JP2013524549A - 結晶性太陽電池上の機能的および光学的グレーデッドＡＲＣ層のための多層ＳｉＮ - Google Patents

結晶性太陽電池上の機能的および光学的グレーデッドＡＲＣ層のための多層ＳｉＮ Download PDF

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Abstract

本発明の実施形態は、太陽電池および太陽電池を形成する方法を含む。具体的には、方法を使用して、太陽電池基板上に機能的特性と光学的勾配特性を合わせ持つパッシベーション／反射防止層を形成することができる。方法は、第１のプロセス混合ガスを処理チャンバ内のプロセス容積の中に流すこと、０．６５Ｗ／ｃｍ２より大きな電力密度で処理チャンバ内でプラズマを生成すること、プロセス容積内の太陽電池基板上に窒化ケイ素含有インターフェイスサブレイヤを堆積すること、第２のプロセス混合ガスをプロセス容積内に流すこと、窒化ケイ素含有インターフェイスサブレイヤ上に窒化ケイ素含有バルクサブレイヤを堆積することを含むことができる。

Description

本発明の実施形態は一般に太陽電池の製造に関し、詳細には、シリコン太陽電池のパッシベーションに関する。
太陽電池は、太陽光を直接電力に変換する光起電デバイスである。最も一般的な太陽電池材料は、単一基板、多結晶（ポリクリスタリン、ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）基板、多結晶（マルチクリスタリン、ｍｕｌｔｉ−ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）基板、またはアモルファス膜の形態のシリコン（Ｓｉ）である。太陽電池製造のコスト、したがって結果として得られる電池のコストを減少し、一方生産される太陽電池の全体的な効率を維持または向上するための努力が続けられている。
太陽電池の効率は、太陽電池を形成するシリコン基板内のエミッタ領域の上の、反射防止コーティング（ＡＲＣ）としても機能するパッシベーション層を使用することによって高めることができる。光が１つの媒体から別の媒体に、例えば空気からガラスまたはガラスからシリコンに進むとき、光の一部は、２つの媒体間のインターフェイスで反射する可能性がある。反射される光の分画は、２つの媒体間の屈折率の差の関数であり、２つの隣接する媒体の屈折率の差が大きくなるほど、２つの媒体間のインターフェイスから反射される光の分画が多くなることになる。
太陽電池が入射光のエネルギーを電気エネルギーに変換する効率は、太陽電池で反射されてパッシベーション層などのセル構造に吸収される入射光の分画、および太陽電池内の電子と正孔の再結合率を含む複数の要因によって悪影響を受ける。電子−正孔対が再結合するたびに電荷担体が解消され、このことによって、太陽電池の効率が減少する。再結合は基板のバルクシリコン内で起こる場合があって、これはバルクシリコン内の欠陥数の関数であり、または基板の表面で再結合が起こる場合があって、これはどれだけ多くのダングリングボンド、すなわち未終端化学結合が存在するかの関数である。
パッシベーション層を使用することによる太陽電池の完全なパッシベーションにより、再結合率を減少することによって、太陽電池の効率を著しく改善する。しかし、屈折率（ｎ）は、周囲の層で調整して光の反射を最小化し、また一方、太陽電池の所望の光吸収能力を維持する必要がある。典型的には、薄い透明膜は、その大きさが膜によって吸収される光の量を示す固有の吸光係数（ｋ）、およびその大きさが１つの媒体から別の媒体の中へ通るときに光が曲がる程度を示す屈折率（ｎ）を有する。
パッシベーションとして有用なＳｉＮなどの膜において、一方が高い場合に他方が同様に高くなるという点で、ｎ値およびｋ値の大きさはリンクする。パッシベーション膜の屈折率の範囲は、パッシベーション膜がサンドイッチされる材料により制限されるので、したがって、結果として得られるｋ値の範囲も従来技術のやり方では制限され、したがって、許容できる屈折率からのやむを得ない結果として、許容できない高誘電率値が見られる。
加えて、堆積速度、したがって設定された時間期間内に所望の膜層を受けることができる基板の最終的な数は、屈折率およびｋ値、ならびに粒子のサイズまたは長さおよび膜内の粒界などの、膜の物理特性に影響を及ぼす。大きな粒子、および結果として得られる長い粒界によって、汚染がパッシベーション膜を通ってシリコンに進入する経路をもたらし、セルの故障をもたらす。したがって、プラズマ堆積プロセスのため可能とされた、単位時間当たりにより多くの数の太陽電池を生産するため使用されるより速い堆積速度によって、大きな粒子したがってピンホールが生じる。
したがって、電荷担体の表面再結合を最小化し、形成される太陽電池の効率を改善し、所望の光学特性および不動態化特性を有する実質的にピンホールのないパッシベーション層が得られる、機能的特性と光学的勾配特性を合わせ持つパッシベーション層を形成する改善された方法が必要とされている。
上記に照らして、本発明の実施形態は、一般に、太陽電池のための高品質パッシベーションとＡＲＣ層の両方としての役割を果たすことができるコーティングの方法を提供する。一実施形態によれば、方法は、第１のプロセス混合ガスを処理チャンバ内のプロセス容積の中に流すことによって、多層パッシベーションおよびＡＲＣコーティングを形成すること、０．６５Ｗ／ｃｍ２より大きな電力密度で処理チャンバ内でプラズマを生成すること、プロセス容積内の太陽電池基板上に窒化ケイ素含有インターフェイスサブレイヤを堆積すること、第２のプロセス混合ガスをプロセス容積内に流すこと、窒化ケイ素含有インターフェイスサブレイヤ上に窒化ケイ素含有バルクサブレイヤを堆積することを含む。
別の実施形態において、太陽電池上のパッシベーション層内に形成されるピンホールを検出する方法が開示される。方法は、太陽電池上に形成された窒化ケイ素含有パッシベーション層を有する太陽電池を銅の電解質の中に浸すこと、太陽電池の金属に覆われる後側を介して電流を印加し、パッシベーション層の外面から太陽電池のドープされた領域に延びる任意のピンホールをメッキすること、および任意のピンホール内でメッキする任意の大きく成長した銅を検出することを含む。
さらに別の実施形態において、接合領域および基板の表面上のパッシベーション反射防止層を有する基板を含む太陽電池が開示される。パッシベーション反射防止層は、窒化ケイ素含有インターフェイスサブレイヤおよびインターフェイスサブレイヤの直ぐ上の窒化ケイ素含有バルクサブレイヤを含み、インターフェイスサブレイヤがバルクサブレイヤよりも大きな屈折率（ｎ）を有し、パッシベーション層は、インターフェイスサブレイヤおよびバルクサブレイヤの両方を全体的に貫通するピンホールが実質的にない。
別の実施形態において、太陽電池上に膜を形成するシステムが開示される。システムは、パッシベーション／ＡＲＣ層を処理チャンバ内の処理容積内の太陽電池基板上に形成するためのプラズマ処理チャンバを含み、パッシベーション／ＡＲＣ層が、第１のプロセス混合ガスから生成されるプラズマを使用して０．６５Ｗ／ｃｍ２より大きな電力密度で太陽電池基板上に形成される窒化ケイ素含有インターフェイスサブレイヤ、および第２のプロセス混合ガスから生成されるプラズマを使用して０．６５Ｗ／ｃｍ２より大きな電力密度でインターフェイスサブレイヤ上に形成される窒化ケイ素含有バルクサブレイヤを備える。システムは、プラズマ処理チャンバと通信するシステムコントローラも含み、システムコントローラは、プラズマ電力密度、第１のプロセス混合ガス流量、第２のプロセス混合ガス流量を制御するように構成され、そのため、インターフェイスサブレイヤは、結果として得られるバルクサブレイヤの屈折率（ｎ）よりも大きい屈折率（ｎ）を有し、インターフェイスサブレイヤとバルクサブレイヤの両方は、０から０．１の吸光係数（ｋ値）を有する。
