(57)【要約】  適切な屈折率、質量密度および水素濃度の窒化シリコン層が形成可能であるため、該層は太陽電池基板上でＡＲＣ／パッシベーション層として役立つ。該窒化シリコン層は、堆積プロセス中に在来の前駆体ガス混合物に水素ガス希釈剤を追加することによって、太陽電池基板上に形成されてもよい。代替的に、該窒化シリコン層は、本質的にシランおよび窒素から成る前駆体ガス混合物を使用することによって、太陽電池基板上に形成されてもよい。堆積チャンバのスループットを改良するために、該窒化シリコン層は、低い水素界面層およびより厚いバルク窒化シリコン層を含むデュアルスタック膜であってもよい。複数の太陽電池基板を基板キャリア上に配置するステップと、該基板キャリアを該堆積チャンバに移送するステップはさらに、堆積チャンバのスループットを高めることができる。【選択図】  図８
2010532086.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池基板上に窒化シリコン層を形成する方法であって、
少なくとも１つの太陽電池基板を処理チャンバ内で位置決めするステップと、
プロセスガス混合物を前記処理チャンバに流すステップと、
前記処理チャンバ内でプラズマを生成して、第１の窒化シリコン含有層を前記基板上に堆積するステップと、
を備え、
前記プロセスガス混合物が前駆体ガス混合物および水素ガス（Ｈ２）希釈剤を含み、前記水素ガス希釈剤の流量が、実質的に前記前駆体ガス混合物の流量以上である、前記方法。
【請求項２】
前記前駆体ガス混合物が、シラン（ＳｉＨ４）および窒素（Ｎ２）と、シラン、窒素およびアンモニア（ＮＨ３）と、シランおよびアンモニアとから成るガス混合物の群より選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
太陽電池基板を処理チャンバ内で位置決めする前記ステップが、第１および第２の電極間に前記少なくとも１つの基板を位置決めする工程を備え、前記第１および第２の電極は、互いに略平行に構成されている、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
プラズマを生成する前記ステップが、１−３０ＭＨｚの周波数を有する無線周波数エネルギーで前記プロセスガスを励起する工程をさらに備える、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記窒化シリコン含有膜が、約１５原子％未満の水素（Ｈ）を含有する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
第２のプロセスガス混合物を前記処理チャンバに流して、前記第１の窒化シリコン含有層上に第２の窒化シリコン含有層を堆積するステップをさらに備え、前記第２のプロセスガス混合物が、シラン（ＳｉＨ４）および窒素（Ｎ２）と、シラン、窒素およびアンモニア（ＮＨ３）と、シランおよびアンモニアとから成るガス混合物の群より選択される、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記処理チャンバ内でプラズマを生成して、第１の窒化シリコン含有層を堆積する前記ステップが、前記処理チャンバ内でプラズマを生成して、約１０−２０ｎｍの厚さを有する第１の窒化シリコン含有層を堆積する工程を備える、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
少なくとも１つの太陽電池基板を処理チャンバ内で位置決めする前記ステップが、
複数の太陽電池基板を基板キャリア上に配置する工程と、
前記基板キャリアを前記処理チャンバに移送する工程と、
を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
太陽電池基板上に窒化シリコン層を形成する方法であって、
少なくとも１つの太陽電池基板を処理チャンバ内で位置決めするステップと、
プロセスガス混合物を前記処理チャンバに流すステップと、
前記処理チャンバ内でプラズマを生成して、第１の窒化シリコン含有層を前記基板上に堆積するステップと、
を備え、
前記プロセスガス混合物が本質的にシラン（ＳｉＨ４）および窒素（Ｎ２）から成る、前記方法。
【請求項１０】
太陽電池基板を処理チャンバ内で位置決めする前記ステップが、第１および第２の電極間に前記少なくとも１つの基板を位置決めする工程を備え、前記第１および第２の電極は互いに略平行に構成されている、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
プラズマを生成する前記ステップが、１−３０ＭＨｚの周波数を有する無線周波数エネルギーで前記プロセスガスを励起する工程をさらに備える、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記窒化シリコン含有膜が、約１５原子％未満の水素（Ｈ）を含有する、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
第２のプロセスガス混合物を前記処理チャンバに流して、前記第１の窒化シリコン含有層上に第２の窒化シリコン含有層を堆積するステップをさらに備え、前記第２のプロセスガス混合物が、シラン（ＳｉＨ４）および窒素（Ｎ２）と、シラン、窒素およびアンモニア（ＮＨ３）と、シランおよびアンモニアとからなるガス混合物の群より選択される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
少なくとも１つの太陽電池基板を処理チャンバ内で位置決めする前記ステップが、
複数の太陽電池基板を基板キャリア上に配置する工程と、
前記基板キャリアを前記処理チャンバに移送する工程と、
を備える、請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
