用于区分硅基板上的一组高掺杂区域与一组轻掺杂区域的 方法 相关专利申请的交叉引用
本专利申请要求 2009 年 8 月 20 日提交的美国非临时性专利申请 12/544,713 的 优先权， 该非临时性专利申请据此全文以引用方式并入。
发明领域 本公开一般涉及硅基板。更具体地讲， 本公开涉及用于区分硅基板上的一组高掺 杂区域与一组轻掺杂区域的方法。
发明背景
半导体形成了现代电子学的基础。 由于半导体具有在传导和绝缘之间可被选择性 地改进和控制的物理特性， 因此半导体在大多数现代电气器件 ( 例如电脑、 蜂窝式电话、 光 伏电池等 ) 中不可或缺。IV 族半导体一般是指元素周期表的第四列中的前四种元素 ： 碳、 硅、 锗和锡。
使用非传统半导体技术例如印刷来沉积半导体材料的能力可提供一种方法以简 化许多现代电气器件例如太阳能电池的制造程序并因此降低它们的成本。 正如油漆中的颜 料一样， 这些半导体材料一般被成形为微观颗粒例如纳米颗粒， 并且被暂时悬浮在胶态分 散体中， 所述胶态分散体随后可被沉积在基板上。
纳米颗粒为一般具有至少一个尺度小于 100nm 的颗粒。与趋于具有与其尺寸无关 的恒定物理特性 ( 例如熔融温度、 沸点温度、 密度、 电导率等 ) 的大块材料 ( ＞ 100nm) 相比， 纳米颗粒可具有随尺寸而变化的物理特性， 例如较低的烧结温度。
一般来讲， 可通过多种技术来制备纳米颗粒， 例如蒸发 (S.Ijima， Jap.J Appl. Phys.26， 357(1987))、 气相热解 (K.A Littau， P.J.Szajowski， A.J.Muller， A.R.Kortan， L.E.Brus， J Phys.Chem.97， 1224(1993))、 气 相 光 解 (J.M.Jasinski and F.K.LeGoues， Chem.Mater.3， 989(1991) ； )、 电化学蚀刻 (V.Petrova-Koch 等人， “Appl.Phys.Lett.” 61， 943(1992))、 硅 烷 和 聚 硅 烷 的 等 离 子 体 分 解 (H.Takagi 等 人， “Appl.Phys.Lett.” 56， 2379(1990))、 高压液相氧化还原反应 (J.R.Heath， Science 258， 1131(1992)) 等。
一般来讲， 太阳能电池直接将太阳能转化为 DC( 直流 ) 电能。被构造成光电二极 管的太阳能电池允许光透入金属触点附近， 使得生成的载流子 ( 电子或空穴 ( 不合电子 )) 可按电流形式来提取。并且和大多数其它二极管一样， 光电二极管通过组合 p 型和 n 型半 导体以形成结来形成。在添加钝化涂层和减反射涂层之后， 可添加用作背表面场和金属触 点的层 ( 发射极上的指状物和汇流条、 和吸收器背面的衬垫 )， 以便提取生成的载流子。具 体地讲， 必须针对载流子收集以及与金属电极的接触来优化发射极掺杂剂浓度。
一般来讲， 发射极区域内的低浓度的掺杂剂原子将趋于导致低的载流子重组 ( 并 因此导致较高的太阳能电池效率， 即被转化成电力的太阳能的百分比 ) 和较差的与金属电 极的电接触。 相比之下， 高浓度的掺杂剂原子将趋于具有相反的结果， 即良好的与金属电极 的电接触， 但较高的载流子重组 ( 并因此降低太阳能电池效率 )。 通常， 为了降低制造成本，
单掺杂剂扩散一般用来形成发射极， 其中掺杂浓度按降低重组和改善欧姆接触形式之间的 折衷来选择。因此， 获得了次优的太阳能电池效率。
一种解决方案是使用选择性 ( 或双掺杂的 ) 发射极。选择性发射极一般使用针对 低重组而最优化的第一轻掺杂区域、 以及针对低电阻欧姆接触形式而最优化的第二重掺杂 区域图案 ( 具有相同的掺杂剂类型 )。选择性发射极通常或者结合扩散阻塞层而用多个扩 散步骤来形成， 或者用多个掺杂剂源来形成。
