TWI489647B - 製作具有織化表面之半導體層之方法、製作太陽能電池之方法 - Google Patents
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Description
本發明係有關於一種製作薄半導體層之方法，且特別是有關於一種製作具有織化(textured)表面之半導體層之方法。
為了降低太陽能電池之製作成本，目前開始發展薄晶片之技術。目前製作薄晶片的方法是將晶片切得更薄，但是切割過程中容易造成晶片破裂，且若後續要組裝成電池時，組裝過程不能損毀薄晶片亦成為一項挑戰。
美國專利US 7,077,901揭露一種製作單晶矽晶圓(single crystal silicon wafer)之方法，其先在單晶矽基板上製作多孔洞層(porous)，之後將單晶矽基板置於矽溶液中，以形成單晶層於多孔洞層之上。之後，以外力方式破壞多孔洞層，以得到具有單晶層與薄多孔洞層之薄晶片。
美國專利公開號US2010/0323472揭露一種製作薄基板之方法，其先在矽基板上形成金屬層，之後將晶片加熱至約700℃，使金屬產生應力而從矽基板上剝離下來，此金屬層上會具有非常薄的矽層(thin layer of silicon)。
然而，上述方法製作出的薄晶片平整度差，且不易大面積化，亦無法大量生產。此外，目前之製法並無法提供具有織化(textured)表面結構之薄晶片。
因此，業界亟需提出一種製作薄晶片的方法，此方法不但可製作出具有織化表面，且可大面積化與量產。
本發明提供一種製作具有織化(textured)表面之半導體層之方法，包括以下步驟：(a)提供一圖案化基板；(b)形成至少一半導體層於該圖案化基板之上；(c)形成一金屬層於該半導體層之上；以及(d)對該圖案化基板與其上述各層進行一熱處理製程或一低溫處理製程，以將該半導體層轉印到該金屬層之上並移除該圖案化基板，以得到一具有織化(textured)表面之半導體層。
本發明提供一種製作太陽能電池之方法，包括以下步驟：(a-2)提供一圖案化基板；(b-2)形成至少一矽層於該圖案化基板之上；(c-2)形成一金屬層於該矽層之上；(d-2)對圖案化基板與其上述各層進行一熱處理製程或一低溫處理製程，以將該矽層轉印到該金屬層之上並移除該圖案化基板，以得到一具有織化(textured)表面之矽層；(e-2)形成一抗反射層於該具有織化表面之矽層之上以及(f-2)形成一電極層於該抗反射層之上。
20‧‧‧太陽能電池
102‧‧‧基板
104‧‧‧半導體層
104a‧‧‧具有織化表面之半導體層
106‧‧‧金屬層
202‧‧‧基板
204‧‧‧第一矽層
204a‧‧‧具有織化表面之第一矽層
206‧‧‧第二矽層
208‧‧‧金屬層
210‧‧‧抗反射層
212‧‧‧電極層
第1A~1E圖為一系列剖面圖，用以說明本發明之製作半導體層具有織化(textured)表面之流程。
第2A-2G圖為一系列剖面圖，用以說明本發明之製作太陽能電
池之流程。
第3圖為一掃描式電子顯微鏡圖，用以說明本發明圖案化基板之表面結構。
第4圖為一掃描式電子顯微鏡圖，用以說明本發明半導體層之織化表面結構。
請參見第1A-1F圖，本發明提供一種製作具有織化(textured)表面之半導體層之方法，包括以下步驟(a)-(d)。
首先，請參見第1A圖，於步驟(a)中，提供圖案化基板102，基板102包括藍寶石、石英、碳化矽(SiC)、矽晶(Si wafer)、單晶矽或氧化物晶體。圖案化基板之表面可具有規則或不規則之圖案，例如金字塔型、倒金字塔型、孔洞型等。
於一較佳實施例中，可使用藍寶石作為基板102，並利用微影製程進行圖案化步驟，以得到圖案化之藍寶石基板。
須注意的是，本發明所提供之基板102具有優異之耐熱性，因此可避免高溫下污染到後續要形成之半導體層，且基板102剝除後可重複使用。除上述基板之外，其他可耐熱之基板亦在本發明所保護之範圍內。
請參見第1B圖，進行步驟(b)，形成至少一半導體層104於圖案化基板102之上，半導體層包括矽、鍺(Ge)、矽鍺(SiGe)、氮化鎵(GaN)、砷化鎵(GaAs)、磷化鎵(GaP)、氮化銦(InN)、磷化銦(InP)、砷化銦(InAs)或上述之組合，其中矽包括多晶矽(multi-crystalline silicon)、單晶矽(single crystalline silicon)或微晶矽(micro-crystalline silicon)。
須注意的是，半導體層104可為單層或多層，本領
域人士可依實際應用之需求進行調整。