太陽電池基板上に窒化シリコン層を形成する方法であって、
第１および第２の電極間の処理チャンバに少なくとも１つの太陽電池基板を位置決めするステップであって、前記第１および第２の電極が互いに略平行に構成されているステップと、
本質的にシラン（ＳｉＨ４）および窒素（Ｎ２）から成るプロセスガス混合物を前記処理チャンバに流すステップと、
前記処理チャンバ内でプラズマを生成して、前記基板上に第１の窒化シリコン含有層を堆積するステップと、
を備える方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の背景】
【０００１】
技術分野
[0001]本発明の実施形態は概して、太陽電池の製作に関し、具体的には結晶シリコン太陽電池の表面パッシベーションに関する。
【０００２】
関連技術の説明
[0002]太陽電池は、太陽光を直接電力に変換する光電池デバイスである。最も一般的な太陽電池材料はシリコン（Ｓｉ）であり、これは単結晶または多結晶ウェーハの形態である。シリコンベース太陽電池を使用して生成される電気のコストは、在来の方法で生成された電気のコストよりも高いため、太陽電池の効率全体に悪影響を与えることのない、太陽電池を製造するコストを削減するための試みがなされてきた。
【０００３】
[0003]図１は、単結晶シリコンウェーハ１１０から製作された標準シリコン太陽電池１００の断面図を概略的に描いている。ウェーハ１１０は、通常、ｐ型シリコンから構成されるベース領域１０１と、通常、ｎ型シリコンから構成されるエミッタ領域１０２と、ｐ−ｎ接合領域１０３と、誘電層１０４とを含んでいる。ｐ−ｎ接合領域１０３は太陽電池のベース領域１０１とエミッタ領域１０２との間に配置されており、これは、太陽電池１００が入射光子で照射される場合に電子ホール対が生成される領域である。誘電層１０４は、太陽電池１００の反射防止コーティング（ＡＲＣ）層、ならびにエミッタ領域１０２の表面１０５のパッシベーション層として作用する。
【０００４】
[0004]光が太陽電池に向けられると、入射光子からのエネルギーが、ｐ−ｎ接合領域１０３の両側に電子ホール対を生成する。電子は上記ｐ−ｎ接合全体に低エネルギーレベルで拡散し、ホールは反対方向に拡散して、負電荷をエミッタ上に生成し、対応する正電荷蓄積をベースに生成する。エミッタとベースの間に電気回路が作られると、電流が流れて、太陽電池１００によって電気が発生される。太陽電池１００が入射エネルギーを電気エネルギーに変換する効率は、太陽電池１００における電子およびホールの再結合レートと、太陽電池１００から反射された入射光の割合とを含む多数の係数に影響される。
【０００５】
[0005]太陽電池１００において反対方向に移動中の電子およびホールが相互に結合する場合に再結合が生じる。電子ホール対が太陽電池１００において再結合するたびに、電荷キャリアが排除されて、太陽電池１００の効率を低下させる。再結合がウェーハ１１０のバルクシリコンにおいて、またはウェーハ１１０のいずれかの表面１０５、１０６において生じることもある。バルクにおいて、再結合は、バルクシリコンの欠陥数の関数である。ウェーハ１１０の表面１０５、１０６においては、再結合は、表面１０５、１０６に存在するダングリングボンド、つまり未終端（ｕｎｔｅｒｍｉｎａｔｅｄ）化学結合の数の関数である。ダングリングボンドは表面１０５、１０６に見られるが、それは、これらの表面でウェーハ１１０のシリコン格子が終端するからである。これらの未終端化学結合は、シリコンのエネルギーバンドギャップにある欠陥トラップとして作用するので、電子ホール対の再結合のための部位である。
【０００６】
[0006]太陽電池の表面の徹底したパッシベーションは、表面の再結合を削減することによって太陽電池の効率を大きく改良する。ここで使用されているように、「パッシベーション」は、シリコン格子の表面にあるダングリングボンドの化学的終端として定義される。表面１０５などの、太陽電池１００の表面をパッシベーションするために、誘電層１０４が、通常、上部に形成され、これによって表面１０５にあるダングリングボンドの数を３−４倍削減することができる。太陽電池の用途について、誘電層１０４は概して窒化シリコン（ＳｉＮとも省略されるＳｉ３Ｎ４）層であり、ダングリングボンドの大部分はシリコン（Ｓｉ）または窒素（Ｎ）原子で終端される。しかし、窒化シリコン（ＳｉＮ）はアモルファス材料であるため、エミッタ領域１０２のシリコン格子と誘電層１０４のアモルファス構造間の完全な均衡は生じえない。したがって、誘電層１０４の形成後に表面１０５に残っているダングリングボンド数は依然として太陽電池１００の効率を相当に低下させるのに十分であり、水素パッシベーションなどの、表面１０５の追加パッシベーションを必要とする。多結晶シリコン太陽電池の場合、水素はまた、粒子境界における欠陥中枢をパッシベーションする助けとなる。
【０００７】
[0007]誘電層１０４が窒化シリコン（ＳｉＮ）層である場合、表面１０５の水素パッシベーションは、最適濃度の水素（Ｈ）原子を誘電層１０４のバルクに組み込むことによって実行される。最適な水素濃度は、膜特性と、誘電層１０４の堆積方法とを含む多数の係数の関数であるが、約５原子％−２０原子％に及ぶ。誘電層１０４の堆積後、太陽電池の基板は、「焼成プロセス（firing process）」と称されることもある高温アニーリングプロセスを受け、電池との金属接触を形成する。焼成プロセス中に、誘電層１０４にある水素原子は誘電層１０４から表面１０５、および多結晶シリコンの粒子境界へと拡散し、ここにある残りのダングリングボンドの多くを終端する。誘電層１０４のバルクにおいて最適濃度の水素原子を有することが、効果的な水素パッシベーションプロセスを可能にする重要な要因であることは当技術分野で既知である。例えば、表面１０５の不十分な水素パッシベーションは太陽電池の潜在効率を、およそ１４−１５％の効率から１２−１３％以下の効率にまで低下させうると推定されている。
