(57)【要約】  本発明の実施形態は、新規なプラズマ酸化プロセスを用いて太陽電池基板の表面上にパッシベーション薄膜のスタックを形成し、高効率の太陽電池を形成することを企図するものである。一実施形態において、その方法は、基板の裏面に第１の型のドーピング原子を、基板の前面に第２の型のドーピング原子を有する基板を提供すること、基板の裏面をプラズマ酸化して裏面に酸化層を形成すること、および酸化層上に窒化シリコン層を形成することを含む。
2012529189.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池基板上に複合パッシベーション層を形成する方法であって、
前記基板の裏面に第１の型のドーピング原子を、前記基板の前面に第２の型のドーピング原子を有する基板を提供すること、
前記基板の前記裏面をプラズマ酸化して、前記裏面に酸化層を形成すること、および
前記酸化層上に窒化シリコン層を形成すること
を含む方法。
【請求項２】
前記基板がｐ型基板を含み、前記第１の型のドーピング原子がホウ素である請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記裏面をプラズマ酸化することが、
前記基板を、酸素含有ガスまたは窒素含有ガスの少なくとも１つを含有するガス混合物から形成されたプラズマに曝すことをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記酸素含有ガスが、Ｏ２、Ｎ２Ｏ、ＮＯ２、Ｏ３またはＨ２Ｏからなる群から選択される請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記ガス混合物が、少なくともガスのＯ２またはＮＯ２ガスを含む請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記裏面をプラズマ酸化することが、前記基板をプラズマ酸化する前に、前記基板の前記裏面を清浄化することをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記酸化層が１５０Å未満の厚さを有する請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記酸化層および前記窒化シリコン層が、単一の処理チャンバ内でｉｎ−ｓｉｔｅで形成される請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記窒化シリコン層上に後部金属層を形成することをさらに含み、前記後部金属が、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、スズ（Ｓｎ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、鉛（Ｐｂ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、および／またはタンタル（Ｔａ）およびニッケルバナジウム（ＮｉＶ）からなる群から選択される請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記酸化層および前記窒化シリコン層が、前記基板の前記裏面に負に帯電したパッシベーション層を形成する請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
太陽電池基板上にパッシベーション層を形成する方法であって、
前記基板の裏面に第１の型のドーピング原子を、前記基板の前面に第２の型のドーピング原子を含む基板を提供すること、
前記基板の前記裏面に負に帯電した誘電体層を形成すること、および
前記負に帯電した誘電体層上に、前記基板内に形成された前記ドーピング原子と電気的に連通する後部金属層を形成すること
を含む方法。
【請求項１２】
前記負に帯電した誘電体層を形成することが、
前記基板の前記裏面をプラズマ酸化して、前記裏面に酸化層を形成することをさらに含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記酸化層上に窒化シリコン層を形成することをさらに含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記基板の前記裏面をプラズマ酸化することが、
前記基板の前記裏面を、酸素含有ガスまたは窒素含有ガスの少なくとも１つを含むガス混合物に曝すことをさらに含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記基板がｐ型基板を含み、前記第１の型のドーピング原子がホウ素であり、前記第２の型のドーピング原子がリンである請求項１１に記載の方法。
【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、光起電力セルのパッシベーション層の製造に関し、より詳細には、光起電力セルの表面上でのパッシベーション層の製造に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池は、日光を直接電力に変換する光起電力デバイスである。最も一般的な太陽電池の材料は、ウェハと呼ばれることもある、単結晶または多結晶基板の形のシリコンである。発電のためにシリコンベースの太陽電池を形成する償却原価は、旧来の方法を用いた発電のコストより高いため、太陽電池を形成するのに必要なコストを削減するための取り組みが行われてきた。
【０００３】
太陽電池の活性領域および通電用の金属ライン、すなわち導体を製造するには様々な手法がある。大量消費向けに電気を発生させるためにより競争力の高い太陽電池を作製するには、高効率の太陽電池を低コストで生産することが重要である。太陽電池の効率は、様々な層において吸収された光子から生成される電荷を集める電池の能力に直接関係する。優れたパッシベーション層は、太陽電池における電子またはホールの再結合を低減し、電子および電荷を再び太陽電池内に戻して光電流を発生させる所望の薄膜特性を提供することができる。電子およびホールが再結合すると、入射する太陽エネルギーが熱または光として再放出され、それによって太陽電池の変換効率が低下する。
