JP2012517700A - 光起電力電池における負に帯電したパッシベーション層 - Google Patents

Abstract

本発明の実施形態は、光起電力デバイスを作製するために太陽基板を処理するための方法および装置を対象にしている。特に、負に帯電したパッシベーション層を生成するための方法および装置が提供される。

Description

本発明の実施形態は一般に、光起電力デバイスおよび光起電力デバイスの製造に関する。特に本発明の実施形態は、光起電力電池における負に帯電したパッシベーション層、および負に帯電したパッシベーション層の生成に関する。

光起電力（ＰＶ）電池また太陽電池は、放射を直流（ＤＣ）電気出力に変換する材料接合デバイスである。（光子からのエネルギーからなる）太陽光線に曝されると、太陽電池のｐ−ｎ接合の電場が自由電子と正孔の対を分離し、したがって、光電圧を発生させる。ｎ側からｐ側への回路は、太陽電池が電気的負荷に接続されたときの電子の流れを可能にし、ＰＶ電池接合デバイスの面積および他のパラメータは、得られる電流を決定する。電気出力は、電子と正孔が集電接合部によって分離されると発生する電圧と電流の積である。

太陽電池１００に基づく、周知の半導体の断面図を図１に示す。太陽電池は、頂部電極として働く頂部グリッド１０１、反射防止層１０２、ｎ型層１０３、ｐ型バルク１０４、裏面電極として働くバックメタル層１０７に接続された点接触部１０５、および誘電体層１０６を有する。

電力は、頂部電極と裏面電極の間の外部電流によって発生し、電流は、放射によって電池から解放された電荷担体によって維持される。シリコン太陽電池を用いて高い効率を得るためには、前面および裏面における担体の再結合を低減することが必要である。これは通常、パッシベーションと呼ばれるプロセスによって行われる。太陽電池が光子を吸収すると、電子−正孔の対が生成される。こうした担体が半導体性の接合部に集められる前に再結合する場合には、担体が失われ、電池の電流に寄与することができなくなる。表面は高密度のダングリングボンドを伴う不連続性を示すので、再結合に対する主要な位置になる。その問題は、担体が接合部に達する前に表面に達する確率が高い、長い存続時間の基板を有する高度な電池の設計においてより悪化する。

表面を不活性化する魅力的な方法は、電池の本体上にパッシベーション層とも呼ばれる絶縁体層を堆積させることである。最も一般的には、パッシベーション層の材料としてＳｉ_３Ｎ_４またはＳｉＯ_２が用いられる。ＳｉＯ_２は、最小数のダングリングボンドを有する界面を形成する魅力的な特性を有する。しかしながら、ＳｉＯ_２は、反射防止コーティングの形成には適さない低い屈折率を有する。Ｓｉ_３Ｎ_４は、少数のダングリングボンドを有する良好な界面を形成しない。しかしながら、Ｓｉ_３Ｎ_４は、シリコンと共に使用する場合に理想的な値に近い屈折率を有する。

どちらの材料でも、パッシベーション層に電荷を加えることが可能である。ＣＶＤまたはＰＶＤを用いると、正味の正電荷を有する窒化物が生じる。正味の正の固定電荷を有する二酸化シリコンも生じる。ｐ型材料では、正電荷が面を反転させ、電子の層（少数担体）および正孔の欠乏（多数担体）を生成する。トラップ部は電子によって帯電するが、電子を放出し、それによって電子を中和するための正孔が存在しない。

ＰＥＲＬ電池もしくはＰＥＲＣ電池、またはレーザ照射される裏面接触電池などの特定の電池の設計では、パッシベーション層に負電荷を与えることが望ましい。例えば図１に示す例については、小さい局所的な領域の形の裏面接触部を有する点接触式の電池が存在し、残りの裏面の範囲はパッシベーション層で覆われている。これらの接触部は、反転層を取り除く（ｄｒａｉｎ ｏｆｆ）ＣＭＯＳ構造を形成する。基板内での存続時間が長いため、少数担体の発生速度は極めて低く、反転層が生じることはない。蓄積層は、直ちに利用可能な多数担体を包含し、したがって、ずっと迅速に応答することが可能であるため好ましい。ｐ型材料内に蓄積層を形成するには、負電荷が必要である。