本発明の上記の特徴を詳細に理解することが可能なやり方を、上で簡単に要約された本発明のより具体的な説明が実施形態を参照することによってわかることができるように、その一部が添付の図面に示されている。しかし、他の同様に有効な実施形態を本発明が容認することができるので、添付の図面は、本発明の単に典型的な実施形態を示しており、したがって本発明の範囲を限定すると考えるべきでないことに留意されたい。
図２に例示されるプロセスの１つのステージに対応する基板の一部を示す断面図である。 図２に例示されるプロセスの１つのステージに対応する基板の一部を示す断面図である。 図２に例示されるプロセスの１つのステージに対応する基板の一部を示す断面図である。 図２に例示されるプロセスの１つのステージに対応する基板の一部を示す断面図である。 図２に例示されるプロセスの１つのステージに対応する基板の一部を示す断面図である。 図２に例示されるプロセスの１つのステージに対応する基板の一部を示す断面図である。 本発明の一実施形態にしたがう、太陽電池基板上で実施されるパッシベーション層形成プロセスを描くプロセスフロー図である。 本発明の実施形態を実施するために使用することができる、平行板ＰＥＣＶＤシステムの概略側面図である。 複数のプロセスチャンバを有するプロセスシステムの一実施形態の概略上面図である。
理解しやすくするために、可能な場合は、図に共通な同一の要素を指定するため、同一の参照番号が使用されている。一実施形態の要素および特徴が、さらなる記述なしに、他の実施形態に有利に組み込まれ得ることが意図される。
本発明は、一般に、高効率太陽電池デバイスを形成するための、高品質パッシベーション層を形成する方法を提供する。本発明から恩恵を受けることができる太陽電池基板としては、単結晶シリコン、多結晶（マルチクリスタリン、ｍｕｌｔｉ−ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）シリコン、多結晶（ポリクリスタリン、ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）シリコン、およびアモルファスシリコンすなわち薄膜セルを含む活性領域を有する基板が挙げられるが、太陽光を電力に変換するために使用される、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、硫化カドミウム（ＣｄＳ）、セレン化銅インジウムガリウム（ＣＩＧＳ）、セレン化銅インジウム（ＣｕＩｎＳｅ２）、リン化ガリウムインジウム（ＧａＩｎＰ２）、有機材料を備える基板ならびにＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ／ＧｅまたはＺｎＳｅ／ＧａＡｓ／Ｇｅ基板などのヘテロ接合セルにも有用な場合がある。
一般的に、パッシベーション層は、光がパッシベーション層を通過するとき光の反射および吸収を最小化するための望ましい光学特性、およびパッシベーション層が堆積される表面（複数可）を「表面」不動態化する、基板の隣接領域および表面を「バルク」不動態化する、およびパッシベーション層内に正の電荷を格納するすなわち「フィールド」不動態化するための望ましい機能特性を有することになる。したがって、パッシベーション層は、基板表面に見出される浅い欠陥を修復するため、望ましい濃度の水素を含む。パッシベーション層がこれらの機能を実施することが可能な機序としては、例えば、形成されたパッシベーション層が基板の領域内の欠陥を補正するため使用される水素（Ｈ＋）の源となる能力、および基板表面でダングリングボンドを結び付けることが可能な形成された層の物理的かつ／または化学的性質が挙げられる。
太陽電池用パッシベーション層の所望の特性の均衡をとることは、特に、パッシベーション層が反射防止コーティングとしても機能するときには、困難である。パッシベーション層として窒化ケイ素（ＳｉｘＮｙ、ＳｉＮとも略記される）膜を使用するとき、困難さが増す。なぜなら、所望の膜の特性を達成するには、特定の光学的品質または機能的品質を有するパッシベーション層を形成するために競合するプロセスパラメータを均衡させることを必要とするからである。例えば、パッシベーション層の光学的勾配特性を改善することを模索するとき、基板の表面パッシベーション、バルクパッシベーション、フィールドパッシベーションなどの機能的特性を犠牲にすることが多い。
場合によっては、特性を１つの区域内で均衡させることさえ困難となる。例えば、太陽電池産業は、過去においてパッシベーション層の光学的勾配特性を実装するよう試みたが、典型的なプロセスでは、膜内に低い吸光係数（ｋ）ならびに高い屈折率（ｎ）を得ることが困難であるので、失敗した。典型的な膜形成法を使用すると、高い屈折率（ｎ）を有する膜を生成することは、高い吸光係数（ｋ）を有する膜を生成することも意味する。換言すれば、従来方法にしたがって膜を形成すると、変数ｎおよびｋはお互いを反映し、ｎおよびｋは一般的に一緒に上昇または下降する。ｋ値およびｎ値の大きさの間の独立性があれば、所望の光学特性および機能特性をパッシベーション層へ組み合わせる能力が可能になる、すなわちより低いｋ、したがってより少ない光損失、および同時により高いｎ、したがってより小さい反射率が可能になることになる。ｎおよびｋの測定値は、ｎおよびｋが測定される周波数、すなわち光の波長に依存することに留意されたい。本明細書において議論されるｋ値およびｎ値は、それぞれ４００ｎｍおよび６３３ｎｍで測定される。
膜の表面再結合速度（ＳＲＶ）は、全ての他の特性と均衡させる必要がある、パッシベーション反射防止層の、別の難しい特性である。ＳＲＶは、基板の表面で自由電子と正孔が再結合し、したがってお互いを中性化する速度である。加えて、１つの区域で、所望の光学特性と対立する所望の機能特性などの所望の膜特性を達成するために、膜堆積速度を減少することが必要となり、したがってスループットおよび生産が減少する可能性がある。
したがって、妥協せずに機能特性と光学特性を組み合わせる窒化ケイ素（ＳｉｘＮｙ）パッシベーション層を形成することは、一般的に難しく、それぞれ準最適な特性という結果になる。なぜならば、ＳｉＮ材料は、お互いに独立にこれらの特性を実現することができないからである。
本発明の実施形態は、一般に、所望の機能特性と所望の光学的勾配特性を組み合わせる能力を実現する、パッシベーション／反射防止層を形成する方法を提供し、従来技術に見出される、特性が連関する原因を回避する。発明者は、窒化ケイ素を堆積するために、より高い電力を使用することによって、典型的には２，０００〜３，０００ワット（Ｗ）の間である通常の電力範囲を使用するときよりも、ｋとｎがより独立になる傾向があることを発見した。高プラズマ電力密度によって、高誘電率値と高ｎ値および低ｋ値と低ｎ値の伝統的な結合に基づく妥協ではない、光学特性と機能勾配特性の両方を呈する所望の膜特性の形成が可能となり、なおかつ、パッシベーション層を形成するため多層堆積を使用することによって、膜層全体を貫通して延びるピンホールが回避される。
したがって、本発明の実施形態は、高屈折率を備えるが低吸光係数（ｋ）を備える、パッシベーション／ＡＲＣ層を形成する方法を提供する。膜形成のためのプロセス化学物質に特定の調整をすることによって、多層パッシベーション膜内の各サブレイヤは特定の特性を有することができ、各サブレイヤは、一緒に組み合わせて、所望の光学特性および機能特性を有するパッシベーション／ＡＲＣ層を形成する。
一実施形態において、パッシベーション層は、異なる組成、異なる物理特性、および／または異なる電気特性を有し、不動態化効果および光学特性を実現する１つもしくは複数の層、またはグレーデッド領域を備えることができる。例えば一実施形態において、パッシベーション層１２０は、図１Ｃ〜図１Ｆに示されるように、シリコン−窒素含有インターフェイスサブレイヤ１２１およびインターフェイスサブレイヤ１２１上に形成されるシリコン−窒素含有バルクサブレイヤ１２２を備える。
パッシベーション層形成プロセス
