TWI469368B - 在太陽能電池製造中供固態磊晶成長之直流電離子注入 - Google Patents

Description

在太陽能電池製造中供固態磊晶成長之直流電離子注入

本案主張美國臨時申請案(Provisional Application)61/414,588號，申請日2010年11月17日之優先權，該案的全部內容併入本案作為參考。

本發明是關於一種離子注入法，尤其是一種高生產量、低瑕疵的離子注入技術，可用在太陽能電池的製造。

使用離子注入法加工半導體已有多年之久。一典型商務裝置通常使用一電離子光束，可藉由移動離子光束或基板，亦或移動兩者以掃描該基板。在一已知作法中，是以「鉛筆」狀光束，以X及Y方向掃描整個基板表面。另一種作法則是以比該基板寬的「帶狀」離子束，從單一方向掃描「而涵蓋整個基板」。除了非常緩慢的缺點之外，這兩種方法本身都隱含產生瑕疵的原因。也就是說，如果從該基板的任一點來看，從上述兩種系統所提供的離子注入都是脈衝形式，雖然光束是以連續供電方式產生。如此一來，在該基板上每個點都只能在短暫的時間中「看到」該離子光束，其後必須「等待」該光束下一次的掃描。如此一來將導致局部加熱，而因為上述在兩次掃描之間的動態自我退火作用，造成瑕疵的擴大。

近來已提出另一個離子注入的方法，一般稱為電漿離子注入，或P3i。在這種製程的處理腔內並不使用離子束，而是在整個基板上方產生電漿。其後以AC電位，通常是以RF能量的形式耦接到該基板，以從該電漿中吸引離子出來，植入到基板。結果從該基板看來，這種系統仍然是以「脈衝」模式操作，照樣導致與以離子束掃描方式相同的缺點，即自我退火的問題。

另一種瑕疵，通常是由射程末端損傷(end-of-range damage,EOR)所引起，經常出現在傳統離子注入系統當中。自我退火是由於局部發熱後隨即冷卻，引致群聚缺陷(cluster defects)，在之後的退火步驟中並無法加以移除。因此，目前業界亟需有一種離子注入系統及方法，可以達成高速的注入，並可避免產生缺陷。

以下發明簡述提供作為對本發明數種面向及技術特徵之基本理解。發明簡述並非對本發明之廣泛介紹，也因此並非用來特別指出本發明之關鍵性或是重要元件，也非用來界定本發明之範圍。其唯一目的僅在以簡單之方式展示本發明之數種概念，並作為以下發明詳細說明之前言。

本發明揭示的實施例提供數種離子注入方法，能提高太陽能電池製造的產率，但同時也能將瑕疵最小化或去除。利用各種實驗條件，皆已顯示本發明的方法優於現有技術之電離子注入法，特別是可以防止因射程末端損傷所造成的群聚缺陷。

根據本發明實施例，離子注入法的執行是以高劑量連續型離子注入。執行離子注入時，是對該基板整個表面同時為之，或者對選定的區域做選擇性的離子注入(例如對一選定的射極設計)。該注入能量可能為，例如：5-100焦耳(keV)，或更精確為20-40 keV，當該劑量率為，例如：比1E14高或高於1 E15 ions/cm² /second。且在某些實施例中會在1E14-5E16 ions/cm² /second的範圍。該高劑量可以一方面達成高產率，一方面使得該基板已完成注入之層完全非晶化。因為該注入為連續性的，故不會產生自我退火，也不會發現缺陷的群聚。退火後，該非晶化層會完全晶質化且不會發現缺陷群聚。

根據本發明的另一個面向，本發明提供使用離子注入法製作太陽能電池的方法。根據該方法，是先將基板送入一離子注入腔室。其後產生該離子物種的光束，該光束的截面大到足以涵蓋該基板的整個表面。該光束的離子以連續方式朝該基板表面加速，而對該基板作連續性的離子注入。該劑量是設計成能夠完全非晶化該基板的一指定層。可選用額外的製程，例如沉積抗反射或護封層，例如矽氮化物層，以及沉積金屬化格板。其後將該基板退火，以使該非晶化層再結晶，並活化所注入的摻雜物離子。根據本發明一實施例，該退火步驟是使用快速高溫製程，例如在600-1000℃下進行幾秒鐘，例如1-20秒。在一特定例子中為五秒鐘。

根據本發明之另一實施例，本發明提供一離子注入法，該方法可用於太陽能電池製造。根據該實施例，先將一基板送入一離子注入腔室內，再對該基板上選定要注入離子的區域，以離子作連續性的轟擊，以使該區域非晶化，而不可能自我退火。將該基板在一快速高溫處理腔中，以固態磊晶再生法進行退火。