【０００４】
したがって、基板の表面上で変換効率を改善するパッシベーションプロセスを実施するための改善された方法および装置が求められている。
【発明の概要】
【０００５】
本発明の実施形態は、新規なプラズマ酸化プロセスを用いて太陽電池基板の表面上にパッシベーション薄膜のスタックを形成する、高効率の太陽電池の形成を企図するものである。一実施形態において、太陽電池基板上にパッシベーション層を形成する方法は、基板の裏面に第１の型のドーピング原子を、基板の前面に第２の型のドーピング原子を有する基板を提供すること、基板の裏面をプラズマ酸化して裏面に酸化層を形成すること、および酸化層上に窒化シリコン層を形成することを含む。
【０００６】
別の実施形態において、太陽電池基板上にパッシベーション層を形成する方法は、基板の裏面に第１の型のドーピング原子を、基板の前面に第２の型のドーピング原子を包含する基板を提供すること、基板の裏面に負に帯電した誘電体層を形成すること、および負に帯電した誘電体層上に、基板内に形成されたドーピング原子と電気的に連通する後部金属層を形成することを含む。
【０００７】
さらに別の実施形態において、太陽電池基板上にパッシベーション層を形成する方法は、内部に配置された第１の型のドーピング原子を包含する基板を提供すること、基板の前面に第２の型のドーピング原子を包含するドーパント材料を配置すること、基板の裏面を清浄化すること、基板の裏面をプラズマ酸化して裏面に酸化層を形成すること、基板の裏面の酸化層上に窒化シリコン層を形成すること、および基板の裏面全体に、基板内に形成されたドーピング原子と電気的に連通する金属層を堆積させることを含む。
【０００８】
本発明の前述の特徴を詳しく理解することができるように、いくつかを添付図面に示す実施形態を参照することによって、これまで簡単に述べた本発明についてさらに詳細に説明することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１Ａ】本発明の一実施形態による、基板の裏面に形成されたパッシベーション層を有する太陽電池の概略的な断面図である。
【図１Ｂ】図１の基板上に配置されたパッシベーション層の拡大図である。
【図２Ａ】上部に形成された異なる電荷のパッシベーション層を有する太陽電池における、電子の流れ方向の概略的な断面図である。
【図２Ｂ】上部に形成された異なる電荷のパッシベーション層を有する太陽電池における、電子の流れ方向の概略的な断面図である。
【図３】基板の裏面に形成されたパッシベーション層を有する太陽電池の等角図である。
【図４】本発明によるパッシベーション層を形成するのに利用することができる、処理チャンバの一実施形態の概略的な断面図である。
【図５】本発明の実施形態による、太陽電池のパッシベーション層を形成する方法の流れ図である。
【図６Ａ】図５の方法による、上部にパッシベーション層を形成する太陽電池の断面図である。
【図６Ｂ】図５の方法による、上部にパッシベーション層を形成する太陽電池の断面図である。
【図６Ｃ】図５の方法による、上部にパッシベーション層を形成する太陽電池の断面図である。
【図６Ｄ】図５の方法による、上部にパッシベーション層を形成する太陽電池の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
理解を容易にするために、可能な場合には、各図に共通する同じ要素を指すのに同じ参照番号を用いている。ある実施形態の要素および特徴は、さらに詳述せずに他の実施形態に有利に組み込むことが可能であることが企図される。
【００１１】
しかしながら、添付図面は本発明の例示的実施形態を図示しているにすぎず、したがって、本発明の範囲を制限するものとはみなされず、本発明について、他の等しく有効な実施形態を認め得ることに留意されたい。
【００１２】
本発明の実施形態は、太陽電池の表面上にパッシベーション層を形成する方法を用いて、高効率の太陽電池を形成することを企図している。一実施形態において、その方法は、プラズマプロセスを利用して太陽電池基板の表面上にパッシベーション層を形成する。プラズマプロセスは酸化層を、単独で、または太陽電池基板の表面上で複合パッシベーション層を形成する他の誘電体層と組み合わせて形成することができる。本発明から利益を得ることができる太陽電池基板（例えば図１Ａの基板１１０）は、有機材料、単結晶シリコン、多結晶シリコンを含有する活性領域を有することが可能な基板、または日光を電力に変換するのに用いられる多結晶シリコン基板を含む。
【００１３】
図１Ａは、結晶シリコン型の太陽電池基板、すなわち基板１１０の断面図を示しており、基板１１０は、基板１１０の表面、例えば裏面１２５の上に形成されたパッシベーション層１０４を有することができる。図１Ａに示す実施形態では、シリコン太陽電池１００は、テクスチャ面１１２を有する結晶シリコン型の太陽電池基板１１０の上に製造される。基板１１０は、ｐ型ベース領域１２１、ｎ型エミッタ領域１２２、およびそれらの間に配置されたｐ−ｎ接合領域１２３を含む。負電荷キャリア、すなわち電子の数を増加させるために、ｎ型エミッタ領域１２２は、堆積した半導体層をある特定の型の元素（例えば、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）またはアンチモン（Ｓｂ））でドープすることによって形成することができる。図１Ａに示す例示的実施形態では、ｎ型エミッタ領域１２２は、リン含有ガス（例えばＰＨ３）などのドーパントガスを含む、非晶質、微結晶、ナノ結晶または多結晶のＣＶＤ堆積プロセスの使用によって形成される。一実施形態において、ｐ−ｎ接合領域１２３は、ｐ型ベース領域１２１とｎ型エミッタ領域１２２の間に形成され、ヘテロ接合型の太陽電池１００を形成する。形成された太陽電池１００では、光が基板１１０の前面１２０に当たると電流が発生する。発生した電流は、金属の前部コンタクト１０８、および基板１１０の裏面１２５に形成された金属の後部コンタクト１０６を通って流れる。
【００１４】
