TW201003961A - Solar cell spin-on based process for simultaneous diffusion and passivation - Google Patents

Solar cell spin-on based process for simultaneous diffusion and passivation Download PDF

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Ajeet Rohatgi
Vichai Meemongkolkiat
Saptharishi Ramanathan
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Georgia Tech Res Inst
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Description

201003961 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明大體係關於矽太陽能電池。更具體而言，本發明 係關於-用於同時擴散發射極及純化太陽能電池後表面之 旋塗製程。 美國政府擁有一本發明之已付之非專有、不可轉讓及全 球範圍的許可證且在限制條件下擁有要求專利所有人在合 理的條款上許可其他人之權利，此等條款由美國能源部所 提供之DE-FC3 6-07G0 1 7023號合同之條款而提供。 【先前技術】 太陽能電池係將光能轉化為電能之裝置。此等裝置通常 亦被稱為光伏打（PV)t^。太陽能電池係由多種半導體製 造。常見的半導體材料係結晶矽。 太陽能電池具有三個主要元件··⑴半導體；⑺半導體接 面’及（3)導電觸點。半導體（諸如石夕）可為接雜的n型或p型。 如果η型⑦及ρ型⑦相互接觸’則其等在太陽能電池中接觸 之區域係半導體接面。半導體吸光。該光的能量可被轉移 至石夕層中原子的價電子，其使該價電子逃離其束缚態，留 I電洞。此寻光生電子與電洞係由與ρ_η接面相關的電場 分開。導電觸點允許電流從太陽能電池流至外部電路。 圖1顯示先前技術之太陽能電池之基本元件。此等太陽能 電池可在矽晶圓上製造。太陽能電池5包含一 ρ型矽基極 1〇、ι型石夕發射極2〇、底部導電觸點40,及一頂部導電觸 點5〇。Ρ型石夕基極1〇h型石夕發射極2〇接觸形成接面。η型石夕 140294.doc 201003961 導電觸點40耦 載7 5耦合以提 :與頂部導電觸點50耦合。p型矽1〇與底部 合。頂部導電觸點50及底部導電觸點4〇鱼負 供其電力。 =含銀的頂部導電觸點50(「前觸點」）可使電流流至太 此電池5。然而，頂部導電觸點5〇不覆蓋電池5之整個表 面’因為銀係不完全透光。因此，頂部導電觸㈣具有一 網格圖案以允許光進入太陽能電池5。電子在經由底部導電 觸點40與電洞組合之前，自頂部導電觸點观出，且穿過 負載75。 底部導電觸點40(「耳觸點」或「後觸點」）通常包含铭 石夕共晶。該導電觸點4G通常覆蓋_㈣之整個底部，以使 ::性最大化。紹與矽在約攝氏75〇度之高溫下形成合金， k η於攝氏577度之銘石夕共晶溫度。此合金反應在基極底部 建立—高度摻_p型㈣’且於此產生強電場。該場用於 排斥光生電子以防在後觸點與電洞再結合，以使其可更有 效被收集於p-η接面處。
