(57)【要約】  真性型の微結晶シリコン層向けの方法が提供される。一実施形態では、微結晶シリコン層は、加工チャンバ内へ基板を提供し、加工チャンバ内へガス混合物を供給し、ガス混合物内に第１のモードでＲＦ電力を印加し、加工チャンバ内へガス混合物をパルシングし、パルシングされたガス混合物内に第２のモードでＲＦ電力を印加することによって製作される。
2012523715.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真性型の微結晶シリコン層を形成する方法であって、
加工チャンバ内へ基板を提供するステップと、
前記加工チャンバ内へガス混合物を供給するステップと、
前記ガス混合物へ第１のモードでＲＦ電力を印加するステップと、
前記加工チャンバ内へ前記ガス混合物をパルシングするステップと、
前記パルシングされたガス混合物へ第２のモードで前記ＲＦ電力を印加するステップとを含む、方法。
【請求項２】
前記第１のモードで前記ＲＦ電力を印加するステップが、
第１のガス混合物および第１のＲＦ電力モードの存在下で前記基板上に真性型の微結晶シリコンシード層を堆積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３】
前記ガス混合物をパルシングするステップが、
前記基板上にバルク真性型の微結晶シリコン層を堆積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４】
前記第１のモードで前記ＲＦ電力を印加するステップが、
約２０秒〜約３００秒の期間中、前記加工チャンバ内へ供給されるＲＦ電力を第１の所定の範囲から第２の所定の範囲へ増加させるステップをさらに含み、ＲＦ電力の前記第１の所定の範囲が約０ワット〜約５キロワットであり、ＲＦ電力の前記第２の所定の範囲が約２キロワット〜約８キロワットで制御される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記ガス混合物を供給するステップが、
前記第１のモードで前記ＲＦ電力を印加する前に、前記加工チャンバ内へ前記ガス混合物を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６】
前記ガス混合物を供給するステップが、
約２０秒〜約３００秒の期間にわたって、前記加工チャンバ内へ供給される前記ガス混合物の流量を所定の設定点に増加させるステップをさらに含み、前記ガス混合物の前記流量が、約０ｓｃｃｍ／Ｌから約２．８ｓｃｃｍ／Ｌ〜約５．６ｓｃｃｍ／Ｌに増加される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記ガス混合物が、少なくともシリコンベースのガスおよび水素ベースのガスを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記ＲＦ電力をパルシングするステップが、約０．１秒〜約６０秒ごとに、または約１０秒〜約１５０秒にわたって、前記ＲＦ電力をパルシング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９】
前記ガス混合物をパルシングするステップが、
前記加工チャンバ内へ供給される前記ガス混合物をパルシングしながら、前記第２のモードで前記ＲＦ電力を同期してパルシング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１０】
真性型の微結晶シリコン層を形成する方法であって、
加工チャンバ内へ基板を提供するステップと、
前記加工チャンバ内へガス混合物を供給するステップと、
ＲＦ電力を印加して前記ガス混合物を付勢するステップと、
前記ガス混合物の存在下で前記基板表面上にシードシリコン層を堆積させるステップと、
前記シードシリコン層を堆積させる前記ステップに続いて、前記ガス混合物と前記ＲＦ電力を同期してパルシングするステップと、
前記パルシングされたガス混合物の存在下で、前記シードシリコン層を覆ってバルクシリコン層を堆積させるステップとを含む、方法。
【請求項１１】
前記ＲＦ電力を増加させるステップが、
前記ＲＦ電力および前記ガス混合物を同期して増加させるステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
ｐ型のシリコン含有層と、
前記ｐ型のシリコン含有層上に配置された真性型の微結晶シリコン層と、
前記真性型の微結晶シリコン層上に配置されたｎ型のシリコン含有層とを含み、前記真性型の微結晶シリコン層が、
第１のＲＦ電力モードが適用される加工チャンバ内へガス混合物を供給するステップと、
真性型の微結晶シリコンシード層を堆積させるステップと、
第２のＲＦ電力モードが適用される前記プロセスチャンバ内で前記ガス混合物をパルシングするステップと、
前記真性型の微結晶シリコンシード層を覆ってバルク真性型の微結晶シリコン層を堆積させるステップとを含むプロセスによって形成される、
光電デバイス。
【請求項１３】
真性型の微結晶シリコン層を形成する方法であって、
加工チャンバ内へ基板を提供するステップと、
第１の所定の期間にわたって前記加工チャンバ内へ供給されるガス混合物の流量を漸進的に増加させるステップと、
前記ガス混合物の前記流量を増加させながら、前記ガス混合物内へ供給されるＲＦ電力を同期して増加させるステップと、
前記基板表面上に真性型の微結晶シリコンシード層を堆積させるステップとを含む、方法。
【請求項１４】
前記第１の所定の期間が終了した後、第２の所定の期間にわたって、前記加工チャンバへ供給される前記ガス混合物を安定した流量で制御するステップと、
前記基板上にバルク真性型の微結晶シリコン層を堆積させるステップと
をさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記ガス混合物を制御するステップが、
前記第２の所定の期間にわたって、前記加工チャンバへ供給される前記ＲＦ電力を安定した電力で制御するステップをさらに含む、請求項１３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、太陽電池セルおよびその形成方法に関する。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（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、一方を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するものであり、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に敷き詰められる。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、次いでつなぎ合わされて、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。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。
【０００４】
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。
