TWI523088B - 用於單側粗糙化之方法 - Google Patents
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Description
本發明是關於一種用於諸如結晶矽基板的結晶的半導體基板的單側粗糙化之方法。
用於光伏打產業中的表面粗糙化之方法是經常為耗時且沒有效率。為了得到具有高轉換效率的光伏打電池(photovoltaic cell)，電池的一側(例如：前側或前表面)較佳為經粗糙化而另一側(例如：後側)為經拋光。前側為粗糙化以實質降低光線反射，俾使實質量的入射光線是由光伏打電池所獲取。後側為經拋光，俾使其可作用為鏡以將通過基板的光線(例如：紅外光)反射而不被吸收。在後側所反射的光線可第二次通過基板，因而提高其被吸收且產生電荷載體的機會。
在用於高效率矽光伏打電池的產業製程中，前面的矽表面是概括藉由濕化學蝕刻所粗糙化。舉例來說，諸如KOH/IPA或NaOH/IPA(IPA：異丙醇(isopropyl alcohol))基溶液的鹼基溶液是被用於使單晶矽基板粗糙化。對於多晶矽基板，HF/HNO3混合物是經常被用於粗糙化。
在典型的產業製程中，從切開(as-cut)的矽晶圓開始，首先實行鋸損壞去除(SDR,saw damage removal)步驟，典型為在晶圓的二側去除約10微米的矽層。其次，二側是藉由濕蝕刻所粗糙化，因而在晶圓的二側去除典型為約5微米的矽。隨後，晶圓的後側是經拋光，其使用一側拋光處理，例如：“浮動晶圓”處理，其中僅有晶圓的後側是被浸在蝕刻溶液中。此造成額外去除典型為10微米的矽。此類的處理結果造成在矽晶圓厚度的減少為典型40微米。此意指的是，對於180微米的產業矽晶圓厚度而言，矽損失超過20%。除了矽損失之外，濕處理相當耗時且妨礙對於有成本效益的光伏打電池處理所需要之高產量處理。
矽損失可藉由在鋸損壞去除後且在粗糙化步驟之前而在基板的後側提供遮罩層(例如：介電層)所降低。使用此類方式，矽晶圓厚度的減少可被限制為典型25微米。然而，需要用於提供遮罩層之附加處理步驟。
可被使用於單側粗糙化的另一個方法是電漿粗糙化(乾蝕刻)，其雖然為可經放大以提高產量的單側處理，濕蝕刻步驟仍為需要用於將後側拋光以確保鋸損壞的去除。
本發明的實施例之目的是提出用於使半導體(例如：矽)基板的第一表面粗糙化且將該半導體(例如：矽)基板的第二表面拋光之方法，第二表面是相對於第一表面，其中去除的矽量為受限制，例如：小於先前技術的方法者。
上述目的是由根據本發明的實施例之方法所達成。
在一個觀點中，本發明的實施例提出一種用於結晶的半導體基板的單側粗糙化之方法，該種方法包含：提供基板，例如諸如結晶的半導體基板的半導體基板，其包含關於基板而彼此相對的第一表面與第二表面；在基板的第一表面上提供具有任意圖案的遮罩層；及，在拋光溶液中將該基板蝕刻，藉此在單個濕蝕刻步驟中使基板的第一表面粗糙化且將相對於第一表面的第二表面拋光。舉例來說，例如結晶的半導體基板的基板可為結晶的矽基板。
根據本發明的實施例之方法的優點是在於：其鑒於在單個步驟中實行第二表面的拋光步驟及第一表面的粗糙化步驟而為快速。因此，根據本發明的實施例之方法可例如比先前技術的方法為較不耗時，因此允許較高的產量以及較為有成本效益的光伏打電池處理。
