在硅晶片上形成表面纹理的干法蚀刻方法

摘要

公开了用于改善硅晶片的表面反射率的系统和方法。该系统和方法由在硅晶片上通过执行表面氧化和干法蚀刻工艺来形成纹理化表面，以改善表面反射率。可以使用干氧等离子体工艺来执行该表面氧化。执行干法蚀刻工艺以去除由表面氧化步骤形成的氧化层并利用氧化物掩模来蚀刻硅层。干法蚀刻能够形成黑硅，这将使光反射或散射最小化或消除，从而最终获得更高的能量转换效率。

说明书

优先权

本申请要求享有于2010年11月1日提交的美国临时申请No. 61/409,064且名称为“DRY ETCHING METHOD OF SURFACE TEXTURE  FORMATION ON SILICON WAFER”的优先权的权益，通过引用将其全部内 容并入本文。

背景技术

1.领域

本发明涉及用于太阳能电池的硅晶片技术，并且更具体地，涉及使用 干法蚀刻工艺来形成表面纹理。

2.相关技术

太阳能电池（也称为光伏（PV）电池）将太阳辐射转化为电能。使用 半导体处理技术来制造太阳能电池，该半导体处理技术通常包括例如对于 各种材料和各种层的沉积、掺杂以及蚀刻。典型的太阳能电池被制作在半 导体晶片或基板上，该半导体晶片或基板被掺杂以在该晶片或基板中形成 p-n结。直射在基板表面的太阳辐射（例如，光子）造成基板中的电子空穴 对被破坏，导致电子从n掺杂区迁移到p掺杂区（即，生成电流）。这在基 板的两个相对表面之间产生电压差。耦合至电子线路的金属接触件聚集了 产生在基板中的电能。

用于制作太阳能电池的半导体材料是高反射的。为了减小太阳能电池 的反射性，使接收太阳辐射的太阳能电池的表面纹理化。减少表面处的反 射将增加太阳能电池的效率。使用传统技术（例如，湿法纹理化）来产生 纹理化表面所制造的太阳能电池通常具有约27%的反射率和仅约12-18%的 数量级的效率。对于那些制造太阳能电池设备的人而言，为了使太阳能电 池的经济价值最大化，提高太阳能电池的效率是关键。另外，在传统的湿 法纹理化法的情况下，由于取决于晶体类型的化学蚀刻特性，因此需要根 据硅晶片的种类（例如，单晶硅晶片、多晶硅）来选择湿法化学品。为了 实现合适的表面纹理，单晶片通常需要基于碱性的化学品，而多晶片需要 酸性化学品，而干法蚀刻纹理化的结果并不取决于晶片的类型是单晶体还 是多晶体。

发明内容

为了提供对本发明一些方面和特征的基本理解，包括了本发明的以下 内容。该发明内容不是对本发明的广泛概述，因此并不旨在具体确定本发 明的关键或重要元素或划定本发明的范围。其唯一目的就是以简化的形式 作为以下给出的更详细的描述的序言而呈现本发明的一些概念。

根据本发明的一个方面，提供一种系统，包括：硅蚀刻室，其用于执 行第一蚀刻工艺和第二蚀刻工艺，所述第一蚀刻工艺用于去除在硅晶片上 的氧化硅层的一部分，所述第二蚀刻工艺相对于氧化物而言对硅是高选择 性的。

该系统还可以包括氧化室，以在硅晶片的表面上形成氧化硅层。该氧 化室可以是等离子体氧化室。

该氧化室可以耦合至硅蚀刻室，所以在晶片进入硅蚀刻室之前在所述 硅晶片的表面上形成氧化硅层。

该系统还可以包括晶片装载室和晶片卸载室。该系统还可以包括在该 晶片装载室与该等离子体氧化室之间的预真空锁和在该硅蚀刻室与该晶片 卸载室之间的预真空锁。

根据本发明的另一方面，提供一种制作具有纹理化表面的硅晶片的方 法，包括在具有氧化层的硅晶片上执行第一硅蚀刻工艺；以及在该硅晶片 上执行第二硅蚀刻工艺，其中，该第二硅蚀刻工艺相对于氧化物而言更多 选择性地蚀刻硅。还提供了一种由该工艺制作的太阳能电池。