然而， 由于此类区域之间的主要差异为掺杂剂原子浓度的差值， 因此在高掺杂区 域和轻掺杂区域之间一般不存在可见的对比度。因此， 可靠地将金属触点图案 ( 轴向和 / 或成角度的 ) 对齐到所形成的高掺杂区域图案上就可能会有困难。
同样， 在备选太阳能电池构型中， 例如背面接触太阳能电池， 也可能出现类似的对 齐问题。在被构造成具有一组非可见的反向掺杂的重掺杂图案的情况下， 一组对应的交叉 指型的金属触点图案也必须被可靠地对齐。
然而， 正确的对齐一般需要选择基准点和旋转角度， 所述基准点和旋转角度用来 在将金属图案放置在太阳能电池基板上之前平移和旋转所述金属图案。 第一种方法涉及创 建人工基准点或框标， 重掺杂区域和金属触点均从所述人工基准点或框标来沉积。
然而， 框标的使用一般需要附加的加工步骤 ( 和工具 )。
此外， 由于这两种图案是相对于框标 ( 而非相对于彼此 ) 独立放置的， 因此增加了 容限误差。 即， 首先重掺杂图案相对于框标被限定在某个容限内， 接着金属沉积也相对于框 标被定位成具有不同的容限。
一种备选方法涉及对齐至基板边缘， 其一般要求在后续各沉积步骤之间将基板的 取向保持恒定 ( 以最小化由基板尺寸的变化所造成的误差 )。然而， 就顺序的沉积步骤而 言， 每个沉积工具均需要使所有的计算基于相同的精确边缘位置， 这可能会有困难， 尤其是 在高生产能力的制造过程中更是如此。此外， 由于基板边缘的几何形状趋于为非理想的并 且限定得较差， 因此对齐精度也可能会有问题。
根据前述内容， 期望提供区分硅基板上的一组高掺杂区域与一组轻掺杂区域的方 法。
发明概述
在一个实施方案中， 本发明公开了一种区分硅基板上的一组高掺杂区域与一组轻 掺杂区域的方法。所述方法包括提供硅基板， 该硅基板被构造成具有该组轻掺杂区域和该 组高掺杂区域。所述方法还包括用电磁辐射源来照射硅基板， 电磁辐射源发射出约 1100nm 以上波长的光。 所述方法也包括用传感器来测量该组轻掺杂区域和该组重掺杂区域的波长 吸收， 其中对于 1100nm 以上的任何波长， 轻掺杂区域中的波长的吸收百分比基本上小于重 掺杂区域中的波长的吸收百分比。
附图简述
以举例的方式而非限制性方式在附图中对本发明进行说明， 并且在附图中相似的 附图标号表示相似的部件， 其中 ：
图 1 示出了根据本发明的具有选择性发射极的正面接触太阳能电池的简图 ；
图 2 示出了根据本发明的背面接触太阳能电池的简图 ；
图 3 示出了根据本发明的如图 1 和 2 所示的太阳能电池的掺杂区域的简图 ；图 4A-B 示出了根据本发明的掺杂剂浓度深度特征曲线和对应的红外线 (IR) 电磁 辐射透射的一组图 ；
图 5 示出了吸收系数对硅基板中的各种掺杂剂浓度的波长的经验模型 ； 并且
图 6 示出了根据本发明的用于将一组金属触点叠加在结晶太阳能电池基板上的 一组高掺杂区域上的设备的简图。
发明详述
现将结合如附图所示的本发明的一些优选实施方案来详细描述本发明。 为了能够 全面理解本发明， 在以下说明中阐述了许多具体细节。然而对于本领域的技术人员而言将 显而易见的是， 没有部分或所有这些具体细节也能实践本发明。 在其它情况下， 为了不给本 发明增加不必要的理解难度， 未详细示出熟知的工序和 / 或结构。
如前所述， 难以区分一组高掺杂区域与一组轻掺杂 ( 或无掺杂 ) 区域。由于硅基 板一般在可见光谱 ( 约 300nm 至约 700nm) 中为不透明的， 因此图案对齐方法一般必须依赖 于反射的可见光。 然而， 由于减少了光反射以最优化太阳能电池效率， 因此依赖于反射光的 视觉图案对齐会有困难。
