TWI570792B - 具有以經摻雜矽墨水形成之經摻雜表面接觸的矽基材及對應的方法 - Google Patents

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Description

具有以經摻雜矽墨水形成之經摻雜表面接觸的矽基材及對應的方法
本發明係關於在矽基材上形成經摻雜表面區域之方法。本發明進一步係關於具有經摻雜矽奈米粒子及/或經摻雜二氧化矽奈米粒子之墨水複合物。另外，本發明係關於在矽奈米粒子或二氧化矽奈米粒子沈積物上使用帽蓋或在液體摻雜劑來源上使用覆蓋層將摻雜劑驅入矽基材中之方法。本發明亦關於具有以矽墨水形成之經摻雜接觸的太陽電池。
本申請案主張2011年1月31日申請之Liu等人之名為「Silicon Substrates With Doped Surface Contacts Formed From Doped Silicon Inks and Corresponding Processes」的美國臨時專利申請案第61/438,064號及2011年5月23日申請之Liu等人之名為「Silicon Substrates With Doped Surface Contacts Formed From Doped Silicon Inks and Corresponding Processes」的美國專利申請案第13/113,287號之優先權，兩者皆以引用的方式併入本文中。
矽係一種用於商業應用之常用半導體材料，且大部分商業電子裝置及太陽電池係基於矽。大部分消費性電子儀器包含矽基電路，且平板顯示器可包含大面積電路來驅動顯示器。可使用若干種基於矽之太陽電池設計，且大部分商業太陽電池係基於矽。功能裝置之形成一般包括摻雜矽以控制電及傳導性質。
光伏打電池為逐漸在全球使用之重要替代能源。一般，光伏打電池經由吸收光在半導體材料中形成電子-電洞對來起作用。相反，光伏打電池中之經摻雜區域提供具有形成用於分別收集電洞及電子之接觸之個別經摻雜區域的接面，此導致可用於驅動光電流之電壓差。該光電流可用於在外電路中進行有用操作。
基於結晶或多晶矽之太陽電池提供特定設計依據。對於具有結晶或多晶矽層之太陽電池，局部經摻雜接觸可用於幫助收集光電流。接著集電器一般與經摻雜接觸電接觸以提供太陽電池與外電路之連接。具有相反摻雜劑類型之經摻雜接觸可置於太陽電池之正面及背面上。在替代性設計中，太陽電池之所有經摻雜矽接觸均置於電池背面上以形成背接觸太陽電池。關於背接觸太陽電池，正面光接收表面可不含集電器。
在第一態樣中，本發明係關於一種摻雜矽基材之方法，其中該方法包含將包含摻雜劑元素之摻雜劑墨水沈積於該矽基材上以形成經摻雜沈積物，在矽基材上之該經摻雜沈積物上形成無機罩蓋層，及加熱矽基材以將摻雜劑原子驅入矽基材中。
在另一態樣中，本發明係關於一種摻雜劑來源組合物，其包含溶劑、玻璃/陶瓷前驅體組合物及選自由經摻雜矽奈米粒子、經摻雜二氧化矽奈米粒子或其組合組成之群的經摻雜粒子之摻合物。該摻雜劑來源組合物可用於將摻雜 劑驅入矽基材中之方法中。詳言之，該方法可包含將摻雜劑來源組合物沈積於該矽基材上以形成經摻雜沈積物，及加熱矽基材以將摻雜劑元素驅入矽基材中。
在另一態樣中，本發明係關於一種摻雜矽基材之方法，其中該方法包含加熱具有經罩蓋之經磷摻雜矽奈米粒子之沈積物的矽基材，以將磷摻雜劑驅入該矽基材中至在至少約0.4微米之平均深度處的摻雜劑濃度係超過基線整體濃度至少約100倍。
在其他態樣中，本發明係關於一種摻雜矽基材之方法，該方法包含加熱具有經摻雜矽奈米粒子沈積物及實質上非接觸覆蓋物之矽基材以將摻雜劑原子驅入該矽基材中。
在其他態樣中，本發明係關於一種摻雜矽基材之方法，其中該方法包含加熱具有經摻雜矽奈米粒子沈積物之矽基材以將摻雜劑原子驅入該矽基材中，及使用快速熱加工來燒結該等經摻雜矽奈米粒子以形成自該矽基材之表面延伸的經摻雜矽之實質上熔融塗層。
此外，本發明係關於一種半導體結構，其包含平均厚度為至少約5微米之矽基材、深度為至少約0.25微米且摻雜劑濃度超過整體濃度至少100倍之經摻雜表面區域及自該矽基材表面延伸之實質上熔融經摻雜矽的塗層。
描述自摻雜劑來源材料(諸如經摻雜矽墨水)提供摻雜劑驅入至矽基材中之改良製程。已發現若限制來自摻雜劑來源之摻雜劑元素逸出至基材周圍之氛圍中以使得摻雜劑元 素之原子可以所需濃度驅入下伏矽基材中，則可有助於所需之摻雜劑驅入。可在摻雜劑來源(例如經摻雜墨水)上使用各種類型之帽蓋，以有效地提供所需程度之摻雜劑驅入。舉例而言，該帽蓋可由置於經摻雜劑塗佈之晶圓上的另一晶圓、置於墨水上之陶瓷塗層及/或在摻雜劑塗層上以有限蒸氣體積封閉該塗層之覆蓋物提供。一般而言，所沈積之矽墨水可在摻雜劑驅入後移除或留在適當位置，且其他摻雜劑來源一般將用適合之蝕刻或其類似方法移除。類似地，來自墨水之矽奈米粒子沈積物可在摻雜劑驅入之前或之後實質上熔融。在一些實施例中，矽奈米粒子或二氧化矽奈米粒子可與玻璃/陶瓷(亦即玻璃及/或陶瓷)前驅體組合物摻合以形成複合墨水組合物以使得殘餘墨水沈積物或其適當部分可在完成摻雜劑驅入後用適合之蝕刻移除。若玻璃/陶瓷前驅體組合物併入墨水調配物中，則可能或可能不使用不同帽蓋，因為所沈積之墨水中的固化之玻璃/陶瓷組合物可有助於摻雜劑驅入。摻雜劑驅入可有效地用於形成用於太陽電池應用之經摻雜接觸。
已開發許多不同太陽電池設計，其一般可併有所需半導體材料以充當光導體。可選擇對適當波長(一般為太陽輻射之可見波長)具有適當光吸收之半導體材料。關於半導體材料，尤其關注矽。非晶形矽具有相對大的可見光吸收，且某些薄膜太陽電池設計已基於非晶形或微晶矽。然而，本文所述之摻雜劑驅入係有關單晶或多晶矽基材，其一般稱為結晶。如本文中所使用，多晶暗指平均微晶尺寸 為至少約100微米，且一般顯著較大。又，結晶矽基材一般平均厚度為至少約5微米。如下文進一步描述，例如結晶矽基材可自單晶鑄錠切割為晶圓，形成為多晶帶或沈積並再結晶為薄矽箔。為降低材料之成本及相關使用，商業趨勢已強勁地趨於使用較薄結晶基材形成太陽電池。
基於結晶矽之太陽電池一般包含沿基材表面具有高度經摻雜接觸之輕微經摻雜整體矽基材。高度經摻雜接觸可提供經由在接面之不同部分中以對應的p型摻雜劑或n型摻雜劑形成二極體接面來收集光電流。詳言之，高度經摻雜接觸在材料中產生電場，分別吸引電子或電洞，當經摻雜接觸適當地連接於外部電路時，電子或電洞在對應的電位下產生電流。如本文所述，經摻雜接觸可使用經摻雜矽奈米粒子墨水或可以液體形式塗覆之其他適合之摻雜劑來源來形成。
已開發用於置放經摻雜接觸之各種設計。舉例而言，一種類型之經摻雜接觸可沿作為光接收表面之正表面置放，且相反極性之經摻雜接觸係沿背表面置放。在其他實施例中，經摻雜接觸沿太陽電池之背表面以一定圖案置放。經摻雜接觸之面積及深度可經選擇以減少電子-電洞重組以及相應地增加所得太陽電池之轉化效率。一般，用於經摻雜接觸之所選合理設計可基於本文所述之墨水加工方法形成。
如上文所述，具有經摻雜矽奈米粒子之矽墨水可提供適合之液體摻雜劑來源。矽墨水為可用於適合之沈積製程中 的矽奈米-粒子分散液。一般而言，可使用一定品質矽奈米粒子墨水之任何適合來源。可形成適合於形成高品質墨水之高度均一及高度經摻雜矽奈米粒子。舉例而言，經摻雜矽奈米粒子可使用雷射熱解或用電漿合成方法形成。使用射頻電漿設備合成矽奈米粒子係描述於Li等人之名為「Concentric Flow-Through Plasma Reactor and Methods Therefore」的公開美國專利申請案2009/0014423A中，該案以引用的方式併入本文中。已開發雷射熱解作為用於形成矽墨水之高度經摻雜矽粒子之所需來源。可合成具有奈米級平均粒度之矽粒子，例如小於100奈米平均粒子直徑。
雷射熱解使用強光束來驅動可經設計成形成具有所需特徵之高度均一矽粒子的反應。合成粒子之流程在反應物噴嘴處起始且在收集系統處結束。摻雜劑含量可使用反應物流中之摻雜劑前驅體來調整。粒度可藉由相應地調整合成條件來調整。為形成高品質墨水，一般需要合成平均初始粒度不大於約50 nm之奈米粒子。可使用雷射熱解形成極均一且純的粒子，其視情況具有所需摻雜劑含量。均一奈米粒子可形成為對應的高品質墨水。粒子可以相對高的濃度充分分散於墨水中，且可控制墨水之性質以適合於所需傳遞製程。
在雷射熱解製程中，為使摻雜劑元素併入產物粒子中，可將摻雜劑元素傳遞至反應物流中作為適合之前驅體組合物，諸如矽烷作為矽前驅體。反應物流可包含蒸氣前驅體 及/或氣溶膠前驅體。可使用雷射熱解形成具有各種所選摻雜劑或摻雜劑組合之經摻雜矽粒子。具體而言，可達成若干原子百分數之摻雜劑含量。達成高摻雜劑含量之能力使得對應的墨水為將摻雜劑轉移至半導體材料中的應用或形成具有此等高摻雜劑含量之裝置尤其所需的。可達成高摻雜劑含量，同時亦控制平均粒度、低雜質含量並同時獲得具有良好均一性之可分散粒子。對於半導體基材之摻雜，所需摻雜劑包括例如B、P、Al、Ga、As、Sb及其組合。一般使用雷射熱解形成多種材料係描述於Bi等人之名為「Nanoparticle Production and Corresponding Structures」的美國專利7,384,680中，該專利以引用的方式併入本文中。高度經摻雜矽奈米粒子之合成進一步描述於同在申請中的Chiruvolu等人之名為「Silicon/Germanium Nanoparticle Inks,Laser Pyrolysis Reactors For the Synthesis of Nanoparticles and Associated Methods」的美國專利申請案13/070,286中，該案以引用的方式併入本文中。
在一些實施例中，包含經摻雜氧化矽(亦即二氧化矽)之墨水可提供摻雜劑來源。因此，可使用可用於經摻雜二氧化矽奈米粒子之印刷墨水的罩蓋層或覆蓋物以提供用於驅入矽基材中之摻雜劑。可使用雷射熱解或其他基於流量之反應性合成方法來產生適合之二氧化矽奈米粒子。使用雷射熱解形成經摻雜二氧化矽墨水及合成經摻雜二氧化矽奈米粒子進一步描述於Hieslmair等人之名為「Silicon/Germanium Oxide Particle Inks,Inkjet Printing,and Processes for Doping Semiconductor Substrates」的公開美國專利申請案2008/0160733中，該案以引用的方式併入本文中。
如本文所述，矽奈米粒子或在一些實施例中為二氧化矽奈米粒子之高品質分散液提供有效沈積奈米粒子之能力以使用其形成所需結構。如下文進一步所述，可使用所選塗佈或印刷技術來沈積經摻雜奈米粒子。印刷技術可為使墨水及若奈米粒子經摻雜則所得經摻雜矽區域有效圖案化尤其所需的。由於控制墨水性質之能力增強，經摻雜奈米粒子可在相對高的解析度下快速印刷，例如使用噴墨印刷、網版印刷或其他所需方法。使用印刷製程，具有不同摻雜劑之經摻雜奈米粒子可沿基材表面選擇性地置於不同位置。類似地，沿基材置放經摻雜奈米粒子可提供如下摻雜劑來源，其可提供可驅入鄰接基材中之摻雜劑。因此，可形成用於太陽電池組分之經摻雜接觸之所需圖案。
關於經摻雜矽墨水，為形成墨水，矽奈米粒子可能或可能不經表面改質。表面改質係指組合物與粒子表面之化學鍵結。雖然矽粒子之表面改質可有助於在一些溶劑中之分散，但不用有機組合物表面改質粒子來加工矽奈米粒子之能力簡化了加工並會導致以矽墨水形成之最終裝置的污染減少。以不經表面改質之矽奈米粒子形成高濃度及良好品質墨水。粒子可在溶劑之間轉移以產生所需墨水調配物。
摻雜劑墨水一般可使用覆蓋基材表面之塗佈方法或沿表面使墨水圖案化之印刷方法沈積。適合之塗佈技術包括例 如旋塗、噴塗、刀緣塗佈、擠壓或其類似技術。對於一些基於結晶或多晶矽之太陽電池應用，需要使矽墨水圖案化以形成局部經摻雜接觸且可應用對應的印刷技術使墨水圖案化。在替代性或其他實施例中，適合之印刷技術包括例如噴墨印刷、網版印刷或其他適合之印刷製程。可基於溶劑選擇、濃度、添加劑及/或其他組合物或加工參數調配墨水以藉由所選沈積方法進行沈積。
如上文所述，矽基材一般為結晶或多晶的。可能需要具有基礎光敏性矽層之輕摻雜以降低串聯電阻。一般而言，可使用任何來源之矽基材。為降低資源之成本及使用，在一些實施例中，可選擇相對薄的矽基材，例如平均厚度不大於約250微米，不過本文所述之摻雜劑驅入製程亦可有效地用於較厚矽基材。適合之基材包括例如自單晶矽鑄錠切割之晶圓。多晶矽可形成為自矽熔體提拉之矽帶。一般而言，該等矽帶由自矽熔體提拉之結構生長。在其他實施例中，可經由反應性沈積於脫離層上來形成矽箔以使得接著可釋放該等矽箔以用於進一步加工。
可經由反應性沈積於脫離層上來形成有或無摻雜劑之基本矽箔。可將矽箔與脫離層分離以併入所需裝置中。詳言之，已開發用於沈積於無機脫離層上之掃描反應性沈積方法。可例如使用光反應性沈積(LRDTM)或用化學氣相沈積(CVD)(例如低氣壓CVD或大氣壓CVD)來沈積矽箔。反應性沈積方法可有效地以相當大的速率沈積無機材料。LRDTM涉及直接經由強光束(諸如雷射束)自噴嘴產生反應 物流，此驅動反應形成沈積於與該流相交之基材上的產物組合物。該光束經導引以避免撞擊基材，且基材一般相對於該流移動以在基材上掃瞄塗層沈積且相對於光束適當定向之具有適當形狀的噴嘴可掃描塗佈組合物以在基材經過噴嘴之單一線性經過中塗佈整個基材。LRDTM反應性沈積於脫離層上一般描述於Bryan之名為「Layer Material and Planar Optical Devices」的美國專利6,788,866(該專利以引用的方式併入本文中)以及Hieslmair等人之名為「Thin Silicon or Germanium Sheets and Photovoltaics Formed From Thin Sheets」的公開美國專利申請案2007/0212510A(該案以引用的方式併入本文中)中。原則上，可形成具有所選尺寸至大尺寸之矽箔。所沈積之矽可經受區域熔融再結晶以改良結晶度並增加微晶尺寸。CVD沈積於多孔脫離層上進一步描述於Hieslmair等人之名為「Reactive Flow Deposition and Synthesis of Inorganic Foils」的公開美國專利申請案2009/0017292中，該案以引用的方式併入本文中。
最終太陽電池結構一般沿矽基材之正表面及背表面另外包含鈍化層(其一般為無機介電材料)以減少可降低電池效率之表面重組。各別集電器與經摻雜接觸電連接以使得電池與外電路連接。集電器之部分一般延伸穿過鈍化層到達特定經摻雜接觸。沿太陽電池之背表面的集電器或複數個集電器可以反射金屬形成以使得集電器反射穿過電池之任何光以使得至少一部分反射光可由半導體吸收。另一方 面，沿正表面之集電器可阻擋光到達半導體材料，因此一般沿太陽電池之正表面的集電器經圖案化以僅阻擋一小部分光。
在一些實施例中，太陽電池之特定表面可具有複數個特定摻雜劑類型之經摻雜接觸以提供電流收集。特定類型之經摻雜接觸可電連接於位於相同極性之經摻雜接觸之間的常見集電器。集電器可例如以元素金屬或其合金形成，且集電器一般延伸穿過鈍化層以接觸特定經摻雜接觸。經摻雜接觸可佈置於表面上以使得直流集電器可連接該等接觸。若整個矽基材表面經加工成具有高度經摻雜表面區域，則集電器仍可在特殊點延伸穿過鈍化層以提供電流收集。
已發現摻雜劑元素以熱方法驅入下伏矽基材中可用來自經摻雜矽墨水之摻雜劑元素實現。來自墨水之至少一部分矽可沿矽基材表面熔融至密化之基本矽材料中。殘餘矽奈米粒子可使用適當技術(諸如蝕刻)自矽基材移除。若使用經摻雜二氧化矽墨水或其他液體摻雜劑來源，則摻雜劑來源之殘餘部分一般在完成摻雜劑驅入後使用適合之蝕刻(諸如緩衝氧化物蝕刻)移除。
