(57)【要約】【課題】真性微結晶シリコン層のための方法を提供すること。【解決手段】一実施形態では、真性微結晶シリコン層を形成する方法は、加工チャンバ内に配置された基板の表面へガス混合物中で供給されるシランガスを動的に増加させるステップと、加工チャンバへ供給されるガス混合物中で印加されるＲＦ電力を動的に減少させて、ガス混合物中でプラズマを形成するステップと、基板上に真性微結晶シリコン層を形成するステップとを含む。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真性微結晶シリコン層を形成する方法であって、
加工チャンバ内に配置された基板の表面へガス混合物中で供給されるシランガスを動的に増加させるステップと、
前記加工チャンバへ供給される前記ガス混合物中で印加されるＲＦ電力を動的に減少させるステップであり、前記ガス混合物が前記加工チャンバ内でプラズマを形成するステップと、
前記プラズマの存在下で前記基板上に真性微結晶シリコン層を形成するステップと
を含む方法。
【請求項２】
前記ガス混合物中で供給される前記シランガスを直線的に増加させる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ガス混合物中で印加される前記ＲＦ電力を直線的に減少させる、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記真性微結晶シリコン層を形成する前にシード層を形成するステップ
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記基板表面上に前記シード層を形成する前に、水素処理プロセスを実行するステップ
をさらに含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記水素処理プロセスを実行するステップが、
前記水素処理プロセスにおいて１５０ミリワット／ｃｍ２未満のＲＦ電力を印加するステップ
をさらに含む、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記ガス混合物中で制御されるプロセス圧力を動的に増加させるステップ
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記プロセス圧力を動的に増加させるステップが、
前記プロセス圧力を約１２トルから約１５トルへ増加させるステップ
をさらに含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記ガス混合物中で供給される前記シランガスを動的に増加させるステップが、
前記ガス混合物中で供給される前記シランガスと水素ガスの流量の比を約１：７０から約１：８０へ増加させるステップ
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記ガス混合物中で印加される前記ＲＦ電力を動的に減少させるステップが、
前記ＲＦ電力を８００ミリワット／ｃｍ２から約７００ミリワット／ｃｍ２へ減少させるステップ
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記基板の間隔を約６００ミルから約７００ミルへ動的に増大させるステップ
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記シード層を形成するステップが、
前記ガス混合物中で供給されるシランガスの流量を増加させるステップと、
前記シランガスの流量を増加させながら、前記ガス混合物中で供給される安定した水素ガスの流量を維持するステップと
をさらに含む、請求項４に記載の方法。
【請求項１３】
前記シード層を形成するステップが、
前記シード層を形成しながら、４００ミリワット／ｃｍ２未満のＲＦ電力を印加するステップ
をさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項１４】
約１０００秒〜約１８００秒の間の期間にわたって前記ガス混合物を前記加工チャンバへ供給するステップ
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
真性微結晶シリコン層を形成する方法であって、
加工チャンバ内に配置された基板上に真性シード層を形成するステップと、
前記シード層を形成しながら、ガス混合物中で４００ミリワット／ｃｍ２未満のＲＦ電力を印加するステップと、
その後、プラズマの存在下で前記基板上に真性微結晶シリコン層を形成するステップであり、前記真性微結晶シリコン層が、前記ガス混合物中で供給されるシランガスを動的に増加させることによって形成されるステップと、
前記加工チャンバへ供給される前記ガス混合物中で印加されるＲＦ電力を動的に減少させて、前記ガス混合物中でプラズマを形成するステップと
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は一般に、太陽電池セルおよび太陽電池セルを形成する方法に関する。より詳細には、本発明の実施形態は、太陽電池の適用分野で利用される微結晶シリコン層を形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光起電デバイス（ＰＶ）または太陽電池セルは、日光を直流電流（ＤＣ）電力に変換するデバイスである。ＰＶまたは太陽電池セルは通常、１つまたは複数のｐ−ｎ接合を有する。各接合は、半導体材料内に２つの異なる領域を含み、片方をｐ型領域と呼び、他方をｎ型領域と呼ぶ。ＰＶセルのｐ−ｎ接合が日光（光子からのエネルギーからなる）に露出されると、日光は、ＰＶ効果によって電気に直接変換される。ＰＶ太陽電池セルは、特定の量の電力を生成し、セルを並べて、所望の量のシステム電力を送達するように寸法設定されたモジュールを形成する。ＰＶモジュールは、複数のＰＶ太陽電池セルを接続することによって作製され、次いでつなぎ合わせて、特定のフレームおよびコネクタをもつパネルを形成する。
【０００３】
微結晶シリコン膜（μｃ−Ｓｉ）は、ＰＶデバイスを形成するために使用されている１つのタイプの膜である。しかし、速い堆積速度、および高い膜品質、ならびに低い製造コストでＰＶデバイスを提供できる、生産に値するプロセスはまだ開発されていない。たとえば、シリコン膜の結晶化度が不十分であれば、膜の形成および分率が不完全になり、それによってＰＶ太陽電池セルにおける変換効率を低減させることがある。さらに、微結晶シリコン膜（μｃ−Ｓｉ）の従来の堆積プロセスでは堆積速度が遅く、それによって製造の処理量を低減させかつ生産コストを増大させることは不都合である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願第１２／２０８，４７８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、微結晶シリコン膜を堆積させる改善された方法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態は、太陽電池セルを形成する方法を提供する。一実施形態では、真性微結晶シリコン層を形成する方法は、加工チャンバ内に配置された基板の表面へガス混合物中で供給されるシランガスを動的に増加させるステップと、加工チャンバへ供給されるガス混合物中で印加されるＲＦ電力を動的に減少させるステップであり、ガス混合物が加工チャンバ内でプラズマを形成するステップと、プラズマの存在下で基板上に真性微結晶シリコン層を形成するステップとを含む。