形成半導體層104之方法包括化學氣相沉積法(CVD)、物理氣相沉積法(PVD)或分子束磊晶(Molecular beam epitaxy,MBE)。
此外，於進行步驟(c)之前，尚包括：對半導體層104進行摻雜步驟(doping)。
於一實施例中，可藉由摻雜P型摻雜質(dopant)於矽中，以得到P-型矽，P型例如摻雜硼(B)、鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In)等。
於另一實施例中，可藉由摻雜N型摻雜質(dopant)於矽中，以得到N-型矽，N型例如由摻雜磷(P)、砷(As)、銻(Sb)等。
請參見第1C圖，進行步驟(c)，形成金屬層106於半導體層104之上，其中金屬層106包括銅、鋁、銀或上述之合金。
形成金屬層106之方法包括塗佈(coating)、印刷(printing)、電鍍(electroplating)或物理氣相沉積(PVD)。
請參見第1D圖，進行步驟(d)，對圖案化基板102與其上述各層進行熱處理製程或低溫處理製程，以將半導體層104轉印到金屬層106之上並移除圖案化基板102，以得到具有織化(textured)表面之半導體層104a。
於一實施例中，熱處理製程之溫度為約200~1000℃，於另一實施例中為約250~550℃。熱處理製程之時間為約10~60分鐘，於又一實施例中為約15~30分鐘。
於一實施例中，低溫處理製程之溫度為約-250~-20℃，於另一實施例中為約-200~-150℃。於一實施例中，低溫處理製程之時間為約1~10分鐘，於又一實施例中為約1~3分鐘。
請參見第1E圖，於金屬層106之上為具有織化表面之薄半導體層104a，此具有織化表面之半導體層104a之厚度為約1-150μm。
須注意的，進行熱處理製程步驟可使金屬層106與半導體層104緊密結合，並藉由金屬層106與基板102之間熱膨脹係數的不同，使金屬層106產生形變應力而將半導體層104轉印下來，而得到薄的、具有織化(textured)表面之半導體層104a。
另外，請參見第2A-2G圖，本發明另提供一種製作太陽能電池之方法，包括以下步驟(a-2)-(f-2)。
首先，請參見第2A圖，進行步驟(a-2)，提供圖案化基板202，基板202之材料同上所述，在此不再贅述。
請參見第2B圖，進行步驟(b-2)，形成至少一第一矽層204於圖案化基板102之上。第一矽層204包括多晶矽(multi-crystalline silicon)、單晶矽(single crystalline silicon)或微晶矽(micro-crystalline silicon)。
此外，於步驟(b-2)中，更包含形成至少一層矽鍺合金於第一矽層204上。
於一實施例中，可僅形成單一層第一矽層204，第一矽層204可為摻雜矽層，如P型或N型矽層，其中P型由摻雜硼(B)、鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In)等雜質而得，N型由摻雜磷(P)、砷(As)、銻(Sb)等雜質(dopant)而得。
請參見第2C圖(可視需要而進行)，於另一實施例中，可形成兩層矽層，亦即先形成第一矽層204，再形成與上述第一矽層204具有不同導電類型之第二矽層206，例如先形成P型第一矽層204時，接著可形成N型第二矽層206。
須注意的是，本發明第2B-2C圖雖顯示形成兩層矽
層，但本領域人士亦可依據實際應用之需求，形成多層矽層。
請參見第2D圖，進行步驟(c-2)，形成金屬層208於第一矽層204與第二矽層206之上(若未進行第2C圖時，金屬層208僅形成於第一矽層204之上)，形成金屬層208之方法與金屬層208之種類同上所述，在此不再贅述。
請參見第2E圖，進行步驟(d-2)，對圖案化基板202與其上述各層進行熱處理製程或低溫處理製程，以將第一矽層204連同第二矽層206同時轉印到金屬層208之上並移除圖案化基板202，以得到具有織化(textured)表面之第一矽層204a與第二矽層206。
於一實施例中，熱處理製程之溫度為約200~1000℃，於另一實施例中為約250~550℃。於一實施例中，熱處理製程之時間為約10~60分鐘，於又一實施例中為約15~30分鐘。
於一實施例中，低溫處理製程之溫度為約-250~-20℃，於另一實施例中為約-200~-150℃。於一實施例中，低溫處理製程之時間為約1~10分鐘，於又一實施例中為約1~3分鐘。
之後，請參見第2F圖，進行步驟(e-2)，形成抗反射層(anti-reflective coating,ARC)210於具有織化表面之矽層204a之上。抗反射層210之材料為一介電材料，例如氮化矽(SiN)、二氧化矽(SiO2
