用于形成硅外延层的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于形成高品质的硅外延层的新工艺，该硅外延层具有的晶粒尺寸大 于或等于1〇〇ym。
【背景技术】
[0002] 光伏市场正经历强劲增长和应用的多样化。这种持续的增长使得必须能够降低主 要用硅生产的太阳能电池的生产成本。传统工艺在于，将大约200ym厚的硅晶圆用作太阳 能电池的基础支撑件。
[0003] 光伏电池的制造成本的减少包括在生产所述电池的过程中减少硅的消耗。要做到 该点，一个解决方案在于，在被称为衬底的机械支撑件上，沉积厚度为数十微米的薄硅层。
[0004] 出于对光伏电池生产这样的薄硅层的目的，已经进行了大量研宄。由于经济原因， 故这些层应该理想地以工业上可接受的沉积速率沉积于廉价衬底上，由于该工艺的生产率 的原因，该沉积速率通常要大于1yrn?min'薄硅层也应当在化学上是纯的，且具有的晶 体结构特征在于具有尺寸大于100ym、优选大于1mm的颗粒。
[0005] 衬底的性质的选择以及所沉积的硅层的晶体结构特点，取决于进行沉积时的温 度。
[0006] 因此，当例如通过PVD(物理气相沉积）或CVD(化学气相沉积）在低温下进行沉 积时，可以使用玻璃或者聚合物类型的廉价衬底。然而，这些层是以约lnmmirT1的沉积速 率来获取，所沉积的硅在性质上是非晶的或者微晶的，且具有的颗粒尺寸为lnm到100nm。 对于这种类型的薄层，获得低能量转换产率，通常最大是约10%。
[0007] 在较高的温度（>700°C)下，例如通过CVD，可以以约每分钟数微米的沉积速率获 得1ym和10ym之间的颗粒尺寸的多晶硅层。然而这些沉积技术需要使用适合高温的衬 底。所述衬底必须具有良好的耐热冲击性和充分接近硅的热膨胀系数，以便避免在冷却过 程中在硅层中产生的热机械应力。因此，这些条件将衬底的选择减少到具有高熔点的陶瓷 类型的材料（多铝红柱石、二氧化硅、氧化铝等），其成本通常很高。此外，通过衬底的杂质 对沉积层的扩散，这些衬底的使用会引起沉积层纯度的降低。
[0008] 为了获得可获得较高的能量转换产率的粗粒料（尺寸大于100ym，优选为1mm)， 已经提出实施基于使用大颗粒的晶体硅衬底的外延技术。例如，被称为"外延晶片等价 物"（EPiWE，EpitaxialWafer-Equivalent) [1]的技术是基于使用源于微电子废料或者理 想地源于高纯冶金级娃（UMG-Si，upgradedmetallurgicalgradeSi)的"低成本"强掺杂 的硅衬底。
[0009] 已经提出各种沉积技术用于生产具有厚度在5ym和30ym之间的娃外延层[2]， 且生长速率大于1ym?mirf1。
[0010] -方面，液相外延（LPE，liquidphaseepitaxy)技术使用由娃和金属溶剂的混合 物组成的液浴，通过混合物的过度饱和，液浴的冷却可以沉积硅。
[0011] 另一方面，气相沉积技术（CVD或化学气相沉积）通过硅基前体（通常是SiH4或者 SiHCl3)的热分解可以获得硅层。对于1000°C到1200°C的衬底温度，可以获得数ymmirT1 的生长速率[2]。遗憾的是，为了获得高质量的层，这些技术通常需要使用高纯硅的衬底，该 高纯硅通常掺硼或者掺磷（P型或者n型掺杂的微晶硅（CZ))。事实上，当使用较便宜的衬 底（例如，UMG-Si预纯化的冶金级硅）时，发生由衬底的杂质所形成的层的污染。然后必 须进行阻挡层（例如SiC)的沉积，从而增加工艺的复杂性和成本[3]。此外，由于难以局部 化用于产生沉积物的气流，这些气相沉积工艺通常表现出低的材料效率。因此这些沉积不 仅发生在衬底上，而且也发生在反应器的整个表面上。
