用于增加可用平面表面积的半导体晶片处理方法

专利名称：用于增加可用平面表面积的半导体晶片处理方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体处理方法，具体地说，本发明涉及用于 处理半导体晶片以增加可用平面表面积的方法、用于制造太阳能电池 的方法以及用于降低半导体表面的反射率的方法
背景技术：
在半导体处理方法的大多数领域，与最终、被处理晶片的价值 相比，起始村底晶片的成本低。然而，并非总是如此。例如，光电太 阳能电池行业对于成本极敏感，而且起始硅晶片的成本通常接近处理 的晶片价值的一半。因此，在该行业，尽可能有效使用硅衬底极端重 要。这些衬底是通过从直径通常为6英寸(约15 cm)的结晶硅圆柱 形毛坯上切割薄切片生产的。可以切割的最薄切片是由硅的机械性能 决定的，对于目前这一代的6英寸晶片，最薄切片通常为300-400 iam，但是计划下一代晶片的最薄切片为200 iam。然而，切割6英寸 晶片的切口损失约为250 nm，这意味着，许多毛坯最后变成粉末。 因此，需要一种对于给定单位体积的半导体，增加半导体的可用表面 积，或者至少是当前半导体处理方法的一种有效替换方法的方法。

发明内容
根据本发明的目的第一实施例，提供了一种用于增加具有大致 平坦表面而且其厚度方向与所述大致平坦表面成直角的半导体晶片的
可用表面积的方法，所述方法包括步骤选择带厚度，以将晶片分割 为多个带；选择一种用于与所述大致平坦表面成某个角度，将晶片切 割为所述带的技术，其中带厚度与通过进行切割所切掉的晶片的宽度 之和小于晶片的厚度；利用选择的技术，将晶片切割为带；以及将所 述带互相分离。
在第二实施例中，本发明提供了一种用于处理具有大致平坦表 面的半导体晶片，以增加所述晶片的可用平坦表面积的方法，该方法 包括步骤
至少部分通过所述晶片，产生多个平行细长沟槽，使得所述沟
槽宽度与所述沟槽之间的宽度之和小于所述晶片的厚度，以产生一 系 列半导体带；
将所述带互相分离；以及
确定所述带的方向，以露出其事先与所述大致平坦表面成一角 度的表面，从而形成新平坦表面。
显然，事先与晶片表面成某个角度的带的表面就是通过切割该 晶片并将各带互相分离而露出的带表面。
半导体晶片通常是单晶硅或多晶硅。然而，半导体晶片可以是
能够被制造成薄、大致平坦晶片的其他半导体晶片。
在第三实施例中，本发明提供了一种用于生产硅太阳能电池的 方法，所述方法包括步骤
在硅衬底上成型多个平行沟槽，所述沟槽至少部分通过所述衬 底延伸以产生一系列硅带；
将所述带互相分离；以及
利用所述带制造太阳能电池。
可以在将各带分离之前或之后或者作为分离过程的一部分，成 型太阳能电池。
在本发明第一至第三实施例的方法中，带可以与半导体晶片或 衬底成任何角度，例如与晶片或衬底成5°或90°角。通常，带与晶片 或衬底所成的角度通常至少为30°、更通常至少为45°、又更通常至 少为60°,甚更通常为90°。
因此，在本发明第一实施例方法的优选形式中，提供了一种用 于处理半导体晶片以增加可用平坦表面积的方法，该方法包括步骤 选择带厚度，以将晶片分割为一系列通常垂直于晶片表面的薄带；选 择一种用于将晶片切割为所述薄带的技术，其中带厚度与通过进行切 割所切掉的晶片的宽度之和小于晶片的厚度；以及将晶片切割为所述 薄带。
在本发明第二实施例方法的优选形式中，提供了一种用于处理 半导体晶片以增加可用平坦表面积的方法，该方法包括步骤
通过或者几乎通过所述晶片，产生多个平行细长沟槽，使得所 述沟槽宽度与所述沟槽之间的宽度之和小于所述沟槽的深度，以产生 一系列半导体带；
将所述带互相分离；以及
确定所述带的方向，以露出其事先与原始晶片表面成直角的表 面，从而形成新平坦表面。
在本发明第 一至第三实施例方法的一种形式中，利用激光在晶 片上成型沟槽。留下晶片外围周围的区域不进行切割，以形成边框， 因此所获得的所有带保持在该边框内。这样就可以在成型沟槽之后处 理晶片，同时对各带做进一步处理。可以在进一步处理过程中的任何 方便阶段，将带与边框分离。
在本发明第 一至第三实施例方法的另 一种形式中，利用切割锯 在晶片上成型沟槽。留下晶片外围周围的区域不进行切割，以形成边 框，因此所获得的所有带保持在该边框内。这样就可以在成型沟槽之 后处理晶片，同时对各带做进一步处理。可以在进一步处理过程中的 任何方便阶段，将带与边框分离。
在本发明第一至第三实施例方法的又一种形式中，利用湿式各 向异性蚀刻的(110)取向晶片成型所述沟槽。留下晶片外围周围的 区域不进行蚀刻，以形成边框，因此所获得的所有带保持在该边框 内。这样就可以在成型沟槽之后处理晶片，同时对各带做进一步处
理。可以在进一步处理过程中的任何方便阶段，将带与边框分离。
在本发明第一至第三实施例方法的又一种形式中，可以利用光 电化学蚀刻法通过半导体晶片产生一系列对准的穿孔，然后，可以利
从而通过晶片形成窄沟槽。