)、二氧化鈦(TiO2
)或五氧化二鉭(Ta2
O5
)。形成抗反射層210之方法，例如電漿增強型化學氣相沉積法(plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD)、低壓化學氣相沉積法(low pressure chemical vapor deposition,LPCVD)、噴塗法(ink jet printing)或塗佈法(coating method)。
請參見第2G圖，進行步驟(f-2)，形成電極層212於抗反射層210之上。電極層212包括鋁、銀或上述之合金，於此，
可製得超薄之太陽能電池20。形成電極層212之方法包括塗佈(coating)、印刷(printing)、電鍍(electroplating)或物理氣相沉積(PVD)。
綜上所述，本發明所提供之製作具有織化(textured)表面之半導體層之方法，具有下述優點：
(A)可直接得到薄的且具有織化(textured)表面之半導體層，不需要額外的圖案化步驟。
(B)直接形成半導體層於圖案化基板之上，不需要習知晶體成長步驟，因此，可大幅降低製程成本。
(C)基板可重複使用，且本發明之製法適用於大面積量產。
本發明所提供之製作具有織化表面之半導體層之方法除了可應用於太陽能電池外，亦可應用於其他半導體製程中。
首先提供圖案化藍寶石基板，第3圖為一掃描式電子顯微鏡圖，此圖顯示藍寶石基板上具有規則圖案。
之後，利用電漿輔助化學氣相沉積法(Plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD)，通入矽甲烷(silane,SiH4
)作為反應氣體，於鍍膜溫度為約200℃，鍍膜壓力為約0.5 torr，鍍膜功率為約200W的條件下，形成厚度為約3 μm之微晶矽於圖案化藍寶石基板之上。
接著，在微晶矽表面塗上導電銀膠(杜邦PV-159)。之後，將圖案化藍寶石基板置於溫度600℃的烘箱中進行熱處理
30分鐘，即可將微晶矽層轉印到導電銀膠上，以得到導電銀膠上具有規則圖案之微晶矽層。第4圖為一掃描式電子顯微鏡圖，用以顯示微晶矽層之織化表面結構。
實施例2
之製法類似於實施例1
，差別僅在於在微晶矽表面塗上導電銀膠(杜邦PV-412)。之後，將圖案化藍寶石基板置於溫度250℃的烘箱中進行熱處理10分鐘，即可將微晶矽層轉印到導電銀膠上，以得到導電銀膠上具有規則圖案之微晶矽層。
實施例3
之製法類似於實施例1
，差別僅在於在微晶矽表面塗上熱固型低溫導電銀膠。等待銀膠自然乾燥，待金屬層與微晶矽層緊密結合之後，將圖案化藍寶石基板置於液態氮中，即可將微晶矽層轉印到導電銀膠上，以得到導電銀膠上具有規則圖案之微晶矽層。
取實施例1
之微晶矽層，利用塗佈法於微晶矽層之上形成氮化矽抗反射層。之後，利用電鍍法形成銀金屬層，以完成薄的太陽能電池，其中導電銀膠可作為後電極(back contact)，而銀金屬層可作為前電極(front contact)。
實施例5
先形成3 μm之微晶矽於藍寶石基板之上(微晶矽之製法同於實施例1
)。
接著再通入甲鍺烷(Germane，GeH4
)反應氣體，於鍍
膜溫度為約250℃，鍍膜壓力為約3 torr，鍍膜功率為約50W的條件下，形成厚度為約150 nm之矽鍺合金(Ge0.1
Si0.9
)於微晶矽之上。
接著，在矽鍺合金表面塗上導電銀膠(杜邦PV-412)。之後，將藍寶石基板置於溫度250℃的烘箱中進行熱處理10分鐘，即可將雙層半導體結構(第一層微晶矽，第二層矽鍺合金)轉印到導電銀膠上。
實施例6
與實施例1
類似，差別在於利用溶液生長法(solution growth)，於溫度950℃，一大氣壓(760 torr)條件下，形成厚度為約100 μm之鍺多晶於藍寶石基板之上。
接著，在鍺多晶表面塗上導電銀膠(杜邦PV-159)。之後，將藍寶石基板置於溫度550℃的烘箱中進行熱處理30分鐘，即可將鍺多晶轉印到導電銀膠上。
實施例7
與實施例1
類似，差別在於改用單晶矽作為基板。
實施例8
與實施例2
類似，差別在於改用單晶矽作為基板。
實施例9
與實施例3
類似，差別在於改用單晶矽作為基板。
104a‧‧‧具有織化表面之半導體層
106‧‧‧金屬層
Claims (21)
