清潔矽基底的表面的方法

2023-09-17 13:37:35

專利名稱：清潔矽基底的表面的方法
清潔矽基底的表面的方法本發明涉及一種清潔用於異質結(heterojunction)太陽能電池製造的娃基底的表面的方法。結晶矽太陽能電池由於它們的高效率被廣泛應用在光伏產業中。甚至對於由非常薄的矽晶片( IOOiim(微米))製得的太陽能電池，異質結太陽能電池可被使用以得到高效率(> 22% )。已知的是在使具有結構化表面的步驟之後，矽基底經過溼化學蝕刻工藝來清潔矽基底的表面，即，來移除在基底表面上自然形成的二氧化矽(SiO2)層。從文獻Katrn Reinhardt 和 Werner Kern, 「Handbook of Semiconductor Wafer Cleaning Technology，，第2版(2007)中，溼化學法是已知的。溼化學清潔方法需要使用諸如那些基於例如氫氟酸(HF)和去離子水的溶液。然而在那些溼法中使用的相對大量的去離子水和化學物質代表了主要的汙染源和導致高製造成本。因此，本發明的目標是提供一種使用能夠避免使用汙染液體化學物質和減少製造成本的幹法技術清潔矽基底的表面的方法。為了此目的，本發明提供了一種清潔矽基底的表面的方法，所述的表面最初為二
氧化矽層所覆蓋。根據本發明，所述方法包含以下步驟a)在反應室中將所述表面暴露於由氟化氣體產生的射頻等離子體下，導致二氧化矽層剝離，並且使氟化元素被吸附到矽基底的表面上，所述的暴露在60s (秒)到900s的範圍的時間內進行，由等離子體產生的功率密度在10mW/cm2 (毫瓦每平方釐米)到350mW/cm2範圍內，在反應室中的氟化氣體的壓力為IOmTorr [毫託]到200mTorr，矽基底的溫度為300°C或更低；以及b)在反應室中將所述包括氟化元素的表面暴露於氫射頻等離子體下，以從基底的表面消除氟化元素，所述的暴露在5S (秒)到120s的範圍的時間內進行，由等離子體產生的功率密度在10mW/cm2到350mW/cm2範圍內，在反應室中的氫的壓力為IOmTorr [毫託]到ITorr，矽基底的溫度為300°C或更低。在各種可能的實施方案中，本發明還提供以下可單獨或者以任何它們的技術上可行的組合考慮的特徵，每一個提供專門的優勢-在步驟a)和b)中，射頻等離子體的功率是10W[瓦特];-在步驟a)中，使用的氟化氣體是SiF4氣體；-在步驟a)中，反應室中SiF4的壓力是30mTorr;和-步驟a)進行380s的時間；-在步驟a)和b)中，矽基底的表面的溫度是150°C;-步驟b)的持續時間是30s，反應室中氫的壓力是500mTorr；-反應室是等離子體增強化學氣相沉積反應器的室。因此，本發明提供了一種使用能夠避免使用汙染液體化學物質和減少製造成本的幹法技術清潔矽基底的表面的方法。另外，用本發明的方法得到基底的電光性質接近於用現有技術的溼法技術得到的那些。所述方法還可以被用於實施在包含多個反應室(用於形成結構，蝕刻，沉積)的簇中的太陽能電池的製造的主要步驟。不同的真空室相互連通，因此避免外部汙染物對基底的汙染。以下根據附圖
詳細描述本發明，在其中-圖I表示對於在步驟a)中使用的不同SiF4/H2之比的E2值；