一般而言，熱製程可在熔爐中進行。在一些實施例中，摻雜劑驅入可在惰性氛圍下進行，該氛圍實質上不含可氧化矽基材之氧氣。但在一些實施例中，可傳遞一些氧氣來氧化矽奈米粒子以有助於蝕刻以移除殘餘矽奈米粒子。由於奈米粒子之高表面積，與基材表面相比，奈米粒子將經 歷更廣泛的氧化。在一些實施例中，熔爐中之氛圍可流動，其可另外移除蒸氣中之任何摻雜劑原子。當加熱至適當溫度以進行摻雜劑驅入時，發現在經摻雜矽墨水未經罩蓋之情況下未觀察到所需程度之摻雜劑驅入至矽基材中。雖然不希望受理論限制，但有證據表明，帽蓋抑制矽基材附近之摻雜劑蒸氣的損失。實例中所呈現之結果指示所需程度之摻雜劑驅入可用適當帽蓋達成。在其他或替代性實施例中，玻璃/陶瓷前驅體組合物可併入矽奈米粒子墨水中作為固有試劑以形成經摻雜複合墨水組合物，且各別帽蓋可能或可能不用於經摻雜複合墨水組合物。
適合之帽蓋一般限制經摻雜矽墨水或其他摻雜劑來源與周圍氛圍之界面。因此，舉例而言，另一矽晶圓可堆疊於待摻雜之矽晶圓或其他矽基材之墨水表面上。可將額外重量置於罩蓋晶圓上以改良罩蓋功能。因此，不需要不透氣密封來達成所需摻雜劑驅入，只要適當地限制摻雜劑元素滲氣至周圍氛圍中即可。以下實例中所呈現之結果說明此形式之罩蓋可有效地導致所需程度之摻雜劑驅入至下伏矽基材中。罩蓋晶圓自身可能或可能不具有摻雜劑墨水。因為罩蓋矽晶圓自身不必具有摻雜劑墨水，所以可用其他適合之高溫材料的晶圓或平板(諸如石英板)取代罩蓋晶圓且可預期得到類似結果。罩蓋結構可經選擇以避免在進行熱摻雜劑驅入之加熱條件下將污染物引入矽基材中。
實例中之結果亦說明限制摻雜劑墨水上蒸氣體積之覆蓋物可類似地有效限制使摻雜劑驅入穩定之蒸氣相中之摻雜 劑損失。如實例中所示，將內部切割有孔穴之晶圓置於具有摻雜劑墨水之矽晶圓上，且將石英板置於矽晶圓頂部以形成覆蓋物。摻雜劑在孔穴位置處有效地驅入下部矽基材中。該石英板充當覆蓋物以使得產生覆蓋物之有效性。因此，可類似地使用實質上不停置於晶圓表面上之覆蓋物，其中該覆蓋物在晶圓上提供有限的蒸氣體積以使得摻雜劑元素不會顯著離開晶圓表面附近。換言之，覆蓋物可實質上由周圍表面支撐以使得該結構覆蓋經墨水覆蓋之表面。覆蓋物可由經得住用於摻雜劑驅入之溫度的適合材料製成，諸如陶瓷材料。在不希望受理論限制的情況下，截留於覆蓋物中之氛圍顯然可使摻雜劑元素達到一定分壓，此時無其他摻雜劑自墨水損失，且所得條件允許摻雜劑驅入至矽基材中。
在其他實施例中，陶瓷及/或玻璃上覆層可充當罩蓋層。舉例而言，旋塗式玻璃可施用於矽基材上之經摻雜矽墨水上。旋塗式玻璃可經固化以形成穩定的無機覆蓋物。無機覆蓋層可有效地抑制摻雜劑汽化以提供所需程度之摻雜劑驅入至矽基材中。以下實例中展示旋塗式玻璃上覆層之有效性。可使用其他適合之陶瓷或玻璃材料，諸如氧化物、氮化物、碳化物及其組合，其可經選擇以使得污染物不引入矽基材中。可蝕刻上覆層以在摻雜劑驅入後移除上覆層或可使上覆層作為鈍化層留在適當位置。
或者或另外，玻璃/陶瓷前驅體組合物可併入經摻雜矽奈米粒子墨水中。玻璃/陶瓷前驅體組合物(例如旋塗式玻 璃組合物)自身可能或可能不包含摻雜劑元素，其一般可與複合物中之矽奈米粒子中的摻雜劑元素相同。組分之相對量可經選擇以達成所需加工性質。複合物墨水之黏度可部分經由溶劑選擇及濃度來選擇以與所選沈積方法一致。沈積後，複合物墨水可適當地經加熱以使玻璃/陶瓷前驅體組合物固化。由於固化後存在無機玻璃及/或陶瓷組合物，故複合物墨水可在無各別帽蓋情況下展現較好的摻雜劑驅入，但可使用各別帽蓋進一步支持摻雜劑驅入製程。
摻雜劑驅入後，殘餘複合物墨水可使用氧化物蝕刻或其他適合之蝕刻移除。詳言之，固化之玻璃/陶瓷前驅體組合物形成無機材料，諸如氧化矽。在固化之複合物墨水中，來自前驅體組合物之無機玻璃/陶瓷材料形成矽粒子之基質。若無機基質在蝕刻步驟中移除，則任何殘餘奈米粒子(例如矽粒子)一般缺乏內聚力及黏著力以使得奈米粒子將在蝕刻製程期間實質上移除。因此，使用複合物可有助於移除殘餘墨水而不使用例如導引至矽粒子之各別蝕刻。
用經摻雜矽奈米粒子完成摻雜劑驅入後，觀察到一些矽奈米粒子沿矽基材表面聚結為表觀連續矽層，不過摻雜劑驅入溫度一般高於熔融溫度。然而，墨水之經摻雜矽粒子並不完全熔融至連續層中。粒子熔融程度一般視用於摻雜劑驅入之特定條件而定。熔融矽粒子可併入最終結構中。又，一些矽奈米粒子展現燒結，導致在摻雜劑驅入後觀察到較大平均粒度。殘餘矽奈米粒子亦似乎展現所觀察到之 表面氧化以用氧化矽蝕刻步驟移除，即使當經由進行熱處理之烘箱提供實質上無氧流時亦如此。氧化矽材料以及殘餘矽奈米粒子可用適合之蝕刻劑移除。
在一些實施例中，進一步加工結構以燒結至少一些殘餘矽粒子以形成密化之經摻雜矽沈積物。一般而言，奈米粒子矽墨水之燒結可在摻雜劑驅入之前或之後進行。燒結粒子之目的在於經由密化之墨水提供合理的導電性以使得集電器可與來自自矽基材表面延伸之密化之矽奈米粒子的矽材料關聯。若粒子密化為自矽表面延伸之矽島，則可減少或消除用於移除墨水之矽粒子微粒的蝕刻。在一些實施例中，矽粒子之密化可用可針對表面而不加熱穿過基材之加熱燈或其類似物進行。又，相對於結晶或多晶基材，小結晶粒子可具有略微較大光吸收，此進一步有助於使矽粒子密化，同時不會大面積地加熱矽基材。
用各摻雜劑類型(n型及p型)摻雜可依序或同時進行。一般而言，自節能觀點，可能需要使用單一摻雜劑驅入步驟，在此之後矽結構僅將加熱一次。若各類型之摻雜劑位於矽基材之相反表面上，則適當墨水可沈積/印刷於各別表面上且進行覆蓋以用於摻雜劑驅入製程。適當帽蓋可在驅入製程之定向上使特定墨水穩定。若不同類型之摻雜劑係沿矽基材之同一表面，則摻雜劑墨水可以所選圖案進行圖案化。經圖案化之表面可用適當帽蓋覆蓋以有助於摻雜劑驅入。玻璃/陶瓷罩蓋層(諸如玻璃)可有效地減少由摻雜劑驅入製程引起之摻雜元素遷移。
摻雜劑驅入完成且矽墨水經密化及/或蝕刻後，可進行其他加工以完成裝置。若鈍化層尚未沈積，則可沈積鈍化層，且可置放適合之集電器以接觸各別經摻雜接觸。太陽電池可組裝成具有適合之封裝材料及透明正面保護層的模組。本文所述之製程可提供用於引入摻雜劑以形成經摻雜接觸之有效且高效的方法。
太陽電池結構
備受關注之太陽電池包含結晶矽光吸收層。經摻雜接觸延伸至矽基材之表面中以提供光電流之收集且可至少略微延伸至該表面外。經摻雜接觸可沿太陽電池之正表面與背表面或僅沿太陽電池之背表面。本文所述之使用經摻雜矽墨水或其他液體摻雜劑來源形成經摻雜接觸及摻雜劑驅入方法可經調適以用於所需之經摻雜接觸置放。無機介電材料一般沿矽基材之表面置放於經摻雜接觸上作為鈍化層以減少會導致太陽電池操作之效率降低的重組事件。導電集電器經適當置放以使得太陽電池在經摻雜接觸處連接於外電路。集電器之部分一般穿過各別介電層以電連接於經摻雜矽接觸。透明正面保護層一般用於保護正面光接收表面。太陽電池之其餘部分可封裝於聚合物或其類似物中以保護太陽電池免於環境傷害，其中適當地經由導電導線連接於各別相反極性集電器而使電池連接於外電路。
矽結晶光吸收層可以任何合理的來源形成。用於太陽電池之經摻雜接觸可使用本文所述之液體摻雜劑來源經由沈積於矽基材之一個或兩個表面上，隨後進行適當摻雜劑驅 入來形成。可能需要使用薄的矽基材來形成吸收層以減少材料之使用。自成本觀點，亦需要減少材料之使用。
適合之結晶矽基材可包含例如自單晶矽鑄錠、矽帶或矽箔切割之矽晶圓。經摻雜及未經摻雜結晶矽晶圓為市售的，一般直徑為約50 mm至約300 mm。舉例而言，商業晶圓可例如獲自Silicon Valley Microelectronics Incorporated(CA,U.S.A.)。晶圓可經蝕刻以使其厚度減小至所需值，但蝕刻製程不會導致材料節省，因為在蝕刻製程中矽之損失主要浪費結晶矽。
類似地，結晶矽條可藉由提拉一對細絲穿過含有視情況包含摻雜劑之熔融矽的坩鍋來形成。當細絲穿過熔體時，在細絲之間形成矽薄膜且當冷卻時該矽薄膜快速凝固。關於平均微晶尺寸，在生長期間作用於晶體之提拉速率及熱彈性應力可影響矽帶之平均微晶尺寸。此外，細絲幾何形狀可經選擇以降低晶體生長期間之熱彈性應力。已藉由對加工參數之適當選擇來製造包含高達25 mm×25 mm之微晶尺寸的多晶矽帶。關於尺寸，矽帶之厚度可為約60 μm至約1 mm且寬度為約1 cm至約30 cm。矽帶之長度可為高達至少15 m。形成寬度為高達50 mm且厚度為約120 μm至約1 mm之矽帶係描述於Gabor之名為「Wafer/Ribbon Crystal Method and Apparatus」的公開美國專利申請案2009/0025787 A(「'787專利」)中，該案以引用的方式併入本文中。Richardson等人之名為「Reduced Wetting String for Ribbon Crystal」的美國專利7,651,768(該專利以引用 的方式併入本文中)描述在增加潤濕角以促進較大微晶形成之情況下細繩之形成及使用。
結晶矽箔可藉由涉及脫離層之反應性沈積製程來形成。脫離層為具有低機械完整性之層或易選擇性移除之層。因此，上覆層可經由脫離層之破裂或移除而與下伏基材分離。詳言之，脫離層可有效地使用光反應性沈積來形成。光反應性沈積涉及具有適合之前驅體反應物之流中的化學反應，其中該反應由強光束驅動。在操作時，來自強來源之光與反應流相交且驅動其中之反應。接著可將產物粒子沈積於由支撐結構支撐之可脫離層上。相對於對應的完全密化之材料，該脫離層之特徵一般為高孔隙率及相對低的密度。矽箔層可經由在脫離層上使用化學氣相沈積(CVD)或光反應性沈積進行矽沈積來形成。所沈積之矽層可例如使用區域熔融再結晶來再結晶，以增加所得矽箔中之晶體尺寸，其可在分離矽層與脫離層之前進行。分離矽上覆層與脫離層產生矽箔，其可能或可能不始終支撐於一個表面或另一個表面上。可使矽箔較大，且獲得適當微晶尺寸。使用光反應性沈積形成矽箔之方法係論述於Hieslmair等人之名為「Thin Silicon or Germanium Sheets and Photovoltaics Formed From Thin Sheets」的公開美國專利申請案2007/0212510A1中，該案以引用的方式併入本文中。在脫離層上使用CVD形成矽箔係描述於Hieslmair等人之名為「Reactive Flow Deposition and Synthesis of Inorganic Foils」的公開美國專利申請案2009/0017292A1中，該案以 引用的方式併入本文中。
圖1及2中示意性展示具有正面與後面接觸之光伏打電池的一實施例。參看圖1及2，光伏打電池100包含矽基材102、正面圖案化經摻雜接觸104、正面鈍化層106、正面集電器108、正面保護層110、背面經摻雜接觸112、背面鈍化層114、背面集電器116及聚合物封裝材料118。在一些實施例中，該矽基材包含相對低摻雜劑含量之摻雜劑元素，諸如n型摻雜劑，以增加矽基材(亦即核心矽光吸收層)之導電性。一般而言，矽基材可具有平均摻雜劑濃度為約1.0×1014至約1.0×1016個原子/立方厘米(cc)之硼、磷或其他類似摻雜劑。一般技術者應認識到，涵蓋在上述明確範圍內之其他範圍的少量摻雜劑含量且其在本發明內。
正面經摻雜接觸104及背面經摻雜接觸112一般為滲入矽基材中之高度經摻雜區域且可能或可能不包含自該基材延伸之經摻雜矽。正面經摻雜接觸104及背面經摻雜接觸112各可包含所選摻雜劑。正面經摻雜接觸104及背面經摻雜接觸112可沿各別矽基材表面獨立地包含複數個不連接位置。在一些實施例中，正面經摻雜接觸104或背面經摻雜接觸112可基本上在矽基材整個表面上延伸。在一些實施例中，正面經摻雜接觸需要包含n型摻雜劑且背面經摻雜接觸需要包含p型摻雜劑，以使得藉由光吸收所形成之少數載流子或電子遷移至正表面，而帶相反電荷之載流子或電洞遷移至背表面。電子及電洞之遷移導致收集可導向外部電路之有用電流。適合之n型摻雜劑包括例如P、Sb及/ 或As，且適合之p型摻雜劑包括例如B、Al、Ga及/或In。一般，經摻雜接觸中之平均摻雜劑含量可為約1.0×1018至約5×1020，在其他實施例中為2.5×1018至約1.0×1020且在其他實施例中為5.0×1018至約5.0×1019個原子/立方厘米(cc)。一般技術者應認識到，涵蓋在此等明確範圍內之其他範圍的平均摻雜劑含量且其在本發明內。然而，如下文進一步所述，經摻雜接觸中之摻雜劑濃度在深度方面具有分佈，更特定言之，該分佈為經摻雜接觸之特徵。摻雜劑分佈一般可與用於將摻雜劑自墨水驅入基材中之方法有關。
正面鈍化層106可包含無機介電材料。適合形成鈍化層之無機材料包括例如化學計量及非化學計量之氧化矽、氮化矽及氮氧化矽、碳化矽、碳氮化矽、介電金屬氧化物(諸如氧化鋁)、介電金屬氮化物(諸如氮化鋁)、金屬氧氮化物、其組合或其混合物，含或不含氫添加劑或其他透明介電材料。在一些實施例中，鈍化層可包含例如SiNxOy(x4/3且y2)、氧化矽(SiO2)、氮化矽(Si3N4)、富矽氧化物(SiOx，x<2)或富矽氮化物(SiNx，x<4/3)。穿過正面鈍化層106之電洞130提供正面集電器108與正面經摻雜接觸104之間的電接觸。
鈍化層之厚度一般可為約10奈米(nm)至800 nm且在其他實施例中為30 nm至600 nm且在其他實施例中為50 nm至500 nm。一般技術者應認識到，涵蓋在上述明確範圍內之其他範圍的厚度且其在本發明內。鈍化層可保護半導體材料免於環境降解，減少電洞與電子之表面重組，及/或提 供結構設計特點，以及提供正表面抗反射性質。鈍化層一般亦實質上為化學惰性的以使得電池對任何環境污染物之抗性更大。表面可具有一定非平面性以幫助散射光穿過矽以達成對光之較大吸收。
正面集電器108可包含圖案化導電體柵格，其提供光經由導電材料中之間隙透射穿過集電器。正面集電器108包含伸出部分132，其延伸穿過電洞130以在正面集電器108與正面經摻雜接觸104之間形成導電性。正面集電器108可連接正面經摻雜接觸104之複數個各別位置。又，正面集電器108一般可包含一或多個導電突出部134，其經設計成提供與集電器108之電連接。若封裝材料118覆蓋個別電池，則突出部134一般經組態以延伸穿過封裝材料118，且若封裝材料118用於密封模組中之複數個電池，則突出部134可用於連接相鄰電池，例如串聯或並聯中之電池，或連接於外電路。圖1中描繪集電器108之柵格組態，但按需要可使用其他柵格圖案。
正面集電器包含導電材料柵格，諸如元素金屬或金屬合金。一般而言，導電柵格之尺寸經平衡以提供所需程度的與正面經摻雜層之接觸，同時避免不需要量之光阻擋。集電器之導電材料可阻擋光到達半導體材料之材料位置，因為導電材料一般吸收及/或反射可見光。導電柵格之圖案可經選擇用於適宜加工。
正面透明層110可包含透明聚合物薄片、玻璃薄片、其組合或其類似物。適合之聚合物包括例如聚碳酸酯。聚合 物層可層合於基礎電池結構。若正面透明層亦包含玻璃，則可使用諸如矽酮黏著劑或EVA黏著劑(乙烯乙酸伸乙酯聚合物/共聚物)之黏著劑將該玻璃固定於透明聚合物薄片或直接固定於集電器表面。
背面鈍化層114可基本上與正面鈍化層106成鏡像，儘管穿過背面鈍化層114之電洞140可能或可能不具有與穿過正面鈍化層106之電洞130相同的組態及尺寸，但適合於電洞140及電洞130之電洞參數的範圍可相等。背面鈍化層114可包含與正面鈍化層106相等之組合物。類似地，背面鈍化層114可具有在與正面鈍化層106相等範圍內之厚度。
一般可選擇反射可見光之背面集電器116。自背面集電器116反射之光返回穿過矽基材102，其中光可由半導體吸收用於產生其他光電流。背面集電器116可包含導電金屬，諸如鋁，但可使用任何適合之導電材料。背面集電器116可包含導電突出部144或其類似物，其延伸以提供與集電器之電連接。若封裝材料118覆蓋個別電池，則突出部144一般經組態以延伸穿過封裝材料118，且若封裝材料118用於密封模組中之複數個電池，則突出部144可用於連接相鄰電池或連接於外電路。