可按一种有利的方式来测量约 1100nm 以上波长的透射光谱 ( 红外线辐射或 IR)， 以便在硅基板表面上的高掺杂区域和轻掺杂区域之间作出区分， 并因此允许将一组金属触 点图案可靠地沉积在高掺杂区域上。在一种构型中， 广谱辐射源 ( 例如石英灯 ) 可朝基板 的一个侧面辐射， 同时可将电磁辐射测量装置 ( 例如具有适当 CCD 芯片的摄像机 ) 定位在 基板的另一个侧面上。 一般来讲， 无掺杂硅是一种间接能带隙半导体， 其具有大约 1.1eV 的能带隙， 所述 能带隙对应于约 1100nm( 纳米 ) 或约 1.1μm( 微米 ) 的波长。 一般来讲， 波长短于约 1.1μm 的电磁辐射趋于被硅基板吸收， 而较长波长的电磁辐射 ( 能量较小 ) 一般将不被吸收。
如前所述， 加入掺杂剂趋于适度地改变硅基板晶格的能带结构 ( 通过减小能带 隙 )， 并且也向能带隙中添加电子态 ( 因此增加次能带隙光子的自由载流子吸收 )。例 如， 用于制造太阳能电池的硅基板一般不是强掺杂的， 它们的电阻率在约 0.1ohm-cm 至约 14 17 3 10ohm-cm 范围内 ( 对应于 10 至 10 原子 /cm 的掺杂剂浓度 )。相比之下， 掺杂的发射极 18 20 3 和接触区域一般具有显著较高的掺杂剂浓度 ( 通常在 10 -10 原子 /cm 范围内 )。
因此， 向硅基板中加入掺杂剂将趋于增加那些掺杂区域中的光子吸收， 所述掺杂 区域具有的能量小于能带隙 ( 波长大于约 1.1 微米 ) 具有的能量。因此， 通过使用透射出 的红外线辐射， 相异掺杂水平的吸收可用来识别并对齐于太阳能电池中的高掺杂区域。
例如， 在沉积金属触点 ( 金属化 ) 之前， 可将具有高掺杂区域的太阳能电池放置在 对 IR 透明的台面上， 所述台面定位在白光 ( 宽带 ) 辐射源 ( 即， 卤钨灯等 ) 的上方。因此 所述辐射可穿过透明基板的支撑结构。因此， 光谱的可见部分和接近可见的部分可被硅片 反射或吸收， 而所述光谱的 IR 部分 ( 大于约 1100nm) 一般将被透射。通过在晶片上方放置 IR 敏感照相机例如 CCD 照相机 ( 具有例如 InGaAs 检测器 )， 将捕获到透射穿过硅基板的 IR 光强的 2-D 图像。
此外， 虽然轻掺杂的硅基板块材可吸收 IR 光的极小分数， 但更大数目的 IR 光子将 被较高掺杂的场发射极区域吸收。最高 IR 吸收的区域将趋于对应于最高掺杂密度的区域， 所述最高掺杂密度的区域对应于需要放置金属图案的相同的区域。一般来讲， 在所述 2-D
照相图像中， 这些区域将趋于显现为最暗的， 其中较轻掺杂的场发射极区域在照相图像中 显现为较明亮的。
在一种备选构型中， 可使用 IR 辐射源来替代宽带灯。因此， 根本不存在被晶片吸 收的光的部分。
图 1 示出了根据本发明的具有选择性发射极的正面接触太阳能电池的简图。选择 性发射极层包括轻掺杂区域 106 和重掺杂区域 107， 所述选择性发射极层可为 p 型 ( 例如， 硼 ) 或 n 型 ( 例如， 磷 ) 并且可通过各种方法来形成， 所述方法包括但不限于气相扩散 ( 例 如使用 POCl3 气体作为磷源或使用 BBr3 作为硼源 )、 固体源扩散、 或通常使用液体掺杂剂源 例如磷酸的在线方法。
位于发射极 106( 该发射极通常也涂覆有减反射涂层 104) 的上方并与其电接触 的是前金属触点， 包括一组指状物 105( 此处宽度为约 100um 银 ) 和一组汇流条 103。所述 前金属触点通常由印花银浆制成， 经过优化以在吸收光时提取在硅基板中形成的电荷载体 ( 此处为电子 )。所述前金属触点通常也被构造成具有减小的水平表面区域 ( 因此最小化 因阴影造成的损失， 这趋于减小生成的电流 )、 以及增加的剖视体积 ( 因此减小装置的串联 电阻， 这趋于增加装置的效率 )。