【発明の概要】
【０００５】
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、真性型の微結晶シリコン層を形成する方法は、加工チャンバ内へ基板を提供するステップと、加工チャンバ内へガス混合物を供給するステップと、ガス混合物内に第１のモードでＲＦ電力を印加するステップと、加工チャンバ内へガス混合物をパルシングするステップと、パルシングされたガス混合物内に第２のモードでＲＦ電力を印加するステップとを含む。
【０００６】
別の実施形態では、真性型の微結晶シリコン層を形成する方法は、加工チャンバ内へ基板を提供するステップと、加工チャンバ内へガス混合物を供給するステップと、ガス混合物内へＲＦ電力を印加するステップと、基板表面上にシードシリコン層を堆積させるステップと、続いてガス混合物とガス混合物に供給されたＲＦ電力を同時にパルシングするステップと、シードシリコン層を覆ってバルクシリコン層を堆積させるステップとを含む。
【０００７】
さらに別の実施形態では、光電デバイスは、ｐ型のシリコン含有層と、ｐ型のシリコン含有層上に配置された真性型の微結晶シリコン層と、真性型の微結晶シリコン層上に配置されたｎ型のシリコン含有層とを含み、真性型の微結晶シリコン層は、第１のＲＦ電力モードが適用される加工チャンバ内へガス混合物を供給するステップと、真性型の微結晶シリコンシード層を堆積させるステップと、第２のＲＦ電力モードが適用されるプロセスチャンバ内でガス混合物をパルシングするステップと、真性型の微結晶シリコンシード層を覆ってバルク真性型の微結晶シリコン層を堆積させるステップとを含むプロセスによって形成される。
【０００８】
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、本発明の実施形態を参照すれば、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】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態による真性型の微結晶シリコン層が太陽電池セル内に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真性型の微結晶シリコン層が太陽電池セル内に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異なるＲＦ電力によって真性型の微結晶シリコン層を堆積させる方法について説明するプロセスの流れ図である。
【図５】本発明の一実施形態による真性型の微結晶シリコン層の堆積中に供給されるガスの流量およびＲＦ電力について説明する図である。
【図６】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】
【００１０】
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めることが企図される。
【００１１】
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。
【００１２】
本発明は、速い堆積速度、高くかつ均一の結晶分率、および低い製造コストで真性型の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、真性型の微結晶シリコン層は、真性型の微結晶シリコンシード層およびバルク真性型の微結晶シリコン層を形成するためのそれぞれ第１の堆積モードおよび第２の堆積モードを有するプラズマプロセスによって堆積させることができる。一実施形態では、真性型の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。
【００１３】
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た１つもしくは複数の薄膜には、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、したがって続いて第１のＴＣＯ層１０４を覆って堆積される薄膜は通常、その下の表面の起伏形状を再現する。
【００１４】
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層の材料はまた、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を含むなど、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をすでに堆積させた状態で、ガラス製造者が提供することができる。
【００１５】
第１のｐ−ｉ−ｎ接合１２６は、ｐ型の非晶質シリコン層１０６と、ｐ型の非晶質シリコン層１０６を覆って形成された真性型の非晶質シリコン層１０８と、真性型の非晶質シリコン層１０８を覆って形成されたｎ型の微結晶シリコン層１１０とを含むことができる。特定の実施形態では、ｐ型の非晶質シリコン層１０６は、約６０Å〜約３００Åの厚さに形成することができる。特定の実施形態では、真性型の非晶質シリコン層１０８は、約１，５００Å〜約３，５００Åの厚さに形成することができる。特定の実施形態では、ｎ型の微結晶半導体層１１０は、約１００Å〜約４００Åの厚さに形成することができる。
【００１６】
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で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伝送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型の結晶シリコン合金であり、ＷＳＲ層１１２内にはｎ型のドーパントが配置される。ＷＳＲ層１１２内に配置された異なるドーパントはまた、バンドギャップ、結晶分率、導電性、透明性、膜屈折率、消衰係数などの光学特性および電気特性に影響を与えることができる。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。
【００１７】
第２のｐ−ｉ−ｎ接合１２８は、ｐ型の微結晶シリコン層１１４と、ｐ型の微結晶シリコン層１１４を覆って形成された真性型の微結晶シリコン層１１８と、真性型の微結晶シリコン層１１８を覆って形成されたｎ型の非晶質シリコン層１２０とを含むことができる。一実施形態では、真性型の微結晶シリコン層１１８のバルク層を堆積させる前に、ｐ型の微結晶シリコン層１１４を覆って真性の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および真性型の微結晶シリコン層１１８は、加工チャンバ内で実行される堆積中に複数のプロセスステップを利用することによって、１つのプロセスで形成することができる。別法として、シード層１１６およびバルク真性型の微結晶シリコン層１１８は、必要な数のチャンバ内で形成することができる。シード層１１６およびバルク真性型の微結晶シリコン層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４〜５を参照して以下でさらに説明する。
【００１８】