在本发明第一至第三实施例方法的又一种形式中，在所述半导 体晶片之上或之内至少成型一个互连部分，该互连部分将各相邻带互 相连接在一起，以使各带之间保持较恒定的间隙。通常，在本发明方 法的该形式中，存在多个互连带。便于沿带的长度方向以规则间隔开 各互连带。包括这种互连部分使得可以以可靠、可重复方式执行诸如 扩散和氧化的处理步骤，因此可以预测沟槽各侧下面的扩散轮廓和氧 化厚度。互连部分适于取至少部分通过一个或者两个主表面成型的、 半导体材料的一个或者多个带的形式，它垂直于或者倾斜于，而且通
常大致垂直于多个沟槽确定的带。
在此描述的方法同样适用于整个半导体晶片或者晶片的各部 分。因此，本说明书中使用的单词晶片是指整个晶片或其各部分。
在本发明第二和第三实施例的方法中，通常，通过晶片的全部 厚度成型沟槽，但是不必如此。如果通过晶片厚度成型沟槽，则可以 利用一个步骤或者一个以上步骤成型它们。例如，可以部分通过晶片 成型多个沟槽，可以选择进行进一步处理，例如对这样成型的各带表 面进行掺杂，然后，通过切割或者蚀刻晶片的剩余厚度，完成多个沟 槽。因此，通常，在通过晶片的整个厚度完成成型沟槽时，执行将各 带互相分离的步骤。作为一种选择，如上所述，如果留下晶片外围周 围的边框不进行切割，则在从边框切下各带时，执行将各带互相分离 的步骤。作为另一种可能性，如上所述，在利用互连部分连接各相邻 带时，在互连部分被去除或者发生断裂时，执行将各带互相分离的步 骤。作为又一种可能性(尽管不是优选的)，如果仅部分通过晶片成 型各带之间的沟槽，而该沟槽底部的剩余晶片部分非常薄，则通过断 开各带，使各带互相分离。
最好在带被支持在边框内时，执行将带处理为太阳能电池的大 多数处理过程，边框由围绕晶片外围的未切割区域构成。进行处理之 后，从边框上切下各带，然后，并排、平坦放置它们。最好利用激光 或切割锯，将各带与边框分离。
有利的是，利用包括根据本发明方法的处理过程制造的太阳能 电池可以在相邻电池之间具有间隙情况下排列，而且可以与集光器一 起使用以增加太阳能电池的有效面积。
有利的是，所述太阳能电池可以与反光镜一起使用，以通过照 射每个太阳能电池带的两面，使用所制造的电池。
在本发明方法的某些形式中，例如，在利用化学蚀刻法成型该 各带分离的沟槽时，新露出的半导体材料表面是抛光面。该表面通常 是反射面，而且，显然，对于太阳能电池，反射面是不希望的。尽管 一些技术可以用于紋理化抛光的半导体表面，但是它们不适于与本发 明的第一至第三实施例的方法很好地结合在一起使用。因此，需要一 种用于降低半导体表面反射率的方法。
本发明的另 一 个方面是提供这样一种方法。
因此，根据本发明的第四实施例，提供了一种用于降低半导体
材料的反射率的方法，该方法包括
在所述表面上施加一层保护物质，其中所述层具有通过其的多
个孔；
使所述层和所述半导体材料接触蚀刻剂，该蚀刻剂蚀刻所述半 导体材料的速度比蚀刻所述保护物质的速度快，在所述孔周围的所述 蚀刻剂蚀刻所述半导体材料，但是基本上不蚀刻所述保护物质的条件 下，所述蚀刻剂至少通过所述孔与所述半导体材料接触一段时间。
在该实施例的方法中，"基本上不蚀刻"意味着，蚀刻在这样的 条件下进行，即蚀刻保护物质上的所述孔周围的半导体材料，但是在 蚀刻结束时，有足够的保护物质保留在半导体材料的表面上，从而防 止孔周围之外的半导体材料被蚀刻。
在第四实施例的方法中，半导体材料通常是硅，而保护物质是
氮化硅。蚀刻剂是氢氟酸和硝酸的混合物，例如按体积计算1:50混 合，按重量计算49%的HF溶液和70%的硝酸溶液混合液。在半导 体材料是硅时，它可以是单晶硅、微晶硅、多晶硅。
第四实施例的方法通常进一步包括，在蚀刻步骤之后，有效去 除表面上的保护物质以在表面上产生多个蚀刻坑的步骤。通过施加其
去除保护物质。例如，在半导体材料是硅而且保护物质是氮化硅:,、 利用活性离子蚀刻法或者通过在高温下，通常约为180°C,接触磷 酸，可以去除保护物质。
保护物质层通常只有几层原子厚，而且利用诸如化学汽相沉积 法或低压化学汽相沉积法的已知方法，可以成型该保护物质层。施加
保护物质的其他可能技术包括喷射热解、蒸发以及溅射。因此，保 护物质层通常约为2 nm厚，而且在利用低压化学汽相沉积方法成型 为该厚度时，该保护物质层是不完全层，即，它含有许多孔，通过这 些孔，可以蚀刻保护层下面的半导体材料。在半导体材料是硅而保护 物质层是约2 nm厚的氮化硅层时，则如上所述，通过在正常室温 下，接触1:50 (v/v) HF/硝酸混合液几分钟时间，通常为2-3分 钟，可以实现蚀刻半导体的步骤。


以下将参考附图，仅作为例子说明本发明的实施例，以下是附 图的筒要说明
