專利名稱：在硅晶片上形成表面紋理的干法蝕刻方法
在硅晶片上形成表面紋理的干法蝕刻方法優(yōu)先權(quán)本申請要求享有于2010年11月I日提交的美國臨時申請N0.61/409，064且名稱為 “DRY ETCHING METHOD OF SURFACE TEXTURE FORMATION ON SILICON WAFER” 的優(yōu)先權(quán)的權(quán)益,通過引用將其全部內(nèi)容并入本文。
背景技術(shù)：
1.領(lǐng)域本發(fā)明涉及用于太陽能電池的硅晶片技術(shù)，并且更具體地，涉及使用干法蝕刻工藝來形成表面紋理。2.相關(guān)技術(shù)太陽能電池(也稱為光伏(PV)電池)將太陽輻射轉(zhuǎn)化為電能。使用半導(dǎo)體處理技術(shù)來制造太陽能電池，該半導(dǎo)體處理技術(shù)通常包括例如對于各種材料和各種層的沉積、摻雜以及蝕刻。典型的太陽能電池被制作在半導(dǎo)體晶片或基板上，該半導(dǎo)體晶片或基板被摻雜以在該晶片或基板中形成p-n結(jié)。直射在基板表面的太陽輻射(例如，光子)造成基板中的電子空穴對被破壞，導(dǎo)致電子從η摻雜區(qū)遷移到P摻雜區(qū)(即，生成電流)。這在基板的兩個相對表面之間產(chǎn)生電壓差。耦合至電子線路的金屬接觸件聚集了產(chǎn)生在基板中的電能。用于制作太陽能電池的半導(dǎo)體材料是高反射的。為了減小太陽能電池的反射性，使接收太陽輻射的太陽能電池的表面紋理化。減少表面處的反射將增加太陽能電池的效率。使用傳統(tǒng)技術(shù)(例如，濕法紋理化)來產(chǎn)生紋理化表面所制造的太陽能電池通常具有約27%的反射率和僅約12-18%的數(shù)量級的效率。對于那些制造太陽能電池設(shè)備的人而言，為了使太陽能電池的經(jīng)濟價值最大化，提高太陽能電池的效率是關(guān)鍵。另外，在傳統(tǒng)的濕法紋理化法的情況下，由于取決于晶體類型的化學蝕刻特性，因此需要根據(jù)硅晶片的種類(例如，單晶硅晶片、多晶硅)來選擇濕法化學品。為了實現(xiàn)合適的表面紋理，單晶片通常需要基于堿性的化學品，而多晶片需要酸性化學品，而干法蝕刻紋理化的結(jié)果并不取決于晶片的類型是單晶體還是多晶體。

發(fā)明內(nèi)容
為了提供對本發(fā)明一些方面和特征的基本理解，包括了本發(fā)明的以下內(nèi)容。該發(fā)明內(nèi)容不是對本發(fā)明的廣泛概述，因此并不旨在具體確定本發(fā)明的關(guān)鍵或重要元素或劃定本發(fā)明的范圍。其唯一目的就是以簡化的形式作為以下給出的更詳細的描述的序言而呈現(xiàn)本發(fā)明的一些概念。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種系統(tǒng)，包括:娃蝕刻室，其用于執(zhí)行第一蝕刻工藝和第二蝕刻工藝，所述第一蝕刻工藝用于去除在硅晶片上的氧化硅層的一部分，所述第二蝕刻工藝相對于氧化物而言對硅是高選擇性的。該系統(tǒng)還可以包括氧化室，以在硅晶片的表面上形成氧化硅層。該氧化室可以是等離子體氧化室。
該氧化室可以耦合至硅蝕刻室，所以在晶片進入硅蝕刻室之前在所述硅晶片的表面上形成氧化硅層。該系統(tǒng)還可以包括晶片裝載室和晶片卸載室。該系統(tǒng)還可以包括在該晶片裝載室與該等離子體氧化室之間的預(yù)真空鎖和在該硅蝕刻室與該晶片卸載室之間的預(yù)真空鎖。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種制作具有紋理化表面的硅晶片的方法，包括在具有氧化層的硅晶片上執(zhí)行第一硅蝕刻工藝；以及在該硅晶片上執(zhí)行第二硅蝕刻工藝，其中，該第二硅蝕刻工藝相對于氧化物而言更多選擇性地蝕刻硅。還提供了一種由該工藝制作的太陽能電池。該方法還可以包括在硅晶片上執(zhí)行表面氧化工藝以在執(zhí)行第一硅蝕刻工藝之前生長氧化層。該表面氧化工藝可以是等離子體氧化。該第一和第二硅蝕刻工藝可以是干法蝕刻。該干法蝕刻可以是反應(yīng)離子蝕刻、等離子體蝕刻以及物理濺射中的一種。該第二硅蝕刻工藝可以是各向異性蝕刻工藝。根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供一種方法，包括蝕刻在具有缺位和非缺位的硅晶片上的氧化硅層，以去除在非缺位上的氧化硅層的至少一部分；以及選擇性地蝕刻該晶片。還提供一種由該工藝制作的太陽能電池。該方法還可以包括在蝕刻氧化硅層之前生長氧化硅層。生長氧化硅層可以包括氧化硅晶片。在缺位上的氧化硅層可以厚于在非缺位上的氧化硅層。蝕刻該氧化硅層可以包括干法蝕刻該氧化硅層。選擇性蝕刻該晶片可以包括干法蝕刻該晶片。