一般来讲， 未经处理的硅基板通常反射大于 30％的入射光。 因此， 为了降低该反射 能量并因此直接提高效率， 一般用减反射涂层 104( 例如氮化硅 (SiNx) 等 ) 来质构化并且 最优化硅基板。此外， 减反射涂层 104 也有助于钝化发射极 106 的表面， 从而最小化外部源 对基板块材的污染， 同时基本上减小掺杂的基板 108 表面中的悬空硅键或缺陷造成的少数 载流子重组。
图 2 示出了根据本发明的背面接触太阳能电池的简图。与如图 1 所示的正面接触 太阳能电池不同， 背面接触太阳能电池一般同时具有发射极和背表面场， 并且因此在所述 太阳能电池的背面上具有对应的呈交叉指型构型的金属触点。因此， 基本上消除了正面阴 影损失， 这趋于提高总体太阳能电池效率。
在一种常见构型中， 一组 p 型 ( 发射极 ) 区域 212 和一组 n 型基极接触区域 216 被扩散到 n 型 ( 磷掺杂的 ) 硅基板 208 中。任选地， 可将氮化硅或氧化硅材质的表面钝化 层 210 沉积在所述表面的背面上。为了提取载流子， 将发射极金属触点 202 沉积到该组 p 型区域 212 上， 并且将基极金属触点 211 沉积到该组 n 型区域 213 上。此外， 还沉积了正面 层 204， 所述正面层包括 FSF( 正表面场 ) 和减反射涂层 ( 如前所述 )。
图 3 示出了根据本发明的如图 1 和 2 所示的太阳能电池的掺杂区域的简图。区域 302 一般为硅基板块材的轻掺杂区域。区域 304 为选择性发射极的轻掺杂区域。并且区域 306 为选择性发射极的重掺杂区域。因此， 为了测量吸收并因此测量掺杂剂浓度， 将电磁辐 射源 308( 被构造成发射出至少一种约 1100nm 以上波长的光的辐射 ) 定位成与重掺杂区域 306 相对， 同时将电磁辐射传感器 310 定位成面向重掺杂区域 306。在约 1100nm 以下， 所有 发射出的辐射一般均将被硅基板块材吸收。此外， 虽然传感器可用来测量约 1700nm 以上的 光波长， 但一般会因成本过高而难以实行。此外， 还可逆反光源和检测器的位置， 而不影响 该方法的性能。
实施例 1
参见图 4A-B， 一组图示出了掺杂剂浓度深度特征曲线和对应的红外线 (IR) 电磁辐射光谱透过基板上的具有不同掺杂强度的两个位置的透射。
图 4A 示出了根据本发明的硅基板的随深度变化的掺杂剂浓度的简图， 所述硅基 板在 POCl3 扩散炉中用硅纳米颗粒油墨部分地加工过。沿水平轴 402 的是以 μm 计的从硅 基板表面算起的深度， 而在垂直轴 404 上示出了以原子 /cm3 计的磷掺杂剂浓度。
如前所述， 纳米颗粒为具有至少一个尺度小于 100nm 的微观颗粒。术语 “IV 族纳 米颗粒” 一般是指如下颗粒， 它们具有介于约 1nm 至 100nm 之间的平均直径， 并且由硅、 锗、 碳、 或它们的组合构成。术语 “IV 族纳米颗粒” 也包括被掺杂的 IV 族纳米颗粒。
然而， 由于它们的尺寸很小， 纳米颗粒也趋于难以被操纵。因此， 可按有利的方式 将装配的纳米颗粒悬浮在胶态分散体或胶体例如油墨中， 以便运输和贮存纳米颗粒。一般 来讲， 由于粒子表面与溶剂的相互作用足够强以至于能够克服密度上的差异， 因此可能得 到 IV 族纳米粒子的胶态分散体， 这通常可产生下沉或漂浮在液体中的材料。即， 较小纳米 粒子比较大纳米粒子更易于分散。
