TWI402995B - 半導體基板的製程方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種製程方法，特別關於一種半導體基板的製程方法，且所製作出的半導體基板係可應用於光電轉換模組。
由於目前全球的石油化燃料逐漸枯竭，因此人們積極尋找及開發替代的能源，如太陽能發電、風力發電及水力發電…等，而其中係以太陽能的利用為最主要的技術發展方向，其因在於太陽光可照射在全球各個地區，且太陽能在進行轉換的過程係不會對環境造成汙染，舉例來說，在太陽光能轉換為電能的過程中，無須藉由消耗其他能源因而不會導致溫室效應的問題。但，太陽能轉換為電能的轉換效率卻容易受限於整個太陽能電池系統的機構設計。
目前太陽能電池製作之步驟依序為以離子水(Deionized water)清洗晶圓表面的雜質污染物；將晶圓的表面進行結構化的處理並再以酸洗清潔結構化表面；再針對已結構化的晶圓表面進行擴散製程，舉例來說，一般太陽能電池係採用P型的半導體基板，因此可利用高溫熱擴散處理，使P型半導體基板上形成一層N型半導體層；接著利用電漿蝕刻的方式蝕刻晶圓邊緣；再將產生在晶圓表面上的氧化物以蝕刻的方式去除；接著於晶圓表面上以鍍膜或化學氣相沈積的方式形成抗反射層；再於抗反射層的表面上形成導電電極，舉例來說，可將製作完成的晶圓半成品，以銀膠網版印刷或蒸鍍之方法，於晶圓半成品的表面上製作出導電電極並加以高溫烘烤、乾燥；最後經過一連串的電性測試即能製作完成目前習知的太陽能電池。由此可知，太陽能電池的製作需經歷許多繁複之流程，且其中每一個流程對於太陽能電池整體之效率來說，都有相當顯著的影響。
是以，為提高現今太陽能電池的效率，無論是研發階段可達到的24%轉換效率，或是現有的產品可達到的12～14%轉換效率，與理論值所能達到的27%轉換效率相較，均仍有相當多的進步空間。因此，如何提供一種半導體基板的製程方法，以製作出更接近於理論上所計算出之光電轉換效率值的半導體基板，俾提高太陽能電池之光電轉換效率，已成為重要課題之一。
有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種半導體基板的製程方法，於半導體基板製程過程中，藉由機械式表面處理半導體基板之至少一表面，以提高半導體基板之光電轉換效率。
為達上述目的，本發明提供一半導體基板的製程方法，其係應用於光電轉換模組，製程方法包含下列步驟：提供一半導體基板，其具有二表面；將半導體基板之至少一表面進行結構化處理；將半導體基板之該表面進行擴散；塗佈一抗反射層於半導體基板之該表面；以及機械式表面處理半導體基板之二表面的至少其中之一，且此步驟施行於上述任二連續的步驟之間。
於本發明一實施例中，其係揭露於提供半導體基板之步驟與將半導體基板之至少一表面進行結構化處理之步驟之間，施行機械式表面處理半導體基板之二表面的至少其中之一之步驟。
於本發明一實施例中，其係揭露於將半導體基板之至少一表面進行結構化處理之步驟與將半導體基板之該表面進行擴散之步驟之間，施行機械式表面處理半導體基板之二表面的至少其中之一之步驟。
於本發明一實施例中，其係揭露於將半導體基板之該表面進行擴散之步驟與塗佈抗反射層於半導體基板之該表面之步驟之間，施行機械式表面處理半導體基板之二表面的至少其中之一之步驟。