并入并組成該說明書的一部分的附圖例示了本發(fā)明的實施例，并與描述一起用于說明和示出本發(fā)明的原理。該附圖旨在以圖解的方式來說明示例性實施例的主要特征。該附圖不旨在示出實際實施例的每個特征或所示元件的相對尺寸，且并不是按比例繪制。圖1是示出具有根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的理想紋理化表面的太陽能電池的透視圖。該圖顯示了典型的鈍化發(fā)射極后方接觸(PERC)太陽能電池結(jié)構(gòu)，其由New SouthWales大學(UNSW)利用在單晶硅晶片上的濕法紋理化的前表面研發(fā)而成。圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例在多晶硅晶片上具有典型的太陽能電池紋理化表面的太陽能電池的透視圖。圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例用于制作太陽能電池表面紋理的干法蝕刻系統(tǒng)的概念性且示意性視圖。圖4是示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例用于制作太陽能電池表面紋理的工藝步驟的流程圖。圖5A-5B是示出在預(yù)氧化情況下的干紋理化的結(jié)果的照片，且圖5C- 是示出在無預(yù)氧化情況下的干紋理化的結(jié)果的照片。圖6A-6B示出切割下的晶片表面，圖6C-6D示出在去除損傷層且濕法化學紋理化之后的晶片表面，以及圖6E-6H示出在干法蝕刻紋理化之后的晶片表面。圖7是示出根據(jù)本發(fā)明的實施例利用濕法紋理化和干法紋理化工藝所實現(xiàn)的反射率改善的曲線圖。
圖8A示出濕法紋理化之后的晶片表面，圖8B-8C示出干法紋理化蝕刻之后的晶片表面，且圖8D示出在去除殘留物之后的晶片表面。
具體實施例方式本發(fā)明的實施例是針對用于改善硅晶片的表面反射率的系統(tǒng)和方法。該系統(tǒng)和方法通過執(zhí)行表面氧化和干法蝕刻工藝而在硅晶片上形成紋理化表面，來改善表面反射率。在一個實施例中，使用氧等離子體執(zhí)行表面氧化。在缺位與非缺位之間發(fā)生選擇性氧化。該蝕刻化學隨后轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬τ谘趸瓒哌x擇性地蝕刻硅。干法蝕刻能夠形成納米級紋理化表面，該納米級紋理化表面使光的反射或散射最小化或消除。圖1示出了典型的PERC太陽能電池100，且圖2示出了典型的多晶體太陽能電池150。如圖1和圖2所示，太陽能電池100包括由硅典型形成的基板104。η摻雜層108形成在基板104的表面，并且介電層112 (例如，氧化物)形成在η摻雜層108上，從而一起形成了基板表面116。金屬接觸件120形成在表面116上。P摻雜區(qū)124形成在基板104中，且介電層128和金屬接觸件132形成在P摻雜區(qū)124上。如圖1所示，該理想的太陽能電池100具有表面116，該表面116具有周期性的反向金字塔結(jié)構(gòu)。如圖2所示，另一方面，典型的太陽能電池150的紋理化表面116通常包括微腔或微槽。圖3示出根據(jù)本發(fā)明的實施例用于形成改進的紋理的系統(tǒng)300。如圖3所示，系統(tǒng)300包括用于裝載晶片308的晶片裝載室304、緩沖級/預(yù)真空鎖(1adlock) 308、氧化室316、接口 320、硅蝕刻室324、緩沖級/預(yù)真空鎖328以及晶片卸載室332。晶片308在裝載室304進入系統(tǒng)300，并在進入等離子體氧化室316之前經(jīng)過緩沖級/預(yù)真空鎖308。晶片308在等離子體氧化室316中經(jīng)歷氧化工藝。隨后晶片308在進入硅蝕刻室324之前經(jīng)過接口 320。晶片308在硅蝕刻室324中經(jīng)歷干法蝕刻工藝。在干法蝕刻工藝之后，晶片308在通過晶片卸載室332離開系統(tǒng)300之前經(jīng)過緩沖級/預(yù)真空鎖 328。圖4示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例用于形成紋理化表面的工藝400的流程圖。如圖4所示，工藝400開始于通過執(zhí)行硅表面氧化工藝404以在硅晶片表面形成氧化硅層。在一個實施例中，硅表面氧化工藝404為干氧等離子體工藝?？梢岳斫獾氖强梢允褂闷渌趸に?，例如濕氧化劑化學氧化、諸如熱氧化和RTP氧化的熱工藝氧化等。