提供半導體基板可包含提供具有未拋光或粗製的第一及/或第二表面之例如半導體基板的基板。舉例來說，基板可為切開的矽晶圓，例如從鑄塊用線將基板鋸開所得到。此具有優點在於，減少或完全不需要基板的預處理。假使將用拋光晶圓為起始，可先實行短暫的先前技術的粗糙化步驟，例如使用如在先前技術的粗糙化處理中所使用的KOH/IPA，俾使初始拋光的表面成為粗糙。先前技術的粗糙化步驟可持續足夠長時間以產生某個表面粗糙度。不需要持續長時間到提供例如對於光伏打電池所需要的良好表面粗糙化。在此先前技術的粗糙化步驟之後，可實行根據本發明的實施例之方法，在實行根據本發明實施例的粗糙化步驟之前為無需於基板後側提供遮罩層的情況下而導致經拋光的後表面與粗糙化的前表面。
在第一表面上提供具有任意圖案的遮罩層(即：具有任意分佈特徵的圖案的遮罩層)可包含在第一表面上提供黏著層且隨後將該黏著層去除，藉此在第一表面上保留該黏著層的任意分佈痕跡。黏著層可例如為有機黏著層。
在特定實施例中，黏著層可為膠帶。此運作方式極為簡單且不太耗時。於是，黏著層可例如為從捲繞(roll-to-roll)薄片所提供。從該基板的第一表面將該黏著層去除可包含在該基板的第一表面之上保留該黏著層的痕跡。此等痕跡可為以任意圖案所留下。在特定實施例中，其中第一表面已經顯示一些粗糙度，任意圖案可與基板的粗糙度相關聯。
替代而言，提供具有任意圖案的遮罩層可包含在第一表面上噴塗遮罩層。根據更多替代實施例，提供具有任意圖案的遮罩層可包含用滾輪來提供遮罩層。此外，可使用熟習此技術人士已知且適用得到期望特徵之用於提供具有任意圖案的遮罩層之任何其他方法。
在基板的第一表面上提供黏著層可包含以室溫在基板的第一表面上提供該黏著層。
在拋光溶液中將該基板蝕刻可例如包含在鹼性溶液中將該基板蝕刻，諸如：NaOH基的拋光溶液或KOH基的拋光溶液，例如：NaOH:H2O或KOH:H2O溶液。NaOH濃度或KOH濃度可在5%與45%之間的範圍中，例如：在10%與40%之間的範圍中，例如：在15%與30%之間的範圍中。在拋光溶液中將該基板蝕刻可在攝氏60度與攝氏95度之間的溫度所實行，例如：在攝氏70度與攝氏90度之間。在拋光溶液中將該基板蝕刻可為以在1分鐘與45分鐘之間的蝕刻時間所實行，例如：在2分鐘與30分鐘之間，例如：在2分鐘與10分鐘之間。
因為在基板後側不存在遮罩層，蝕刻步驟造成經拋光的後側。歸因於在基板前側存在任意的遮罩層，蝕刻步驟造成粗糙化的前側，例如：任意粗糙化的前側。由於蝕刻時間並非為極長，歸因於蝕刻的基板材料去除為受限制，且基板的厚度可能在蝕刻步驟期間減小為小於20%，例如：小於10%。因此，可用較薄的晶圓來開始，導致材料消耗的減少。
在第二個觀點中，本發明提出依照其根據本發明的第一個觀點的實施例之方法所製造的單側粗糙化基板。本發明還提出其包含根據本發明的實施例的單側粗糙化基板之一種光伏打電池。
為了總結本發明及其優於先前技術所達成的優點，本發明的某些目的與優點已在上文描述。誠然，要瞭解的是，不必要所有此類目的或優點可能為根據本發明的任何特定實施例所達成。因此，舉例來說，熟習此技術人士將理解的是，可為以其達成或最佳化如在本文所教示的一個優點或一群優點而無須達成如可能在本文所教示或暗示的其他目的或優點之方式來實施或實現本發明。再者，要瞭解的是，此概要是僅為舉例而非為意圖以限制本發明所主張的範疇。可參考當連同伴隨圖式所閱讀時的以下詳細說明而最佳瞭解本發明：關於組織與操作方法以及其特徵與優點。
本發明的特定與較佳觀點是在伴隨申請專利範圍獨立項與附屬項中陳述。如為適當且不僅是如在申請專利範圍中所明確陳述，申請專利範圍附屬項的特徵可與申請專利範圍獨立項的特徵以及與其他申請專利範圍附屬項的特徵結合。
在以下詳細說明中，陳述諸多的特定細節是為了提供本發明以及其可如何在特定實施例中實行的徹底瞭解。然而，將瞭解的是，本發明的實施例可在沒有此等特定細節的情況下所實行。在其他情況下，眾所週知的方法、程序及技術並未詳細描述以免混淆本發明。儘管本發明將關於特定實施例且參考某些圖式來描述，本發明不受限於此。在本文所納入及描述的圖式是示意性質且非為限制本發明的範疇。