承上所述，本發明之半導體基板的製程方法係主要於現有的半導體基板製程步驟中，加入一道機械式表面處理半導體基板表面的流程，且實施機械式表面處理的表面係可為半導體基板的至少一表面，俾使經過機械式表面處理後的半導體基板表面能更加粗糙化，且同時使原本存在於半導體基板內部之缺陷(defect)能聚集於表面，並藉由後續製程以一併地將聚集於表面的缺陷移除，以提高半導體基板整體之光電轉換效率。
本發明較佳實施例之半導體基板的製程方法，其係應用於光電轉換模組，製程方法包含下列步驟：提供一半導體基板，其具有二表面；將半導體基板之至少一表面進行結構化處理；將半導體基板之上述的表面進行擴散；塗佈一抗反射層於半導體基板之上述的表面；機械式表面處理半導體基板之二表面的至少其中之一，且此步驟施行於上述二連續的步驟之間。
依據以上所述之半導體基板的製程方法，以下係以三種實施例說明半導體基板的製程方法，並請同時參照相關圖式說明。
請參照圖1所示，其為本發明第一實施例之半導體基板的製程方法之一流程步驟圖。其製程方法係包含步驟S11至步驟S15。
步驟S11係提供一半導體基板，其係為一矽基板，矽基板又可為單晶矽基板、多晶矽基板或非晶矽基板。另外，半導體基板具有二表面，分別為一第一表面及一第二表面，其中第一表面可為太陽光入射至半導體基板之入光面，而第二表面則係為與第一表面對應設置的背光表面。
本實施例中，於步驟S11提供半導體基板之後，更可以超純水與化學溶劑清洗半導體基板，以去除晶圓表面各種微小顆粒(甚至是奈米級的微粒)，並可藉由反覆進行數次的清洗製程，俾使半導體基板完全潔淨。
步驟S12係以機械式表面處理的方法處理半導體基板之第一表面及第二表面的至少其中之一，換言之，機械式表面處理係可僅施行於半導體基板的第一表面，或僅施行於半導體基板的第二表面，或同時施行於半導體基板的第一表面與第二表面，其中機械式表面處理的方法可為噴砂、研磨(例如：輪磨、鑽磨、精密研磨…等)或其他非化學性的粗糙化方法，而經過機械式表面處理後，半導體基板表面係具有微結構的特徵。
本實施例中，於步驟S12機械式表面處理半導體基板之第一表面及第二表面的至少其中之一之後，更以氫氟酸等化學溶劑以清洗半導體基板，其因在於機械式表面處理可能會造成大量的微粒子殘留，因而污染半導體基板的表面，為降低此些污染對於下一步驟的影響程度，係可在機械性表面處理步驟完成後，先對半導體基板進行表面清洗，以確保下一個步驟的製程良率。
步驟S13係將半導體基板之至少一該表面進行結構化處理於此所述的表面通常指的是光線入射的第一表面，不過，當然依據不同的產品設計規格或需求，亦可在背光的第二表面上一併進行結構化的處理，不同於上述機械性表面處理的是，此步驟中用以進行結構化的手段係可為化學酸性蝕刻製程(蝕刻溶劑可例如為氫氟酸或硝酸)或化學鹼性蝕刻製程(蝕刻溶劑可例如為氫氧化鉀或異丙醇)，藉由上述任一方法以對半導體基板的表面(包含第一表面及/或第二表面)進行非等向性蝕刻(anisotropic etching)，舉例來說，當半導體基板的第一表面(也就是光線入射表面)完成結構化後，在半導體基板之第一表面上會形成多個微小金字塔般的結構，當然，上述結構化所造成的微小結構除了可為金字塔形狀之外，亦可為球狀、菱形狀或是各種形狀及其組合。結構化處理的主要功能在於去除表面的金屬雜質及有機物等之附著，同時也會在進行反應的表面上形成粗化之效果，因而可降低光線的反射，進而提高光線進入至半導體基板內部的量，俾使太陽能電池光轉換效率得以提升。
