技术领域
[0001] 本文所述的主题的
实施例总体上涉及用于在基板上形成薄膜的
化学气相沉积(CVD)技术。更具体地讲，所述主题的实施例涉及用于在
太阳能电池上形成包含氮化
硅的抗反射涂层(ARC)的
等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)和相关的
太阳能电池制造工艺。
背景技术
[0002] 化学气相沉积(CVD)技术是众所周知的用于在基板上形成薄膜的工艺。此类化学气相沉积(CVD)技术包括常压化学气相沉积(APCVD)、低压化学气相沉积(LPCVD)和等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)。这些技术可在基板上形成包含
二氧化硅(SiO2)、
多晶硅(Si)和氮化硅(SiN)的薄膜。化学气相沉积(CVD)技术中所使用的此类基板包括集成
电路、
液晶显示器(LCD)和太阳能电池。
[0003] 用于改进在制造期间在基板上形成薄膜的技术是非常有益的，因为它们是标准器件制造工艺的固有部分。这些技术可提高总体产量，从而减少总体制造时间并且增加可用产品产量。就太阳能电池而言，这些技术可包括改进在硅基板上形成包括氮化硅膜的抗反射涂层(ARC)的工艺。这些技术还可显著改进太阳能电池总体效率。
附图说明
[0004] 当结合以下附图考虑时，通过参见具体实施方式和
权利要求书可以更完全地理解所述主题，其中在所有附图中，类似的附图标记是指类似的元件。
[0005] 图1是根据用于在基板上形成薄膜的标准工艺的工艺腔室的横截面表示；
[0006] 图2和图3是根据用于在基板上形成薄膜的标准工艺的工艺腔室的横截面表示；
[0007] 图4是包括根据本
发明实施例所使用的二次离子质谱法(SIMS)测试结果的表；
[0008] 图5至图9是根据本发明实施例的工艺腔室的横截面表示；
[0009] 图10至图12是包括根据本发明实施例所使用的化学反应式的表；
[0010] 图13是根据本发明实施例的用于清洁工艺腔室的样本工艺方法；
[0011] 图14是根据本发明实施例所使用的工艺方法之间的折射率比较的测试结果的图形表示；
[0012] 图15是根据本发明实施例所使用的工艺配方之间的太阳能电池效率比较的测试结果的图形表示；
[0013] 图16是根据本发明实施例的在基板上形成薄膜的
流程图表示；并且[0014] 图17和图18是根据本发明实施例的在太阳能电池上形成氮化硅膜的流程图表示。
具体实施方式
[0015] 以下具体实施方式本质上只是例证性的，并非意图限制所述主题的实施例或此类实施例的应用和用途。如本文所用，词语“示例性的”是指“作为例子、实例或例证”。本文示例性描述的任何实施方式不一定被理解为比其他实施方式更优选或有利。此外，并不意图受前述技术领域、背景技术、发明内容或以下具体实施方式中提出的任何明示或暗示的理论的约束。另外，陈述了许多具体细节，诸如具体的工艺流程操作，以便提供对本发明的实施例的透彻理解。对本领域的技术人员将显而易见的是在没有这些具体细节的情况下可实施本发明的实施例。在其他情况下，没有详细描述熟知的制造技术，诸如
光刻、蚀刻技术以及标准薄膜沉积，以避免不必要地使本发明的实施例变得模糊。此外，应当理解在图中示出的多种实施例是示例性的实例并且未必按比例绘制。
[0016] 本发明公开了用于在基板上形成薄膜的方法。该方法包括使包含氟的第一气体流入以清洁工艺腔室，使第二气体在第一持续时间期间流入以用由非晶硅组成的第一包封层涂覆工艺腔室，其中第一包封层抵抗氟污染。该方法还包括将基板加载到工艺腔室中，通过使第三气体流入工艺腔室中来在基板上沉积薄膜，然后从工艺腔室卸载基板。在一个实施例中，该方法包括太阳能电池基板。在另一个实施例中，该方法包括在太阳能电池上形成包括氮化硅膜的抗反射涂层(ARC)。在又一个实施例中，基板可为液晶显示器(LCD)。在该实施例中，在液晶显示器(LCD)上形成薄膜的步骤包括在LCD上形成绝缘层。在另一个实施例中，第一持续时间可为在0.5至5分钟的范围内。