【０００７】
別の実施形態では、真性微結晶シリコン層を形成する方法は、加工チャンバ内に配置された基板上に真性シード層を形成するステップと、シード層を形成しながら、４００ミリワット／ｃｍ２未満のＲＦ電力を印加してガス混合物から形成されるプラズマを維持するステップと、その後、プラズマの存在下で基板上に真性微結晶シリコン層を形成するステップであり、真性微結晶シリコン層が、ガス混合物中で供給されるシランガスを動的に増加させることによって形成されるステップと、加工チャンバへ供給されるガス混合物中で印加されるＲＦ電力を動的に減少させて、ガス混合物中でプラズマを形成するステップとを含む。
【０００８】
さらに別の実施形態では、真性微結晶シリコン層を形成する方法は、加工チャンバ内に配置された基板の表面上へ第１のガス混合物を供給して基板上に真性シード層を形成するステップであり、第１のガス混合物がシランガスおよび水素ガスを含み、第１のガス混合物を供給しながらシランガスの流量が増加され、水素ガスの流量が安定した状態で維持されるステップと、基板の表面上へ第２のガス混合物を供給して真性シード層上に真性微結晶シリコン層を形成するステップであり、第２のガス混合物を供給しながらシランガスの流量が増加され、真性微結晶シリコン層を形成しながら第２のガス混合物へ印加されるＲＦ電力が減少されるステップとを含む。
【０００９】
本発明の上述の特徴が達成され、詳細に理解できるように、上記で簡単に要約した本発明についてのより具体的な説明を、本発明の実施形態を参照すれば得ることができる。本発明の実施形態を添付の図面に示す。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態による太陽電池セル内に真性微結晶シリコン層が形成されたタンデム接合型の薄膜太陽電池セルの概略側面図である。
【図２】本発明の一実施形態による太陽電池セル内に真性微結晶シリコン層が形成された単一接合型の薄膜太陽電池セルの概略側面図である。
【図３】本発明の一実施形態による装置の横断面図である。
【図４】本発明の一実施形態による堆積中に利用されるプロセスパラメータを動的に制御することによって真性微結晶シリコン層を堆積させる方法を示すプロセスの流れを示す図である。
【図５】本発明の一実施形態による図３の装置が組み込まれたシステムの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
理解を容易にするために、可能な場合、複数の図に共通の同一の要素を指すのに同一の参照番号を使用した。一実施形態の要素および特徴は、さらなる記述なしで他の実施形態にも有益に組み込むことができることが企図される。
【００１２】
しかし、本発明は他の等しく効果的な実施形態も許容しうるため、添付の図面は本発明の例示的な実施形態のみを示し、したがって本発明の範囲を限定するものと見なすべきではないことに留意されたい。
【００１３】
本発明は、速い堆積速度および均一の結晶分率で真性微結晶シリコン層を堆積させる方法について説明する。一実施形態では、堆積プロセス中に利用されるプロセスパラメータを動的に制御して、その結果得られる真性微結晶シリコン層内に形成される膜特性および微細構造を動的に制御することによって、真性微結晶シリコン層を堆積させることができる。一実施形態では、真性微結晶シリコン層は、多重接合型の太陽電池セルまたは単一接合型の太陽電池セル内で使用することができる。
【００１４】
図１は、光または太陽放射１０１の方へ向けた多重接合型の太陽電池セル１００の一実施形態の概略図である。太陽電池セル１００は、ガラス基板、ポリマー基板、金属基板、または他の適切な基板などの基板１０２を含み、基板１０２を覆って薄膜が形成される。太陽電池セル１００は、基板１０２を覆って形成された第１の透明導電酸化物（ＴＣＯ）層１０４と、第１のＴＣＯ層１０４を覆って形成された第１のｐ−ｉ−ｎ接合１２６とをさらに含む。一構成では、第１のｐ−ｉ−ｎ接合１２６を覆って、任意選択の波長選択性の反射体（ＷＳＲ）層１１２が形成される。第１のｐ−ｉ−ｎ接合１２６を覆って第２のｐ−ｉ−ｎ接合１２８を形成することができ、第２のｐ−ｉ−ｎ接合１２８を覆って第２のＴＣＯ層１２２を形成することができ、第２のＴＣＯ層１２２を覆ってメタルバック層１２４を形成することができる。光トラップを強化することによって光吸収を改善するために、基板および／または基板を覆って形成される薄膜の１つもしくは複数には、湿式、プラズマ、イオン、および／または機械プロセスによって、任意選択でテキスチャを付けることができる。たとえば、図１に示す実施形態では、第１のＴＣＯ層１０４にはテキスチャが付けられており、したがって後に第１のＴＣＯ層１０４を覆って堆積される薄膜は通常、この薄膜より下の表面のトポグラフィを再現する。
【００１５】
第１のＴＣＯ層１０４と第２のＴＣＯ層１２２はそれぞれ、酸化スズ、酸化亜鉛、インジウムスズ酸化物、スズ酸カドミウム、これらの組合せ、または他の適切な材料を含むことができる。ＴＣＯ層材料は、追加のドーパントおよび成分を含むこともできることが理解される。たとえば、酸化亜鉛は、アルミニウム、ガリウム、ホウ素、および他の適切なドーパントなどのドーパントをさらに含むことができる。酸化亜鉛は、約２．５原子％以下のアルミニウムなど、５原子％以下のドーパントを含むことができる。特定の例では、基板１０２は、基板１０２上に第１のＴＣＯ層１０４がすでに堆積された状態で、ガラス製造者によって提供することができる。
【００１６】
第１のｐ−ｉ−ｎ接合１２６は、ｐ型非晶質シリコン層１０６と、ｐ型非晶質シリコン層１０６を覆って形成された真性非晶質シリコン層１０８と、真性非晶質シリコン層１０８を覆って形成されたｎ型微結晶シリコン層１１０とを含むことができる。特定の実施形態では、ｐ型非晶質シリコン層１０６は、約６０Å〜約３００Åの間の厚さに形成することができる。特定の実施形態では、真性非晶質シリコン層１０８は、約１，５００Å〜約３，５００Åの間の厚さに形成することができる。特定の実施形態では、ｎ型微結晶半導体層１１０は、約１００Å〜約４００Åの間の厚さに形成することができる。
【００１７】
第１のｐ−ｉ−ｎ接合１２６と第２のｐ−ｉ−ｎ接合１２８の間に配置されたＷＳＲ層１１２は通常、特定の所望の膜特性を有するように構成される。一構成では、ＷＳＲ層１１２は、太陽電池セル１００の光入射側から受け取った光を反射するのに望ましい屈折率、または屈折率の範囲を有する中間反射体として能動的に働く。ＷＳＲ層１１２はまた、第１のｐ−ｉ−ｎ接合１２６において短波長から中波長の光（たとえば、２８０ｎｍ〜８００ｎｍ）の吸収を高めて短絡電流を改善する接合層として働き、その結果、量子および変換効率が改善される。ＷＳＲ層１１２は、接合１２８内に形成された層への光の透過を容易にするために、中波長から長波長の光（たとえば、５００ｎｍ〜１１００ｎｍ）に対して高い膜透過率をさらに有する。一実施形態では、ＷＳＲ層１１２は微結晶シリコン層とすることができ、ＷＳＲ層１１２内にはｎ型またはｐ型のドーパントが配置される。例示的な実施形態では、ＷＳＲ層１１２はｎ型結晶シリコン合金であり、ＷＳＲ層１１２内にはｎ型ドーパントが配置される。ＷＳＲ層１１２内に配置される異なるドーパントは、バンドギャップ、結晶分率、導電性、透明性、膜屈折率、消衰係数などの光および電気特性に影響を与えることもできる。いくつかの例では、ＷＳＲ層１１２の様々な領域内へ１つまたは複数のドーパントをドープして、膜のバンドギャップ、仕事関数（複数可）、導電性、透明性などを効率的に制御および調整することができる。一実施形態では、ＷＳＲ層１１２は、約１．４〜約３の間の屈折率、少なくとも約２ｅＶのバンドギャップ、および約１０−３Ｓ／ｃｍより大きい導電性を有するように制御される。