圖3及4中展示背接觸光伏打電池之一代表性實施例。參看圖3及4，背接觸光伏打電池160包含矽基材162、正面鈍化層164、正面透明保護層166、背面p型摻雜接觸168、背面n型摻雜接觸170、背面鈍化層172、第一背面集電器174、第二背面集電器176及封裝材料178。矽基材162一般 可具有與上文所論述之矽基材102相等的特徵。太陽電池之正表面亦可具有含n型摻雜劑之高度經摻雜層以提供可改良電池效率之正表面區域。正表面區域之有效性進一步描述於如下文章中：Kluska等人，名為「Loss Analysis of High Efficiency Back-Contact Back-Junction Silicon Sola Cells」，23rd European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition,2008年9月1-5日，Valencia,Spain。正面鈍化層164可包含在介電層106及114之情形下上文所論述之適合的無機介電材料及尺寸。然而，在背接觸實施例中，正面鈍化層164一般不具有通向下伏半導體材料之電洞。又，透明正面保護層可類似地包含聚合物、玻璃、其組合或其類似物。如上文對於封裝材料118所論述，封裝材料178可密封個別電池或模組中之適當電互連的複數個電池。
光伏打電池160之背面具有圖案化結構以提供用於電池之相反極的各別位置。此項技術中已知用於形成背接觸之各種圖案及結構，且一般可使用任何合理的背接觸結構。下文在矽墨水之情形下論述用於使背接觸圖案化之製程。
參看圖3及4，經摻雜接觸168、170以使得連接於適當集電器之圖案排列。對於背接觸，需要具有穿過半導體表面之各摻雜劑類型之域的分佈以使得可有效地收集光電流。然而，各摻雜劑類型之域應經圖案化以使得置放與各別摻雜劑類型建立適當界面連接之集電器。因此，存在置放經摻雜域之因素的平衡。背面鈍化層172一般包含電洞180以 提供各別集電器與對應的經摻雜接觸之間的接觸。經摻雜接觸168、170一般延伸至矽基材162之背表面中且皆可延伸至矽基材162中以及自矽基材162之背表面向外延伸。
集電器174、176對應地經圖案化以提供電池相反極性之電極。因此，第一集電器174經由穿過電洞180之伸出部分182與p型摻雜接觸168接觸。類似地，第二集電器176經由對應的電洞180與n型摻雜接觸170接觸。集電器174、176可以適合之導電材料(諸如元素金屬或合金)形成。金屬集電器亦可充當反射器以將穿過半導體材料之光反射至撞擊集電器。因此，為反射更多光，可能需要集電器174、176覆蓋較大部分之表面，只要相反極性之集電器彼此間隔之間距足以避免電池短路即可。
為將電池組裝成模組，一般需要串聯連接複數個電池以增加電壓輸出，儘管另外或作為替代方案亦可包括並聯來增加電流。對於一組串聯之光伏打電池，電壓疊加，且電流輸出限於一系列電池之電流產生的最低值。為增加一組光伏打電池之能量產生，需要電池串聯連接以具有電流產生之類似值。已發現在矽基光伏打電池之矽核心上動態量測半導體性質可用於動態選擇電池尺寸。因此，可基於對半導體性質(諸如少數載流子壽命)之實時量測在特定範圍內選擇特定長度，以使得電池電流產生可更均勻地匹配。可進行光學量測以獲得少數載流子壽命之估計值。用於動態太陽電池設計之光學量測進一步描述於Hieslmair之名為「Dynamic Design of Solar Cell Structures,Photovoltaic Modules and Corresponding Processes」的公開美國專利申請案2008/0202577中，該案以引用的方式併入本文中。
矽墨水及其他液體摻雜劑來源
在一些實施例中，可沈積矽奈米粒子之墨水用於傳遞用於形成經摻雜接觸及其他摻雜半導體結構之摻雜劑。在一些實施例中，可使用其他液體摻雜劑來源，諸如經摻雜二氧化矽墨水，且下文進一步描述此等其他液體摻雜劑來源。矽墨水之調配物可經選擇以提供墨水之適當沈積(例如印刷)，以及所沈積矽奈米粒子之所需加工，以由以墨水形成之沈積物形成所需結構。本文特別關注之矽墨水係以包含分散液體及與視情況存在之添加劑一起分散於該液體中之矽奈米粒子的分散液形成。一般，矽奈米粒子(例如經摻雜矽奈米粒子)一般以粉末形式收集，接著作為形成墨水中之步驟進行分散。關於避免在不進一步混合之情況下在合理的時段(一般至少一小時)內沈降，分散液可為穩定的。接著分散液之性質可經調整以形成適合之墨水，亦即分散液適合於印刷。更特定言之，墨水之性質可經調整用於特定印刷方法。舉例而言，墨水之黏度可經調整用於特定用途，諸如噴墨印刷或網版印刷，且粒子濃度及添加劑提供用於調整黏度及其他性質之一些其他參數。形成具有小次級粒度之穩定分散液的可用性提供形成否則將不可使用的某些墨水之能力。
矽奈米粒子可例如使用雷射熱解來合成，但若可獲得令人滿意的粒子性質，則可使用其他合成方法。可能需要矽 粒子關於粒度及其他性質為均一的。具體而言，可能需要粒子具有均一初始粒度，且加工可顯著地視平均初始粒度而定。在一些實施例中，可能需要初始粒子實質上未熔融。實體粒子係指可能存在之說明任何難熔融的粒子。對粒子之加工可視初始粒度與實體粒度而定。因此，可接受初始粒子之一定程度的熔融以獲得較小平均初始粒度。一般而言，若熔融程度控制在可接受之參數內且初始粒子為均一的並具有所需小平均直徑，則粒子一般可分散至在分散液中產生較小且相對均一的次級粒度。
初始粒度可藉由檢查所合成之矽奈米粒子粉末的透射電子顯微圖(「TEM」)來測定。對於本文所關注之矽墨水，該等墨水可適宜地以平均初始粒子直徑不大於約100 nm、在其他實施例中為約1 nm至約75 nm且在其他實施例中為約2 nm至約50 nm之許多矽奈米粒子形成。一般技術者應認識到，涵蓋在上述明確範圍內之其他範圍的平均初始粒子直徑且其在本發明內。相對於具有窄的粒度分佈峰值及缺乏粒度分佈中之拖尾，初始粒子可具有極高均一性。一般而言，TEM顯微圖亦可用於評估實體粒度。次級粒度係指分散液中之粒度量測值且下文在分散液之情形下論述。
一般而言，需要以所合成之乾粉形成粒子之良好分散液，隨後使用後續加工步驟達成所需墨水性質。較好分散液更穩定及/或具有較小次級粒度，其指示較少聚結。若隨後將粒子轉移至粒子在其中形成良好分散液之另一液體中，則最初粒子無需穩定地分散。較好分散液一般可包含 基於粒子之表面化學性質及粒子間相互作用相對地更能與粒子相容之溶劑。因此，可能需要改良粒子之表面化學性質以形成較好分散液。此外，亦可能需要使用界面活性劑來形成較好分散液。下文論述作為其他組合物之界面活性劑。然而，雖然粒子之表面改質及界面活性劑之使用會導致較好分散液，但所需墨水可不經表面改質且不用界面活性劑而以高粒子濃度及良好傳遞能力來形成。此外，不經表面改質形成所需墨水之能力可適用於形成具有較低污染程度之所需裝置。不管初始分散液之組成，亦可應用剪切、攪拌、音波處理或其他適當混合條件以有助於形成分散液。
如本文中所使用，1小時後，在不持續混合之情況下，穩定分散液無沈降。關於穩定性，在一些實施例中，在一天後且在其他實施例中為一週後，且在其他實施例中為一個月後，在不另外混合之情況下分散液展現無粒子沈降。一般而言，含充分分散之粒子的分散液可以至少高達30重量%無機粒子之濃度形成。一般，對於一些實施例，需要分散液之粒子濃度為至少約0.05重量%，在其他實施例中為至少約0.25重量%，在其他實施例中為約0.5重量%至約25重量%且在其他實施例中為約1重量%至約20重量%。一般技術者應認識到，涵蓋在上述明確範圍內之其他範圍的穩定性時間及濃度且其在本發明內。
關於次級粒度，尺寸係指分散液中之粒度量測值。一般而言，次級粒度可以累積量平均值或如以動態光散射 (DLS)量測之Z平均粒度表示。Z平均粒度係基於與粒度成函數關係之散射強度加權分佈。此分佈之評估在ISO國際標準13321，測定粒度分佈之方法第8部分：光子相關光譜學(Methods for Determination of Particle Size Distribution Part 8：Photon Correlation Spectroscopy)(1996年)中予以規定，該文獻以引用的方式併入本文中。
在一些實施例中，Z平均粒度不大於約1微米，在其他實施例中不大於約250 nm，在其他實施例中不大於約100 nm，在其他實施例中不大於約75 nm且在一些實施例中為約5 nm至約50 nm。關於粒度分佈，在一些實施例中，基本上所有次級粒子之尺寸均不超過Z平均次級粒度之5倍，在其他實施例中不超過Z平均粒度之約4倍且在其他實施例中不超過Z平均粒度之約3倍。此外，在一些實施例中，DLS粒度分佈可具有不超過Z平均粒度之約50%的半高幅寬(full width at half-height)。又，次級粒子可具有使得至少約95%粒子之直徑大於Z平均粒度之約40%且小於Z平均粒度之約250%的尺寸分佈。在其他實施例中，次級粒子可具有使得至少約95%粒子之粒度大於Z平均粒度之約60%且小於Z平均粒度之約200%的粒度分佈。一般技術者應認識到，涵蓋在上述明確範圍內之其他範圍的粒度及分佈且其在本發明內。
此外，具有小次級粒度之良好分散液的形成可經由將粒子之表面化學性質與分散液體之性質匹配來促進。表面本質上表示粒子之下伏固態結構的末端且可包含矽晶格之截 斷。特定粒子之末端影響粒子之表面化學性質。詳言之，若分散液體及粒子表面在化學上相容(例如若粒子在粒子表面上具有極性基團，則有助於用極性溶劑形成分散液)，則更容易分散粒子以形成較小次級粒度，但諸如密度、粒子表面電荷、溶劑分子結構及其類似物之其他參數亦直接影響可分散性。在一些實施例中，液體可經選擇以適於分散液之特定用途，諸如用於印刷製程。粒子之表面性質可相應地為分散液作出調整。
粒子之表面化學性質可在粒子合成及/或以下粒子收集期間受影響。舉例而言，使用矽烷合成之矽一般經部分氫化，亦即矽材料中包括少量氫。一般不清楚此氫或氫之一部分是否以Si-H鍵形式位於表面上。關於合成期間之表面改質，反應物性質、反應條件及副產物可影響在流動反應期間以粉末形式收集之粒子的表面化學性質。在一些實施例中，矽粒子可變得經表面氧化，例如經由曝露於空氣。對於此等實施例，若氫在氧化過程期間為可用的，則表面可具有Si-O-Si結構或Si-O-H基團中之橋接氧原子。
關於粒子收集後之表面改質，所需性質可經由使用化學鍵結於粒子表面之表面改質劑來獲得。粒子之表面化學性質影響所需表面改質劑之選擇。舉例而言，烷氧基矽烷可在矽粒子表面上與氧化矽鍵結形成Si-O-Si鍵以形成可改良表面改質粒子之可分數性及其他表面性質的穩定表面塗層。此外，亦可能需要在使用表面改質劑之前使粒子表面官能化以改良或有助於粒子與表面改質劑之間的鍵結。適 合之表面改質劑及其用途係描述於Hieslmair等人之名為「Silicon/Germanium Particle Inks,Doped Particles,Printing,and Processes for Semiconductor Applications」的公開美國專利申請案2008/0160265中，該案以引用的方式併入本文中。雖然表面改質粒子可經設計成與特定溶劑一起使用，但所需墨水可不經表面改質而以高粒子濃度及良好傳遞能力來形成。不經表面改質形成所需墨水之能力可適用於形成具有較低污染程度之所需裝置。
基於特定沈積方法及矽墨水之用途，可能存在墨水以及對應的用於調配墨水之液體之相當特殊的目標性質。定製用於特定應用或加工步驟之分散性質可包含改變溶劑、使用溶劑摻合物及/或蒸發溶劑。關於改變溶劑，可在有助於加工之第一溶劑中加工粒子且隨後轉移至具有更多所需墨水性質之第二溶劑中。關於溶劑摻合物，低沸點溫度溶劑組分可在印刷後快速地蒸發以在進一步加工及固化之前使所印刷之墨水穩定。較高溫度溶劑組分可用於調整黏度以限制印刷後之展佈。關於溶劑蒸發，分散液之粒子濃度可藉由蒸發溶劑而不使分散液不穩定來增加。改變溶劑、使用溶劑摻合物及蒸發溶劑之方法係論述於Chiruvolu等人之名為「Silicon/Germanium Nanoparticle Inks,Laser Pyrolysis Reactors for the Synthesis of Nanoparticles and Associated Methods」的美國專利申請案13/070,286中，該案以引用的方式併入本文中。
此外，除矽粒子及分散液體或液體摻合物外，分散液可 包括其他組合物以調節分散液之性質以有助於特定應用。舉例而言，可將性質調節劑添加至分散液中以有助於沈積製程。界面活性劑可有效地添加至分散液中以影響分散液之性質。
一般而言，陽離子性、陰離子性、兩性離子性及非離子性界面活性劑可有助於特定應用。在一些應用中，界面活性劑進一步使粒子分散液穩定。對於此等應用，界面活性劑之選擇可受特定分散液體以及粒子表面之性質影響。一般而言，界面活性劑為此項技術所已知。此外，界面活性劑可經選擇以影響分散液沈積後分散液/墨水於基材表面上之潤濕或形成珠粒。在一些應用中，可能需要分散液潤濕表面，而在其他應用中，可能需要分散液於表面上形成珠粒。特定表面上之表面張力受界面活性劑影響。又，界面活性劑之摻合物可有助於組合不同界面活性劑之所需特點，諸如在沈積後改良分散穩定性及獲得所需潤濕性質。在一些實施例中，分散液之界面活性劑濃度可為約0.01重量%至約5重量%，且在其他實施例中為約0.02重量%至約3重量%。
可添加黏度調節劑以改變分散液之黏度。適合之黏度調節劑包括例如可溶性聚合物，諸如聚丙烯酸、聚乙烯吡咯啶酮及聚乙烯醇。其他可能添加劑包括例如pH值調節劑、抗氧化劑、UV吸收劑、殺菌劑及其類似物。此等其他添加劑之含量一般不大於約5重量%。一般技術者應認識到，涵蓋在本文明確範圍內之其他範圍的界面活性劑及添 加劑濃度且其在本發明內。
可能需要在形成最終墨水之前移除分散液之組分。舉例而言，可能需要在特定加工步驟之前或期間自墨水移除有機組分以使得產物材料有效地不含碳。一般而言，可蒸發有機液體以自所沈積之材料將其移除。然而，界面活性劑、表面改質劑及其他性質調節劑無法經由蒸發移除，儘管其可經由在中等溫度下在氧氣氛圍中加熱以燃燒有機材料來移除。
分散液/墨水可使用應用適當混合條件來形成。舉例而言，可使用應用剪切力之混合器/摻合器及/或可使用音波處理混合分散液。此外，可能需要相對於所用之初始濃度增加分散液/墨水之粒子濃度以形成良好分散液，諸如經由蒸發溶劑。類似地，可形成溶劑摻合物。較低沸點溶劑組分可優先經由蒸發移除。溶劑摻合物可尤其適用於形成墨水組合物，因為摻合物可具有影響墨水所需性質之液體。低沸點溫度溶劑組分可在印刷後相對快速地蒸發以在進一步加工及固化之前使所印刷之墨水穩定。較高溫度溶劑組分可用於調整黏度以限制印刷後之展佈。因此，對於許多印刷應用，需要溶劑摻合物。
關於噴墨印刷所需之墨水，黏度尤其有關，儘管其他印刷及塗佈方法可具有所需黏度範圍。分散液/墨水之黏度視矽粒子濃度以及其他添加劑(諸如黏度調節劑)而定。因此，存在提供黏度調整之若干種參數。對於一些實施例，黏度可為0.1 mPa．s至約100 mPa．s且在其他實施例中為約 0.5 mPa．s至約25 mPa．s。對於一些實施例，分散液/墨水之表面張力可為約2.0 N/m2至約6.0 N/m2且在其他實施例中為約2.2 N/m2至約5.0 N/m2且在其他實施例中為約2.5 N/m2至約4.5 N/m2。一般技術者應認識到，涵蓋在上述明確範圍內之其他範圍的黏度及表面張力且其在本發明內。
關於網版印刷所需之墨水，將調配物製備成可經由篩網傳遞之糊劑。該等篩網一般可重複使用。用於糊劑之溶劑系統應經選擇以提供所需印刷性質並與篩網相容以使得篩網不被糊劑損傷。使用溶劑摻合物使得低沸點溫度溶劑快速蒸發，而使用較高沸騰溶劑來控制黏度。高沸點溶劑一般可較緩慢地移除而不會過度模糊印刷影像。移除較高沸點溫度溶劑後，可使所印刷之矽粒子固化，或將其進一步加工成所需裝置。適合之較低沸點溶劑包括例如異丙醇、丙二醇或其組合。適合之較高沸點溶劑包括例如N-甲基吡咯啶酮、二甲基甲醯胺、品醇(諸如α-品醇)、卡必醇(Carbitol)、丁基溶纖劑(butyl Cellosolve)或其組合。網版印刷糊劑可另外包括界面活性劑及/或黏度調節劑。