石夕與：電觸點之間的界面通常係一具有高重組之區域。 舉例而S ’穿過整個後表面之鋁後表面場之後表面重組速 率可為母杉500羞米或更多。高後表面重組速率降低電池效 〇 【發明内容】 開發一種減少後表面重組之具成本效益的解決方法對於 河效太陽此電池之商品化係重要的。一種已用於在後觸點 減少重組之方法係在矽晶圓之後表面上形成二氧化矽介電 140294.doc 201003961 層。對介電層實施局部開口 ’以耦合後觸點與矽晶圓。 在先前技術中’進行至少兩次高溫熔爐操作以在前表面 上形成擴散層，且在前及後表面上形成二氧化矽鈍化。第 一次高溫操作涉及擴散製程以在前表面上形成擴散層。此 藉由在擴散製程之前，於後表面上形成遮罩層實現。在第 一次高溫熔爐操作之後，應用化學清潔劑以去除前表面上 之擴散玻璃及後表面上之遮罩層。然後進行第二次高溫溶 爐操作以氧化前及後表面以鈍化表面。 後犧牲遮罩層及兩次高溫熔爐操作之使用增加製造太陽 能電池之操作數，且因此增加製造成本。此外，經二氧化 矽的高品質後表面鈍化通常需要厚二氧化矽層生長，其涉 及長時間之高溫氧化操作。其增加對來自污染矽晶圓之熔 爐的污染物的關注。 在此提出之解決方法闡明一基於旋塗的製程，其藉由單 一高溫熔爐操作用於同時擴散發射極及鈍化前與後表面鈍 化。最終的太陽能裝置包含一具有摻雜基板之矽晶圓。旋 塗介電層可與摻雜基板的後表面耦合。高溫熔爐步驟可用 於在石夕晶圓之前表面上形成-擴散層，且形成前及後表面 鈍化層。前介電層可在相同的高溫熔爐操作期間熱生長。 後紋塗介電層可在相同的高溫熔爐操作期間被固化。阻擋 層可於介電層上形成。對阻擋層及介電層進行開口。觸： 可在前及後表面上形成，包括開口之内。 上述内容係概要且因此必然包含詳細情況之簡化、概括 及省略；因此，熟習此項技術者應了解該概要僅係閣述性 140294.doc 201003961 的且不希望以任何方 徽 式限制。本發明之其他態樣，發明特 徵及優點，僅如請求 詳細描述中顯現。 &義’將在以下_之非限制性 【實施方式】 在以下詳細描述中， 闡月大置具體細節以徹底理解本發 明。然而，熟習此項枯 ^ 、技術者應了解可無需此等具體細節而 貫施本發明。在兑它眘 、實例中’為不難理解本發明，未詳細 描述熟知的方法'步驟、組件、及電路。 圖2係用於同時擴散發射極及純化前與後表面之製程 之實_的流程圖。為最簡化電池晶圓的操作’該製程包 3早一擴散及氧化溶爐操作。該製程開始於石夕晶圓，其 中之—作為摻雜劑源晶圓且其中另一個為目標晶片，太陽 月b電池&成於其上。此等目標晶圓可係a。咖或 Ζ〇η〜日圓。此等目標晶圓可具有50至500微米之厚度。此等 目標晶圓可具有P型基板。另，目標晶圓可係P型。 在操作2 1 0中，清洗目標石夕晶圓。藉由將晶圓浸入氯氣酸 溶液以去除表面的氧化物而清洗目標晶圓。舉例而言，氫 說酸溶液可為20: 1H2〇: HF體積比。應用稀釋的氫氟酸溶 液至晶圓表面。因此去除矽晶圓的天然氧化物層。最初， 溶液將附著於矽晶圓，因其侵蝕氧化物層。去除矽的氧化 物層後，溶液即疏離表面且因此將濾出。 在刼作21 5中，製備源晶圓。此等源晶圓可作為摻雜劑源 以在目祆Ba圓上建立擴散層。該製備可包含將此等源晶圓 浸入硫酸溶液浴中（2: i : 1H20: H2〇2: h2S〇4體積比）2至 140294.doc 201003961 2 0分鐘。