TWI399863B - 快速升溫退火裝置及形成太陽能電池選擇性射極結構的方法 - Google Patents

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Description

快速升溫退火裝置及形成太陽能電池選擇性射極結構的方法
本發明係關於一種使用於太陽能電池(solar cell)的製程設備及方法，特別是針對選擇性射極(selective emitter)太陽能電池的製程設備及其製備方法。
近年來，由於環保意識的抬頭和其他能源逐漸的枯竭，使得世界各國開始重視再生能源的利用。由於太陽光是取之不盡，用之不竭的天然能源，除了沒有能源耗盡的問題之外，也可以避免能源被壟斷的問題。
然而，目前太陽能電池的光電轉換效率以及其製造成本，還未滿足取代目前石化能源的條件，因此，如何增加太陽能源的收集與利用，以降低對石化能源的依賴，是目前最熱門的研究課題之一。
請參考圖1A~1G，為習知的太陽能電池製程的剖面示意圖。首先提供一半導體基材1，經過清洗後，將晶圓表面的雜質及污染物去除，如圖1A。接著，以酸液將基材1表面蝕刻成粗糙面，降低入射光之反射率，使入射光能得以充分利用，如圖1B。
接著請參照圖1C，一P型半導體基材1，在一含氧氣氛導入含N型導電性雜質的氣體，例如P2 O5 、PH3 或PF3 之退火爐管進行雜質擴散製程，以形成一摻雜層10於P型半導體基材1上，產生光電轉換效應所需的P-N介面。與此同時，在N型區域10表層也會同時形成一磷的氧化層16(P2 O5 )，因此，在下一步驟中，需再以蝕刻移除。否則以後續製程形成電極後，會增增加電極與摻雜層10的串聯電阻，如圖1D所示。
接著，請參照圖1E，為了提高光的轉換效率，一層抗反射層13被形成於摻雜層10上，緊接著在圖1F中顯示利用一刮棒16以網印方式將金屬漿料14印製於預定位置。最後，以燒結方式，使金屬漿料14穿透正面抗反射層13並滲入半導體基材1表層的摻雜層10緊密結合，以形成電極來使電流導出，如圖1G所示。
一般說來，太陽能電池電極14下方的摻雜層10內導電性雜質摻雜濃度愈高，愈能形成良好的歐姆接觸，將電流導出。然而，重摻雜雖然可以降低電極14與摻雜層10的串聯電阻，卻會提高電子和電洞(hole)再復合(recombination)的機率而降低光電轉換效率。
因此，一種稱為選擇性射極(selective emitter)太陽能電池技術就被發展出來，它的原理是只加重在金屬電極下方的摻雜濃度，電極導線外的吸光面則是輕摻雜的以減少電子-電洞對再復合的機會。另一方面，電極導線是細的，以降低電極導線的覆蓋率，但導線分佈是密的以利於導出電流。習知的技術是採用雷射來輔助形成重摻雜區，或是在網印金屬漿料時，添加欲摻雜的雜質，如：磷的化合物於金屬漿料中。使金屬漿料被燒結，穿透抗反射層與半導體基材結合時，同時將磷摻入半導體基材中。
然而，雷射輔助摻雜成本高，且製程時間長；而在網印及燒結形成電極的製程同時做摻雜的動作，其製程參數不易控制，難以兼顧歐姆接觸的效果及摻雜的濃度。
在公開案號為20090309039的美國專利申請案中，揭示了一種製備選擇性射極結構的方式，如圖2A~圖2H所示。請參照圖2C及圖2D，磷擴散製程如前所述，在形成一層輕摻雜層10在半導體基材1表面，並去除氧化層之後，接著，在圖2E中顯示利用一遮罩15上複數個開口，定義出在半導體基材1上預定形成電極的位置，隨後進行離子植佈120，由開口植入以形成重摻雜區12。之後，形成抗反射層13於半導體基材1上，如圖2F；並於重摻雜區12的預定處，以刮棒16網印金屬漿料，如圖2G。最後，圖2H顯示利用燒結處理，使金屬漿料14滲入半導體基材1表層形成電極14。
上述製備選擇性射極太陽能電池的成本較高，離子佈植需單片單片進行所耗費的時間較長。