一実施形態では、ｐ型の微結晶シリコン層１１４は、約１００Å〜約４００Åの厚さに形成することができる。特定の実施形態では、真性の微結晶シリコンシード層１１６は、約５０Å〜約５００Åの厚さに形成することができる。特定の実施形態では、バルク真性型の微結晶シリコン層１１８は、約１０，０００Å〜約３０，０００Åの厚さに形成することができる。特定の実施形態では、ｎ型の非晶質シリコン層１２０は、約１００Å〜約５００Åの厚さに形成することができる。
【００１９】
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は、相互に接続してモジュールを形成することができ、モジュールを接続してアレイを形成することができる。
【００２０】
太陽放射１０１は、主にｐ−ｉ−ｎ接合１２６、１２８の真性層１０８、１１８によって吸収され、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、電子はｎ型層１１０、１２０の方へ流れ、正孔はｐ型層１０６、１１４の方へ流れて、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は真性型の非晶質シリコン層１０８を含み、第２のｐ−ｉ−ｎ接合１２８は真性型の微結晶シリコン層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うち、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および微結晶シリコンの真性層１１８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がまず真性型の非晶質シリコン層１１８に当たり、ＷＳＲ層１１２を透過し、次いで真性型の微結晶シリコン層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。
【００２１】
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族の元素である。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族の元素である。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、反応混合物内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、上述のｐ型層１０６、１１４およびｎ型層１１０、１２０に追加することができる。適切なホウ素化合物およびリン化合物は通常、置換および非置換の低級ボランおよびホスフィンのオリゴマーを含む。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。ホスフィンが一般的なリン化合物である。これらのドーパントは通常、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、反応混合物内の全体的な水素が増大する。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。
【００２２】
ドーパントは通常、不活性ガス内に希釈ガス混合物として提供される。たとえば、ドーパントは、キャリアガス内に約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内に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の流量で反応チャンバに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で維持される。
【００２３】
一実施形態では、ｐ型の微結晶シリコン層１１４は、水素ガスとシランガスのガス混合物を、１０００：１以下、たとえば約２５０：１〜約８００：１、さらなる例では約６０１：１または約４０１：など、約２００：１以上の水素とシラン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０．２ｓｃｃｍ／Ｌ〜約０．３８ｓｃｃｍ／Ｌなど、約０．１ｓｃｃｍ／Ｌ〜約０．８ｓｃｃｍ／Ｌ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の流量で提供することができる。ＴＭＢがキャリアガス内に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の流量で提供することができる。ＲＦ電力は、約２９０ｍＷ／ｃｍ２〜約４４０ｍＷ／ｃｍ２など、約５０ｍＷ／ｃｍ２〜約７００ｍＷ／ｃｍ２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、たとえば４トル〜約１２トル、約７トルまたは約９トルなど、約１トル〜約１００トルで維持することができる。これらの条件では、約１４３Å／分以上など、約１０Å／分以上の速度で、５０パーセント〜約７０パーセントなど、約２０パーセント〜約８０パーセントの結晶分率を有するｐ型の微結晶層を堆積させる。
【００２４】
一実施形態では、ｐ型の微結晶シリコン層１１４内の炭素、ゲルマニウム、窒素、酸素などの第２のドーパントは、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。
【００２５】
一実施形態では、ｐ型の非晶質シリコン層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の流量で提供することができる。水素ガスは、約５ｓｃｃｍ／Ｌ〜６０ｓｃｃｍ／Ｌ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内に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型の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トルなど、約０．１トル〜２０トルで維持することができる。
【００２６】
一実施形態では、ｎ型の微結晶シリコン層１１０は、水素ガスとシランガスのガス混合物を、約５００：１以下、約１５０：１〜約４００：１、たとえば約３０４：１または約２０３：１など、約１００：１以上の比（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０．３２ｓｃｃｍ／Ｌ〜約０．４５ｓｃｃｍ／Ｌ、たとえば約０．３５ｓｃｃｍ／Ｌなど、約０．１ｓｃｃｍ／Ｌ〜約０．８ｓｃｃｍ／Ｌの流量で提供することができる。水素ガスは、約６８ｓｃｃｍ／Ｌ〜約１４３ｓｃｃｍ／Ｌ、たとえば約７１．４３ｓｃｃｍ／Ｌなど、約３０ｓｃｃｍ／Ｌ〜約２５０ｓｃｃｍ／Ｌの流量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、たとえば約０．００５ｓｃｃｍ／Ｌなど、約０．０００５ｓｃｃｍ／Ｌ〜約０．００６ｓｃｃｍ／Ｌの流量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内に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、たとえば約０．９ｓｃｃｍ／Ｌ〜約１．０８８ｓｃｃｍ／Ｌなど、約０．１ｓｃｃｍ／Ｌ〜約５ｓｃｃｍ／Ｌの流量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、たとえば５０パーセント〜約７０パーセントの結晶分率を有するｎ型の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、たとえば４トル〜約１２トル、たとえば約６トルまたは約９トルなど、約１トル〜約１００トルで維持することができる。