該硫酸溶液在源晶圓上建立均勻的親水性表面。 在操作220中，將磷酸溶液應用於源晶圓表面。為配製鱗 酸溶液’磷酸（HJO4)可用乙醇（CzHsOH)混合。所得的混合 物可為重量百分比為0·25至4%之五氧化二磷（P2〇5)。然後將 該磷酸溶液旋塗至源晶圓。可將每個源晶圓負載至旋塗卡 盤中心。可使用移液管（pipette)在源晶圓上方滴溶液及旋塗 源晶圓。對於本發明之一實施例，可設定旋塗設備每分鐘 2〇00至3000轉’時間自15至45秒。對於本發明之又一實施 例’可设定旋塗設備每分鐘2 5 0 0轉，3 〇秒。 在操作225中，將介電層應用於目標晶圓之後表面。對於 本發明之一實施例，移液管可用於在目標晶圓中心周圍滴 一氧化矽溶液及旋塗目標晶圓。該二氧化矽溶液可係購自 Filmtronics，Inc的名為“20B·，，的二氧化矽凝膠。旋塗介電層 可具咼純度且可在熔爐中退火而不污染目標晶圓。在目標 晶圓上形成的介電層之厚度可係1〇〇〇至3〇〇〇埃。對於本發 明之一實施例，可設定旋塗設備每分鐘3〇〇〇至5〇〇〇轉時 間1〇至30秒。對於本發明之又—實施例，可設定旋塗設備 每分鐘4000轉，15秒。
晶圓5至30分鐘。
氏600至800度之溫度。 310被負載前，擴散熔爐300可受熱至攝 度。在負載製程期間，晶圓舟可在熔爐 140294.doc 201003961 内邛或外部。圖3描繪—實施例之疊加圖，其顯示源晶圓32〇 及目軚晶圓330在晶圓舟31〇上之負載位置。可放置晶圓以 使源晶圓320的磷酸面朝向相應目標晶圓33〇的前表面。可 重複每個源晶圓320及目標晶圓33〇對之放置方式直至晶圓 舟3 1 0滿載。每個晶圓與相鄰晶圓之中心間距為1 /16至丨八8 英寸。倘若晶圓舟310在擴散熔爐3〇〇外負載晶圓，則晶圓 舟310可在滿載後置於擴散熔爐3〇〇内。一旦擴散熔爐含有 滿晶圓舟310,則在7至15分鐘内，氮氣（n2)可以每分鐘α ( 5升之速率注入熔爐内。 在操作240中，熔爐内部溫度斜升至峰值溫度攝氏850至 9 〇度斜升時間可係5至40分鐘。一旦達到峰值溫度，則 將此製私維持穩足狀‘％ 7至45分鐘。氮氣流失帶摻雜劑從源 晶圓至目標晶圓。由於氮氣是惰性的，其對目標晶圓無反 應性影響。源晶圓之鱗前驅體被轉移至目標晶圓之前表 面。然後破可擴散至目標晶圓之前側面。碟前驅體從源晶 ( 圓至目晶圓之常見轉移方式如圖3中箭頭所示。熔爐直徑 可為5至7央寸且長度為4〇至5〇英寸。具有〇 3至〇 8微米厚度 之擴散層可於目標晶圓上形成。 熱處理同時固化及增強石夕與介電質界面之間的結合，且 改善純化。在2.5歐姆·羞米p型石夕基板上，固化後表面重扭 速率可係每秒200至300楚米。在目標晶圓之後表面上之介 電層亦可保護目標晶圓免遭後表面上之鱗擴散。在單一操 作中同時擴散發射極及純化後表面減少製造太陽能電池之 步驟數，且因此降低製造成本。 140294.doc 201003961 在“作245中，介電層可在目標晶圓之前表面上生長。停 止氮氣流且以每分鐘】g; q么 至3升之〜速將軋氣加入反應混合物 中。氧化時間可係3至1〇分鐘。於前表面上形成之介電層可 具有⑽至200埃之厚度。在此操作中，倘若氧氣渗入旋塗 介電層於石夕界面處形成二氧化石夕，則後表面介電層厚度可 增加。#作245中旋塗介電層厚度的增加可改善鈍化性質。 在操作250中，介電層可於峰值溫度處在氮氣中退火 】5刀釦退火此等介電層有助於安定介電層。 