Пассивация поверхности кремниевых пластин методом магнетронного распыления Российский патент 2017 года по МПК H01L21/20 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к пассивации поверхности пластин кремния (моно- или поликристаллических) (варианты) для увеличения времени жизни носителей заряда, при производстве солнечных модулей с использованием магнетрона с атмосферой аргона с добавлением водорода и кремнийорганических соединений.

Уровень техники

В настоящее время для пассивации поверхности кремниевых пластин при производстве солнечных модулей на основе гетероперехода (HJT технологии) используется метод плазмохимического осаждения из газовой фазы. Данный метод подразумевает осаждение пленки аморфного гидрогенизированного кремния путем разложения силана, разбавленного водородом, в высокочастотной плазме тлеющего разряда. При этом особенности процесса и конструкции реактора исключают возможность использования конвейерной линии и требуют переворота пластин для пассивации каждой стороны. Данные ограничения замедляют процесс производства и вызывают необходимость применения дополнительного оборудования, такого как переворотчик пластин.

Известен способ получения фотоэлектрического элемента с нанесением пассивационного слоя методом PECVD процесса (см. [1] патент США №5935344, МПК H01L 31/04, опубл. 10.08.1999), однако недостатком такого нанесения является низкая производительность и необходимость переворота пластин для нанесения пассивационного покрытия с каждой стороны, а в случае применения реакторов большой площади необходимо применение дополнительных приспособлений, таких как держатели подложек.

Известны способы формирования и получения кремниевых тонкопленочных модулей солнечного элемента (см. [2] патент РФ №2454751, МПК H01L 31/042, опубл. 27.06.2012; [3] патент РФ №2435874, МПК H01L 31/18, опубл. 10.12.2011), включающие использование горелки с высокочастотной индуктивно-связанной плазмой с индукционной катушкой; введение плазменного газа, выбранного из группы, состоящей из гелия, неона, аргона, водорода и их смесей; в упомянутую горелку с высокочастотной индуктивно-связанной плазмой для формирования плазмы внутри упомянутой катушки впрыскивание химического реагента, например, состоящего из SiCl₄, SiH₄, SiHCl₃ и SiF₄-соединений, содержащих кремний, в упомянутую горелку; и осаждение тонкопленочного слоя на поверхность кремниевой подложки при помощи горелки. Индуктивно-связанная плазма позволяет получить слои p-i-n- и n-i-p-типа.

Недостатками известных решений по сравнению с заявленным является использование индуктивно-связанной плазмы, что не позволяет получить пассивирующий слой аморфного гидрогенизированного кремния. При этом используют атмосферное давление, что может затруднить получение пассивирующих слоев. При использовании горелки подразумевается наличие факела (его температура будет выше 200°С), что приведет к созданию дефектов на поверхности пластины.

Сущность изобретения

Технической задачей является получение пассивирующего слоя в виде аморфного гидрогенизированного кремния (a-Si:H).

Техническим результатом является уменьшение дефектов и поверхностной рекомбинации носителя заряда, повышение времени жизни носителей заряда, повышение качества, технологичности и безопасности процесса пассивации.

Для решения поставленной задачи и достижения заявленного результата предлагается пассивация поверхности кремниевых пластин, включающая очистку пластин кристаллического кремния, распыление кремния магнетроном с кремниевой мишенью, при этом процесс распыления кремниевой мишени выполняют в атмосфере аргона (Ar) с добавлением водорода (Н₂), или в атмосфере аргона (Ar) с добавлением кремнийорганических соединений, или в атмосфере аргона (Ar) с добавлением водорода (Н₂) и кремнийорганических соединений, с получением пассивирующего слоя аморфного гидрогенизированного кремния повышенного качества, для пассивации поверхности пластины и сниженной скоростью поверхностной рекомбинации носителей заряда. В качестве кремнийорганического соединения используют, по меньшей мере, один химический реагент, выбранный из группы, состоящей из силан (SiH₄), Si₂H₆, Si₂H₄, SiF₄, Si₂F₆ и других соединений, содержащих кремний.

Материал, получаемый методом магнетронного распыления кремниевой мишени, при введении водорода или кремнийорганических соединений - гидрогенизированный аморфный кремний (a-Si:H), причем являющийся пассивирующим слоем.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - Структура с использованием метода магнетронного распыления для пассивации поверхности кристаллического кремния аморфным гидрогенизированным кремнием.

Позиции, указанные на фиг.1:

1 - пластина кристаллического кремния;

2 - пассивационный слой, выполненный методом магнетронного распыления кремниевой мишени в атмосфере аргона с добавлением водорода и(или) силана или других кремнийорганических соединений;

3 - p-слой;

4 - n-слой;

5 - токосъемные слои.