图1是示出根据本发明优选实施例成型沟槽后的硅晶片的俯视 图(图1 (a))和剖视图(图1 (b))的示意图2中的图2 (a)示出根据本发明的另一个实施例成型大孔的 硅晶片的俯视图和剖视图；图2 (b)示出通过将各大孔连接在一起 成型槽后，图2 (a)所示硅晶片的俯视图3是示出根据优选实施例成型沟槽和互连带后，硅晶片的俯 视图(图3 (a))和剖视图(图3 (b))的示意图4是示出根据优选实施例成型浅槽后，硅晶片的顶视图(图4 (a))和剖视图(图4 (b))的示意图5是示出根据优选实施例在在图4所示晶片上成型沟槽获得 的结构的俯视图的示意图6中的图6 (a)是在其上已经成型多个浅槽的硅晶片的示意 剖视图，图6 (b)是垂直于图6 (a)所示剖视图的、进行蚀刻之后 的同一个结构的示意剖视图7是图6 (b)所示结构的俯视图8中的图8 (a)和8 (b)是在在晶片上成型沟槽前、后 (110)取向的硅晶片的示意剖视图，图8 (c)是图8 (b)示出的剖 视图所示结构的示意俯视图9是示出根据优选实施例，利用激光将硅带与其边框分离的 方法的示意图10是示出根据本发明制备的并被制成太阳能电池的硅带的剖 视图的示意图11是示出根据本发明制备的并被制成另一种太阳能电池的带 的剖视图的示意图12中的图12 (a) 、 12 (b)和12 (c)是示出根据优选实施 例成型硅带期间，硅晶片的正面和背面的剖视图的系列示意图13中的图13 (a)至13 (d)是示出可以将根据本发明的方 法制备的硅带电互连在一起的各种方式的示意图14是示出安装在适当衬底上并位于集光器附近以便将太阳光 集中到其上的硅带的剖视图的示意图15是示出安装在适当衬底上并位于另一个集光器附近以便将 太阳光集中到其上的硅带的剖视图的示意图16是示出安装在适当衬底上并位于另一个集光器附近以便将 太阳光集中到其上的硅带的剖视图的示意图17是在在此所述进行表面紋理化后，硅带的示意图。
具体实施例方式
在以下对附图所做的说明中，利用类似的编号表示类似项目。 显然，附图不是按比例示出的，而且仅是示意图。例如，为了更加简 洁，附图未必示出利用所描述的方法成型在半导体材料上的所有沟 槽、带、互连部分等。
参考图l(a)，利用标准的晶体生长技术和晶片化技术成型至 少0.5 mm厚而且通常约为1 mm厚的硅晶片3。晶片3最好是单晶 体，但是也可以釆用多晶体晶片。在晶片3上成型一系列平行沟道或 沟槽2，沟槽通常为0.05 mm宽，而各沟槽之间的间距通常为0.1 mm, 形成约0.05 mm 宽的细平行硅带l。因为沟槽2不是完全延伸 到晶片3的边缘，所以未切割硅的边框5使硅带l保持在原处。边框 5在每侧通常有5 mm宽0
通过利用具有窄锯条的切割锯切割晶片，成型沟槽2。作为一种 选择，可利用激光烧蚀方法成型沟槽2。例如，可以利用以1046 nm 基本波长或倍频(523 nm)工作的Resonetics Nd:YLF Q-开关激光 器切割晶片3。还可以采用其他系统，例如，第5,773,791号美国专 利公开的喷射水引导激光切割系统。作为另一种可能方法，在本技术 领域内众所周知，可以利用诸如氢氧化钾(KOH)的湿各向异性 (anisotropic)蚀刻剂成型沟槽2。在这种情况下，必须使用取向 (110)的多晶体硅晶片。首先，在晶片3的两侧沉积或者生长诸如 二氧化硅或氮化硅的适当蚀刻掩膜。光刻法用于打开位于晶片3的一 个表面上的蚀刻掩膜上的窄硅带，各硅带通常为0.005 mm宽，间距 为0.1 mm，而且取向沿[1-l-2]方向。现在，将晶片3浸入蚀刻溶 液中。如果在室温或者室温以上进行蚀刻， 一种适当溶液是44% w/vKOH的水溶液。
可以仅在晶片3的任何一侧，或者在晶片3的两侧实现以上说 明的任何一种方法，允许使用厚晶片。例如，在使用可以烧蚀0.5 mm的硅的激光时，在l mm厚晶片的正面成型第一组沟槽。然后， 将该晶片翻面，对准第一组沟槽成型第二组沟槽。作为一种选择，利
用在样品上、下对准的激光束，同时成型这两组沟槽。
如果利用切割锯或者激光成型沟槽，则可以使多个锯条或者多 个激光束在衬底上同时切割沟槽以提高处理速度。例如，如果在
10x10 cm2的硅晶片上成型间距为0.1 mm的沟槽，贝'J需要1千个切 口。如果排列20个激光束以5 mm的间距照射样品表面，则要求每 个激光束仅进行50次切割。
在图1 (b)中示出放大的、沿A-A通过晶片3的垂直剖视 图，在该剖视图中示出带l和间隔2。
图2 (a)和2 (b)示出利用光电化学蚀刻方法在村底上成型沟 槽的另-"^种方法。Lehmann ( Journal of the Electrochemical Society, Vol. 140， No. 10,(1993) p.2836 )对光电化学蚀刻方法进行了描述。如 图2 (a)所示，采用(100)取向的n型硅晶片3。利用光刻技术或 KOH蚀刻方法，对晶片3设置凹槽26阵列。各凹槽26沿行排列， 各凹槽26之间的间隔通常为5-10微米，而各行凹槽26之间的间隔 通常为50微米。然后，将晶片3浸入适当蚀刻剂中，例如10%溶液 氢氟酸。光照65照射晶片3的背面，并对晶片3施加正偏压。在晶 片周围的溶液中设置反向电极28。在这种情况下，成型大孔27阵 列，大孔27在硅晶片3内延伸。继续进行蚀刻直到大孔27完全通过 晶片3延伸。
然后，将成型了大孔27阵列的硅晶片3浸入诸如氢氧化钾溶液 的硅蚀刻剂内。这样可以扩大大孔27。如图2(b)所示，如果继续 进行蚀刻，则大孔27连接在一起形成通过晶片3延伸的沟槽2。这 种技术可以产生宽度小于10微米的非常窄的沟槽2。
在第一至第三实施例的又一种成型方法中，通过晶片的沟槽通 过整个晶片在其大部分长度上延伸，而且沿不深的沟槽具有规则间 隔，因此某个衬底保留在槽的底部，从而形成一系列连接带。图3 (a)和3 (b)示出这种情况。图3 (a)是从晶片的下侧观看的、示 出从边框5的两个相对侧开始，在晶片3上延伸的连接带4，而且沟 槽2通过晶片3在其大部分长度上延伸。图3 (b)是通过图3(a)