複合パッシベーション層１０４は、太陽電池１００の裏面１２５の後部コンタクト１０６とｐ型ベース領域１２１の間に配置することができる。パッシベーション層１０４は、電子およびホールの再結合を低減し、電子および電荷キャリアを押しやり、かつ／または拡散させて接合領域１２３に戻し、光の吸収を最小限に抑える優れたインターフェース特性を提供する誘電体層とすることができる。一実施形態において、パッシベーション層１０４は、後部コンタクト１０６とｐ型ベース領域１２１の間に配置され、パッシベーション層１０４を通って延びる後部コンタクト１０６の一部１０７、例えばフィンガー部が、ｐ型ベース領域１２１と電気的に接触／連通することを可能にする。前部コンタクト１０８は一般に、広く間隔を置いた薄い金属ライン、またはフィンガー部として構成され、フィンガー部に対して横向きのより大きいバスバーに電流を供給する。後部コンタクト１０６は一般に、入射光が太陽電池１００に当たるのを妨げないため、複数の薄い金属ラインとして形成する必要はない。しかしながら、後部コンタクト１０６とｐ型ベース領域１２１の間の電気の流れを容易にするために、複数のフィンガー部１０７を、後部コンタクト１０６に電気的に接続されたパッシベーション層１０４の中に形成することができる。以下では、パッシベーション層１０４の製造に関する詳細について論じる。
【００１５】
一実施形態において、前部コンタクト１０８および／または後部コンタクト１０６は、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、スズ（Ｓｎ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、鉛（Ｐｂ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、および／またはタンタル（Ｔａ）、ニッケルバナジウム（ＮｉＶ）または他の同様の材料からなる群から選択される金属である。一実施形態において、後部コンタクト１０６は、アルミニウム（Ａｌ）材料およびニッケルバナジウム（ＮｉＶ）材料を含む。一実施形態において、前部コンタクト１０８および後部コンタクト１０６の一部は、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．の系列会社であるＢａｃｃｉｎｉ  Ｓ．ｐ．Ａから入手可能なスクリーン印刷ツールで実施されるスクリーン印刷プロセスを用いて、基板１１０の表面１２０、１２５上に配置される。一実施形態では、堆積した材料の密度を高め、基板の表面１２０、１２５との所望の電気的な接触を形成するために、前部コンタクト１０８および後部コンタクト１０６がオーブン内で加熱される。太陽電池１００は、太陽電池１００の頂面１２０からの光反射を最小限に抑える反射防止コーティング（ＡＲＣ）層として働く、誘電体材料１１１の薄層で覆うことができる。一例において、反射防止コーティング（ＡＲＣ）層として機能する誘電体材料層１１１は、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、水素化窒化シリコン（ＳｉｘＮｙ：Ｈ）、酸化シリコン、酸窒化シリコン、酸化シリコンと窒化シリコンの複合薄膜などからなる群から選択することができる。本明細書に記載されるプロセスから利益を得ることが可能な形成された太陽電池デバイスの例は、本発明の譲受人に譲渡された、２００９年７月１６日出願の米国仮特許出願第６１／０４８，００１号、２００８年１２月１９日出願の米国仮特許出願第６１／１３９，４２３号、および２００８年４月９日出願の米国仮特許出願第６１／０４３，６６４号にさらに詳しく記載されており、これらはすべてその全体を参照によって援用する。
【００１６】
図１Ｂは、後部コンタクト１０６とｐ型ベース領域１２１の間に配置された複合パッシベーション層１０４の拡大図を示している。パッシベーション層１０４は、第１のパッシベーション層２０２および第２のパッシベーション層２０４を有する薄膜スタックを含む。太陽電池の用途では、複数のパッシベーション層、すなわち２層より多いパッシベーション層を利用すると、単一の層より優れたパッシベーションを提供することが可能であると考えられる。さらに、高品質のパッシベーションは、生産ラインの最後で、スクリーン印刷されたコンタクトのプロセスに続く焼成に伴う熱処理に耐え、それによって形成された太陽電池１００には損傷または汚染がない。
【００１７】
一実施形態において、ｐ型ベース領域１２１に接触するように形成された第１のパッシベーション層２０２は、ｐ型ベース領域１２１から形成された酸化層である。第２のパッシベーション層２０４は、第１のパッシベーション層２０２の上に形成された窒化シリコン層または酸窒化シリコン層とすることができる。第１のパッシベーション層２０２は、ｐ型ベース領域１２１の裏面１２５をプラズマ酸化することによって形成することが可能であり、それによってｐ型ベース領域１２１の裏面１２５に酸素元素を取り込み、酸化層を形成する。第２のパッシベーション層２０４に対する窒化シリコン層または酸窒化シリコン層は、任意の適切な堆積技術から形成することができる。第１のパッシベーション層２０２および第２のパッシベーション層２０４をｐ型ベース領域１２１の上にどのように形成することができるかについての詳細は、図５〜６を参照して以下でさらに詳しく論じる。
【００１８】
一実施形態において、パッシベーション層１０４は、負に帯電した薄膜となるように構成される。図２Ａに示す例示的実施形態では、パッシベーション層１０４が負に帯電した薄膜となるように構成されるため、パッシベーション層１０４は、ｐ型ベース領域１２１内の少数キャリアである電子をはね返す。電子３０２ははね返され、パッシベーション層１０４から離れ、接合領域１２３に向かう方向３０４へ押しやられる。それに応じて、電子３０２が接合領域１２３の方へ押しやられると、電子は接合領域１２３で再び集められる可能性があり、それによって光電流が増大および改善される。さらに、パッシベーション層１０４とｐ型ベース領域１２１の間の境界面に負電荷（例えば電子）を蓄積することが可能であり、それによって、動作状態の下で改善されたパッシベーションが提供される。
【００１９】