しかしながら、負電荷は従来の太陽電池プロセスには適合しない。そうしたプロセスは、バルク中、およびパッシベーション層と半導体の間の界面における欠陥を不活性化するのに水素を使用する。水素は正電荷を有し、パッシベーション層内の負電荷を中和する。多くの場合、パッシベーション層は過剰な水素を伴って形成され、水素パッシベーションに対する供給源として作用する。このことは、パッシベーション層における正味の負電荷の実現をさらに複雑にする。

したがって、負に帯電したパッシベーション層が求められている。そのように負に帯電したパッシベーション層を提供する同時に、依然としてパッシベーション、およびそうした負に帯電したパッシベーション層を形成するプロセスに対する水素の有効性を維持することも望ましいであろう。

本発明の一実施形態は、処理チャンバ内で太陽電池基板の表面上に層を形成する方法であって、処理チャンバ内にテクスチャ化されたシリコン表面を有する太陽電池基板を配置すること、基板上に酸化物層を形成し、ある酸化物層の深さを有するようにすること、処理チャンバ内に負イオン源から形成された負イオンを提供すること、および負イオンを酸化物層に打ち込み、太陽電池基板上に負に帯電したパッシベーション誘電体層を形成することを含む方法に関する。

一実施形態では、負イオンは酸素イオンであり、パッシベーション層は二酸化シリコン層を含む。一実施形態では、方法はさらに、バイアス電場を与えるように、チャンバ内の対電極および基板を支持する基板支持体に電力を印加することによって、チャンバにバイアスをかけることを含む。

様々な実施形態は、第１の場の方向を有する第１の場の強さと、第２の場の方向を有する第２の場の強さとの間でバイアス電場を交互にするために、電力源からの電力を変えることを含むことができる。一実施形態において、方法は、正イオンの供給源をチャンバ内に供給することを含む。一実施形態では、第１の場の方向を有する第１の場の強さは、層内の第１の深さまで負イオンを打ち込み、第２の場の方向を有する第２の場の強さは、層内の第２の深さまで正イオンを打ち込む。

一実施形態による電力は、対電極と基板の間で約３０および３００ボルトの範囲で変化させる。特定の実施形態では、電力は、対電極と基板の間で約１００および２００ボルトの範囲で変化させる。特定の実施形態では、バイアス電場は、基板上に初期の酸化物層を成長させた後に与えられる。

特定の実施形態では、初期の酸化物層は、バイアス電場を与える前に少なくとも約２０オングストロームの深さまで成長させる。各実施形態は、チャンバ内に第３のイオン源、例えばアルミニウムまたはハフニウムを導入することを含むことができる。

いくつかの実施形態では、対電極はガス分配プレートを備え、ガス分配プレートは酸素源および水素源と連通する。他の実施形態では、対電極は、チャンバ内の基板支持体に隣接して配置されたグリッドを備える。

一実施形態において、太陽電池基板の表面上にパッシベーション層を形成する方法は、処理チャンバ内にテクスチャ化されたシリコン表面を有する太陽電池基板を配置すること、基板上に酸化物層を形成し、ある酸化物層の深さを有するようにすること、チャンバ内に酸素および水素を供給すること、ならびにチャンバ内の対電極と基板の間に非対称のＡＣバイアスを印加することであって、バイアスが正バイアスと負バイアスの間で変化し、正バイアスが負バイアスより大きい大きさを有し、したがって、水素イオンが酸化物層の深さより下の基板に打ち込まれ、酸素イオンが酸化物層に打ち込まれるが、基板には打ち込まれず、負に帯電したパッシベーション層を与えることを含む。

光起電力デバイスを概略的に示す図である。 基板上の酸化物層の成長を概略的に示す図である。 イオン打ち込みを用いることによってパッシベーション層として作用することができる酸化物層の、太陽電池基板上での成長を概略的に示す図である。 イオン打ち込みを用いることによってパッシベーション層として作用することができる酸化物層を、太陽電池基板上で成長させるための代替的実施形態を概略的に示す図である。

本発明のいくつかの例示的な実施形態を記述する前に、本発明が、以下の記述で述べる構造の詳細または処理ステップに限定されないことを理解されたい。本発明は他の実施形態が可能であり、また様々な方法で実施または実行することが可能である。

本明細書および添付の特許請求の範囲で使用するとき、単数形の「１つの（ａ、ａｎ）」および「その（ｔｈｅ）」は、文脈において別段の明確な指示がない限り複数の指示対象を含む。