【０００８】
[0008]表面パッシベーションに加えて、太陽電池１００の効率はＡＲＣ層によって高められることもある。光が媒体間を、例えば空気からガラスへ、あるいはガラスからシリコンへと通過する場合、この光の一部は、入射光が界面に直交する場合でも、これら２つの媒体間の界面から反射する場合がある。反射光の割合は、２つの媒体間の屈折率の差の関数であり、屈折率の差が大きくなると、界面から反射される光の割合も大きくなる。２つの媒体間に配置され、かつ２つの媒体の屈折率の間の値の屈折率を有するＡＲＣ層は、反射される光の割合を低減するものとして知られている。したがって、表面１０５上の誘電層１０４のように、太陽電池１００の受光表面上におけるＡＲＣ層の存在は、太陽電池１００から反射される入射放射量の割合を低減させるため、電気エネルギーを生成するために使用することは不可能である。誘電層１０４の屈折率が、反射をもたらす界面を形成する２つの媒体（この場合はガラスおよびシリコン）の屈折率の積の２乗と等しい場合に、誘電層１０４はＡＲＣ層として最も効果的である。ガラスおよびシリコンの屈折率はそれぞれ約１．４および３．４であるため、太陽電池に理想的なＡＲＣ層は約２．１の屈折率を有していなければならない。ＳｉＮの屈折率は、ＳｉＮ堆積プロセスのプロセスパラメータを調整することによって約１．８−３．０でチューニング可能であるため、ＳｉＮは太陽電池のＡＲＣ層として適切である。
【０００９】
[0009]ＳｉＮはシリコン表面にダングリングボンドを終端させるために使用可能であり、かつ所望の値にチューニング可能な屈折率を有しているため、ＳｉＮは、太陽電池の用途では、ＡＲＣ層およびパッシベーション層の組み合わせとして広く使用されている。しかしながら、太陽電池基板へのＳｉＮ堆積に関する問題は、低スループットおよび貧弱な膜特性均一性を含んでいる。スループット、つまり太陽電池基板が処理されるレートは、太陽電池基板を処理するコストに直接影響する。ＳｉＮ堆積システムの低スループットは最終的に太陽電池のコストを増大させる。ウェーハ間、つまり基板間の変動と、ウェーハ内、つまり個別基板全体の膜変動である膜特性の不均一性は、太陽電池の性能に影響することもある。つまり、ＳｉＮ膜の特性の準最適均一性は、太陽電池の効率を低下させる。
【発明の概要】
【００１０】
[0010]上記に照らして、本発明の実施形態は概して、太陽電池の高品質表面のパッシベーションおよびＡＲＣ層として作用可能なＳｉＮ  ＡＲＣ／パッシベーション層を堆積するための方法を提供する。ここに説明されている方法は、大面積基板を処理するように構成された堆積システムを太陽電池処理に使用できるようにする。本発明の実施形態によると、ＳｉＮ層は適切な屈折率、質量密度および水素濃度で形成可能であるため、上記層は、太陽電池基板上でＡＲＣ／パッシベーション層として役立つ。
【００１１】
[0011]一実施形態にしたがう該方法は、少なくとも１つの太陽電池基板を処理チャンバ内で位置決めするステップと、プロセスガス混合物を該処理チャンバに流すステップと、該チャンバ内でプラズマを生成してＳｉＮ含有層を該基板上に堆積するステップとを備える。該プラズマは高または低周波数ＲＦ電力で生成されてもよい。該プロセスガス混合物は前駆体ガス混合物および水素ガス（Ｈ２）希釈剤を含んでいてもよく、該水素ガス希釈剤の流量は、実質的に該前駆体ガス混合物の流量以上である。代替的に、該プロセスガス混合物は、本質的にシラン（ＳｉＨ４）および窒素（Ｎ２）から成ってもよい。該方法はさらに、該チャンバの第１および第２の電極間に該少なくとも１つの基板を位置決めするステップを備えてもよく、該第１および第２の電極は相互に略平行に構成されている。加えて、該方法はさらに、第２のプロセスガス混合物を該処理チャンバに流して該第１のＳｉＮ含有層に第２のＳｉＮ含有層を堆積するステップを備えてもよく、該第２のプロセスガス混合物は水素ガス希釈剤を含まない。該ＳｉＮ層は、低水素界面層およびより厚いバルクＳｉＮ層を含むデュアルスタック膜であってもよい。複数の太陽電池基板を基板キャリアに配置するステップ、および該堆積チャンバに該基板キャリアを移送するステップは、堆積チャンバスループットをさらに高めることができる。
【００１２】
[0012]別の実施形態にしたがう該方法は、第１および第２の電極間の処理チャンバに少なくとも１つの太陽電池基板を位置決めするステップであって、該第１および第２の電極が相互に略平行に構成されているステップと、プロセスガス混合物を該処理チャンバに流すステップと、該チャンバ内でプラズマを生成して、該基板上にＳｉＮ含有層を堆積するステップとを備えている。該プロセスガス混合物は、（１）前駆体ガス混合物および水素ガス（Ｈ２）希釈剤を含んでおり、該水素ガス希釈剤の流量は実質的に該前駆体ガス混合物の流量以上であるか、（２）本質的にシラン（ＳｉＨ４）および窒素（Ｎ２）から成る。該プラズマは高周波数または低周波数ＲＦ電力で生成されてもよい。該方法はさらに、該チャンバの第１および第２の電極間に該少なくとも１つの基板を位置決めするステップを備えてもよく、該第１および第２の電極は相互に略平行に構成されている。
【００１３】
[0013]本発明に関して上記引用された特徴が詳細に理解されるように、上記簡潔に要約された本発明のより具体的な説明は実施形態を参照してなされてもよく、この一部は添付の図面に図示されている。しかしながら、添付の図面は本発明の通常の実施形態のみを図示しており、したがって、本発明は他の等しく効果的な実施形態を許容可能であるため、この範囲を制限するものとみなされるべきではない点に注目すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】単結晶または多結晶シリコンウェーハから製作された標準シリコン太陽電池の断面図を概略的に描いている。
【図２Ａ】本発明の実施形態を実行するために使用可能な平行プレートＰＥＣＶＤシステムの概略側面図である。