有鑒於此，本發明之一目的係針對選擇性射極太陽能電池，開發新的製程，使之具有良好的光電轉換效率，又兼具便宜、省時的優點，為當前重要的研發課題之一。
有鑒於上述課題，本發明之目的係提供一種快速升溫退火(RTA)加熱裝置，可針對一待處理之半導體基材上所選定的區域加熱，其特徵在於，快速升溫退火加熱裝置包括：一選區加熱板，選區加熱板上表面具有一熱反射膜層，熱反射膜層定義一選區加熱圖案於其中，當進行快速升溫退火時，選區加熱板置於半導體基材上方，以使選區加熱板圖案開口下裸露的半導體基材被快速升溫加熱。
本發明之另一目的係提供一種形成太陽能電池選擇性射極(selective emitter)結構的方法，包括：提供一摻雜第一型導電性雜質的半導體基材；對摻雜第一型導電性雜質的半導體基材施以粗糙化處理(surface texturing)；在一含氧氣氛導入含第二型導電性雜質的氣體之退火爐管對該半導體基材進行雜質擴散製程，使該半導體基材表層依序形成一第二型導電性雜質輕摻雜層及一第二型導電性雜質氧化層於其上。
接著，施以一快速升溫退火步驟，並提供一選區加熱板，具有一熱反射膜層，定義一選區加熱圖案於其中，選區加熱板置於半導體基材上方，使選區加熱板圖案開口下裸露的半導體基材被快速升溫加熱，以使雜質氧化層內所含的第二型導電性雜質向內擴散，於半導體基材表層部分區域形成一第二型導電性雜質重摻雜區。
之後，利用蝕刻方式將第二型導電性雜質重摻雜區以外的第二型導電性雜質氧化層移除，並形成一抗反射層於半導體基材表面，以增加太陽能電池的光使用效率；最後，網印金屬漿料於第二型導電性雜質重摻雜區，並施以一燒結處理以在該些第二型導電性雜質重摻雜區形成電極。
本發明之又一目的是提供一種以快速升溫退火(RTA)區域選擇重摻雜區(high dose)與輕摻雜區(light dose)的方法。同樣是在摻雜第一導電性雜質半導體基材表層依序形成一第二型導電性雜質輕摻雜層及一第二型導電性雜質氧化層於其上後，利用本發明的快速升溫退火裝置，對半導體基材所選定的區域施以一快速升溫退火步驟，以使雜質氧化層內所含的第二型導電性雜質二次擴散，於半導體基材部分區域表層形成一第二型導電性雜質重摻雜區。
同時，本發明相對於先前製備太陽能電池選擇性射極結構的方法而言，不但方法簡便，成本低廉，並且，縮短了製程所花費的時間。
為使本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文依本發明太陽能電池選擇性射極(selective emitter)結構的製程設備及方法，特舉較佳實施例，並配合所附相關圖式，作詳細說明如下，其中相同的元件將以相同的元件符號加以說明。要說明的是，圖中各區域尺寸比例僅為方便指明相對位置，而非實際計結構之放大。
請參照圖3A至圖3H，顯示本發明所提供形成太陽能電池選擇性射極(selective emitter)結構的方法。請參照圖3A，首先，提供一N型或P型導電性雜質的半導體基材3。本發明實施例中，係提供一P型半導體基材3。半導體基材3經過清洗(wafer cleaning)，以去除附著於晶片表面的微粒及髒污。在太陽能電池的製程中，常使用的溶液是氫氧化鈉(sodium hydroxide；NaOH)或氫氧化鉀(potassium hydroxide；KOH)。
接著，對P型半導體基材3施以粗糙化處理(surface texturing)，如圖3B所示。由於平坦的半導體基材3表面會使部分太陽光反射而無法貢獻發電，為了減少反射光的損失，會使用鹼性或酸性溶液以對半導體基材3表面產生方向性蝕刻(anisotropic etching)。比如，針對表面為(110)方向的矽晶片而言，是利用氫氧化鈉(NaOH)加異丙醇(isopropyl alcohol；IPA)溶液來使其表面產生大小不一的散亂分布金字塔結構粗糙面。