该方法还可以包括在硅晶片上执行表面氧化工艺以在执行第一硅蚀刻 工艺之前生长氧化层。该表面氧化工艺可以是等离子体氧化。

该第一和第二硅蚀刻工艺可以是干法蚀刻。该干法蚀刻可以是反应离 子蚀刻、等离子体蚀刻以及物理溅射中的一种。该第二硅蚀刻工艺可以是 各向异性蚀刻工艺。

根据本发明的又一方面，提供一种方法，包括蚀刻在具有缺位和非缺 位的硅晶片上的氧化硅层，以去除在非缺位上的氧化硅层的至少一部分； 以及选择性地蚀刻该晶片。还提供一种由该工艺制作的太阳能电池。

该方法还可以包括在蚀刻氧化硅层之前生长氧化硅层。生长氧化硅层 可以包括氧化硅晶片。在缺位上的氧化硅层可以厚于在非缺位上的氧化硅 层。

蚀刻该氧化硅层可以包括干法蚀刻该氧化硅层。选择性蚀刻该晶片可 以包括干法蚀刻该晶片。

附图说明

并入并组成该说明书的一部分的附图例示了本发明的实施例，并与描 述一起用于说明和示出本发明的原理。该附图旨在以图解的方式来说明示 例性实施例的主要特征。该附图不旨在示出实际实施例的每个特征或所示 元件的相对尺寸，且并不是按比例绘制。

图1是示出具有根据本发明的一个实施例的理想纹理化表面的太阳能 电池的透视图。该图显示了典型的钝化发射极后方接触（PERC）太阳能电 池结构，其由New South Wales大学（UNSW）利用在单晶硅晶片上的湿法 纹理化的前表面研发而成。

图2是根据本发明的一个实施例在多晶硅晶片上具有典型的太阳能电 池纹理化表面的太阳能电池的透视图。

图3是示出根据本发明的一个实施例用于制作太阳能电池表面纹理的 干法蚀刻系统的概念性且示意性视图。

图4是示出根据本发明的一个实施例用于制作太阳能电池表面纹理的 工艺步骤的流程图。

图5A-5B是示出在预氧化情况下的干纹理化的结果的照片，且图5C-5D 是示出在无预氧化情况下的干纹理化的结果的照片。

图6A-6B示出切割下的晶片表面，图6C-6D示出在去除损伤层且湿法 化学纹理化之后的晶片表面，以及图6E-6H示出在干法蚀刻纹理化之后的 晶片表面。

图7是示出根据本发明的实施例利用湿法纹理化和干法纹理化工艺所 实现的反射率改善的曲线图。

图8A示出湿法纹理化之后的晶片表面，图8B-8C示出干法纹理化蚀刻 之后的晶片表面，且图8D示出在去除残留物之后的晶片表面。

具体实施方式

本发明的实施例是针对用于改善硅晶片的表面反射率的系统和方法。 该系统和方法通过执行表面氧化和干法蚀刻工艺而在硅晶片上形成纹理化 表面，来改善表面反射率。在一个实施例中，使用氧等离子体执行表面氧 化。在缺位与非缺位之间发生选择性氧化。该蚀刻化学随后转变为相对于 氧化硅而高选择性地蚀刻硅。干法蚀刻能够形成纳米级纹理化表面，该纳 米级纹理化表面使光的反射或散射最小化或消除。

图1示出了典型的PERC太阳能电池100，且图2示出了典型的多晶体 太阳能电池150。如图1和图2所示，太阳能电池100包括由硅典型形成的 基板104。n掺杂层108形成在基板104的表面，并且介电层112（例如， 氧化物）形成在n掺杂层108上，从而一起形成了基板表面116。金属接触 件120形成在表面116上。P掺杂区124形成在基板104中，且介电层128 和金属接触件132形成在p掺杂区124上。如图1所示，该理想的太阳能 电池100具有表面116，该表面116具有周期性的反向金字塔结构。如图2 所示，另一方面，典型的太阳能电池150的纹理化表面116通常包括微腔 或微槽。

图3示出根据本发明的实施例用于形成改进的纹理的系统300。如图3 所示，系统300包括用于装载晶片308的晶片装载室304、缓冲级/预真空 锁（loadlock）308、氧化室316、接口320、硅蚀刻室324、缓冲级/预真空 锁328以及晶片卸载室332。

