用于形成硅外延層的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于形成高品質(zhì)的硅外延層的新工藝，該硅外延層具有的晶粒尺寸大 于或等于1〇〇ym。
【背景技術(shù)】
[0002] 光伏市場(chǎng)正經(jīng)歷強(qiáng)勁增長(zhǎng)和應(yīng)用的多樣化。這種持續(xù)的增長(zhǎng)使得必須能夠降低主 要用硅生產(chǎn)的太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)成本。傳統(tǒng)工藝在于，將大約200ym厚的硅晶圓用作太陽(yáng) 能電池的基礎(chǔ)支撐件。
[0003] 光伏電池的制造成本的減少包括在生產(chǎn)所述電池的過程中減少硅的消耗。要做到 該點(diǎn)，一個(gè)解決方案在于，在被稱為襯底的機(jī)械支撐件上，沉積厚度為數(shù)十微米的薄硅層。
[0004] 出于對(duì)光伏電池生產(chǎn)這樣的薄硅層的目的，已經(jīng)進(jìn)行了大量研宄。由于經(jīng)濟(jì)原因， 故這些層應(yīng)該理想地以工業(yè)上可接受的沉積速率沉積于廉價(jià)襯底上，由于該工藝的生產(chǎn)率 的原因，該沉積速率通常要大于1yrn?min'薄硅層也應(yīng)當(dāng)在化學(xué)上是純的，且具有的晶 體結(jié)構(gòu)特征在于具有尺寸大于100ym、優(yōu)選大于1mm的顆粒。
[0005] 襯底的性質(zhì)的選擇以及所沉積的硅層的晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，取決于進(jìn)行沉積時(shí)的溫 度。
[0006] 因此，當(dāng)例如通過PVD(物理氣相沉積）或CVD(化學(xué)氣相沉積）在低溫下進(jìn)行沉 積時(shí)，可以使用玻璃或者聚合物類型的廉價(jià)襯底。然而，這些層是以約lnmmirT1的沉積速 率來(lái)獲取，所沉積的硅在性質(zhì)上是非晶的或者微晶的，且具有的顆粒尺寸為lnm到100nm。 對(duì)于這種類型的薄層，獲得低能量轉(zhuǎn)換產(chǎn)率，通常最大是約10%。
[0007] 在較高的溫度（>700°C)下，例如通過CVD，可以以約每分鐘數(shù)微米的沉積速率獲 得1ym和10ym之間的顆粒尺寸的多晶硅層。然而這些沉積技術(shù)需要使用適合高溫的襯 底。所述襯底必須具有良好的耐熱沖擊性和充分接近硅的熱膨脹系數(shù)，以便避免在冷卻過 程中在硅層中產(chǎn)生的熱機(jī)械應(yīng)力。因此，這些條件將襯底的選擇減少到具有高熔點(diǎn)的陶瓷 類型的材料（多鋁紅柱石、二氧化硅、氧化鋁等），其成本通常很高。此外，通過襯底的雜質(zhì) 對(duì)沉積層的擴(kuò)散，這些襯底的使用會(huì)引起沉積層純度的降低。
[0008] 為了獲得可獲得較高的能量轉(zhuǎn)換產(chǎn)率的粗粒料（尺寸大于100ym，優(yōu)選為1mm)， 已經(jīng)提出實(shí)施基于使用大顆粒的晶體硅襯底的外延技術(shù)。例如，被稱為"外延晶片等價(jià) 物"（EPiWE，EpitaxialWafer-Equivalent) [1]的技術(shù)是基于使用源于微電子廢料或者理 想地源于高純冶金級(jí)娃（UMG-Si，upgradedmetallurgicalgradeSi)的"低成本"強(qiáng)摻雜 的硅襯底。
[0009] 已經(jīng)提出各種沉積技術(shù)用于生產(chǎn)具有厚度在5ym和30ym之間的娃外延層[2]， 且生長(zhǎng)速率大于1ym?mirf1。
[0010] -方面，液相外延（LPE，liquidphaseepitaxy)技術(shù)使用由娃和金屬溶劑的混合 物組成的液浴，通過混合物的過度飽和，液浴的冷卻可以沉積硅。
[0011] 另一方面，氣相沉積技術(shù)（CVD或化學(xué)氣相沉積）通過硅基前體（通常是SiH4或者 SiHCl3)的熱分解可以獲得硅層。對(duì)于1000°C到1200°C的襯底溫度，可以獲得數(shù)ymmirT1 的生長(zhǎng)速率[2]。遺憾的是，為了獲得高質(zhì)量的層，這些技術(shù)通常需要使用高純硅的襯底，該 高純硅通常摻硼或者摻磷（P型或者n型摻雜的微晶硅（CZ))。事實(shí)上，當(dāng)使用較便宜的襯 底（例如，UMG-Si預(yù)純化的冶金級(jí)硅）時(shí)，發(fā)生由襯底的雜質(zhì)所形成的層的污染。然后必 須進(jìn)行阻擋層（例如SiC)的沉積，從而增加工藝的復(fù)雜性和成本[3]。此外，由于難以局部 化用于產(chǎn)生沉積物的氣流，這些氣相沉積工藝通常表現(xiàn)出低的材料效率。因此這些沉積不 僅發(fā)生在襯底上，而且也發(fā)生在反應(yīng)器的整個(gè)表面上。