請參照圖3C，在一含氧氣氛導入含N型導電性雜質的氣體，例如P2 O5 、PH3 或PF3 之退火爐管進行雜質擴散製程，以形成一淺摻雜層30於P型半導體基材3上，形成P-N二極體。而在此一製程中，也同時會形成一磷氧化層31(P2 O5 )於P型半導體基材3的表面上。
本發明實施例和習知的製程不同的是，接下來會對P型半導體基材3施以一快速升溫退火(RTA)製程，如圖3D所示。
所提供的快速升溫退火裝置(RTA)的剖面示意圖，可以針對半導體基材3上所選定的區域加熱。快速升溫退火加熱裝置4至少包括一加熱源43及一選區加熱板40，選區加熱板40設置於半導體基材3與加熱源40之間，而選區加熱板40面對於加熱源40的表面具有一熱反射膜層401。
選區加熱板40為一透明基板，在本發明實施例中，選區加熱板40是使用一石英基板。熱反射膜層401定義一選區加熱圖案於其中，並選自輻射係數(Emissivity Coefficient)介於0.01至0.075之間的材料，主要是用來阻擋熱源。本發明實施例中，熱反射膜層401的材料通常為金屬，可選自金、鎘、銀、銅及其任意組合所形成的群組其中之一種，或者是選用這些材料的合金，可以達到較佳的效果，特別是在拋光後，效果更佳。
當半導體基材3進行快速升溫退火時，僅使選區加熱圖案開口下裸露的半導體基材3被快速升溫加熱，使磷氧化層31內所含的磷原子，向內擴散進入半導體基材表層3，於部分區域形成一重摻雜區32，作為在後續製程中即將要形成電極的位置。
以一較佳的實施例而言，選區加熱板30與半導體基材3相距約0.1至數拾mm。當然，被局部加熱擴散的區域將隨距離加大而擴大。換言之，選區加熱板30開口大小並不需要和預定被加熱擴散的區域成1:1的關係。在本發明實施例中，選區加熱板30和半導體基材3相距約0.1至50mm，有較佳的局部加熱效果。
圖3E中，顯示利用蝕刻方式將殘餘在半導體基材3表面的磷氧化層31移除，以減少電子-電洞的再復合(recombination)效應。
接著，為了增加太陽能電池的光使用效率，形成一抗反射層33於半導體基材3表面，如圖3F。抗反射層33的材料可選自二氧化矽(SiO2 )、二氧化鈦(TiO2 )或氮化矽(Si3 N4 )其中之一種，並可採用濺鍍、蒸鍍或電漿輔助化學氣相沉積等方式來製備。
下一步請參照圖3G，利用刮棒36將金屬漿料34對準磷的重摻雜區32的位置，以網印方式印製於半導體基材3表面。最後，施以一燒結處理，使金屬漿料34穿透正面抗反射層43，並滲入半導體基材3表層，與重摻雜區32緊密結合以形成電極34，如圖3H所示。
另外，配合本方法所使用的快速升溫退火加熱裝置4詳細結構的剖面示意圖，可參照圖4A。快速升溫退火加熱裝置4具有一腔體41，除了前述元件之外，更包括一溫控器42、一溫度感測器44、一載台45及一冷卻裝置46。
腔體41內壁鍍著一熱反射膜層，以使加熱源43所提供的熱能皆能集中至欲加熱的半導體基材3，使之能夠快速升溫。
溫控器32是用來設定加熱的參數及加熱程式，比如：加熱源43所使用的功率、電流、將半導體基材3加熱至某一溫度範圍所需時間、持溫的時間及降溫所需時間等。而半導體基材3的溫度則藉由溫度感測器44來監控。
冷卻裝置46設置於載台45內部。當加熱源43對半導體基材3加熱以進行重摻雜區32的製程時，冷卻裝置46可以控制半導體基材3的溫度曲線(thermal profile)，使雜質的擴散深度(diffusion depth)及擴散電阻(resistance)達到最佳化。
其中，加熱源43、溫度感測器44及冷卻裝置46皆電性連接於溫控器42。溫度感測器44偵測半導體基材3的溫度後，回饋於溫控器41，以精確控制半導體基材3的溫度。
載台45用來承載半導體基材3，前述的選區加熱板40即設置於載台45及加熱源43中間。值得注意的是，快速升溫退火加熱裝置3也可以同時針對複數片半導體基材3做選區加熱。只要改變載台45的尺寸，使之能夠承載多片基材，並於熱反射膜層401定義多個重複的選區加熱圖案，一一對準不同的半導體基材，就可以讓多個半導體基材3同步進行選區加熱。