【００２７】
一実施形態では、ｎ型の非晶質シリコン層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、約０．１ｓｃｃｍ／Ｌ〜５ｓｃｃｍ／Ｌ、または約０．５ｓｃｃｍ／Ｌ〜約３ｓｃｃｍ／Ｌ、たとえば約１．４２ｓｃｃｍ／Ｌまたは５．５ｓｃｃｍ／Ｌなど、約０．１ｓｃｃｍ／Ｌ〜約１０ｓｃｃｍ／Ｌの流量で提供することができる。水素ガスは、約４ｓｃｃｍ／Ｌ〜約４０ｓｃｃｍ／Ｌまたは約１ｓｃｃｍ／Ｌ〜約１０ｓｃｃｍ／Ｌ、たとえば約６．４２ｓｃｃｍ／Ｌまたは２７ｓｃｃｍ／Ｌなど、約１ｓｃｃｍ／Ｌ〜約４０ｓｃｃｍ／Ｌの流量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または約０．０１５ｓｃｃｍ／Ｌ〜約０．０３ｓｃｃｍ／Ｌ、たとえば約０．００９５ｓｃｃｍ／Ｌまたは０．０２３ｓｃｃｍ／Ｌなど、約０．０００５ｓｃｃｍ／Ｌ〜約０．０７５ｓｃｃｍ／Ｌの流量で提供することができる。ホスフィンがキャリアガス内に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、約２ｓｃｃｍ／Ｌ〜約１５ｓｃｃｍ／Ｌ、または約３ｓｃｃｍ／Ｌ〜約６ｓｃｃｍ／Ｌ、たとえば約１．９ｓｃｃｍ／Ｌまたは約４．７１ｓｃｃｍ／Ｌなど、約０．１ｓｃｃｍ／Ｌ〜約１５ｓｃｃｍ／Ｌの流量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で印加することができる。約０．５トル〜約４トル、約１．５トルなど、約０．１トル〜約２０トルのチャンバ圧力では、約２００Å／分以上、約３００Å／分または約６００Å／分など、約１００Å／分以上の速度で、ｎ型の非晶質シリコン層を堆積させる。
【００２８】
いくつかの実施形態では、シリコン層は、高速で、たとえば上述のレシピの上部部分の速度でドーパント化合物を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、一部の層の導電性を改善すると考えられる。
【００２９】
一実施形態では、真性の非晶質シリコン層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の流量で提供することができる。水素ガスは、約５ｓｃｃｍ／Ｌ〜６０ｓｃｃｍ／Ｌ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トルなど、約０．１トル〜２０トルで維持することができる。真性型の非晶質シリコン層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、真性型の非晶質シリコン層１０８は、約１２．５：１の水素とシランの比で堆積される。
【００３０】
真性型の微結晶シリコンシード層１１６および真性型の微結晶シリコン層１１８の堆積に関するさらなる詳細については、図４〜５を参照して以下でさらに説明する。
【００３１】
図２は、真性型の微結晶シリコンシード層１１６および真性型の微結晶シリコン層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、真性型の微結晶シリコンシード層１１６および真性型の微結晶シリコン層１１８と、真性型の微結晶シリコン層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。真性型の微結晶シリコンシード層１１６および真性型の微結晶シリコン層１１８をどのように形成できるかに関する詳細な説明については、図４〜５を参照して以下でさらに論じる。
【００３２】
図３は、図１および２に示す真性型の微結晶シリコンシード層１１６および真性型の微結晶シリコン層１１８を堆積できるプラズマ化学気相成長（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位置する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することもできることが企図される。
【００３３】
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、ならびにシャワーヘッド３１０および基板支持体３３０を含む。プロセス体積にはバルブ３０８を通ってアクセスでき、したがってチャンバ３００から基板を出し入れすることができる。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に結合された軸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、基板を基板受取り表面３３２から隔置す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の周辺部で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。
【００３４】
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、たるみを防止し、かつ／またはシャワーヘッド３１０の直線性／曲率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、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にガスを提供する。チャンバ３００には真空ポンプ３０９が結合され、プロセス体積３０６を所望の圧力で制御する。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に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。
【００３５】
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に清浄ガスを提供することができる。清浄ガスは、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、シャワーヘッドに提供された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。
【００３６】
図１〜２の微結晶シリコン層１１６、１１８などの真性型の微結晶シリコン層向けの堆積方法では、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。チャンバには、たとえば４０，０００ｃｍ２以上、５５，０００ｃｍ２以上など、１０，０００ｃｍ２以上の表面積などを有する基板が提供される。加工後、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。
【００３７】