【図２Ｂ】１バッチの在来の太陽電池基板を支持する基板キャリアの概略平面図である。
【図３】焼成プロセスが結晶シリコン基板に実行された前後のＳｉＮ層と関連した寿命データを含んでいる。
【図４】焼成プロセス後の層の厚さの相対的変化に対するＳｉＮ層の質量密度の効果を図示すグラフである。
【図５】焼成プロセス後の層の屈折率の相対的変化に対するＳｉＮ層の質量密度の効果を図示するグラフである。
【図６】本発明の一実施形態にしたがう、水素希釈プロセスを使用して太陽電池基板に水素化ＳｉＮ層を堆積するプロセスシーケンスを要約したフローチャートである。
【図７】本発明の一実施形態にしたがう、アンモニアの無い前駆体ガス混合物を使用して太陽電池基板に水素化ＳｉＮ層を堆積するプロセスシーケンスを要約したフローチャートである。
【図８】エミッタ領域の受光表面にデュアルスタック膜を形成している太陽電池の概略側面図である。
【図９】本発明の一実施形態にしたがう、太陽電池基板にＳｉＮデュアルスタック膜を堆積するプロセスシーケンスを要約したフローチャートである。
【００１５】
[0024]明確にするために、同一の参照番号が、適用可能な場合には、図面に共通な同一要素を指し示すのに使用されてきた。一実施形態の特徴は、さらに再引用することなく他の実施形態に組み込まれてもよいことが想定されている。
【詳細な説明】
【００１６】
[0025]大面積基板を処理するように構成されているプラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）システムは、高堆積レートで優れた膜均一性のＳｉＮ層を堆積可能である。これはとりわけ平行プレート高周波数ＰＥＣＶＤシステムについては正しく、１つ以上の基板がプラズマチャンバ内で２つの略平行な電極間に位置決めされる。チャンバのガス分配プレートは概して第１の電極として作用し、チャンバの基板支持体は第２の電極として作用する。前駆体ガス混合物は、チャンバに導入され、電極の一方への無線周波数（ＲＦ）電力の印加によってプラズマ状態にエネルギーが与えられて基板の表面全体に流され、１層の所望の材料を堆積する。ここに定義されているように、「大面積基板を処理するように構成されているシステム」とは、例えばフラットパネルディスプレイについて、約１ｍ２以上の大型基板に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を製作するように構成されている処理システムのことである。
【００１７】
[0026]大面積基板を処理するように構成されているＰＥＣＶＤシステムに影響された、一度に処理可能な在来の太陽電池基板の数、つまり５０以上の多数の基板と結合された高堆積レートは、太陽電池基板にＳｉＮを堆積するための高スループット方法を提供可能である。つまり、多数の太陽電池基板は相対的に短時間で処理可能であるため、ＳｉＮ堆積用の基板当たりのコストを実質的に低減することができる。加えて、大面積ＰＥＣＶＤシステムは、約１ｍ２以上の矩形基板などの新規の大面積太陽電池基板の処理を可能にすることができる。さらに、平行プレート高周波数ＰＥＣＶＤシステムの、太陽電池基板上にかなり均一なＳｉＮ層を堆積する能力は、太陽電池の性能に寄与することができ、太陽電池の効率を改良する。
【００１８】
[0027]しかしながら、大面積基板用の平行プレート高周波数ＰＥＣＶＤシステムによって堆積された水素化ＳｉＮ膜は概して、太陽電池基板のパッシベーションに不適切であった。これは、これらの膜の水素（Ｈ）濃度が、例えば２５原子％−３０原子％以上と極めて高いためである。ＳｉＮパッシベーション膜におけるそのような極めて高い水素濃度によって、「寿命」としても知られる少数キャリア寿命は太陽電池について１０数μｓ程度であるのに対して、１００数μｓの寿命が望まれる。電荷キャリアの再結合レートの一次関数である寿命は、表面またはバルク材料がどの程度パッシベートされたかの定量的測定基準である。
【００１９】
[0028]本発明者らは、太陽電池基板上のパッシベーションおよびＡＲＣ層として適切な水素化ＳｉＮ膜を堆積するためのＰＥＣＶＤ方法を開発した。この方法によって、大面積ＴＦＴ処理システム等の大面積基板を処理するように構成されているシステムは、太陽電池基板上にＳｉＮパッシベーション層の堆積を実行することができ、これによってこのようなシステムの高堆積レートおよび優れた膜均一性を利用することができる。とりわけ、平行プレート高周波数ＰＥＣＶＤシステムは、ここに説明されている方法から利益を受けることができる。
【００２０】
[0029]図２Ａは、本発明の実施形態を実行するために使用可能な平行プレートＰＥＣＶＤチャンバ２００の概略側面図である。ＰＥＣＶＤチャンバ２００は、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．，Ｓａｎｔａ  Ｃｌａｒａ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａの一事業部であるＡＫＴから入手可能である。
【００２１】
[0030]ＰＥＣＶＤチャンバ２００はガス源２０４Ａ、２０４Ｂに結合されており、ＰＥＣＶＤチャンバ２００の真空領域２１３を画成する壁２０６、底部２０８および蓋アセンブリ２１０を有する。温度制御された基板支持アセンブリ２３８はＰＥＣＶＤチャンバ２００内の中央に配置されて、ＳｉＮ堆積中に大面積基板２４０または複数の在来の太陽電池基板（図示せず）を支持するようになっている。在来の太陽電池基板は直径が６−８インチであるため、ＰＥＣＶＤチャンバ２００内で多数を同時処理可能である。
【００２２】