図１Ａ〜図１Ｆは、太陽電池１００の表面（例えば、上面１０５）上にパッシベーション／ＡＲＣ層１２０を形成するために使用される処理シーケンス内の異なるステージ期間の、太陽電池基板１１０の概略断面図を例示する。図２は、太陽電池基板１１０上のパッシベーション層を形成するため使用されるプロセスシーケンス２００を例示する。図２に見られるシーケンスは、図１Ａ〜図１Ｆに描かれるステージに対応する。太陽電池１００の一実施形態において、底面１０６を有し結晶シリコンを含むｐ型基板１１０は、ベース領域１０１、およびイオン注入を含む他のプロセスを使用することができるが、典型的にはドーピングおよび拡散／アニールプロセスによってベース領域１０１上に形成されるｎ型ドープされたエミッタ領域１０２を有する。基板１１０は、太陽電池のベース領域１０１とエミッタ領域１０２の間に配設され、太陽電池１００が光の入射光子によって照射されるとき電子−正孔対が生成される領域である、ｐ−ｎ接合領域１０３も含む。
下記の議論は、主にｐ型ベース領域の上に形成されるｎ型エミッタ領域を有する基板を処理するための方法および装置を議論するが、この構成によって、本明細書に記載される本発明の範囲を限定することは意図していない。というのは、パッシベーション層は、ｎ型ベース領域の上に形成されるｐ型エミッタ太陽電池構成であっても良いからである。
図２を参照すると、プロセスシーケンス２００期間に、基板１１０の表面は、基板の表面上にインターフェイスサブレイヤ１２１およびバルクサブレイヤ１２２を形成するため使用される複数のプロセスに曝される。以降は、処理チャンバ３００（図３）と同様の処理チャンバ内で実施することができる、プロセス２０１〜２０５の例である。一実施形態において、プロセスシーケンス２００中で実施されるプロセスの全ては、１つまたは複数のシステム４００内に見られる処理チャンバ４３１〜４３７（図４）のうちの１つまたは複数で実施される。
太陽電池基板１１０上にパッシベーション層を形成するために使用されるプロセスシーケンス２００は、一般的に、図２中のプロセス２０１で示すように、基礎となる基板から自然酸化物を除去することにより始まる。太陽電池デバイスの通常の処理期間に、自然酸化物層１１５が、基板１１０の表面のうちの１つまたは複数上に形成することになる。プロセス２０１において、基板１１０の表面は洗浄され、酸化物層１１５を除去する（図１Ａ）。一実施形態において、クリーンプロセス２０１は、基板１１０が反応性プラズマエッチングプロセスに曝されるドライクリーニングプロセスを使用して実施し、酸化物層１１５を除去することができる。一実施形態では、プロセス２０１において、図３中のチャンバ３００などのプロセスチャンバ中に基板１１０の１つまたは複数を配設した後、自然酸化物層１１５は、窒素、フッ素、および水素を含む場合がある反応性ガスに曝される。次いで、反応性ガス（複数可）と反応した酸化物層１１５が熱的に処理され、基板表面から酸化物層を除去する。いくつかの実施形態において、熱処理は、処理チャンバ３００、またはシステム４００に見られる別の隣接するチャンバ内で実施されるアニーリングプロセスであって良い。
いくつかの場合で、基板が確実に長期間酸素に曝されないことが望ましい場合がある。したがって、本発明のいくつかの実施形態において、基板がプロセス２０３〜２０８の間に酸素に曝されないように、プロセス２０３〜２０８のそれぞれを、クラスタツール、またはシステム４００（図４）の真空プロセス容積内など、酸素がない不活性環境および／または真空環境内で実施することが望ましい。
一実施形態において、基板キャリア４２５上に配設される基板１１０のバッチにプロセス２０１を実施した後、次いで基板は処理チャンバ内に配置され、そのため、２０２〜２０６で実施されるプロセスを基板上に実施することができる。次に、図１Ｂおよび図２に示されるように、窒化ケイ素含有インターフェイスサブレイヤ１２１が、洗浄され、酸化物が除去された基板の表面１０５上に形成される。一実施形態において、インターフェイスサブレイヤ１２１は、約５０オングストローム（Å）と約３５０Å厚の間の１５０Å厚などであって良い。一実施形態において、インターフェイスサブレイヤ１２１は、化学気相堆積（ＣＶＤ）、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）、または物理的気相堆積（ＰＶＤ）技法を使用して、上面１０５の上に形成される。
プロセス２０２において、一態様では、インターフェイスサブレイヤ１２１を形成する方法は、処理チャンバ内のプロセス容積３０６内に第１のプロセス混合ガスを流すことを含む。プロセス２０３において、プラズマがプロセス容積３０６内で生成され、２０４において、窒化ケイ素含有インターフェイスサブレイヤ１２１が、プロセス２０４におけるプロセス容積３０６内の太陽電池基板１１０上に堆積される。
次に、図１Ｃ〜図１Ｄおよび図２に示すようにプロセス２０５において、シリコン−窒素含有バルクサブレイヤ１２２が、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）プロセスを使用してインターフェイスサブレイヤ１２１上に形成され、これにより、多層パッシベーション反射防止コーティング１２０を形成する。あるいは、バルクサブレイヤ１２２は、化学気相堆積（ＣＶＤ）または物理的気相堆積（ＰＶＤ）技法を使用してインターフェイスサブレイヤ１２１の上に形成することができる。ＰＶＤプロセスを水素雰囲気中での反応性スパッタリングで使用して、多層パッシベーション反射防止層を形成することができる。例えば、シリコンターゲットを窒素および水素雰囲気中でアルゴンでスパッタし、様々なＳｉＮ層を堆積することができる。一実施形態において、バルクサブレイヤ１２２は、６００Å厚など、約４００Åと約７００Å厚の間であって良い。一例において、基板は、１３．５６ＭＨｚのＲＦプラズマに曝され、インターフェイスサブレイヤ１２１とバルクサブレイヤ１２２の両方を形成する。
一実施形態において、第１および第２のプロセス混合ガスは、シリコン含有前駆体および窒素含有前駆体を含む。例えば、第１のプロセス混合ガスは、シラン（ＳｉＨ４）、窒素（Ｎ２）、および／またはアンモニア（ＮＨ３）を含むことができる。第２のプロセス混合ガスは、シランおよび窒素、シランおよびアンモニア（ＮＨ３）、またはシラン、アンモニア、および窒素を含むことができる。表１は、ＰＥＣＶＤによってインターフェイスサブレイヤ１２１およびバルクサブレイヤ１２２を形成するために使用することができるプロセス条件の例を詳述する。表１は、プロセス量のリットル当たり単位の、ＳｉＨ４、窒素、および／またはアンモニアの流量を列挙する。表１は、窒素含有前駆体（例えば、Ｎ２）とシリコン含有前駆体（例えば、ＳｉＨ４）の流量の比、各堆積プロセスの電力密度、シャワーヘッドと基板支持体の間の間隔、および各サブレイヤ用の堆積時間も含む。例えば、インターフェイスサブレイヤ１２１を形成するための１つの実施形態において、窒素流量は、プロセス量のリットル当たり約７７．３０標準立方センチメートル（ｓｃｃｍ）であり、シラン流量は、プロセス量のリットル当たり約５．２５ｓｃｃｍである。インターフェイスサブレイヤ１２１は、毎分１，０００Åから３，０００Å、例えば毎分１，１００Åの速度で堆積することができ、一方バルクサブレイヤ１２２は、毎分３，０００Åより速い速度で堆積することができる。
別の実施形態において、第２のプロセス混合ガスは、表１に示すシラン、アンモニア、および窒素の流量に、チャンバ容積のリットル当たり１１０ｓｃｃｍの流量で加えることができる水素ガス（Ｈ２）希釈剤も含むことができる。表１には示されていないが、アンモニアとシランの流量比は、バルクサブレイヤプロセス方策で、約０．９０であって良い。シランガス流を注意深く制御することによって、所望の膜の光学特性および機能特性を達する助けとなると考えられる。バルクサブレイヤプロセス条件において、プロセスガス流は、一般的により大きい。当業者は、堆積プロセスの電力、圧力、間隔、および温度に依存して、ガス流量比を首尾良く変更することができる。