圖4B為本發明實施例選區加熱板40的俯視示意圖。熱反射膜層401的選區加熱圖案是依據太陽能電池的匯流排(bus bar)及柵線(grid line)的位置來設計，所以在本發明實施例中，橫向開口4010即代表在後續製程中將要形成匯流排的位置，縱向開口4012代表將要形成柵線的位置。當然匯流排及柵線的位置會依據美觀需求做不同的調整，所以，選區加熱圖案也可以因應匯流排及柵線的位置做不同的變化，並不限於本實施例中所採用的圖案。
本發明的快速升溫退火裝置，在本實施例中雖然是用在製備選擇性射極的太陽能電池，但是其應用並不僅限於此，實質上也可以應用在其他製程。比如，可以利用本發明之快速加熱退火裝置，於半導體表層區域選擇重摻雜區與輕摻雜區。
其作法同樣是在半導體基材表層先形成一輕摻雜層及一雜質氧化層後，再對半導體基材所選定的區域做快速升溫加熱，以形成一重摻雜區。最後，再利用蝕刻方式將雜質氧化層移除。
綜上所述，本發明所提供的形成太陽能電池選擇性射極(selective emitter)結構的方法及快速升溫退火裝置，相較於習知技術而言具有下列優點：
(1)方法簡便，成本低廉。本發明中只要在快速升溫退火裝置中，增設一選區加熱板，就可以只加熱預設的位置。應用在形成太陽能電池選擇性射極(selective emitter)結構時，本發明相較於採用離子佈值的習知技術而言，不但製程方法簡單，且成本更低。
(2)快速升溫退火裝置可使多片半導體基材同步進行選區加熱製程，有利於大量生產。
(3)由於熱反射膜層的圖案會對應到半導體表面將要形成電極的位置。所以，當半導體表面的電極為了使建築物美觀，而做出不同的花紋設計時，熱反射膜層的圖案在製備時也需配合作變更。但本發明中的選區加熱板及熱反射膜層圖案製備十分容易，所以即使要因應半導體表面電極的分布做變更時，不需要耗費太多成本，即可達到上述需求。
本發明雖以較佳實例闡明如上，然其並非用以限定本發明精神與發明實體僅止於上述實施例。凡熟悉此項技術者，當可輕易了解並利用其它元件或方式來產生相同的功效。是以，在不脫離本發明之精神與範疇內所作之修改，均應包含在下述之申請專利範圍內。
1、3．．．半導體基材
10、30．．．輕摻雜層
11、31．．．雜質氧化層
12、32．．．重摻雜區
13、33．．．抗反射層
14、34．．．金屬
15．．．遮罩
16、36．．．刮棒
4．．．升溫退火加熱裝置
40．．．選區加熱板
401．．．熱反射膜層
41．．．腔體
42．．．溫控器
圖1A至1G顯示習知的太陽能電池製程的示意圖；
圖2A至2H顯示習知的選擇性射極太陽能電池製程的示意圖；
圖3A至3H顯示本發明之選擇性射極太陽能電池製程的示意圖；
圖4A本發明實施例之快速升溫退火裝置之剖面示意圖；及
圖4B本發明實施例之選區加熱板之俯視圖。
3．．．半導體基材
4．．．升溫退火加熱裝置
40．．．選區加熱板
401．．．熱反射膜層
41．．．腔體
42．．．溫控器
43．．．加熱源
44．．．溫度感測器
45．．．載台
46．．．冷卻裝置

Claims (9)

  1. 一種快速升溫退火(RTA)加熱裝置，可針對一待處理之半導體基材上所選定的區域加熱，其特徵在於，該快速升溫退火加熱裝置包括：一選區加熱板，該選區加熱板表面具有一第一熱反射膜層，該第一熱反射膜層定義一選區加熱圖案於其中，當進行快速升溫退火時，該選區加熱板置於該半導體基材上方，以使該選區加熱板圖案開口下裸露的該半導體基材被快速升溫加熱。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的快速升溫退火加熱裝置，其中該快速升溫退火加熱裝置更包括一溫控器、一加熱源、一溫度感測器及一冷卻裝置，該加熱源、該溫度感測器及該冷卻裝置電性連接於該溫控器，該溫度感測器偵測該半導體基材的溫度後，回饋於該溫控器，該溫控器藉由對該加熱源及該冷卻裝置的控制，以精確控制該半導體基材的溫度曲線(thermal profile)。