一般而言，可網版印刷墨水或糊劑極黏且可需要黏度為約10 Pa．s至約300Pa．s，且在其他實施例中為約50 Pa．s至約250 Pa．s。可網版印刷墨水之矽粒子濃度可為約5重量%至約25重量%矽粒子。又，可網版印刷墨水可具有0重量%至約10重量%較低沸點溶劑，在其他實施例中為約0.5重量%至約8重量%且在其他實施例中為約1重量%至約7重量%較低沸點溶劑。用於形成電子組件之可網版印刷糊劑的描 述進一步描述於Huang等人之名為「Low Temperature Curable Dielectric Paste」的美國專利5,801,108中，該專利以引用的方式併入本文中，不過介電糊劑包含不適合本文所述之半導體糊劑/墨水的添加劑。
用於各種沈積方法之經摻雜矽墨水的形成進一步描述於同在申請中的Chiruvolu等人之名為「Silicon/Germanium Nanoparticle Inks,Laser Pyrolysis for the Synthesis of Nanoparticles and Associated Methods」的美國專利申請案13/070,286中，該案以引用的方式併入本文中。
在一些實施例中，可使用包含經摻雜二氧化矽奈米粒子之墨水。均一二氧化矽奈米粒子可例如使用雷射熱解合成。二氧化矽墨水之形成視形成二氧化矽奈米粒子之良好分散液之能力而定。以對應的良好分散液形成經摻雜二氧化矽奈米粒子墨水進一步描述於Hieslmair等人之名為「Silicon/Germanium Oxide Particle Inks,Inkjet Printing,and Processes for Doping Semiconductor Substrates」的公開美國專利申請案2008/0160733中，該案以引用的方式併入本文中。經摻雜二氧化矽墨水可經調適以用於本文所述之沈積及摻雜劑驅入應用。
一般而言，其他含有摻雜劑之液體可用於一些實施例，諸如基於罩蓋層之實施例。舉例而言，可沈積含有磷或硼之液體。詳言之，適合之墨水可包含例如磷酸三辛酯、磷酸之乙二醇及/或丙二醇溶液、或硼酸之乙二醇及/或丙二醇溶液。濃度可經調整以達成所需墨水性質。
與玻璃/陶瓷前驅體形成之複合物
玻璃/陶瓷前驅體(諸如旋塗式玻璃或溶膠-凝膠)可調配至含經摻雜矽墨水或經摻雜二氧化矽墨水之複合物中作為供應所需摻雜劑元素之材料以及形成自罩蓋材料。如本文所述，玻璃/陶瓷前驅體可用作無機罩蓋材料以有助於摻雜劑驅入製程，其可能經由減少摻雜劑元素之汽化來達成。矽墨水或二氧化矽墨水與玻璃/陶瓷前驅體之複合物可用於形成適合經單一沈積步驟支持摻雜劑驅入之沈積物。一般而言，可將玻璃/陶瓷前驅體加熱至適當溫度以驅動前驅體組合物轉變為對應的玻璃或陶瓷材料。該複合物可經由組合前驅體組合物與包含經摻雜矽奈米粒子、經摻雜二氧化矽奈米粒子或其組合之經摻雜墨水組合物來形成。
適合之玻璃/陶瓷前驅體組合物包括例如旋塗式玻璃及溶膠-凝膠組合物。旋塗式玻璃為矽基純無機組合物或有機/無機組合物，其一般經由加熱時之分解反應來反應形成二氧化矽玻璃。旋塗式玻璃可能亦包括或可能不包括摻雜劑。各種經摻雜旋塗式玻璃組合物為市售的。舉例而言，經摻雜旋塗式玻璃係購自Desert Silicon(AZ,USA)。旋塗式玻璃組合物可包含於適合有機溶劑(諸如醚或芳族溶劑)中之聚矽氮烷聚合物，且該聚矽氮烷聚合物可在氧氣氛圍下固化形成氧化矽。用於旋塗式玻璃之聚矽氮烷組合物係描述於Lee等人之名為「Spin-On Glass Compositions and Method of Forming Silicon Oxide Layer Semiconductor Manufacturing Process Using the Same」的美國專利7,270,886中，該專利以引用的方式併入本文中。含聚有機矽氧烷之旋塗式玻璃調配物係描述於Allman之名為「Coating Solution for Forming Glassy Layers」的美國專利5,302,198中，該專利以引用的方式併入本文中。'198 Allman專利描述引入含量為約5重量%至30重量%之硼或磷摻雜劑。
適合之溶膠-凝膠組合物及類似液體前驅體組合物為此項技術所已知。舉例而言，用於形成二氧化矽玻璃材料之溶膠-凝膠組合物係描述於Ganguili等人之名為「Process for Reducing or Eliminating Bubble Defects in Sol-Gel Silica Glass」的公開美國專利申請案2002/0157418中，該案以引用的方式併入本文中。以溶膠-凝膠形成陶瓷氧化鈦材料係描述於Es-Souni之名為「Process for Producing a Sol-Gel Absorber Coating for Solar Heating」的公開美國專利申請案2009/0269487中，該案以引用的方式併入本文中。
可相應地調整經摻雜墨水性質之選擇，以使得最終複合物具有所需性質。類似地，玻璃/陶瓷前驅體性質(諸如溶劑組成及濃度)亦可在與矽墨水組合之前進行調整以達成所需複合物。一般而言，該複合物包含玻璃/陶瓷前驅體固體，亦即允許溶劑移除，該等固體之量為約2.5重量%至約40重量%，在其他實施例中為約5重量%至約37重量%且在其他實施例中為約10重量%至約35重量%。又，複合物 一般包含約0.5重量%至約30重量%矽及/或二氧化矽奈米粒子，在其他實施例中為約1重量%至約25重量%粒子且在其他實施例中為約2重量%至約20重量%矽及/或二氧化矽奈米粒子。如同其他摻雜劑墨水一般，玻璃/陶瓷前驅體-經摻雜粒子複合物可包含適合之性質調節劑。一般而言，可選擇適合於形成充分摻合之複合物調配物的適合溶劑(例如溶劑摻合物)。一般技術者應認識到，涵蓋在上述明確範圍內之其他範圍的複合物組合物且其在本發明內。
為形成複合物，以經摻雜矽及/或二氧化矽奈米粒子形成合理分散液，且玻璃/陶瓷前驅體(前驅體)組合物可逐漸添加至矽粒子分散液中或矽粒子分散液可逐漸添加至前驅體組合物中。前驅體組合物與經摻雜奈米粒子分散液之摻合一般在良好混合條件下進行。希望經由複合物調配形成具有良好的經摻雜奈米粒子分佈之複合物。在一些實施例中，可在使用之前形成複合物且儲存一段合理的時間。在其他或替代性實施例中，複合物可在即將使用之前形成。
摻雜劑墨水之沈積
經摻雜粒子分散液/墨水可使用所選方法進行沈積，諸如塗佈製程或印刷製程。沈積方法可經選擇以達成經摻雜墨水於基材上之所需沈積物。詳言之，塗佈技術可為用分散液/墨水塗佈基材所需的，且印刷技術可為將分散液/墨水以一定圖案沈積於基材上尤其所需的。在沈積後，所沈積之材料可進行進一步加工。舉例而言，可將摻雜劑自所沈積之經摻雜奈米粒子墨水驅入矽基材中。所選之經摻雜 複合物可用此等沈積方法中之至少一些方法來沈積，諸如塗佈方法及/或網版印刷。
適合於塗覆經摻雜奈米粒子墨水之塗佈方法包括例如旋塗、浸塗、噴塗、刀緣塗佈、擠壓或其類似方法。一般而言，可塗覆任何適合之塗層厚度，儘管在備受關注之實施例中，平均塗層厚度可在約10奈米至約10微米之範圍內，在其他實施例中為約50奈米至約5微米且在其他實施例中為約100奈米至約2微米。一般技術者應認識到，涵蓋在上述特定範圍內之其他範圍的厚度且其在本發明內。
類似地，各種印刷技術可用於將經摻雜奈米粒子墨水在基材上印刷成圖案。圖案化一般包含將墨水沈積於基材表面上之特定位置處。可就特定應用來進行圖案之選擇。對於一些應用，圖案可包含墨水於基材表面上之單一連續區域，而對於其他應用，圖案可包含墨水於基材表面上之複數個分離區域以使得各墨水區域不會接觸任何其他墨水區域。對於一些應用，可能需要形成複數個圖案，各圖案包含不同墨水組合物，其可包含不同摻雜劑。圖案化可為使用所沈積之墨水作為摻雜劑來源的應用尤其所需的。在該等應用中，首先使包含經摻雜奈米粒子或其他液體摻雜劑之墨水在基材表面上圖案化。隨後，例如藉由熱加工使至少一些摻雜劑自粒子擴散至基材表面中，由此在基材中產生具有與所沈積之墨水實質上相同圖案的摻雜劑圖案(「經摻雜區域」)。複數個經摻雜區域可藉由重複此程序來產生。在每次重複操作時，包含不同摻雜劑之經摻雜墨 水可在摻雜劑擴散之前在基材表面上圖案化。另外或或者，複數個經摻雜區域可藉由首先在基材表面上形成複數個圖案來產生，各圖案以包含不同摻雜劑之經摻雜矽墨水形成。隨後，摻雜劑可同時自各經摻雜墨水位置擴散至基材中。適合之印刷技術包括例如網版印刷、噴墨印刷、微影印刷、凹板印刷及其類似技術。
雖然各種塗佈及印刷方法為適合的，但噴墨印刷向一些應用提供關於速度、解析度及多用性，關於實時選擇沈積圖案化同時維持速度及解析度之所需特點。使用以無機粒子噴墨印刷之實際沈積需要涉及形成高品質矽及/或二氧化矽奈米粒子之技術以及以此等粒子形成高品質分散液之改良能力的分散性質。因此，使用雷射熱解合併改良之表面改質方法及分散技術所產生之粒子使得形成經得住噴墨沈積之墨水。
類似地，網版印刷可向一些應用提供用於印刷矽及/或二氧化矽墨水之所需特點。詳言之，網版印刷已成為用於特定用途之工具。因此，在生產線中用經摻雜奈米粒子墨水取代其他材料可降低資本費用。又，相對於適合於其他沈積方法之濃度，用於網版印刷之糊劑可具有較大經摻雜奈米粒子濃度。詳言之，本文所述之矽粒子及製程適合於形成用於網版印刷之良好品質糊劑。高度摻雜矽墨水之成功噴墨印刷及網版印刷係描述於同在申請中的Chiruvolu等人之名為「Silicon/Germanium Nanoparticle Inks,Laser Pyrolysis for the Synthesis of Nanoparticles and Associated Methods」的美國專利申請案13/070,286中，該案以引用的方式併入本文中。
一般而言，在沈積後，液體蒸發，留下經摻雜奈米粒子且殘餘墨水之任何其他非揮發性組分。一般而言，可在任何適合之基材上進行沈積，但對於如本文關於形成結晶矽太陽電池所述之摻雜劑驅入的效能，基材包含結晶矽表面。一旦移除溶劑及視情況存在之添加劑，則可接著進一步加工矽粒子以用於摻雜劑驅入。
摻雜劑驅入
已發現成功的摻雜劑驅入能夠藉由適當罩蓋摻雜劑墨水(諸如經摻雜矽墨水)之沈積物來實現。備受關注之摻雜劑驅入涉及作為摻雜劑來源之矽基材及經摻雜矽及/或二氧化矽奈米粒子，其可例如使用經摻雜奈米粒子墨水來沈積。摻雜劑驅入會導致矽基材上之高度摻雜表面區域。於結晶矽表面上之在摻雜劑來源材料沈積物上方的適合帽蓋包括例如置於表面上之平板、接觸一部分表面之覆蓋物、不觸碰表面之覆蓋物或在表面上之無機塗層。該等帽蓋在加熱以進行摻雜劑驅入期間顯著抑制摻雜劑原子之汽化。詳言之，無機帽蓋層可經由罩蓋層所施加之實體限制來降低或消除來自以矽墨水形成之沈積物之摻雜劑元素的損失。摻雜劑元素在摻雜劑驅入位置附近之截留無須基於區域之完全密封，但摻雜劑驅入之驅動力應充分導致所需程度之摻雜劑驅入至矽基材中摻雜劑來源材料沈積物之位置處。摻雜劑驅入可使用加熱步驟進行，且所需程度之摻雜 劑驅入可由經摻雜矽墨水或其他摻雜劑來源材料之沈積物使用適合之帽蓋來達成。
可使用各種帽蓋設計來使摻雜劑驅入穩定，且在以下實例中檢驗帽蓋之適合性。參看圖5，具有摻雜劑來源材料(例如經摻雜矽奈米粒子)沈積物202之基材200沿沈積物202經停置於基材200表面上之平板204罩蓋。如實例中所示，使用平板(具體而言為矽晶圓或具有石英板置於矽晶圓上之矽晶圓)有效地促進摻雜劑驅入。應選擇在摻雜劑驅入溫度下穩定且不含可遷移至矽中成為污染物之元素的平板。下文進一步論述適合之材料。
如圖6中所示，具有摻雜劑來源材料沈積物212之基材210沿沈積物212上之邊緣216經所停置之覆蓋物214罩蓋。覆蓋物214之特定形狀一般不要求相當大，只要覆蓋物214覆蓋沈積物212且覆蓋物214下方之體積218有效地與周圍氛圍隔離並不過大即可。該邊緣在周圍延伸以封閉該體積，不過就獲得所需摻雜劑驅入而言可能不會形成緊密密封且密封一般不顯著，只要形成合理的密封即可。覆蓋物之另一實施例展示於圖7中。基材220停置於支撐表面222上且沿頂面具有摻雜劑來源材料之沈積物224。覆蓋物226具有停置於支撐表面222上且不接觸基材220或沈積物224之邊緣228。覆蓋物226具有不干擾沈積物224及避免重量置於基材220上之潛在優點。如同具有邊緣216之覆蓋物214一般，邊緣228延伸以封閉體積230。覆蓋物226之俯視圖展示於圖8中。
如上文所述，適合於罩蓋板或覆蓋物之材料一般包含在摻雜劑驅入溫度下穩定且實質上不含可能遷移並污染基材之元素的材料。適合之材料包括例如矽、非晶形氧化矽(例如基於二氧化矽之玻璃)、石英、氮化矽、碳化矽、氧化鋁或其他陶瓷材料。平板或覆蓋物可經設計具有適合於商業用途及重複使用之適當機械完整性。覆蓋物或平板可在適當使用之間例如藉由蝕刻進行適當清潔。
圖5-8中之實施例依賴於根據實體置放某一結構以提供經摻雜矽墨水與周圍氛圍之一定隔離所提供之帽蓋。因此，一般不存在帽蓋(例如覆蓋物)與基材或經摻雜沈積物之黏合。在其他或替代性實施例中，塗佈層或罩蓋層可經沈積以罩蓋摻雜劑來源材料(例如經摻雜矽奈米粒子)之經摻雜沈積物。參看圖9，基材240沿其表面具有摻雜劑來源材料之沈積物242及在沈積物242上方提供帽蓋之罩蓋層244。可使用旋塗式玻璃或其他適合之材料形成罩蓋層244。詳言之，其他適合之材料包括例如上文在複合物組合物之情形下所論述之溶膠-凝膠材料及其他玻璃/陶瓷前驅體材料。塗層可提供使圖案化之經摻雜沈積物的個別位置彼此分離以減少摻雜劑自特定沈積物位置遷移之優點。
用於罩蓋層(亦即塗層)之材料可經選擇以使得罩蓋層在摻雜劑驅入溫度下保持完整。舉例而言，可使用旋塗式玻璃作為適合之無機罩蓋材料。雖然罩蓋層可保持於結構中以併入實際裝置中，例如作為介電層，但在一些實施例中，在摻雜劑驅入步驟後，例如使用適合之蝕刻來移除罩 蓋層。
罩蓋層可在整個表面上形成，或罩蓋層之材料可經圖案化，例如基於以一或多種經摻雜墨水形成之沈積物的圖案化。就矽墨水來描述適合之塗佈及圖案化方法，且此等製程可經調適以用於以玻璃/陶瓷前驅體材料形成之罩蓋層，不過對於較大範圍之材料或者可使用光微影方法(諸如半導體領域中所用之已知方法)來沈積罩蓋層及/或使其圖案化。若整個表面經罩蓋層覆蓋，則經摻雜沈積物可完全經罩蓋層覆蓋而不配置經摻雜墨水及罩蓋材料之各別圖案。
一般而言，可使罩蓋層足夠厚以滿足罩蓋功能，不過可能需要使用極少罩蓋材料，同時維持罩蓋功能以減少材料之浪費。罩蓋層之適當厚度一般可視罩蓋層之組成而定。對於所關注之一些無機材料，罩蓋層之厚度可為約100奈米至約50微米，在其他實施例中為約250奈米至約20微米，且在其他實施例中為約500奈米至約10微米。一般技術者應認識到，涵蓋在上述明確範圍內之其他範圍的罩蓋層厚度且其在本發明內。
一般而言，若選擇具有適當高於摻雜劑驅入溫度之熔融溫度的無機陶瓷組合物，則其可適合用作罩蓋材料。然而，基於有效塗覆方法(諸如旋塗、噴塗或其類似方法)之可用性，玻璃/陶瓷前驅體材料(例如旋塗式玻璃或溶膠-凝膠組合物)可為適宜的。上文進一步描述旋塗式玻璃及其他玻璃/陶瓷前驅體材料。因為摻雜劑驅入製程可將摻雜 劑引入罩蓋材料中，所以可能需要移除罩蓋材料而非維持罩蓋材料作為鈍化層，儘管在一些實施例中罩蓋層可維持作為鈍化層或其一部分。固化之玻璃/陶瓷前驅體材料一般可在摻雜劑驅入後使用適合之蝕刻進行移除。可進行初始加熱步驟，例如在低於摻雜劑驅入之溫度下以使玻璃/陶瓷前驅體材料固化。
具體而言，可進行初始加熱步驟以自玻璃/陶瓷前驅體材料沈積物移除溶劑。此加熱步驟可在例如約100℃至約400℃之溫度下進行約1分鐘至約1小時之時間，儘管必要時可使用更長時間。接著可使玻璃/陶瓷前驅體材料固化形成對應的玻璃及/或陶瓷材料(諸如二氧化矽)。固化步驟可根據特定前驅體材料之適當說明書來進行。一般而言，前驅體固化為二氧化矽玻璃或其他玻璃/陶瓷材料可在約300℃至約800℃且在其他實施例中為約400℃至約700℃之溫度下進行。固化可進行約1分鐘至約5小時且在其他實施例中為約5分鐘至約3小時之時間。玻璃/陶瓷前驅體完全固化可能並不顯著，儘管其可完全固化。一般技術者應認識到，涵蓋在上述明確範圍內之其他範圍的與SOG加工有關之加工時間及溫度且其在本發明內。