Figure 2013524549
一実施形態において、インターフェイスサブレイヤ堆積プロセスおよびバルクサブレイヤ堆積プロセスの両方の基板温度は、３８０°Ｃから３９０°Ｃなど、３５０°Ｃから４００°Ｃに維持することができる。基板温度を維持するための様々な手段は、ロードロック加熱、基板支持体加熱、プラズマ加熱などであって良い。両方のサブレイヤは、約１．５トルのチャンバ圧力で堆積することができる。
各サブレイヤ用のプラズマは、典型的なＳｉＮ堆積プロセスの２，０００〜３，０００Ｗの範囲と比較して、１３．５６ＭＨｚの周波数で、約５，０００Ｗなどの約４，３５０Ｗと約６，７００Ｗの間のＲＦ電力で提供することができる。ＲＦ電力は、シャワーヘッド３１０および／または基板支持体３３０に提供することができる。インターフェイスサブレイヤ堆積およびバルクサブレイヤ堆積の両方用のＲＦ電力密度は、プラズマを生成するため、基板表面で約０．６５Ｗ／ｃｍ２以上であって良い。例えば、ＲＦ電力密度は、いくつかの実施形態において、１．００Ｗ／ｃｍ２であって良い。別の実施形態において、ＲＦ電力密度は、約０．７５Ｗ／ｃｍ２であって良い。電力密度は、より高い電力によって、インターフェイスサブレイヤおよびバルクサブレイヤ内の正電荷の増加が実現するので、できるだけ高くて良い。したがって、より高い電力によって、より良いフィールドパッシベーションが実現しＳＲＶを下げる。
別の実施形態において、インターフェイスサブレイヤとバルクサブレイヤの間の境界は、インターフェイスサブレイヤの方策からバルクサブレイヤの方策へのプロセスガスの遷移のとき、プラズマを停止し再起動することによる急激な遷移を用いて、より明確に画定することができる。この遷移は、様々なやり方で起こることができる。例えば、第１のプロセス混合ガスの流れを、第２のプロセス混合ガスが処理チャンバ内に導入される前に停止することができる。別の例では、シランガス流のみが停止され、一方第１のプロセス混合ガスの残りの前駆体（複数可）は流れつづける。例えば、インターフェイスサブレイヤ用のガス流の方策は、電力がオフの期間に、バルクサブレイヤの方策に遷移することができる。ガス流は、瞬時に完全なガス混合を実現するわけではない。したがって、プラズマ堆積プロセス中のこの中断によって、バルクパッシベーション層の方策用のガスが、プラズマ電力を再起動する前に、適切に混合することを可能にする。プロセス２０４後のプロセス「中断」は、約２秒続く場合があり、このことによって、第２のプロセス混合ガスがチャンバ内に流される前に、チャンバから第１のプロセス混合ガスを実質的にパージすることができる。
プロセスの方策間の遷移期間に、シランの流れをランプアップし、シランの流れをチャンバにわたって均等に分布させ、その後、シャワーヘッドに電力を再供給してプラズマを再点火し、このことによりパッシベーション層１２０を形成することを終わらせることができる。インターフェイスサブレイヤの堆積後にプラズマ電力をオフにしバルクサブレイヤ堆積のためにプラズマを再起動することにより、より理想的で急激な遷移層を作ることによって膜の密度および最終的な効率を増加させる。中断期間に、基板温度は、一般的に約３８０°Ｃから３９０°Ｃの温度に維持される。他の実施形態において、電力は、バルクサブレイヤ堆積プロセス期間に、他の実施形態の最終的な電力設定にランプアップすることができる。いくつかの試験では、電力を停止し再起動することによって、膜の開回路電圧（Ｖｏｃ）を３ミリボルト増加することができる。
別の実施形態において、バルクサブレイヤを、「中断」なしに、表１に示される方策などインターフェイスサブレイヤの方策からバルクサブレイヤの方策へと流れを遷移することによって形成させ、このことにより化学量論的組成を定義しない遷移層を作ることができる。ガス流量および／またはガス混合物組成を変化させて１つのプロセスの方策から次のプロセスの方策に遷移する一方、プラズマ電力はオンである。そのような実施形態での遷移層は、バルクサブレイヤ厚の１０％よりも３〜５ｎｍ厚いまたは薄いが、堆積したパッシベーション層厚全体の７〜８％であって良い。
結果として得られるインターフェイスサブレイヤ１２１およびバルクサブレイヤ１２２は、図１Ｃ〜図１Ｄに概略的に例示されるように、ｐ型にドープされた領域の上面１０５の上に、パッシベーション／ＡＲＣ層１２０を形成する。一実施形態において、望ましい量のトラップされた正電荷を含む多層パッシベーションＡＲＣ層１２０を形成し、ｐ型領域の望ましい表面パッシベーションを実現することが望ましい。別の実施形態において、トラップされた正電荷は、ｎ型にドープされた領域を有するｎ型基板の、望ましい表面パッシベーションを実現する。一実施形態において、多層パッシベーションコーティング１２０内に見出されるトラップされた正電荷の総量Ｑ１およびトラップされた負電荷Ｑ２の総量の合計は、十分なトラップされた電荷を有し、約１ｘ１０１２クーロン／ｃｍ２と約１ｘ１０１４クーロン／ｃｍ２の間、または約２ｘ１０１２クーロン／ｃｍ２と約４ｘ１０１３クーロン／ｃｍ２の間など、約１ｘ１０１２クーロン／ｃｍ２以上の電荷密度に達する。別の実施形態において、トラップされた正電荷全体は、約５ｘ１０１１クーロン／ｃｍ２から約１ｘ１０１３クーロン／ｃｍ２であって良い。
所望の電荷密度数の前に負号がないことは、単に、表面１０５が受ける電荷が正対負であることを示すことを意図し、したがってＱ１の絶対値はＱ２の絶対値より大きい。インターフェイスサブレイヤ１２１およびバルクサブレイヤ１２２のそれぞれが正および負の電荷を含む場合、本明細書で議論するＱ１およびＱ２の値は、電荷の正味の値であるか、または各それぞれの層内に持つ正電荷の総量の絶対値引く負電荷の総量の絶対値の合計である。一般的に、正電荷の量が増すと、太陽電池の寿命が増し、ＳＲＶが下がる。いくつかの実施形態において、表面１０５におけるまたは表面１０５の下の正孔を遠ざけるために、トラップされた電荷が望ましいフィールド強度を確実に有するように、トラップされた正電荷Ｑ１の大部分を表面１０５から１００オングストローム（Å）以下に配置することが望ましい。なぜなら、正孔を遠ざける能力は、トラップされた正電荷Ｑ１と正孔（複数可）の間で、距離の２乗分の１（１／ｄ２）で変わるからである。
表２および表３は、本発明にしたがって形成されるインターフェイスサブレイヤ１２１およびバルクサブレイヤ１２２の様々な物理特性および電気特性を詳述する。表２は、各サブレイヤ内の原子状水素のパーセンテージ、屈折率（ｎ）および吸光係数（ｋ）値の範囲、ならびに膜密度を示す。インターフェイスサブレイヤ１２１は、およそ１２原子％などの、基板１１０のバルクパッシベーションおよび表面パッシベーション内で補助する、水素（Ｈ＋）濃度を有して良い。バルクサブレイヤ１２２は、およそ１８原子％などのＨ＋濃度を有して良い。パッシベーション／ＡＲＣ層１２０の堆積後基板上で実施される焼成期間またはアニーリングプロセス期間に、バルクサブレイヤ１２２内の水素は、基板内へとドライブされ、基板のバルクパッシベーションも実現する。インターフェイスサブレイヤおよびバルクサブレイヤ内のＨ＋イオンのリザーバは、基板構造内の任意の空孔または結晶欠陥を不動態化するために、基板およびシリコン基板の上面にドライブすることができる。インターフェイスサブレイヤ１２１は、基板１１０の上面１０５上の唯一の層であるので、インターフェイスサブレイヤ１２１は、１０ｃｍ／秒より小さな表面再結合速度（ＳＲＶ）を有することができ、一方バルクサブレイヤは、上面１０５と接触せず、したがってバルクサブレイヤのＳＲＶは重要ではない。
Figure 2013524549