[0017] 本发明公开了用于在太阳能电池上形成氮化硅膜的方法。该方法包括使含有氟的第一气体流入以清除工艺腔室中的过量氮化硅(SiN)，使第二气体在第一持续时间期间流入以用非晶硅涂覆工艺腔室，其中非晶硅形成第一包封层以抵抗氟污染。该方法还包括在工艺腔室中加载太阳能电池，通过等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)在太阳能电池上沉积氮化硅膜，然后从工艺腔室卸载太阳能电池。在一个实施例中，第一持续时间可为在0.5至5分钟的范围内。在另一个实施例中，非晶硅形成厚度为在0.05至0.5微米的范围内的第一包封层。
[0018] 本发明公开了用于在太阳能电池上形成氮化硅膜的方法。该方法包括提供太阳能电池，该太阳能电池具有被构造为在正常工作期间面向太阳的
正面和与正面相对的背面。该方法还包括使三氟化氮(NF3)气体流入以清除工艺腔室中的过量氮化硅(SiN)；使硅烷(SiH4)气体流入最多5分钟内以用非晶硅涂覆工艺腔室，其中非晶硅形成第一包封层以抵抗氟污染。该方法还包括在工艺腔室中加载太阳能电池，通过硅烷(SiH4)、
氨气(NH3)和氮气(N2)气体的等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)在太阳能电池的正面上沉积包括氮化硅(SiN)膜的抗反射涂层(ARC)，然后从工艺腔室卸载太阳能电池。在一个实施例中，该方法包括在太阳能电池的背面上形成抗反射涂层(BARC)。在另一个实施例中，该方法包括提供选自下述太阳能电池：背
接触式太阳能电池、前接触式太阳能电池、
单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、薄膜硅太阳能电池、
铜铟镓硒化合物(CIGS)太阳能电池和碲化镉太阳能电池。在又一个实施例中，非晶硅形成厚度为在0.05至0.5微米的范围内的第一包封层。
[0019] 图1示出了用于在基板100上形成薄膜130的标准工艺腔室110。工艺腔室110可具有淋喷头112、室拐
角115、室壁116、
真空通道118和处理托盘114。该工艺腔室可为标准化学气相沉积(CVD)工艺中所使用的任何室，包括等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)室。气体入口或淋喷头112用作使气体流入工艺腔室110中。真空通道118充当用于从工艺腔室110抽出气体的出口。处理托盘114用于保持基板100。
[0020] 图2和3示出了用于在基板上形成薄膜的标准工艺中的操作。该操作包括提供工艺腔室210，其具有淋喷头212、室拐角215、室壁216、真空通道218和处理托盘214。工艺腔室210的部件具有与图1所描述的工艺腔室110类似的功能。该操作还包括清洁步骤和薄膜沉积步骤。清洁步骤可包括使具有氟的气体流入工艺腔室210中。具有氟的气体用作与工艺腔室210内的任何剩余物质反应。此类剩余物质可包括薄膜，诸如氮化硅(SiN)，其可来自先前的沉积或清洁工艺。使包含氟的气体流入工艺腔室210中所产生的副产物是氟残余物240薄层。氟残余物240可积聚在工艺腔室210周围，如图2所示。氮化硅(SiN)层可沉积在工艺腔室210内以包封并去除氟残余物240。在清洁步骤之后，沉积步骤可包括将基板200加载到工艺腔室210中的处理托盘214上。使源气体224流入工艺腔室210中以在基板200上形成薄膜270，如图3所示。在标准工艺的一个实施例中，基板200可为太阳能电池。在另一个实施例中，等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)可用于在太阳能电池上形成薄膜。在又一个实施例中，薄膜可包含氮化硅(SiN)。在另外一个实施例中，形成薄膜270可包括使用等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)在太阳能电池上形成抗反射涂层(ARC)。