[0031]壁２０６は蓋アセンブリ２１０を支持する。一部の実施形態において、蓋アセンブリ２１０は、真空領域２１３を上部排気ポート（図示せず）に結合するポンピングプレナム（図示せず）を含んでもよい。示されている実施形態では、下部排気ポート２１７がＰＥＣＶＤチャンバ２００のフロアに配置されてもよい。蓋アセンブリ２１０および基板支持アセンブリ２３８は実質的にプラズマ処理領域２１２を画成しており、これは、大面積基板２４０または複数の在来の太陽電池基板をプラズマ処理するように構成されている。蓋アセンブリ２１０の一部であるガス分配プレート２１８は、大面積基板２４０を処理するために、プラズマ処理領域２１２にプロセスガスを均一に分配するように構成されている。シャドウリング２１５は、大面積基板２４０の裏側および縁部への望ましくない堆積を阻止するために、堆積中に大面積基板２４０の前面の周辺領域に留まるように構成されてもよい。
【００２３】
[0032]在来の太陽電池基板がＰＥＣＶＤチャンバ２００で処理される場合、基板キャリアは、多数の基板を一度に内部に移送するために使用されてもよい。このように、在来の太陽電池基板は、ＰＥＣＶＤチャンバ２００から個別にロードおよびアンロードされることはないため、チャンバスループットを高め、かつ基板あたりの処理コストを下げることができる。図２Ｂは、在来の太陽電池基板２５２のバッチ２５１を支持する基板キャリア２５０の概略平面図である。動作時に、基板キャリア２５０は、在来の太陽電池基板２５２のバッチ２５１によって、「オフラインで」、つまりＰＥＣＶＤチャンバ２００がもう１つのバッチの基板を処理している間にロードされてもよいため、ＰＥＣＶＤチャンバ２００から基板キャリアを１つ移送し、更に、ＰＥＣＶＤチャンバ２００に基板キャリアを１つ移送するのに必要な時間まで、ＰＥＣＶＤチャンバ２００のアイドル時間を短縮することができる。
【００２４】
[0033]標準ＰＥＣＶＤプロセスについて、基板支持アセンブリ２３８は電気的に接地されており、無線周波数（ＲＦ）電力は電源２２２によって、蓋アセンブリ２１０内またはこの付近に位置決めされている電極に供給されて、プラズマ処理領域２１２にあるガスを励起することによって、プラズマを発生させることができる。電源２２２の出力はコントローラ２２４によって制御されるが、これは、マイクロプロセッサおよびプラズマセンサを含んでもよい。図２Ａに示されている構成において、ガス分配プレート２１８は電極として作用する。化学気相堆積プロセスを駆動するためのＲＦ電力の大きさは概して、基板のサイズと、特定の堆積プロセスとに基づいて選択される。本発明の実施形態は、低周波数、高周波数および超高周波数ＲＦ電力をプラズマ生成に使用することを想定している。低周波数プラズマはたいてい４００ｋＨｚ体制、つまり約１００ｋＨｚ−１Ｍｈｚにある。高周波数ＲＦ電力は普通約１３．５６ＭＨｚまたは２７ＭＨｚであり、ＶＨＦ電力は約２．４ＧＨｚである。ガス源２０４Ａ、２０４Ｂは、ＰＥＣＶＤプロセスに必要なシラン（ＳｉＨ４）、アンモニア（ＮＨ３）および窒素（Ｎ２）などの反応ガスをＰＥＣＶＤチャンバ２００に供給する。
【００２５】
[0034]上記のように、本発明の実施形態は、太陽電池用の高品質表面パッシベーション／ＡＲＣ層として作用可能なＳｉＮ層を堆積する方法を想定している。この方法によって、ＳｉＮ層の屈折率のチューニング、ＳｉＮ層の水素濃度の低下、およびＳｉＮ層の質量密度の制御が可能になる。屈折率を所望の値、例えば２．０８にチューニングすることによって、太陽電池にとって効率的なＡＲＣ層を提供する。水素濃度を低下させることによって、ＳｉＮ層のパッシベーション効果を改良する。ＳｉＮ層の質量密度の制御は、厚さ、屈折率および水素濃度などの、焼成プロセス後のＳｉＮ層の特性における著しい変化を防止し、ＳｉＮ層のパッシベーション効果を改良する。
【００２６】
[0035]図３は、太陽電池の少数キャリア寿命に対するＳｉＮ層の質量密度の効果を図示するグラフである。図３は、結晶シリコン基板に焼成プロセスが実行された前後のＳｉＮ層に関連した寿命データを含んでいる。図３に表されているデータは、質量密度と寿命の関係から３つの特徴を示している。まず、約２．６ｇ／ｃｍ３未満の質量密度を有するＳｉＮ膜は極めて短い寿命値、つまり１００μｓ未満の寿命値を有している。第２に、ＳｉＮ層の最適質量密度は明らかに約２．６−２．８ｇ／ｃｍ３であり、この場合、寿命値は、より高いまたは低い質量密度を有するＳｉＮ層よりも実質的に高いものである。第３に、焼成プロセスは、最適質量密度を有するＳｉＮ層の寿命値をかなり増大させる。したがって、質量密度は、ＳｉＮ層のパッシベーション効果において重要な役割を果たす。
【００２７】
[0036]質量密度はまた、ＳｉＮ膜特性の安定性に影響するものとして示されてきた。図４は、焼成プロセス後の層の厚さの相対的変化に対するＳｉＮ層の質量密度の効果を図示するグラフである。約２．７ｇ／ｃｍ３の、所望の範囲で質量密度を有する膜は、焼成プロセスによって実質的に影響を受けないままである。対照的に、準最適質量密度を有する膜は、焼成プロセス中に厚さが相当に減少、つまり最大１５％減少するものとして示されており、実質的な物理的変化を示している。同様に、ＳｉＮ層の質量密度は、焼成プロセスによってもたらされる層の屈折率の相対的変化に対してかなりの影響がある。図５は、焼成プロセス後の層の屈折率の相対的変化に対するＳｉＮ層の質量密度の効果を図示するグラフである。ＳｉＮ膜の屈折率は、実質的に、準最適質量密度を有するＳｉＮ膜、つまりデータポイント５０１の変化として示されているが、２．６−２．８ｇ／ｃｍ３の所望の範囲のＳｉＮ膜、つまりデータポイント５０２は、焼成プロセスによって実質的に影響を受けないままである。膜厚や屈折率の変動は、太陽電池の製造にとってかなり問題である。
【００２８】