本發明的面向尚包括一利用離子注入法製造太陽能電池的方法，該方法包含：將一基板送入一離子注入腔室；產生一連續的離子流，用以注入該基板內；及導引該離子流朝向該基板之表面，以產生對該基板表面之連續性離子轟擊，藉此將離子注入到該基板，同時非晶化該基板的一層。

本發明的進一步面向包含一對基板作離子注入的方法，該方法包括：將一基板送入一離子注入腔室；產生一連續的離子流，用以注入該基板內；及導引該離子流朝向該基板之表面，以產生對該基板表面之連續性離子轟擊，但避免該基板自我退火。

本發明的其他面向尚包括一對基板作離子注入的方法，該方法包含：將一基板送入一離子注入腔室；產生一連續的離子流，用以注入該基板內；及導引該離子流朝向該基板之表面，以產生對該基板表面之連續離子轟擊，藉此同時將該基板整個表面非晶化。

圖1為一現有技術與本發明方法之瞬間離子注入劑量比較圖。圖中顯示，晶圓100是使用一「鉛筆形」光束105以二維方式掃描，以涵蓋該晶圓，來進行離子注入。對於該基板的各個點，所得的瞬間劑量率是顯示為以高瞬間劑量率，間隔的注入，但注入時間非常的短。這種方法造成局部加熱，隨之產生自我退火，從而形成缺陷群聚。與此相似，晶圓110是使用一帶狀光束115，沿一方向掃描以涵蓋該晶圓，進行注入。對於該基板的各個點，所得的瞬間劑量率是顯示為以中高等瞬間劑量率，間隔的注入，注入時間非常短暫。這種方法也造成局部加熱，隨之產生自我退火，形成缺陷群聚。與此相反，根據本發明的一實施例，晶圓120是使用一連續的光束流125進行注入，所以所要注入的各個點(在本例為整個晶圓)是以離子連續的注入，不會發生自我退火。

從以上說明可以理解，在圖1所顯示的總劑量率可以不同方法對圖中的劑量作積分而算出。任何人都可設定該系統，使三種系統積分所得的劑量相等。不過，對於該晶圓上各個點，其瞬間劑量率最高者為該鉛筆形光束，帶狀則次之，而本實施例的「常ON」光束則屬最低。如此一來，必須限制該鉛筆形及該帶狀光束的積分劑量，以免對晶圓過度加熱。反之，本實施例的常ON型光束則可提供較高的平均劑量率，並能將該晶圓的溫度，維持在可接受範圍內。例如，在本發明一些實施例中，該劑量率是設定在高於1E15 ions/cm² /second。在其中一個例子中，該注入條件設定注入能量為20 keV和劑量為3E15 cm^-2 。

現在請參閱圖2，從該圖可明顯看出本發明方法的優越性。圖2為現有技術的注入裝置與本發明實施例的退火後瑕疵與劑量對照圖。在圖2中該實施例是標示為「Intevac implanter」。如圖2所顯示，該鉛筆形光束離子注入在退火製程後留下數量最多的瑕疵，而本發明的方法則數量最少。同時，圖中所顯示瑕疵數量上的差異進一步證明以下假設成立：瑕疵是由於其自我退火機制所產生，該瑕疵在本發明的方法下並不會產生。

此外，圖2也顯示該退火機制會隨平均劑量率提高而改善。可能的原因是隨著劑量率的提高，瑕疵會更有效的累積。但如果平均劑量率提高，瑕疵將可以退火改善。同時，由於該基板在進行連續性注入當中並無機會自我退火，本發明所揭示的方法可提供該基板較佳的非晶化。

在上述實施例中，該基板可以利用傳統的爐管退火或以一快速高溫處理系統(rapid thermal process,RTP)退火。在一例子中，該晶圓溫度為600-1000℃爐管中退火1-10秒，在特定例子則為5秒。值得注意的是，對一以光束-線注入，並以傳統方法退火的樣本測試結果，發現新增一氧化物層。特別是以拉塞福背向散射分析(Rutherford Backscattering Spectrometry，RBS)後，顯示在退火後一加寬的矽波峰，表示退火後遺留損傷。反之，以本發明方法注入，經RTP退火後的晶圓，其RBS圖形並未顯示有氧化物，也未顯示加寬的矽波峰，表示該樣本已經完全再結晶。

圖3A為根據本發明一實施例在離子注入後的晶圓顯微照片，而圖3B是該晶圓在930℃下的傳統爐管內退火30分鐘後之顯微照片。該注入是利用一PH₃ 來源氣體在20keV及3E15 cm^-2 下進行。如圖3A之顯微照片所見，該注入層已完全非晶化。而且，圖3B的顯微照片也顯示一無瑕疵且完全再結晶之層。

