TWI615989B - 具角錐結構之矽晶圓及其製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明係提供一種具角錐結構之矽晶圓及其製造方法，執行一蝕刻製程於一矽基板，而形成複數個角錐結構，該些個角錐結構具有複數個尖端。執行一熱氧化製程於矽基板，矽基板之表面氧化反應生成一矽氧化物層，其中該些個角錐結構之該些個尖端之矽材料被進行氧化反應之程度大於非尖端之矽材料，而鈍化該些個角錐結構之該些個尖端。執行一去除矽氧化物製程，以除去該矽氧化物層。如此披覆一薄膜於該些個角錐結構之表面，而不受該些個角錐結構之該些個尖端影響，而能將薄膜完整披覆於該些個角錐結構之表面。

Description

具角錐結構之矽晶圓及其製造方法

本發明係有關於一種矽晶圓及其製造方法，尤指一種具角錐結構之矽晶圓及其製造方法。

近年來由於大量的能源需求以及環保意識的抬頭，找尋石油燃料的替代能源成為許多國家投入研究的主題，太陽能就是其中一種再生能源的選擇，因此太陽能電池因應而生，太陽能電池具有壽命長、低汙染、直流發電的優點，太陽能電池的種類相當的多包含矽基晶片型、非晶矽薄膜型、化合物型等，而現今太陽能電池技術以矽基晶片型為主體的製程技術相當成熟。

在矽基太陽能電池中，角錐抗反射結構是必要的製程之一，此結構可大幅降低太陽光能量之反射損失而使太陽能電池的轉換效率提升。利用表面結構來降低入射光反射的方法相當的常見且容易製作，以矽基太陽能電池為例，利用單晶矽的各晶格方向對鹼蝕刻液有不同抵抗能力的非等向性蝕刻(Anisotropic etching)特性，可在＜100＞面晶格方向之矽基板上做出角錐結構，利用此結構即可降低入射光的反射率。

這樣的方法雖然很簡單且成本低，但還是存在一些缺點，首先這樣的方法只是用於以單晶矽為主體的太陽能電池，所以對非晶薄膜型、化合物型的電池不適用，另外角錐結構的形狀也會影響後續製程的薄膜沉積，例如鍍上透明導電膜、金屬電極時因為結構存在銳利的尖端形狀，此處不易沉積材料導致後續薄膜製程厚度均勻性不佳。

故，本發明針對於習知技術之缺點進行改良，而提供一種形成角錐結構之方法及其所製成芝光電半導體結構，其針對於角錐結構的製程進行改良，如此方式能夠減少蝕刻所產生的問題。另外，也能進一步利用消除銳角的方式，使角錐結構能進一步增加披覆功效。

本發明之一目的，在於提供一種具角錐結構之矽晶圓及其製造方法，其鈍化複數個角錐結構的複數個尖端，以提升薄膜對矽晶圓的表面披覆性，進而提升鈍化效果與太陽能電池之光電轉換效率。

本發明之一目的，在於提供一種具角錐結構之矽晶圓及其製造方法，其可去除蝕刻製程所殘留下之化學汙染。

本發明之一目的，在於提供一種具角錐結構之矽晶圓及其製造方法，其可修飾矽晶圓之表面缺陷。

本發明提供一種具角錐結構之矽晶圓之製造方法，其係包含:提供一矽基板；執行一蝕刻製程於該矽基板上，而形成複數個角錐結構，該些個角錐結構具有複數個尖端；執行一熱氧化製程於該矽基板，該矽基板之表面氧化反應生成一矽氧化物層，其中該些個角錐結構之該些個尖端之矽材料被進行氧化反應之程度大於非尖端之矽材料，而鈍化該些個角錐結構之該些個尖端；以及執行一去除矽氧化物製程，以除去該矽氧化物層。如此藉由熱氧化製程降低蝕刻後所形成之該些個角錐結構的尖銳度，以提升薄膜對矽晶圓的表面披覆性。