-圖2表示在步驟a)中作為暴露於SiF4等離子體的時間的函數E2的幅度。在本發明的一個實施方案中，清潔最初為原生的(native) 二氧化矽層所覆蓋的矽基底的表面的方法包括在反應室中將表面暴露於由氟化氣體產生的射頻等離子體的步驟a)，通過氣相蝕刻(幹法技術)導致二氧化矽層剝離。將氟化氣體注入到等離子體增強化學氣相沉積反應器(PECVD)的反應室中。等離子體被包含氟基元素(分子、原子、離子)的射頻電壓(RF)激發。該步驟a)在從60s到900s範圍的時間內進行。等離子體的功率是在IW到30W，相應的功率密度在10mW/cm2到350mW/cm2範圍內。氟化氣體的壓力為IOmTorr [毫託]至Ij200mTorro氟化(或者氟基)氣體優選是SiF4氣體。其他可以使用的氟化氣體是例如SF6。該步驟a)包含在矽基底的表面上固定或者吸收氟化元素，導致表面缺陷，特別是斷裂的Si鍵。清潔娃基底的表面的方法還包括將包含氟化兀素的娃基底的表面暴露於氫射頻等離子體以從矽基底的表面上移除氟化元素的步驟b)。在步驟a)和b)中得到的等離子體是低溫等離子體(300°C或更低的溫度)。該步驟b)在5s到120s範圍的時間內進行，並等離子體功率在IW到30W的範圍內(功率密度在10mW/cm2到350mW/cm2範圍內)。氫壓力是在IOmTorr到ITorr範圍內。步驟a)和b)在操作在13. 56MHz [兆赫]的頻率下的傳統的等離子體增強化學氣相沉積反應器(PECVD)中進行。在步驟a)和b)中，矽基底的溫度是300 V或更低。本發明的清潔方法可被用於任何類型的矽基底，例如，單晶(C-Si)或者多晶，P-或n-摻雜的，和具有取向〈100〉、或〈111〉，例如具有在0. 5 Q . cm[歐姆-釐米]到30 cm範圍內的電阻率。娃基底的假-介電常數(Im[ e ])的假想部分(imaginary portion)可以在I. 5eV(電子伏特)到4. 5eV的能量範圍內通過UV-可見光橢圓光度法(ellipsometry)來測量。E2表示在4. 2eV的Im[ e ]值(Im[ e ]峰)。E2的幅度(amplitude)與矽基底的表面質量和基底表面上SiO2存在有關。圖I表示，對於不同的SiF4/H2之比，暴露於RF等離子體中5分鐘後的E2的值I。
橫軸2表示SiF4/H2之比，並且縱軸3表示E2的幅度。
隨著SiF4/H2之比，E2的幅度增加到對於純的SiF4等離子體的最大值4。這些結果表明，在步驟a)中，與基於SiF4/H2混合物的等離子體相比，使用純的SiF4等離子體在蝕刻原生SiO2方面是更加有效的。圖2表示作為暴露於SiF4等離子體的時間6的函數的E2的幅度5，對於4種不同的基底和兩種基底溫度，1500C (曲線7)，和200°C (曲線8)。圖A對應於具有在14 Q . cm到22 Q . cm範圍內的電導率的p_摻雜基底CZ〈100>。圖B對應於具有在5 Q . cm到10 Q . cm範圍內的電導率的p_摻雜基底FZ〈100>。圖C對應於具有在I Q . cm到5 Q . cm範圍內的電導率的n_摻雜基底FZ〈100>。 圖D對應於具有在I Q . cm到5 Q . cm範圍內的電導率的n_摻雜基底FZ〈111>。等離子體的功率是IOW ;反應室中的壓力是30mTorr, SiF4流率是100sccm[標準立方釐米每分鐘]。一般來說，對於所有的基底，在開始暴露於等離子體時，E2的幅度降低。在這個階段，在從矽基底的表面上幹法蝕刻SiO2期間，等離子體產生粗糙。在較長的等離子體暴露期後，由於SiO2完全剝離，E2的幅度增加到最大9。對於更長等離子體暴露時間，由於通過用SiF4等離子體蝕刻矽產生的基底表面的粗糙，E2的幅度降低。E2的幅度達到最大需要的時間取決於基底的溫度。在200°C，對於4種基底類型，優選的蝕刻時間是約300s，當溫度在150°C時，優選的蝕刻時間是約380s。當SiO2在2001的基底溫度下被等離子體蝕刻時，該E2的幅度大於對應於用150 0C的基底溫度實施蝕刻的，這暗示著更好的基底質量。然而，清潔的基底的高E2值不一定暗示著表面的電子性質適用於太陽能電池。