[0037]さらに、ＳｉＮの質量密度はまた、焼成プロセス中の層の水素（Ｈ）濃度に影響するものとして知られている。焼成後、水素濃度は、低密度ＳｉＮ層では６０％ほど、つまり２．２ｇ／ｃｍ３低減されるのに対して、より高い密度のＳｉＮ層については、例えば２．７ｇ／ｃｍ３削減され、水素の損失は取るに足りないものである。低質量密度、つまり約２．６ｇ／ｃｍ３未満を有するパッシベーション層によって焼成プロセス中にかなりの水素原子の移動が可能になるため、ＳｉＮ層から拡散可能な水素分子（Ｈ２）が形成されると思われる。反対に、約２．８ｇ／ｃｍ３より高い質量密度を有するパッシベーション層は焼成プロセス中に十分な水素移動を許容しないため、パッシベーションされない表面に水素原子が移動すること、更に、ここに配置されているダングリングボンドを終端することを防止できると思われる。
【００２９】
[0038]上記に照らして、本発明の実施形態は、ＳｉＮ膜の質量密度、ならびに膜の屈折率および水素濃度を制御する堆積方法を想定している。これらの方法によって、大面積基板を処理するように構成されているシステムは、太陽電池基板上にＳｉＮ膜を堆積して、高効率の太陽電池を発生させるために使用されることが可能である。
【００３０】
[0039]一実施形態において、水素希釈プロセスは、ＳｉＮ層の堆積中に、堆積された層の水素（Ｈ）含有量を減少させる一方で、層の質量密度を改良するために使用される。本発明者らは、在来のＳｉＮ前駆体ガス混合物への相当量の水素ガス（Ｈ２）希釈剤の追加は、太陽電池基板のパッシベーションにとって望ましい質量密度、水素（Ｈ）濃度および屈折率を有するＳｉＮ層を基板上に形成可能であると判断した。ここに定義されているように、「在来の前駆体ガス混合物」とは、大面積基板を処理して、フラットパネルディスプレイ用ＴＦＴ上にＳｉＮパッシベーション層を形成するように構成されているＰＥＣＶＤシステムで一般的に使用されている前駆体ガス混合物のことをいう。平行プレート高周波数ＰＥＣＶＤシステムについて、在来の前駆体ガス混合物は、シラン（ＳｉＨ４）、アンモニア（ＮＨ３）、および場合によっては窒素（Ｎ２）を含んでもよい。本発明者らによって想定されているように、水素希釈プロセスを実行するために在来の前駆体ガス混合物に追加される相当量の水素ガス（Ｈ２）希釈剤はおよそ、前駆体ガス混合物の全流量以上である。一実施例では、ＳｉＮ層を堆積して太陽電池をパッシベーションする水素希釈プロセスは、チャンバ容積の１リットル当たり５．５ｓｃｃｍのシラン（ＳｉＨ４）、１６ｓｃｃｍのアンモニア（ＮＨ３）、４０ｓｃｃｍの窒素（Ｎ２）および少なくとも約６２ｓｃｃｍの水素ガス（Ｈ２）を流すステップを含んでいる。
【００３１】
[0040]図６は、本発明の一実施形態にしたがう、水素希釈プロセスを使用して太陽電池基板上に水素化ＳｉＮ層を堆積するプロセスシーケンス６００を要約したフローチャートである。
【００３２】
[0041]ステップ６０１において、基板がＰＥＣＶＤ堆積チャンバ内で位置決めされる。一実施例では、ＰＥＣＶＤ堆積チャンバは、大面積基板、つまり約１ｍ２以上の基板を処理するのに適した電極面積で構成された平行プレートＰＥＣＶＤチャンバであり、この基板はＰＥＣＶＤチャンバの電極間に位置決めされ、これらの電極は互いに１，１００インチの間隔があけられている。チャンバは、低周波数または高周波数ＲＦ  ＰＥＣＶＤチャンバであってもよい。この実施例において、基板は、大面積太陽電池基板、つまり、最大、チャンバの電極面積とほぼ同じサイズの面積を有する基板であってもよい。代替的に、基板は、在来の太陽電池基板と実質的に同じサイズであってもよく、この場合、複数の基板が同時に処理可能である。一態様では、この複数の太陽電池基板は、図２Ｂと関連して上述されているように、基板キャリアにロード可能であるため、すべての基板を一度にチャンバにロードさせることができ、チャンバスループットを最大化することができる。
【００３３】
[0042]ステップ６０２において、プロセスガス混合物がチャンバに流される。プロセスガス混合物は、前駆体ガス混合物および水素ガス（Ｈ２）希釈剤を含んでいる。水素ガス希釈剤は、前駆体ガス混合物の流量のおよそ２倍の大きさの流量を有することができる。前駆体ガス混合物は、シラン（ＳｉＨ４）および窒素（Ｈ２）、シランおよびアンモニア（ＮＨ３）、あるいはシラン、アンモニアおよび窒素の組み合わせであってもよい。ステップ６０１で上述された例示的ＰＥＣＶＤチャンバについて、シラン、アンモニアおよび水素から成るプロセスガス混合物の流量は、チャンバ容積の１リットル当たり、それぞれ３．５ｓｃｃｍ、５０ｓｃｃｍおよび８０ｓｃｃｍであってもよい。シラン、アンモニア、窒素および水素から成るプロセスガス混合物の流量は、チャンバ容積の１リットル当たり、それぞれ５ｓｃｃｍ、１６ｓｃｃｍ、４０ｓｃｃｍおよび８０ｓｃｃｍであってもよい。ここに説明されている実施例とは異なる幾何学的形状および／またはプロセスパラメータ、例えば電極間隔、ＲＦ電力強度、チャンバ圧力などで構成されているＰＥＣＶＤプロセスチャンバにおけるＳｉＮ堆積プロセスについて、当業者は、ここに提供されている開示内容に基づいて、所望のＳｉＮ層を堆積するのに適したプロセスガス流量を算出可能である。
【００３４】
[0043]ステップ６０３において、プラズマがＰＥＣＶＤチャンバ内で生成されて、基板にＳｉＮ層を堆積するが、このＳｉＮ層は、太陽電池のＡＲＣおよびパッシベーション層の組み合わせとして使用するのに適している。つまり、このように堆積されたＳｉＮ層は、約２．６−２．８ｇ／ｃｍ３の質量密度と、約２．０−２．２の屈折率と、約５原子％−１５原子％の水素（Ｈ）濃度とを有している。ステップ６０１で上述された例示的ＰＥＣＶＤチャンバについては、１．５トールのチャンバ圧力がチャンバ内で維持されてもよく、また周波数１３．５６ＭＨｚで０．５４Ｗ／ｃｍ２のＲＦ電力強度が、プラズマを生成するために、チャンバの電極に印加されてもよい。代替的に、低周波数ＲＦ電力、例えば４００ｋＨｚが電極に印加されてもよい。ステップ６０３が低周波数ＲＦプロセスを含む場合、当業者は、ここに提供されている開示内容を読めば、チャンバ圧力、電極間隔およびＲＦ電力強度を含む、適切なＳｉＮ  ＡＲＣ／パッシベーション層を堆積するのにふさわしいプロセスパラメータを判断することができる。