対照的に、図２Ｂに示すように、パッシベーション層３０８が正に帯電した薄膜である場合には、パッシベーション層３０８内の正電荷は、電子をパッシベーション層３０８に向かい、接合領域１２３から離れる方向３０６に引き寄せる。したがって、図２Ｂのパッシベーション層３０８は、電子を接合領域１２３から離して基板の背面へ押しやる傾向をもつことになり、それによって太陽電池で生成される光電流が低減される。さらに、基板の裏面を反転させると、電流が流れるときに反転層が速やかに流出を起こし、空乏層を残す可能性があり、その結果、光子エネルギーの収集動作時にパッシベーションが不十分になる。したがって、図２Ａに示す負に帯電した薄膜は、パッシベーション層１０４として構成されると有利な電気特性を示す。パッシベーション層１０４が負に帯電した薄膜または正に帯電した薄膜である場合には、パッシベーション層１０４の電荷を、静電容量−電圧（ＣＶ）システムによって測定し、決定することができる。
【００２０】
図３は、基板１１０の裏面１２５に形成された負に帯電したパッシベーション層１０４を有する、太陽電池１００の等角図である。第１のパッシベーション層２０２および第２のパッシベーション層２０４を含むパッシベーション層１０４は、ｐ型ベース領域１２１と後部コンタクト１０６の間に配置される。金属コンタクトのフィンガー部１０７は、ｐ型ベース領域１２１と電気的に接触するように、後部コンタクト１０６からパッシベーション層１０４を通って延びる柱の形にすることができる。あるいは、金属コンタクトのフィンガー部１０７は、後部コンタクト１０６とｐ型ベース領域１２１の間の所望の電気的な連通を維持するために、金属ラインなど他の適切な形にすることができる。
【００２１】
図４は、パッシベーション層１０４を形成するのに利用することができる、プラズマ処理チャンバ４００の概略的な断面図である。プラズマ処理チャンバ４００は一般に、ガス分配アセンブリ６４、蓋アセンブリ６５、誘導結合源アセンブリ７０および下部チャンバアセンブリ２５を含む。プロセスボリューム１８および下部ボリューム１９で構成されるチャンバボリューム１７は、プラズマ処理チャンバ４００でプラズマ処理が行われる領域を画定し、ガス分配アセンブリ６４、誘導結合源アセンブリ７０および下部チャンバアセンブリ２５によって実質的に囲まれている。
【００２２】
下部チャンバアセンブリ２５は一般に、基板リフトアセンブリ５１、基板支持体４３８および処理チャンバ基部４０２を含む。処理チャンバ基部４０２は、部分的に下部ボリューム１９を結合するチャンバ壁４０６およびチャンバ底部４０８を有する。基板支持体４３８は、チャンバ壁４０６を貫通して形成されたアクセスポート３２を通してアクセスされる。アクセスポート３２は開口部を画定し、基板１１０などの基板は、その開口部を通して処理チャンバ基部４０２の内外に移動させることができる。チャンバ壁４０６およびチャンバ底部４０８は、アルミニウムまたは処理条件に適合する他の（１つまたは複数の）材料の単塊から製造することができる。
【００２３】
基板支持体４３８は温度制御され、処理チャンバ基部４０２に接続される。基板支持体４３８は、処理中に基板１１０を支持する。一実施形態において、基板支持体４３８は、少なくとも１つの埋め込みヒータ４３２を内包するアルミニウム体４２４を備えている。埋め込みヒータ４３２は、抵抗加熱要素または他の適切な加熱要素とすることができる。埋め込みヒータ４３２は電源４７４に連結され、コントローラ４９８の使用によって、基板支持体４３８およびその上に位置決めされた基板１１０を所定の温度まで制御可能に加熱することができる。一実施形態において、埋め込みヒータ４３２は、基板１１０をプラスチック基板の場合の約６０℃から、ガラス基板の場合の約５５０℃の間の均一な温度範囲に維持する。
【００２４】
一般的には、基板支持体４３８は、後側面４２６、前側面４３４およびステム４４２を有する。前側面４３４は基板１１０を支持し、ステム４４２は後側面４２６に連結される。ステム基部４２がステム４４２に取り付けられ、チャンバボリューム１７内の基板支持体４３８の高さを制御するリフトアセンブリ４０に接続される。ステム４４２はさらに、基板支持体４３８と他の構成要素の間に、電気リードおよび熱電対リード用の管路を提供する。リフトアセンブリ４０は、プラズマ処理チャンバ４００内の支持アセンブリを正確に位置決めするのに必要な力を供給するために、当技術分野で一般的に用いられる空圧式または電動式のリードスクリュー型リフトアセンブリを備えることができる。
【００２５】
基板支持体４３８（またはステム４４２）と処理チャンバ基部４０２のチャンバ底部４０８との間に、ベローズ４４６が連結される。ベローズ４４６は、チャンバボリューム１７と処理チャンバ基部４０２の外部の大気との間に真空シールを提供すると同時に、基板支持体４３８の垂直方向の移動を容易にする。
【００２６】
基板支持体４３８はさらに、基板１１０を取り囲むシャドーフレーム４４８を支持する。一般的には、シャドーフレーム４４８は、基板１１０の縁部および基板支持体４３８の周囲での堆積を防止する。一実施形態では、基板支持体４３８が処理位置１８から下げられると、シャドーフレーム４４８は、プラズマ処理チャンバ４００内に取り付けられた捕捉機構（図示せず）の上に配置され、シャドーフレーム４４８が捕捉機構上に置かれると、基板支持体４３８がシャドーフレーム４４８から離れることが可能になる。
【００２７】
基板支持体４３８は、複数のリフトピン５２をそれを通して受け入れるように配置された複数の孔４２８を有する。リフトピン５２は、セラミック、グラファイト、セラミックで被覆された金属またはステンレス鋼から作製することができる。リフトピン５２は、リフトプレートアセンブリ５１によって、基板支持体４３８および処理チャンバ基部４０２に対して作動させることができる。リフトアセンブリ５１は、リフトプレート５０およびリフトアクチュエータ５６を含む。リフトプレート５０は、リフトピン５２を引込位置と上昇位置の間で移動させるように、リフトアクチュエータ５６で移動させる。リフトピン５２およびチャンバ底部４０８のそれぞれに取り付けられたリフトベローズ５４は、下部ボリューム１９をプラズマ処理チャンバ４００の外部の大気から分離するのに用いられると同時に、リフトピン５２が引込位置と上昇位置の間で移動することも可能にする。リフトピン５２が上昇位置にあり、基板支持体４３８が移送位置にあるとき、基板１１０はアクセスポート３２の頂縁部より高く持ち上げられ、したがって、システムロボットがプラズマ処理チャンバ４００に出入りすることが可能になり、ロボットと基板支持体４３８の間での基板の移送が容易になる。