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的快速升溫退火加熱裝置，其中，該快速升溫退火加熱裝置具有一腔體，內壁鍍著一第二熱反射膜層，並且，該選區加熱板為一透明基板，該第一及第二熱反射膜層選自輻射率(emissivity)介於0.01至0.075之間的材料。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的快速升溫退火加熱裝置，其中該選區加熱板為一石英(SiO2 )基板，該第一熱反射膜層形成於該石英基板表面，且該熱反射膜層的材料選自金、鎘、銀、銅及其任意組合所形成的群組其中之一種，該熱反射膜層表面並經過拋光處理，以達到較佳的效果。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的快速升溫退火加熱裝置，其中，該快速升溫退火加熱裝置更包括可承載複數片半導體基材的一載台，以同時針對該些半導體基材進行選區加熱，該選區加熱板與該基材相距約0.1至50mm，依據該選區加熱圖案開口下方所預定的加熱範圍來調整。
  6. 一種形成太陽能電池選擇性射極(selective emitter)結構的方法，該方法包括：提供一摻雜第一型導電性雜質的半導體基材；對該摻雜第一型導電性雜質的半導體基材施以粗糙化處理(surface texturing)；在一含氧氣氛導入含第二型導電性雜質的氣體之退火爐管對該半導體基材進行雜質擴散製程，使該半導體基材表層依序形成一第二型導電性雜質輕摻雜層及一第二型導電性雜質氧化層於其上；施以一快速升溫退火步驟，並提供一選區加熱板，具有一熱反射膜層，定義一選區加熱圖案於其中，該選區加熱板置於該半導體基材上方，使該選區加熱板圖案開口下裸露的該半導體基材被快速升溫加熱，以使該雜質氧化層內所含的第二型導電性雜質向內擴散，於該半導體基材表層部分區域形成一第二型導電性雜質重摻雜區；利用蝕刻方式將該第二型導電性雜質氧化層移除；形成一抗反射層於該半導體基材表面，以增加該太陽能電池的光使用效率；及網印金屬漿料於該第二型導電性雜質重摻雜區，並施以一燒結處理，以使該金屬漿料在該些第二型導電性雜質重摻雜區形成電極。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的方法，其中該選區加熱板與該半導體基材相距約0.1至50mm，依據該選區加熱圖案開口下方所預定的加熱範圍來調整。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的方法，其中該選區加熱板為一透明基板，該熱反射膜層選自輻射率(emissivity)介於0.01至0.075之間的材料。
  9. 一種以快速升溫退火(RTP)區域選擇重摻雜區與輕摻雜區的方法，該方法包括：提供一摻雜第一型導電性雜質的半導體基材；在一含氧氣氛導入含第二型導電性雜質的氣體之退火爐管對該半導體基材進行雜質擴散製程，使該半導體基材表層依序形成一第二型導電性雜質輕摻雜層及一第二型導電性雜質氧化層於其上；施以一快速升溫退火步驟，並提供一選區加熱板，具有一熱反射膜層，定義一選區加熱圖案於其中，該選區加熱板置於該半導體基材上方，使該選區加熱板圖案開口下裸露的該半導體基材被快速升溫加熱，以使該雜質氧化層內所含的第二型導電性雜質向內擴散，於該半導體基材表層部分區域形成一第二型導電性雜質重摻雜區；及利用蝕刻方式將該第二型導電性雜質氧化層移除。
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