中的线B-B的垂直剖视图。可以利用激光烧蚀方法制造图3 (a) 和3(b)所示的结构。在进一步处理过程中，连接带4限制了硅带1 的弯曲量，从而限制了沟槽宽度的变化。这样可以保证可靠处理带1 的侧壁，如下所述。连接带4通常为0.1 mm宽，0.05 mm高，间隔 10 mm。
在第一和第三实施例的又一种成型方法中，如图4 (a) 、 4 (b)以及5所示，利用适当技术，例如湿式化学蚀刻方法、等离子 蚀刻法或采用具有宽锯条的切割锯工具的机械磨削方法，在硅晶片3 上形成刻槽(trench) 7。以这样的方式成型刻槽7会产生一系列具 有规则间隔的连接带4。刻槽7通常为0.05 mm深，因此这样成型的 连接带4的宽度通常为0.1 mm，而且间隔开10mm。
然后，利用切割锯或KOH蚀刻法，在成型刻槽7的晶片3的 表面的对面成型沟槽2，如图5所示。沟槽2延伸通过晶片3上成型 刻槽7的区域，但是不延伸通过连接带4的区域。与上述参考图3 (a)和3 (b)说明的方法相同，连接带4限制了硅带1的弯曲量， 而且限制了位于硅带l之间的沟槽2的宽度。还可以通过首先成型几 乎整个通过晶片延伸的沟槽，然后在晶片的另一侧成型刻槽，颠倒成 型沟槽和刻槽的步骤顺序。
图6 (a) 、 6(b)和7示出根据本发明又一种成型方法。 图6 (a)示出利用适当技术，例如利用切割锯或激光在其上已 经成型一系列浅槽30的硅晶片3的剖视图。浅槽30通常为20微米 深、50孩吏米宽而且间隔开10 mm。然后，对该表面涂覆诸如二氧化 硅层或氮化硅层的适当蚀刻掩膜34。然后，如上所述，利用光刻法 或KOH蚀刻法，在晶片3上蚀刻沟槽2。在晶片3的含有浅槽30的 表面的对面上蚀刻沟槽2。浅槽30垂直于沟槽2。这样，在完成蚀刻 过程后，可以使留有连接硅带4，如图6 (b)所示，图6 (b)是垂 直于图6(a)所示剖视图、通过一个沟槽2的剖视图。连接带4限 制了硅带1的弯曲量，并从而限制了沟槽宽度的变化。图6 (b)示 出完成蚀刻之后的得到的结构的剖视图。图7是在从含有浅槽30的
晶片3的侧面观看时的得到的结构的俯视图。它示出通过蚀刻晶片3 获得的硅带1和沟槽2。连接带4 (仅示出部分)以规则间隔隔开， 连接带4限制了硅带1的弯曲量。
图8 (a)至8 (c)示出本发明第一至第三实施例的又一种成型方法。
图8 (a)示出部分(110)取向的硅晶片3的剖视图。对晶片的 两个表面涂覆蚀刻掩膜34。通常，蚀刻掩膜34由二氧化硅和氮化硅 构成，每层的厚度通常为50- 100 nm。在正面图形化蚀刻掩膜34以 产生一系列细线形开口 38，通过这一系列细线形开口 38露出硅晶片 衬底3。在背面，在沉积蚀刻掩膜34之前，成型厚度范围通常在0.5 至5微米之间的厚氧化物35。可以利用各种技术成型氧化物层35， 例如，利用热氧化方法、化学汽相沉积方法或者在玻璃上旋涂。图形 化该氧化物以产生一系列氧化物带(未示出)，该氧化物带的取向与 上表面上的蚀刻掩膜34上的开口 38成直角。
图8 (b)示出在KOH内进行蚀刻后，图8 (a)所示结构的剖 视图。沟槽2被蚀刻，从而产生一系列硅带l。通过位于上蚀刻掩膜 34上的线形开口 38,在晶片3的上表面上蚀刻沟槽2。因为位于下 蚀刻掩膜34下面的氧化物35较厚，而且因为利用KOH蚀刻溶液仅 以非常慢的速度蚀刻氧化物35，所以在蚀刻过程结束时，仍留有氧 化物35，从而在硅带1之间产生一系列连接带。连接硅带限制了硅 带1的弯曲量，并从而限制了沟槽宽度的变化。
图8(c)示出图8(b)中的剖视图所示结构、示出硅带1和沟 槽2的俯视图。蚀刻掩膜34和其下面的氧化物35以规则隔离间隔产 生连接带，该连接带限制了硅带1的弯曲量，从而限制了沟槽宽度的 变化。
成型上述结构后，可以对整个晶片进行处理以形成太阳能电 池，如下所述。在处理晶片之后，而且在将硅带与支持边框分离前， 如果存在连接带，则在需要时去除它。例如，这可以利用激光烧蚀方 法实现。如果连接硅带如此之薄，以致于在将硅带与支持边框分离时
将发生断裂，则不需要去除连接硅带。然后，利用诸如图9所示的排 列，将硅带与支持边框分离并平坦放置硅带。如图9所示，边框5支 持晶片3，并沿垂直于沟槽2的方向70移动晶片3。在晶片1的两 端，两个固定激光束8烧蚀硅，从而将它们与边框5分离。定位晶片 3下面的捕获带(catcher) 6以捕获分离的带1,并将它们向下倾斜 移动到适当衬底上。这种设备保证带1平坦放置，为进一步处理做好 准备，而处理量最少。
利用参考图IO描述的如下步骤，在硅带1上制造太阳能电池。 图10示出由在其一侧具有重硼扩散层10、在其另一侧具有重磷扩散 层9而在其另外两侧具有轻磷扩散层11的晶片，根据上述概括描述 的方法获得的带l。各侧涂覆氧化物层12。在硅带l的每端沉积金属 接点13。可以利用如下方法制造带1。