【００２８】
蓋アセンブリ６５は通常、入口ポート４１２を含み、プロセスガスが、ガス供給源４１０によって入口ポート４１２を通して提供され、ガス分配プレート６４を通過した後、プロセスボリューム１８に導入される。ガス供給源４１０から入口ポート４１２へのガス流の適正な制御および調整は、質量流量コントローラ（図示せず）およびコントローラ４９８によって実施される。ガス供給源４１０は、複数の質量流量コントローラ（図示せず）を含むことができる。本明細書で使用されるとき、「質量流量コントローラ」という用語は、プラズマ処理チャンバ４００に迅速かつ的確なガス流を提供することができる任意の制御弁を指す。入口ポート４１２によって、プロセスガスをプラズマ処理チャンバ４００内に導入し、均一に分配することが可能になる。さらに、マニホルド内の任意の反応性ガスの凝縮を防止するために、入口ポート４１２を任意選択で加熱することができる。
【００２９】
入口ポート４１２は、清浄化用の供給源４２０にも連結される。清浄化用の供給源４２０は通常、前の処理ステップの完了後に残った堆積副生成物および漂遊堆積材料を除去するためにプロセスボリューム１８内に導入される、解離したフッ素などの清浄化剤を提供する。
【００３０】
蓋アセンブリ６５は、プロセスボリューム１８に対する上部境界を形成する。蓋アセンブリ６５は通常、プラズマ処理チャンバ４００内の構成要素を点検するために、チャンバ基部４０２および／または誘導結合源アセンブリ７０から取り外すことができる。蓋アセンブリ６５は通常、アルミニウム（Ａｌ）または陽極処理アルミニウム体から製造される。
【００３１】
一実施形態において、蓋アセンブリ６５は、外部の真空ポンピングシステム４５２に連結されたポンピングプレナム４６３を含む。ポンピングプレナム４６３を利用して、プロセスボリューム１８からガスおよび処理副生成物を均一に排出する。ポンピングプレナム４６３は一般に、チャンバの蓋６０の中に形成されるか、またはチャンバの蓋６０に取り付けられ、プレート６８によって覆われてポンピングチャネル６１を形成する。プロセスボリューム１８の均一な排気を保証するために、ポンピングチャネル６１に流入するガスにわずかな制約をもたらすように、プレート６８とチャンバの蓋６０の間にギャップが形成される。真空ポンピングシステム１５２はポンピングチャネルに連結され、また一般的には真空ポンプを含み、真空ポンプは、所望のチャンバ処理圧力を得るための必要に応じて、ターボポンプ、ラフポンプおよび／またはＲｏｏｔｓ  Ｂｌｏｗｅｒ（商標）とすることができる。
【００３２】
別法として、真空ポンピングシステム４５０の使用により、下部チャンバアセンブリ２５内に見られるポンピングプレナム２４を用いて、プロセスボリューム１８からガスおよび処理副生成物を均一に排出する。ポンピングプレナム２４は、チャンバ底部４０８の中に形成されるか、またはチャンバ底部４０８に取り付けられ、プレート２６によって覆われて囲われたポンピングチャネル２３を形成することができる。プレート２６は一般に、チャンバボリューム１７の均一な排気を促すために、ポンピングチャネル２３に流入するガスにわずかな制約をもたらすように複数の孔２１（または溝）を包含する。ポンピングチャネル２３は、ポンピングポート４９６を介して真空ポンピングシステム４５０に接続される。真空ポンピングシステム４５０は一般に真空ポンプを含み、真空ポンプは、所望のチャンバ処理圧力を得るための必要に応じて、ターボポンプ、ラフポンプおよび／またはＲｏｏｔｓ  Ｂｌｏｗｅｒ（商標）とすることができる。
【００３３】
別の実施形態では、ポンピングプレナム２４とポンピングプレナム４６３の両方を用いて、プロセスボリューム１８を排気することができる。この実施形態では、プラズマ処理の結果を改善し、プラズマおよび処理副生成物の下部ボリューム１９への漏出を低減するように、真空ポンピングシステム４５２の使用によってプロセスボリューム１８から、真空ポンピングシステム４５０の使用によって下部ボリューム１９から除去されるガスの相対流量を最適化することができる。プラズマおよび処理副生成物の漏出を低減すると、下部チャンバアセンブリの構成要素上の漂遊堆積物の量が低減され、したがって、下部アセンブリ２５から不要な堆積物を除去するために清浄化用の供給源４２０を使用する清浄時間および／または頻度が低減される。
【００３４】
ガス分配プレート６４は、蓋アセンブリ６５の頂部プレート６２に連結される。ガス分配プレート６４は孔のあいた領域６７を含み、その領域６７を通して、ガス供給源４１０から供給されるプロセスガスおよび他のガスがプロセスボリューム１８へ送達される。本発明から利益を得るように適合させることができるガス分配プレートは、本発明の譲受人に譲渡された、Ｂｌｏｎｉｇａｎ等による２００３年１月７日出願の米国特許出願第１０／３３７，４８３号、Ｗｈｉｔｅ等の２００２年１１月１２日発行の米国特許第６，４７７，９８０号、およびＣｈｏｉ等による２００３年４月１６日出願の米国特許出願第１０／４１７，５９２号に記載されており、これらはその全体を参照によって本明細書に援用する。
【００３５】
ガス分配プレート６４は、単一の一体部材から形成することができる。他の実施形態では、ガス分配プレート６４は、２つ以上の別個の部分から作製することができる。プロセスガスの所望の分配物がガス分配プレート６４を通過し、プロセスボリューム１８に入ることが可能になるように、ガス分配プレート６４を貫通する複数のガス通路６９が形成される。ガス分配プレート６４と頂部プレート６２の間に、プレナム６６が形成される。プレナム６６により、入口ポート４１２からプレナム６６へ流入するガスが、ガス分配プレート６４の幅全体にわたって均一に分散し、ガス通路６９を通って均一に流れることが可能になる。ガス分配プレート６４は通常、アルミニウム（Ａｌ）、陽極処理アルミニウムまたは他のＲＦ伝導性材料から製造される。ガス分配プレート６４は、電気絶縁部分（図示せず）によってチャンバの蓋６０から電気的に分離される。
【００３６】