在操作255中，在30至60分鐘之時間内降低製程溫度至約 攝氏7〇〇度。該溫度降低可藉由關閉熔爐中加熱元件而實 現^旦溫度降至約攝氏度，即可將晶圓從晶圓舟中移 出:經移出的晶圓可經品質測試。舉例而言，可分析經移 出晶圓之面電阻及隱含電壓。 在知作260中，利用電漿增強化學氣相沈積（pecvd)方 去藉由適且的反應室在晶圓兩側形成氮化矽。此等氮化 :層作爲保護介電層之阻措層。且，氮化石夕層與介電層組 ^改善鈍化。氮化矽沈積後，介電層之表面重組速率在2.5 歐姆-釐米p型矽基板上係每秒2〇至25釐米。前表面之阻擋 層亦提供抗反射塗佈以促進光吸收。此等阻擋層可具有ι〇〇 至700埃之厚度。 /在操作265中，於前表面及後表面之阻擋層中形成開口。 =者’僅於後表面之阻擋層中形成開口。可使用太陽姓刻 丹形成此等開口。蝕刻膏之一實例係由merck& c〇, 製 ^名為S〇Iar Etch AX Ml”。該蝕刻膏經絲網印刷於太陽 140294.doc 201003961 能電池之前及後表面。然後應用攝氏300至400度之溫度於 該敍刻膏以姓穿氮化物層。钱刻之後，將晶圓浸入緩衝氧 化物蝕刻劑（BOE)中以去除任何殘留之氮化矽殘留物，及去 除介電層以曝露矽晶圓。BOE可包括氟化銨（NH3F)。對於 本發明之又一實施例，氫氟酸（HF)溶液可代替BOE使用。 對於本發明之又一實施例，可使用雷射以使矽晶圓建立開 Π 〇 在操作270中，將未燒結的鋁膏絲網印刷於矽晶圓之後表 面，包括在操作265中於後表面上形成開口。該鋁膏可包含 具有1至12石夕原子百分比的銘石夕合金。該銘膏可係產品號： AL53-090、AL53-110、AL53-120、AL53-130、AL53-131、 或AL5540，此等均可自Ferro公司講得。在開口處，合金可 形成具有6至1 5微米厚度之後表面場。 在操作275中，將銀膏絲網印刷於前表面。該銀膏可由 Heraeus Holding HmbH製造，產品號為 8969 或 8998。倘若 在操作2 6 5中前表面未形成開口，該銀膏可能滲透阻擋層及 介電層。 在操作280中，前及後表面觸點在一熔爐中共燃。該熔爐 可受熱至攝氏700至900度之峰值溫度。斜升時間可係10秒 至3分鐘。該峰值溫度可保持1至5秒。斜降時間可少於2分 鐘。 圖4A至4F描繪製造製程之不同階段中矽晶圓之一實施 例的橫斷面圖。圖4 A描繪具有與鈍化層4 0 5耦|合之摻雜基板 400的矽晶圓。基板400可係摻雜的p型。鈍化層405可包含 140294.doc -11 - 201003961 "電貝，如—氧化矽。上述旋塗製程可應用於鈍化層彻。 純化層4〇5可包含二氧化。 y 純化層405可具有1500至2500 埃之厚度。 圖4B中，擴散層410係形成於摻雜基板4〇〇中。擴散層41〇 可係η型二在擴散製程中，可同時固化旋塗介電層以加強結 合’建立高品質介電質。該高品質介電質係由圖4Β之鈍化 層405中之星號反映。 圖4C描繪接觸擴散層41〇之鈍化層415。該鈍化層々Μ可由 …生長的"電寊（如二氧化矽）組成。鈍化層‘η可具有1〇〇 至200埃之厚度。 ~ 圖4D描緣接觸鈍化層4〇5之第一阻擔層42〇及接觸純化層 415之第二阻擋層43〇。阻擋層42〇、43〇可包含由冲形 成的氮化矽。阻擋層420、43〇提供對鈍化層4〇5、415之保 濩。此等阻擋層可包含每立方釐米扣⑺2!