本發明提供一實施例，在於揭露該矽基板之晶格方向為＜100＞面。

本發明提供一實施例，在於揭露該蝕刻製程使用之化學溶液成分係選自於氫氧化鉀、氫氧化鈉、乙二胺鄰苯二酚及氫氧化四甲基銨所組成群組中之其中一種。

本發明提供一實施例，在於揭露該熱氧化製程為乾氧熱氧化法或濕氧熱氧化法。

本發明提供一實施例，在於揭露該熱氧化製程之製程溫度為700至1200℃之間。

本發明提供一實施例，在於揭露該去除矽氧化物製程使用之化學溶液成分係選自於氫氟酸及氟化銨所組成群組中之其中一種。

本發明提供一實施例，在於揭露該熱氧化製程之最佳矽氧化層厚度為0.3微米至2微米。

本發明提供一實施例，在於揭露執行一去除矽氧化物製程，以除去該矽氧化物層之步驟後，披覆一薄膜於該矽基板，而完整覆蓋於該些個角錐結構之表面。

另外，本發明提供一種具角錐結構之矽晶圓，其包含一矽基板具有複數個角錐結構與一本體，該些個角錐結構隨機排列設置於該本體上；其中，每一該角錐結構之頂端為一導角結構。

本發明提供一實施例，在於揭露該矽基板之晶格方向為＜100＞面。

本發明提供一實施例，在於揭露該導角結構之角度為0.1微米至2微米。

本發明提供一實施例，在於揭露更包含一薄膜，其設置於該矽基板，而完整覆蓋於該些個角錐結構。

為使　貴審查委員對本發明之特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明，說明如後：

本發明提供一種具角錐結構之矽晶圓之製造方法，其可應用於PERC的太陽能電池與HIT太陽能電池等等之製造方法之中，其中PERC的太陽能電池的特點是利用鈍化技術將正面的射極與背面鈍化，以減少表面缺陷。而背面的鈍化層可以選擇氧化矽(SiO ₂)或是氧化鋁(Al ₂O ₃)，背面的鈍化層同時需要保護層保護。PERC太陽電池由於正、背面都有鈍化層鈍化，減少載子在表面再結合的機會。

再者，HIT太陽電池之結構就是利用N型矽機板之兩面加一層本質型氫化非晶矽薄膜、P型氫化非晶矽薄膜與N型氫化非晶矽薄膜，正反兩面都是以非晶矽薄膜作為鈍化材料。而上述兩種太陽能電池結構皆需要設置鈍化層，以减少太陽能電池之表面缺陷，而達到較好的太陽能電池的光電轉換效率。然，鈍化層為厚度很薄之薄膜，容易造成破損或缺口，而導致同樣會產生鈍化層破損之缺陷。如此本實施例於製作太陽能電池時，於矽基板表面形成之角錐結構，並鈍化角錐結構之尖端。使鈍化層等薄膜結構披覆於矽基板時，不易會因為角錐結構之尖端損壞薄膜結構，而造成鈍化層之缺陷，而降低太陽能電池的光電轉換效率。但本發明並不限制於上述兩種太陽能電池結構之種類，可依據使用者之需求進行使用。

請參閱第1A圖到第2圖，其為本發明之具角錐結構之矽晶圓之製造方法之步驟示意圖一到示意圖四以及步驟流程圖。如圖所示。於本實施例之具角錐結構之矽晶圓之製造方法中，其包含以下步驟。請參閱1A圖，於步驟S1：提供一矽基板12。該矽基板12為單晶材料，其晶格方向為＜100＞面。

於步驟S3：執行一蝕刻製程於該矽基板12上，而形成複數個角錐結構121(近似金字塔狀)，該些個角錐結構121具有複數個尖端1210。其中該蝕刻製程使用之化學溶液成分係選自於為氫氧化鉀、氫氧化鈉、乙二胺鄰苯二酚及氫氧化四甲基銨所組成群組中之其中一種。

承上所述，再請一併參閱第3A圖，其為本發明之具角錐結構之矽晶圓之蝕刻製程後之表面示意圖。如圖所示，當該矽基板12尚未以熱氧化製成進行表面修飾時，於該矽基板12之表面能夠明顯看出該些個角錐結構121之該些個尖端1210。

於步驟S5：執行一熱氧化製程於該矽基板12，該矽基板12之表面氧化反應生成一矽氧化物層120，其中該些個角錐結構121之該些個尖端1210之矽材料被進行氧化反應之程度大於非尖端之矽材料，而鈍化該些個角錐結構121之該些個尖端1210。

於此步驟中，該熱氧化製程對於該矽基板12之該些個角錐結構121之該些個尖端1210部分之矽材料所被氧化反應的程度大於非尖端部分之矽材料，其係由於物理特性之關係。當對於該些個尖端1210進行熱氧化反應，其可由每一該尖端1210之四周表面同時進行氧化作用，如此該些個尖端1210能受到的氧化作用較密集，而非尖端部分之表面則是由單一方向進行氧化作用，所以氧化作用的速度較慢。如此氧化該些個角錐結構121之每一該尖端1210，而漸漸形成一導角結構1220。

再者，由於該些個角錐結構121之該些個尖端1210處相較於非尖端處被氧化的較多，所以產生較厚的該矽氧化物層120之沉積。於此步驟中，使用者可透過控制該矽氧化物層120之沉積厚度的大小(此處指非尖端部分之表面的矽氧化物層120之平均沉積厚度)，以達到調整該些個角錐結構121之該些個尖端1210被氧化後，而形成該導角結構1220之角度。