- 一種製作具有織化(textured)表面之半導體層之方法，包括以下步驟：(a)提供一圖案化基板；(b)形成至少一半導體層於該圖案化基板之上；(c)形成一金屬層於該半導體層之上；以及(d)對該圖案化基板與其上述各層進行一熱處理製程或一低溫處理製程，並藉由該金屬層與該基板之間熱膨脹係數的不同，利用該金屬層產生形變應力而將該半導體層轉印到該金屬層之上並移除該圖案化基板，以得到一具有織化(textured)表面之半導體層。
- 如申請專利範圍第1項所述之製作具有織化表面之半導體層之方法，其中該基板包括藍寶石、石英、碳化矽(SiC)、矽晶(Si wafer)、單晶矽或氧化物晶體。
- 如申請專利範圍第1項所述之製作具有織化表面之半導體層之方法，其中該半導體層包括矽、鍺(Ge)、矽鍺(SiGe)、氮化鎵(GaN)、砷化鎵(GaAs)、磷化鎵(GaP)、氮化銦(InN)、磷化銦(InP)、砷化銦(InAs)或上述之組合。
- 如申請專利範圍第3項所述之製作具有織化表面之半導體層之方法，其中該矽包括多晶矽(multi-crystalline silicon)、單晶矽(single crystalline silicon)或微晶矽(micro-crystalline silicon)。
- 如申請專利範圍第1項所述之製作具有織化表面之半導體層之方法，其中於步驟(b)中，形成該半導體層之方法包括化學氣相沉積法(CVD)、物理氣相沉積法(PVD)或分子束磊晶(Molecular beam epitaxy,MBE)。
- 如申請專利範圍第1項所述之製作具有織化表面之半導體層之方法，其中於步驟(c)形成該金屬層之前，尚包括：對該半導體層進行一摻雜步驟(doping)。
- 如申請專利範圍第1項所述之製作具有織化表面之半導體層之方法，其中該金屬層包括金、鋁、銀或上述之合金。
- 如申請專利範圍第1項所述之製作具有織化表面之半導體層之方法，其中於步驟(c)形成該金屬層之方法包括塗佈(coating)、印刷(printing)、電鍍(electroplating)或物理氣相沉積(PVD)。
- 如申請專利範圍第1項所述之製作具有織化表面之半導體層之方法，其中於步驟(d)中，該熱處理製程之溫度為約200~1000℃。
- 如申請專利範圍第1項所述之製作具有織化表面之半導體層之方法，其中於步驟(d)中，該熱處理製程之時間為約10~60分鐘。
- 如申請專利範圍第1項所述之製作具有織化表面之半導體層之方法，其中於步驟(d)中，該低溫處理製程之溫度為約-250℃~-20℃。
- 如申請專利範圍第1項所述之製作具有織化表面之半導體層之方法，其中於步驟(d)中，該低溫處理製程之時間為約1~10分鐘。
- 如申請專利範圍第1項所述之製作具有織化表面之半導體層之方法，其中該具有織化(textured)表面半導體層之厚度為約1-150μm。
- 一種製作太陽能電池之方法，包括以下步驟：(a-2)提供一圖案化基板； (b-2)形成至少一矽層於該圖案化基板之上；(c-2)形成一金屬層於該矽層之上；(d-2)對圖案化基板與其上述各層進行一熱處理製程或一低溫處理製程，並藉由該金屬層與該基板之間熱膨脹係數的不同，利用該金屬層產生形變應力而將該矽層轉印到該金屬層之上並移除該圖案化基板，以得到一具有織化(textured)表面之矽層；(e-2)形成一抗反射層於該具有織化表面之矽層之上；以及(f-2)形成一電極層於該抗反射層之上。
- 如申請專利範圍第14項所述之製作太陽能電池之方法，其中於步驟(b-2)中，形成至少一矽層於該圖案化基板之上包括：形成一P型矽層於該圖案化基板之上；以及形成一N型矽層於該P型矽層之上。
- 如申請專利範圍第14項所述之製作太陽能電池之方法，其中該矽層包括多晶矽(multi-crystalline silicon)、單晶矽(single crystalline silicon)或微晶矽(micro-crystalline silicon)。
- 如申請專利範圍第14項所述之製作太陽能電池之方法，其中於步驟(d-2)中，該熱處理製程之溫度為約200~1000℃。
- 如申請專利範圍第14項所述之製作太陽能電池之方法，其中於步驟(d-2)中，該熱處理製程之時間為約10~60分鐘。
- 如申請專利範圍第14項所述之製作太陽能電池之方法，其中於步驟(d-2)中，該低溫處理製程之溫度為約-250℃~-20℃。
- 如申請專利範圍第14項所述之製作太陽能電池之方法，其中於步驟(d-2)中，該低溫處理製程之時間為約1~10分鐘。
- 如申請專利範圍第14項所述之製作太陽能電池之方法，其中於步驟(b-2)中，更包含形成至少一層矽鍺合金在該矽層上。
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