地光電変換ユニット

Claims (25)

  1. 微結晶シリコン膜層を堆積するための方法であって、
    約１平方メートルより大きな表面積を有する基板をプロセスチャンバに提供するステップと、
    シランベースガスおよびＨ２ガスを含むガス混合物を前記プロセスチャンバに流すステップと、
    前記プロセスチャンバにおいて前記ガス混合物から形成されたプラズマを維持するステップと、
    毎分約２０ｎｍより大きな堆積レートで前記基板上に微結晶シリコン膜を堆積するステップであって、前記微結晶シリコン膜が約２０パーセント〜約８０パーセントの結晶化容積を有するステップと、
    を備える方法。
  2. 前記微結晶シリコン膜がさらに、約０．１原子百分率〜約２０原子百分率の水素含有量を備える、請求項１に記載の方法。
  3. 前記ガス混合物を流す前記ステップがさらに、
    少なくとも約０．２ｓｌｍ／ｍ２の流量で前記シランベースガスを流す工程と、
    少なくとも約１０ｓｌｍ／ｍ２の流量でＨ２ガスを流す工程と、
    を備える、請求項１に記載の方法。
  4. 前記ガス混合物を流す前記ステップがさらに、
    約１：２０〜約１：２００の比で前記シランベースガスおよびＨ２ガスを流す工程を備える、請求項１に記載の方法。
  5. 前記ガス混合物に供給された前記Ｈ２ガスが堆積中に変更される、請求項３に記載の方法。
  6. 前記ガス混合物に供給された前記Ｈ２ガスが、比較的高いＨ２ガス比から比較的低いＨ２ガス比に供給される、請求項３に記載の方法。
  7. 前記シランベースガスが、モノシラン（ＳｉＨ４）、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）、四フッ化シリコン（ＳｉＦ４）、四塩化シリコン（ＳｉＣｌ４）およびジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）からなる群より選択される、請求項１に記載の方法。
  8. 前記ガス混合物を流す前記ステップがさらに、
    約３トールより大きな範囲にプロセス圧力を維持する工程と、
    摂氏約１００度〜摂氏約４００度に基板温度をコントロールする工程と、
    を備える、請求項１に記載の方法。
  9. 少なくとも約１００ｍワット／ｃｍ２のＲＦ電力密度を印加するステップをさらに備える、請求項１に記載の方法。
  10. 前記微結晶シリコン膜が、約２〜約０．１の、Ｘ線回折における（２２０）回折ピークに対する（１１１）回折ピークの強度比を有する、請求項１に記載の方法。
  11. 前記ガス混合物を流す前記ステップがさらに、
    約４００ミル〜約１２００ミルの範囲に前記プロセスチャンバの処理間隔を維持する工程を備える、請求項１に記載の方法。
  12. 前記基板温度をコントロールする前記ステップがさらに、
    処理中に前記基板温度を冷却する工程を備える、請求項８に記載の方法。
  13. 前記微結晶シリコン膜を堆積する前記ステップがさらに、
    前記微結晶シリコン膜の堆積前に、前記基板上に毎分約２０ｎｍ未満の堆積レートで微結晶シリコンシード層を堆積する工程を備える、請求項１に記載の方法。
  14. 前記微結晶シリコンシード層が約５０Å〜３００Åの厚さを有する、請求項１３に記載の方法。
  15. 前記微結晶シリコンシード層を堆積する前記ステップがさらに、
    約１：１００〜約１：１０００のシランベースガス対Ｈ２比を有するガス混合物を供給する工程を備える、請求項１４に記載の方法。
  16. シリコンベース光電変換器を製造するための方法であって、
    プロセスチャンバに基板を提供するステップと、
    前記基板上に光電変換器を形成するステップと、
    を備え、前記光電変換器が、
    前記基板上にｐ型半導体層を堆積する工程と、
    ＣＶＤプロセスによって、毎分約２０ｎｍより大きな堆積レートで前記基板上の微結晶シリコン膜によってｉ型半導体層を堆積する工程であって、前記微結晶シリコン膜が約２０パーセント〜約８０パーセントの結晶化容積を有する工程と、
    前記微結晶シリコン膜上にｎ型半導体層を堆積する工程と、
    を備える方法。
  17. 前記光電変換器を形成する前に前記基板上に少なくとも１つの下地光電変換器を形成するステップをさらに備え、前記下地光電変換器が、
    ｐ型半導体を堆積する工程と、
    ＣＤＶプロセスによってｐ型半導体層上のシリコン膜によってｉ型半導体層を堆積する工程と、
    前記ｉ型半導体層上にｎ型半導体層を堆積する工程と、
    を備える、請求項１６に記載の方法。
  18. 前記ｉ型半導体層を堆積する前記ステップがさらに、
    シランベースガスおよびＨ２ガスを含むガス混合物を前記プロセスチャンバに流す工程を備える、請求項１６に記載の方法。
  19. 前記シランベースガスが少なくとも約０．２ｓｌｍ／ｍ２の流量で流され、Ｈ２ガスが少なくとも約１０ｓｌｍ／ｍ２の流量で流される、請求項１８に記載の方法。
  20. 前記ガス混合物に供給された前記Ｈ２ガスが堆積中に比較的高いＨ２ガス比から比較的低いＨ２ガス比に変更される、請求項１８に記載の方法。
  21. 前記微結晶シリコン膜が、約０．１原子百分率〜約２０原子百分率の水素含有量を有する水素化シリコン膜である、請求項１６に記載の方法。
  22. 前記下地光電変換器における前記ｉ型半導体が、アモルファスシリコン膜、微結晶シリコンおよびポリシリコン膜からなる群より選択されたシリコン材料である、請求項２１に記載の方法。
  23. 前記基板上の前記光電変換器上に少なくとも１つの下地光電変換器を堆積するステップをさらに備え、前記下地光電変換器が、
    ｐ型半導体層を堆積する工程と、
    ＣＶＤプロセスによってｐ型半導体層上のシリコン膜によってｉ型半導体層を堆積する工程と、
    前記ｉ型半導体層上にｎ型半導体層を堆積する工程と、
    を備える、請求項１６に記載の方法。
  24. 前記下地光電変換器における前記ｉ型半導体が、アモルファスシリコン膜、微結晶シリコンおよびポリシリコン膜からなる群より選択されたシリコン材料である、請求項２３に記載の方法。
  25. 前記ｐ型半導体およびｎ型半導体が、アモルファスシリコン膜、微結晶シリコンおよびポリシリコン膜からなる群より選択されたシリコン材料によって形成され、前記シリコン材料が約５ｎｍ〜約５０ｎｍの厚さを有する、請求項１６に記載の方法。
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