另外，本實施例之該熱氧化製程為乾氧熱氧化法或濕氧熱氧化法，且該熱氧化製程之製程溫度為700至1200℃之間。於本實施例中，最佳的該矽氧化物層120之厚度(此處指非尖端部分之表面的矽氧化物層120之平均沉積厚度)為0.3微米至2微米之間。而該些個尖端1210氧化後，其形成的該導角結構1220則介於0.1微米至2微米。

於步驟S7：執行一去除矽氧化物製程，以除去該矽氧化物層120。此步驟除去該矽基板12表面沉積之該矽氧化物層12，則可顯露出該矽基板12之該些個角錐結構121之該些個尖端1210被氧化之結構。其中該去除矽氧化物製程使用之化學溶液成分為氫氟酸及氟化銨所組成群組中之其中一種。

承上所述，再請一併參閱第3B圖，其為本發明之具角錐結構之矽晶圓之去除矽氧化物製程後之示意圖。如圖所示，當該矽基板12以熱氧化製成與去矽氧化物製成進行表面修飾時，該矽基板12之該些個角錐結構121之該些個尖端1210能夠明顯看出被氧化，使表面看起來較為圓滑不尖銳，每一該尖端1210被氧化成一導角結構1220。

本發明針對於習知技術之缺點進行改良，習知技術中，矽基太陽能電池中，角錐抗反射結構是必要的製程之一，此結構可大幅降低太陽光能量之反射損失而使太陽能電池的轉換效率提升。傳統製程是透過鹼性蝕刻液"(氫氧化鉀或氫氧化鈉)在矽基板的表面形成類似角錐(pyramid)的結構，但濕蝕刻後之角錐結構過於尖銳，使得薄膜覆蓋不易且容易形成孔洞。故，本發明提供一種具角錐結構之矽晶圓，其透過熱氧化製程修飾該矽基板12之該些個角錐結構121之該些個尖端1210，利用熱氧化對於該些個尖端1210部分與非尖端部分的氧化密度不同，而該些個尖端1210部分的矽材料被氧化的程度較大。如此以氧化該些個角錐結構121之該些個尖端1210，是該些個角錐結構121之該些個尖端1210變得圓滑不尖銳。再者，利用該熱氧化製程對於該矽基板12之表面進行氧化沉積，可修飾該矽基板12有缺陷之表面。另外，以除去矽氧化物製程將矽氧化物層120除去的同時，可一併將該蝕刻製程所殘留下的化學汙染去除。

請一併參閱第4A圖到第5圖，其為本發明之具角錐結構之矽晶圓之製造方法之步驟示意圖五、步驟示意圖六與步驟流程圖。如圖所示，本實施例接續上述步驟S7，進行步驟S9：披覆一薄膜13於該矽基板12，而完整覆蓋於該些個角錐結構121之表面。再接續進行步驟S11：設置至少一電極14於該薄膜13之表面。由於該些個角錐結構121之該些個尖端1210經過修飾後，該些個尖端1210呈該導角結構1220，其該矽基板12之表面圓滑不尖銳，當該薄膜13披覆於該矽基板12之該些個角錐結構121之表面時，不因該些個角錐結構121之該些個尖端1210的尖銳狀，而導致該薄膜13之破損。本實施例能有效提升該薄膜13對於該矽基板12之表面的披覆性。

再者，當該薄膜13能完整披覆於該些個角錐結構121之該些個尖端1210時，太陽能電池的光電轉換方式係將電子以擴散方式傳導至太陽能電池表面之該薄膜13，再經由該薄膜13傳導至該至少一電極，由該至少一電極將電傳導出去。然，當該薄膜13披覆於該些個角錐結構121不完整(即薄膜破損或缺口)時，於該薄膜13之破損處或缺口處容易造成電子與電洞複合，而導致電的傳導率不佳，而造成光電轉換效率的降低。

請參閱第5圖，其為本發明之具角錐結構之矽晶圓之熱氧化製程影響反射率之曲線圖。如圖所示，從紫外光-可見光-紅外光光譜儀量測到的反射結果可知，未經任何處理的該矽基板12反射率(origin)相當高，計算出加權反射率(weight reflectivity)為29.6%，而在矽基板12僅經過鹼蝕刻，而形成該些個角錐結構121後，平均反射率下降到 15.3%，其結果表示該些個角錐結構121能有效降低反射率。再者，該矽基板12經過熱氧化製程，而分別沉積 0.5μm和1μm 兩種厚度的該矽氧化物層120，並移除該係氧化物層120後，該些個角錐結構121反射率稍微上升，分別是17.7%與23.3%。上述說明當該係氧化物層120之沉積厚度增加，而反射率的下降卻會減少，其因該矽基板12表面之該些個角錐結構121中，而有尺寸較小的該些個角錐結構121被氧化，而露出較平坦的表面，同時該些個角錐結構密集度也下降。光若從此處入射將不會受到角錐結構影響，所以反射率升高。故，可藉由控制熱氧化製程所達到該矽氧化物層120之沉積，來調整該矽基板12之抗反射率。