摻雜劑驅入可在烘箱或其類似物中進行以加熱具有摻雜劑來源材料沈積物之基材以將摻雜劑元素驅入基材表面中。一般提供所選帽蓋以有助於該製程。進行驅入製程之烘箱的示意圖展示於圖10中。烘箱260容納具有適合之經摻雜沈積物及帽蓋的基材262。烘箱260可包含入口264及 出口266或其類似物以使得控制烘箱中之氛圍、壓力及/或維持在製程之至少一部分中的連續流動。舉例而言，可提供含氧氛圍以有助於玻璃/陶瓷前驅體材料之固化，而可在摻雜劑驅入步驟期間使用實質上無氧氛圍。在一些實施例中，可在摻雜劑驅入步驟期間及/或之後引入氧氣以氧化矽粒子。上文詳細描述經罩蓋之基材的各種實施例，且一般所選之基材及帽蓋可用於基材262。
摻雜劑驅入一般可在約700℃至約1400℃，在其他實施例中為約725℃至約1200℃，且在其他實施例中為約750℃至約1100℃之溫度下進行。摻雜劑驅入可進行約5分鐘至約6小時，在其他實施例中為約10分鐘至約3小時且在其他實施例中為約15分鐘至約2小時。一般技術者應認識到，涵蓋在上述明確範圍內之其他範圍的摻雜劑加工溫度及時間且其在本發明內。基材表面中之摻雜劑分佈可在某種程度上視摻雜劑驅入參數而定且加工參數之選擇可受摻雜劑驅入後之目標摻雜劑分佈影響。
對於適當實施例，一些經摻雜矽墨水沿表面至經摻雜矽沈積物中密化。一般而言，密化之來自奈米粒子之矽材料可能不為磊晶的，但該材料可有效地完全密化。殘餘未密化之矽墨水(一般高度多孔)可位於密化之所沈積矽上。任何未密化之矽材料在摻雜劑驅入後可經移除或密化。可能需要在摻雜劑驅入後進行氧化矽蝕刻。氧化矽蝕刻可用緩衝氟化氫溶液或其他適當溶液進行。類似地，可類似地使用電漿蝕刻或其他乾式蝕刻製程。適合於氧化矽或其他材 料之蝕刻可用於相對快速地移除固化之玻璃/陶瓷材料以及在一些實施例中為任何氧化之粒子及矽表面。緩衝氧化物蝕刻可進行數分鐘至數小時，儘管一般技術者應瞭解，涵蓋在此時間範圍內之所有子範圍。
在一些實施例中，若多孔矽在氧化矽蝕刻後殘餘，則可蝕刻矽。適合之矽蝕刻劑為此項技術所已知，諸如KOH及氫氧化四甲基銨。由於高表面積，殘餘於表面上之未密化之矽的蝕刻比矽表面快以使得殘餘未密化之矽粒子可有效地經移除(即使部分熔融)而未移除過量矽基材。矽蝕刻可進行約5分鐘至約5小時之時間，儘管一般技術者應瞭解，涵蓋在此時間範圍內之所有子範圍。
類似地，來自矽奈米粒子之殘餘未密化之矽可有效且快速地用快速熱製程來密化。密化之矽可提供用於連接於集電器之良好接觸點以使得矽奈米粒子密化後之結構可不經進一步加工而併入最終結構中。舉例而言，矽奈米粒子殘餘物之密化可用加熱燈(諸如氙加熱燈)來實現。來自加熱燈之輻射可相對快速地掃描穿過基材表面以使矽密化。強度及照射時間可經選擇以使矽沈積物密化而不顯著影響矽基材。加工設備之示意圖展示於圖11中，儘管按需要可使用其他設計。加工設備280包含經設計成照射條狀物之加熱燈282，及移動加熱燈282及/或基材286以達成其相對運動之傳送機284。
在矽奈米粒子摻雜劑來源材料之情況下，在完成任何蝕刻及/或密化步驟後，摻雜劑驅入後之結構一般包含一些 密化之矽奈米粒子，以及可能存在的沿具有相對較高摻雜劑濃度之表面的具有初始基材矽與密化之矽奈米粒子混合的摻合物之相對薄區域。在此密化之矽奈米粒子區域下，摻雜劑之分佈延伸至矽基材表面中，一般在較大深度處逐漸降低至整體或背景摻雜劑含量，不過對於足夠薄的基材，摻雜劑濃度可恰好下降至特定值。因此，表面上存在與密化之墨水相關的初始摻雜劑濃度及/或具有與來源於矽基材之矽混合之矽奈米粒子的層。除了由矽奈米粒子材料引起之表面效應，用其他摻雜劑來源材料進行摻雜劑驅入後之矽基材的摻雜劑分佈可為類似的。
為表徵摻雜劑分佈之殘餘部分，吾等使用兩種參數，即100 nm深度處之摻雜劑濃度及1×1019個摻雜劑原子/立方公分(個原子/立方公分)之摻雜劑濃度下的深度。可使用次級離子質譜法(SIMS)以及對距表面不同深度處之樣品的濺鍍或其他蝕刻量測摻雜劑分佈以評估元素組成。100 nm摻雜劑濃度可為約2×1019個原子/立方公分至約5×1021個原子/立方公分，在其他實施例中為約5×1019個原子/立方公分至約2.5×1021個原子/立方公分，且在其他實施例中為約7.5×1019個原子/立方公分至約1×1021個原子/立方公分。關於深度，摻雜劑分佈在1×1019之摻雜劑濃度下的深度可為約0.5微米至約2.5微米，在其他實施例中為約0.6微米至約2微米且在其他實施例中為約0.7微米至約1.8微米。一般技術者應認識到，涵蓋在上述明確範圍內之其他範圍的摻雜劑分佈參數且其在本發明內。
在摻雜劑驅入後，所得矽薄片可由薄片電阻表徵。薄片電阻可用4點探針量測。接著可根據幾何參數按比例繪製用4點探針獲得之量測值以獲得薄片電阻。基於使用如本文所述之經摻雜矽奈米粒子及摻雜劑驅入製程進行摻雜，可獲得不大於約120 Ω/□，在其他實施例中為約100 Ω/□至約1 Ω/□，在其他實施例中為約60 Ω/□至約5 Ω/□，且在其他實施例中為約50 Ω/□至約10 Ω/□之薄片電阻。一般技術者應認識到，涵蓋在上述明確範圍內之其他範圍的薄片電阻且其在本發明內。
進行摻雜劑驅入及任何密化及/或蝕刻步驟後，具有特定摻雜劑分佈之矽基材可組裝至太陽電池中。上文描述代表性太陽電池結構。本文所述且在實例中所達成之摻雜劑分佈的特徵適合於形成有效太陽電池。
實例
以下實例說明提供所需程度之自高度經摻雜矽奈米粒子至矽基材中的摻雜劑驅入之能力。該等經摻雜矽奈米粒子係以矽粒子之墨水/分散液形式沈積。
實例1-形成經墨水塗佈之矽晶圓
此實例描述形成由經摻雜矽墨水塗佈之矽晶圓。以下實例描述自此等墨水至晶圓表面中之摻雜劑驅入。經摻雜矽墨水以包含矽奈米粒子之分散液形成。如同在申請中的Chiruvolu等人之名為「Silicon/Germanium Nanoparticle Inks,Laser Pyrolysis Reactors for the Synthesis of Nanoparticles and Associated Methods」的美國專利申請案 13/070,286(該案以引用的方式併入本文中)之實例2中所述，使用雷射熱解形成具有高程度摻雜之結晶矽粒子。詳言之，形成平均初始粒子直徑為約7 nm或約20 nm之n++經摻雜及p++經摻雜矽奈米粒子。該粒子具有2-4原子百分數摻雜劑。接著將粒子與適量低分子量醇(諸如異丙醇)摻合以形成分散液。接著將所得混合物音波處理並離心，形成穩定分散液，將其用作用於旋塗之墨水。由此形成之墨水的矽粒子濃度為約3-7重量%(「wt%」)。
經矽奈米粒子塗佈之晶圓(經墨水塗佈之晶圓)藉由在基材表面上形成退火墨水層來製備。該等基材包含輕度經摻雜n型或p型單晶矽晶圓。晶圓係獲自三個不同供應商且整體摻雜劑濃度為約4×1015個原子/立方公分。對於如此等實例中所述之摻雜劑驅入實驗，咸信普通矽基材特徵不具有特定重要性。如使用四點探針(「4PP」)所量測，基材之電阻為約30 Ω至約40 Ω，分別對應於約130 Ω/sq至約170 Ω/sq之薄片電阻。詳言之，使用家用組裝4PP台量測各基材之電阻，其中兩個相鄰探針之間的距離為1 mm。使用四點探針量測值獲得表面電阻讀數，其中基於與幾何形狀有關之定標參數，原始量測值與表面電阻成正比。
在形成墨水層之前，藉由將基材表面置於緩衝氧化物蝕刻(「BOE」)溶液中約0.5分鐘至約1分鐘來將其清潔。BOE溶液包含34.86%氟化銨及6.6%氫氟酸之水溶液。在實質上不含污染源之手套箱環境中使用旋塗以1000 rpm-1500 rpm將適量墨水塗覆於基材表面上持續約10秒至約15 秒。接著藉由在約85℃下在加熱板上將經墨水塗佈之基材加熱約5分鐘以自墨水移除溶劑來將該基材乾燥。除非另作說明，否則經乾燥之墨水層的平均厚度為約0.5 μm。使用表面輪廓儀(α-StepTM 300,KLA Tencore)量測經乾燥之墨水層的厚度。為獲得厚度量測值，使用特定旋轉技巧在經拋光基材上形成經乾燥之墨水層。接著在經乾燥之墨水層上在約0.5 mm至約1 mm之距離內水平掃描與經乾燥之墨水層接觸的描畫針且記錄該描畫針之垂直位移。
對於以下一些實例中所述之摻雜劑驅入，經墨水塗佈之晶圓進一步包含含有旋塗式玻璃之障壁層。為形成具有障壁層之經墨水塗佈之晶圓，將經墨水塗佈之晶圓置於熔爐中且在600℃下在氮氣氛圍下加熱30分鐘以使經乾燥之墨水層退火。隨後，藉由以1000 rpm-1500 rpm旋塗將市售旋塗式玻璃(A15產品，Filmtronics,Inc.)塗覆於退火之經墨水塗佈之基材上以形成障壁層。接著將具有障壁層的退火之經墨水塗佈之基材轉移至熔爐中且在450℃下在氮氣氛圍下加熱30分鐘以使障壁層固化。除非另作說明，否則在固化後形成平均厚度為約0.2 μm之障壁層。使用表面輪廓儀量測障壁層之厚度。為獲得厚度量測值，使用特定旋轉技巧在經拋光基材上形成固化障壁層。接著在固化障壁層上在約0.5 mm至約1 mm之距離內水平掃描與固化障壁層接觸之描畫針且記錄該描畫針之垂直位移。基於具有障壁層的經墨水塗佈之晶圓之SEM影像的量測值證實，在經乾燥之墨水層頂部形成之障壁層的平均厚度實質上類似於在 拋光基材上所獲得之表面輪廓儀結果。
實例2：製程參數對熱擴散之影響
此實例說明晶圓組態及製程溫度對來自奈米粒子墨水之熱摻雜劑驅入的影響。詳言之，帽蓋可以表面上方之另一晶圓提供或以結構上方由中心區段經移除之晶圓及石英板形成的覆蓋物提供。
基材特徵
此實例說明無摻雜劑驅入之基材效能特徵。詳言之，此實例說明基材之摻雜特徵及薄片電阻。將基材效能確定為基線以分離出來自矽墨水之熱摻雜劑驅入的影響。
為說明基材效能，形成兩個樣品組。第一樣品組包含2個如實例1中所述之實質上相同的n型矽晶圓(樣品1A及1B)。第二樣品組包含2個如實例1中所述實質上相同的p型矽晶圓(樣品2A及2B)。在80℃下將樣品1A及1B置於25%氫氧化鉀溶液中15分鐘(「SDE」)以移除在樣品製備期間產生之鋸割損傷。將樣品1A及2A置於BOE溶液中1小時。將樣品1B及2B置於1050℃熔爐中1小時且隨後置於BOE溶液中1小時。接著使用四點探針(「4PP」)在複數個位置處量測各樣品之兩個表面的電阻。隨後，藉由次級離子質譜法(「SIMS」)來獲得各樣品之摻雜劑分佈(摻雜劑濃度相對於距樣品表面之距離)，其中使用蝕刻達到基材中之不同深度。摻雜劑濃度及樣品參數展示於表I中。表I中標為2A及2B之樣品的摻雜劑濃度低於3.0×1015個原子/立方公分之儀器偵測極限。圖12A及12B分別為樣品1A及1B之摻雜劑 分佈。圖13A及13B分別為樣品2A及2B之摻雜劑分佈。圖12A及13A展示基線摻雜劑分佈。圖12B及13B展示來自熔爐處理之可忽略的殘餘摻雜。
表II呈現4PP量測之結果且確定各樣品之基線電阻。
晶圓組態之影響
為說明晶圓組態之影響，製備4個樣品。各樣品包含經墨水塗佈之晶圓。如實例1中所述形成經墨水塗佈之晶圓。矽墨水包含平均初始粒子直徑為約20 nm且摻雜劑濃 度為1.5×1021個原子/立方公分之矽奈米粒子。經乾燥之墨水層的平均厚度為約0.5 μm。基材包含n型矽晶圓。第一樣品進一步包含不含任何墨水之覆蓋物晶圓。覆蓋物晶圓包含實質上與經墨水塗佈之晶圓基材相同之n型矽晶圓，除了覆蓋物晶圓不具有墨水塗層。對於樣品2-4，使用遮罩，其中該遮罩係自晶圓切割。遮罩經切割成近似正方形形狀且在晶圓中心區域具有約1.5 cm2之正方形孔。
藉由首先將覆蓋物晶圓置於第一石英板上來製備樣品1。接著將經墨水塗佈之晶圓以墨水面朝下置於覆蓋物晶圓上，且在經墨水塗佈之晶圓上置放第二石英板。藉由將經墨水塗佈之晶圓以墨水面朝上置於第一石英板上來製備樣品2。接著將遮罩置於經墨水塗佈之晶圓的經乾燥之墨水層上並進行安置以使得遮罩使經墨水塗佈之晶圓的外周及中心區域曝露。接著將覆蓋物晶圓置於遮罩上，再次以如此方式使覆蓋物晶圓之外周及中心區域曝露，且將第二石英板置於覆蓋物晶圓上。覆蓋物晶圓及經墨水塗佈之晶圓中接觸遮罩之區域稱為「經覆蓋區域」。第三樣品類似於第二樣品，然而，第三樣品不包含第二石英板或覆蓋物晶圓。第四樣品類似於第二樣品，然而，第四樣品進一步包含安置於遮罩與第二石英板之間的石英間隔件，且沿正方形遮罩之對角線切割遮罩以沿該對角線形成開口。圖14為樣品1之橫截面的示意圖。圖15-17分別為樣品2-4之示意圖的組合。圖15-17之左圖分別為樣品2-4之橫截面的示意圖。圖15-17之右圖分別為樣品2-4之經墨水塗佈之晶圓的 一部分之俯視圖照片，其展示遮罩。圖18為樣品2及3之代表性遮罩的照片影像。
為促進熱摻雜劑驅入，將各樣品置於熔爐中且在1050℃溫度下在氮氣氛圍下加熱1小時。在加熱後，將各樣品置於BOE溶液中1小時。接著在各晶圓表面上之複數個位置處量測各晶圓之4PP電阻。
對於所有此等樣品，對於經墨水塗佈之晶圓的經罩蓋區域獲得顯著摻雜劑驅入。關於樣品1，覆蓋物晶圓及經墨水覆蓋之晶圓的摻雜劑濃度實質上類似。表III呈現在BOE處理之前及之後對樣品1之覆蓋物晶圓及經墨水塗佈之晶圓所作的多次4PP量測之結果。表III揭露在BOE處理之前，經墨水塗佈之晶圓及覆蓋物晶圓的平均4PP電阻量測值分別為約10.87 Ω及11.30 Ω。表III亦揭露在BOE處理之後，經墨水塗佈之晶圓及覆蓋物晶圓的平均4PP電阻分別為約11.99 Ω及13.92 Ω，其實質上類似於在BOE處理之前所量測之對應的4PP電阻。
又，關於樣品1，發現在BOE處理後覆蓋物晶圓及經墨水塗佈之晶圓的摻雜劑分佈實質上類似。圖19A為具有經墨水塗佈之晶圓的摻雜劑分佈曲線圖及氧計數相對於晶圓深度曲線圖之圖。圖19B類似於圖19A且呈現覆蓋物晶圓之結果。使用次級離子質譜法(「SIMS」)及適當蝕刻量測P濃度及氧計數，且在熱摻雜劑驅入期間自各晶圓之最接近於經乾燥之墨水層的表面得到量測值。圖19A及圖19B之比較揭露經墨水塗佈之晶圓及覆蓋物晶圓在摻雜劑驅入後實質上類似的摻雜劑分佈。經墨水塗佈之晶圓及覆蓋物晶圓之表面附近的P濃度分別為約8×1019個原子/立方公分及約6×1019個原子/立方公分。另外，兩種晶圓之摻雜劑分佈相對於背景摻雜劑濃度有所提高，此指示在摻雜劑驅入期間來自墨水之摻雜劑被驅入至兩種晶圓中並證實基於4PP量測值所獲得之結果。摻雜劑濃度在表面下約0.6微米處達到平台期。圖19A及19B中所示之晶圓中存在氧表明在熱摻雜劑驅入期間發生一些氧化。
關於樣品2，經墨水覆蓋之晶圓在經覆蓋區域及中心區 域中具有實質上相等的摻雜劑濃度且在未罩蓋之外周區域中具有顯著較低摻雜劑濃度。此觀察結果與不使用罩蓋未觀察到顯著摻雜劑驅入之結果一致。圖20之左圖為樣品2之經墨水塗佈之晶圓的表面之照片影像且呈現自經墨水塗佈之晶圓的外周區域得到之4PP量測結果。圖20之右圖為經墨水塗佈之晶圓的表面之示意圖且呈現自經墨水塗佈之晶圓的經覆蓋區域及中心區域得到之4PP量測結果。圖20之左圖揭露經墨水塗佈之晶圓之外周區域中的平均4PP電阻為約26.23 Ω，而經覆蓋區域及中心區域中之平均4PP電阻分別為約8.99 Ω及8.35 Ω。
此外，關於樣品2，4PP量測值揭露覆蓋物晶圓之外周區域及中心區域中的摻雜劑濃度實質上類似於經墨水塗佈之晶圓的對應區域中之摻雜劑濃度，而覆蓋物晶圓之經覆蓋區域中的電阻量測值處於中間。圖21之左圖為覆蓋物晶圓之表面的照片影像。圖21之右圖為覆蓋物晶圓之示意圖且呈現在覆蓋物晶圓表面上得到之4PP量測結果。圖20及21之比較揭露樣品2之墨水及覆蓋物晶圓之外周區域中的平均4PP電阻分別為26.23 Ω及28.16 Ω。出乎意料地，圖20及21之比較亦顯示樣品2之墨水及覆蓋物晶圓之中心區域中的平均4PP電阻分別為8.35 Ω及8.06 Ω，此指示實質上等量之摻雜劑被驅入至兩種晶圓之曝露區域中。另一方面，關於樣品2，覆蓋物晶圓之經覆蓋區域中的平均4PP電阻係處於遮罩晶圓之平均4PP電阻與經墨水塗佈之晶圓之經覆蓋區域中的平均4PP電阻中間。