Осуществление изобретения

Обычным способом пассивации пластин кремния в процессе производства солнечных модулей являет PECVD способ. В процессе PECVD растут слои, сильно насыщенные водородом, что позволяет уменьшить количество дефектов в полученных слоях. Уменьшение количества дефектов происходит за счет пассивации оборванных связей кремния (которые и образуют дефекты) атомами водорода. Уменьшение дефектов снижает поверхностную рекомбинацию носителей заряда, что дает возможность применять материал для пассивации пластин кремния. При пассивации на оборванные поверхностные связи кремния (в кремниевой пластине) присоединяются атомы водорода. В результате происходит уменьшение поверхностной рекомбинации носителей заряда. Для стабилизации эффекта сверху на пассивированные связи осаждается слой аморфного гидрогенизированного кремния (a-Si:H). При использовании магнетрона с инертной атмосферой (атмосферой аргона) не происходит пассивация связей, так как в атмосфере не содержится водород. Также получаемый слой аморфного кремния (a-Si) является весьма дефектным и не насыщенным водородом, что также не дает эффекта пассивации. Однако добавление в состав атмосферы водорода и(или) кремнийорганического соединения, например силана, как в заявленном решении, позволяет решить эту проблему, т.е. начинает происходить пассивация связей.

По первому варианту, при введении только водорода происходит реакция водорода и кремния в магнетронной плазме, а также разложение и ионизация молекул и атомов водорода. Образовавшиеся радикалы и ионы пассивируют поверхность кремниевых пластин, а образуемые слои аморфного гидрогенизированного кремния (a-Si:H) обладают достаточным качеством для получения необходимого эффекта пассивации поверхности. Данная модификация технологии позволяет применять способ магнетронного распыления кремниевой мишени для получения пассивации поверхности кремниевой пластины при производстве гетероструктурных солнечных элементов. Применение технологии магнетронного распыления позволяет повысить скорость производства данных солнечных модулей за счет применения конвейерной линии и(или) двухсторонних магнетронов. Последнее исключает необходимость применения дополнительной процедуры и дополнительного оборудования (переворотчик пластин) в процессе производства солнечных модулей на основе гетероперехода.

По второму варианту, в случае введения кремнийорганических соединения, таких как силан, происходят его разложение и образование водорода и радикалов кремния с водородом. В данном варианте при использовании водородсодержащих кремниевых соединений в составе атмосферы магнетрона, водород может не применяться (причинно-следственная связь между признаками по второму варианту и техническим результатом аналогична первому варианту).

По третьему варианту, при введении водорода и кремнийорганических соединений, происходит разложение кремнийорганических соединений с образованием ионов водорода и кремнийорганических соединений, а также радикалов кремнийорганических соединений. В результате этого, а также наличия в составе атмосферы водорода, пленки аморфного кремния, получаемые в результате процесса, насыщены водородом (причинно-следственная связь между признаками по третьему варианту и техническим результатом аналогична первому варианту).

Сначала выполняют подготовительные процессы, включающие очистку пластин кристаллического кремния, шлюзование и загрузку пластин в магнетрон.

Пассивация производится с помощью магнетрона с кремниевой мишенью (магнетронное нанесение слоев, в том числе пассивирующего), причем процесс распыления кремниевой мишени производится в атмосфере аргона (Ar) и водорода (Н₂). Также возможно добавление в состав атмосферы силана (SiH₄) или других кремнийорганических соединений, например Si₂H₆, Si₂H₄, SiF₄, Si₂F₆ и пр. В случае применения водородсодержащих кремниевых соединений, в составе атмосферы, водород может не применяться. Данное техническое решение позволяет получить пассивирующий слой гидрогенизированного аморфного кремния (a-Si:H).

Данный процесс позволяет эффективно применять процесс магнетронного распыления для пассивации поверхности кремниевых пластин. Пассивация кремниевых пластин необходима в процессе производства солнечных модулей на основе монокристаллического или поликристаллического кремния, для повышения времени жизни носителей заряда.

Применение магнетрона на данном этапе производства солнечных модулей позволяет применить конвейер. Также данная технология позволяет применение двухсторонних магнетронов, что позволяет исключить необходимость переворачивания пластин кремния, что необходимо в случае использования PECVD процесса. Данные возможности позволяют повысить производительность процесса и сделать его более технологичным и безопасным.

Процесс пассивации состоит из следующих операций:

1. Подготовка пластины, включая очистку;

2. Шлюзование пластины перед пассивацией и загрузка в магнетрон;

3. Магнетронное нанесение слоев гидрогенизированного аморфного кремния;

4. Шлюзование и выгрузка из магнетрона.

В случае применения одностороннего магнетрона производится переворачивание пластины и повторение пунктов 2-4.