步驟S14係將上述的半導體基板表面(包含第一表面及/或第二表面)進行擴散製程，舉例來說，當半導體基板為P型半導體基板，則在進行擴散製程時，係將N型半導體材料擴散至P型半導體基板的表面上，反之，當半導體基板為N型半導體基板，則在進行擴散製程時，係將P型半導體材料擴散至N型半導體基板的表面上。因此，P型及N型半導體層互相接觸的界面上係形成P-N接面，當光線進入至經過擴散製程處理後的半導體基板內時，由於光、電轉換的作用，因而使得N型半導體層內的電子湧入P型半導體層中，並填補其內的電洞，同時在P-N接面附近則因電子-電洞的再結合形成一個載子空乏區，而在P型及N型半導體層中也因分別帶有負、正電荷，因此形成一個內建電場，也因此可讓半導體內所產生的電子在電池內流動，也就產生了電子流(或電流)。
另外，當半導體基板表面進行擴散的同時，其於半導體基板表面殘留一含磷氧化矽之氧化層，不過由於所產生的氧化物具有較高的電阻值，相當不利於太陽能電池的電性表現，因此當半導體基板的表面(包含第一表面及/或第二表面)在經過擴散而形成氧化層之後，更可以稀釋的氫氟酸溶劑將氧化層予以移除，避免整體的導電度受到影響。
步驟S15係塗佈抗反射層於上述的半導體基板表面(包含第一表面及/或第二表面)，由於空氣與矽的折射係數差異甚大，光線通過空氣與矽的介面時會有明顯光線反射情形，因此以氮化矽(SiN)材質之抗反射層塗佈於半導體基板，以減少入射光的反射，而且還有鈍化(passivation)之作用。另外，亦可以其他可對矽表面進行鈍化之材質塗佈於半導體基板上以形成抗反射層。
本實施例中，於步驟S15塗佈抗反射層於上述的半導體基板表面(包含第一表面及/或第二表面)後，更可在半導體基板的第一表面與第二表面上形成電極層，舉例來說，第一表面(也就是光線的入射表面)係可形成負極電極層，而相對地，第二表面(也就是背光表面)則係形成正極電極層，且於第一表面上所形成之負極電極層係可由複數匯流電極(bus bar electrode)及複數指狀電極(finger electrode)所構成。因此，當半導體基板將吸收到的光線轉變為電子時，指狀電極係可用於將半導體基板所產生之電子匯集至相電性連接之匯流電極，最後再藉由匯流電極與外部負載的連結，以將經過光電轉換反應所產生的電子聚集並傳遞至外界。
請參照圖2所示，其為本發明第二實施例之半導體基板的製程方法之一流程步驟圖。其製程方法係包含步驟S21至步驟S25。本實施例之製程方法與第一實施例之製程方法不同之處在於：機械式表面處理半導體基板之二表面的至少其中之一之步驟施行於將半導體基板之至少一表面進行結構化處理之步驟與將半導體基板之上述的表面進行擴散之步驟之間。
步驟S21係提供一半導體基板，其係為一矽基板。另外，半導體基板具有二表面，分別為一第一表面及一第二表面，類似於上述第一實施例，於此所述的第一表面為太陽光入射至半導體基板之入光面，而第二表面則係為與第一表面對應設置的背光表面。
本實施例中，於步驟S21之後係類似於上述第一實施例的步驟S11之後的步驟，更可以超純水與化學溶劑清洗半導體基板，以清洗半導體基板。
而步驟S22亦類似於第一實施例中的步驟S13，係可藉由化學酸性蝕刻製程(蝕刻溶劑可例如為氫氟酸或硝酸)或化學鹼性蝕刻製程(蝕刻溶劑可例如為氫氧化鉀或異丙醇)，以對半導體基板之表面進行非等向性蝕刻，俾使半導體基板表面得以結構化。