圖22為樣品2之遮罩晶圓之上表面的照片影像且呈現在遮罩晶圓表面上得到之4PP量測結果。圖20-21之比較顯示覆蓋物晶圓之經覆蓋區域中的平均4PP電阻為約9.50 Ω，其略小於遮罩之平均4PP電阻(13.31 Ω)且略大於經墨水塗佈之晶圓之經覆蓋區域中的平均4PP電阻(8.99 Ω)。
關於樣品3，經墨水塗佈之晶圓及遮罩的相對摻雜劑濃度類似於樣品2之經墨水塗佈之晶圓及遮罩的相對摻雜劑濃度。圖23為樣品3之經墨水塗佈之晶圓的頂面之照片影像且呈現在晶圓表面上得到之4PP量測結果。圖24為樣品3之遮罩晶圓的示意圖且呈現在晶圓底面上得到之4PP量測結果。類似於關於樣品2所見，圖23及24之比較揭露經墨水塗佈之晶圓之經覆蓋區域中的平均4PP電阻(14.00 Ω)低於遮罩之平均4PP電阻(17.62 Ω)與經墨水塗佈之晶圓之外周區域中的平均4PP電阻(26.13 Ω)。另一方面，圖20及22分別與圖23及24之比較揭露樣品2之遮罩晶圓及經墨水塗佈之晶圓之經覆蓋區域中的平均4PP電阻低於樣品3之對應晶圓的平均4PP電阻，此指示當晶圓如樣品2中堆疊時熱摻雜劑驅入得到改良。由於因周圍氛圍洩漏至遮罩之中心區域中而使得在熱摻雜劑驅入期間曝露區域中之經乾燥之墨水層發生氧化，故樣品3之經墨水塗佈之晶圓之中心區域中的4PP電阻過高而無法量測。
關於樣品4，墨水及遮罩晶圓之相對摻雜劑濃度亦類似於樣品2之經墨水塗佈之晶圓及遮罩的相對摻雜劑濃度。圖25及26分別為樣品4之經墨水塗佈之晶圓及遮罩之描述 的組合。圖25及26之左圖分別展示經墨水塗佈之晶圓及遮罩的照片影像。圖25及26之右圖分別展示經墨水塗佈之晶圓及遮罩的示意圖，且呈現在晶圓表面上得到之4PP量測結果。類似於關於樣品2所見，圖25及26之比較顯示經墨水塗佈之晶圓之經覆蓋區域的平均4PP電阻(11.84 Ω)低於遮罩之平均4PP電阻(13.17 Ω)。另外，圖20、23及25之比較揭露樣品4之經墨水塗佈之晶圓的經覆蓋區域中之平均4PP電阻小於樣品3，但大於樣品2，此表明穿過遮罩之切割可降低摻雜劑驅入有效性。類似地，圖22、24及26之比較揭露樣品4之遮罩的平均4PP電阻小於樣品3之遮罩的電阻，但大於樣品2之遮罩的電阻。此等結果表明相對於樣品3之堆疊組態，當晶圓如樣品4中堆疊時熱摻雜劑驅入得到改良。此外，此等結果亦表明相對於樣品4之堆疊組態，當晶圓如樣品2中堆疊時熱摻雜劑驅入得到改良。由於在熱摻雜劑驅入期間經乾燥之墨水層發生氧化，故樣品4之經墨水塗佈之晶圓的「開路」區域中之4PP電阻過高而無法量測(參見圖25、左圖)。
溫度之影響
為說明溫度對熱摻雜劑驅入之影響，製備另外4種實質上相同的樣品。各樣品包含經墨水塗佈之晶圓、無墨水之覆蓋物晶圓及遮罩。如實例1中所述形成經墨水塗佈之晶圓。關於樣品1，墨水包含平均初始粒子直徑為約7 nm之p++經摻雜矽奈米粒子且基材包含p型矽晶圓。關於樣品2-4，墨水包含平均初始粒子直徑為約20 nm之n++經摻雜矽 奈米粒子且基材包含n型矽晶圓。覆蓋物晶圓包含與無墨水塗層的經墨水塗佈之晶圓實質上相同的p型矽晶圓。遮罩包含如上文在樣品1-4之情形下所述在中心區域具有開口之正方形切割晶圓。
藉由將覆蓋物晶圓置於第一石英板上來製備各樣品。接著將遮罩置於覆蓋物晶圓之頂面上。接著將經墨水塗佈之晶圓置於遮罩上，使經墨水塗佈之晶圓的經乾燥之墨水層接觸遮罩，接著將第二石英板置於經墨水塗佈之晶圓上。覆蓋物晶圓及經墨水塗佈之晶圓中接觸遮罩之區域稱為「經覆蓋區域」。覆蓋物晶圓及經墨水塗佈之晶圓中由於遮罩之中心開口而不接觸遮罩的區域稱為「中心區域」。圖27呈現此等實施例之代表性樣品的示意圖。圖27之左圖為代表性樣品之橫截面的示意圖。圖27之右圖為代表性遮罩之俯視圖的示意圖。
為促進來自用墨水沈積之經摻雜矽奈米粒子之熱摻雜劑驅入，在熔爐中在流動氮氣氛圍下加熱各樣品。最初在150℃下加熱所有樣品30分鐘。隨後分別在1050℃、900℃、600℃及400℃下加熱樣品1-4，持續1小時。接著使用4PP在各晶圓表面上之複數個位置處量測各晶圓之電阻。關於覆蓋物晶圓及遮罩，在熱摻雜劑驅入期間在各晶圓之最接近於經墨水塗佈之晶圓的表面上量測電阻。
關於樣品1之覆蓋物晶圓，相對於經覆蓋區域，在晶圓之中心區域中存在較高摻雜劑濃度。圖28含有樣品1之經墨水塗佈之晶圓的一部分、遮罩、及覆蓋物晶圓的一部分 之俯視圖的示意圖，且呈現在晶圓表面上得到之4PP量測結果。關於覆蓋物晶圓，如圖28中所示，經覆蓋區域中之平均4PP電阻為約22.0 Ω，而中心區域中之4PP電阻為約13.2 Ω。圖28亦展示相對於經墨水塗佈之晶圓之經覆蓋區域中的平均4PP電阻(11.62 Ω)，覆蓋物晶圓之中心區域中的4PP電阻略大且覆蓋物晶圓之經覆蓋區域中的4PP電阻顯著較大。圖28另外展示遮罩之平均4PP電阻為約11.09 Ω，其大於經墨水塗佈之晶圓的經覆蓋區域，但小於覆蓋物晶圓。經墨水塗佈之晶圓之中心區域中的高4PP電阻係歸因於在熱摻雜劑驅入期間經乾燥之墨水層的氧化。
關於此小節中所測試之所有樣品，摻雜劑擴散至各晶圓中之量具有非單調熔爐溫度依賴性。關於經墨水塗佈之晶圓的經覆蓋區域，圖28及表IV揭露樣品1-4之平均4PP電阻(最高至最低熔爐溫度)分別為11.62 Ω、58 Ω、168 Ω及67 Ω。關於覆蓋物晶圓之中心區域，圖28及表IV揭露樣品1-4之平均4PP電阻分別為13.2 Ω、61 Ω、174 Ω及65 Ω，類似於對應的經墨水塗佈之晶圓之經覆蓋區域中的4PP電阻。如圖28及表IV中所見，樣品1-4之覆蓋物晶圓之經覆蓋區域中的平均4PP電阻分別為22 Ω、132 Ω、177 Ω及75 Ω。
實例3：堆疊晶圓
此實例說明在堆疊晶圓組態下製程及樣品參數之變化對熱摻雜劑驅入之影響。
為說明在堆疊晶圓下製程及樣品參數之變化對熱摻雜劑驅入之影響，製備若干樣品組。各樣品組包含兩種實質上相同的樣品且各樣品包含如上文所述製備之經墨水塗佈之晶圓。
為促進熱摻雜劑驅入，以堆疊組態用熔爐加熱各樣品組以評估摻雜劑驅入之有效性。詳言之，藉由首先將第一經墨水塗佈之晶圓以該第一經墨水塗佈之晶圓的經乾燥之墨水層遠離第一石英板面朝上置於第一石英板上來形成堆疊組態。接著將第二經墨水塗佈之晶圓置於第一經墨水塗佈 之晶圓上以使得兩種經墨水塗佈之晶圓的經乾燥之墨水層接觸。接著將第二石英板置於第二經墨水塗佈之晶圓上以完成該堆疊組態。圖29為用於獲得此實例中所呈現之結果的樣品組之堆疊組態之橫截面的示意圖。各特定製備樣品之詳情在以下子實例中給出。
表面表徵
為說明熱摻雜劑驅入對經乾燥之墨水層的影響，如上文此實例中所述製備6個樣品組。該等樣品由包含平均初始粒子直徑為約7 nm或約20 nm之n++經摻雜矽奈米粒子的墨水製備。各樣品之經乾燥之墨水層的平均厚度為約0.5 μm、約1 μm或約1.5 μm。各樣品之基材包含n型矽晶圓。在900℃或1050℃下以堆疊組態加熱來自組1-5之樣品約0.5小時、1小時或12小時。以單一晶圓組態加熱來自組6之樣品，將各樣品之經乾燥之墨水層面朝下置於石英板上。在1050℃下加熱來自組6之樣品1小時。在加熱後，獲得各樣品之SEM影像。接著將各樣品置於BOE溶液中1小時且再次獲得各樣品之SEM影像。表V呈現各樣品組之樣品及製程參數。
在1050℃下進行熱摻雜劑驅入後，樣品表面在包含再結晶矽墨水之奈米結構化表面層上包含微粒層，其顯然由一部分矽奈米粒子之聚結形成。圖30及31為在BOE處理後得到之來自組1之樣品(在1050℃下用7 nm矽奈米粒子加工12小時)的SEM影像。圖30為展示樣品之表面及樣品之部分橫截面的SEM影像。圖31為在BOE處理及染色蝕刻後獲得之來自組1之樣品的SEM橫截面。染色蝕刻選擇性移除基材之高度經摻雜區域中的矽且提供摻雜劑濃度大於或等於約1×1019個原子/立方公分之基材區域與摻雜劑濃度小於1×1019個原子/立方公分之基材區域之間的可見邊界。圖30及31揭露樣品具有與再結晶或聚結之矽粒子一致的奈米結構化表面層。此外，圖31揭露距樣品表面約1.2 μm範圍內之摻雜劑滲透，但未展示經乾燥之墨水層與基材之間的可見邊界。對經墨水塗佈之晶圓表面的更詳細檢查揭露頂部微粒層包含聚結之矽奈米粒子。圖32及33分別為在BOE處理之前及之後得到之來自組1之樣品表面的SEM影像。圖32揭露樣品包含微粒層，該微粒層包含矽奈米粒子/氧化物複合物及再結晶(亦即聚結)墨水層。BOE處理後，移除氧化物，從而如圖33中所見，露出已聚結形成聚結體之下伏矽奈米粒子的結構。
分析再結晶墨水層接近基材之部分以評估其結構。圖34為來自組6之樣品之橫截面的高解析度透射電子顯微術(TEM)影像之組合。關於圖34，左圖及右圖中之TEM影像係在不同放大倍數下獲得。圖34之左圖展示包埋有矽粒 子、再結晶墨水層及矽晶圓基材之聚合物層。將聚合物層塗佈於樣品上以使樣品在TEM成像期間穩定。包埋之矽粒子包含在聚合物塗佈製程期間自微粒層擴散至聚合物層中之聚結矽粒子。圖34之右圖展示再結晶墨水及矽基材之實質上連續層。來自組6之樣品的選區電子繞射(「SAED」)研究指示如圖35中所示，再結晶墨水層接近基材之部分包含單晶矽。圖35之左圖為圖35之左圖中所呈現之TEM影像的經遮蔽再現。圖35之右圖為在左圖中可見之樣品區域中所獲得之SAED圖案。圖35之右圖展示再結晶墨水層接近基材之部分基本上為單晶矽。
另一方面，在遠離基材安置之熔融且聚結之矽奈米粒子的一部分中觀察到晶粒邊界。圖36-39為來自組2之樣品之橫截面的TEM影像且各TEM影像係在不同放大倍數下獲得。TEM影像中之黑點來自樣品製備期間之污染。此外，圖36-38中展示由虛線指示之矩形區域。該矩形區域對應於後續影像之檢視區。舉例而言，圖37中所呈現之TEM影像對應於圖36中所指示之矩形區域。詳言之，圖37及38展示遠離基材安置之再結晶墨水層之一部分中的晶粒邊界，其指示該層在此區域中為多晶。
此外，遠離基材表面之矽材料的SAED研究產生與多晶材料一致之結果。圖40之左圖為圖34之左圖中所呈現之TEM影像的經遮蔽再現。圖40之右圖為在左圖中可見之樣品(來自組6之樣品)的區域中所獲得之SAED圖案。圖40之右圖展示雖然個別聚結粒子可為結晶粒子，但在微粒層中 不存在長程有序結晶結構。
墨水中之經摻雜矽奈米粒子的平均初始粒子直徑影響摻雜劑驅入後所得微粒或多孔層之結構。圖41為來自在1050℃下用7 nm矽奈米粒子加工1小時之組2晶圓之樣品的橫截面之SEM影像的組合。圖41之左圖及右圖分別為在BOE處理之前及之後得到的SEM影像。圖41之左圖展示樣品上之熔融微粒層。如圖41之右圖中所示，藉由BOE處理移除氧化物揭露樣品包含稀疏微粒層及下伏奈米結構化矽再結晶層。微粒層包含平均尺寸為約50 nm之熔融矽粒子。圖42為在BOE處理之前得到的來自在1050℃下用20 nm矽奈米粒子加工1小時之組3晶圓的樣品之橫截面的SEM影像之組合。左邊及右圖中之SEM影像係在不同放大倍數下得到。類似於關於來自組2之樣品可見，圖42之左圖展示包含熔融矽奈米粒子之微粒層及聚結矽奈米粒子之再結晶層。然而，圖41及42之右圖的比較揭露來自組3之樣品的微粒層具有較大矽粒子直徑分佈。詳言之，來自組3之樣品的微粒層包含尺寸與初始粒子相當之粒子以及尺寸為約100 nm之燒結或聚結粒子。
在較低熔爐溫度下製備之樣品並不具有可見微粒層。圖43及44分別為在BOE處理及染色蝕刻後來自在90℃下用7 nm矽粒子加工0.5小時之組4及在900℃下用7 nm矽粒子加工1小時之組5的樣品之橫截面的SEM影像。圖43及44與圖41之右圖的比較揭露雖然來自組2之樣品(在1050℃下7 nm矽粒子加工1小時)包含來自聚結矽粒子之再結晶矽層及微 粒層，但來自組4及5之樣品的表面包含顯然來自聚結矽奈米粒子但不包含矽粒子微粒層之再結晶矽層。另一方面，關於樣品1(在1050℃下7 nm矽奈米粒子加工12小時)及2(在1050℃下7 nm矽奈米粒子加工1小時)，圖33及圖41之右圖的比較揭露以較長熔爐時間製備之樣品仍具有微粒層，從而指示矽奈米粒子層在長時間熱摻雜劑驅入後仍未完全聚結。
製程與樣品參數皆影響摻雜劑驅入之深度。詳言之，較長熔爐時間及較高熔爐溫度可增加摻雜劑驅入深度。如圖43及44中分別所呈現的藉由染色蝕刻來自組4(在900℃下7 nm矽奈米粒子加工0.5小時)及5(在900℃下7 nm矽奈米粒子加工1小時)之樣品所揭露，來自組4之樣品無可偵測的摻雜劑滲透，而來自組5之樣品具有距樣品表面約50 nm之摻雜劑滲透。此外，如圖31中所示，來自組1之樣品(在1050℃下7 nm矽奈米粒子加工12小時)具有距樣品表面約1.5 μm之摻雜劑滲透。圖45A為來自BOE處理及染色蝕刻後所獲得之組3的樣品(在1050℃下20 μm矽奈米粒子加工1小時)之SEM影像的組合。左圖為展示樣品之表面及部分橫截面的SEM影像。右圖為展示樣品不經經乾燥之墨水層塗佈的表面之SEM影像。圖45A之左圖及右圖的比較突出顯示再結晶矽層之奈米結構化表面。圖45B為展示左圖中來自組3之樣品的另一SEM影像及右圖中藉由SIMS所獲得之來自組3之樣品的兩個摻雜劑分佈圖之組合。圖45B中所呈現之SEM影像及摻雜劑分佈係在BOE處理及染色蝕刻後 獲得。兩個摻雜劑分佈係獲自樣品上之兩個不同位置。圖45B之左圖及右圖展示來自組3之樣品基於約1×1019個原子/立方公分之摻雜劑濃度具有約0.5 μm之摻雜劑驅入深度。此外，圖45B之右圖展示來自組3之樣品中的P表面濃度在0.5 μm處為約1×1019個原子/立方公分。
摻雜劑分佈
為說明製程及樣品參數之變化對摻雜劑分佈的影響，如上文此實例中所述製備6個樣品組。經乾燥之墨水層的平均厚度為約0.5 μm且以包含n++經摻雜矽奈米粒子之墨水形成。為促進摻雜劑自經乾燥之墨水層擴散，將各樣品組置於熔爐中且在1050℃溫度下加熱1小時或在氮氣氛圍下加熱12小時。
在熱摻雜劑驅入後，將來自各組1-3之一個樣品及來自組4-6之兩個樣品置於BOE溶液中。接著使用4PP在表面之複數個位置處量測各樣品之薄片電阻。隨後，使用SIMS獲得各樣品之摻雜劑分佈。自SEM影像量測非蝕刻樣品之微粒層的厚度。表VI呈現用於各樣品之製程及樣品參數之詳情，以及所獲得之結果。如表VI及此子實例中所使用，「經加工基材」係指樣品中位於微粒層下方之部分且包括例如矽奈米粒子層之任何再結晶及聚結部分。此外，將組1-3之非蝕刻樣品之經加工基材的P表面濃度及擴散深度視為對應的蝕刻樣品之P表面濃度及擴散深度。將摻雜劑分佈下降至低於約1×1019個原子/立方公分時之深度視為擴散深度。
來自經乾燥之墨水層之熱摻雜劑驅入並不形成電學非活性P層。圖46A為含有來自組5之樣品之摻雜劑分佈曲線圖及氧計數相對於晶圓深度曲線圖之圖。圖46B類似於圖46A且呈現來自組6之樣品的結果。圖46A及46B之比較展示來自組5及6之樣品具有約5×1019個原子/立方公分之P表面濃度及至約0.4 μm深度處相對於背景顯著提高之P濃度。此外，圖46A及46B中繪成圖之結果展示在任一基材之表面上基本上不存在電學非活性P層。兩個樣品之經墨水塗佈之晶圓中存在的相對淺的氧計數係歸因於熱摻雜劑驅入期間之氧化。
關於樣品組1-3，各非蝕刻樣品之薄片電阻實質上類似 於來自同一組之對應的蝕刻樣品之薄片電阻。表VI展示樣品1A、2A及3A(全部為非蝕刻樣品)之薄片電阻分別為17.5 Ω/sq.、35.6 Ω/sq.及27.1 Ω/sq.，而樣品1B、2B及3B(全部為蝕刻樣品)之薄片電阻分別為18.2 Ω/sq.、35.9 Ω/sq.及27.1 Ω/sq.。
相對於以較短熔爐時間製備之樣品，以較長熔爐時間製備之樣品具有較小薄片電阻值及較大摻雜劑驅入深度。表VI展示樣品1A(12小時熔爐時間)及2A(1小時熔爐時間)之薄片電阻分別為17.5 Ω/sq.及35.6 Ω/sq.，且樣品1B(1小時熔爐時間)及2B(12小時熔爐時間)之薄片電阻分別為18.2 Ω/sq.及35.9 Ω/sq.。此外，表VI亦展示儘管樣品1A之經加工基材中的P表面濃度(4×1019個原子/立方公分)小於樣品2A(6×1019個原子/立方公分)，但樣品1A之經加工基材在約3 μm內具有提高之P濃度，而樣品2A之子樣品在約0.8 μm內具有提高之P濃度。此外，以較長熔爐時間製備之樣品亦具有較厚微粒層。表VI揭露雖然樣品1A之微粒層中的P濃度(2×1020個原子/立方公分)小於樣品2A(1×1021個原子/立方公分)，但樣品1A之微粒層(0.3 μm)厚於樣品2A(0.1 μm)。