為了優化清潔方法，在使用SiH4等離子體使基底的表面鈍化的步驟後表徵矽基底是必要的。這個鈍化步驟通過用a_Si:H矽的層覆蓋基底的表面來實現。不同處理方法已經在用於暴露至SiF4等離子體的步驟a)和a_Si:H沉積之間被用於結晶娃基底。這些研究在表I中概述。使用具有在I Q. cm到5 Q. cm範圍內的電導率和280 iim的厚度的FZ〈100>n-型摻雜基底。在消除原生SiO2後，然後使用純SiH4等離子體將40納米的a-Si:H層沉積在基底的兩面上，而不破壞反應室中的真空。以下表I中的研究用於定義優化用於有效清潔所述矽基底的處理條件。
權利要求
1.一種清潔矽基底的表面的方法，所述的表面被二氧化矽層覆蓋；其特徵在於，所述方法包含以下步驟 a)在反應室中將所述表面暴露於由氟化氣體產生的射頻等離子體下，導致二氧化矽層的剝離，並且使氟化元素被吸附到矽基底的表面上，所述的暴露在60s到900s的範圍的時間內進行，由等離子體產生的功率密度在lOmW/cm2到350mW/cm2的範圍內，在反應室中的氟化氣體的壓力為IOmTorr到200mTorr，矽基底的溫度為300°C或更低；以及 b)在所述反應室中將包括氟化元素的所述表面暴露於氫射頻等離子體下，以從基底的表面消除氟化元素，所述暴露在5s到120s的範圍的時間內進行，由等離子體產生的功率密度在10mW/cm2到350mW/cm2的範圍內，反應室中氫的壓力在IOmTorr到ITorr,娃基底的溫度為300°C或更低。
2.根據權利要求I所述的清潔矽基底的表面的方法，其特徵，在於在步驟a)和步驟b)中，射頻等離子體的功率是10W。
3.根據權利要求I或2所述的清潔矽基底的表面的方法，其特徵，在於在步驟a)中，使用的氟化氣體是SiF4氣體。
4.根據權利要求I到3中任一項所述的清潔矽基底的表面的方法，其特徵在於，在步驟a)中，在反應室中SiF4氣體的壓力是30mTorr。
5.根據權利要求I到4中任一項所述的清潔矽基底的表面的方法，其特徵在於，步驟a)進行380s的時間。
6.根據權利要求I到5中任一項所述的清潔矽基底的表面的方法，其特徵在於，在步驟a)和步驟b)中，矽基底的溫度是150°C。
7.根據權利要求I到6中任一項所述的清潔矽基底的表面的方法，其特徵在於，步驟b)的時間是30s，在反應室中的氫壓力是500mTorr0
8.根據權利要求I到7中任一項所述的清潔矽基底的表面的方法，其特徵在於，反應室是等離子體增強化學氣相沉積反應器的室。
全文摘要
本發明提供了一種清潔矽基底的表面的方法，所述的表面最初用二氧化矽層覆蓋。該方法包含以下步驟a)在反應室中將所述表面暴露於由氟化氣體產生的射頻等離子體下，導致二氧化矽層剝離，並且使氟化元素被吸附到矽基底的表面上，所述的暴露進行在60s到900s的範圍內的時間，由等離子體產生的功率密度在10mW/cm2到350mW/cm2範圍內，在反應室中的氟化氣體的壓力在10mTorr到200mTorr，矽基底的溫度在300℃或更低；以及b)在反應室中將所述包括氟化元素的表面暴露於氫射頻等離子體下，以從基底的表面消除氟化元素，所述的暴露進行在5s到120s的範圍內的時間，由等離子體產生的功率密度在10mW/cm2到350mW/cm2範圍內，在反應室中的氫的壓力在10mTorr到1Torr，矽基底的溫度在300℃或更低。
文檔編號C30B33/12GK102648533SQ201080047800
公開日2012年8月22日 申請日期2010年8月23日 優先權日2009年8月24日
發明者M·莫雷諾, P·羅卡伊卡瓦魯卡斯 申請人:科學研究國家中心, 綜合工科學校