圖4顯示本發明一實施例的電漿格板注入系統800的截面三維立體圖，該系統可以使用在本發明方法。該系統包括一腔室810，其內設置一第一格板850、第二格板855和第三格板857。該格板可以各種不同的材料製成，適用的材料包括，但不限於矽、石墨、碳酸矽和鎢。每一格板包括多個孔洞，設計成可供離子由此通過。一電漿源在該腔室810內的電漿區域中保持電漿。在圖4中，該電漿區域位於該第一格板850的上方。在有些實施例中，一電漿氣體經由一氣體入口820流入該電漿區域。該電漿氣體可能為一電漿保持氣體(例如氬)，以及摻雜氣體(例如含有磷、硼等的氣體)的組合。此外，也可以加入非摻用非晶化氣體，例如鍺。在本發明一些實例中，是由一真空埠830提供真空到該腔室810的內部。在一些實例中，是以一絕緣體895包圍該腔室810外牆。在一些實施例中，該腔室隔牆是設置成使用一電場及/或磁場，例如由永久磁鐵或電磁鐵產生的電場及/或磁場，將離子限制在該電漿區域之內。

將一目標晶圓840放置在該格板相對於該電漿區域的相反側。在圖4中，該目標晶圓840是格板位於該第三格板857的下方。一可調整晶圓載台支持該目標晶圓840，允許該目標晶圓840能夠在一同質的注入位置(較靠近該格板處)與一選擇性的注入位置(離該格板較遠處)間調整位置。以一直流電施加到該第一格板850，使電漿離子加速後成為離子束的型態，達到目標晶圓840。到達的離子注入該晶圓840。因該離子撞擊晶圓840而產生的次級電子，以及其他材料所產生的有害效應，可以利用該第二格板855加以避免。該第二格板855具有相對於第一格板的負偏壓。該具負偏壓的第二格板855可以抑制從該晶圓840逸脫的電子。在本發明一些實施例中，該第一格板850的偏壓設在80 kV，而該第二格板的偏壓設在-2 kV。不過，其他的偏壓電壓也可以使用在本發明。該第三格板857的功能為光束規範格板，格板眼通常形成圓形。第三格板857位在與該基板表面接觸或極接近之處，用以規範該注入的最終範圍。如果需使用選擇性注入，該格板857可以做為光束規範罩幕，並提供所需的精確對齊。該第三格板857可以設置成如窗格狀的罩幕，以達到有規制的光束選擇性注入。此外，該第三格板857可以使用任何形式的，不須使用罩幕的光束定形裝置或技術加以取代或作為輔助。

在該圖4的實施例中，該離子是從電漿區域中取出，朝向該基板加速。當該基板與格板有足夠的間隔，該離子光束870就有足夠的行進距離，以形成圓柱狀的離子，行進到該基板。這是因為各離子光束在離開格板後，自然的趨向發散所致。要使該離子圓柱狀光束形成均勻分布的截面，可以透過對該格板格眼的數量、尺寸及形狀，各格板間的距離，以及各格板與該基板間的距離，以及其他條件，加以規制而得。必須說明的是，雖然在圖4的實施例中，是使用該格板及/或該基板的規制，來產生圓柱狀的離子束，以及其均勻度，但也可使用其他方法達成。主要的目的是要產生單一的圓柱狀離子束，且其圓柱的截面積夠大，足以對該基板的整個表面進行同時的，連續性的注入。當然，如果要進行選擇性的注入，該第三格板可以用來擋住該圓柱的部分。

經由以上說明可以了解，本發明方法的實施例是以下列步驟進行：將一基板送入一離子注入裝置，產生一離子束或離子圓柱，其截面積夠大，足以涵蓋該基板的全部面積，及導引該光束，以連續的將離子注入到該基板，並非晶化該基板的一層。其後，為提高產率，將該基板在一RTP腔室中，以其SPER退火機制進行退火，在該步驟中使該非晶化的層再結晶。該退火步驟也使從該離子束注入的摻雜物活化。根據本發明應用在太陽能電池製造的另一實施例，在完成離子注入後，在該非晶化層上另外製作該太陽能電池的材料層，包括金屬化層。其後將該基板送入該RTP腔室，以同時將該金屬化層及該非晶化層退火。也就是說，該SPER退火是以該金屬化退火步驟來達成，因此在該離子注入步驟後，不須要額外的退火步驟。

以上是對本發明例示性實施例之說明，其中顯示特定之材料與步驟。但對習於此藝之人士而言，從上述特定實例可產生或使用不同變化，而此種結構及方法均可在理解本說明書所描述及說明之操作，以及對操作之討論後，產生修改，但仍不會脫離本發明申請專利範圍所界定之範圍。