堆積されたインターフェイスサブレイヤ１２１は、バルクサブレイヤ１２２より大きい屈折率（ｎ）を有して良く、インターフェイスサブレイヤ１２１とバルクサブレイヤ１２２の両方は、０から０．１のｋ値を有して良い。一般的に、屈折率は、形成プロセスを終了するときに太陽電池を封入するために使用される結合材料と接触するパッシベーション／ＡＲＣ層１２０で、結果として得られるセルをパッケージングするために選択される。適切な結合材料のいくつかの例としては、エチルビニルアセテート（ＥＶＡ）またはポリビニルブチラール（ＰＶＢ）が挙げられる。したがって、光が、ガラス（ｎ＝１．５）、結合材料（ｎ＝１．５）、バルクサブレイヤ１２２およびインターフェイスサブレイヤ１２１を含むパッシベーション／ＡＲＣ層１２０、およびシリコン基板（ｎ＝３．０）を通過するにつれ、各連続する媒体間の屈折率の違いが一般的に小さいので、各媒体を通過するときの各層のインターフェイスから反射される光の量が減少することになり、これによって、ガラスの下だがエミッタ領域１０２の上の膜から反射される光の量が減少する。例えば、インターフェイスサブレイヤ１２１およびバルクサブレイヤ１２２のｎ値は、それぞれ２．４および２．０８であって良い。
表３は、各サブレイヤのＮ−Ｈ／Ｓｉ−Ｈ比の範囲、膜応力、膜の４００Åで測定したときのフラットバンド電圧（ＶＦＢ）、および膜厚を示す。これらの様々な層の測定された厚さは、テクスチャーの付いた表面上で測定された厚さである。したがって、これらの厚さは、各層の表面から表面である。例えば、研磨した基板を使用して製品基板と同時にプロセスを監視する場合、製品基板上の膜層１２１、１２２の結果として得られる厚さは、場合によってはスペースファクタと呼ばれる、知られている要因によって、研磨した基板より薄くなる。スペースファクタは、およそ７０％から９０％であって良く、すなわち、製品基板上の層の厚さは、研磨した基板上の層の厚さのおよそ７０％から９０％であって良い。一実施形態において、インターフェイスサブレイヤ１２１およびバルクサブレイヤ１２２は、それぞれ１５０Åおよび６００Åであって良い。加えて、インターフェイスサブレイヤおよびバルクサブレイヤ内の応力は、圧縮性または伸張性であって良い。
Figure 2013524549
Ｎ−Ｈ／Ｓｉ−Ｈ結合比は、サブレイヤ１２１、１２２の光学特性を調整するのに重要な場合がある。パッシベーション層１２０の堆積期間にプラズマの電力を増加することによって、結果として得られる堆積膜は、従来技術で使用されるより低いプラズマ電力設定、例えば２，０００〜３，０００Ｗで堆積されるパッシベーション層と比較して、大きな屈折率およびより低いｋ値を有することになると考えられる。窒化ケイ素型パッシベーション層を有するシリコン太陽電池に見出される少なくとも２つの型の結合、Ｓｉ−Ｈ結合およびＳｉ−Ｓｉ結合が、光の吸収の原因となる。しかし、Ｓｉ−Ｈ結合およびＳｉ−Ｓｉ結合は、窒化ケイ素材料の一部ではなく、窒化ケイ素材料は、理論的には全てＳｉ３Ｎ４であって、場合によって化学量論的窒化ケイ素と呼ばれる。しかし、Ｓｉ３Ｎ４のみの化学量論的窒化ケイ素膜は、劣った太陽ＡＲＣ材料となる。なぜならば、Ｓｉ３Ｎ４のみの化学量論的窒化ケイ素膜内に水素がなく、このことによって、化学量論的窒化ケイ素の屈折率がおよそ１．９であるので、全体として劣った太陽電池効率を生じる。したがって、窒化ケイ素ＡＲＣ層の反射防止特性および不動態化特性をさらに向上させるため、水素が窒化ケイ素ＡＲＣ層に加えられる必要がある。
しかし、水素がシリコン基板上の窒化ケイ素膜に加えられると、水素の一部がＮ−Ｈ結合およびＳｉ−Ｈ結合を形成するために費やされる。Ｓｉ−Ｈ材料がＵＶ域の端で光を吸収し、全体のｋ値にはわずかな部分の寄与をする一方、Ｓｉ−Ｓｉ材料が可視光を吸収し、したがって全体のｋ値に大部分の寄与をする。太陽電池にとって所望のレベルの屈折率を得るため、過剰なシリコンが必要である。しかし、過剰なシリコンは、他のシリコンと結合する必要がない。パッシベーション層（複数可）の堆積期間に高いプラズマ電力を使用することによって、Ｓｉ−Ｓｉ結合の形成を（完全に防止する必要はないが）阻害し、成長する膜中にＳｉ−Ｎおよび／またはＳｉ−Ｈ結合の形成を増大させると考えられる。換言すれば、高いプラズマ電力密度によって、シリコン含有前駆体ガス中に見出されるＳｉ原子と結合することから、成長する膜中の、かつ／または最初は基板表面のＳｉ原子の結合を最小化する。Ｓｉ−Ｓｉ結合を最小化し、成長する膜中のＳｉ−Ｎ結合およびＳｉ−Ｈ結合のパーセンテージを増加することによって、堆積される窒化ケイ素膜のｋ値を調節および／または制御することができる。いくつかの構成において、プラズマ電力密度を調節して形成される窒化ケイ素膜のｋ値を調整および／または調節することが望ましい。所望の結合を破り、ｎとｋの間の通常は正比例する関係を切り離すため、電力レベルは、窒化ケイ素層を形成するための従来の通常レベルの倍であって良い。
したがって、シリコン基板と接触するインターフェイスサブレイヤ１２１は、従来技術の方法を使用して形成されるＳｉＮパッシベーション膜と比較して、大きな屈折率および最適な光透過性を有し、Ｓｉ−ＳｉＮインターフェイスにおける欠陥を不動態化する。インターフェイスサブレイヤ１２１の上部上に堆積されるバルクサブレイヤ１２２は、インターフェイスサブレイヤ１２１と比較して、電荷蓄積、水素保持、最適応力および速い堆積速度に調整することができる。構成要素層の厚さを選択して、光の吸収性損失を減少し、一方エミッタ領域上の層から反射される光の量を最小に保つこともできる。
図１Ｄは、パッシベーション／ＡＲＣ層１２０の拡大断面図である。バルクサブレイヤ１２２内のピンホール１３０およびインターフェイスサブレイヤ１２１内ピンホール１３１がそれぞれ例示される。描かれるピンホールは、真っ直ぐな側壁を有するが、不規則で直線でない形状のピンホールが通常存在する。化学気相堆積プロセスは、核形成により膜成長を開始し、その後粒成長が続く。隣接する粒子が粒子合体の点まで成長しつづけ、連続した膜を形成すると、基板区域全体が膜で覆われる。しかし、核形成および粒子合体による典型的な膜成長モードの性質に起因して、小さな間隙、ボイド、および孔などの不連続が、合体する粒子の境界に導入される可能性が高い。ピンホールなど、これらの境界で形成する膜中の欠陥によって、酸素または水分などの汚染が下にあるドープされた領域１０２に到達し、寿命の減少および太陽電池の不良率の増加をもたらす可能性がある。ひとたびチャネルまたはピンホールなどボイド様欠陥が、ＰＥＣＶＤ膜成長の最初のステージ期間に導入されると、ピンホールは、膜が厚くなるのにしたがって、膜の表面に存在しつづけることになる。
アンモニアおよびシランガスは、ＰＥＣＶＤ窒化ケイ素膜の高速堆積に通常使用される。しかし、ＰＥＣＶＤプロセス期間で、速い堆積速度は、一般的に膜が不連続となる結果となり、ピンホール様欠陥をもたらす。そのような欠陥の形成を減少させる１つの方法は、アンモニア、窒素、水素、およびシランを使用することにより、膜の堆積速度化学作用を減少させることである。アンモニア、窒素、およびシラン前駆体のプロセス条件を注意深く制御することにより、ほぼピンホールのないＰＥＣＶＤを、１，０００Å／分などの比較的遅い堆積速度で基板上に成長させることができる。しかし、堆積速度がより遅いことは、所与のＳｉＮの厚さに対し、より長い製造時間がかかることを意味する。一般に、シランおよびアンモニアのガス流が増加すると、ＳｉＮ堆積速度が増加するが、ピンホールが作られる可能性も増加する。
しかし、ＳｉｘＮｙ膜の複数の層が堆積される場合、任意の１つの層内のピンホール様欠陥が、別の層内のピンホール様欠陥と整合する可能性がなく、したがって、本質的にそのような欠陥をもたらすことが知られている速い堆積速度が、パッシベーション／ＡＲＣ層１２０を作るサブレイヤを形成するため依然として使用することができる。したがって、上面、すなわちバルクサブレイヤ１２２の外面と、底面、すなわちインターフェイスサブレイヤ１２１とドープされた領域１０２の間のインターフェイスの間に延びるピンホールの可能性を、著しく減少することができる。図１Ｄに示されるように、パッシベーション／ＡＲＣ層１２０は、インターフェイスサブレイヤとバルクサブレイヤの両方を完全に貫通するピンホール１３０、１３１が実質的にない。ピンホール１３０、１３１は、一般的に整合されず、「蛇行経路」を形成し、すなわち、上面から底面への経路は、ピンホールが全体的に直線の通路または２つの表面間の直接路を形成しないので、蛇行経路となる。換言すれば、ピンホールは、様々なサブレイヤ１２１、１２２内で依然として形成する場合があるが、組み合わせた層は、両方の層を全体的に、すなわちバルクサブレイヤの上面からインターフェイスサブレイヤの底面を貫通するピンホールが実質的に存在しないことができる。