カリフォルニア州サンタクララのＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．は、ＣＭＯＳトランジスタゲート用に薄い二酸化シリコン層を形成するＲａｄＯｘ（登録商標）と呼ばれるプロセスを含む、基板処理チャンバを販売している。ＲａｄＯｘ（登録商標）プロセスは、ランプを用いて基板を加熱し、処理チャンバ内に水素および酸素を注入する。これらのガスは、基板の表面に当たるとラジカルを形成する。ラジカルは非荷電化学種より反応性が高く、その場蒸気発生（ＩＳＳＧ）酸化物成長として知られる蒸気のプロセスで得られるよりも、速い層成長速度を与える。

ＲａｄＯｘ（登録商標）プロセスを図示する概略図を図２に示す。水素ガスおよび酸素ガスが、供給源２１０および２１２からチャンバ２００に注入される。図２に示す実施形態では、ガスは、複数の流路を有するガス分配プレート２１４を通してチャンバに送り込まれ、水素の出口ポート２０１は水素供給部２１０と流体連通し、酸素の出口ポート２０２は酸素供給部２１２と流体連通する。イオン源であるガスは、チャンバ内でイオン化し、チャンバ２００内の基板支持体２２０上に配置された基板２０５の表面にラジカルを形成することができる。ラジカルは反応して、二酸化シリコン層２０３を形成する。成長を止めた後、ある正味の濃度のラジカルが層２０３の中に存在するようになることに留意されたい。しかしながら、成長した層２０３が正味の負電荷を有するとは思われない。このように考えられるのは、層２０３を成長させるために酸素は界面２０４で消費されるが、水素は消費されないからである。その結果、層２０３は水素が豊富になるが、所望される正味の負電荷は伴わない。

本発明の一態様によれば、パッシベーション層にイオンを打ち込むための方法が提供される。本発明の一実施形態では、図３に示すように処理チャンバにバイアス電場が印加される。図３は、処理チャンバに入るガスのイオン化によって形成されるラジカルの偏った堆積の原理を概略的に図示している。水素ガスおよび酸素ガスが、水素源３１０および酸素源３１２からチャンバ３００に注入される。ガスは、複数の流路を有するガス分配プレート３１４を通してチャンバに送り込まれ、水素の出口ポート３０１は水素供給部３１０と流体連通し、酸素の出口ポート３０２は酸素供給部３１２と流体連通する。代替的実施形態では、ガスは分配プレートを用いずに、チャンバに直接送り込むことができる。一実施形態では、図２に関連して前述したラジカル酸化プロセスを用いて初期層が形成された後、イオン源であるガスは、電力源３０６に電力が印加され、チャンバ３００内にバイアスを与えると、処理チャンバ３００内でイオン化される。したがって、チャンバ３００内の基板支持体３２０上に配置された基板３０５の表面におけるラジカル酸化によって、二酸化シリコン層３０３が形成される。電力源３０６は、容量結合回路（図示せず）を通して、少なくとも一部が導電性であり、電極として作用する基板支持体３２０に接続される。ラジカルは反応して二酸化シリコン層３０３を形成し、界面３０４をもたらす。酸素ガスは処理チャンバ内に負イオンを提供し、水素ガスは処理チャンバ内に正イオンを提供する。一実施形態では、基板３０５は、光起電力デバイスの製造に用いられる太陽電池基板であり、太陽電池基板３０５上にパッシベーション層を形成する方法が提供される。太陽電池基板３０５は、通常はバルクシリコンまたは多結晶シリコンであり、表面のエッチングによって形成されたテクスチャ化された表面を有する。テクスチャ化された表面は、太陽電池基板から作製された光起電力電池における光トラッピングを可能にする。

一実施形態では、チャンバは初期の酸化物層を形成せずにバイアスをかけられ、チャンバ３００のバイアス後に酸化物層３０３が形成される。先に言及したように、一実施形態では、バイアスを印加せずに薄い初期層３０３を成長させる。この初期層３０３は約２０Åの厚さとすることが可能であり、無線周波数（ＲＦ）の交流（ＡＣ）の電力源とすることができる電力源３０６によって生成された電場のバイアスの下で、加速されたイオンの衝突による界面３０４での表面への損傷を防止することができる。先に言及したように、電力源３０６は、基板支持体３２０、および対電極として機能するガス分配プレート３１４に結合される。