Этапы подготовки пластин для пассивации и последующей их обработки могут варьироваться.

Пример

1. Удаление органических загрязнений с поверхности пластин путем отмывки пластин (моно) или поликристаллического кремния. Отмывка пластин может осуществляется в слабом растворе плавиковой (HF) и азотной (HNO₃) кислот при температуре 70°С в течение 1-5 минут. После чего производится отмывка в деионизированной воде.

2. Удаление нарушенного слоя (слоя, возникающего в процессе резки пластин из слитка). Удаление нарушенного слоя может производиться путем выдержки в растворе едкого калия (KOH) при температуре 70°С. После чего производится очистка пластин путем отмычки в деионизированной воде.

3. Текстурирование пластин. Путем анизотропного травления на поверхности пластины формируется текстура, позволяющая изменить оптический дизайн фотопреобразователя с целью повысить конечные характеристики, такие как ток. В качестве травителя используется 15-30% раствор едкого калия (KOH) с добавлением текстурирующей добавки. В качестве добавки могут использоваться изопропиловый спирт (СН₃СН(ОН)СН₃), текстурирующая добавка промышленного производства или любая другая текстурирующая добавка, предназначенная для улучшения качества текстуры. После чего производится отмывка в деионизированной воде.

4. Выдержка в 5% растворе плавиковой кислоты в течение 60 секунд, для насыщения поверхности водородом и удаления остаточных загрязнений и ополаскивание в деионизированной воде. Данный этап необходим для повышения качества пассивации поверхности кремниевых пластин. При этом промежуток между данным этапом и нанесением пассивирующего слоя не должен превышать 1 часа, так как в случае значительного превышения этого времени качество пассивации поверхности снижается.

5. Сушка пластины (удаление жидкости с поверхности).

6. Нанесение пассивирующих слоев методом магнетронного распыления.

7. Формирование структуры (нанесение n- и p-слоев).

8. Нанесение токосъемных слоев.

В случае, если в атмосфере магнетрона нет содержания силана, водорода или другого кремнийорганического соединения, содержащего водород, с помощью магнетрона невозможно выполнить пассивацию.

При применении предложенного технического решения (введения в атмосферу аргона силана, водорода или другого кремнийорганического соединения) с помощью магнетрона можно получить слои аморфного кремния, необходимого для пассивации качества. Применение магнетрона позволяет применить конвейер и, в случае применения двухстороннего магнетрона, исключить необходимость переворота пластин. Уменьшение габаритов также является следствием применения магнетронов вместо PECVD реакторов (при применении PECVD реактора невозможно применение конвейера и в процессе необходимо переворачивать пластины (т.к. PECVD реакторы устроены таким образом, что пластины подложек должны быть расположены на одном из электродов)).

Изобретение относится к пассивации поверхности пластин кремния. Пассивация поверхности кремниевых пластин включает очистку пластин кристаллического кремния, распыление кремния магнетроном с кремниевой мишенью. Процесс распыления кремниевой мишени выполняют в атмосфере аргона (Ar) с добавлением водорода (Н₂), или в атмосфере аргона (Ar) с добавлением кремнийорганических соединений, или в атмосфере аргона (Ar) с добавлением водорода (Н₂) и кремнийорганических соединений, с получением пассивирующего слоя аморфного гидрогенизированного кремния повышенного качества, для пассивации поверхности пластины и снижения скорости поверхностной рекомбинации носителей заряда. В качестве кремнийорганического соединения используют по меньшей мере один химический реагент, выбранный из группы, состоящей из силана (SiH₄), Si₂H₆, Si₂H₄, SiF₄, Si₂F₆ и других соединений, содержащих кремний. Изобретение позволяет уменьшить дефекты и поверхностную рекомбинацию носителей заряда, повысить время жизни носителей заряда, повысить качество, технологичность и безопасность процесса пассивации. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Пассивация поверхности кремниевых пластин, включающая очистку пластин кристаллического кремния, распыление кремния магнетроном с кремниевой мишенью, отличающаяся тем, что процесс распыления кремниевой мишени выполняют в атмосфере аргона (Ar) с добавлением водорода (H₂), или в атмосфере аргона (Ar) с добавлением кремнийорганических соединений, или в атмосфере аргона (Ar) с добавлением водорода (H₂) и кремнийорганических соединений, с получением пассивирующего слоя аморфного гидрогенизированного кремния повышенного качества, для пассивации поверхности пластины и снижения скорости поверхностной рекомбинации носителей заряда.

2. Пассивация по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве кремнийорганического соединения используют по меньшей мере один химический реагент, выбранный из группы, состоящей из силан (SiH₄), Si₂H₆, Si₂H₄, SiF₄, Si₂F₆ и других соединений, содержащих кремний.