【００１８】
第２のｐ−ｉ−ｎ接合１２８は、ｐ型微結晶シリコン層１１４と、ｐ型微結晶シリコン層１１４を覆って形成された真性微結晶シリコン層１１８と、真性微結晶シリコン層１１８を覆って形成されたｎ型非晶質シリコン層１２０とを含むことができる。一実施形態では、真性微結晶シリコン層１１８のバルク層の堆積前に、ｐ型微結晶シリコン層１１４を覆って真性微結晶シリコンシード層１１６を形成することができる。一実施形態では、シード層１１６および真性微結晶シリコン層１１８は、加工チャンバ内で実行される堆積中に異なるプロセスパラメータを利用して層１１６、１１８を個々に形成することによって、１つのプロセスで形成することができる。シード層１１６およびバルク真性微結晶シリコン層１１８をどのように堆積させるかに関するさらなる詳細については、図３〜４を参照して以下にさらに説明する。
【００１９】
一実施形態では、ｐ型微結晶シリコン層１１４は、約１００Å〜約４００Åの間の厚さに形成することができる。特定の実施形態では、真性微結晶シリコンシード層１１６は、約５０Å〜約５００Åの間の厚さに形成することができる。特定の実施形態では、バルク真性微結晶シリコン層１１８は、約１０，０００Å〜約３０，０００Åの間の厚さに形成することができる。特定の実施形態では、ｎ型非晶質シリコン層１２０は、約１００Å〜約５００Åの間の厚さに形成することができる。
【００２０】
メタルバック層１２４は、それだけに限定されるものではないが、Ａｌ、Ａｇ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｐｔ、これらの合金、またはこれらの組合せからなる群から選択される材料を含むことができる。レーザスクライビングプロセスなどの他のプロセスを実行して、太陽電池セル１００を形成することもできる。メタルバック層１２４を覆って他の膜、材料、基板、および／または包装を提供して、太陽電池セルデバイスを完成させることができる。形成された太陽電池セルを相互接続してモジュールを形成することができ、次いでモジュールを接続してアレイを形成することができる。
【００２１】
太陽放射１０１は、ｐ−ｉ−ｎ接合１２６、１２８の真性層１０８、１１８によって主に吸収され、電子−正孔対に変換される。真性層１０８、１１８の両端に延びるｐ型層１０６、１１４とｎ型層１１０、１２０の間に生じる電界により、ｎ型層１１０、１２０の方へ電子が流れ、ｐ型層１０６、１１４の方へ正孔が流れて、電流を生じさせる。非晶質シリコンと微結晶シリコンは太陽放射１０１の異なる波長を吸収するため、第１のｐ−ｉ−ｎ接合１２６は真性非晶質シリコン層１０８を含み、第２のｐ−ｉ−ｎ接合１２８は真性微結晶シリコン層１１８を含む。したがって、形成された太陽電池セル１００は、太陽放射スペクトルのより大きい部分を捕獲するため、より効率的である。非晶質シリコンの真性層１０８、１１８および微結晶の真性層は、非晶質シリコンのバンドギャップが微結晶シリコンより大きいため、太陽放射１０１がまず真性非晶質シリコン層１０８に当たり、ＷＳＲ層１１２を透過し、次いで真性微結晶シリコン層１１８に当たるように積み重ねられる。第１のｐ−ｉ−ｎ接合１２６によって吸収されない太陽放射は、引き続きＷＳＲ層１１２を透過し、第２のｐ−ｉ−ｎ接合１２８へ進む。
【００２２】
電荷収集は通常、ｐ型またはｎ型のドーパントでドープされたシリコン層などのドープされた半導体層によって提供される。ｐ型ドーパントは通常、ホウ素またはアルミニウムなどの第ＩＩＩ族元素である。ｎ型ドーパントは通常、リン、ヒ素、またはアンチモンなどの第Ｖ族元素である。大部分の実施形態では、ｐ型ドーパントとしてホウ素が使用され、ｎ型ドーパントとしてリンが使用される。これらのドーパントは、反応混合物中にホウ素含有化合物またはリン含有化合物を含むことによって、上記のｐ型層１０６、１１４およびｎ型層１１０、１２０に追加することができる。適切なホウ素およびリンの化合物は通常、置換および非置換の低級ボランならびにホスフィンオリゴマーを含む。いくつかの適切なホウ素化合物には、トリメチルホウ素（Ｂ（ＣＨ３）３またはＴＭＢ）、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）、三フッ化ホウ素（ＢＦ３）、およびトリエチルホウ素（Ｂ（Ｃ２Ｈ５）３またはＴＥＢ）が含まれる。ホスフィンは、一般的なリン化合物である。ドーパントは通常、水素、ヘリウム、アルゴン、および他の適切なガスなどのキャリアガスとともに提供される。キャリアガスとして水素が使用される場合、反応混合物中の全体的な水素が増大される。したがって水素比は、ドーパントに対するキャリアガスとして使用される水素を含む。
【００２３】
ドーパントは通常、不活性ガス中の希釈されたガス混合物として提供される。たとえば、ドーパントは、キャリアガスにおいて約０．５％のモル濃度または体積濃度で提供することができる。ドーパントが、１．０ｓｃｃｍ／Ｌで流れるキャリアガスにおいて０．５％の体積濃度で提供される場合、その結果得られるドーパント流量は、０．００５ｓｃｃｍ／Ｌである。ドーパントは、所望のドープの程度に応じて、約０．０００２ｓｃｃｍ／Ｌ〜約０．１ｓｃｃｍ／Ｌの間の流量で反応チャンバへ提供することができる。一般に、ドーパント濃度は、約１０１８原子／ｃｍ２〜約１０２０原子／ｃｍ２の間で維持される。
【００２４】
一実施形態では、ｐ型微結晶シリコン層１１４は、水素ガスとシランガスのガス混合物を、１０００：１以下など、約２００：１以上の水素とシランの比、たとえば約２５０：１〜約８００：１の間、さらなる例では約６０１：１または約４０１：１で提供することによって堆積させることができる。シランガスは、約０．２ｓｃｃｍ／Ｌ〜約０．３８ｓｃｃｍ／Ｌの間など、約０．１ｓｃｃｍ／Ｌ〜約０．８ｓｃｃｍ／Ｌの間の流量で提供することができる。水素ガスは、約１４３ｓｃｃｍ／Ｌなど、約６０ｓｃｃｍ／Ｌ〜約５００ｓｃｃｍ／Ｌの間の流量で提供することができる。ＴＭＢは、約０．００１１５ｓｃｃｍ／Ｌなど、約０．０００２ｓｃｃｍ／Ｌ〜約０．００１６ｓｃｃｍ／Ｌの間の流量で提供することができる。ＴＭＢがキャリアガスにおいて０．５％のモル濃度または体積濃度で提供される場合、ドーパント／キャリアガス混合物は、約０．２３ｓｃｃｍ／Ｌなど、約０．０４ｓｃｃｍ／Ｌ〜約０．３２ｓｃｃｍ／Ｌの間の流量で提供することができる。ＲＦ電力は、約２９０ｍＷ／ｃｍ２〜約４４０ｍＷ／ｃｍ２の間など、約５０ｍＷ／ｃｍ２〜約７００ｍＷ／ｃｍ２の間で印加することができる。チャンバ圧力は、約３トル〜約２０トルの間など、約１トル〜約１００トルの間、たとえば約７トルまたは約９トルなど、４トル〜約１２トルの間で維持することができる。これらの条件で、約１４３Å／分以上など、約１０Å／分以上の速度で、５０パーセント〜約７０パーセントの間など、約２０パーセント〜約８０パーセントの間の結晶分率を有するｐ型微結晶層を堆積させる。
【００２５】