【００３５】
[0044]層がプロセスシーケンス６００によって堆積される場合のＳｉＮ  ＡＲＣ／パッシベーション層の水素（Ｈ）濃度の単一目標値はないことに注目すべきである。ＳｉＮ  ＡＲＣ／パッシベーション層の最適水素濃度は、層を堆積するために使用されるプロセスおよびチャンバに応じて変動する。例えば、プロセスシーケンス６００に説明されている例示的ＰＥＣＶＤチャンバおよび堆積プロセスによって堆積されたＳｉＮ層について、最適なパッシベーション、質量密度および屈折率に望ましい水素濃度はおよそ１２原子％であるのに対して、他のＳｉＮ  ＡＲＣ／パッシベーション層については、最適水素濃度はこれより高くても低くてもよい。当業者は、本書の開示内容を読めば、具体的なＳｉＮ膜の最適水素濃度を判断することができる。いずれにしても、プロセスシーケンス６００によって堆積されたＳｉＮ層の水素濃度、つまり５−１５原子％は、水素希釈剤なしで堆積されたＳｉＮ膜の水素濃度、つまり２５−３０原子％よりも実質的に低い。上記のように、水素希釈剤が前駆体ガス混合物に含まれていない場合、平行プレート大面積ＰＥＣＶＤチャンバは、約２５原子％未満の水素濃度でＳｉＮ層を堆積することができず、これはＳｉＮ層の焼成後の電荷キャリアの寿命値を容認しがたく低くさせる。例えば、プロセスシーケンス６００で上述された例示的ＰＥＣＶＤチャンバおよび堆積プロセスを使用して堆積されたＳｉＮ  ＡＲＣ／パッシベーション層は、４００μｓより長い電荷キャリア寿命を明示していた。対照的に、同一のプロセスによるが、水素希釈を有することなく形成されたＳｉＮ層は、２桁以上の低い電荷キャリア寿命、つまり３μｓを有する。
【００３６】
[0045]本発明者らは、ＰＥＣＶＤで堆積されたＳｉＮ層の質量密度および水素（Ｈ）濃度は在来の前駆体ガス混合物からアンモニア（ＮＨ３）を排除することによって改良可能であるのに対して、屈折率は、当該技術分野で既知の他のプロセスパラメータをチューニングすることによって制御可能であると判断した。したがって、別の実施形態において、アンモニアは在来の前駆体ガス混合物から排除され、前駆体ガス混合物はシラン（ＳｉＨ４）および窒素（Ｎ２）をソースガスとして含む。このようにする際、堆積されたＳｉＮ層の水素濃度は、平行プレート大面積ＰＥＣＶＤチャンバによって堆積された場合でも、ＡＲＣ／パッシベーション層として使用するのに適切な膜特性を有することができる。
【００３７】
[0046]図７は、本発明の一実施形態にしたがう、アンモニアフリーの前駆体ガス混合物を使用して太陽電池基板に水素化ＳｉＮ層を堆積するプロセスシーケンス７００を要約したフローチャートである。
【００３８】
[0047]ステップ７０１において、基板がＰＥＣＶＤ堆積チャンバ内で位置決めされる。この基板および堆積チャンバは、先の実施形態のステップ６０１で説明されているのと実質的に同じであってもよい。基板キャリアは、複数の基板をチャンバ内で位置決めするために使用可能である。
【００３９】
[0048]ステップ７０２において、プロセスガス混合物がチャンバに流される。プロセスガス混合物は、シラン（ＳｉＨ４）および窒素（Ｎ２）を前駆体ガスとして含んでおり、アンモニア（ＮＨ３）はない。一態様にしたがうプロセスガス混合物は、在来のＳｉＮプロセスガス混合物の窒素およびシランの流量と実質的に同じ窒素およびシランの流量を有することができる。例えば、在来のＳｉＮプロセスガス混合物、つまりＳｉＮパッシベーション層を大面積基板上に形成するためにＰＥＣＶＤシステムで一般的に使用されているＳｉＮプロセスガス混合物は、チャンバ容積の１リットル当たり、５．５ｓｃｃｍのシラン、１６ｓｃｃｍのアンモニア、および４０ｓｃｃｍの窒素から成ってもよい。したがって、本発明によって想定されているプロセスガス混合物は、チャンバ容積の１リットル当たり、５．５ｓｃｃｍのシランおよび４０ｓｃｃｍの窒素から成ってもよい。別の態様にしたがうプロセスガス混合物は、対応する在来のＳｉＮプロセスガス混合物と比較すると、シランの流量よりも窒素の流量が実質的に高いこともある。したがって、本発明によって想定されている別のプロセスガス混合物は、チャンバ容積の１リットル当たり、３．５ｓｃｃｍのシランおよび９５ｓｃｃｍの窒素から成ってもよい。上記のように、当業者は、ここに説明されている実施例とは異なる形状および／またはプロセスパラメータでＰＥＣＶＤプロセスチャンバが構成されている場合、ここに提供されている開示内容に基づいて所望のＳｉＮ層を堆積するのに適したプロセスガス流量を算出可能である。
【００４０】
[0049]ステップ７０３において、先の実施形態のステップ６０３で上述されているのと実質的に同じ方法でＳｉＮ層を基板に堆積するために、プラズマがＰＥＣＶＤチャンバ内で生成される。先の実施形態のように、このように堆積されたＳｉＮ層は、太陽電池のＡＲＣおよびパッシベーション層の組み合わせとして使用するのに適している。
【００４１】
[0050]上記方法は、大面積ＰＥＣＶＤシステムを使用して、太陽電池基板にＳｉＮ  ＡＲＣ／パッシベーション層を堆積することを可能にするので、このようなシステムに影響される優れた堆積レートを利用することができる。ＳｉＮ  ＡＲＣ／パッシベーション層の堆積レートのさらなる増大が、２層スタック、つまり「デュアルスタック」膜としてＡＲＣ／パッシベーション層を形成することによって実現可能である。
【００４２】