起始晶片是电阻率约为1欧姆-cm的p型晶片。在该晶片的一 侧形成重磷扩散9 (通常每方10欧姆)，然后，在另一侧形成重硼 扩散IO (通常每方20欧姆)。在该晶片的两侧生长薄氧化物(约50 nm)，之后，沉积薄LPCVD氮化硅层，从而在晶片的每一侧形成 一层。然后，在晶片上成型沟槽，如上所述。如果使用切割锯或激 光，则在室温下，在诸如20%KOH的适当溶液中蚀刻该沟槽，以清 洗带的侧壁并去除任何残余损伤。可以利用适当紋理化技术紋理化 (texture)侧壁。在暴露在掺杂物下的晶片的两侧形成约每方200 欧姆的轻磷扩散11,因此该侧壁被全部n掺杂。之后，在露出的侧 壁上生长约200 nm厚的氧化物12。接着，利用活性离子蚀刻方法或 诸如约180。C的热磷酸的其他适当氮化物蚀刻剂，除去晶片正面和背 面的的氮化物层。然后，在氢氟酸溶液中，去除氮化物下面的薄氧化 物。由于覆盖轻磷扩散的氧化物12比氮化物下面的氧化物厚得多， 所以该蚀刻方法未去除它。现在，以这样的方式在晶片的两侧沉积金 属13，以使侧壁下面沉积的金属最少。例如，这可以利用真空蒸发 方法实现。
在参考图11描述的、制造太阳能电池的另一种方法中，将磷9
和硼10分别扩散到(110)取向晶片的正面和背面，然后，如上所
述，在晶片的两个表面沉积二氧化硅层和氮化硅层。利用激光烧蚀方
法或者利用光刻法/蚀刻方法，沿1 - 1 - 2方向延伸的带在上氧化物 层和氮化物层断开。然后，将晶片放置到KOH溶液中，直到在背面 蚀刻出通常在50微米范围内的浅槽。然后，在浅槽内形成通常为每 方200欧姆的轻磷扩散11，并生长通常为150 nm厚的氧化物12。 然后，在背面的氧化物层和氮化物层上，断开与浅槽对准的带，如上 所述。将晶片重新浸入KOH溶液，直到在晶片背面蚀刻的新浅槽与 在正面蚀刻的浅槽连接在一起，从而产生整个通过晶片延伸的沟槽。 然后，生长薄氧化物12，以钝化还未被氧化物覆盖的部分侧壁。然 后，去除位于正面和背面上的氮化物层和氧化物层，并在正面和背面 沉积金属接点13。图11示出所得到的电池结构。
如下所述，仅利用一个光刻步骤，就可以实现这种电池结构。 在正面和背面沉积氧化物和氮化物后，对两面涂覆光致抗蚀剂，并利 用光刻法，在两个抗蚀剂层上形成对准的带图形。通过设置同时咏光 两个对准的掩膜(一个掩膜在晶片的上面，另一个掩膜在晶片的下 面)，这可以由一个曝光步骤实现。显影光致抗蚀剂后，将晶片浸入 HF緩沖溶液中，蚀刻氮化硅和二氧化硅，但是速度更慢。如图12 (a)示出的分别位于正面40和背面50上的氧化物层12A和12B、 氮化物层29A和29B的示意图所示(未示出光致抗蚀剂层)，在约 一半厚度的氮化物层被蚀刻时，从蚀刻溶液中取出晶片。然后，例 如，通过沉积另一层光致抗蚀剂层，防止背面50被进一步蚀刻。重 新将晶片浸入蚀刻溶液中，直到硅带上的氮化物层29A和氧化物层 12A被完全去除，如图12 (b)所示，然后，进行KOH蚀刻以在正 面40上形成浅槽。为了在背面50上对带形成掩膜，将晶片浸入热磷 酸中以去除位于部分蚀刻的刻槽内的剩余氮化物，如图12(c)所 示。将晶片浸入HF溶液中以去除残余在背面50上的带上的氧化物 12B。这样不显著影响氮化物层，因为氮化物的蚀刻速度比氧化物的 蚀刻速度慢得多。然后，可以将晶片浸入KOH溶液中，以在硅晶片
的背面50上蚀刻浅槽。如上所述，在正面硅蚀刻前沿与背面硅蚀刻 前沿接合后，成型带。
一旦对晶片进行了处理，而且已经使各带互相分离，则将带平 坦放置在适当衬底上。在采用静态集光时，在各电池之间具有间隙情 况下，或者在电池之间没有间隙情况下，将各电池串联或并联在一 起。
图13 (a)示出在各电池之间没有间隙情况下，实现串联的方 式。各电池20排列在衬底21上，使得一个电池的p极性接点32非 常接近相邻电池的n极性接点33。然后，将一个电池的p极性接点 电连接到相邻电池的n极性接点。
图13 (b)示出在各电池之间具有间隙情况下，实现串联的方 式。电池20排列在衬底21上，如图所示。成型导线线路(track) 16，以使一个电池的p极性接点32电连接到相邻电池的n极性接点 33。
图13 (c)示出在各电池之间具有间隙情况下，实现并联的方 式。电池20排列在衬底21上。成型导线线路16，以便在电池的一 端，将所有p极性接点32电连接到一起，而在电池的另一端，将所 有n极性接点33电连接到一起。
图13 (d)示出在各电池之间没有间隙情况下，实现并联的方 式。电池20排列在衬底21上。取向每个另一个电池，以使其p接点 32的顺序与n接点33的顺序相反。成型导线线路16，以便在电池的 一端，将所有p极性接点电连接到一起，而在电池的另一端，将所 有n极性接点电连接到一起。
在图13 (b)至(d)所示的排列以及许多其他可能的排列均要 求在在其上安装了电池的衬底上成型导线线路。可以在将各电池设置 在该衬底上之前或之后，成型该导线线路。如果在将各电池设置在衬 底上之前成型导线线路，则可以利用许多众所周知的技术中的任何一 种技术，例如丝网印刷、金属蒸发或溅射技术成型导线线路。 一种可 能的方法是将焊骨丝网印刷到衬底上以形成要求的导线线路。然后，
将电池设置到衬底上，并将衬底加热到使焊骨软熔，对电池产生电接 点或物理接点。如果在设置细条电池之后成型导线线路，则在成型导 线线路的同时，将电池电连接到该导线线路。可以采用任何数量的众 所周知的方法和材料，包括导电粘合剂和导电油墨。