[0012] 仍然在气相沉积领域中，还已经提出热等离子体化学气相沉积（TP-CVD，thermal plasmachemicalvapordeposition)的另一技术。通过TP-CVD，可以在约 250mbar的较 高工作压力下生产层，这使得可以实现所需的大约数ymmirT1的沉积速率。例如，该技术 已经被用于生产金刚石碳、ZnO、SiC和Si3N4的沉积物[4]。在低压配置和低温下，使用电 弧等离子体，TP-CVD技术也被提出用于非晶硅层或微晶硅层的沉积[5]。然而，通过该工艺 获得的层不具有期望的晶粒尺寸。同样，TP-CVD工艺引起由等离子体从在整个沉积室中的 前体所解离出的物质的扩散，这对整个工艺的材料产率是不利的。
[0013] 因此，当前可用的技术不能容易地在便宜的基础衬底上获得具有高的晶粒尺寸的 薄硅外延层，该薄硅外延层还具有大于1ym?mirT1的沉积速率和良好的材料产率。
【发明内容】
[0014] 本发明的确切目的是提供满足上述需求的方法。
[0015] 因此，本发明涉及用于通过气相外延生长在至少一个硅衬底的表面处形成晶粒尺 寸大于或者等于100ym的晶体硅层的方法，至少包括如下步骤：
[0016] (i)提供颗粒尺寸大于或者等于100ym的娃衬底，该娃衬底包括按重量计lOppb 到lppm的金属杂质含量；以及
[0017] (ii)通过感应等离子体焰炬分解至少一种硅前体，在1000°C和1300°C之间的温 度下的所述衬底的表面处形成所述硅层，
[0018] 在步骤（ii)中，所述衬底的用于支撑硅层的表面被定位成接近等离子体焰炬的 出口。
[0019] 具体而言，通过在距等离子体焰炬的出口小于或者等于10cm的距离（d)处保持所 述衬底的待涂覆的表面，进行硅层的沉积。
[0020] 出于本发明的目的，"等离子体焰炬的出口"被认为是等离子体装置或涂抹器的下 基底，换句话说，通常圆柱形管的下基底，圆柱形管中，等离子体被处理。
[0021] 出乎意料地，发明人已经发现，通过将待涂覆的衬底定位在等离子体焰炬下游附 近，可以获得高晶体尺寸和极佳结晶质量的硅外延层，其特别适用于应用在光伏电池中。该 方法是更加令人惊讶的，这是由于已知通过焰炬的供热（通过对流传递和/或电磁耦合） 在衬底内生成温度梯度。当其发生在根据该工艺所用的温度（大于l〇〇〇°C)下时，由于硅 具有塑性特征，温度梯度能够产生位错密度的倍增。因此，可以预期，将衬底放置在焰炬的 出口的附近会导致材料性质的降低。令人惊讶地，发明人已经注意到，通过本发明的方法所 形成的层具有极佳的结晶质量，特别具有的位错密度为小于l〇5/cm2,且可达到lOVcm2。
[0022] 本发明的工艺在多个方面中证明是有利的。
[0023] 首先，可以获得从尺寸大于或等于100ym、特别地大于或等于500ym且更优选大 于或等于1mm的晶粒所形成的晶体硅层。有利地，当这样的晶体结构用于光伏电池时，其确 保高的能量转换产率。
[0024] 此外，有利地，本发明的工艺可以不必使用昂贵的硅衬底。事实上，可以使用便宜 的娃（高纯冶金级娃（UMG-Si))制成的衬底。例如，这样的娃衬底来源于通过定向性凝固 产生的硅铸块。因此，本发明的工艺中所用的硅衬底可以包括一定含量的金属杂质（例如 Fe，Cr，A1等），该金属杂质按重量计其含量达lppm。
[0025] 作为用于光伏应用的衬底，尽管UMG-Si类型的衬底通过定向性凝固进行预纯化， 然而从金属杂质扩散进入所形成的层的问题的角度来看，UMG-Si类型的衬底的使用决不是 显而易见的。出乎预料地，发明人已经发现，源于通过定向性凝固纯化的硅铸块的"低成本" 硅衬底的使用以及按重量计在lOppb到lppm之间的总金属杂质浓度，不产生由衬底的杂质 带来的外延层的污染，有利地，这可以免除扩散-阻挡层的沉积。
[0026] 同样，由于来自冶金工业的"低成本"硅衬底通常是强掺杂的，特别是强掺杂有按 重量计至少lOppm的硼和lOppm的磷，故它们可以有利地充当用于由这样的衬底制成的光 伏电池的后电极，且因此具有除了它们的机械支撑功能之外的电气功能。
[0027] 此外，根据本发明的工艺的热等离子体沉积有利地可以实现高的硅外延层生长速 率，同时增加材料效率。来自等离子体焰炬的等离子体流导致相当大的能量供应，这会减少 用于实现生产