本発明の別の実施形態において、ｃ−Ｓｉ（結晶シリコン）太陽電池上でピンホールを検出する方法が提供される。ピンホールのサイズは、典型的には、直径／幅で、数十ナノメートル（ｎｍ）から数百ｎｍの範囲である膜粒子サイズに依存する。しかし、そのようなピンホールの検出は、ピンホールが多くある場合を除いて、簡単または容易ではない。
電気メッキ技法を使用する技法を使用して、太陽電池基板上のパッシベーション層（複数可）、例えば、ｃ−Ｓｉ太陽基板上のＰＥＣＶＤ ＳｉＮ内のピンホール様欠陥を明らかにすることができる。この技法の利点は、完成した太陽電池に適用できることである。ＰＥＣＶＤ ＳｉＮなどのパッシベーション層を備える太陽電池を、太陽電池の後側に適切な絶縁を施して、電解質中に浸し、太陽電池の金属（例えば、Ａｌ）で覆われた後側を通して電流を供給する。電力がシリコンに印加され、電解質がシリコンと接触する場合、電解質が回路を形成し、ピンホールのメッキをトリガする。
この方法論を使用して、ピンホールがパッシベーション／ＡＲＣ層１２０の外面からドープされたシリコン領域１０２に延びる場合、メッキ溶液からの金属、例えば電解質がＣｕＳＯ４を含む場合は銅が、ピンホール上にメッキしてピンホールの上に成長を始め、やがて、ひとたび金属が完全にピンホールを満たすと外側へメッキすることになる。しかし、銅などの金属は、パッシベーション／ＡＲＣ層１２０を貫通して全体に延びていないピンホール内はメッキしない。なぜならば、ピンホールがドープされた層１０２に延びる場合、回路がシリコンおよび電解質を介して形成され、電解質からの銅がピンホール内にメッキすることになるからである。メッキされた銅は基板の表面上で明るい円として現れ、円のサイズはピンホール開孔よりはるかに大きく、メッキ時間に依存して、数ミクロンから数百ミクロンのサイズで変動する。メッキされた銅が輝くことよって、ピンホールを光学顕微鏡下で検出することが可能になる。
窒化ケイ素含有バルクサブレイヤの形成後、完成した太陽電池１００の２つの異なる実施形態を例示する図１Ｅおよび図１Ｆに示すように、太陽電池をさらに処理して、他の保護層をもうけることができる。図１Ｅは、多層パッシベーション反射防止コーティング１２０を有する太陽電池１００を描き、その上には、結合材料層１２４およびガラス基板１２６が配置される。結合材料層１２４は、太陽電池基板および太陽電池基板の上に形成される任意の特徴を封止し、ガラス基板１２６を備える保護層を形成する。
別の実施形態において、パッシベーション層の上に保護層を形成するため、第３のプロセス混合ガスをプロセス容積内に流すことができ、プロセス２０７〜２０８に示し、図１Ｆに示すように、バルクサブレイヤ１２２上に、酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）などの、シリコン、酸素、窒素含有層を堆積することができる。この実施形態は、典型的には、実験室の研究および一般的な調査および試験用になされる。酸窒化ケイ素層は、１．９〜１．８のｎ値を有することができる。第３のプロセス混合ガスは、シラン、オクタメチルシクロテトラシロキサン（ＯＭＣＴＳ）、テトラエチルオルトケイ酸塩（ＴＥＯＳ）、Ｏ２、Ｏ３、Ｎ２Ｏ、ＮＯ２、ＮＨ３、Ｈ２、およびＮ２のうちの少なくとも１つを含むことができる。これは、太陽電池の最終構造に背面ガラスカバーまたは基板が使用されない実施形態でなされる。
太陽電池基板は、２０９に示すように、スパイク焼成プロセスで、８５０°Ｃで１秒間アニールすることができる。窒化ケイ素堆積後に太陽電池を高温焼成することによって、バルク窒化ケイ素層の品質を改善して、水素を基板中にドライブする。焼成プロセスは、加熱および冷却するための様々なランプを含むことができ、ランプは、太陽電池で使用されるペーストの種類に依存することができる、別の実施形態において、２１０に示すように、アニーリングを、窒化ケイ素含有バルクサブレイヤの堆積後に行うことができる。次いで、２１１および２１２に示すように、ＥＶＡまたはＰＶＢなどの結合材料が、バルクサブレイヤ上に配置され、その後、背面ガラス基板が結合材料の上に配設され、続けて貼り合わされて、太陽電池製造プロセスを完了する。しかし、太陽電池上に焼成プロセスが実施されるか否かにかかわらず、表面パッシベーションを達成することができる。
ハードウェア構成
大面積基板を処理するように構成されるプラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）システムは、優れた膜均一性を有するＳｉＮ層を速い堆積速度で堆積することができる。これは、特に、平行板、高周波ＰＥＣＶＤシステムに当てはまり、この場合では、１つまたは複数の基板が、プラズマチャンバ内の２つの実質的に平行な電極間に配置される。チャンバのガス分配プレートが、一般的に第１の電極の役割を果たし、チャンバの基板支持体が第２の電極の役割を果たす。前駆体ガス混合物は、チャンバ内に導入され、電極のうちの１つに高周波（ＲＦ）電力を印加することによってプラズマ状態へとエネルギーを与えられ、基板の表面にわたって流されて、所望の材料の層を堆積する結果になる。チャンバのガスシャワーヘッドが堆積する平面の真上にあるチャンバの形状寸法は、システムにかなりのコスト、サイズ、または複雑さを追加せずに、高スループットで複数のグレーデッド層を形成するのに最適である。
他の種類の処理チャンバを用いて、窒化ケイ素パッシベーション膜の、高いｎ特性および低いｋ特性の両方を達成することは困難である。なぜならば、他の種類の処理チャンバ内で高いプラズマ電力密度層を形成することが難しいからである。例えば、他の処理チャンバは、お互いが電気的に接続される多くの基板を有するカーボンボートシステムを使用する場合がある。カーボンボートシステム内の各基板は、アノードおよびカソードを形成し、このことが、本明細書に記載の処理チャンバ内で生成されるのと同じ種類のプラズマを阻むと考えられる。しかし、本明細書に記載のＰＥＣＶＤツールを用いると、平行板型処理チャンバの容量性結合によって、所望の光学特性および機能特性を備えるパッシベーション膜を形成するために使用される、より高いプラズマ電力密度が可能になると考えられる。
図３は、図２に関連して例示され議論されるプロセスのうちの１つまたは複数を実施することができる、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）チャンバ３００の一実施形態の概略断面図である。同様に構成されたプラズマ化学気相堆積チャンバは、Ｓａｎｔａ Ｃｌａｒａ、ＣＡに位置するＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、Ｉｎｃ．から入手可能である。他の製造業者からの堆積チャンバを含む、他の堆積チャンバを使用して、本発明を実施することは可能であることが意図される。