100,110,120,840．．．晶圓

105．．．鉛筆形光束

115．．．帶狀光束

125．．．連續的光束流

800．．．電漿格板注入系統

810．．．腔室

820．．．氣體入口

830．．．真空埠

850．．．第一格板

855．．．第二格板

857．．．第三格板

870．．．離子光束

895．．．絕緣體

所附的圖式納入本件專利說明書中，並成為其一部份，是用來例示本發明的實施例，並與本案的說明內容共同用來說明及展示本發明的原理。圖式的目的只在以圖形方式例示本發明實施例的主要特徵。圖式並不是用來顯示實際上的範例的全部特徵，也不是用來表示其中各元件之相對尺寸，或其比例。

圖1為一現有技術與本發明方法之瞬間離子注入劑量比較圖。

圖2為一現有技術的注入裝置與本發明實施例的退火後瑕疵與劑量對照圖。

圖3A為根據本發明一實施例在離子注入後的晶圓顯微照片，而圖3B是該晶圓在930℃下的傳統爐管內退火30分鐘後之顯微照片。

圖4顯示可以使用在本發明方法的離子注入腔體示意圖。

800．．．電漿格板注入系統

810．．．腔室

820．．．氣體入口

830．．．真空埠

850．．．第一格板

855．．．第二格板

857．．．第三格板

870．．．離子光束

895．．．絕緣體

Claims (19)

1. 一種使用離子注入製造太陽能電池的方法，包括以下步驟：將一基板送入一離子注入腔室；產生用來注入該基板的離子的連續流；引導該離子流朝向該基板的表面，以使離子連續轟擊該基板表面，使該表面各個點是以離子連續的注入，以將離子注入該基板，並非晶化該基板的一層，其中該平均劑量率高於1 E14 ions/cm² /second。
2. 如申請專利範圍第1項的方法，其中該產生一離子連續流的步驟包括產生一離子束，使其截面積夠大，足以同時對該基板全部表面作注入。
3. 如申請專利範圍第1項的方法，另包括以下步驟：定義該基板之一區域，用以進行注入；及其中該產生一離子連續流的步驟包括產生一離子束，使其截面積夠大，足以同時對該基板全部要進行注入的區域作注入。
4. 如申請專利範圍第1項的方法，其中該產生一離子連續流的步驟包括以下步驟：以含所要注入物種的氣體保持電漿：取出一束該物種的離子，其中該離子束的截面積夠大，足以同時對該基板全部表面作注入。
5. 如申請專利範圍第1項的方法，其中該注入能量為5到100keV。
6. 如申請專利範圍第1項的方法，其中該注入能量為20到40keV。
7. 如申請專利範圍第2項的方法，另包括以快速高溫處理使該基板退火的步驟。
8. 如申請專利範圍第7項的方法，其中該退火是在600-1000℃下進行1到10秒鐘。
9. 如申請專利範圍第1項的方法，另包括以下步驟：在該離子注入製程後，未進行一退火步驟前，在該基板上製作一金屬化 層；及於形成該金屬化層後，使該基板退火，以同時使該金屬化層退火，使該非晶化層再結晶，並使所注入的離子摻雜物活化。
10. 一種對一基板注入離子的方法，包括以下步驟：將一基板送入一離子注入腔室；產生用來注入該基板的離子的連續流；引導該離子流朝向該基板的表面，使該表面各個點受到離子以高於1 E14 ions/cm² /second的平均劑量率作連續的注入，以使離子連續轟擊該基板表面，並避免該基板自我退火。
11. 如申請專利範圍第10項的方法，另包括將要注入的基板的一層全部非晶化的步驟。
12. 如申請專利範圍第10項的方法，其中該注入是對該基板的正面全部同時為之。
13. 如申請專利範圍第10項的方法，其中該產生一離子連續流的步驟包括以下步驟：以含所要注入物種的氣體保持電漿：取出一束該物種的離子，其中該離子束的截面積夠大，足以同時對該基板全部表面作注入。
14. 如申請專利範圍第13項的方法，其中該取出一束該物種的離子的步驟包括從該電漿取出多數離子束，及使該多數離子束結合成為單一束的離子。
15. 如申請專利範圍第14項的方法，其中該注入能量為5到100keV。
16. 如申請專利範圍第1項的方法，其中之劑量率定為可使該基板一指定層可完全非晶化之程度。
17. 如申請專利範圍第16項的方法，其中該平均劑量為5 E14到5 E16 ions/cm² /second。
18. 一種對一基板注入離子的方法，包括以下步驟：將一基板送入一離子注入腔室； 產生用來注入該基板的離子的連續流；引導該離子流朝向該基板的表面，以使離子連續轟擊該基板表面，使該表面各個點受到離子以介於1 E14 ions/cm² /second到1 E15 ions/cm² /second間的平均劑量率作連續的注入，以將該基板全部表面同時非晶化，而不發生自我退火。
19. 如申請專利範圍第18項的方法，其中該產生一離子連續流的步驟包括以下步驟：以含所要注入物種的氣體保持電漿：取出一束該物種的離子，其中該離子束的截面積夠大，足以同時對該基板全部表面作注入。