[0012] 仍然在氣相沉積領(lǐng)域中，還已經(jīng)提出熱等離子體化學(xué)氣相沉積（TP-CVD，thermal plasmachemicalvapordeposition)的另一技術(shù)。通過TP-CVD，可以在約 250mbar的較 高工作壓力下生產(chǎn)層，這使得可以實(shí)現(xiàn)所需的大約數(shù)ymmirT1的沉積速率。例如，該技術(shù) 已經(jīng)被用于生產(chǎn)金剛石碳、ZnO、SiC和Si3N4的沉積物[4]。在低壓配置和低溫下，使用電 弧等離子體，TP-CVD技術(shù)也被提出用于非晶硅層或微晶硅層的沉積[5]。然而，通過該工藝 獲得的層不具有期望的晶粒尺寸。同樣，TP-CVD工藝引起由等離子體從在整個(gè)沉積室中的 前體所解離出的物質(zhì)的擴(kuò)散，這對(duì)整個(gè)工藝的材料產(chǎn)率是不利的。
[0013] 因此，當(dāng)前可用的技術(shù)不能容易地在便宜的基礎(chǔ)襯底上獲得具有高的晶粒尺寸的 薄硅外延層，該薄硅外延層還具有大于1ym?mirT1的沉積速率和良好的材料產(chǎn)率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 本發(fā)明的確切目的是提供滿足上述需求的方法。
[0015] 因此，本發(fā)明涉及用于通過氣相外延生長(zhǎng)在至少一個(gè)硅襯底的表面處形成晶粒尺 寸大于或者等于100ym的晶體硅層的方法，至少包括如下步驟：
[0016] (i)提供顆粒尺寸大于或者等于100ym的娃襯底，該娃襯底包括按重量計(jì)lOppb 到lppm的金屬雜質(zhì)含量；以及
[0017] (ii)通過感應(yīng)等離子體焰炬分解至少一種硅前體，在1000°C和1300°C之間的溫 度下的所述襯底的表面處形成所述硅層，
[0018] 在步驟（ii)中，所述襯底的用于支撐硅層的表面被定位成接近等離子體焰炬的 出口。
[0019] 具體而言，通過在距等離子體焰炬的出口小于或者等于10cm的距離（d)處保持所 述襯底的待涂覆的表面，進(jìn)行硅層的沉積。
[0020] 出于本發(fā)明的目的，"等離子體焰炬的出口"被認(rèn)為是等離子體裝置或涂抹器的下 基底，換句話說，通常圓柱形管的下基底，圓柱形管中，等離子體被處理。
[0021] 出乎意料地，發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過將待涂覆的襯底定位在等離子體焰炬下游附 近，可以獲得高晶體尺寸和極佳結(jié)晶質(zhì)量的硅外延層，其特別適用于應(yīng)用在光伏電池中。該 方法是更加令人驚訝的，這是由于已知通過焰炬的供熱（通過對(duì)流傳遞和/或電磁耦合） 在襯底內(nèi)生成溫度梯度。當(dāng)其發(fā)生在根據(jù)該工藝所用的溫度（大于l〇〇〇°C)下時(shí)，由于硅 具有塑性特征，溫度梯度能夠產(chǎn)生位錯(cuò)密度的倍增。因此，可以預(yù)期，將襯底放置在焰炬的 出口的附近會(huì)導(dǎo)致材料性質(zhì)的降低。令人驚訝地，發(fā)明人已經(jīng)注意到，通過本發(fā)明的方法所 形成的層具有極佳的結(jié)晶質(zhì)量，特別具有的位錯(cuò)密度為小于l〇5/cm2,且可達(dá)到lOVcm2。
[0022] 本發(fā)明的工藝在多個(gè)方面中證明是有利的。
[0023] 首先，可以獲得從尺寸大于或等于100ym、特別地大于或等于500ym且更優(yōu)選大 于或等于1mm的晶粒所形成的晶體硅層。有利地，當(dāng)這樣的晶體結(jié)構(gòu)用于光伏電池時(shí)，其確 保高的能量轉(zhuǎn)換產(chǎn)率。
[0024] 此外，有利地，本發(fā)明的工藝可以不必使用昂貴的硅襯底。事實(shí)上，可以使用便宜 的娃（高純冶金級(jí)娃（UMG-Si))制成的襯底。例如，這樣的娃襯底來(lái)源于通過定向性凝固 產(chǎn)生的硅鑄塊。因此，本發(fā)明的工藝中所用的硅襯底可以包括一定含量的金屬雜質(zhì)（例如 Fe，Cr，A1等），該金屬雜質(zhì)按重量計(jì)其含量達(dá)lppm。
[0025] 作為用于光伏應(yīng)用的襯底，盡管UMG-Si類型的襯底通過定向性凝固進(jìn)行預(yù)純化， 然而從金屬雜質(zhì)擴(kuò)散進(jìn)入所形成的層的問題的角度來(lái)看，UMG-Si類型的襯底的使用決不是 顯而易見的。出乎預(yù)料地，發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，源于通過定向性凝固純化的硅鑄塊的"低成本" 硅襯底的使用以及按重量計(jì)在lOppb到lppm之間的總金屬雜質(zhì)濃度，不產(chǎn)生由襯底的雜質(zhì) 帶來(lái)的外延層的污染，有利地，這可以免除擴(kuò)散-阻擋層的沉積。
[0026] 同樣，由于來(lái)自冶金工業(yè)的"低成本"硅襯底通常是強(qiáng)摻雜的，特別是強(qiáng)摻雜有按 重量計(jì)至少lOppm的硼和lOppm的磷，故它們可以有利地充當(dāng)用于由這樣的襯底制成的光 伏電池的后電極，且因此具有除了它們的機(jī)械支撐功能之外的電氣功能。
[0027] 此外，根據(jù)本發(fā)明的工藝的熱等離子體沉積有利地可以實(shí)現(xiàn)高的硅外延層生長(zhǎng)速 率，同時(shí)增加材料效率。來(lái)自等離子體焰炬的等離子體流導(dǎo)致相當(dāng)大的能量供應(yīng)，這會(huì)減少 用于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)