在根据上述任何一种实施例制造并安装各电池后，将以适当形 式封装电池供使用。
因为每条带就是一个单独的电池，所以利用集光器，这样可以 提高每个电池的有效面积。为了提高每个电池吸收的光量，不互相相 邻设置各电池，而是互相隔开特定距离设置各电池。该间隔在每个电
池宽度的0倍到3倍之间。电池为两面的优点是，它们对照射在两面 上的太阳光的响应同样好。
图14示出可能集光器结构的剖视图。利用适当光粘合剂，将电 池20安装在玻璃覆盖层(superstrate) 22上。已经利用串联和并联 的适当组合(未示出)，将电池20互相电连接到一起。施加诸如玻 璃的适当透明村底21，利用诸如乙基乙酸乙烯酯(EVA)或硅树脂 的填充物(pottant) 23填充电池20与衬底21之间的间隔。衬底21 的背面是锯齿形的，并对其施加由诸如银的适当反射材料构成的反射 层(reflector) 24从而形成背面反射层。该反射层结构不对准电池 20,而且不需要与电池20的间隔具有同样的间隔。反射层24的间隔 最好远小于电池20的间隔。通过电池20之间的间隔的太阳光60将 被背面反射层24反射，而且反射光61有另一次机会被电池吸收。此 外，如果到达正面空气-玻璃界面45的光以大于临界角的角度照射 界面45，则它可能被反射回覆盖层22，从而使得它又有一次机会被 电池20P及收。
图15示出另一个可能集光器结构的剖视图。利用适当的光粘合 剂，将电池20安装在玻璃覆盖层22上。已经利用串联和并联的适当 组合(未示出)，将电池20互相电连接到一起。施加诸如玻璃的适 当透明衬底21，利用诸如乙基乙烯乙酸酯(EVA)或硅树脂的填充 物23填充电池20与衬底21之间的间隔。对背面施加i者如为适当白涂料的高反射朗伯(散射)反射层24。通过电池20之间的间隔的太 阳光60将被背面反射层24反射，如图中61所示，而且有另一次机 会被电池吸收。此外，如果到达正面空气-玻璃界面45的光以大于 临界角的角度照射界面45，则它可能被反射回覆盖层22，从而使得 它又有一次机会被电池20吸收。
图16示出另一个可能集光器结构的剖视图。利用适当的光粘合 剂，将电池20安装在玻璃覆盖层22上。已经利用串联和并联的适当 组合(未示出)，将电池20互相电连接到一起。施加诸如玻璃的适 当透明衬底21，利用诸如乙基乙酸乙烯酯(EVA)或硅树脂的填充 物23填充电池20与衬底21之间的间隔。利用诸如注模法的适当方 法对衬底21的背面进行成型，并对该衬底21施加适当的反射材料 (例如银)。所获得的反射层24对准电池20。以这样的方式设计、 设置反射层24,以使通过电池20之间间隔的大多数太阳光60反射 到电池20上。
为了将硅太阳能电池的效率提高到最高，重要的是，将硅吸收 的、波长小于1100 nm的光量提高到最大。有两种机制可以降低吸 收的光量。光可以被硅表面反射，或者它可以进入硅内，而且可以在 某个时间之后从硅内退出，而不被吸收。通过粗糙化或紋理化该硅表 面，可以降低这两种损失机制。通过将光束照射硅表面的机率提高许 多倍，减少反射损失，而且通过将光封闭在硅内，减少吸收损失。
可以用于(100)取向的单晶硅的紋理化技术是在氢氧化钾 (KOH)和异丙醇(IPA)的溶液中蚀刻硅。这样就产生了以方形底 锥形覆盖的表面。然而，这种方法不能用于利用KOH蚀刻法成型硅 带的情况，因为在这种情况下，硅带表面具有(111)结晶取向。当 前正在开发几种与特定结晶取向无关的其他紋理化技术，例如，使用 活性离子的蚀刻法(RIE)。然而，可以证明这些技术昂贵，或者会 导致其他缺陷，例如在硅表面增加了载流子复合。此外，这些技术仅 适用于紋理化平坦晶片，而不能应用于紋理化保持在晶片边框内的硅 带，例如，作为本发明方法的一部分产生的硅带。 图17示出紋理化后的硅带1的剖视图。以下是紋理化过程。利 用低压化学汽相沉积(LPCVD)方法，在硅带衬底1上沉积薄氮化 硅层29。这种技术在衬底表面上形成均勾、共形的氮化硅层29。重 要的是，利用LPCVD还可以将氮化硅29沉积在窄沟道或沟槽下面 和利用上述技术产生的硅带的侧壁上。仅沉积一层几层原子厚度数量 级的非常薄的氮化硅层。该层足够薄，以致它含有一些通过其露出硅
衬底的孔。在适当蚀刻剂中，例如在1:50的氢氟酸:硝酸溶液中蚀刻 硅带1。在室温下，该溶液蚀刻氮化硅的速度约比蚀刻硅的速度慢 3000倍。因此，将在硅带1上形成蚀刻坑31。几分钟之后，大部分 表面将被其大小至多为几微米的蚀刻坑31覆盖。现在，终止蚀刻。 通过改变氮化硅沉积参数、通过改变蚀刻时间和温度，可以对蚀刻过 程进行控制，氮化硅沉积参数可以影响该层上的孔的密度。如果采用 低蚀刻温度，则可以获得比蚀刻硅带1的蚀刻速度低的蚀刻速度。例 如，在0。C，蚀刻溶液蚀刻氮化珪29的速度比蚀刻珪的速度慢6000 倍。还可以进行两次上述紋理化过程，以进一步提高紋理化特性。
上述紋理化技术对于薄膜硅电池尤其具有优势，因为它在紋理 化过程中仅消耗少量硅(每个紋理化表面约2-3微米)。该纹理化 技术可以应用于任何晶粒大小的硅晶片或薄膜。