一実施形態ではパルス電圧のバイアスが用いられるが、他の実施形態はＤＣ電圧のバイアスを用いることができる。当業者には理解されるように、ガス分配プレート３１４は、負イオンを層３０３に打ち込むために基板３０５に対して負にバイアスされる。正イオンを打ち込むには、このバイアスを反転させる。第１の場の方向を有する第１の場の強さと、第２の場の方向を有する第２の場の強さとの間でバイアス電場を交互にすることによって、正イオンおよび負イオンを層３０３に打ち込むことが可能になる。チャンバ内の正イオンの供給源を用いて電力を印加し、第１の場の強さおよび第１の場の方向でバイアスをかけることによって、基板の第１の深さまで負イオンを打ち込むことが可能になる。第２の場の強さおよび第２の場の方向を与えるようにバイアスを変えると、正イオンを打ち込み、異なるイオンを異なる深さまで打ち込むことができる。

一般的には、パルスバイアスは、基板３０５の裏面に対するＡＣ結合という利点を与え、電気的な結合を容易にする。特定の実施形態では、ＡＣバイアスは、図３のグラフ３０７に示すように対称ではない（非対称である）。本発明の実施形態に従って、約２００〜３００ＫＨｚの範囲内の周波数を用いることができる。周波数が高まると、基板３０５の裏面への容量結合が容易になることが理解されるであろう。一実施形態によれば、印加される各パルスの持続時間は５０％のデューティサイクルとすることができ、印加される電圧は、例えば約１００〜２００Ｖの範囲内など比較的低くすることができる。本発明は、特定の電力範囲に限定されず、印加される電力は、広い範囲にわたって変えることができ、例えば、３００Ｖ未満のイオン加速電圧を生じるようにすることができる。一般的に、イオンエネルギーは、酸素などの負イオンを層３０３に打ち込むが、基板３０５には打ち込まないようにするのに足りるものとすべきであり、イオンおよび層３０３の厚さに依存する。これは、ＳＲＩＭのようなコンピュータプログラムを用いて計算することができる。パルスの負電圧の大きさは、パルスの正電圧の大きさと比べると小さい。この差が、負の酸素イオンが層３０３に打ち込まれるが、基板３０５には打ち込まれないことを保証する。反対に、水素は層３０３の深さを越えて基板に打ち込まれる。水素は軽いため、損傷を引き起こさない。より重い酸素は損傷を引き起こす可能性があり、したがって、層３０３に打ち込むことはできるが、基板３０５に打ち込むことはできない。この水素と酸素の分離によって、水素が酸素を中和する能力が低減され、また水素は基板３０５のバルク中には存在するが、層３０３中には存在しないようになる。

プロセスの持続時間は一般に、所望のドーズをドーズ率で割ったものに等しくなる。例えば、所望の電荷が１０^１３イオン／ｃｍ^２である場合、イオンの到着率（ドーズ率）は１０^１２／ｃｍ^２／秒であり、その場合、持続時間は１０秒である。１つまたは複数の実施形態によれば、酸化物層３０３は、約４０〜２００Å程度の厚さであり、イオンエネルギーは、シリコンへの損傷を最小限に抑えるために、ピークの濃度が層３０３の上半分に存在するように選択される。

図４は、基板３０５を処理するための代替的実施形態を示している。図４では、チャンバは、ガス分配プレートにバイアスをかけるのではなく、基板より上にワイヤグリッド３１８を配置してバイアスを確立することを除き、図３に示すチャンバと実質的に同様である。加えて、酸素源３１２が、酸素ガス３０２をイオン化するための遠隔のイオン化装置３３４を含むガスライン３３２に結合される。ウェハより上のワイヤグリッド３１８は、イオンを基板に向けて加速するように適合された対電極を形成する。グリッドのメッシュは１〜２ｍｍとすることができ、ウェハより上に１〜２ｃｍ程度の間隔を置いて配置することが可能である。酸化物を成長させるためにウェハを加熱することがあるため、図４に示すようにグリッドが成長チャンバの中に含まれる場合には、グリッドを、タングステン、またはウェハに対する熱ランプのフラックスを許容できる一部の金属で作製すべきである。代替的手法は、層３０３を成長させた後、ラジカルを層３０３に注入するために用いられる第２のチャンバであり、したがって、１つのチャンバは単に熱ランプを有するチャンバとなり、第２のチャンバは、単にイオン注入器および加速グリッドを有する荷電チャンバとなる。