一実施形態では、ｐ型微結晶シリコン層１１４内の炭素、ゲルマニウム、窒素、酸素などの第２のドーパントが、光電子変換効率を改善することができる。第２のドーパントが全体的な太陽電池セル性能をどのように改善できるかに関する詳細は、２００８年９月１１日出願の「Ｍｉｃｒｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ａｌｌｏｙｓ  ｆｏｒ  Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  ａｎｄ  Ｗａｆｅｒ  Ｂａｓｅｄ  Ｓｏｌａｒ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」という名称の米国特許出願第１２／２０８，４７８号に詳細に開示されている。同出願を、参照により本明細書に組み込む。
【００２６】
一実施形態では、ｐ型非晶質シリコン層１０６は、水素ガスとシランガスのガス混合物を約２０：１以下の比で提供することによって堆積させることができる。シランガスは、約１ｓｃｃｍ／Ｌ〜約１０ｓｃｃｍ／Ｌの間の流量で提供することができる。水素ガスは、約５ｓｃｃｍ／Ｌ〜６０ｓｃｃｍ／Ｌの間の流量で提供することができる。トリメチルホウ素は、約０．００５ｓｃｃｍ／Ｌ〜約０．０５ｓｃｃｍ／Ｌの間の流量で提供することができる。トリメチルホウ素がキャリアガスにおいて０．５％のモル濃度または体積濃度で提供される場合、ドーパント／キャリアガス混合物は、約１ｓｃｃｍ／Ｌ〜約１０ｓｃｃｍ／Ｌの間の流量で提供することができる。ＲＦ電力は、約１５ミリワット／ｃｍ２〜約２００ミリワット／ｃｍ２の間で印加することができる。チャンバ圧力は、ガス混合物からｐ型非晶質シリコン層を約１００Å／分以上で堆積させるために、約１トル〜約４トルの間など、約０．１トル〜２０トルの間で維持することができる。
【００２７】
一実施形態では、ｎ型微結晶シリコン層１１０は、水素ガスとシランガスのガス混合物を、約１５０：１〜約４００：１の間など、約５００：１以下などの約１００：１以上の比（体積）、たとえば約３０４：１または約２０３：１で提供することによって堆積させることができる。シランガスは、約０．３２ｓｃｃｍ／Ｌ〜約０．４５ｓｃｃｍ／Ｌの間など、約０．１ｓｃｃｍ／Ｌ〜約０．８ｓｃｃｍ／Ｌの間の流量、たとえば約０．３５ｓｃｃｍ／Ｌで提供することができる。水素ガスは、約６８ｓｃｃｍ／Ｌ〜約１４３ｓｃｃｍ／Ｌの間など、約３０ｓｃｃｍ／Ｌ〜約２５０ｓｃｃｍ／Ｌの間の流量、たとえば約７１．４３ｓｃｃｍ／Ｌで提供することができる。ホスフィンは、約０．００２５ｓｃｃｍ／Ｌ〜約０．０１５ｓｃｃｍ／Ｌの間など、約０．０００５ｓｃｃｍ／Ｌ〜約０．００６ｓｃｃｍ／Ｌの間の流量、たとえば約０．００５ｓｃｃｍ／Ｌで提供することができる。言い換えれば、ホスフィンがキャリアガスにおいて０．５％のモル濃度または体積濃度で提供される場合、ドーパント／キャリアガスは、約０．５ｓｃｃｍ／Ｌ〜約３ｓｃｃｍ／Ｌの間など、約０．１ｓｃｃｍ／Ｌ〜約５ｓｃｃｍ／Ｌの間の流量、たとえば約０．９ｓｃｃｍ／Ｌ〜約１．０８８ｓｃｃｍ／Ｌの間で提供することができる。ＲＦ電力は、約３７０ｍＷ／ｃｍ２など、約１００ｍＷ／ｃｍ２〜約９００ｍＷ／ｃｍ２の間で印加することができる。チャンバ圧力は、約１５０Å／分以上など、約５０Å／分以上の速度で、約２０パーセント〜約８０パーセントの間、たとえば５０パーセント〜約７０パーセントの間の結晶分率を有するｎ型微結晶シリコン層を堆積させるために、約３トル〜約２０トルの間など、約１トル〜約１００トルの間、たとえば４トル〜約１２トルの間、たとえば約６トルまたは約９トルで維持することができる。
【００２８】
一実施形態では、ｎ型非晶質シリコン層１２０は、水素ガスとシランガスのガス混合物を約５．５：１または７．８：１など、約２０：１以下の比（体積）で提供することによって堆積させることができる。シランガスは、約１ｓｃｃｍ／Ｌ〜約１０ｓｃｃｍ／Ｌの間、約０．１ｓｃｃｍ／Ｌ〜５ｓｃｃｍ／Ｌの間、または約０．５ｓｃｃｍ／Ｌ〜約３ｓｃｃｍ／Ｌの間など、約０．１ｓｃｃｍ／Ｌ〜約１０ｓｃｃｍ／Ｌの間の流量、たとえば約１．４２ｓｃｃｍ／Ｌまたは５．５ｓｃｃｍ／Ｌで提供することができる。水素ガスは、約４ｓｃｃｍ／Ｌ〜約４０ｓｃｃｍ／Ｌの間または約１ｓｃｃｍ／Ｌ〜約１０ｓｃｃｍ／Ｌの間など、約１ｓｃｃｍ／Ｌ〜約４０ｓｃｃｍ／Ｌの間の流量、たとえば約６．４２ｓｃｃｍ／Ｌまたは２７ｓｃｃｍ／Ｌで提供することができる。ホスフィンは、約０．０００５ｓｃｃｍ／Ｌ〜約０．００１５ｓｃｃｍ／Ｌの間または約０．０１５ｓｃｃｍ／Ｌ〜約０．０３ｓｃｃｍ／Ｌの間など、約０．０００５ｓｃｃｍ／Ｌ〜約０．０７５ｓｃｃｍ／Ｌの間の流量、たとえば約０．００９５ｓｃｃｍ／Ｌまたは０．０２３ｓｃｃｍ／Ｌで提供することができる。ホスフィンがキャリアガスにおいて０．５％のモル濃度または体積濃度で提供される場合、ドーパント／キャリアガス混合物は、約０．１ｓｃｃｍ／Ｌ〜約３ｓｃｃｍ／Ｌの間、約２ｓｃｃｍ／Ｌ〜約１５ｓｃｃｍ／Ｌの間、または約３ｓｃｃｍ／Ｌ〜約６ｓｃｃｍ／Ｌの間など、約０．１ｓｃｃｍ／Ｌ〜約１５ｓｃｃｍ／Ｌの間の流量、たとえば約１．９ｓｃｃｍ／Ｌまたは約４．７１ｓｃｃｍ／Ｌで提供することができる。ＲＦ電力は、約６０ｍＷ／ｃｍ２または約８０ｍＷ／ｃｍ２など、約２５ｍＷ／ｃｍ２〜約２５０ｍＷ／ｃｍ２の間で印加することができる。約０．５トル〜約４トルの間など、約０．１トル〜約２０トルの間のチャンバ圧力、たとえば約１．５トルでは、約２００Å／分以上など、約１００Å／分以上の速度、たとえば約３００Å／分または約６００Å／分で、ｎ型非晶質シリコン層を堆積させる。
【００２９】
いくつかの実施形態では、シリコン層は、ドーパント化合物を速い速度、たとえば上記のレシピの上部部分の速度で供給することによって、高濃度にドープすることができ、または縮退ドープすることができる。縮退ドープは、低抵抗の接触接合を提供することによって電荷収集を改善すると考えられる。縮退ドープはまた、非晶質層などのいくつかの層の導電性を改善すると考えられる。
【００３０】
一実施形態では、真性非晶質シリコン層１０８は、水素ガスとシランガスのガス混合物を約２０：１以下の比（体積）で提供することによって堆積させることができる。シランガスは、約０．５ｓｃｃｍ／Ｌ〜約７ｓｃｃｍ／Ｌの間の流量で提供することができる。水素ガスは、約５ｓｃｃｍ／Ｌ〜６０ｓｃｃｍ／Ｌの間の流量で提供することができる。シャワーヘッドには、１５ｍＷ／ｃｍ２〜約２５０ｍＷ／ｃｍ２の間のＲＦ電力を提供することができる。チャンバの圧力は、約０．５トル〜約５トルの間など、約０．１トル〜２０トルの間で維持することができる。真性非晶質シリコン層１０８の堆積速度は、約１００Å／分以上とすることができる。例示的な実施形態では、真性非晶質シリコン層１０８は、約１２．５：１の水素とシランの比で堆積される。
【００３１】
真性微結晶シリコンシード層１１６および真性微結晶シリコン層１１８の堆積に関するさらなる詳細については、図４〜５を参照して以下にさらに説明する。
【００３２】
図２は、真性微結晶シリコンシード層１１６および真性微結晶シリコン層１１８を有する単一接合型の太陽電池セル２００の一実施形態の概略図である。太陽電池セル２００は、基板１０２と、基板１０２を覆って形成された第１の透明導電酸化物（ＴＣＯ）層１０４と、第１のＴＣＯ層１０４を覆って形成された単一のｐ−ｉ−ｎ接合２０６とを含む。単一のｐ−ｉ−ｎ接合２０６を覆って第２のＴＣＯ層１２２が形成され、第２のＴＣＯ層１２２を覆ってメタルバック層１２４が形成される。一実施形態では、単一のｐ−ｉ−ｎ接合２０６は、ｐ型シリコン層２０２と、真性微結晶シリコンシード層１１６および真性微結晶シリコン層１１８と、真性微結晶シリコン層１１８を覆って形成されたｎ型シリコン層２０８とを含む。ｐ型シリコン層２０２およびｎ型シリコン層２０８は、ｐ−ｉ−ｎ接合２０６を形成するために利用される非晶質シリコン、微結晶シリコン、ポリシリコンなどを含めて、任意のタイプのシリコン層とすることができる。真性微結晶シリコンシード層１１６および真性微結晶シリコン層１１８をどのように形成できるかに関する詳細な説明は、図３〜４を参照して以下にさらに論じる。