処理チャンバ３００内にもうけられるプラズマ処理構成は、図２に記載されるプロセスのうちの１つまたは複数を実施するために使用されるとき、他の構成を超える著しい長所を有すると考えられる。一実施形態において、ＰＥＣＶＤチャンバ３００は、一度に複数の基板を処理するように構成される。一実施形態において、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）チャンバ３００は、垂直に積み重ねられた基板（例えば、垂直炉システムで実施されるようなカセット内で積み重ねられた基板のバッチ）を処理することとは対照的に、図４に示すように、基板キャリア４２５上の平面のアレイに配置される複数の基板１１０を同時に処理するようになされる。平面のアレイに配置される基板のバッチを処理することによって、バッチ内の基板のそれぞれが、生成されるプラズマ、放射熱、および／または処理ガスに直接かつ同時に曝されることが可能になる。したがって、平面のアレイ内の各基板は、処理チャンバのプロセス容積内で同様に処理され、したがって、拡散タイプのプロセスおよび／または積み重ねたバッチの基板または背中合せに構成されたバッチの基板など、処理される従来構成のバッチ内の全基板にエネルギーを連続移送することに依存しない。
一構成において、ＰＥＣＶＤチャンバ３００は、基板の移送および処理期間に、基板のバッチを保持するように構成される、基板キャリア４２５（図３および図４）を受け取るようになされる。一実施形態において、基板キャリア４２５は、処理の期間に、基板キャリア４２５に配設される複数の基板１１０の平面のアレイを支持するように構成される、約４０，０００ｃｍ２以上または約５５，０００ｃｍ２以上など約１０，０００ｃｍ２以上の表面積を有する。一実施形態において、基板キャリア４２５は、上向きまたは下向きの構成で、サイズが１５６ｍｍｘ１５６ｍｍｘ０．３ｍｍである、約４と約４９の間の太陽電池基板を保持する。一構成において、太陽電池基板のバッチは、複数のチャンバ間で基板キャリア４２５上の真空環境または不活性環境（例えば、図４内の移送チャンバ４２０）で移送され、汚染の可能性を減らしスループットを改善する。
図３を再び参照して、チャンバ３００は、一般的に、プロセス容積を画定する、壁３０２、底部３０４、シャワーヘッド３１０、および基板支持体３３０を含む。プロセス容積３０６は、基板キャリア４２５上に配設される基板を、チャンバ３００の中へ、かつチャンバ３００から外へ移送することができるように、バルブ３０８を介してアクセスされる。基板支持体３３０は、リフトピン３３８など、リフトシステムに結合される受取面３３２およびステム３３４を含み、基板支持体３３０を持ち上げたり下げたりする。チャンバ３００内に維持されるシャドウフレーム３３３を、基板キャリア４２５の周囲の上に、任意選択で配置することができる。リフトピン３３８は、基板キャリア４２５を受取面３３２との間で動かすため、基板支持体３３０を貫通して移動可能に配設される。基板支持体３３０は、埋め込んだ加熱および／または冷却要素３３８も含み、基板支持体３３０を所望の温度で維持することができる。基板支持体３３０は、接地ストラップ３３１も含み、基板支持体３３０の周囲でＲＦ接地を実現することもできる。一実施形態において、基板支持体３３０は、基板支持体３３０内に埋め込まれる電極（図示せず）に結合されるＲＦ源（図示せず）を有し、そのため、ＲＦバイアスを基板支持体３３０の上に配設される基板１１０に印加することができる。
シャワーヘッド３１０は、シャワーヘッド３１０の周囲でサスペンション３１４によりバッキングプレート３１２に結合される。シャワーヘッド３１０を、１つまたは複数の中央支持体３１６によりバッキングプレートに結合して、たるみを防止する助けになり、かつ／またはシャワーヘッド３１０の直線度／曲率を制御することもできる。ガス源３２０がバッキングプレート３１２に結合され、ガスを、バッキングプレート３１２を通り、シャワーヘッド３１０の通路３１１を通って、基板受取面３３２に提供する。真空ポンプ３０９がチャンバ３００に結合され、プロセス容積３０６を所望の圧力に制御する。ＲＦ電源３２２がバッキングプレート３１２および／またはシャワーヘッド３１０に結合され、ＲＦ電力をシャワーヘッド３１０に提供し、そのため、電場がシャワーヘッドと基板支持体の間に作られ、これによって、シャワーヘッド３１０と基板支持体３３０の間に配設されるガスを使用して容量的に結合したプラズマを生成する。約０．３ＭＨｚと約１００ＭＨｚの間の周波数など、様々なＲＦ周波数を使用することができる。エネルギーを与えられた、かつ／またはイオン化された核種を処理期間に処理面１１０Ａの全ての部分に直接提供するチャンバ３００構成の能力に起因して、容量的に結合したプラズマを基板１１０の処理面１１０Ａ（図３）に直接接触させることは、基板の全てをプラズマに直接曝さない設計を超える長所を有すると考えられる。
一実施形態において、加熱および／または冷却要素３３９は、約１００°Ｃと約４００°Ｃの間など、約４００°Ｃ以下の基板支持体温度を堆積期間に実現するよう設定することができる。基板受取面３３２上に配設される基板キャリア４２５上に配設される基板の上面とシャワーヘッド３１０の間の堆積期間の間隔は、３００ミルと約１，１００ミルの間であって良い。例えば、窒化ケイ素含有インターフェイスサブレイヤ１２１の堆積期間の間隔は、窒化ケイ素含有バルクサブレイヤ１２２の堆積期間に、約８００ミルと約１，１００ミルの間であって良い。
別の実施形態において、太陽電池上に膜を形成するシステムが開示される。システムは、処理チャンバのプロセス容積３０６内の太陽電池基板１１０上にパッシベーション／ＡＲＣ層１２０を形成するため、チャンバ３００などのプラズマ処理チャンバを含む。例えば、コンピュータ４４０といったシステムコントローラが、プラズマ処理チャンバと通信し、パッシベーション／ＡＲＣ層１２０のインターフェイスサブレイヤ１２１およびバルクサブレイヤ１２２を形成するための処理条件および方策を制御するように構成される。コンピュータ４４０は、第１のプロセス混合ガスを含むガスの流量および組成物ならびに第１のプロセス混合ガスから生成されるプラズマの電力密度を制御することにより、インターフェイスサブレイヤ１２１を形成するためのプロセス条件を開始することができる。一定の堆積時間または他の事象後に、コンピュータ４４０は、「中断」遷移など、以前に議論した遷移の種類のうちのいずれかを使用して、第１のプロセス混合ガスから、バルクサブレイヤ１２２を形成するための第２のプロセス混合ガスへの遷移を実行することができる。こうして、コンピュータ４４０は、各サブレイヤを形成するため、処理チャンバ内のプロセス条件を制御し、そのため、インターフェイスサブレイヤおよびバルクサブレイヤは、以前に議論したように調整された光学特性および不動態化特性を有する。
図４は、図３のＰＥＣＶＤチャンバ３００または図２に関連して記載されたプロセスを実施することが可能な他の好適なチャンバなど、複数の処理チャンバ４３１〜４３７を有するプロセスシステム４００の一実施形態の概略上面図である。プロセスシステム４００は、ロードロックチャンバ４１０およびプロセスチャンバ４３１〜４３７に結合される移送チャンバ４２０を含む。ロードロックチャンバ４１０によって、基板をシステムの外側の周囲環境と移送チャンバ４２０および処理チャンバ４３１〜４３７の中の真空環境の間で移送することが可能になる。ロードロックチャンバ４１０は、複数の基板１１０を支持するように構成される１つまたは複数の基板キャリア４２５を保持するように構成される１つまたは複数の排気可能領域を含む。排気可能領域は、基板をシステム４００内に入れる期間にポンプ排気され、基板をシステム４００から出す期間に通気される。移送チャンバ４２０は、移送チャンバ４２０内に配設される少なくとも１つの真空ロボット４２２を有し、真空ロボット４２２はロードロックチャンバ４１０と処理チャンバ４３１〜４３７の間で基板キャリア４２５および基板を移送するようになされる。図４では７つのプロセスチャンバが示されるが、システム４００は、任意の好適な数のプロセスチャンバを有することができる。
システム４００の一実施形態において、基板上で、第１の処理チャンバ４３１がプロセス２０１を実施するように構成され、第２の処理チャンバ４３２がプロセス２０２〜２０６を実施するように構成され、第３の処理チャンバ４３３がプロセス２０７〜２０８を実施するように構成され、第４の処理チャンバ４３４がプロセス２０９または２１０を実施するように構成される。他の実施形態は、プロセス２０１〜２１０を実施するため、様々な組合せの、システム４００の処理チャンバ４３１〜４３７を使用することができる。システム４００のさらに別の実施形態において、処理チャンバ４３１〜４３７のうちの少なくとも１つが、基板上で、２０１〜２１０など、プロセスの大部分を実施するように構成される。