晶片308在装载室304进入系统300，并在进入等离子体氧化室316之 前经过缓冲级/预真空锁308。晶片308在等离子体氧化室316中经历氧化 工艺。随后晶片308在进入硅蚀刻室324之前经过接口320。晶片308在 硅蚀刻室324中经历干法蚀刻工艺。在干法蚀刻工艺之后，晶片308在通 过晶片卸载室332离开系统300之前经过缓冲级/预真空锁328。

图4示出根据本发明的一个实施例用于形成纹理化表面的工艺400的 流程图。如图4所示，工艺400开始于通过执行硅表面氧化工艺404以在 硅晶片表面形成氧化硅层。在一个实施例中，硅表面氧化工艺404为干氧 等离子体工艺。可以理解的是可以使用其它氧化工艺，例如湿氧化剂化学 氧化、诸如热氧化和RTP氧化的热工艺氧化等。

当形成氧化硅层时，形成在缺位处的氧化层厚于形成在非缺位处的氧 化层。硅晶片表面具有遍布整个表面的微晶格边界和晶格缺位，且通常更 易于在缺位处发生化学反应。在这种情况下，在硅表面暴露于氧化剂化学 品的情况下，将会在缺位处形成更厚的氧化层。在一个实施例中，利用氧 化工艺所形成的氧化层的平均厚度为约厚。可以理解的是，该厚度可 以是在约20与约之间的任意值或值域。

如图5A-5B所示，氧化工艺导致表面的反射率约8.5%。相反，如果未 执行氧化工艺，该硅晶片的反射率约10%，如图5C-5D所示。在没有等离 子体氧化的情况下，由于在湿法纹理化工艺期间的自然氧化和湿法氧化， 将导致出现约10到约的氧化硅层。

回来参照图4，通过蚀刻硅晶片408来去除由氧化工艺404形成的氧化 硅层的大部分来继续工艺400。在一个特定实施例中，在蚀刻工艺408期间 去除在非缺位上的整个氧化层，但保留在缺位上的较厚的氧化层的部分。 在蚀刻408期间，氧化层的主要部分（薄层）被去除，而只留下较厚的氧 化物区域。可以理解的是，可以去除在非缺位上的氧化层的大部分。在本 发明的实施例中，蚀刻工艺408为干法蚀刻工艺。干法蚀刻指的是通过将 材料暴露于离子的轰击中来去除材料，该离子将来自暴露的表面的材料部 分移走。示例性的干法蚀刻技术包括反应离子蚀刻（RIE）、等离子体蚀刻、 物理溅射等。在一个特定实施例中，干法蚀刻步骤是基于氟的。例如，该 干法蚀刻步骤可以使用SF₆和O₂的混合物。示例性工艺在室温下以100mT 持续约60秒或更短。

通过相对于氧化物采用高的硅蚀刻选择度来选择性地蚀刻晶片412而 继续工艺400。该蚀刻工艺条件相对于氧化物具有高的硅蚀刻选择度（即， 高的硅蚀刻率和低的氧化物蚀刻率）。保留的氧化层（即，在蚀刻步骤408 中没有被去除的在缺位上的氧化层）在硅蚀刻步骤412期间用作掩模。一 旦在硅上的非缺陷处的硅表面暴露于等离子体化学品中，硅的蚀刻就将开 始，而在保留的氧化物区域下面的硅在蚀刻412期间将保持完好。工艺步 骤412利用不均匀的氧化物厚度特性来产生掩模图案。因为硅表面具有许 多不规则的缺位，且氧化层在缺位处厚于非缺陷硅表面，氧在缺位处比正 常（非缺陷）位处更易于穿透。在一些实施例中，在两个工艺步骤408和 412期间应用相同的工艺条件。蚀刻412也可以是干法蚀刻工艺。该干法蚀 刻工艺通常以氧化物掩模层的最小损失来各向异性地蚀刻。在一些实施例 中，只要存在氧化层，就可继续选择性蚀刻。在一个实施例中，硅蚀刻步 骤也是基于氟的。

可选地，通过清洗硅晶片以去除残留物416来继续工艺400。在一个特 定实施例中，通过溶解任何剩余的氧化硅材料，将稀释的HF溶液用于清洗 该晶片。

图6A-6B示出切割下的晶片，图6C-6D示出在去除损伤层（SDR）之 后的晶片，且图6E-6F示出在经过干法蚀刻之后的晶片。图6E-6F中示出 的纹理尺寸约为100nm。SDR去除机械损坏的（在切割工艺期间损坏的） 硅层。通常使用金刚石锯类型的锯床来进行SDR，并且在该SDR之后通常 是湿法纹理化工艺。