【００３３】
図３は、図１および２に示す真性微結晶シリコンシード層１１６および真性微結晶シリコン層１１８を堆積できるプラズマ強化化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）チャンバ３００の一実施形態の概略横断面図である。１つの適切なプラズマ強化化学気相成長チャンバは、カリフォルニア州サンタクララにあるＡｐｐｌｉｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．から入手可能である。他の製造者からのものを含めて、他の堆積チャンバを利用して本発明を実施できることが企図される。
【００３４】
ＰＥＣＶＤチャンバ３００は通常、プロセス体積３０６を画定する壁３０２、底部３０４、およびシャワーヘッド３１０、ならびに基板支持体３３０を含む。プロセス体積には、ＰＥＣＶＤチャンバ３００との間で基板を搬送できるように、バルブ３０８を通ってアクセスされる。基板支持体３３０は、基板を支持する基板受取り表面３３２と、基板支持体３３０を上下させるようにリフトシステム３３６に結合された心棒３３４とを含む。任意選択で、基板１０２の周辺部を覆ってシャドーリング３３３を置くことができる。基板支持体３３０を通ってリフトピン３３８が可動式に配置されており、ロボットによる搬送を容易にするために、基板と基板受取り表面３３２の間に間隔を空けるように作動させることができる。基板支持体３３０はまた、基板支持体３３０を所望の温度で維持するために、加熱および／または冷却素子３３９を含むことができる。基板支持体３３０はまた、基板支持体３３０の周辺部にＲＦ帰還路を提供するために、ＲＦ導電ストラップ３３１を含むことができる。
【００３５】
シャワーヘッド３１０は、懸架部３１４によって周辺部で裏当て板３１２に結合される。シャワーヘッド３１０はまた、弛みを防止しかつ／またはシャワーヘッド３１０の直線性／湾曲を制御するのを助けるために、１つまたは複数の中心支持体３１６によって裏当て板に結合することができる。裏当て板３１２にはガス源３２０が結合されて、裏当て板３１２およびシャワーヘッド３１０を通って基板受取り表面３３２へガスを提供する。ＰＥＣＶＤチャンバ３００には、プロセス体積３０６を所望の圧力で制御するために、真空ポンプ３０９が結合される。裏当て板３１２および／またはシャワーヘッド３１０にはＲＦ電源３２２が結合され、シャワーヘッド３１０へＲＦ電力を提供する。ＲＦ電力は、シャワーヘッドと基板支持体３３０の間に電界を生じさせ、したがってシャワーヘッド３１０と基板支持体３３０の間でガスからプラズマを生成することができる。約０．３ＭＨｚ〜約２００ＭＨｚの間の周波数など、様々なＲＦ周波数を使用することができる。一実施形態では、ＲＦ電源は、１３．５６ＭＨｚの周波数で提供される。
【００３６】
ガス源と裏当て板の間には、誘導結合された遠隔プラズマ源などの遠隔プラズマ源３２４を結合することもできる。基板を加工する間に、遠隔プラズマを生成する遠隔プラズマ源３２４へ清浄ガスを提供することができる。これは、プロセス体積３０６内のチャンバ構成要素を清浄にするために提供される。清浄ガスは、シャワーヘッドへ提供されるＲＦ電源３２２によってさらに励起させることができる。適切な清浄ガスには、それだけに限定されるものではないが、ＮＦ３、Ｆ２、およびＳＦ６が含まれる。
【００３７】
図１〜２の微結晶シリコン層１１６、１１８などの真性微結晶シリコン層のための堆積方法は、図３のプロセスチャンバまたは他の適切なチャンバ内で以下の堆積パラメータを含むことができる。５５，０００ｃｍ２以上など、１０，０００ｃｍ２以上の表面積、たとえば４０，０００ｃｍ２以上を有する基板がチャンバへ提供される。加工した後、基板を切断してより小さい太陽電池セルを形成できることが理解される。
【００３８】
一実施形態では、加熱および／または冷却素子３３９は、約１００℃〜約４００℃の間など、約４００℃以下、たとえば約２００℃など、約１５０℃〜約３００℃の間の堆積中の基板支持体温度を提供するように設定することができる。基板受取り表面３３２上に配置された基板の上部表面とシャワーヘッド３１０の間の堆積中の間隔は、４００ミル〜約８００ミルの間など、４００ミル〜約１，２００ミルの間とすることができる。
【００３９】
図４は、真性微結晶シリコンシード層１１６および真性微結晶シリコン層１１８などの真性微結晶シリコン層を堆積させる方法４００のプロセスの流れを示す。方法４００は、図３に示すＰＥＣＶＤチャンバ３００などのプラズマチャンバ内で実行することができる。方法４００は、他の製造者からのものを含めて、任意の適切なプラズマチャンバ内で実行できることに留意されたい。
【００４０】
方法４００は、ステップ４０２で、図１〜２に示す基板１０２などの基板を加工チャンバ内へ提供することから始まる。基板１０２は、図２の実施形態に示すように、第１のＴＣＯ層１０４と、第１のＴＣＯ層１０４上に配置されたｐ型シリコン層２０２とを有することができる。ｐ型シリコン層は、非晶質シリコン層、微結晶シリコン層、ポリシリコン層、または任意の他の適切なシリコン含有層とすることができる。別法として、基板１０２は、図１の実施形態に示すように、第１のＴＣＯ層１０４と、第１のｐ−ｉ−ｎ接合１２６と、任意選択でＷＳＲ層１１２と、ｐ型微結晶シリコン層１１４とを有することができる。基板１０２上に真性微結晶シリコン層を形成して太陽電池セルを形成するのを容易にするために、基板１０２上に膜、構造、または層の異なる組合せを事前に形成できることに留意されたい。一実施形態では、基板１０２は、ガラス基板、プラスチック基板、ポリマー基板、または太陽電池セルをその上に形成するのに適した他の透明基板のいずれか１つとすることができる。
【００４１】
ステップ４０４で、加工チャンバ内へガス混合物を供給して、真性微結晶シリコンシード層１１６およびバルク真性微結晶シリコン層１１８を順次堆積させる。堆積中、ガス混合物中でプラズマを着火および形成するために利用されるプロセスパラメータは、シード層１１６およびバルク真性微結晶シリコン層１１８を所望の膜特性および膜微細構造で堆積するのを容易にするように動的に制御することができる。一実施形態では、ガス混合物は、シリコンベースのガスおよび水素ベースのガスを含むことができる。適切なシリコンベースのガスには、それだけに限定されるものではないが、シラン（ＳｉＨ４）、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）、四フッ化ケイ素（ＳｉＦ４）、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４）、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）、およびこれらの組合せが含まれる。適切な水素ベースのガスには、それだけに限定されるものではないが、水素ガス（Ｈ２）が含まれる。一実施形態では、本明細書に記載のシリコンベースのガスはシラン（ＳｉＨ４）であり、本明細書に記載の水素ベースのガスは水素（Ｈ２）である。
【００４２】