在该文献中专门对在(110)硅晶片上蚀刻具有垂直侧壁的深槽 的蚀刻法进行了说明。对于几百微米深的窄槽，通常认为难以保持均 匀槽深和合理的蚀刻速度。其两个可能原因是，形成粘附在槽的侧壁 上的氢气泡，氢气泡妨碍蚀刻该气泡周围的区域，以及不能将新鲜蚀 刻剂送到槽的底部。在文献中，讨论了几种可以提高深槽的蚀刻速度 和均匀性的方法，例如，使用超声波搅拌和搅动。然而，搅动溶液在 深槽的蚀刻性能方面未产生显著改善，而超声波搅拌通常导致精细特 征图形被破坏。
我们现在说明用于蚀刻深窄槽的另一种技术。这种技术包括周 期性地从溶液中取出晶片，然后将它重新插入溶液中。在典型处理过 程中，在85。C，利用44wt。/。的KOH溶液蚀刻5小时。将晶片放置
在使其保持适当位置(通常与水平约成45°角)的组件内。该组件使 晶片降低进入溶液中，并使其被浸泡5分钟。然后，将晶片升高到溶 液之上，并使其保持在该位置5分钟。现在，通过再一次使晶片降低 进入溶液中，重复该循环。
以上描述的技术应用于其上具有其起始宽度为IO微米的槽的硅 晶片。5小时的蚀刻获得约IO微米的横向蚀刻，使得最终槽宽为20 微米。已经发现，在5小时蚀刻结束时，深度变化小于40微米。最 浅槽深和最深槽深分别为340 nm和380 |Lim。实验评估证明，所蚀刻 的60%的槽的深度范围为350-360微米，所蚀刻的15%的槽的深度 为340微米，而所蚀刻的剩余的25%的槽的深度范围为370-380微 米。6小时30分钟完全蚀刻0.5mm厚的硅片。
例子
例子1-制造太阳能电池
如下所述，制造太阳能电池。直径为100 mm、厚度为0.8 mm、 0.5欧姆-cm的掺硼浮区(float-zoned)晶片用作起始晶片。 蚀刻该晶片以去除任何表面损伤。在该晶片的一侧(上侧)进行磷扩 散，形成约50欧姆/平方的薄层电阻，然后，对其下侧进行硼扩散， 达到约50欧姆/平方。在两面生长100 nm厚的氧化物，然后，沉积 50 nm的氮化硅。利用切割锯在上侧切割晶片以产生硅带，切口在背 面延伸不超过约50微米。然后，在氢氧化钾溶液中蚀刻该晶片以去 除切割过程造成的任何损伤。在槽内进行磷扩散以达到约100欧姆/ 平方。在带的侧壁生长厚度为200 nm的氧化物。然后，对准第一组 切口，利用切割锯对晶片切割另一组具有足够深度的切口，以形成通 过晶片的切口 。再将该晶片浸入氢氧化钾溶液中以去除切口造成的任 何损伤。在新露出的硅表面上生长275 nm厚度的氧化物，从而将侧 壁氧化物的厚度增加到300 nm。现在，在165。C下，利用磷酸去除 晶片的正面和背面上的氮化硅层。然后，将晶片浸入含有10%氢氟 酸的水溶液中，直到从晶片的正面和背面去除氧化物。在此阶段，在
硅带的侧壁上仍存在约180 nm厚度的氧化物。现在，金属化该晶 片。在接点上电镀约4微米厚度的银。最后，利用切割锯，切下硅 带。这样，就制成了厚度范围在不到100微米至250孩i米之间的硅 带。
如下所述，将150个硅带串联在一起。将各硅带对接在一起， 并放置到适当电镀夹具上。通过沿硅带组件的一个边缘涂覆银涂料， 使它们短接在一起。然后，对电池镀银。这样产生银沉积，从而在相 邻带之间实现电、物理连接。进行电镀之后，利用切割锯将对其涂覆 了银涂料的、所获得的电池的边缘切下。利用热活化粘合剂，将获得 的电池安装在玻璃上。这样，就制成了 53 112的电池。该电池的效 率为13.4%、开路电压为92 V、电流为10.3 mA、占空因数为73 %。
例子2 -纹理化被抛光的硅表面以降低反射率
利用低压化学汽相沉积方法，在750。C下，在(111)取向的抛 光硅晶片上沉积约2 nm厚的氮化硅。从晶片上切下样品，并在0。C 下将该样品放入1:50的氢氟酸:硝酸溶液中蚀刻150秒。利用硅树 脂，将该样品封装在1 mm厚的低铁玻璃内，然后，利用具有积算球 的分光光度计，测量其反射率。900 nm时，该样品的反射率为11 %，而被抛光的封装硅基准晶片的电阻率为24%，对于同样波长， 具有倒锥形紋理化的(100)取向硅样品的反射率为8%。这些得到 的表明，紋理处理在降低硅表面的反射率方面非常有效。该得到的还 表明，在将光封闭在硅内方面，紋理可能非常有效。
相对于现有技术的工业用硅太阳能电池处理技术,本发明方法 所具有的优点
与现有技术方法相比，对于单位长度的结晶材料，本发明方法 提供更大的太阳能电池表面积。例如，下一代结晶硅(c-Si)太阳 能电池约为0.2 mm厚。切口损失约为0.25 mm，因此每个晶片所消
耗的结晶材料的总厚度约为0.45 mm。根据本发明，如果以0.1 mm 的间距从1 mm厚晶片上切割带，则对于1.25 mm结晶材料的消耗， 这样提供的有效表面积是起始晶片的表面积的10倍。因此，每个等 效晶片面积消耗的结晶材料数量将为0.125 mm，增益系数为3.6 (即，0.45/0.125 )。若包括围绕晶片外围的硅边框，可能少许降低 该增益系数。但是，通过使太阳光集中照射在利用带制成的太阳能电 池上，可以进一步扩大该面积增益系数。
在本发明方法中，可以在带仍安装在晶片上的同时，进行制造 太阳能电池的过程。对于所处理的每个晶片，利用上述方法，有效处 理10倍于晶片的面积，因此降低了处理成本。通常，晶片的厚度应 该大于每个带的厚度与所切掉的硅厚度之和，以获得平坦表面积的净 增益系数。