[0021] 参见图4，示出了在用于形成抗反射涂层(ARC)的氮化硅的等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)之后，若干太阳能电池的二次离子质谱法(SIMS)测试结果。这些结果示出了在太阳能电池中心和沿着太阳能电池边缘的不同元素污染程度。所取样的元素包括氟(F)、铬(Cr)、镁(Mg)、
铁(Fe)和镍(Ni)。这些结果清楚地表明，沿着硅基板边缘的氟污染(1.2)是基板中心的氟污染(0.3)的4倍。已知掺入在等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)氮化硅膜内部的残余氟可阻止氢扩散到硅表面。还已知氢扩散到硅表面会使表面上的硅的悬挂键
钝化，这继而减小硅表面上的
电子缺陷的数量
密度并且减少表面复合。通过阻止氢扩散到硅表面，氟减小了太阳能电池器件的正氢钝化效应或表面钝化。氮化硅(SiN)膜中的残余氟污染还可降低氮化硅(SiN)膜的
介电常数，从而降低太阳能电池的总体折射率(RI)。由于氟是电子负性最大的元素，所以氮化硅(SiN)膜中的残余氟污染可能积累负电荷，从而将少数载流子吸引到表面并且增加表面复合损失。因此，由于低表面钝化、较低折射率(RI)和增大的复合引起的损失可导致太阳能电池总体效率降低。
[0022]
发明人假设来自上述测试的太阳能电池的边缘最靠近工艺腔室内的氟残余物积聚区。这些区包括室壁、室拐角和托盘拐角。如上所述，用于去除氟残余物的方法是在清洁步骤期间在工艺腔室内沉积氮化硅(SiN)。此工艺的缺点是需要氮化硅(SiN)厚层才能实现合格的氟残余物包封并且防止污染。执行此类工艺将非常昂贵并且需要过多处理时间。另外，单独的氮化硅(SiN)沉积可能不足以完全包封围绕室拐角和托盘拐角的氟残余物，如在上述测试结果中所观测到的。因此，发明人提议一种用于在基板上形成薄膜的方法，其提供抵抗氟污染的额外保护。下文描述所提议方案的方法，包括示出改进的折射率(RI)和太阳能电池效率性能的测试结果。
[0023] 参见图5和6，示出在基板上形成薄膜的方法。该方法包括提供工艺腔室310，其具有淋喷头312、室壁316、真空通道318和具有托盘拐角319的处理托盘314。工艺腔室310的部件具有与图1所描述的工艺腔室110类似的功能。该方法还包括通过使含有氟的第一气体320流入来清洁工艺腔室310，如图5所示。第一气体320用作与工艺腔室310内的任何剩余薄膜330反应。剩余薄膜330来自先前的沉积或清洁工艺。在一个实施例中，第一气体可包含三氟化氮(NF3)，并且薄膜可为氮化硅(SiN)。含有氟的第一气体320与剩余薄膜330之间的反应产生第一产物气体360。通过使第一产物气体360穿过真空通道318流出来将其从工艺腔室310中去除。在一个实施例中，第一产物气体360可包括四氟化硅(SiF4)气体和氮气(N2)。使含有氟的第一气体320流入工艺腔室310中所产生的副产物是氟残余物340薄层。氟残余物340可积聚在工艺腔室310周围，特别是沿着工艺腔室壁316、室拐角315和托盘拐角319，如图6所示。
[0024] 图7示出了在基板300上形成薄膜的方法的延续。该方法还包括使第二气体322流入工艺腔室310中以去除氟残余物340。第二气体322与氟残余物340(包括沿着室拐角315和托盘拐角319的氟残余物340)发生反应，产生第二产物气体362，其中使第二产物气体362穿过真空通道318流出工艺腔室310，如图7所示。继续使第二气体322流入将用第一包封层350完全涂覆工艺腔室，该第一包封层抵抗氟污染。在一个实施例中，第二气体
322是硅烷(SiH4)，并且第一包封层350包含非晶硅(A-Si)。在另一个实施例中，第二产物气体362是气态
氢氟酸(HF)。在又一个实施例中，第一包封层350可具有在0.05至0.5微米的范围内的厚度。在另一个实施例中，第一包封层350可包含非晶硅(A-Si)，并且可具有在0.05至0.5微米的范围内的厚度。在又一个实施例中，在形成第一包封层350期间去除工艺腔室310内的