一実施形態では、ガス混合物中で供給されるシランガスなどのシリコンベースのガスは、堆積プロセス中に第１の所定の設定点から第２の所定の設定点へ漸進的に増加させることができる。本明細書で使用する「増加」という用語は、プロセスパラメータを第１の設定点から第２の設定点へ所定の期間にわたって所望の増加速度で漸進的に増大させることを意味することに留意されたい。本明細書で使用する「増加」という用語は、スロットルバルブの開閉操作によって引き起こされる突然の変化ではない。
【００４３】
ガス混合物中のシランガス流の漸進的な増加は、シリコン原子が基板表面上で均一に付着および分布するのを助け、それによってシード層１１６および真性微結晶シリコン層１１８を所望の膜特性および低い欠陥密度で形成できると考えられる。シリコン原子が均一に付着し、基板表面上に形成される欠陥密度が低いことで、後の原子が核を形成するための良好な核形成場所を提供し、したがってその上に後に形成される膜の結晶化度を促進する。
【００４４】
シード層１１６を低い欠陥密度で維持するにはシード層１１６を遅い速度で形成する必要がある実施形態では、低速から高速へのシランガス流の増加を使用することができる。別法として、ガス混合物中で供給されるシランガス流は、必要に応じて安定した状態で保つことができ、シランガス流の増加は、バルク堆積プロセスまで待つことができる。一実施形態では、シード層１１６を形成するステップ４０４で供給されるシランガス流は、約６０秒〜約１８００秒の間など、約３０秒〜約３０００秒の間で加工するために、約０．０１ｓｃｃｍ／Ｌ〜約０．１ｓｃｃｍ／Ｌの間、たとえば約０．０３ｓｃｃｍ／Ｌ（約３０００ｓｃｃｍ）で制御される。シード層１１６を形成するステップ４０４で供給される水素ガス流は、約１０００００ｓｃｃｍ〜約５０００００ｓｃｃｍの間、たとえば約２０００００ｓｃｃｍで制御される。
【００４５】
別の実施形態では、シランガスおよび水素ガスは、所定のガス流量比で加工チャンバ内へ供給することができる。水素とシランガスの所定のガス流量比により、微結晶シリコンシード層１１６を所望の結晶分率および粒組織で形成するのを助ける。一実施形態では、ガス混合物中の水素とシランのガス流量比（たとえば、流れ体積比）は、約２００など、約３０〜約３００の間または約２０〜約２５０の間で制御される。１つの特定の実施形態では、ガス混合物中で供給される水素ガスは、安定した速度で提供することができ、一方シランガス流は、シランガスと水素ガスの所望の比に到達するまで漸進的に増加される。堆積の初期段階でシラン流量が低いことで、ガス混合物中の比較的純粋な水素プラズマ環境および／または高い水素希釈のため、膜結晶および核形成の場所の形成を助けることができると考えられる。したがって、所望の高い水素希釈プラズマ環境を生じさせるために、シランガスの前に水素ガスを加工チャンバ内へ供給することができる。別法として、シラン流を増加させる方法と同様に、水素流を比較的高い流量で開始し、次いで水素とシランのガス流の所望の比に到達するまで、漸進的に減少させることもできる。
【００４６】
シード層１１６が所望の厚さへ到達した後、水素ガスとシランガスの比を変化させて、バルク真性微結晶シリコン層１１８を堆積させることができる。バルク真性微結晶シリコン層１１８を形成しながら、ガス混合物中で供給されるシランガスは、所望のガス流量比に到達するまで漸進的に増加させることができる。バルク真性微結晶シリコン層１１８の厚さの増大とともに結晶分率が増大することがあるため、堆積中にガス流量比を動的に調整することで、形成される結晶分率を所望の範囲内で維持するように、バルク真性微結晶シリコン層１１８内で形成される結晶分率を効率的に調和させることができる。ガス混合物中で供給されるシラン流量を高くすると、バルク真性微結晶シリコン層１１８内で形成される結晶分率を低減できると考えられる。したがって、ガス混合物中で供給されるシラン流の流量を漸進的に増加させることによって、膜厚さの増大によりバルク真性微結晶シリコン層１１８内で形成される結晶分率を補償することができ、したがってバルク真性微結晶シリコン層１１８内で形成される一定の結晶分率を維持することができる。一実施形態では、シランガスは、堆積プロセス中に漸進的に増加させることができる。たとえば、シランガスは、約５００秒〜約２５００秒の間の期間にわたって０．０３ｓｃｃｍ／Ｌから約０．０３５ｓｃｃｍ／Ｌへ増加させることができる。別の実施形態では、シランガスは、水素ガスに対する所定のガス流量比で、加工チャンバ内で漸進的に増加させることができる。たとえば、ガス混合物中で供給されるシランガスの流量と水素の流量の比は、約１：７０〜約１：８０など、約１：５０〜約１：２００の範囲内で増加される。
【００４７】
バルク真性微結晶シリコン層１１８を堆積させるシラン流の漸進的な増加は動的に制御され、したがって堆積プロセスの異なる段階で供給されるガス流は異なってもよい。段階的なプロセスパラメータ調整を利用する従来の慣行とは異なり、堆積プロセス中に供給されるガス流は、複数の層を異なる膜特性で段階ごとに形成してバルク膜全体を構成するようにユーザによって事前定義された各時間セグメント内でのみ変動される。対照的に、本発明を利用することによって、ガス流を動的かつ一定に変動および調整することができ、その結果得られるバルク真性微結晶シリコン層１１８は、異なる膜特性で平滑に遷移する。一実施形態では、供給されるガス流は、その結果得られるバルク真性微結晶シリコン層１１８が形成されるまで、直線的に、または放物線状、逆放物線状、曲線、もしくは任意の他の適切なプロファイルなどの他の増加プロファイルで増加するように動的に制御することができる。一実施形態では、バルク真性微結晶シリコン層１１８を堆積させるために供給されるガス流は、直線的に供給され、動的に制御される。
【００４８】
一実施形態では、必要に応じてＨｅやＡｒなどの不活性ガスまたはキャリアガスを加工チャンバへ供給することができる。さらに、その結果得られる真性微結晶シリコン層内に１つまたは複数のドーパントが形成されることが望ましい場合、必要に応じてＣＯ２、Ｏ２、Ｎ２Ｏ、ＮＯ２、ＣＨ４、ＣＯ、Ｈ２、Ｇｅ含有前駆体、Ｎ２などの１つまたは複数のドーパントガスを提供し、シリコン合金微結晶シリコン層を形成する。
【００４９】
一実施形態では、シード層１１６およびバルク真性微結晶シリコン層１１８の堆積前に、任意選択の水素ガス処理プロセスを基板上で実行することができる。水素処理プロセスを実行すると、下にある層を処理して表面汚染を抑制することができる。さらに、プラズマ処理プロセスでは、処理プロセス中に表面の欠陥を除去または排除できるため、境界面の電気特性を改善することもできる。水素処理プロセスを実行するとき、水素ガスが加工チャンバ内へ低いＲＦ電力で供給される。ＲＦ電力は、基板表面から汚染物質を除去するのに良好なプラズマ処理効果を維持しながら下にある層のプラズマ損傷を回避するために低いレベルで制御される。水素ガスまたはアルゴンガスを供給するガス流は、約０．１ｓｃｃｍ／Ｌ〜約５ｓｃｃｍ／Ｌの間、たとえば約０．５ｓｃｃｍ／Ｌ〜約２ｓｃｃｍ／Ｌである。処理プロセスを行うために供給されるＲＦ電力は、約４０ミリワット／ｃｍ２〜約８０ミリワット／ｃｍ２の間など、約１５０ミリワット／ｃｍ２未満で制御することができる。水素処理プロセスが完了した後、ステップ４０４で記載のガス混合物中のシランガスを加工チャンバ内へ供給することができ、ＲＦ電力を漸進的に増加させて、上記のシード層１１６およびバルク真性微結晶シリコン層１１８を堆積させることができる。
【００５０】