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℃、たとえば約１５０℃〜約３００℃、約２００℃など、約４００℃以下の堆積中の基板支持体の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ミルなど、４００ミル〜約１，２００ミルとすることができる。
【００３８】
図４は、真性型の微結晶シリコンシード層１１６および真性型の微結晶シリコン層１１８などの真性型の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に示すプラズマチャンバ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。
【００３９】
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型の微結晶シリコン層１１４とを有することができる。基板１０２上に真性型の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上には、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、または基板１０２上に太陽電池セルを形成するのに適した他の透明基板のうちの任意の１つとすることができる。
【００４０】
ステップ４０４で、加工チャンバ内へガス混合物を供給して、真性型の微結晶シリコンシード層１１６を堆積させる。堆積中、ガス混合物内にプラズマを着火するために印加されるＲＦ電力は、所望の膜特性をもつシード層１１６を堆積させるのを容易にするように、第１のモードで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。
【００４１】
一実施形態では、ガス混合物内に供給されるシランガスなどのシリコンベースのガスは、第１のプロセス期間中に第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。たとえば、図５に示す例示的な実施形態のように、ガス混合物内のトレース線５０２で示すシランガス流は、ステップ４０４で実行される第１のプロセス期間５０６において所定の期間Ｔ２で第１の所定の設定点Ｆ１から所定の設定点Ｆ２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所望の増加率で所定の期間に第１の設定点から第２の設定点へ漸進的に調整す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。
【００４２】
一実施形態では、シランガス流の第１の所定の設定点Ｆ１および第２の所定の設定点Ｆ２は、膜品質に対する異なる要件に従って変動させることができる。たとえば、続いてＳｉ原子が核を形成するための核形成場所を提供するために、非常に多孔質で水素を多く含んでいる層としてシード層１１６を形成する必要のある一実施形態では、シランガスの流量を低い流量から高い流量へ増加させることができる。別法として、ガス混合物内に供給されるシランガス流は、必要に応じて変動または制御することができる。
【００４３】
ガス混合物内のシランガス流を漸進的に増加させることで、ケイ素原子が基板表面上で均一に付着および分散するのを助け、それによって所望の膜特性をもつシード層１１６を形成できると考えられる。基板表面上でケイ素原子が均一に付着することで、続いて原子が核を形成するための良好な核形成場所を提供する。均一の核形成場所が基板上に形成されると、続いて基板上に形成される膜の結晶化度を促進する。したがって、ガス混合物内のシラン流を漸進的に増加させることで、ガス混合物から解離したケイ素原子を基板表面上で漸進的に吸収するのに十分な時間を有することができ、それによって、続いて堆積される層の結晶化度の改善を促進する核形成場所を提供するケイ素原子の一様な分布を有する表面を提供することができる。
【００４４】
一実施形態では、第１のプロセス期間５０６中にステップ４０４で供給されるシランガス流は、ゼロなどの第１の設定点Ｆ１から約２．８ｓｃｃｍ／Ｌ〜約５．６ｓｃｃｍ／Ｌなど、たとえば約３．９９ｓｃｃｍ／Ｌ（約５７０ｓｃｃｍ）の第２の設定点Ｆ２へ供給される。シラン流が増加する所定の期間Ｔ２は、約４０秒〜約２４０秒、約６０秒〜約１２０秒など、約２０秒〜約３００秒である。図５に示す実施形態は、シランガス流のトレース線５０２が直線的に漸進的に増加することを示すが、シランガス流は、シランガス流の所望のガス流量に到達するまで、放物線状、逆放物線状、もしくは曲線、また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を使用して供給できることに留意されたい。
【００４５】
一実施形態では、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。水素ガスとシランガスの所定のガス流量比は、所望の結晶分率および粒組織をもつ微結晶シリコンシード層１１６を形成するのを助ける。一実施形態では、ガス混合物内の水素ガスとシランガスの流量比（たとえば、流れ体積比）は、約５０：１など、約２０：１〜約２００：１または約３０：１〜約１５０：１で制御される。１つの特定の実施形態では、ガス混合物内で供給される水素ガスは、安定した流量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。たとえば、図５に示すように、標的の第２のシラン流Ｆ２が約３．９９ｓｃｃｍ／Ｌで設定され、水素ガスとシランガスの流量比が５０：１で設定される場合、水素ガスは、第１のプロセス期間の始端Ｔ０から第１のプロセス期間５０６の終端まで、約１９９．５ｓｃｃｍ／Ｌ（たとえば、３．９９ｓｃｃｍ／Ｌ×５０＝１９９．５ｓｃｃｍ／Ｌ）で供給することができる。対照的に、シランガス流は、所定の期間Ｔ２でゼロＦ１から３．９９ｓｃｃｍ／Ｌの標的のシラン流Ｆ２に漸進的に供給および増加される。堆積の初期段階でシラン流量が低いことで、ガス混合物内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度のため、膜結晶および核形成場所の形成を助けることができると考えられる。別法として、水素流は、シラン流を増加させる方法と同様に、比較的高い流量で開始し、次いで水素ガスとシランガスの所望の流量比に到達するまで、漸進的に減少させることができる。
【００４６】
ステップ４０４で堆積中、ガス混合物内でプラズマを着火するために印加されるＲＦ電力は、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制御することができる。たとえば、ガス混合物内で供給されるシラン流が漸進的に増加するにつれて、プロセスの初期段階でガス混合物内に供給されるガス種を過度に励起または解離するのを防止するために、加工チャンバに印加されるＲＦ電力もまた、漸進的に増加するように構成される。堆積の初期段階で過度に大量のＲＦ電力を提供する結果、大きな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、またガス混合物内で形成された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布が不均一になることがある。そのようなことが発生するのを防止するために、ＲＦ電力は、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するのを防止するように、漸進的に増加される。