一実施形態では、プロセスボリューム１８内に生成されたプラズマを、取り付けられたインピーダンス整合要素４３０、ＲＦ出力源４５４およびコントローラ４９８の使用によって制御および成形することができるように、ガス分配プレート６４がＲＦバイアスされる。ＲＦバイアスされたガス分配プレート６４は、プロセスボリューム１８内にプラズマを発生させ制御することができる、容量的に結合されたＲＦエネルギー伝達デバイスとして働く。
【００３７】
加えて、ＲＦ出力源４３６は、インピーダンス整合要素４３４を介して基板支持体４３８にＲＦバイアス出力を加えることができる。ＲＦ出力源４３６、インピーダンス整合要素４５８およびコントローラ４９８の使用によって、プロセスボリューム１８内で生成されるプラズマの制御、基板１１０のプラズマボンバード、および基板表面上のプラズマ被覆の厚さを制御することができる。別の実施形態では、ＲＦ出力源４３６およびインピーダンス整合要素４５８を、１つまたは複数のアースへの接続（図示せず）で置き換えること、したがって、基板支持体４３８を接地することができる。
【００３８】
さらに、ＲＦ出力源４４０は、ＲＦインピーダンス整合ネットワーク４５６を介して誘導結合源アセンブリ７０（図示せず）に連結することができる。誘導結合源アセンブリ７０内にコイル（図示せず）が配置され、プロセスボリューム１８内で発生するプラズマを生成および制御することが可能な誘導結合ＲＦエネルギー伝達デバイスとしての役目を果たす。
【００３９】
コントローラ４９８は、全基板処理手順の実質的にすべての態様を制御するように適合される。コントローラ４９８は、インピーダンス整合要素（すなわち４５８、４５６および４３０）、ＲＦ出力源（すなわち４３６、４５４および４４０）、ならびにプラズマ処理チャンバ４００の他の要素を制御するように適合させることができる。処理チャンバ４００のプラズマ処理変数は、マイクロプロセッサベースのコントローラとすることが可能なコントローラ４９８によって制御することができる。コントローラ４９８は、使用者および／またはプラズマ処理チャンバ内の様々なセンサからの入力を受け入れ、様々な入力およびコントローラのメモリに保持されたソフトウェアの命令に従って、プラズマ処理チャンバの構成要素を適切に制御するように構成される。コントローラ４９８は一般に、様々なプログラムを保持し、プログラムを処理し、必要なときにプログラムを実行するために、コントローラによって利用されるメモリおよびＣＰＵを含む。メモリはＣＰＵに接続され、ローカルまたはリモートのランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、フロッピーディスク、ハードディスクもしくは任意の他の形のデジタル記憶装置など、１つまたは複数のすぐに利用できるメモリとすることができる。ソフトウェアの命令およびデータは、ＣＰＵに命令するためにメモリ内にコード化および記憶することができる。従来の方法でプロセッサを支援するために、ＣＰＵには支援回路も接続される。支援回路は、すべて当技術分野でよく知られているキャッシュ、電源、クロック回路、入力／出力回路、サブシステムなどを含むことができる。コントローラ４９８によって読み取り可能なプログラム（またはコンピュータの命令）は、プラズマ処理チャンバにおいてどのタスクが実施可能であるかを決定する。好ましくは、プログラムは、コントローラ４９８によって読み取り可能なソフトウェアであり、定められた規則および入力データに基づいてプラズマプロセスを監視および制御するための命令を含む。
【００４０】
図５は、パッシベーション層１０４を形成するために、図４に記載した処理チャンバ４００、または他の適切な処理チャンバで実施することができるプロセス５００の一実施形態の流れ図を示している。図６Ａ〜６Ｄは、プロセス５００の様々な段階に対応する太陽電池１００の一部の概略的な断面図である。図６Ａ〜６Ｄに関連して記載されるプロセス５００は、有利には太陽電池内にパッシベーション層１０４を製造するために利用することができる。しかしながら、プロセス５００は、他の製造業者からのものを含めた任意の他の適切な処理反応器で実施するように、かつ／または異なるデバイスを形成するように適合させることが可能であることが企図される。必要に応じて、本明細書に記載する本発明の基本的な範囲から逸脱することなく、１つまたは複数のステップを追加、削除および／または再配列することができるため、図５に示すステップの数および順序は、本明細書に記載する本発明の範囲に関して限定するものではないことに留意すべきである。
【００４１】
プロセス５００は、図６Ａに示すように、ステップ５０２において、上部に配置された太陽電池デバイス１００を有する基板１１０を提供することによって始まる。基板１１０の上に形成された太陽電池１００については、図１を参照して先に論じており、簡潔にするためにここでは説明を省く。基板１１０の裏面１２５でのパッシベーション層１０４の形成についての説明を簡単にするために、図６Ａ〜６Ｄに図示される基板１１０は上下反対に示してある。
【００４２】
ステップ５０４では、基板１１０のｐ型ベース領域１２１の裏面１２５を清浄化して、任意の望ましくない材料を除去し、図６Ｂに示すように粗面６０４を形成する。必要に応じて、（図１に示す）前面１２０も清浄化することが可能であることに留意されたい。一実施形態では、基板を清浄化溶液に曝すバッチ清浄化プロセスを用いて、清浄プロセスを実施することができる。一実施形態では、他の適切な技術であるスプレー、フラッディング、浸漬によって基板を湿らせる。清浄溶液は、ＳＣ１清浄化溶液、ＳＣ２清浄化溶液、ＨＦラスト型の清浄化溶液、オゾン化水溶液、フッ化水素酸（ＨＦ）および過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）溶液、または他の適切な清浄化溶液とすることができる。一実施形態において、基板１１０の表面１２５は、フッ化水素またはフッ化水素酸によって清浄化される。清浄化プロセスは、基板に対して、約３０秒から約２４０秒など約５秒から約６００秒の間、例えば約１２０秒の持続時間にわたって実施することができる。
【００４３】