再者，在說明與申請專利範圍中的術語“第一”、“第二”、“第三”、等等是用於區別類似的元件且不一定是用於描述順序，無論是時間、空間、等級或任何其他方式。要瞭解的是，如此使用的術語是在適當情況下為可互換，且在本文所述的本發明的實施例能夠以除了在本文所描述或圖示者外的其他順序來操作。
甚者，在說明與申請專利範圍中的術語“頂部”、“底部”、“在...之上”、“在...之下”、等等是用於描述目的且不一定是用於描述相對位置。要瞭解的是，如此使用的術語是在適當情況下為可互換，且在本文所述的本發明的實施例能夠以除了在本文所描述或圖示者外的其他方位來操作。
要指出的是，在申請專利範圍中使用的術語“包含”不應解讀為限定於其後所列出的措施；不排除其他元件或步驟。因此要解讀為指明如所提到的所述特徵、完整事物、步驟或構件之存在，但是不排除一或多個其他特徵、完整事物、步驟或構件、或其群組之存在或附加。因此，措辭“一種裝置包含機構A與B”的範疇不應受限於僅由構件A與B所組成的裝置。
在本發明的上下文中，光伏打電池的前表面、前側、第一表面或第一側是適用於方位為朝向光源且因此用於接受照明之表面或側。光伏打電池的背表面、背側、後表面、後側、第二表面或第二側是關於形成光伏打電池的基板而相對於前表面之表面或側。在本發明的上下文中，背表面、背側、後表面、後側、第二表面或第二側是適用於反射其通過基板而未被吸收的光線之光伏打電池的表面或側。再者，在本發明的上下文中，光伏打電池基板的前表面、前側、第一表面或第一側是適用於方位為朝向光源之基板的表面或側。光伏打電池基板的背表面、背側、後表面、後側、第二表面或第二側是相對於基板的前表面之表面或側。
本發明的實施例提出用於使基板(例如：諸如矽基板的半導體基板)的第一表面粗糙化且將基板的第二表面拋光之方法，第二表面是相對於第一表面。根據本發明的實施例之方法是基於濕蝕刻方法。根據本發明的實施例之方法的優點是在於，去除的基板材料(例如：諸如矽的半導體材料)量是小於在先前技術用於前側粗糙化與後側粗糙化的基於濕蝕刻方法者。甚者，本發明的方法是比先前技術的方法為較不耗時，因此允許較高的產量以及較為成本有效的光伏打電池處理。
本發明提出用於諸如結晶的矽基板的結晶的半導體基板的單側粗糙化之方法。本發明的方法包含：提供例如結晶的矽基板的結晶的半導體基板；在半導體基板的第一表面提供具有任意圖案的遮罩層；及，在拋光溶液中將基板蝕刻，藉此在單個蝕刻步驟中使基板的第一表面粗糙化且將相對於第一表面的第二表面拋光。提供結晶的半導體基板可包含提供具有未拋光或粗製的第一表面之半導體基板。舉例來說，基板可為切開的矽晶圓。提供具有任意圖案的遮罩層可包含在第一表面上提供黏著層且隨後將該黏著層去除，藉此在第一表面上保留該黏著層的任意分佈痕跡。替代而言，提供具有任意圖案的遮罩層可包含在第一表面上噴塗遮罩層。亦可使用熟習此技術人士所已知之用於提供任意遮罩層的任何其他方法。在拋光溶液中將晶圓蝕刻可例如包含在諸如NaOH基的拋光溶液或KOH基的拋光溶液之鹼性拋光溶液中將晶圓蝕刻。
根據本發明的示範實施例之一種方法是在圖1中示意說明。諸如半導體基板的基板10(例如：矽晶圓10)被提出作為起始材料，基板10具有第一表面12與其關於基板而相對於第一表面12的第二表面14。第一表面12與第二表面14可為粗製、未拋光的表面。舉例來說，可使用半導體(例如：矽)切開的晶圓，例如從半導體(例如：矽)鑄塊用線鋸開所得到。此類切開半導體(例如：矽)晶圓的表面是粗製且受到雜質所污染，例如來自漿料及在切片步驟(線鋸)期間所使用的金屬線之金屬雜質。