由包含較大奈米粒子之經摻雜矽墨水製備的樣品導致較小薄片電阻及較大摻雜劑表面濃度。關於樣品2A(7 nm平均矽初始粒子直徑)及3A(20 nm平均矽初始粒子直徑)之經加工基材，表VI展示樣品2A之薄片電阻為約35.6 Ω/sq.，而樣品3A之薄片電阻為約27.1 Ω/sq.。此外，表VI亦展示 樣品2A及3A之經加工基材中的P表面濃度分別為約4×1019個原子/立方公分及約4×1019個原子/立方公分，且兩個樣品之經加工基材皆具有至約0.8 μm深度處相對於背景顯著提高之P濃度。關於樣品2A及3A之微粒層，表VI揭露熱摻雜劑驅入後經乾燥之墨水層中的P濃度分別為約1×1021個原子/立方公分及約4×1020個原子/立方公分，而熱摻雜劑驅入後聚結矽粒子層之厚度分別為約0.1 μm及約0.2 μm。由獲自不同商業來源之基材製造的樣品具有不同摻雜特徵。參看表VI，來自組4及5之樣品實質上類似。然而，樣品4及5之n型基材係獲自兩個不同商業來源。表VI展示樣品4之薄片電阻為約21.3 Ω/sq.，而樣品5之薄片電阻為約37.2 Ω/sq.。此外，表VI亦展示樣品4及5之經加工基材中的P表面濃度分別為約9×1019個原子/立方公分及約5×1019個原子/立方公分，且樣品4及5之基材的摻雜劑驅入深度分別為約0.7 μm及約0.5 μm。
基材摻雜劑類型亦影響摻雜特徵。參看表VI，樣品2B(n型基材)及樣品6(p型基材)之經加工基材的表面電阻分別為約35.9 Ω/sq.及41.1 Ω/sq.。此外，表VI亦展示樣品2B及6之經加工基材中的P表面濃度分別為約6×1019個原子/立方公分及約5×1019個原子/立方公分，且樣品2B及6之經加工基材的摻雜劑驅入深度分別為約0.8 μm及約0.5 μm。
在熱摻雜劑驅入期間之溫度勻變
為說明熔爐類型之變化對熱摻雜劑驅入的影響，如上文所述製備5個樣品組。各經墨水塗佈之晶圓的經乾燥之墨 水層的平均厚度為約0.5 μm且以包含n++經摻雜矽奈米粒子之墨水形成。為促進來自退火墨水層之熱摻雜劑驅入，在NeytechTM熔爐[Qex,Degussa-Ney Dental,Inc.](「NTB」)中加熱樣品1及2。在室溫下將樣品1及2置於熔爐中，接著以每分鐘200℃之勻變速率使熔爐溫度達到1050℃。在MTI熔爐(GSL-1100X8，MTI Corporation)(「MTI」)中加熱樣品3-5。在室溫下將樣品3-5置於熔爐中，接著以每分鐘10℃之勻變速率使熔爐溫度達到1050℃。在1050℃下將樣品1-5加熱1小時以完成摻雜劑驅入。雖然如上文此實例中所述以堆疊組態加熱來自組1-4之樣品，但以單一晶圓組態加熱來自組5之樣品，將各樣品之經乾燥之墨水層面朝下置於石英板上。在摻雜劑驅入後，在各樣品表面上之複數個位置處量測4PP電阻。接著將樣品置於BOE中1小時。接著再次在各樣品表面上之複數個位置處量測4PP電阻。表VII呈現特定樣品及各樣品之製程參數。
關於在NTB熔爐中進行之熱摻雜劑驅入，樣品之4PP電阻僅略受奈米粒子尺寸及基材摻雜劑類型之變化影響。表IV展示在BOE處理前來自組1(20 nm平均初始粒子直徑及n型基材)及2(7 nm平均初始粒子直徑及p型基材)之樣品的平均4PP電阻分別為約6.61 Ω及約7.71 Ω。此外，表VII亦展示在BOE處理後來自組1及2之樣品的平均4PP電阻分別為8.49 Ω及9.41 Ω，其指示在BOE處理前經墨水塗佈之晶圓的傳導率僅略有改良。
類似地，關於在MTI熔爐中進行之熱摻雜劑驅入，樣品之4PP電阻僅略受奈米粒子尺寸及基材摻雜劑類型之變化影響。表VII展示在BOE處理之前樣品3-5之平均4PP電阻分別為約3.01 Ω、3.27 Ω及4.74 Ω。表IV亦展示在BOE處理後樣品5之平均4PP電阻為約4.8 Ω，類似於其BOE處理前之平均4PP電阻。此外，來自組3及5之樣品的比較揭露以堆疊組態經熔爐處理之樣品(樣品組3)的平均4PP電阻小於以單一晶圓組態經熔爐處理之樣品(樣品組5)。
相對於在NTB熔爐中製備之類似樣品，在MTI熔爐中製備之樣品具有較低薄片電阻，此與如下觀察結果一致：由於使用較慢勻變速率，故相對於樣品1及2，樣品3-6之有效摻雜劑驅入時間實質上更長。
薄片電阻：磷自Si奈米粒子擴散至晶圓基材
為說明由來自n++經摻雜墨水之熱摻雜劑驅入獲得的薄片電阻，如上文所述製備4個樣品組。各樣品的經乾燥之墨水層以包含n++經摻雜矽奈米粒子之墨水形成且各樣品 之基材包含n型矽晶圓。在1050℃下以堆疊組態加熱該等樣品組1小時。在加熱後，在各樣品表面上之複數個位置處量測4PP電阻。接著將各樣品置於BOE處理中1小時。接著再次在各樣品表面上之複數個位置處量測4PP電阻。表VIII呈現各樣品之4PP電阻及參數。表VIII之標為「樣品參數」之列中所呈現的數據按次序呈現用於形成經乾燥之墨水層之墨水中的矽奈米粒子之平均初始粒子直徑及經乾燥之墨水層的厚度。
以包含較大矽奈米粒子之經摻雜矽墨水形成的樣品具有較低4PP電阻。在BOE處理之前，表VIII展示樣品組A(7 nm平均初始粒子直徑)之平均4PP電阻為約8.09 Ω，而來自組B之樣品(20 nm平均初始粒子直徑)之平均4PP電阻為約6.17 Ω。另一方面，退火墨水層之厚度並不可觀地影響熱摻雜劑驅入後之平均4PP電阻。如表VIII中所示，在BOE之前來自組B(0.5 μm平均經乾燥之墨水層厚度)及C(1.0 μm平均經乾燥之墨水層厚度)之樣品的平均4PP電阻分別為6.16 Ω及6.34 Ω。關於來自組A-C之任何既定樣品，在BOE處理之前及之後平均4PP電阻之間的實質上相似性指示經乾燥之墨水層在熱摻雜劑驅入後變得具有導電性。舉例而言，在BOE處理之前及之後來自組B之樣品的平均4PP電阻分別為約6.17 Ω及6.38 Ω。
來自組D之樣品具有實質上類似的平均4PP電阻，其顯著低於來自組A-C之樣品。關於組D，表VIII展示樣品1(20 nm平均初始粒子直徑)之平均4PP電阻為約3.26 Ω且樣品2(7 nm平均初始粒子直徑)之平均4PP電阻為約3.43 Ω，其實質上類似於樣品1。此外，表VIII亦展示來自組D之樣品的平均4PP電阻顯著低於來自組A-C之樣品的平均4PP電阻。來自組D之樣品的較低平均4PP電阻可能歸因於在熱摻雜劑驅入期間樣品加工之變化。
薄片電阻：硼自Si奈米粒子擴散至晶圓基材
為說明由來自p++經摻雜墨水之熱摻雜劑驅入獲得的薄片電阻，如上文所述製備4個樣品組。如上文此實例中所述製備各包含2個經墨水塗佈之晶圓的三個樣品組，且墨水層包含p++經摻雜矽奈米粒子。第四樣品組包含經墨水 塗佈之晶圓及裸晶圓。如實例1中所述製備經墨水塗佈之晶圓。經墨水塗佈之晶圓的經乾燥之墨水層的平均厚度為約1 μm且以包含平均初始粒子直徑為約7 nm之p++經摻雜矽奈米粒子的墨水形成。經墨水塗佈之晶圓的基材包含n型矽晶圓。裸晶圓實質上與經墨水塗佈之晶圓的晶圓基材相同。
在1050℃之溫度下以堆疊組態用熔爐加熱樣品組1小時、2小時或4小時。關於樣品組4，該堆疊組態藉由首先將裸晶圓置於第一石英板上來形成。接著將經墨水塗佈之晶圓置於裸晶圓上，經墨水塗佈之晶圓的經乾燥之墨水層接觸裸晶圓之頂面，且將第二石英板置於經墨水塗佈之晶圓的頂部裸表面上。
熔爐加熱後，在各樣品表面上之複數個位置處量測4PP電阻。接著將樣品置於BOE溶液中1小時且隨後再次在各樣品表面上之複數個位置處量測4PP電阻。各樣品之參數及4PP電阻呈現於下表IX中。標為「樣品參數」之列中所呈現的數據按次序呈現用於形成經乾燥之墨水層之墨水中的矽粒子之平均初始粒子直徑及經乾燥之墨水層的平均厚度。如表IX中所使用，「S1」表示樣品1且「S2」表示樣品2。
一般，以包含較小矽粒子尺寸之墨水形成且以較長熔爐時間製備的樣品具有較低4PP電阻。表IX展示在BOE處理之前，來自組1之樣品(20 nm平均初始粒子直徑及1小時加熱時間)的平均4PP電阻為約118.60 Ω，而來自組2之樣品(7 nm平均初始粒子直徑及2小時加熱時間)的4PP電阻為約20.89 Ω。在BOE處理後來自組1及2之樣品的平均4PP電阻類似於在BOE處理前量測之對應的平均4PP電阻。類似地，以較薄經乾燥之墨水層及以較長熔爐時間形成的樣品 亦具有較低4PP電阻。表IX展示在BOE處理之前，來自組2之樣品(1 μm平均經乾燥之墨水層厚度及1小時加熱時間)的平均4PP電阻為約20.89 Ω，而來自組3之樣品(0.5 μm平均經乾燥之墨水層厚度及2小時加熱時間)的平均4PP電阻為約9.53 Ω。在BOE處理後來自組1及2之樣品的平均4PP電阻類似於在BOE處理前量測之對應的平均4PP電阻。
關於樣品組4，沿接觸經墨水塗佈之晶圓的表面，經墨水塗佈之晶圓的4PP電阻或多或少地低於初始裸晶圓之4PP電阻。關於樣品組4，表IX展示在BOE處理之前經墨水塗佈之晶圓及初始裸晶圓的平均4PP電阻分別為8.37 Ω及9.48 Ω。在BOE處理後所量測的組4之樣品1及2的平均4PP電阻實質上與在BOE處理前量測的對應的平均4PP電阻相同。此外，組3及4之樣品之平均4PP電阻的比較指示，儘管在熱摻雜劑驅入期間各晶圓之經乾燥之墨水層的總平均厚度實質上相同(1 μm)，但與樣品組3的經墨水塗佈之晶圓相比，樣品組4的經墨水塗佈之晶圓具有略低的薄片電阻。表IX展示在BOE之前，組3之樣品的平均4PP電阻為9.53 Ω，而組4之經墨水塗佈之晶圓的平均4PP電阻為約8.37 Ω。對於BOE處理後組3之樣品及組4的經墨水塗佈之晶圓之平均4PP電阻可見類似結果。表IX亦展示在BOE處理之前及之後，樣品4之初始裸晶圓的平均4PP電阻實質上與組3之樣品之對應的4PP電阻相同。
實例4：障壁層
此實例說明使用旋塗式玻璃障壁層促進摻雜劑驅入之有 效性。為說明在熱摻雜劑驅入期間製程及樣品參數之變化對包含障壁層的經墨水塗佈之晶圓的影響，製備若干個樣品。如實例1中所述來製備具有障壁層的經墨水塗佈之晶圓。在退火之前，各樣品的經乾燥之墨水層的平均厚度為約0.5 μm且以包含平均初始粒子直徑為約7 nm或約20 nm之n++或p++經摻雜矽奈米粒子的墨水形成。各樣品之基材包含n型或p型矽晶圓。
為完成樣品之形成並有助於摻雜劑自經乾燥之墨水層擴散，將經障壁塗佈的經墨水塗佈之晶圓置於熔爐中且在1050℃下在氮氣氛圍下加熱1小時。接著在熔爐中使樣品冷卻至150℃，隨後移出。
障壁層之影響
為說明障壁層對熱摻雜劑驅入之影響，製備兩個樣品。樣品1包含具有障壁層的經墨水塗佈之晶圓，且樣品2包含無障壁層的經墨水塗佈之晶圓。樣品1及2以包含平均初始粒子直徑為約20 nm之n++經摻雜矽奈米粒子的墨水形成。各樣品之基材包含n型矽晶圓。在熱摻雜劑驅入後，將樣品置於BOE溶液中約30分鐘。接著在各樣品表面上之複數個位置處量測4PP電阻。
相對於無障壁層之樣品，包含障壁層之樣品具有顯著較低4PP電阻。樣品1(具有障壁層)及2(無障壁層)之平均4PP電阻分別為約10.03 Ω±1.38 Ω及40.02 Ω±2.78 Ω。此等結果與在熱摻雜劑驅入期間摻雜劑自樣品2之退火墨水層蒸發一致。此外，樣品1之摻雜劑分佈揭露大量摻雜劑驅入 至矽基材中。圖47為含有樣品1之P摻雜劑分佈曲線圖及氧計數相對於樣品深度曲線圖的圖。圖47揭露在樣品1表面上約6×1019個原子/立方公分之P表面濃度及對於約0.6 μm之深度而言相對於背景P濃度有所提高之P濃度。相對淺的氧分佈係歸因於在熱摻雜劑驅入期間樣品之氧化。
薄片電阻：單面擴散
為說明製程及樣品參數之變化對來自具有障壁層的經墨水塗佈之晶圓的熱擴散之影響，如上文此實例中所述製備3個樣品。該等樣品以包含平均初始粒子直徑為約7 nm(樣品1)或20 nm(樣品2及3)之n++經摻雜矽奈米粒子的墨水形成。各樣品之基材包含n型矽晶圓。障壁層之平均厚度為約0.1 μm(樣品1)及0.2 μm(樣品2及3)。在熱摻雜劑驅入後，將樣品置於BOE溶液中約1小時。接著在各樣品表面上之複數個位置處量測4PP電阻。
一般，以包含較小矽奈米粒子之墨水形成的樣品具有較小平均4PP電阻。樣品1(7 nm平均初始粒子直徑)及2(20 nm平均初始粒子直徑)之平均4PP電阻分別為約3.44 Ω±1.33 Ω及6.73 Ω±0.28 Ω。所觀察到之平均4PP電阻差異可歸因於如由SEM影像(未圖示)所證明，相對於由包含較大矽奈米粒子之墨水製備的樣品，經熔爐處理之由包含較小矽奈米粒子之墨水製備的樣品之退火墨水層更均一。此外，樣品3(20 nm平均初始粒子直徑)之平均4PP電阻為約8.67 Ω±0.24 Ω。儘管樣品2及3實質上相同，但所觀察到之兩個樣品之間的平均4PP電阻之小變化可能歸因於樣品加工之 變化。
此外，此等結果與表VI之比較揭露，與當以堆疊組態加熱晶圓時所獲得之結果相比，觀察到相反趨勢。詳言之，表VI中之樣品2B及3B之薄片電阻的比較揭露，當以堆疊組態加熱時，與樣品3B(20 nm平均初始粒子直徑)相比，樣品2B(7 nm平均初始粒子直徑)之薄片電阻具有較大薄片電阻。
薄片電阻：雙面擴散
為說明製程及樣品參數之變化對來自具有對應的障壁層的雙面經墨水塗佈之晶圓的熱擴散之影響，製備4個實質上相同的樣品。各樣品在基材正表面上包含第一層且在第一退火墨水層上包含第一障壁層。各樣品進一步在基材背表面上包含第二退火墨水層及在該第二退火墨水層上包含第二障壁層。如實例1中所述，退火墨水層以包含平均初始粒子直徑為約7 nm之n++(第一退火墨水層)及p++(第二退火墨水層)經摻雜矽奈米粒子的墨水形成且基材包含輕度經摻雜p型矽晶圓。
為形成各雙面經墨水塗佈之晶圓，在基材之正表面及背表面上形成退火墨水層。如實例1中所述，第一墨水層藉由將第一墨水旋塗於基材正表面上來形成。接著在85℃下在加熱板上加熱具有第一墨水層之基材以乾燥第一墨水層。如實例1中所述，第二墨水層藉由將第二墨水旋塗於具有第一經乾燥之墨水層的基材之背表面上來形成。接著在85℃下在加熱板上加熱具有第二墨水層之基材以乾燥第 二墨水層。如上文實例1中所述加以量測，經乾燥之墨水層的平均厚度為約0.5 μm。接著將在正表面及背表面上具有經乾燥之墨水層的基材置於熔爐中且在600℃下在氮氣氛圍下加熱30分鐘以使經乾燥之墨水層退火。
為形成具有障壁層的雙面經墨水塗佈之晶圓，在雙面經墨水塗佈之晶圓的正表面及背表面上形成障壁氧化物。如實例1中所述，障壁層藉由將障壁氧化物旋塗於雙面經墨水塗佈之晶圓的正表面上來形成。接著藉由在90℃下在加熱板上加熱沈積有障壁層的雙面經墨水塗佈之晶圓5分鐘來乾燥所沈積之障壁層。隨後藉由在450℃下在氮氣氛圍下在熔爐中加熱具有經乾燥之障壁層的雙面經墨水塗佈之晶圓30分鐘來使經乾燥之障壁層固化。接著在雙面經墨水塗佈之晶圓的背表面上重複沈積障壁層、乾燥所沈積之障壁層及使經乾燥之障壁層固化的製程。在使雙面經墨水塗佈之晶圓的背表面上之經乾燥之障壁層固化後，使熔爐中之溫度勻變至1050℃且進一步在1050℃下加熱具有固化之障壁層的雙面經墨水塗佈之晶圓1小時以有助於熱摻雜劑驅入。如上文實例1中所述加以量測，障壁層之平均厚度為約0.2 μm。熱摻雜劑驅入後，將各樣品置於BOE溶液中2.5小時且在各樣品之正表面上及背表面上的複數個位置處量測各樣品之4PP電阻。所量測之各樣品的4PP電阻呈現於表X中。
一般，各樣品之正表面的4PP電阻低於各樣品之背表面。如表X中所示，樣品1-4之正表面(用以包含n++經摻雜矽奈米粒子之墨水形成的退火墨水層加工)的平均4PP電阻分別為1.34 Ω、1.17 Ω、1.8 Ω及1.40 Ω。另一方面，樣品1、2及4之背表面(用以包含p++經摻雜矽奈米粒子之墨水形成的退火墨水層加工)的平均4PP電阻為9.49 Ω、6.68 Ω及13.34 Ω，其顯著高於對應的正表面之平均4PP電阻。樣品3之背表面的4PP電阻以「開路」列於表X中，其指示電阻過高而無法量測。在樣品3之背表面上所量測之「開路」電阻可能歸因於樣品加工期間之污染。