他の実施形態では、パッシベーションの目的で追加のイオンまたは異なるイオンを打ち込むことができる。例えば、アルミニウムまたはハフニウムを層３０３に打ち込むことができる。アルミニウムは、シリコン中でｐ型ドーパントになり、酸化物中に負に帯電した化学種を形成すると考えられる。水素からの分離を高めるため、またはより薄い酸化物への打ち込みを可能にするために、他のイオンが酸化物中で異なる範囲を有してもよい。

本発明の実施形態に適用される本発明の基本的かつ新規な特徴について示し、記述し、指摘してきたが、当業者によって、本発明の趣旨から逸脱することなく、図示した方法、装置およびシステムの形態および詳細、ならびにその動作に、様々な省略および置換および変更が行われ得ることが理解されるであろう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲の範囲によって示されるようにのみ制限されるものである。

Claims (15)

1. 処理チャンバ内で太陽電池基板の表面上に層を形成する方法であって、
   前記処理チャンバ内にテクスチャ化されたシリコン表面を有する太陽電池基板を配置すること、
   前記基板上に酸化物層を形成し、ある酸化物層の深さを有するようにすること、
   前記処理チャンバ内に負イオン源から形成された負イオンを提供すること、および
   前記負イオンを前記酸化物層に打ち込み、前記太陽電池基板上に負に帯電したパッシベーション誘電体層を形成すること
   を含む方法。
2. 前記負イオンが酸素イオンであり、前記パッシベーション層が二酸化シリコン層を含む、請求項１に記載の方法。
3. バイアス電場を与えるように、前記チャンバ内の対電極および前記基板を支持する基板支持体に電力を印加することによって、前記チャンバにバイアスをかけることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
4. 第１の場の方向を有する第１の場の強さと、第２の場の方向を有する第２の場の強さとの間で前記バイアス電場を交互にするために、電力源からの電力を変化させることをさらに含む、請求項３に記載の方法。
5. 正イオンの供給源を前記チャンバ内に供給することをさらに含み、前記第１の場の方向を有する前記第１の場の強さが、前記層内の第１の深さまで前記負イオンを打ち込み、前記第２の場の方向を有する前記第２の場の強さが、前記層内の第２の深さまで前記正イオンを打ち込む、請求項４に記載の方法。
6. 前記電力を、対電極と基板の間で約１００および２００ボルトの範囲で変化させる、請求項５に記載の方法。
7. 前記バイアス電場が、前記基板上に初期の酸化物層を成長させた後に与えられることをさらに含み、前記初期の酸化物層を、前記バイアス電場を与える前に少なくとも約２０オングストロームの深さまで成長させる、請求項３に記載の方法。
8. 前記チャンバ内に第３のイオン源を導入することをさらに含む、請求項３に記載の方法。
9. 前記第３のイオン源が、アルミニウムイオンまたはハフニウムイオンを提供する、請求項８に記載の方法。
10. 前記対電極がガス分配プレートを備え、前記ガス分配プレートが酸素源および水素源と連通する、請求項３に記載の方法。
11. 前記対電極が、前記チャンバ内の前記基板支持体に隣接して配置されたグリッドを備える、請求項３に記載の方法。
12. 太陽電池基板の表面上にパッシベーション層を形成する方法であって、
    前記処理チャンバ内にテクスチャ化されたシリコン表面を有する太陽電池基板を配置すること、
    前記基板上に酸化物層を形成し、ある酸化物層の深さを有するようにすること、
    前記チャンバ内に酸素および水素を供給すること、ならびに
    前記チャンバ内の対電極と前記基板の間に非対称のＡＣバイアスを印加することであって、前記バイアスが正バイアスと負バイアスの間で変化し、前記正バイアスが前記負バイアスより大きい大きさを有し、したがって、水素イオンが前記酸化物層の深さより下の前記基板に打ち込まれ、酸素イオンが前記酸化物層に打ち込まれるが、前記基板には打ち込まれず、負に帯電したパッシベーション層を与えること
    を含む方法。
13. 前記酸化物層を、前記バイアスを印加する前に少なくとも約２０オングストロームの深さまで成長させる、請求項１２に記載の方法。
14. 前記チャンバ内に第３のイオン源を導入することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
15. 前記第３のイオン源がハフニウムまたはアルミニウムを含む、請求項１４に記載の方法。

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