ステップ４０４でプロセスチャンバへのガス混合物の供給を実行しながら、ステップ４０６で、いくつかのプロセスパラメータを動的に調整することができる。ステップ４０４でガス混合物をプロセスガス内へ供給しながら、ガス混合物を所望の形でプラズマイオン化できるように、ガス混合物中でプラズマを着火するために印加されるＲＦ電力を制御することができる。一実施形態では、加工チャンバへ印加されるＲＦ電力は、シード層１１６を堆積させるために、４００ミリワット／ｃｍ２未満で制御される。堆積の初期段階で過度に大量のＲＦ電力を提供する結果、高いイオン衝撃が生じることがあり、それによって下にある層を損傷し、基板表面およびチャンバハードウェア構成要素上でアークの発生をもたらし、またガス混合物中で形成されるイオンの不均一または過度に励起された状態に寄与することがあり、その結果、基板表面上の原子の分配が不均一になることがある。そのような発生を防止するために、過度に励起された状態または不安定な状態でイオンが解離されるのを防止するためにシード層１１６を形成するとき、ＲＦ電力は３０キロワット未満のレベルで制御される。一実施形態では、シード層１１６の堆積中に供給されるＲＦ電力は、必要に応じて安定した状態で維持することができ、または動的に制御（すなわち、増加または減少）することができる。
【００５１】
シード層１１６が基板上に形成された後、バルク真性微結晶シリコン層１１８を形成するために加工チャンバ内へ供給されるＲＦ電力は、所定の期間で第１の設定点から第２の設定点へ制御される。一実施形態では、バルク真性微結晶シリコン層１１８を形成するために供給されるＲＦ電力は、漸進的に減少するように構成される。堆積中に加工チャンバへ印加されるＲＦ電力を低くすると、その結果得られるバルク真性微結晶シリコン層１１８内に形成される結晶分率を低減させると考えられる。したがって、膜厚さが増大するときに一定の膜結晶を維持するために、ＲＦ電力の漸進的な減少を実行して、膜厚さによって増大される結晶分率を補償する。一実施形態では、ＲＦ電力は、約１０００秒〜約１８００秒の間の期間で５００００ワットから約４５０００ワットへ減少される。電力密度によって電力単位を表す場合、ＲＦ電力密度は、約１０００秒〜約１８００秒の間の期間に約８００ミリワット／ｃｍ２〜約７００ミリワット／ｃｍ２の間で制御することができる。ＶＨＦ電力を利用して、約１３．５６ＭＨｚまたは約４０ＭＨｚなど、１０ＭＨｚ〜約２００ＭＨｚの間の周波数を提供し、ガス混合物中でイオンを解離するのに十分なＲＦ電力を提供することができ、したがって速い堆積速度を得ることができる。
【００５２】
ステップ４０４で供給されるガス混合物の制御と同様に、印加されるＲＦ電力は、バルク真性微結晶シリコン層１１８を所望の膜結晶分率で形成できる所望の形で、ガス混合物中で形成されるプラズマを維持するように動的に制御することができる。ＲＦ電力は、その結果得られるバルク真性微結晶シリコン層１１８が形成されるまで、直線、放物線状、逆放物線状、曲線、または任意の他の適切なプロファイルなどの任意の増加プロファイルで動的に制御することができる。一実施形態では、バルク真性微結晶シリコン層１１８を堆積させるために印加されるＲＦ電力は、直線的に減少させ、動的に制御することができる。
【００５３】
ステップ４０６で実行されるプロセス中、いくつかのプロセスパラメータを堆積プロセス中に動的に制御することができる。一実施形態では、堆積プロセス中に維持されるプロセス圧力を、堆積プロセス全体にわたって動的に調整することができる。一実施形態では、層１１８が成長するとき、プロセス圧力を漸進的に増加させて、その結果得られるバルク真性微結晶シリコン層１１８内に形成される結晶分率を低減させることができる。プロセス圧力は、ステップ４０４で実行されるガス混合物に対する制御のように、所定の期間内に第１の設定点から第２の設定点へ増加させることができる。堆積プロセス中にプロセス圧力を低くすると、膜内の結晶構造の形成を助け、それによってその結果得られるバルク真性微結晶シリコン層１１８内の結晶分率を増大できると考えられる。したがって、真性微結晶シリコン層の堆積プロセス中に制御されるプロセス圧力を漸進的に増加させて、バルク真性微結晶シリコン層１１８内で形成される結晶分率を低減させることができる。一実施形態では、プロセス圧力は、約１０００秒〜約１８００秒の間の期間で１２トルから約１５トルへ増加させることができる。
【００５４】
基板とガス分配板アセンブリの間隔は、必要に応じて動的に制御することができる。一実施形態では、基板の間隔を漸進的に増大させて、バルク真性微結晶シリコン層１１８内に形成される結晶分率を低減させることができる。たとえば、基板の間隔は、約１０００秒〜約１８００秒の間の期間にわたって６００ミルから約７５０ミルへ増大させることができる。プロセス圧力、ＲＦ電力、間隔、ガス流量比などを含めて、上記で論じたプロセスパラメータはすべて、膜厚さの成長とともに膜の結晶分率を所望の範囲で維持するように動的に制御できることに留意されたい。基板温度は、動的に制御することができ、すなわち摂氏約１００度〜摂氏約２５０度の間など、摂氏約５０度〜摂氏約３００度の間で、たとえば摂氏約２００度に増加または減少させることができる。
【００５５】
堆積プロセス中に維持されるガス混合物の流量、ＲＦ電力、およびプロセス圧力を効率的かつ動的に制御することによって、バルク真性微結晶シリコン層１１８全体にわたって均一の結晶分率など、所望の膜特性を得ることができる。堆積プロセス中にシラン流を動的に増加させ、かつＲＦ電力を動的に減少させることによって、バルク真性微結晶シリコン層１１８内で均一の膜結晶分率を得ることができる。一実施形態では、その結果得られる真性微結晶シリコン層は、約４５パーセント〜約５５パーセントの間、またはそれ以上など、４０パーセントより大きい結晶分率を有することができる。膜の結晶分率および膜の結晶均一性が改善されるため、光電変換効率を約５０パーセント〜約１５０パーセント改善することができ、その結果、ＰＶ太陽電池セルのデバイス性能を著しく増大させることができる。
【００５６】
図５は、図３のＰＥＣＶＤチャンバ３００またはシリコン膜を堆積させることが可能な他の適切なチャンバなどの複数のプロセスチャンバ５３１〜５３７を有するプロセスシステム５００の一実施形態の概略平面図である。プロセスシステム５００は、ロードロックチャンバ５１０およびプロセスチャンバ５３１〜５３７に結合された搬送チャンバ５２０を含む。ロードロックチャンバ５１０により、システムの外側の周囲環境と搬送チャンバ５２０およびプロセスチャンバ５３１〜５３７内の真空環境の間で基板を搬送することができる。ロードロックチャンバ５１０は、１つまたは複数の基板を保持する１つまたは複数の排気可能領域を含む。排気可能領域は、システム５００内へ基板を挿入するのを容易にするようにポンプで汲み上げられ、システム５００から基板を除去するのを容易にするように排気される。搬送チャンバ５２０内には、ロードロックチャンバ５１０とプロセスチャンバ５３１〜５３７の間で基板を搬送するように適合された少なくとも１つの真空ロボット５２２が配置される。図５には７つのプロセスチャンバを示すが、システムは任意の適切な数のプロセスチャンバを有することができるため、この構成は、本発明の範囲に関して限定しようとするものではない。
【００５７】