相對於以堆疊樣品組態經熔爐處理之樣品，經熔爐處理之具有障壁層的樣品具有性質上不同的摻雜劑分佈。圖48為經熔爐處理之具有障壁層的樣品及如上文實例3中所述以堆疊組態經熔爐處理之樣品的藉由SIMS所獲得之摻雜劑分佈圖。摻雜劑分佈藉由SIMS來獲得。詳言之，圖48展示在BOE處理後得到之雙面經塗佈之樣品的樣品2之摻 雜劑分佈。圖48亦展示在BOE處理之前(「堆疊樣品」)及之後(「經蝕刻之堆疊樣品」)得到的表IX中所呈現之來自實例3之組3的樣品之摻雜劑分佈。圖48揭露障壁樣品之B表面濃度為約1.5×1021個原子/立方公分，而堆疊樣品及經蝕刻之堆疊樣品的表面濃度分別為約3×1021及7×1021。此外，儘管障壁樣品及堆疊樣品之摻雜劑驅入深度距樣品表面大於1 μm(例如相對於基材之背景摻雜劑濃度)，但障壁樣品及堆疊樣品之摻雜劑分佈性質上不同。舉例而言，圖48揭露在約最初0.07 μm內，障壁樣品之B濃度小於堆疊樣品，但大於經蝕刻之堆疊樣品。此外，如圖48中所見，在約0.07 μm至約0.6 μm下，障壁樣品相對於堆疊樣品具有較大B濃度，且隨後相對於堆疊樣品具有較小B濃度。
表面表徵
為說明製程及樣品參數之變化對來自具有障壁層的經墨水塗佈之晶圓的熱擴散之影響，如上文此實例中所述製備三個樣品。該等樣品以包含n++經摻雜矽奈米粒子之墨水形成。障壁層之平均厚度為約0.1 μm或約0.2 μm。在熱摻雜劑驅入後，獲得各樣品之SEM影像。接著將樣品簡單地浸入BOE溶液中約30秒至約60秒以移除障壁層，且隨後進一步獲得各樣品之SEM影像。接著將三個樣品放回BOE溶液中0.5小時、1小時或2.5，且隨後再次獲得各樣品之SEM影像。樣品及各樣品之製程參數列於表XI中。
經熔爐處理之由包含較小矽奈米粒子之墨水製備的樣品具有更均一障壁層及更緻密退火墨水層。圖49A及49B為經熔爐處理之樣品1(7 nm平均初始粒子直徑)的SEM影像。圖49A及49B分別為樣品1之頂面及橫截面的SEM影像。圖50A及50B分別類似於圖49A及49B，但為樣品2(20 nm平均初始粒子直徑)之SEM影像。圖49A及50A之比較揭露在熱摻雜劑驅入後樣品1之障壁層比樣品2之障壁層更均一。圖49B及50B揭露由於旋塗式玻璃自障壁層浸潤，故樣品1及2之微粒矽層包含矽奈米粒子/氧化物複合物。圖51為在BOE浸漬後得到的樣品2之橫截面的SEM影像且揭露圖50B中存在之下伏奈米粒子結構。圖49B及50B之比較亦揭露在熱處理後樣品1之微粒矽層比對應的樣品2之微粒矽層更緻密，此表明相對於具有較大初始粒子直徑之粒子，具有較小直徑之矽奈米粒子在用障壁層熱處理期間更加密化。
在BOE處理後，樣品在奈米結構化表面上包含粒子簇。圖52為在BOE處理後樣品2之表面的SEM影像。圖52展示在奈米結構化表面上聚結之矽粒子。圖53為在BOE處理2.5小時後樣品3之表面的SEM影像之組合。左圖展示在第一 放大倍數下表面之第一區段且右圖展示在第二放大倍數下表面之第二區段。圖53之左圖展示在奈米結構化表面上聚結之矽粒子的完整層。圖53之右圖展示在樣品3的具有相對不平坦表面之區段上聚結之矽粒子的均一覆蓋。此外，圖53之兩個圖均展示再結晶矽自沿表面聚結之粒子相對大量沈積。
奈米結構化表面包含沿基材表面聚結之矽奈米粒子的沈積。圖54為在BOE處理後得到之樣品3之橫截面的SEM影像之組合。與右圖中所呈現之影像相比，左圖中所呈現之影像係在較低放大倍數下得到。圖54證實奈米結構化表面與再結晶之聚結矽層一致，但未展示自矽奈米粒子聚結之矽層與基材之間的可見邊界。然而，圖55為由SIMS獲得之樣品3的摻雜劑分佈且與聚結矽粒子層之存在一致，且初步分析表明該聚結矽粒子層關於基材晶體結構並不為磊晶的。詳言之，圖55揭露包含厚度為約15 nm且P濃度為約5.8×1020個原子/立方公分之聚結矽奈米粒子層的表面層。此外，圖55亦揭露安置於基材與表面層之間的厚度為約100 nm且P濃度為約2.6×1020個原子/立方公分的下層。雖然該下層可能包含聚結矽奈米粒子與矽基材材料之複合物，但準確組成未知。此外，圖55亦揭露距樣品3表面約2 μm之由驅入產生的摻雜劑深度。圖56為在BOE處理及染色蝕刻後得到之樣品3之橫截面的SEM影像。圖56揭露與聚結矽奈米粒子一致之表面層且證實距樣品表面約2 μm之由驅入產生的摻雜劑深度。
以上特定實施例意欲為說明性的而非限制性的。其他實施例在本文所述之廣泛概念內。另外，儘管本發明已參考特定實施例加以描述，但熟習此項技術者應認識到，可在不脫離本發明之精神及範疇的情況下對形式及細節作出改變。以上以引用方式併入之任何文獻均有限制，以使得不併入違背本文中之明確揭示內容之標的物。
100‧‧‧光伏打電池
102‧‧‧矽基材
104‧‧‧正面圖案化經摻雜接觸
106‧‧‧正面鈍化層/介電層
108‧‧‧正面集電器
110‧‧‧正面保護層/正面透明層
112‧‧‧背面經摻雜接觸
114‧‧‧背面鈍化層/介電層
116‧‧‧背面集電器
118‧‧‧聚合物封裝材料
130‧‧‧電洞
132‧‧‧伸出部分
134‧‧‧導電突出部/突出部
140‧‧‧電洞
144‧‧‧導電突出部/突出部
160‧‧‧背接觸光伏打電池
162‧‧‧矽基材
164‧‧‧正面鈍化層
166‧‧‧正面透明保護層
168‧‧‧背面p型摻雜接觸
170‧‧‧背面n型摻雜接觸
172‧‧‧背面鈍化層
174‧‧‧第一背面集電器
176‧‧‧第二背面集電器
178‧‧‧封裝材料
180‧‧‧電洞
182‧‧‧伸出部分
200‧‧‧基材
202‧‧‧摻雜劑來源材料沈積物/沈積物
204‧‧‧平板
210‧‧‧基材
212‧‧‧摻雜劑來源材料沈積物/沈積物
214‧‧‧覆蓋物
216‧‧‧邊緣
218‧‧‧體積
220‧‧‧基材
222‧‧‧支撐表面
224‧‧‧沈積物
226‧‧‧覆蓋物
228‧‧‧邊緣
230‧‧‧體積
240‧‧‧基材
242‧‧‧沈積物
244‧‧‧罩蓋層
260‧‧‧烘箱
262‧‧‧基材
264‧‧‧入口
266‧‧‧出口
280‧‧‧加工設備
282‧‧‧加熱燈
284‧‧‧傳送機
286‧‧‧基材
圖1為具有經摻雜接觸之光伏打電池沿正表面與後表面的正視圖，其中展示沿柵格之集電器。
圖2為沿線2-2得到之圖1之光伏打電池的剖面側視圖。
圖3為具有相反極性之背接觸而無任何背面密封材料阻斷電池觀察之光伏打電池的背視圖。
圖4為沿線4-4得到之圖3之光伏打電池的剖面側視圖。
圖5為具有矽墨水沈積物及罩蓋板之矽基材的剖面側視圖。
圖6為具有矽墨水沈積物及沿基材表面停置於邊緣上之覆蓋物之矽基材的剖面側視圖。
圖7為具有矽墨水沈積物及不接觸矽基材之覆蓋物之矽基材的剖面側視圖。
圖8為圖7之經覆蓋矽基材的俯視圖，其中圖7之剖視圖沿線7-7指示。
圖9為具有矽墨水沈積物及覆蓋層之矽基材的剖面側視圖。
圖10為具有矽基材之烘箱的示意側面圖，該烘箱用於進 行加熱步驟以進行摻雜劑驅入。
圖11為具有加熱燈之快速熱加工設備的示意圖。
圖12A為隨經蝕刻p型摻雜矽晶圓之基材表面下方深度而變的摻雜劑分佈曲線圖。
圖12B為經蝕刻及熔爐處理之p型摻雜矽晶圓之摻雜劑分佈曲線圖。
圖13A為經蝕刻之n型摻雜矽晶圓之摻雜劑分佈曲線圖。
圖13B為經蝕刻及熔爐處理之n型摻雜矽晶圓之摻雜劑分佈曲線圖。
圖14為晶圓組態之示意性側面剖視圖，該晶圓組態包含底部覆蓋物晶圓及頂部經墨水塗佈之晶圓。
圖15為包含底部經墨水塗佈之晶圓、中部遮罩及頂部覆蓋物晶圓之晶圓組態之示意圖的組合；其中左圖為該組態之示意性側面剖視圖且右圖為展示該經墨水塗佈之晶圓及該遮罩晶圓之示意性俯視圖。
圖16為包含底部經墨水塗佈之晶圓及頂部遮罩之晶圓組態之示意圖的組合；其中左圖為該組態之示意性側面剖視圖且右圖為展示該經墨水塗佈之晶圓及該遮罩晶圓之示意性俯視圖。
圖17為包含底部經墨水塗佈之晶圓、中部遮罩、頂部覆蓋物晶圓及間隔件之晶圓組態之示意圖的組合；其中左圖為該組態之示意性側面剖視圖且右圖為展示該經墨水塗佈之晶圓及該遮罩晶圓之示意性俯視圖。
圖18為代表性遮罩之照片影像。
圖19A為含有圖14中所描繪之經墨水塗佈之晶圓的摻雜劑分佈曲線圖及氧計數相對於晶圓深度曲線圖之圖。
圖19B為含有圖14中所描繪之遮罩的摻雜劑分佈曲線圖及氧計數相對於晶圓深度曲線圖之圖。
圖20為圖15中所描繪之經墨水塗佈之晶圓的圖之組合，其中左圖為晶圓之照片影像且右圖為晶圓之示意圖。
圖21為圖15中所描繪之覆蓋物晶圓的圖之組合，其中左圖為晶圓之照片影像且右圖為晶圓之示意圖。
圖22為圖15中所描繪之遮罩的照片影像。
圖23為圖16中所描繪之經墨水塗佈之晶圓的照片影像。
圖24為圖16中所描繪之遮罩的示意圖。
圖25為圖17中所描繪之經墨水塗佈之晶圓的圖之組合，其中左圖為晶圓之照片影像且右圖為晶圓之示意圖。
圖26為圖17中所描繪之遮罩晶圓的圖之組合，其中左圖為遮罩之照片影像且右圖為遮罩之示意圖。
圖27為包含底部覆蓋物、中部遮罩及頂部經墨水塗佈之晶圓之晶圓組態的示意圖之組合，其中左圖為該組態之示意性側面剖視圖且右圖為該遮罩之示意性俯視圖。
圖28為圖27中所描繪之晶圓及遮罩之示意圖的組合，其中左圖為經墨水塗佈之晶圓的示意圖，中圖為遮罩之示意圖，且右圖為覆蓋物晶圓之示意圖。
圖29為堆疊晶圓組態之橫截面的示意圖。
圖30為在1050℃下以堆疊組態用7 nm經摻雜矽粒子加工12小時之矽晶圓的SEM影像之組合，其中左圖及右圖分別 為樣品之正表面及背表面的SEM影像。
圖31為在1050℃下以堆疊組態用7 nm經摻雜矽粒子加工12小時之矽晶圓之橫截面的SEM影像，其中該SEM影像為在染色-蝕刻後得到。
圖32為在1050℃下以堆疊組態用7 nm經摻雜矽粒子加工12小時之矽晶圓樣品之橫截面的SEM影像，其中該SEM影像在BOE處理之前得到。
圖33為在1050℃下以堆疊組態用7 nm經摻雜矽粒子加工12小時之矽晶圓樣品之橫截面的SEM影像，其中該SEM影像在BOE處理之後得到。
圖34為在1050℃下以堆疊組態用20 nm經摻雜矽粒子加工1小時之矽晶圓樣品之橫截面的TEM影像之組合，其中左圖及右圖中之影像係在不同放大倍數下獲得。
圖35為在1050℃下以堆疊組態用20 nm經摻雜矽粒子加工1小時之矽晶圓樣品之TEM影像(左圖)及SAED圖案(右圖)的組合，其中該SAED圖案獲自再結晶墨水層。
圖36為在1050℃下以單一晶圓組態用7 nm經摻雜矽粒子加工1小時之矽晶圓樣品之橫截面的TEM影像，其中該TEM影像係在第一放大倍數下獲得。
圖37為在1050℃下以單一晶圓組態用7 nm經摻雜矽粒子加工1小時之矽晶圓樣品之橫截面的TEM影像，其中該TEM影像係在第二放大倍數下獲得。
圖38為在1050℃下以單一晶圓組態用7 nm經摻雜矽粒子加工1小時之矽晶圓樣品之橫截面的TEM影像，其中該 TEM影像係在第三放大倍數下獲得。
圖39為在1050℃下以單一晶圓組態用7 nm經摻雜矽粒子加工1小時之矽晶圓樣品之橫截面的TEM影像，其中該TEM影像係在第四放大倍數下獲得。
圖40為在1050℃下以堆疊組態用20 nm經摻雜矽粒子加工1小時之矽晶圓樣品之TEM影像及SAED圖案的組合，其中該SAED圖案獲自在摻雜劑驅入後以矽奈米粒子形成之多孔燒結微粒層。
圖41為在1050℃下以堆疊組態用7 nm經摻雜矽粒子加工1小時之矽晶圓樣品之橫截面的SEM影像之組合，其中左圖及右圖中之SEM影像分別在BOE處理之前及之後得到。
圖42為在BOE處理後得到的在1050℃下以堆疊組態用20 nm經摻雜矽粒子加工1小時之矽晶圓樣品之橫截面的SEM影像之組合，其中左圖及右圖中之SEM影像係在不同放大倍數下得到。
圖43為在900℃下以堆疊組態用7 nm經摻雜矽粒子加工0.5小時之矽晶圓樣品之橫截面的SEM影像。
圖44為在900℃下以堆疊組態用7 nm經摻雜矽粒子加工1小時之矽晶圓樣品之橫截面的SEM影像。
圖45A為在1050℃下以堆疊組態用20 nm經摻雜矽粒子加工1小時之樣品表面之SEM影像的組合，其中左圖及右圖分別為該樣品之正表面及背表面的SEM影像。
圖45B為呈現在1050℃下以堆疊組態用20 nm經摻雜矽粒子加工1小時之樣品之橫截面的SEM影像(左圖)及同一樣品 之摻雜劑分佈曲線圖(右圖)之組合。
圖46A為含有在1050℃下以堆疊組態用20 nm經摻雜矽粒子加工1小時之矽晶圓樣品的摻雜劑分佈曲線圖及氧計數相對於晶圓深度曲線圖之圖。
圖46B為含有在1050℃下以堆疊組態用7 nm經摻雜矽粒子加工1小時之矽晶圓樣品的摻雜劑分佈曲線圖及氧計數相對於晶圓深度曲線圖之圖。
圖47為含有用20 nm經摻雜矽粒子及障壁層加工之樣品的摻雜劑分佈曲線圖及氧計數相對及晶圓深度曲線圖的圖。
圖48為含有用障壁層加工之矽晶圓樣品及以堆疊組態加工之樣品之摻雜劑分佈曲線圖的圖。
圖49A為用7 nm經摻雜矽粒子加工且用障壁層罩蓋之矽晶圓樣品之表面的SEM影像。
圖49B為用7 nm經摻雜矽粒子加工且用障壁層罩蓋之矽晶圓樣品之橫截面的SEM影像。
圖50A為用20 nm經摻雜矽粒子加工且用障壁層罩蓋之矽晶圓樣品之表面的SEM影像。
圖50B為用20 nm經摻雜矽粒子加工且用障壁層罩蓋之矽晶圓樣品之橫截面的SEM影像。
圖51為用20 nm經摻雜矽粒子加工且用障壁層罩蓋之矽晶圓樣品之橫截面的SEM影像，其中該SEM影像在BOE處理後得到。
圖52為用7 nm粒子加工且用障壁層罩蓋之矽晶圓樣品之 表面的SEM影像，其中該SEM影像在BOE處理0.5小時後得到。
圖53為具有7 nm經摻雜矽粒子且用障壁層罩蓋之矽晶圓樣品之表面的SEM影像之組合，其中該影像在BOE處理後得到。左圖及右圖係在不同放大倍數下獲得。
圖54為用7 nm經摻雜矽粒子加工且用障壁層罩蓋之矽晶圓樣品之橫截面的SEM影像之組合，其中左圖及右圖係在不同放大倍數下獲得。
圖55為用7 nm經摻雜矽粒子加工且用障壁層罩蓋之矽晶圓樣品的摻雜劑分佈曲線圖。
圖56為用7 nm經摻雜矽粒子加工且用障壁層罩蓋並進行染色-蝕刻之矽晶圓樣品之橫截面的SEM影像。

Claims (10)

  1. 一種摻雜劑來源組合物，其包含溶劑、玻璃/陶瓷前驅體組合物及選自由經摻雜矽奈米粒子、經摻雜二氧化矽奈米粒子或其組合組成之群的經摻雜粒子之摻合物。
  2. 如請求項1之摻雜劑來源組合物，其中該玻璃/陶瓷前驅體組合物包含旋塗式玻璃組合物。
  3. 如請求項1之摻雜劑來源組合物，其中該玻璃/陶瓷前驅體組合物包含以熱方法轉化為金屬/類金屬氧化物之溶膠-凝膠。
  4. 如請求項1之摻雜劑來源組合物，其包含約1重量%至約40重量%矽奈米粒子。
  5. 如請求項1之摻雜劑來源組合物，其中該溶劑包含醇。
  6. 如請求項1之摻雜劑來源組合物，其中該等經摻雜粒子包含經摻雜矽粒子。
  7. 一種摻雜矽基材之方法，該方法包含：加熱具有經摻雜矽奈米粒子沈積物之矽基材，以將摻雜劑原子驅入該矽基材中；及使用快速熱加工來燒結該等經摻雜矽奈米粒子，以形成自該矽基材的表面延伸之經摻雜矽的實質上熔融塗層，其中該快速熱加工之使用包含自加熱燈引導輻射至該經摻雜矽奈米粒子沈積物。
  8. 一種摻雜矽基材之方法，該方法包含：加熱具有經摻雜矽奈米粒子沈積物之矽基材，以將摻雜劑原子驅入該矽基材中；及 使用快速熱加工來燒結該等經摻雜矽奈米粒子，以形成自該矽基材的表面延伸之經摻雜矽的實質上熔融塗層，其中該使用該快速熱加工之步驟係在該加熱以將摻雜劑原子驅入該矽基材中之後進行。
  9. 一種半導體結構，其包含：平均厚度為至少約5微米之矽基材；深度為至少約0.25微米且摻雜劑濃度超過整體濃度至少100倍之經摻雜表面區域；及自該矽基材的表面延伸之實質上熔融經摻雜矽之塗層，其中該實質上熔融經摻雜矽係經圖案化。
  10. 如請求項9之半導體結構，其中該實質上熔融經摻雜矽中之一些矽包含p型摻雜劑且該實質上熔融經摻雜矽中之一些矽包含n型摻雜劑。
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