當形成氧化硅層時，形成在缺位處的氧化層厚于形成在非缺位處的氧化層。硅晶片表面具有遍布整個表面的微晶格邊界和晶格缺位，且通常更易于在缺位處發(fā)生化學反應(yīng)。在這種情況下，在硅表面暴露于氧化劑化學品的情況下，將會在缺位處形成更厚的氧化層。在一個實施例中，利用氧化工藝所形成的氧化層的平均厚度為約25人厚。可以理解的是，該厚度可以是在約20與約50人之間的任意值或值域。如圖5Α-5Β所示，氧化工藝導(dǎo)致表面的反射率約8.5%。相反，如果未執(zhí)行氧化工藝，該硅晶片的反射率約10%，如圖5C- 所示。在沒有等離子體氧化的情況下，由于在濕法紋理化工藝期間的自然氧化和濕法氧化，將導(dǎo)致出現(xiàn)約10到約15人的氧化硅層?；貋韰⒄請D4，通過蝕刻硅晶片408來去除由氧化工藝404形成的氧化硅層的大部分來繼續(xù)工藝400 。在一個特定實施例中，在蝕刻工藝408期間去除在非缺位上的整個氧化層，但保留在缺位上的較厚的氧化層的部分。在蝕刻408期間，氧化層的主要部分(薄層)被去除，而只留下較厚的氧化物區(qū)域?？梢岳斫獾氖牵梢匀コ诜侨蔽簧系难趸瘜拥拇蟛糠?。在本發(fā)明的實施例中，蝕刻工藝408為干法蝕刻工藝。干法蝕刻指的是通過將材料暴露于離子的轟擊中來去除材料，該離子將來自暴露的表面的材料部分移走。示例性的干法蝕刻技術(shù)包括反應(yīng)離子蝕刻(RIE)、等離子體蝕刻、物理濺射等。在一個特定實施例中，干法蝕刻步驟是基于氟的。例如，該干法蝕刻步驟可以使用SFf^P O2的混合物。示例性工藝在室溫下以IOOmT持續(xù)約60秒或更短。通過相對于氧化物采用高的硅蝕刻選擇度來選擇性地蝕刻晶片412而繼續(xù)工藝400。該蝕刻工藝條件相對于氧化物具有高的硅蝕刻選擇度(即，高的硅蝕刻率和低的氧化物蝕刻率)。保留的氧化層(即，在蝕刻步驟408中沒有被去除的在缺位上的氧化層)在硅蝕刻步驟412期間用作掩模。一旦在硅上的非缺陷處的硅表面暴露于等離子體化學品中，硅的蝕刻就將開始，而在保留的氧化物區(qū)域下面的硅在蝕刻412期間將保持完好。工藝步驟412利用不均勻的氧化物厚度特性來產(chǎn)生掩模圖案。因為硅表面具有許多不規(guī)則的缺位，且氧化層在缺位處厚于非缺陷硅表面，氧在缺位處比正常(非缺陷)位處更易于穿透。在一些實施例中，在兩個工藝步驟408和412期間應(yīng)用相同的工藝條件。蝕刻412也可以是干法蝕刻工藝。該干法蝕刻工藝通常以氧化物掩模層的最小損失來各向異性地蝕刻。在一些實施例中，只要存在氧化層，就可繼續(xù)選擇性蝕刻。在一個實施例中，硅蝕刻步驟也是基于氟的?？蛇x地，通過清洗硅晶片以去除殘留物416來繼續(xù)工藝400。在一個特定實施例中，通過溶解任何剩余的氧化硅材料，將稀釋的HF溶液用于清洗該晶片。圖6A-6B示出切割下的晶片，圖6C-6D示出在去除損傷層(SDR)之后的晶片，且圖6E-6F示出在經(jīng)過干法蝕刻之后的晶片。圖6E-6F中示出的紋理尺寸約為lOOnm。SDR去除機械損壞的(在切割工藝期間損壞的) 硅層。通常使用金剛石鋸類型的鋸床來進行SDR，并且在該SDR之后通常是濕法紋理化工藝。圖7A示出在去除損傷層之后(反射率為23.6%)、在去除損傷層且干法蝕刻之后(反射率為11.4%)、以及在去除損傷層、干法蝕刻并清洗之后(反射率為11.8%)的表面反射率。圖8A-8D示出了在去除損傷層之后(圖8A)、在干法蝕刻之后(圖8B-8C)以及在去除殘留物之后(圖8D)的晶片表面。可以理解的是，雖然已主要引用硅基板或晶片來描述了上述工藝，然而該基板或晶片也可以由通常用于半導(dǎo)體或太陽能工業(yè)的其它材料來制作。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當理解上述工藝可適于這樣的不同材料。應(yīng)當理解，本文描述的工藝和技術(shù)并不固有地相關(guān)于任何特定的裝置，而可以通過對組件的任意適合的組合來實現(xiàn)。此外，可以根據(jù)本文所述的教導(dǎo)來使用各種類型的通用設(shè)備。已針對特定示例來描述了本發(fā)明，這些特定示例旨在在所有方面是說明性而非限制性的。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解很多不同的組合也適合實踐本發(fā)明。而且，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言根據(jù)對本文公開的說明書的研究和本發(fā)明的實踐，本發(fā)明的實現(xiàn)將是明顯的。所描述實施例的各個方面和/或組件可以以單獨或任意組合的形式來使用。旨在將說明書和示例僅視為示例性的，其中通過以下權(quán)利要求來表示本發(fā)明的真正范圍和精神。