本発明の特定の実施形態では、システム５００は、多重接合型の太陽電池セルの図１に示すような第１のｐ−ｉ−ｎ接合１２６を堆積させるように構成される。一実施形態では、プロセスチャンバ５３１〜５３７の１つは、第１のｐ−ｉ−ｎ接合のｐ型層（複数可）を堆積させるように構成される一方、残りのプロセスチャンバ５３１〜５３７はそれぞれ、真性層（複数可）とｎ型層（複数可）の両方を堆積させるように構成される。第１のｐ−ｉ−ｎ接合の真性層（複数可）およびｎ型層（複数可）は、堆積ステップ間にいかなる不活性化プロセスも実行することなく、同じチャンバ内で堆積させることができる。したがって、一実施形態では、基板がロードロックチャンバ５１０を通ってシステムに入り、次いでこの基板は真空ロボットによって、ｐ型層（複数可）を堆積させるように構成された専用のプロセスチャンバ内へ搬送される。次に、ｐ型層を形成した後、基板は真空ロボットによって、真性層（複数可）とｎ型層（複数可）の両方を堆積させるように構成された残りのプロセスチャンバの１つ内へ搬送される。真性層（複数可）およびｎ型層（複数可）を形成した後、基板は真空ロボット５２２によって、再びロードロックチャンバ５１０へ搬送される。特定の実施形態では、ｐ型層（複数可）を形成するためにプロセスチャンバ内で基板を加工する時間は、真性層（複数可）およびｎ型層（複数可）を単一のチャンバ内で形成する時間より、６倍以上など、約４倍以上速い。したがって、システムの特定の実施形態では、ｐチャンバとｉ／ｎチャンバの比は、１：６以上など、１：４以上である。プロセスチャンバのプラズマ清浄を提供する時間を含めて、システムの処理量は、基板約１０枚／時間以上、たとえば基板２０枚／時間以上とすることができる。
【００５８】
本発明の特定の実施形態では、システム５００は、多重接合型の太陽電池セルの図１に示すような第２のｐ−ｉ−ｎ接合１２８を堆積させるように構成することができる。一実施形態では、プロセスチャンバ５３１〜５３７の１つは、第２のｐ−ｉ−ｎ接合のｐ型層（複数可）を堆積させるように構成される一方、残りのプロセスチャンバ５３１〜５３７はそれぞれ、真性層（複数可）とｎ型層（複数可）の両方を堆積させるように構成される。第２のｐ−ｉ−ｎ接合の真性層（複数可）およびｎ型層（複数可）は、堆積ステップ間にいかなる不活性化プロセスも実行することなく、同じチャンバ内で堆積させることができる。特定の実施形態では、ｐ型層（複数可）を形成するためにプロセスチャンバ内で基板を加工する時間は、真性層（複数可）およびｎ型層（複数可）を単一のチャンバ内で形成する時間より約４倍以上速くすることができる。したがって、第２のｐ−ｉ−ｎ接合を堆積させるシステムの特定の実施形態では、ｐチャンバとｉ／ｎチャンバの比は、１：６以上など、１：４以上とすることができる。プロセスチャンバのプラズマ清浄を提供する時間を含めて、システムの基板処理量は、基板５枚／時間以上など、基板約３枚／時間以上とすることができる。
【００５９】
本発明の特定の実施形態では、システム５００は、図１に示すようにＷＳＲ層１１２を堆積させるように構成される。ＷＳＲ層１１２は、第１および第２のｐ−ｉ−ｎ接合または第２のｐ−ｉ−ｎ接合と第２のＴＣＯ層の間に配置することができる。一実施形態では、プロセスチャンバ５３１〜５３７の１つは、ＷＳＲ層の１つまたは複数を堆積させるように構成され、プロセスチャンバ５３１〜５３７の別の１つは、第２のｐ−ｉ−ｎ接合のｐ型層（複数可）を堆積させるように構成される一方、残りのプロセスチャンバ５３１〜５３７はそれぞれ、真性層（複数可）とｎ型層（複数可）の両方を堆積させるように構成される。ＷＳＲ層を堆積させるように構成されるチャンバの数は、ｐ型層（複数可）を堆積させるように構成されるチャンバの数と同様にすることができる。さらに、ＷＳＲ層は、真性層（複数可）とｎ型層（複数可）の両方を堆積させるように構成された同じチャンバ内で堆積させることもできる。
【００６０】
特定の実施形態では、真性微結晶シリコン層（複数可）と真性非晶質シリコン層（複数可）の厚さの差のため、真性非晶質シリコン層を含む第１のｐ−ｉ−ｎ接合を堆積させるように構成されるシステム５００の処理量は、真性微結晶シリコン層を含む第２のｐ−ｉ−ｎ接合を堆積させるために使用されるシステム５００の処理量より２倍大きい処理量を有する。したがって、真性非晶質シリコン層を含む第１のｐ−ｉ−ｎ接合を堆積させるように適合された単一のシステム５００は、真性微結晶シリコン層を含む第２のｐ−ｉ−ｎ接合を堆積させるように適合された２つ以上のシステム５００に匹敵することができる。したがって、ＷＳＲ層の堆積プロセスは、効率的な処理量制御のために、第１のｐ−ｉ−ｎ接合を堆積させるように適合されたシステム内で実行されるように構成することができる。第１のｐ−ｉ−ｎ接合が１つのシステム内で形成された後、基板を周囲環境へ露出させ（すなわち、真空を破壊し）、第２のシステムへ搬送することができ、第２のシステムで、第２のｐ−ｉ−ｎ接合が形成される。第１のｐ−ｉ−ｎ接合を堆積させる第１のシステムと第２のｐ−ｉ−ｎ接合の間に、基板の湿式または乾式清浄が必要となることがある。一実施形態では、ＷＳＲ層の堆積プロセスは、別個のシステム内で実行することができる。
【００６１】
したがって、太陽電池セルデバイス内で均一の結晶分率をもつ真性微結晶シリコン層を形成する方法が提供される。この方法は、堆積プロセス中に利用されるプロセスパラメータの動的制御を利用する。この方法は、高い結晶分率、結晶均一性、および光電変換効率を有する真性微結晶シリコン層、ならびにＰＶ太陽電池セルのデバイス性能をもたらすことが有利である。
【００６２】
上記は本発明の実施形態を対象とするが、本発明の基本的な範囲から逸脱することなく、本発明の他のさらなる実施形態を考案することができ、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によって決定される。
【符号の説明】
【００６３】
１００  多重接合型の太陽電池セル
１０１  光または太陽放射
１０２  基板
１０４  第１の透明導電酸化物（ＴＣＯ）層
１０６  ｐ型非晶質シリコン層
１０８  真性非晶質シリコン層
１１０  ｎ型微結晶シリコン層
１１２  波長選択的な反射体（ＷＳＲ）層
１１４  ｐ型微結晶シリコン層
１１６  真性微結晶シリコンシード層
１１８  バルク真性微結晶シリコン層
１２０  ｎ型非晶質シリコン層
１２２  第２のＴＣＯ層
１２４  メタルバック層
１２６  第１のｐ−ｉ−ｎ接合
１２８  第２のｐ−ｉ−ｎ接合
２００  単一接合型の太陽電池セル
２０２  ｐ型シリコン層
２０６  単一のｐ−ｉ−ｎ接合
２０８  ｎ型シリコン層
３００  プラズマ強化化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）チャンバ
３０２  壁
３０４  底部
３０６  プロセス体積
３０８  バルブ
３０９  真空ポンプ
３１０  シャワーヘッド
３１２  裏当て板
３１４  懸架部
３１６  中心支持体
３２０  ガス源
３２２  ＲＦ電源
３２４  遠隔プラズマ源
３３０  基板支持体
３３１  ＲＦ導電ストラップ
３３２  基板受取り表面
３３３  シャドーリング
３３４  心棒
３３６  リフトシステム
３３８  リフトピン
３３９  加熱および／または冷却素子
４００  方法
５００  プロセスシステム
５１０  ロードロックチャンバ
５２０  搬送チャンバ
５２２  真空ロボット
５３１  プロセスチャンバ
５３２  プロセスチャンバ
５３３  プロセスチャンバ
５３４  プロセスチャンバ
５３５  プロセスチャンバ
５３６  プロセスチャンバ
５３７  プロセスチャンバ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【外国語明細書】
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