ステップ５０６では、基板１１０の粗面６０４に対して酸化プラズマプロセスを実施して、図６Ｃに示すように第１のパッシベーション層２０２を形成する。酸化プラズマプロセスは、図４の処理チャンバ４００などのプラズマ処理反応器で実施することができる。プラズマ酸化プロセスは、酸素含有ガス混合物からプラズマを形成し、基板１１０の粗面６０４をプラズマ処理することによって実施される、デカップルドプラズマ酸化プロセス（ＤＰＯ）とすることができる。ｐ型ベース領域１２１は、内部に形成されたｐ型ドーパントを有するシリコンベースの層であるため、粗面６０４は大部分がシリコン原子によって構成される。酸素含有ガス混合物がプラズマ解離されると、シリコンの粗面６０４の上で酸素原子が蓄積および吸収され、粗面６０４上に第１のパッシベーション層２０２として酸化層を形成する。プラズマ酸化プロセスは、粗面６０４上のシリコン原子と反応する高エネルギーの酸素原子を提供し、粗面６０４上に酸素が豊富な酸化層２０２を形成する。酸化プラズマプロセスは、約６００セルシウス度未満の温度など、太陽電池１００が熱による損傷を受けないように選択された温度範囲で実施することができる。例えば８００セルシウス度超などの従来の高温のプロセスとは異なり、低温のプラズマ酸化プロセスは、基板１１０の上に形成された薄膜の特性および既存のデバイスの性能に悪影響を及ぼすことなく、基板上に酸化層を形成することが可能である。一実施形態において、プラズマ酸化プロセスは、約１０セルシウス度から約５００セルシウス度の間、または約１００セルシウス度から約４００セルシウス度の間など、約６００セルシウス度未満の温度で実施することができる。一実施形態において、酸化層２０２は、約５Å未満および約６５Åなどの１５０Å未満など、約３００Å未満の厚さを有することができる。
【００４４】
一実施形態において、プラズマ酸化プロセスを実施するために供給されるガス混合物は、少なくとも１種の酸素含有ガス、および任意選択で窒素含有ガス、不活性ガスまたは他の適切なガスを含むことができる。酸素含有ガスの例には、Ｏ２、Ｎ２Ｏ、ＮＯ２、ＮＯ、Ｏ３、Ｈ２Ｏなどが含まれる。窒素含有ガスの例には、Ｎ２、ＮＨ３、Ｎ２Ｏ、ＮＯ２、ＮＯなどが含まれる。不活性ガスの例には、ＡｒまたはＨｅが含まれる。プラズマ酸化プロセスを実施して粗面６０４上に酸化層を形成する実施形態では、ガス混合物は、少なくとも１種の酸素含有ガスを含むことができる。プラズマ酸化プロセスを実施してテクスチャ面６０４上に酸窒化物層を形成する別の実施形態では、ガス混合物は、少なくとも１種の窒素含有ガスおよび／または酸素を含有する層を含むことができる。あるいは、酸素含有ガス、窒素含有ガス、またはそれらの組み合わせと共に、不活性ガスをガス混合物に供給することができる。本明細書に記載する例示的実施形態では、酸化層または酸窒化物層を形成するためにガス混合物に供給される酸素含有ガスは、Ｎ２ＯまたはＯ２である。
【００４５】
ステップ５０６において、ある実施形態では約１０秒から約３００秒、例えば約３０秒から約２４０秒、またある実施形態では約６０秒から約１８０秒の持続時間にわたり、プラズマ酸化プロセスを実施することができる。またプラズマ酸化プロセスは、約５００ワットから約４，５００ワット、例えば約７００ワットから約３，５００ワット、または約２４００ワットに設定し、１３．５６ＭＨｚの誘導ＲＦ出力などのプラズマ出力で行うことが可能である。プラズマプロセスは、連続的なサイクルとして約２パーセントから約５０パーセントのデューティサイクルによって、または１００パーセントの負荷で、約１０ｋＨｚのパルス周波数において行われる。一実施形態において、ＲＦ出力は、約５パーセントのデューティサイクルでパルス化される。別の実施形態では、ＲＦ出力は、約８００ワットの設定点において約５パーセントのデューティサイクルでパルス化され、約４０ワットの有効なプラズマ励起出力である有効出力が得られる。あるいは、プラズマ出力は、平面型のマイクロ波プラズマ源、または本発明の実施に利用される他の適切な供給源を含めた他のプラズマ源によって提供することができる。ＤＰＯチャンバは、約０ミリトルから約５０００ミリトルの圧力を有することができる。不活性ガスは、約２０標準立法センチメートル毎分（ｓｃｃｍ）から約２００標準リットル毎分（ｓｌｍ）、または約１２０００ｓｃｃｍから約１５０００ｓｃｃｍ、または約５００ｓｃｃｍから約７００ｓｃｃｍの流量を有することができる。
【００４６】
ステップ５０８では、第１のパッシベーション層２０２の形成後、図６Ｄに示すように、第１のパッシベーション層２０２の上に第２のパッシベーション層２０４を形成し、パッシベーション層１０４を包含するスタックを形成することができる。操作しやすいように、第２のパッシベーション層２０４は、図４の処理チャンバ４００などの同じ処理チャンバで形成することができる。あるいは必要に応じて、第２のパッシベーション層２０４を別の処理チャンバで形成することができる。一実施形態において、第２のパッシベーション層２０４は、化学気相成長（ＣＶＤ）、物理蒸着（ＰＶＤ）などの適切な堆積技術によって形成された、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）層または水素化窒化シリコン（ＳｉｘＮｙ：Ｈ）層とすることができる。さらに、第２のパッシベーション層２０４の窒化シリコン層は、太陽電池１００の裏面１２５からの光反射を最小限に抑えるＡＲＣ層としての役目を果たすこともできる。
【００４７】