在根據本發明的實施例之一種方法的第一個步驟中，於圖1(a)所示，遮罩層是經提供在基板10的第一表面12之上。在特定實施例中，如於圖1所示，遮罩層可為黏著層20，諸如例如：有機黏著層或膠帶，其提供在基板(例如：粗製的矽晶圓10)的第一表面12之上。遮罩層(例如：黏著層20)可為以室溫所提供。使用此類黏著層20(例如：膠帶)的優點在於可快速且低成本提供。舉例來說，黏著層可為從捲繞薄片所提供在晶圓上，晶圓是例如由真空所固定。黏著劑捲可提供充分的壓力以得到晶圓表面的良好覆蓋。
在下一個步驟中，遮罩層是經提供具有任意圖案。在圖1(a)所示的實施例中，遮罩層是黏著層，而於圖1(b)所示的實施例中，黏著層被去除，因此在基板(例如：切開的矽晶圓10)的第一表面12之上保留該黏著層的痕跡21。此等痕跡形成不規則或任意圖案，例如：相關於粗製表面(例如：切開矽表面)的粗糙度。舉例來說，可使用捲繞處理來提供黏著層且在不久後將其去除。
接著，晶圓是在諸如例如鹼性拋光溶液的拋光溶液中蝕刻，例如：包含NaOH或KOH的溶液。舉例來說，可用NaOH:H2O或KOH:H2O溶液，其中NaOH濃度或KOH濃度是在5%與45%之間的範圍中，例如：在10%與40%之間的範圍中，例如：在15%與30%之間的範圍中。蝕刻溫度可例如為在攝氏60度與攝氏95度之間的範圍中，例如：在攝氏70度與攝氏90度之間。蝕刻時間可例如為在1分鐘與45分鐘之間的範圍中，例如：在2分鐘與30分鐘之間的範圍中，例如：在2分鐘與10分鐘之間的範圍中。舉例來說，可使用20重量%的NaOH或KOH在H2O中，其在攝氏80度的溫度且用5分鐘的蝕刻時間。對於熟習此技術人士為已知的其他蝕刻溶液與蝕刻參數可經使用。歸因於圖案化遮罩層的遮罩效應，例如：在基板(例如：矽晶圓10)的第一表面12的剩餘痕跡，此蝕刻步驟造成經粗糙化的前表面，如於圖1(c)所示。歸因於不存在此類圖案化遮罩層，例如：在晶圓10的第二表面14的痕跡，第二表面14是經拋光且鋸損壞可為減少或甚至完全去除。此外，蝕刻步驟可同時還造成隨機遮罩的去除。
相較於先前技術方法，本發明的實施例之方法可歸因於在單個蝕刻步驟中的鋸損壞去除、前表面粗糙化、與後表面拋光之組合而導致處理時間的實質減少為超過50%，例如：超過70%。此外，經去除的基板材料(例如：矽)量可相較於在先前技術方法所去除的基板材料(例如：矽)量而被降低為典型50%。典型而言，在根據本發明的實施例中，約15微米的基板材料(例如：矽)為去除。
在根據本發明的實施例之一種方法中，切開的晶圓的固有粗糙度可被用於在一側上的遮罩材料之分佈。粗糙度允許遮罩效應為局部化。
提議的技術已經應用在20 Cz-Si(156 cm2)晶圓。晶圓已經使用對於高效率的光伏打電池之先進產業處理流程所處理。
Cz晶圓具有1歐姆-公分(Ohm-cm)的電阻性與150微米的起始厚度。12.5 cm×12.5 cm的方形晶圓為經使用(基板面積156 cm2)。切開的晶圓是經加熱到攝氏50度，有機遮罩材料是經提供在晶圓的第一表面上。壓力輥是經應用以確保適當的覆蓋。接著，黏著劑是在室溫所去除。然後，濕蝕刻步驟是在攝氏80度於1:5 NaOH:H2O蝕刻溶液中實行達4.5分鐘。此濕蝕刻步驟去除鋸損壞與污染物，且同時提供晶圓的前側粗糙化與後側拋光。此外，濕蝕刻步驟去除有機遮罩材料的痕跡。