至7χΐ〇22個原子之 氫濃度。氫可藉由pECVD前驅體併入氮化矽層中。在 PECVD製程期間，氫亦可併入矽與鈍化層界面冑，以幫助 改善表面鈍化品質。在熱處理期間，氫可從阻擋層中分離。 然後，氫原子可藉由附著於缺陷而進一步幫助矽晶圓之表 面及體積區鈍化。此外，阻擋層43〇可提供太陽能電池前表 面抗反射塗佈。 鈍化層405可有助於阻止反轉（inversi〇n)。倘若氮化物直 接與矽接觸，氮化物層之正電荷可吸引電子至表面，引起 分流。鈍化層405將阻擋層420與摻雜基板400分開以避免太 陽能電池之不利分流。 140294.doc 12· 201003961 圖侧緣鈍化層405及阻播層420中開口 440。開口 435亦 可在鈍化層415及阻擔層43〇中形成。對於本發明之一實施 例’經將太陽能触刻膏應用於阻撞層42()及然後對該阻擔層 施加熱處理而形成開口 44〇。該熱處理可包含攝氏3〇〇至_ 度之溫度。該熱處理可熔解膏下阻標層，使純化層4〇5形成 開口。將晶圓浸入B〇E中可去除任何殘留之氮化石夕殘留物 及一部分純化層405。 同樣也開口 43 5可藉由將太陽能钕刻膏應用於阻擔層 430及對該阻擋層施加熱處理而形成開口 435。該熱處理可 溶解膏下阻擋層’使鈍化層415形成開口。將晶圓浸入職 中可去除任何殘留之氮化石夕殘留物及一部分鈍化層4 1 $。 對於本發明之又一實施例，開口 435及開口 可藉由雷 射形成。對於本發明之又一實施例，開口 435及開口 44〇可 藉由機械刻劃形成。 圖4F描繪藉由開口 44〇與鈍化層4〇5、阻擋層42〇及摻雜基 板400耦合的後觸點45〇。該後觸點可由鋁組成。或者，該 後觸點可由具有i至12矽原子百分比之鋁組成。鋁中添加矽 可提供具有6至15微米深度之高品質BSF455。 圖4F描繪與阻擋層43〇、鈍化層415、及擴散層41〇耦合的 ^觸點445。該觸點445可包含銀。 在文中所述之太陽能電池裝置及製程中，應了解在後表 面上使用旋塗介電層可阻止η型摻雜劑自動擴散至後表面 中。因此’ η型摻雜劑在後表面上不形成另一 ρ_η接面，其 可藉由分流機制降低最終的太陽能電池性能。 140294.doc -13· 201003961 進一步而言，後表面上存在較厚的旋塗介電質可避免氮 化石夕直接接觸或鄰近⑷m氮切富含正電荷，且其 接觸基u存在於其附近可導致太陽能電池後表面 亡之電荷載體反轉。因㈣厚之旋塗介電層避免反轉問 題。 最後，文中所述之太陽能電池裝置及製程藉由高溫轨處 理擴散摻雜劑至太陽能電池裝置中及進行氧化以在太陽能 電池之前表面上形成較薄的氧化物層，將旋塗介電層自2 至高品質介電層轉化以達到增強的鈍化。增強之鈍化減少 或消除由於表面上的懸空鍵引起的重組中心，且因此使最 終的太陽能電池之性能更佳。 在上述說明書中，參考其具體示例性實施例描述本發 明。但是，明顯係在不脫離如附加申請專利範圍所闡明之 本發明之更廣主旨及範圍下，可對其進行各種修飾及變 更。因此，說明書及圖示應視為闡述性的而非限制性意義。 【圖式簡單說明】 ~ 圖1係先前技術太陽能電池之橫斷面圖； 圖2係一用於同時擴散發射極及鈍化後表面之製程之實 施例的流程圖； 圖3係顯示源及目標晶圓之負載位置之疊加圖；及 圖4A至4F係在不同製造階段’矽晶圓之實施例的橫斷面 圖。 【主要元件符號說明】 5 太陽能電池 140294.doc -14- 201003961