【００４７】
一実施形態では、図５に示すように、プロセスステップ４０４の早い段階で、ＲＦトレース線５０４で示すＲＦ電力は、第１の期間Ｔ１中に第１のより低い設定点Ｒ１で印加される。トレース線５０２に示すシランガスなどのガス混合物が加工チャンバに供給された後、ＲＦ電力は、第２の期間Ｔ６で第１のより低い設定点Ｒ１から第２のより高い設定点Ｒ２へ漸進的に増加される。言い換えれば、第２の設定点Ｒ２へ増加するＲＦ電力は、ガス混合物が加工チャンバ内へ供給される時点Ｔ０と比較すると、時間遅延Ｔ１を有する。Ｔ１の期間は、Ｔ０の期間より長くなるように制御され、したがってＲＦ電力の増加は、加工チャンバ内へガス混合物を供給するのより遅れる。一実施形態では、Ｔ１の期間は、約５秒〜約８０秒、たとえば約３０秒など、約０．１秒〜約２４０秒で制御することができる。所定の期間のＴ１が経過した後、ＲＦ電力を印加して、ガス混合物内でプラズマを着火することができる。
【００４８】
ステップ４０４でシラン流を制御するために使用される方法と同様に、加工チャンバへ印加されるＲＦ電力は、図５に示すように、所定の期間Ｔ６中に第１の設定点Ｒ１から第２の設定点Ｒ２へ増加させることができる。一実施形態では、ＲＦ電力の第１のより低い設定点Ｒ１は、約０ワット〜約５キロワットで制御される。電力単位を電力密度で表す場合、ＲＦ電力密度は、約０ワット／ｃｍ２〜約１．２ワット／ｃｍ２で制御することができる。ＲＦ電力の第２のより高い設定点Ｒ２は、約４キロワット〜約７キロワット、たとえば約６．６キロワットなど、約２キロワット〜約８キロワットで制御される。電力単位を電力密度で表す場合、ＲＦ電力密度は、約０．９２ワット／ｃｍ２〜約１．６１ワット／ｃｍ２、たとえば約１．５２ワット／ｃｍ２など、約０．４６ワット／ｃｍ２〜約２ワット／ｃｍ２で制御することができる。シラン流５０２を制御するために利用される方法と同様に、加工チャンバに印加されるＲＦ電力は、上記で論じたように、ＲＦ電力の第２の設定点Ｒ２に到達するまで、直線、放物線状、逆放物線状、または曲線、または任意の他の適切なプロファイルで漸進的に増加させることができる。
【００４９】
一実施形態では、ステップ４０４の全体的なプロセス時間５０６は、所望の厚さ範囲でシード層１１６を堆積させるように制御される。一実施形態では、シード層１１６の厚さは、約５０Å〜約５００Åで制御される。さらに、ＲＦ電力およびシランガス流を所望の標的値Ｒ２、Ｆ２に増加されるための全体的なプロセス時間５０６は、同様の時間枠で制御される。たとえば、ＲＦ増加時間（Ｔ１＋Ｔ６）の全体的な時間の長さは、シラン増加時間（Ｔ０＋Ｔ２）の全体的な時間の長さと同様になるように制御される。所定の第１の期間５０６中、ＲＦ増加時間（Ｔ１＋Ｔ６）およびシラン増加時間（Ｔ０＋Ｔ２）に対する全体的な期間は、約２０秒〜約３００秒になるように制御される。言い換えれば、第１の期間５０６の終端へ向けて、ガス混合物内のＲＦ電力およびシラン流は、加工チャンバ内で所望の第２の設定点Ｒ２およびＦ２に近接するように印加および供給され、したがってＲＦ電力およびシラン流を安定した状態で維持しながら、次のプロセスステップおよびプロセス期間内へ入ることができる。
【００５０】
ステップ４０４中には、堆積プロセス中にいくつかのプロセスパラメータを制御することができる。ＲＦ電力は、約３５０ｋＨｚまたは約１３．５６ＭＨｚなど、約１００ｋＨｚ〜約１００ＭＨｚの周波数で加工チャンバに提供することができる。別法として、ＶＨＦ電力を利用して、最高約２７ＭＨｚ〜約２００ＭＨｚの周波数を提供することもできる。基板とガス分布板アセンブリの間隔は、基板寸法に従って制御することができる。一実施形態では、１平方メートルより大きい基板に対する間隔は、たとえば約４００ミル〜約８５０ミル、５５０ミルなど、約４００ミル〜約１２００ミルで制御される。プロセス圧力は、約３トル〜約１０トル、たとえば約９トルなど、約１トル〜約１２トルで制御することができる。基板温度は、約摂氏１００度〜約摂氏２５０度、たとえば約摂氏２００度など、約摂氏５０度〜約摂氏３００度で制御することができる。
【００５１】
ステップ４０６で、加工チャンバへ供給されるＲＦ電力５０４およびシラン流５０２が所定の設定点Ｒ２、Ｆ２に到達した後、ガス混合物およびＲＦ電力を加工チャンバ内へ供給および印加する方法は、第２のモードを使用してシード層１１６を覆ってバルク真性型の微結晶シリコン層１１８を堆積させるように変更される。ＲＦ電力およびガス混合物を加工チャンバ内へ連続して供給する代わりに、ＲＦ電力およびガス混合物は、第２のプロセス期間５０８においてステップ４０６でパルシングされる。図５に示す例示的な実施形態では、第１のプロセス期間５０６後に設定点Ｒ２、Ｆ２に到達すると、ＲＦ電力５０４およびシランガス流５０２の供給は、第２のプロセス期間５０８内に規定された異なる期間にわたってＲＦ電力およびシランガス流を加工チャンバ内へパルシングするように変えられる。第２のプロセス期間５０８の長さは、所望の厚さの真性型の微結晶シリコン層１１８を堆積させるように制御することができる。たとえば、全体的な第２のプロセス期間５０８は、約１００００Å〜約３００００Åの厚さを有する真性型の微結晶シリコン層１１８を形成するように、約６００秒〜約１８００秒など、約３００秒〜約３６００秒で制御することができる。
【００５２】
一実施形態では、第２のプロセス期間５０８内へ入ると、ＲＦ電力およびガス流量は、ステップ４０４の設定点Ｒ２、Ｆ２とほぼ同じレベルで維持することができる。シラン流５０２を所定の期間Ｔ３にわたって流量Ｆ２で供給した後、シラン流５０２をパルシングし、別の所定の期間Ｔ５にわたって第３の流量Ｆ３へ下げることができる。一実施形態では、流量Ｆ３は、約０ｓｃｃｍ／Ｌ〜約１．４２ｓｃｃｍ／Ｌで制御される。流量Ｆ３がゼロで制御される実施形態では、シランガス流５０２は実質上止められる。続いて、シラン流５０２は、所定のプロセス期間５０８に到達するまで、「オン−オフ」パルスモードで維持することができる。
【００５３】
シラン流を供給する構成と同様に、プロセスが第２のプロセス期間５０８内へ入った後、プラズマを着火するために印加されるＲＦ電力をパルスモードに設定し、第２のプロセス期間５０８中に異なる時間範囲にわたってＲＦ電力を断続的に印加することができる。図５に示すように、ＲＦ電力５０４を所定の期間Ｔ３にわたって設定点Ｒ２で印加した後、ＲＦ電力５０４を別の所定の期間Ｔ４にわたって異なる電力範囲Ｒ３でパルシングおよび印加することができる。続いて、ＲＦ電力５０４は、所定のプロセス期間５０８が切れるまで、パルスモードを維持し、加工チャンバ内へ断続的に印加することができる。一実施形態では、ＲＦ電力５０４は、第１の期間Ｔ３にわたって第１の電力から供給し、第２の期間Ｔ４にわたってパルシングする／第２の電力へ下げることができる。一実施形態では、ＲＦ電力５０４は、第１の範囲Ｒ２から約４キロワット〜約７キロワット、たとえば約６．６キロワットで供給し、第２の範囲Ｒ３まで約０キロワット〜約２キロワット、たとえば約１キロワットへ下げることができる。
【００５４】