水分(H2O)。在另外一个实施例中，在形成非晶硅包封层350(A-Si)期间去除工艺腔室310内的水分(H2O)，其中非晶硅(A-Si)将水分(H2O)转化为
二氧化硅(SiO2)和氢气(H2)。可穿过真空通道318从工艺腔室310去除氢气(H2)。在又一个实施例中，提供包含非晶硅(A-Si)的第一包封层350将抵抗残余掺杂物污染。在第一包封层350抵抗残余掺杂物污染的同一实施例中，残余掺杂物可包含磷化氢(PH3)和乙
硼烷(B2H6)。在另一个实施例中，可随后在第一包封层350上方沉积第二包封层。在可沉积第二包封层的同一实施例中，第二包封层可包含氮化硅(SiN)，并且第一包封层可包含非晶硅(A-Si)。在又一个实施例中，双层非晶硅(A-Si)和氮化硅(SiN)包封层形成抵抗金属污染的阻隔膜。
[0025] 参见图8和9，示出在基板300上形成薄膜的方法的延续。该方法还包括提供基板300，该基板被加载到工艺腔室310中的处理托盘314上。使第三气体324流入工艺腔室310中以在基板300上形成薄膜370。在一个实施例中，可围绕工艺腔室310(包括在室壁316、室拐角315、处理托盘314和处理托盘拐角319上)沉积薄膜370，如图8和9所示。在另一个实施例中，第三气体可包括选自硅烷(SiH4)、氨气(NH3)和氮气(N2)的气体。在又一个实施例中，薄膜370可包含氮化硅(SiN)。在另外一个实施例中，基板300可为得自SunPower公司的太阳能电池。在一个实施例中，第一持续时间可为在0.5至5分钟的范围内。在一个实施例中，在基板300上形成薄膜370可包括在太阳能电池上形成抗反射涂层(ARC)。在另一个实施例中，在基板300上形成薄膜370可包括在太阳能电池的背面上形成抗反射涂层(BARC)。在又一个实施例中，基板可来自选自前接触式太阳能电池、背接触式太阳能电池、单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、薄膜硅太阳能电池、铜铟镓硒化合物(CIGS)太阳能电池和碲化镉太阳能电池的太阳能电池。
[0026] 图10至12示出了描述用于在基板上形成薄膜的实施例中所涵盖的化学反应的表。图10公开了对于三氟化氮(NF3)清洁所包括的化学反应，图11公开了对于除氟所包括的化学反应，并且图12公开了对于去除额外水分所包括的化学反应。
[0027] 图13示出用于清洁和陈化操作的典型工艺条件，包括步骤名称、流速、室压
力、RF(射频)功率和处理时间。在第一例子中，三氟化氮(NF3)气流量可在5至20标准升/分钟(slm)之间变化，但也可使用更大的范围。在第二例子中，硅烷(SiH4)气流量可在1至5标准升/分钟(slm)之间变化，其中也可使用更大的范围。在第三例子中，氩(Ar)气流量可在1至6标准升/分钟(slm)之间变化，但也可使用更大的范围。在第四例子中，氮气(N2)气流量可在10至30标准升/分钟(slm)之间变化，其中也可使用更大的范围。在第五例子中，室压力可在0.4至6毫托(mTorr)之间变化。在第六例子中，室压力可在0.1至
6毫托(mTorr)之间变化，但也可使用更大的范围。在第七例子中，RF功率可在0.1至4千瓦(kW)之间变化。在第八例子中，RF功率可在0至6千瓦(kW)之间变化，其中也可使用更大的范围。在第九例子中，典型操作的持续时间可在选自2至20秒、5至20秒、5至200秒和20至1200秒的持续时间之间变化。图13显示可针对上文列举的各种流速、室压力、RF功率和持续时间替代性实施的示例性范围。
[0028] 图14示出了室陈化对抗反射涂层(ARC)氮化物的折射率(RI)的影响。使用0.6μm厚度的标准氮化硅(SiN)陈化，在室清洁和陈化之后，抗反射涂层(ARC)氮化物的折射率(RI)降低。随着抗反射涂层(ARC)氮化物膜沿着室壁和淋喷头积聚，抗反射涂层(ARC)氮化物膜的折射率(RI)增大。在室中积聚3.0μm的抗反射涂层(ARC)氮化物膜之后，氮化物的折射率(RI)变稳定。使用非晶硅(A-Si)陈化，室清洁之后的低折射率(RI)问题得以解决。因此，由于折射率(RI)性能的改进，非晶硅(A-Si)陈化是优选的。