為了比較的理由，可測量對於不同粗糙化的半導體表面的反射率曲線。作為一個實例，對於不同粗糙化的單晶矽表面的測量反射率曲線是在圖2中所描繪。用本發明的實施例的方法所得到在粗糙化表面的反射率(上方曲線‘新的’)是與在其使用技術現況所述的隨機角錐方法(基於在KOH/IPA溶液中蝕刻)所粗糙化的表面的反射率(在圖2中的下方曲線‘RP’)、及在其使用RENA提供的產業方法所粗糙化的表面的反射率(在圖2中的中間曲線‘RENA’)相比較。對於用根據本發明的實施例的方法所粗糙化的矽表面所示的結果是基於20個不同晶圓的測量，各個晶圓上有9個測量點。‘RP’與‘RENA’結果是各自基於在2個晶圓上的測量，每個晶圓有9個測量點。相較於‘RP’與‘RENA’晶圓，對於根據本發明的實施例的方法所粗糙化的晶圓之反射率的較大展開可能是關於晶圓由於提供隨機遮罩的黏著劑之非均勻覆蓋。此等結果顯示的是，用根據本發明的實施例的方法所粗糙化的矽表面之反射率是充分低：在從425 nm到750 nm的波長範圍中為在15%與20%之間。
在實行其用於前側粗糙化與後側拋光之根據本發明的實施例的蝕刻步驟之後，晶圓是經中和，在所述的實例中為在氯化氫溶液中。接著，晶圓是經清洗且射極是經形成在前側上，在所述的實例中為例如藉由使用標準60歐姆/sq POCl3為基的擴散處理。然後，後表面是經鈍化，在所述的實例中為用局部AI-BSF(後表面場)與介電SiO2/SiN堆疊。抗反射塗層(在所述的實例中為例如SiN抗反射塗層)是經提供在前側，例如：藉由PECVD SiN。點陣列圖案的雷射剝蝕是經實行在後側上以提供通過介電堆疊的通孔。鋁是經沉積在後側以形成後側的金屬/半導體接點，且銀膏是經網印在前側上以形成前側的金屬/半導體接點。最後，共同燒製步驟是在帶式爐中實行以確保前側上的歐姆接點以及在介電堆疊的開放區域中的局部BSF。
電池結果是描繪在圖3到6。短路電流密度Jsc(圖3)、開路電壓Voc(圖4)、填充因數FF(圖5)與能量轉換效率Eff(圖6)是對於其使用根據本發明的實施例的方法所粗糙化的電池以及對於其使用先前技術的隨機角錐方法(‘RP’)所粗糙化的電池而顯示。如在圖3所示，使用根據本發明的實施例的方法所粗糙化的光伏打電池的短路電流密度Jsc是等效或稍微較佳於用先前技術方法所粗糙化的電池的短路電流密度Jsc。對於根據本發明的實施例所粗糙化的電池所得到良好的填充因數FF與良好的開路電壓Voc顯示的是，不但得到良好的表面鈍化，而且得到良好的接點。17.5%的平均能量轉換效率Eff是經達成且具有18.4%的最高效率。在圖3到6中，還說明對於二個測試群組(先前技術的裝置與根據本發明的實施例的裝置)之學者的t測試結果。學者的t測試是一種方式來顯示資料組是否為統計上不同。在圖示的結果中，圓圈位在彼此的頂部，意指有95%的機會為：二個資料組之間的差異是可忽略的。因此，根據本發明的實施例的方法與先前技術的方法產生統計上相同的結果。
儘管本發明已經在圖式與前文描述中詳細圖示描述，此類的圖示與描述是視為說明性質或示範性質而非為限制性質。本發明不受限於所揭露的實施例。
由圖式、揭露內容及隨附申請專利範圍的研讀，熟習此技術人士在實行本發明時可瞭解且實現對所揭露的實施例之其他變化。在申請專利範圍中，用詞“包含”不排除其他的元件或步驟，且不定冠詞“一個”不排除複數個。某些措施是在相互不同的申請專利範圍附屬項中所敘述之僅有事實並非表明無法有利使用此等措施的組合。在申請專利範圍中的任何參考符號不應視為限制範疇。
前文詳述本發明的某些實施例。然而，將理解的是，不管前文如何在文字呈現上詳述，可用諸多方式來實行本發明。應指明的是，當描述本發明的某些特點或觀點時的特定術語使用不應被看作暗指該術語是在本文中再下定義為限定於包括該術語所關聯之本發明的特點或觀點的任何特定特徵。
10．．．基板
12．．．第一表面
14．．．第二表面
20．．．黏著層
21．．．黏著痕跡/遮罩層