一実施形態では、ＲＦ電力範囲およびガス流量は、加工チャンバの所望の加工条件を維持するために、同期して遅らせてパルシングすることができ、または交互にパルシングすることができる。ＲＦ電力を印加してガス混合物内にプラズマを生じさせるパルスモードを利用すると、加工中にアークが発生する可能性を低減できると考えられる。パルスＲＦ電力モードはまた、加工中に基板の過熱を防止することができる。基板の過熱は、膜品質および電気特性を低くするという悪影響を与えることがある。さらに、パルスＲＦ電力モードは、より低い範囲で平均電力を維持しながら、加工中により高い電圧およびピーク電力に対する選択肢を与えることができ、それによって、基板表面に対して過度に大きなイオン衝撃を引き起こすことなく、堆積速度を効率的に改善することができる。従来の慣行では、速い堆積速度は、ガス混合物の流量が大きく、ＲＦ電力範囲が高く、かつ水素ガスとシランガスの比が大きい状態のみで得られると考えられる。しかし、ガス混合物の流量が大きく、水素ガスとシランガスの比が大きい結果、ガス消費が大きく、製造コストが高くなり、またＲＦ電力が高いことで、基板が損傷する可能性を増大させることがある。ここでは、驚くべきことに、加工チャンバに供給されるＲＦ電力およびガス混合物のパルスモードを変調することによって、従来の連続するＲＦ電源を使用する場合と比較すると、同様の所望の速い堆積速度を維持しながら、加工チャンバに供給する必要があるＲＦ電力が加工中に約２０パーセント〜約５０パーセント低減されることがわかった。さらに、シランガス流量の消費はまた、約３０〜４０パーセント節約することができる。水素とシランの比を低くして、所望の速い堆積速度および高い膜結晶を維持しながら、ガス消費を約１５パーセント〜２０パーセント節約することもできる。したがって、ガス流量の所望の量ならびにＲＦ電力およびガス混合物のパルスモードを効率的に制御することによって、過度に大きなイオン衝撃、不安定な電子温度、プラズマ過熱を実質上低減および／または解消することができ、それによって、高い膜結晶分率および結晶の均一性をもつ真性の微結晶シリコン層１１８の形成を助けるという点で有益なプラズマ環境を提供することができる。一実施形態では、ステップ４０６で制御されるプロセスの堆積速度は、約８００Å／分〜約１２００Å／分、たとえば約１０００Å／分など、約７００Å／分〜約１５００Å／分とすることができる。
【００５５】
一実施形態では、図５に示す例示的な実施形態のように、シラン流５０２およびＲＦ電力５０４は、第１の期間Ｔ３に対するステップ４０６の初めで、加工プロセスに同時に印加することができる。一実施形態では、第１の期間Ｔ３は、約２０秒〜約１２０秒、たとえば約９０秒など、約１０秒〜約１５０秒とすることができる。続いて、シラン流５０２およびＲＦ電力５０４は、第２の期間Ｔ４およびＴ５にわたって実質上止めることができ、または第２の範囲Ｆ３、Ｒ３に下げることができる。一実施形態では、第２の期間Ｔ４およびＴ５は、約５秒〜約３０秒、たとえば約１０秒など、約０．１秒〜約６０秒である。Ｔ４およびＴ５の期間は、必要に応じて同じであっても異なってもよいことに留意されたい。したがって、シランガス流およびＲＦ電力は、約１０秒〜約１５０秒（たとえば、Ｔ３の期間）にわたって、０．１秒〜約６０秒（たとえば、Ｔ４およびＴ５の期間）ごとにパルシングすることができる。各パルス（たとえば、Ｔ４およびＴ５の期間）間は、加工チャンバ内へ水素ガスまたはＡｒもしくはＨｅなどの他のパージガスを供給して、加工チャンバ内の圧力を維持することができる。
【００５６】
一実施形態では、ステップ４０６で堆積中、水素ガスの流量は、ステップ４０４で供給される流量と実質上同じに維持することができる。別の実施形態では、水素の流量は、ステップ４０６で約８０ｓｃｃｍ／Ｌ〜約４００ｓｃｃｍ／Ｌとすることができる。さらに別の実施形態では、水素の流量は、第２の加工期間中にＲＦ電力およびシラン流を供給するために使用される方法と同様のパルスモードで供給することができる。一実施形態では、水素ガスおよびシランガスの流量は、加工チャンバ内へ約０．１秒〜約６０秒ごとに同期してパルシングされる。
【００５７】
一実施形態では、ＨｅおよびＡｒなどの不活性ガスまたはキャリアガスを、必要に応じて加工チャンバへ供給することもできる。さらに、結果として得られる真性型の微結晶シリコン層内に１つまたは複数のドーパントを形成することが望ましい場合、必要に応じて、ＣＯ２、Ｏ２、Ｎ２Ｏ、ＮＯ２、ＣＨ４、ＣＯ、Ｈ２、Ｇｅを含有する前駆体、Ｎ２などの１つまたは複数のドーパントガスを提供して、シリコン合金の微結晶シリコン層を形成する。
【００５８】
一実施形態では、ＲＦ電力およびシランガス流が加工チャンバ内へパルシングされる周期は、全体的な第２の加工期間５０８に到達するまで、必要に応じて何回でも繰り返すことができる。一実施形態では、ＲＦ電力およびシランガス流が加工チャンバ内へパルシングされる周期は、約３回〜約８回、たとえば約５回など、約１回〜約２０回繰り返すことができる。別法として、ＲＦ電力およびシランガス流が加工チャンバ内へパルシングされる周期は、真性型の微結晶シリコン層１１８に所望の厚さに到達するまで、必要に応じて何回でも繰り返すことができる。一実施形態では、真性型の微結晶シリコン層１１８は、約１００００Å〜約３００００Å、たとえば約２００００Åなど、約５０００Å〜約５００００Åの厚さを有する。
【００５９】
パルスモードで加工チャンバ内へ供給されるガス混合物の流量およびＲＦ電力を効率的に制御することによって、所望のプロセス条件を得ることができる。さらに、ガス混合物の流量／比、ＲＦ電力範囲、ならびに第１の加工時間５０６および第２の加工時間５０８中の供給モードを効率的に調整することによって、高い結晶分率および膜結晶の均一性などの所望の膜特性で、基板全体にわたって堆積させることができる。上記で論じたように、シランの流量がステップ４０４の初期段階で比較的低いガス流量で制御されるため、バルク真性型の微結晶シリコン層１１８と比較すると、真性型の微結晶シリコンシード層１１６内で高い膜結晶分率を得ることができる。最初に真性型の微結晶シリコンシード層１１６内の膜結晶分率が高いことで、次にその上に堆積されるバルク真性型の微結晶シリコン層が良好な結晶分率を維持するのを助けることができる。ステップ４０４の堆積が基板表面上に良好な核形成表面を提供するため、ステップ４０６で続いて堆積される材料は、シード層１１６内に画定された結晶面に従うことができ、それによって次の層は、良好な結晶分率および均一性でその上に成長することができる。一実施形態では、その結果得られる真性型の微結晶シリコン層は、６０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結晶の均一性が改善するため、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。
【００６０】