請復參閱第4B圖，於本實施例之具角錐結構之矽晶圓其包含該矽基板12，該矽基板12為單晶材料，其晶格方向為＜100＞面。該矽基板12具有該些個角錐結構121與一本體122，該些個角錐結構121隨機排列設置於該本體122上。其中每一該角錐結構121之頂端1230為一導角結構1220。再者，該導角結構1220之角度為0.1微米至2微米之間。該薄膜13設置於該矽基板12，並完整覆蓋於該些個角錐結構121。

綜合上述，本發明提供一種具角錐結構之矽晶圓及其製造方法，其可降低該矽基板之該些個角錐結構之該些個尖端的尖銳度，可提升薄膜對該矽基板的表面披覆性，進而提升鈍化效果與太陽能電池之光電轉換效率，亦可修飾該矽基板之表面，且去除鹼性蝕刻製程所殘留下之化學汙染。

由上述可知，本發明確實已經達於突破性之結構，而具有改良之發明內容，同時又能夠達到產業上利用性與進步性，當符合專利法之規定，爰依法提出發明專利申請，懇請　鈞局審查委員授予合法專利權，至為感禱。

12‧‧‧矽基板

120‧‧‧矽氧化物層

121‧‧‧角錐結構

122‧‧‧本體

1210‧‧‧尖端

1220‧‧‧導角

1230‧‧‧頂端

13‧‧‧薄膜

14‧‧‧電極

第1A圖：其為本發明之具角錐結構之矽晶圓之製造方法之步驟示意圖一； 第1B圖：其為本發明之具角錐結構之矽晶圓之製造方法之步驟示意圖二； 第1C圖：其為本發明之具角錐結構之矽晶圓之製造方法之步驟示意圖三； 第1D圖：其為本發明之具角錐結構之矽晶圓之製造方法之步驟示意圖四； 第2圖：其為本發明之具角錐結構之矽晶圓之製造方法之步驟流程圖； 第3A圖：其為本發明之具角錐結構之矽晶圓之蝕刻製程後之表面示意圖； 第3B圖：其為本發明之具角錐結構之矽晶圓之去除矽氧化物製程後之示意圖； 第4A圖：其為本發明之具角錐結構之矽晶圓之製造方法之步驟示意圖五； 第4B圖：其為本發明之具角錐結構之矽晶圓之熱氧化製程後之示意圖六； 第5圖：其為本發明之具角錐結構之矽晶圓之熱氧化製程後之步驟流程圖；以及 第6圖：其為本發明之具角錐結構之矽晶圓之熱氧化製程影響反射率之曲線圖。

12‧‧‧矽基板

1210‧‧‧尖端

1220‧‧‧導角結構

Claims (8)

1. 一種具角錐結構之矽晶圓之製造方法，其步驟包含：提供一矽基板；執行一蝕刻製程於該矽基板上，而形成複數個角錐結構，該些個角錐結構具有複數個尖端；執行一熱氧化製程於該矽基板，該矽基板之表面氧化反應生成一矽氧化物層，其中該些個角錐結構之該些個尖端之矽材料被進行氧化反應之程度大於非尖端之矽材料，而鈍化該些個角錐結構之該些個尖端；以及執行一去除矽氧化物製程，以除去該矽氧化物層。
2. 如專利範圍第1項所述之具角錐結構之矽晶圓之製造方法，其中該矽基板之晶格方向為<100>面。
3. 如專利範圍第1項所述之具角錐結構之矽晶圓之製造方法，其中該蝕刻製程使用之化學溶液成分為氫氧化鉀、氫氧化鈉、乙二胺鄰苯二酚及氫氧化四甲基銨所組成群組中之其中一種。
4. 如專利範圍第1項所述之具角錐結構之矽晶圓之製造方法，其中該熱氧化製程為乾氧熱氧化法或濕氧熱氧化法。
5. 如專利範圍第1項所述之具角錐結構之矽晶圓之製造方法，其中該熱氧化製程之製程溫度為700至1200℃之間。
6. 如專利範圍第1項所述之具角錐結構之矽晶圓之製造方法，其中該去除矽氧化物製程使用之化學溶液成分為氫氟酸及氟化銨所組成群組中之其中一種。
7. 如專利範圍第1項所述之具角錐結構之矽晶圓之製造方法，其中該熱氧化製程之最佳該矽氧化層之厚度為0.3微米至2微米。
8. 如專利範圍第1項所述之具角錐結構之矽晶圓之製造方法，其中於執行一去除矽氧化物製程，以除去該矽氧化物層之步驟後，披覆一薄膜於該矽基板，而完整覆蓋於該些個角錐結構之表面。