圖1示意說明根據本發明的實施例之一種方法。
圖2顯示在不同粗糙化方法所得到的粗糙矽表面測量之反射性。
圖3顯示在使用不同粗糙化方法的單側粗糙基板上所製造的光伏打電池之短路電流密度Jsc。
圖4顯示在使用不同粗糙化方法的單側粗糙基板上所製造的光伏打電池之開路電壓Voc。
圖5顯示在使用不同粗糙化方法的單側粗糙基板上所製造的光伏打電池之填充因數FF。
圖6顯示在使用不同粗糙化方法的單側粗糙基板上所製造的光伏打電池之能量轉換效率Eff。
圖式是僅為示意且非限制性。在圖式中，一些元件的尺寸是為了說明而可能經誇大且非依比例所繪製。
申請專利範圍中的任何參考符號不應視為限制範疇。
在不同圖式中，相同參考符號是指相同或類似的元件。
10．．．基板
12．．．第一表面
14．．．第二表面
20．．．黏著層
21．．．遮罩層
Claims (10)
- 一種用於基板的單側粗糙化之方法，該種方法包含：提供切開(as-cut)的基板(10)，其包含關於切開的基板(10)而彼此相對的第一表面(12)與第二表面(14)；在該切開的基板(10)的第一表面(12)之上提供具有任意圖案的遮罩層(21)；並且之後在拋光溶液中將該切開的基板(10)蝕刻；其中在拋光溶液中將該切開的基板(10)蝕刻包含在單個蝕刻步驟中使該切開的基板(10)的第一表面(12)粗糙化且將該切開的基板(10)的第二表面(14)拋光。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中提供切開的基板(10)包含提供具有切開的基板(10)的第一表面(12)及/或第二表面(14)為未拋光且/或粗製的表面之切開的基板(10)。
- 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中在該切開的基板(10)的第一表面(12)之上提供具有任意圖案的遮罩層(21)包含：在該切開的基板(10)的第一表面(12)之上提供黏著層(20)；及從該切開的基板(10)的第一表面(12)將該黏著層(20)去除。
- 如申請專利範圍第3項之方法，其中提供黏著層(20)包含提供膠帶。
- 如申請專利範圍第3項之方法，其中在該切開的基板(10)的第一表面(12)之上提供黏著層(20)包含從捲繞薄片提 供該黏著層(20)。
- 如申請專利範圍第3項之方法，其中從該切開的基板(10)的第一表面(12)將該黏著層(20)去除包含在該切開的基板(10)的第一表面(12)之上保留該黏著層(20)的痕跡。
- 如申請專利範圍第6項之方法，其中從該切開的基板(10)的第一表面(12)將該黏著層(20)去除包含以任意圖案的形式來保留該黏著層的痕跡。
- 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中在該切開的基板(10)的第一表面(12)之上提供具有任意圖案的遮罩層(21)包含在第一表面(12)之上噴塗遮罩層。
- 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中在拋光溶液中將該切開的基板(10)蝕刻包含以在攝氏60度與攝氏95度之間的溫度，例如在攝氏70度與攝氏90度之間。
- 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中在拋光溶液中將該切開的基板(10)蝕刻包含以1分鐘與45分鐘之間的蝕刻時間，例如在2分鐘與30分鐘之間，例如在2分鐘與10分鐘之間。
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