第１のパッシベーション層２０２および第２のパッシベーション層２０４が、図４の処理チャンバ４００などの同じ処理チャンバで形成される実施形態では、ステップ５０６で酸素含有ガス混合物を供給して第１のパッシベーション層２０２を形成した後、引き続き、シリコンベースのガスを含む窒素含有ガス混合物を処理チャンバ内に供給して、第２のパッシベーション層２０４を形成する。第２のパッシベーション層２０４が、第１のパッシベーション層２０２の上に窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）層または水素化窒化シリコン（ＳｉｘＮｙ：Ｈ）層として形成されるように構成される実施形態では、ガス混合物を、Ｎ２Ｏ、ＮＯ２またはＯ２などの酸素含有ガスから、シリコンベースのガスと共に供給されるＮＨ３またはＮ２などの窒素含有ガスに切り換えることができる。シリコンベースのガスの適切な例には、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６などが含まれる。窒素含有ガスはシリコンベースのガスと共に、処理チャンバ内でプラズマ解離され、パッシベーション層２０２の上に、所望の薄膜厚さを有する窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）層または水素化窒化シリコン（ＳｉｘＮｙ：Ｈ）層の第２のパッシベーション層を形成する。一実施形態において、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）層２０４は、約６００Åから約７５０Åの間の薄膜厚さを有する。
【００４８】
ステップ５０８では、第２のパッシベーション層２０４を形成しながら、いくつかのプロセスパラメータを調整することができる。一実施形態では、処理圧力を約０．５トルから約５トルの間、例えば約１．２トルから約１．８トルの間に調整することができる。基板の温度は約３００セルシウス度から約５００セルシウス度の間に維持される。間隔は、約５５０ミルから約１２００ミルの間に制御することができる。ＮＨ３、Ｎ２ＯまたはＮ２などの窒素含有ガスのガス流は、約５００ｓｃｃｍから約２８００ｓｃｃｍ、例えば約２０００ｓｃｃｍから約２２００ｓｃｃｍの間の流量でチャンバに提供される。シラン（ＳｉＨ４）ガスなどのシリコンベースのガスは、約４００ｓｃｃｍから約９００ｓｃｃｍ、例えば約７００ｓｃｃｍから約８００ｓｃｃｍの間の流量でチャンバに提供される。任意選択で、ガス混合物中に不活性ガスを供給することができる。ＡｒまたはＨｅなどの不活性ガスのガス流は、約０ｓｃｃｍから約１００ｓｃｃｍ、例えば約５０ｓｃｃｍから約６０ｓｃｃｍの間の速度でチャンバに流入させる。
【００４９】
プラズマ堆積プロセスを利用して、パッシベーション層１０４を第１のパッシベーション層２０２および第２のパッシベーション層２０４を含む薄膜スタック１０４として形成することによって、負に帯電した薄膜を得ることができる。当技術分野で従来実施されている熱プロセスではなく、プラズマプロセスは、最終的に生じるプラズマ堆積した薄膜を、負の電荷を運ぶ圧縮性の薄膜として維持するのを助けることができると考えられる。これまでに論じたように、負に帯電したパッシベーション薄膜は、電子をはね返して接合領域に戻し、それによって光電流および太陽電池の変換効率を増大させ改善するのを助けることができる。したがって、第１のパッシベーション層２０２のプラズマ酸化プロセスおよび第２のパッシベーション層２０４のプラズマ堆積プロセスは、組み合わせた形で、太陽電池の電気的な性能を改善する優れたパッシベーション薄膜の特性を提供するのを助ける。
【００５０】
任意選択で、複合パッシベーション層１０４の形成後、基板１１０を、約７５０セルシウス度など約６００セルシウス度から約１，０００セルシウス度の温度まで、または例えば約２秒から約６０秒、約５秒から約１００秒など約１秒から約１８０秒の間、熱アニールすることができる。アニールプロセスは、適切なアニール処理チャンバで実施することができる。熱アニールプロセスのために、アニールチャンバ内に少なくとも１種のアニールガスが供給される。アニールガスの例には、酸素（Ｏ２）、オゾン（Ｏ３）、原子酸素（Ｏ）、水（Ｈ２Ｏ）、一酸化窒素（ＮＯ）、一酸化二窒素（Ｎ２Ｏ）、二酸化窒素（ＮＯ２）、五酸化二窒素（Ｎ２Ｏ５）、窒素（Ｎ２）、アンモニア（ＮＨ３）、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）、Ａｒ、Ｈｅ、それらの誘導体またはそれらの組み合わせが含まれる。熱アニールプロセスの一例において、基板１１０は、５％水素の窒素雰囲気内で約５秒間、約７５０セルシウス度の温度までアニールされる。熱アニールプロセスは、複合パッシベーション層１０４の原子格子を修復および再構築するのを助けることができると考えられる。熱アニールプロセスはまた、ダングリングボンドを除き、薄膜の結合構造を再構築し、それによって薄膜の漏れを低減し、薄膜の品質および全体的なデバイス性能を増進する。
【００５１】
複合パッシベーション層１０４の形成後、基板１１０は、図１に示す後部コンタクト１０６の堆積、および太陽電池製造プロセスを完了させる焼成プロセスのためなど、プロセスラインのプロセスの後続の目的を果たすためにさらに移動させることができる。
【００５２】
あるいは、複合パッシベーション層１０４は必要に応じて、図１に示すように、基板１１０の前側面１２０に形成されたＡＲＣ層１１１などのＡＲＣ層として形成することもできる。
【００５３】
したがって、本願は、太陽電池の表面上にパッシベーション薄膜のスタックを形成するための方法を提供する。その方法は、有利には、太陽接合電池で生成される光電流を増大させるのを助け、それによって、全体的な太陽電池の変換効率および電気的な性能を改善するパッシベーション薄膜のスタックを形成する。
【００５４】
前述のものは本発明の実施形態を対象にしているが、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可能であり、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によって定められる。
【図１Ａ】
2012529189.tif 000003
【図１Ｂ】
2012529189.tif 000004
【図２Ａ】
2012529189.tif 000005
【図２Ｂ】
2012529189.tif 000006
【図３】
2012529189.tif 000007
【図４】
2012529189.tif 000008
【図５】
2012529189.tif 000009
【図６Ａ】
2012529189.tif 000010
【図６Ｂ】
2012529189.tif 000011
【図６Ｃ】
2012529189.tif 000012
【図６Ｄ】
2012529189.tif 000013
【国際調査報告】
2012529189.tif 000014
2012529189.tif 000015