图7A示出在去除损伤层之后（反射率为23.6%）、在去除损伤层且干 法蚀刻之后（反射率为11.4%）、以及在去除损伤层、干法蚀刻并清洗之后 （反射率为11.8%）的表面反射率。图8A-8D示出了在去除损伤层之后（图 8A）、在干法蚀刻之后（图8B-8C）以及在去除残留物之后（图8D）的晶 片表面。

可以理解的是，虽然已主要引用硅基板或晶片来描述了上述工艺，然 而该基板或晶片也可以由通常用于半导体或太阳能工业的其它材料来制 作。本领域技术人员应当理解上述工艺可适于这样的不同材料。

应当理解，本文描述的工艺和技术并不固有地相关于任何特定的装置， 而可以通过对组件的任意适合的组合来实现。此外，可以根据本文所述的 教导来使用各种类型的通用设备。已针对特定示例来描述了本发明，这些 特定示例旨在在所有方面是说明性而非限制性的。本领域技术人员将理解 很多不同的组合也适合实践本发明。

而且，对于本领域技术人员而言根据对本文公开的说明书的研究和本 发明的实践，本发明的实现将是明显的。所描述实施例的各个方面和/或组 件可以以单独或任意组合的形式来使用。旨在将说明书和示例仅视为示例 性的，其中通过以下权利要求来表示本发明的真正范围和精神。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种系统，包括：

硅蚀刻室，其配置为执行第一蚀刻工艺和第二蚀刻工艺，所述第一蚀 刻工艺用于去除在硅晶片上的氧化硅层的一部分，所述第二蚀刻工艺相对 于氧化物而言对硅是高选择性的。

2.根据权利要求1所述的系统，还包括氧化室，其用于在硅晶片的表 面上形成所述氧化硅层。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述氧化室是等离子体氧化室。

4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述氧化室耦合到所述硅蚀刻 室，所以在晶片进入所述硅蚀刻室之前在所述硅晶片的表面上形成所述氧 化硅层。

5.根据权利要求1所述的系统，还包括晶片装载室和晶片卸载室。

6.根据权利要求5所述的系统，还包括在所述晶片装载室与所述等离 子体氧化室之间的预真空锁和在所述硅蚀刻室与所述晶片卸载室之间的预 真空锁。

7.一种制作具有纹理化表面的硅晶片的方法，包括：

在具有氧化层的硅晶片上执行第一硅蚀刻工艺；以及

在所述硅晶片上执行第二硅蚀刻工艺，其中，所述第二硅蚀刻工艺相 对于氧化物而言更多选择性地蚀刻硅。

8.根据权利要求7所述的方法，还包括：在执行所述第一硅蚀刻工艺 之前，在硅晶片上执行表面氧化工艺以生长所述氧化层。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述表面氧化工艺包括等离子 体氧化。

10.根据权利要求7所述的方法，其中，所述第一硅蚀刻工艺和所述 第二硅蚀刻工艺包括干法蚀刻。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述干法蚀刻包括反应离子 蚀刻、等离子体蚀刻以及物理溅射中的一种。

12.根据权利要求7所述的方法，其中，所述第二硅蚀刻工艺包括各 向异性蚀刻工艺。

13.一种太阳能电池，其通过权利要求7所述的工艺来制作。

14.一种方法，包括：

蚀刻在具有缺位和非缺位的硅晶片上的氧化硅层，以去除在所述非缺 位上的所述氧化硅层的至少一部分；以及

选择性地蚀刻所述晶片。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括：在蚀刻所述氧化硅层之前， 生长所述氧化硅层。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，生长所述氧化硅层包括氧化 所述硅晶片。

17.根据权利要求14所述的方法，其中，在所述缺位上的氧化硅层厚 于在所述非缺位上的氧化硅层。

18.根据权利要求14所述的方法，其中，蚀刻所述氧化硅层包括干法 蚀刻所述氧化硅层。

19.根据权利要求14所述的方法，其中，选择性蚀刻所述晶片包括干 法蚀刻所述晶片。

20.一种太阳能电池，其通过根据权利要求14所述的工艺来制作。