硅纳米颗粒油墨可按某种图案沉积在硅基板表面上， 使得在 POCl3 扩散炉中可同 时形成一组轻掺杂区域和一组重掺杂区域。 就选择性发射极而言， 可形成具有介于约 90Ω/ sq 至约 120Ω/sq 之间的薄层电阻的轻掺杂区域， 并且可形成具有介于约 30Ω/sq 至约 60Ω/sq 之间的薄层电阻的重掺杂区域 ( 具有相同的掺杂剂型 )。 将磷掺杂的硅纳米颗粒的薄膜 ( 约 200-400nm 的厚度 ) 在锯损蚀刻的基板上沉积 为正方形硅油墨斑块。 将基板在 600℃下烘干， 接着在 725℃下进行 POCl3 扩散并持续 35 分 钟， 并且在 975℃下进行推入和氧化步骤 15 分钟。然后通过将样本浸渍在缓冲氧化物蚀刻 (BOE) 溶液中 5 分钟来将油墨斑块以化学方式蚀刻掉 ( 因而不可见 )。因此， 人的眼睛看不 到油墨斑块。
曲线图 406 示出了未覆盖有硅纳米颗粒油墨的基板区域的随深度变化的掺杂剂 浓度， 而曲线图 408 示出了覆盖有硅纳米颗粒油墨的基板区域的随离开晶片表面的距离而 变化的掺杂剂浓度。
所得的靠近基板表面的磷的表面浓度在标称上在油墨 (408) 覆盖的区域和非油 墨 (406) 覆盖的区域中分别为约 1020cm-3 和约 1019cm-3。如可见到的那样， 油墨覆盖的区中 的任何给定深度处的掺杂剂浓度基本上均大于基本上不存在油墨的部位的对应的掺杂剂 浓度。
图 4B 示出了红外线 (IR) 电磁辐射透过图 4A 的晶片的透射。沿水平轴 412 示出 了以 nm 计的波长， 同时在垂直轴 414 上示出了用分光光度计扫描约 900nm 以上的波长范围 所测得的透射百分比。
曲线图 416 和 418 示出了透射穿过太阳能电池的轻掺杂区域和高掺杂区域的光的 百分比。如预期的那样， 在这两种情况下， 当光的波长低于约 1.1μm( 微米 ) 时， 光的透射 变为零， 这对应于硅片自身的光的能带隙吸收。对于大于约 1100nm 的波长， 吸收和透射一 般取决于由表面层中的掺杂水平控制的次能带隙光吸收。
曲线图 416( 对应于图 4A 中的掺杂剂浓度曲线图 406) 示出了未覆盖有硅纳米颗 粒油墨的基板区域的波长谱范围上的透射百分比。
同样， 曲线图 418( 对应于图 4A 中的掺杂剂浓度曲线图 408) 示出了覆盖有硅纳米 颗粒油墨的基板体积的波长谱范围上的透射百分比。
如可见到的那样， 曲线图 418 的油墨光谱在约 1100nm 以上的波长范围上表现出了 减小的透射， 这与这些区域中的较重掺杂剂浓度造成的增加的吸收一致。例如， 在 1800nm 的波长下， 入射光子中的大约 25％透射穿过重掺杂区域， 而入射光子中的 32％透射穿过轻 掺杂区域。如通过 2-D IR( 红外线 ) 敏感照相机所见到的那样， 较轻掺杂区域将显现为按 约 30％更大的明亮程度。
图 5 示出了吸收系数与对应于硅基板中的各种掺杂剂浓度的波长相对的经验模 型。(R.Aaron Falk， Near IR Absorption in Heavily Doped Silicon -An Empirical Approach， OptoMetrix， Inc.(ISTFA)International Symposium for Testing and Failure Analysis 2000)。在垂直轴 504 上示出了以 1/cm 为单位的吸收系数 α， 同时沿水平轴 502 示出了以 μm 计的波长。对于大于硅的能带隙 (1.1μm) 的波长， 在增加掺杂浓度时在吸收 上存在显著的增加， 这与图 4 所示的结果相一致。
图 6 为根据本发明的用于将一组金属触点叠加在结晶太阳能电池基板上的一组 高掺杂区域上的设备的简图。
初始时， 具有一组高掺杂区域 ( 例如用于选择性发射极或背面接触太阳能电池的 高掺杂区域 ) 的太阳能电池基板 604 被定位在基板摄入传送设备 603( 例如， 传送带等 ) 上。 然后将太阳能电池基板 604 定位在电磁传感器 606 的视场中并且用电磁源 607 照 射， 所述电磁源发射出至少一种约 1100nm 以上的波长。本发明人相信， 这些波长对于检测 高掺杂区域来讲是最优化的。