显然，利用本发明方法可以实现单片互连。这是所希望的，因 为，这样使得该方法本身比传统电池互连方法更容易实现自动化生 产。可以将各电池串联在一起，从而提供高电压、小电流装置，这同 样是所希望的。
本发明还可以实现非常简单而且非常高效的静态集光器设计， 这种集光器设计可以使太阳光集中2倍或者更多倍。这意味着，在太 阳能电池中，仅约一半或者更少的模块表面必须覆盖。利用本发明方 法生产的太阳能电池为什么比现有技术的太阳能电池更适于静态集光 器设计的原因主要有两个。
第一个原因是，利用本发明方法生产的太阳能电池是两面的， 即，它对照射在其两面上的太阳光的响应同样好。现有技术的标准太 阳能电池不是两面的，而且仅对照射在其一面上的太阳光产生响应。 最有效的静态集光器设计需要两面的电池。
第二个原因是，利用本发明方法生产的电池非常窄，通常为1 mm数量级。静态集光器的高度与电池的宽度成正比。利用晶片制造 的、现有技术的标准太阳能电池通常为10x10 112或者更大，因此， 用这种电池所制造的静态集光器庞大、笨重。对于本技术领域内的熟练技术人员来说，在本发明实质范围 内，对在此参考附图描述的方法进行许多修改是显而易见的。
权利要求
1.一种用于增加具有大致平坦表面而且其厚度方向与所述大致平坦表面成直角的半导体晶片的可用表面积的工艺，所述工艺包括步骤:选择带厚度，以将晶片分割为多个带；选择一种用于与所述大致平坦表面成某个角度，将晶片切割为所述带的技术，其中带厚度与通过进行切割所切掉的晶片的宽度之和小于晶片的厚度；利用选择的技术，将晶片切割为带；以及将所述带互相分离。
2. —种用于处理具有大致平坦表面的半导体晶片，以增加所述 晶片的可用平坦表面积的工艺，该工艺包括步骤至少部分通过所述晶片，产生多个平行细长沟槽，使得所述沟 槽宽度与所述沟槽之间的宽度之和小于所述晶片的厚度，以产生一系 列半导体带；将所述带互相分离；以及确定所述带的方向，以露出其事先与所述大致平坦表面成一角 度的表面，从而形成新平坦表面。
3. —种用于生产硅太阳能电池的工艺，所述工艺包括步骤 在硅衬底上成型多个平行沟槽，所述沟槽至少部分通过所述衬底延伸以产生一系列硅带；将所述带互相分离；以及 利用所述带制造太阳能电池。
4. 根据权利要求1至3之任一所述的工艺，其中留下晶片外围 周围的区域不进行切割，以形成边框，所述带临时保持在所述边框 内，然后从边框切下。
5. 根据权利要求1至3之任一所述的工艺，其中利用激光在所 述晶片上成型所述沟槽。
6. 根据权利要求1至3之任一所述的工艺，其中利用湿式各向 异性蚀刻的(110)取向晶片成型所述沟槽。
7. 根据权利要求1至3之任一所述的工艺，其中利用切割锯在 所述晶片上成型所述沟槽。
8. 根据权利要求1或2所述的工艺，其中所述角度约为90°。
9. 根据权利要求1或2所述的工艺，该工艺进一步包括在所述 半导体晶片之上或之内至少成型一个互连部分，所述互连部分连接各 相邻带，以使所述带之间保持大致恒定的间隙。
10. 根据权利要求3所述的工艺，该工艺进一步包括在所述硅 衬底上或之内至少成型一个互连部分，所述互连部分连接各相邻带， 以使所述带之间保持大致恒定的间隙。
11. 根据权利要求9所述的工艺，其中所述互连部分是至少部 分通过其一个或者两个主表面成型的、所述半导体材料的一个或者多 个带，所述互连部分连接到所述多个沟槽确定的每个所述带。
12. 根据权利要求10所述的工艺，其中所述互连部分是至少部 分通过其一个或者两个主表面成型的、所述硅衬底的一个或者多个 带，所述互连部分连接到所述多个沟槽确定的每个所述带。
13. 根据权利要求11所述的工艺，其中所述互连部分垂直于所 述多个沟槽确定的所述带。
14. 一种根据权利要求3所述工艺制备的太阳能电池。
15. —种用于降低半导体材料表面的反射率的工艺，该工艺包括在所述表面上施加一层保护物质，其中所述层足够薄，以致有 多个孔通过该层；使所述层和所述半导体材料接触蚀刻剂，该蚀刻剂蚀刻所述半 导体材料的速度比蚀刻所述保护物质的速度快，在所述孔周围的所述 蚀刻剂蚀刻所述半导体材料，但是基本上不蚀刻所述保护物质的条件 下，所述蚀刻剂至少通过所述孔与所述半导体材料接触一段时间。
16. 根据权利要求15所述的工艺，其中所述半导体材料是硅， 而所述保护物质是氮化硅。
17. 根据权利要求16所述的工艺，其中利用低压化学汽相沉积 工艺，对所述表面沉积所述层。
18. 根据权利要求15所述的工艺，其中所述层约为2nm厚。
全文摘要
本发明提供了一种用于增加具有大致平坦表面而且其厚度方向与所述大致平坦表面成直角的半导体晶片的可用表面积的方法。该方法包括步骤选择带厚度，以将晶片分割为多个带；选择一种用于与大致平坦表面成某个角度，将晶片切割为带的技术，其中带厚度与通过进行切割所切掉的晶片的宽度之和小于晶片的厚度；利用选择的技术，将晶片切割为带；以及将所述带互相分离。
文档编号H01L31/068GK101373713SQ20081009555
公开日2009年2月25日 申请日期2001年11月29日 优先权日2000年11月29日
发明者克劳斯·卓安纳斯·卫博, 安卓·威廉姆·布莱克斯 申请人:源太阳能股份有限公司