図６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、複数のプロセスチャンバ６３１〜６３７を有するプロセスシステム６００の一実施形態の概略上面図である。プロセスシステム６００は、ロードロックチャンバ６１０およびプロセスチャンバ６３１〜６３７に結合された搬送チャンバ６２０を含む。ロードロックチャンバ６１０により、システムの外側の周囲環境と搬送チャンバ６２０およびプロセスチャンバ６３１〜６３７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６１０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な領域を含む。排気可能な領域は、システム８００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６００から基板を取り出すのを容易にするように排気される。搬送チャンバ６２０内には、ロードロックチャンバ８１０とプロセスチャンバ６３１〜６３７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６２２が配置される。図６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。
【００６１】
本発明の特定の実施形態では、システム６００は、図１に示すものなど、多重接合型の太陽電池セルの第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６３１〜６３７のうちの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、残りのプロセスチャンバ６３１〜６３７はそれぞれ、真性型層（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接合の真性型層（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、基板はロードロックチャンバ６１０を通ってシステムに入り、次いで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、真性型層（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うちの１つ内へ搬送される。真性型層（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６２２によって再びロードロックチャンバ６１０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、単一のチャンバ内で真性型層（複数可）およびｎ型層（複数可）を形成する時間より、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。
【００６２】
本発明の特定の実施形態では、システム６００は、図１に示すものなど、多重接合型の太陽電池セルの第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６３１〜６３７のうちの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、残りのプロセスチャンバ６３１〜６３７はそれぞれ、真性型層（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接合の真性型層（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、単一のチャンバ内で真性型層（複数可）およびｎ型層（複数可）を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接合を堆積させるための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。
【００６３】
本発明の特定の実施形態では、システム６００は、図１に示すＷＳＲ層１１２を堆積させるように構成される。ＷＳＲ層１１２は、第１のｐ−ｉ−ｎ接合と第２のｐ−ｉ−ｎ接合の間、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６３１〜６３７のうちの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６３１〜６３７のうちの別の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、残りのプロセスチャンバ６３１〜６３７はそれぞれ、真性型層（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たチャンバの数は、ｐ型層（複数可）を堆積させるように構成されたチャンバの数と同様にすることができる。さらに、ＷＳＲ層は、真性型層（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。
【００６４】
特定の実施形態では、真性型の微結晶シリコン層（複数可）と真性型の非晶質シリコン層（複数可）の厚さの差のため、真性型の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６００の処理量は、真性型の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６００の処理量より２倍大きい。したがって、真性型の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６００は、真性型の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６００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、効率的に処理量を制御するため、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するように構成することができる。１つのシステム内で第１のｐ−ｉ−ｎ接合が形成された後、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接合の間には、基板の湿式または乾式の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。
【００６５】
したがって、太陽電池セルデバイス内で真性型の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、第１の堆積モードと、ＲＦ電力およびガス混合物をパルシングする第２の堆積モードとを提供する複数ステップの堆積プロセスを利用する。この方法は、高い結晶分率、結晶の均一性、および光電変換効率を有する真性型の微結晶シリコン層、ならびにＰＶ太陽電池セルのデバイス性能をもたらすと有利である。
【００６６】
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。
【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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【図６】
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【国際調査報告】
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