10 P型碎基極 20 η型矽發射極 40 底部導電觸點 50 頂部導電觸點 75 負載 300 擴散熔爐 3 10 晶片舟 320 源晶片 330 目標晶片 400 摻雜基板 405 純化層 410 擴散層 415 鈍化層 420 阻擋層 430 阻擋層 435 開口 440 開口 445 觸點 450 觸點 455 高品質BSF 140294.doc -15-

Claims (1)

  1. 201003961 七、申請專利範圍： 1. —種方法，其包括： 藉由一旋塗製程，於一矽晶圓之一後表面上形成一第 一介電層； 在—具有一自攝氏850至950度之溫度之熔爐内，將摻 雜劑自一源晶園擴散至該矽晶圓，且同時固化該第一介 電層；及 藉由一熱生長製程，於該石夕晶圓之前表面上形成一第 二介電層。 2. 如請求項1之方法，進一步包括： 將—氮氣流注入該熔爐内’以將摻雜劑自該源晶圓轉 移至該矽晶圓。 如叫求項2之方法，其中該氮氣流之一速率係每分鐘丨至5 升0 4. 如印求項3之方法，其中該熔爐包括一直徑5至7英寸且長 度40至50英寸之管。 5. 如明求項丨之方法，其中在該矽晶圓之該後表面上，該第 ;丨電層形成一自15〇〇至2500埃之厚度。 月求項1之方法，其中該第二介電層形成一自100至200 埃之厚度。
    8. 如請求項1之方法，進一步包括： ；X夕日日圓及該源晶圓以中心間距（center-to-center) 1/16至1/8英寸置於-晶圓舟上。 如請求項 之方法，其中該等摻雜劑係磷。 140294.doc 201003961 9.如請求項丨之方法，進一步包括 氣化矽形成。 乾漿增強化學汽相 在該第一介電層上形成一阻擋層。 10·如請求項9之方法，#中該阻播層係由 11.如請求項9之方法，其中該阻擔層係由 沈積形成。 12 ·如請求項1之方法，進一步包括： 將一氧氣流注入該熔爐内，以退火該第一 13 ·如請求項9之方法，進一步包括： ％ 使用一太陽蝕刻膏 將§亥石夕晶圓浸入一 一介電層；及 ，對該阻擋層建立—開口； 緩衝氧化物蝕刻劑t ’以去除該第 形成一後觸點以傳導電荷。 14_ 一種方法，其包括： 藉由-旋塗製程，將-摻雜劑溶液應用於一源晶圓； 藉由-旋塗製程，將-介電層應用於一目標晶圓之後 表面， 將該源晶圓及該目標晶圓置於_溶姨内；及 施加-熱量，以將-接雜劑自該源晶圓擴散至該目標 晶圓之一前表面，且鈍化該目標晶圓之該後表面。 1 5.如清求項14之方法’進一步包括· 混合填酸與乙醇以形成換雜劑溶、、夜。 16·如請求項14之方法，其中該摻雜劑溶液係重量百分比為 0.25至4%之五氧化二磷。 1 7·如請求項14之方法’其中該介電層係二氧化石夕。 140294.doc 201003961 18 ·如請求項〗 之方法，進一步包括： 設定 旋塗設備每分鐘3000至5000轉 "亥；丨電層施加至該目標晶圓。 19. 如清求項丨4之方法，進一步包括： 設定旋塗設備每分鐘2000至3000轉， 摻雜劑溶液施加至該源晶圓。 20. 如請求項14之方法，進一步包括： 將該源晶圓浸入一硫酸溶液（2: 1: 1 H2 (1 至20分鐘，以在該源晶圓旋塗製程之前 親水表面。 1 ，10至30秒内將 15至45秒内將該 0:H202：h2s〇4)2 建立—均勻的 140294.doc
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