權(quán)利要求
1.一種系統(tǒng)，包括: 硅蝕刻室，其用于執(zhí)行第一蝕刻工藝和第二蝕刻工藝，所述第一蝕刻工藝用于去除在娃晶片上的氧化娃層的一部分，所述第二蝕刻工藝相對于氧化物而言對娃是高選擇性的。
2.根據(jù)權(quán) 利要求1所述的系統(tǒng)，還包括氧化室，其用于在硅晶片的表面上形成所述氧化娃層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，所述氧化室是等離子體氧化室。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，所述氧化室耦合到所述硅蝕刻室，所以在晶片進入所述硅蝕刻室之前在所述硅晶片的表面上形成所述氧化硅層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括晶片裝載室和晶片卸載室。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，還包括在所述晶片裝載室與所述等離子體氧化室之間的預(yù)真空鎖和在所述硅蝕刻室與所述晶片卸載室之間的預(yù)真空鎖。
7.一種制作具有紋理化表面的硅晶片的方法，包括: 在具有氧化層的硅晶片上執(zhí)行第一硅蝕刻工藝；以及 在所述硅晶片上執(zhí)行第二硅蝕刻工藝，其中，所述第二硅蝕刻工藝相對于氧化物而言更多選擇性地蝕刻硅。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，還包括:在執(zhí)行所述第一硅蝕刻工藝之前，在硅晶片上執(zhí)行表面氧化工藝以生長所述氧化層。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述表面氧化工藝包括等離子體氧化。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述第一硅蝕刻工藝和所述第二硅蝕刻工藝包括干法蝕刻。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述干法蝕刻包括反應(yīng)離子蝕刻、等離子體蝕刻以及物理濺射中的一種。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述第二硅蝕刻工藝包括各向異性蝕刻工藝。
13.一種太陽能電池，其通過權(quán)利要求7所述的工藝來制作。
14.一種方法，包括: 蝕刻在具有缺位和非缺位的硅晶片上的氧化硅層，以去除在所述非缺位上的所述氧化硅層的至少一部分；以及選擇性地蝕刻所述晶片。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，還包括:在蝕刻所述氧化硅層之前，生長所述氧化硅層。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，生長所述氧化硅層包括氧化所述硅晶片。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，在所述缺位上的氧化硅層厚于在所述非缺位上的氧化硅層。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，蝕刻所述氧化硅層包括干法蝕刻所述氧化硅層。
19.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，選擇性蝕刻所述晶片包括干法蝕刻所述晶片。
20.一種太陽能電池，其通過根據(jù)權(quán)利要求14所述的工藝來制作。
全文摘要
公開了用于改善硅晶片的表面反射率的系統(tǒng)和方法。該系統(tǒng)和方法由在硅晶片上通過執(zhí)行表面氧化和干法蝕刻工藝來形成紋理化表面，以改善表面反射率?？梢允褂酶裳醯入x子體工藝來執(zhí)行該表面氧化。執(zhí)行干法蝕刻工藝以去除由表面氧化步驟形成的氧化層并利用氧化物掩模來蝕刻硅層。干法蝕刻能夠形成黑硅，這將使光反射或散射最小化或消除，從而最終獲得更高的能量轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號B65G49/07GK103237745SQ201180057975
公開日2013年8月7日 申請日期2011年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月1日
發(fā)明者Y·K·趙 申請人:因特瓦克公司