[0029] 图15比较了各种陈化方法的太阳能电池效率。在1分钟氮化硅(SiN)陈化之后制造的太阳能电池具有最低的太阳能电池效率。将氮化硅(SiN)陈化增加到3分钟，太阳能电池效率略微改善。当室由厚氮化硅(SiN)膜(例如，3μm至6μm)涂覆时，太阳能电池效率显著增大。如图15所示，包括上文论述的非晶硅(A-Si)陈化技术的基线方法的结果相当于厚氮化硅(SiN)膜产生的结果。沉积此类厚氮化硅(SiN)膜层会非常昂贵，并且所需的处理时间比形成非晶硅(A-Si)膜长得多。因此，由于以减少的处理时间实现了太阳能电池总体效率性能的改进，非晶硅(A-Si)陈化方法是优选的。
[0030] 虽然以上结果是关注于太阳能电池基板来呈现，但上述方法可与任何种类的基板搭配使用来形成薄膜。在一个实施例中，基板可包括液晶显示器(LCD)。在基板是液晶显示器(LCD)的同一实施例中，在基板上形成薄膜可包括在液晶显示器(LCD)上形成绝缘层。在另一个实施例中，等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)可用于在液晶显示器(LCD)上形成绝缘层。
[0031] 参见图16，示出了用于在基板上形成薄膜的实施例的流程图。如上所述，第一操作400可包括提供工艺腔室310。第二操作402可包括使包含氟的第一气体320流入以清洁工艺腔室310。第三操作404可包括使第二气体322在第一持续时间期间流入以用具有非晶硅的第一包封层350涂覆工艺腔室310，其中第一包封层抵抗氟污染。第四操作406可包括将基板300加载到工艺腔室310中。第五操作408可包括使第三气体324流入工艺腔室310中以在基板300上沉积薄膜370。最后的操作410可包括从工艺腔室310卸载基板300。
[0032] 图17示出了用于在太阳能电池上形成氮化硅膜的实施例的流程图。如上所述，第一操作420可包括提供工艺腔室310。第二操作422可包括使含有氟的第一气体320流入以清除工艺腔室310中的过量氮化硅(SiN)330。第三操作424可包括使第二气体322在第一持续时间期间流入以用非晶硅涂覆工艺腔室，其中非晶硅形成第一包封层350以抵抗氟污染。第四操作426可包括在工艺腔室310中加载太阳能电池300。第五操作428可包括通过等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)在太阳能电池300上沉积氮化硅膜370。最后的操作430可包括从工艺腔室310卸载太阳能电池300。
[0033] 参见图18，示出了用于在太阳能电池上形成氮化硅膜的实施例的流程图。如上所述，第一操作440可包括提供工艺腔室310和太阳能电池300，该太阳能电池具有被构造为在正常工作期间面向太阳的正面和与正面相对的背面。第二操作442可包括使三氟化氮(NF3)气体320流入以清除工艺腔室310中的过量氮化硅(SiN)330。第三操作444可包括使硅烷(SiH4)气体322流入最多5分钟以用非晶硅涂覆工艺腔室，其中非晶硅形成第一包封层350以抵抗氟污染。第四操作446可包括在工艺腔室310中加载太阳能电池300。第五操作448可包括通过硅烷(SiH4)、氨气(NH3)和氮气(N2)气体的等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)在太阳能电池300的正面上沉积包括氮化硅(SiN)膜的抗反射涂层(ARC)层370。最后的操作450可包括从工艺腔室310卸载太阳能电池300。
[0034] 虽然前面的详细描述已展示至少一个示例性实施例，但应当理解，还存在大量的变型形式。还应当理解，本文所述的一个或多个示例性实施例并不旨在以任何方式限制要求保护的主题的范围、适用性或构型。相反，上述详细说明将为本领域的技术人员提供实施所述一个或多个实施例的方便的操作路径图。应当理解，可在不脱离权利要求书所限定的范围(其包括提交本
专利申请时已知的等同物和可预知的等同物)的情况下对元件的功能和布置方式进行多种改变。