本明細書に記載の実施形態を使用して、シリコン−窒素含有パッシベーション／ＡＲＣ層１２０を、従来技術のプロセスより実質的に速い速度で堆積し、一方、太陽電池パッシベーション層の品質に悪影響を及ぼすことなく、様々なパッシベーションの長所を全体的に実現することができる。例えば、インターフェイスサブレイヤは、シリコン基板を不動態化するために、シリコン基板のダングリングボンドと反応することができる、いくつかの水素およびシリコンラジカルを含む。インターフェイスサブレイヤの堆積のために形成されるプラズマの化学作用の種類は、バルクサブレイヤのプラズマの化学作用よりも多くの水素およびシリコンラジカルを有する。
プラズマ堆積を実施するため、リモートプラズマ堆積チャンバなど他の種類のＣＶＤチャンバを使用すると、窒化ケイ素層を作るための構成成分が、正しい化学量論的比率をもたらすために正しい混合でチャンバ内に流されるが、ひとたび膜が基板上に堆積されると、膜にわたってさらに制御することは可能でないと考えられる。しかし、ＰＥＣＶＤなど、ダイレクトプラズマプロセスシステムでは、電力を増すことによって、Ｓｉ：Ｓｉ結合などのより弱い結合を破壊し、より強い結合を形成する一方で、膜が基板上に堆積される。
図３に示すなどの、水平シャワーヘッドを有する堆積ツールにおいて、シャワーヘッド開孔または通路３１１は、基板に直接面し、プラズマを有する混合ガスが基板上に、直ぐに向かう。こうして、図３に示すツールは、膜層をその場で、すなわち処理期間に、チャンバに入るガス混合物を変えることにより速い堆積速度で、急速に変化する能力を有する。したがって、本発明の実施形態の１つの長所は、単一のチャンバを使用して、複数の窒化ケイ素パッシベーション層を堆積する一方、チャンバに流れるガスを変更する能力を実現できることである。
上記が本発明の実施形態を対象とする一方、本発明の他のさらなる実施形態が、本発明の基本範囲から逸脱することなく考案することができ、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲により決定される。

Claims (15)

  1. 太陽電池基板上にパッシベーション反射防止層を形成する方法であって、
    第１のプロセス混合ガスを、処理チャンバ内のプロセス容積内に流すステップと、
    前記処理チャンバ内で、０．６５Ｗ／ｃｍ２より大きい電力密度でプラズマを生成するステップと、
    前記プロセス容積内の太陽電池基板上に窒化ケイ素含有インターフェイスサブレイヤを堆積するステップと、
    第２のプロセス混合ガスを前記プロセス容積内に流すステップと、
    前記窒化ケイ素含有インターフェイスサブレイヤ上に窒化ケイ素含有バルクサブレイヤを堆積するステップと
    を含む方法。
  2. 前記インターフェイスサブレイヤが、前記結果として得られるバルクサブレイヤの屈折率（ｎ）よりも大きい屈折率（ｎ）を有し、前記インターフェイスサブレイヤと前記バルクサブレイヤの両方が、０から０．１の吸光係数（ｋ値）を有する、請求項１に記載の方法。
  3. 前記インターフェイスサブレイヤが、２．４から２．６の屈折率を有し、前記バルクサブレイヤが２．００から２．１５の屈折率を有する、請求項２に記載の方法。
  4. 前記第１のプロセス混合ガスが窒素およびシランを含む、請求項１に記載の方法。
  5. 前記窒素とシランの比が１４：７である、請求項４に記載の方法。
  6. 前記第２のプロセス混合ガスが、窒素、シラン、およびアンモニアを含む、請求項１に記載の方法。
  7. 前記窒素とシランの比が約８．３５であり、前記アンモニアとシランの比が約０．９０である、請求項６に記載の方法。
  8. 前記パッシベーション反射防止層が、実質的に、前記インターフェイスサブレイヤおよび前記バルクサブレイヤの両方を全体的に貫通するピンホールのない、請求項１に記載の方法。
  9. 前記第２のプロセス混合ガスを前記プロセス容積内に流すステップの前に、前記プラズマを消すステップと、
    前記第２のプロセス混合ガスを前記プロセス容積内に流すステップの後に、前記プラズマを再点火するステップと
    をさらに含む、請求項１に記載の方法。
  10. 太陽電池デバイス内に形成されるパッシベーション／ＡＲＣ層であって、
    太陽電池の表面に形成される１つまたは複数のｐ型にドープされた領域の上に配設されるシリコン−窒素含有インターフェイスサブレイヤと、
    前記シリコン−窒素含有サブレイヤの上に配設されるシリコン−窒素含有バルクサブレイヤとを備え、前記インターフェイスサブレイヤが前記バルクサブレイヤの屈折率（ｎ）よりも大きい屈折率（ｎ）を有し、前記インターフェイスサブレイヤと前記バルクサブレイヤの両方が０から０．１の吸光係数（ｋ値）を有する、
    パッシベーション／ＡＲＣ層。
  11. 前記パッシベーション／ＡＲＣ層内の正味の正電荷の量が、前記太陽電池基板の前記表面において、１ｘ１０１２クーロン／ｃｍ２より大きい電荷密度を有する、請求項１０に記載のパッシベーション／ＡＲＣ層。
  12. 実質的に、前記インターフェイスサブレイヤおよび前記バルクサブレイヤの両方を全体的に貫通するピンホールのない、請求項１０に記載のパッシベーション／ＡＲＣ層。
  13. 太陽電池上のパッシベーション層内に形成されるピンホールを検出する方法であって、
    太陽電池上に形成されたパッシベーション層を有する太陽電池を電解質の中に浸すステップと、
    前記太陽電池の金属に覆われる後側を介して電流を印加し、前記パッシベーション層の外面から前記太陽電池のドープされた領域に延びる任意のピンホールをメッキするステップと、
    前記ピンホールのいずれかの中をメッキする任意の金属を検出するステップと
    を含む方法。
  14. 接合領域を有する基板と、
    前記基板の表面上のパッシベーション反射防止層であって、
    窒化ケイ素含有インターフェイスサブレイヤ、および
    前記インターフェイスサブレイヤの直ぐ上の窒化ケイ素含有バルクサブレイヤを備えるパッシベーション反射防止層と
    を備え、前記インターフェイスサブレイヤが前記バルクサブレイヤよりも大きい屈折率（ｎ）を有し、前記パッシベーション層が実質的に前記インターフェイスサブレイヤおよび前記バルクサブレイヤの両方を全体的に貫通するピンホールのない太陽電池。
  15. 太陽電池上に膜を形成するシステムであって、
    処理チャンバの処理容積内の太陽電池基板上にパッシベーション／ＡＲＣ層を形成するためのプラズマ処理チャンバであって、前記パッシベーション／ＡＲＣ層が
    第１のプロセス混合ガスから生成されるプラズマを使用して０．６５Ｗ／ｃｍ２より大きな電力密度で前記太陽電池基板上に形成される窒化ケイ素含有インターフェイスサブレイヤ、および
    第２のプロセス混合ガスから生成されるプラズマを使用して０．６５Ｗ／ｃｍ２より大きな電力密度で前記インターフェイスサブレイヤ上に形成される窒化ケイ素含有バルクサブレイヤ
    を備えるプラズマ処理チャンバと、
    前記プラズマ処理チャンバと通信するシステムコントローラと
    を備え、前記システムコントローラが、前記プラズマ出力密度、前記第１のプロセス混合ガスの流量、前記第２のプロセス混合ガスの流量を制御するように構成され、そのため、前記インターフェイスサブレイヤが、前記結果として得られるバルクサブレイヤの屈折率（ｎ）よりも大きい屈折率（ｎ）を有し、前記インターフェイスサブレイヤと前記バルクサブレイヤの両方が、０から０．１の吸光係数（ｋ値）を有するシステム。
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