一般来讲， 传感器可被选择成使得它们对适当的照射源的波长敏感。 在该构型中， 使用具有适当 CCD 芯片的摄像机。分辨率需要足以分辨用于所述对齐的图案的所有相关特 征。视场需要足够大以对用于所述对齐的图案的所有相关特征进行成像。可使用根据照射 源的波长范围最优化的带通滤波器来滤出背景辐射因而获得更好的对比度。
在确定高掺杂区域图案时， 计算出所述图案内的已知地标的轴向位置 (x 和 y) 以 及角位置 (θ)。 例如， 如果该组高掺杂区域被图案化为一组汇流条和指状物， 则该组框标或 已知地标可为汇流条与处在清楚限定的位置的指状物的特异交点。
在确定该组高掺杂区域内的地标的位置之后， 将该地标的位置传送给金属沉积设 备 610( 例如筛网印刷机， 其可包括橡皮扫帚 612)。在将太阳能电池基板 604 定位在金属 沉积设备 610 中 ( 此处通过转台 608 来定位 ) 之后， 轴向地且有角度地调整金属沉积设备 610 的印刷筛网以便将该组要沉积的金属触点对齐到该组高掺杂区域上。作为另外一种选 择， 将印刷筛网的轴向位置和角位置保持固定， 并且调整太阳能电池基板 604 自身。
在使用橡皮扫帚 612 将金属触点沉积到该组高掺杂区域上之后， 将具有该组金属 触点 ( 未示出 ) 的太阳能电池基板定位在基板送出传送设备 611 上， 在那里其可被传送以 用于附加的加工。
可在不存在本文未具体描述的一种或多种任何元件或者一项或多项限制的情况 下， 适当地实施本文示例性所述的发明。因此， 可以广义地理解例如术语 “包括” “包含” 、 等， 而不受任何限制。 此外， 本文所用的术语和表述可用于描述而并非进行限制， 使用此类术语 和表述并无意排除所示出和描述的特征或其部分的任何等同形式， 但公认的是在受权利要 求书保护的本发明的范围内可以使用各种修改形式。
因此， 应当理解， 虽然通过优选实施例和任选特征对本发明进行了具体描述， 但是
本领域的技术人员可以借助于本文所公开的发明的修改形式、 改善形式和变型形式， 并且 应当理解此类修改形式、 改善形式和变型形式在本发明的范围内。 此处提供的材料、 方法和 实例代表优选的实施例， 它们是示例性的， 而并不旨在限制本发明的范围。
如本领域内的技术人员所理解的那样， 就任何和所有目的而言， 尤其是从提供书 面描述来讲， 本文公开的所有范围还包含任何以及所有可能的子范围以及它们的子范围的 组合。 列出的任何范围均可容易地被理解为充分描述和允许分为至少相等的两份、 三份、 四 份、 五份、 十份等的相同范围。作为非限制性实例， 本文所述的每个范围均可轻易划分为下 面三分之一、 中间三分之一、 以及上面三分之一等。如本领域内的技术人员也将理解的那 样， “至多” 、 “至少” 、 “大于” 、 “小于” 等之类的所有语言均包括列举的数值， 并且是指可如上 所述随后分为子范围的范围。此外， 术语 “掺杂剂或掺杂的” 和 “反向掺杂剂或反向掺杂的” 是指一组类型相反的掺杂剂。即， 如果掺杂剂为 p 型， 则反向掺杂剂为 n 型。此外， 除非另 外指明， 掺杂剂类型可互换。
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本发明的优点包括用于区分硅基板上的一组高掺杂区域与一组轻掺杂区域的方 法。附加优点包括生产高效的太阳能电池。
虽然已公开了示例性实施例和最佳模式， 但在保持以下权利要求书所限定的本发 明的主题和精神范围的情况下， 可以对公开的实施例进行修改和变型。