[0051]図８は、エミッタ領域８０３の受光表面８０２にデュアルスタック膜８０１を形成している太陽電池８００の概略側面図である。デュアルスタック膜８０１は界面層８０１ＡおよびバルクＳｉＮ層８０１Ｂを含んでいる。界面層８０１Ａは、受光表面８０２に堆積され、かつエミッタ領域８０３をパッシベーションするのに最適な水素（Ｈ）濃度を有する、比較的薄いＳｉＮ層である。概して、界面層８０１Ａは、デュアルスタック膜８０１の全厚Ｔの一部を成す。一実施例では、界面層８０１Ａは約１０−２０ｎｍの厚さであってもよい。バルクＳｉＮ層８０１Ｂは、界面層８０１Ａに堆積されている比較的厚いＳｉＮ層であり、太陽電池基板をパッシベーションするのに最適ではない、例えば２５原子％以上の水素濃度を含有することもある。一実施例では、バルクＳｉＮ層８０１Ｂは約７５−８５ｎｍの厚さであってもよい。別の実施形態では、バルクＳｉＮ層８０１Ｂは、デュアルスタック膜８０１の全厚のおよそ８５％をなすこともある。パッシベーション効果は一次的に、受光表面８０２と、そのパッシベーション層、この場合はデュアルスタック膜８０１との間の界面で生じるため、パッシベーション層、例えばバルクＳｉＮ層８０１Ｂの上部領域におけるより高濃度の水素は、太陽電池８００の電荷キャリア寿命に悪影響を与えることはない。したがって、最適水素濃度を有する界面層、例えば界面層８０１Ａが、必要なパッシベーション効果を提供するために存在している限り、ＳｉＮパッシベーション層の大部分は、太陽電池の効率を低下させずに望ましくない水素濃度を有することがある。
【００４３】
[0052]本発明者らは、在来のＳｉＮ層、つまりＴＦＴに形成され、かつより高濃度の水素（Ｈ）を有するＳｉＮパッシベーション層の堆積レートは、太陽電池をパッシベーションするのにより適したＳｉＮ層の堆積レートより実質的に高いと判断した。したがって、太陽電池基板上のＳｉＮデュアルスタック膜は、モノリシックＳｉＮパッシベーション層よりも実質的に速く堆積可能なパッシベーション層を形成可能であるため、スループットを改良し、かつ太陽電池コストを削減することができる。
【００４４】
[0053]図９は、本発明の一実施形態にしたがう、太陽電池基板にＳｉＮデュアルスタック膜を堆積するプロセスシーケンス９００を要約したフローチャートである。
【００４５】
[0054]ステップ９０１において、基板がＰＥＣＶＤ堆積チャンバ内で位置決めされる。この基板および堆積チャンバは、先の実施形態のステップ６０１、７０１で上述されているのと実質的に同じであってもよい。基板キャリアが、複数の基板をチャンバ内で位置決めするために使用可能である。
【００４６】
[0055]ステップ９０２において、第１のプロセスガス混合物がチャンバに流される。プロセスガス混合物は、先の実施形態のステップ６０２またはステップ７０２で上述されたガス混合物であってもよい。
【００４７】
[0056]ステップ９０３において、先の実施形態のステップ６０３、７０３で上述されたのと実質的に同じ方法で基板にＳｉＮ界面層を堆積するために、プラズマがＰＥＣＶＤチャンバで生成される。先の実施形態のように、このように堆積されたＳｉＮ層は、太陽電池のＡＲＣおよびパッシベーション層の組み合わせとして使用するのに適している。先の実施形態とは異なり、界面層はわずか１０−２０ｎｍの厚さであってもよい。
【００４８】
[0057]ステップ９０４において、第１のプロセスガス混合物の流れが停止され、第２のプロセスガス混合物がチャンバに流される。この第２のプロセスガス混合物は、在来のＳｉＮプロセスガス混合物、つまり、フラットパネルディスプレイなどの大面積基板にＳｉＮパッシベーション層を形成するためにＰＥＣＶＤシステムで一般的に使用されるＳｉＮプロセスガス混合物であってもよい。一実施例では、第２のプロセスガス混合物は、チャンバ容積の１リットル当たり、５．５ｓｃｃｍのシラン（ＳｉＨ４）と、１６ｓｃｃｍのアンモニア（ＮＨ３）と、４０ｓｃｃｍの窒素（Ｎ２）とから成ってもよい。任意で、第１のプロセスガス混合物の流れが停止された後、かつ第２のプロセスガス混合物の導入前に、プラズマがＰＥＣＶＤチャンバ内で消されてもよい。この場合、第１のプロセスガス混合物は、第２のプロセスガス混合物がチャンバに流される前に、ＰＥＣＶＤチャンバから実質的にパージされてもよい。
【００４９】
[0058]ステップ９０５において、デュアルスタックＳｉＮ  ＡＲＣ／パッシベーション層を基板上に形成するために、バルクＳｉＮ層が界面層上に堆積される。このように、ＳｉＮパッシベーション層の大部分が、太陽電池パッシベーションの品質に影響を与えることなく、実質的により早いプロセスで堆積可能である。第２のプロセスガス混合物の導入前にプラズマがＰＥＣＶＤチャンバ内で消されていれば、プラズマはバルクＳｉＮ層の堆積を可能にするために、最初に再着火される。
【００５０】
[0059]上記は本発明の実施形態を目的としているが、本発明の他のさらなる実施形態は、この基本的範囲から逸脱することなく考案可能であり、この範囲は以下の特許請求の範囲によって判断される。
【符号の説明】
【００５１】
１００…太陽電池、１０１…ベース領域、１０２…エミッタ領域、１０３…ｐ−ｎ接合領域、１０４…誘電層、１０５、１０６…表面、１１０…ウェーハ、２００…ＰＥＣＶＤチャンバ、２０４Ａ、２０４Ｂ…ガス源、２０６…壁、２０８…底部、２１０…蓋アセンブリ、２１２…プラズマ処理領域、２１３…真空領域、２１５…シャドウリング、２１８…ガス分配プレート、２２２…電源、２２４…コントローラ、２３８…基板支持アセンブリ、２４０…大面積基板、２５１…バッチ、２５２…太陽電池基板、８００…太陽電池、８０１…デュアルスタック膜、８０１Ａ…界面層、８０１Ｂ…バルクＳｉＮ層、８０２…受光表面、８０３…エミッタ領域
【図１】
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【図２】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2010532086.tif 000009
【図７】
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【図８】
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【図９】
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