值得注意的是，在本實施例中，步驟S23的機械式表面處理係施行於結構化步驟之後，也就是說，於此所述的機械式表面處理方法係可針對半導體基板之第一表面及第二表面的至少其中之一，尤其是針對經過結構化後的表面(可能是第一表面或第二表面或第一與第二表面)，而其中機械式表面處理的方法可為噴砂、研磨(例如：輪磨、鑽磨、精密研磨…等)或其他非化學性的粗糙化方法。
本實施例中，於步驟S23之後係類似於第一實施例中的步驟S12之後的步驟，更以氫氟酸等化學溶劑以清洗半導體基板，使半導體基板之表面潔淨，藉以確保下一個步驟的製程良率。
類似於第一實施例中的步驟S14，於此，步驟S24係將上述的半導體基板表面(包含第一表面及/或第二表面)進行擴散製程，俾使半導體基板內能藉由擴散製程以形成有P型半導體層、N型半導體層與P-N接面，因此當光線進入至經過擴散製程處理後的半導體基板內時，因為在P型及N型半導體層中分別帶有負、正電荷，以形成一個內建電場，也因此可讓半導體內所產生的電子在電池內流動，也就產生了電子流(或電流)。另外，當半導體基板表面進行擴散的同時，其於半導體基板表面上殘留一含磷氧化矽之氧化層，但由於此氧化物具有較高的電阻值，相當不利於太陽能電池的電性表面，因此表面在經過擴散並同時形成氧化層之後，便以稀釋的氫氟酸溶劑將氧化層予以移除，避免整體的導電度受到影響。
步驟S25係類似於第一實施例的步驟S15，係塗佈氮化矽材質之抗反射層於上述的半導體基板表面(包含第一表面及/或第二表面)，以減少入射光的反射，而且還有鈍化之作用，進而提升整體之效能。另外，亦可以其他可對矽表面進行鈍化之材質塗佈於半導體基板上以形成抗反射層。
而在本實施例中，關於電極層的形成亦類似於第一實施例的態樣，故於此將不再贅述。
請參照圖3所示，其為本發明第三實施例之半導體基板的製程方法之一流程步驟圖。其製程方法係包含步驟S31至步驟S35。本實施例之製程方法與第二實施例之製程方法不同之處在於：機械式表面處理半導體基板之二表面的至少其中之一之步驟施行於將半導體基板之上述的表面進行擴散之步驟與塗佈一抗反射層於半導體基板之上述的表面之步驟之間。
步驟S31係提供一半導體基板，其係為一矽基板。另外，半導體基板具有二表面，分別為一第一表面及一第二表面，類似於上述第一實施例，於此所述的第一表面為太陽光入射至半導體基板之入光面，而第二表面則係為與第一表面對應設置的背光表面。
本實施例中，於步驟S31之後，更可以超純水與化學溶劑清洗半導體基板，以去除晶圓表面各種微小顆粒，並可反覆進行清洗製程，直到半導體基板完全清潔。
步驟S32則係可藉由化學酸性蝕刻製程(蝕刻溶劑可例如為氫氟酸或硝酸)或化學鹼性蝕刻製程(蝕刻溶劑可例如為氫氧化鉀或異丙醇)，以對半導體基板表面(包含第一表面及/或第二表面)進行非等向性蝕刻並結構化所述之表面。
步驟S33係將上述的半導體基板表面(包含第一表面及/或第二表面)進行擴散製程，俾使半導體基板內能藉由擴散製程以形成有P型半導體層、N型半導體層與P-N接面，類似於上述，經過擴散製程後的半導體基板係具有光電轉換的功效。另外，當半導體基板表面進行擴散的同時，其於半導體基板表面上殘留一含磷氧化矽之氧化層，但由於此氧化物具有較高的電阻值，相當不利於太陽能電池的電性表現，因此表面在經過擴散並同時形成氧化層之後，便以稀釋的氫氟酸溶劑將氧化層予以移除，避免整體的導電度受到影響。
值得注意的是，在本實施例中，係於擴散的同時形成氧化層於基板之表面上並移除氧化層後執行步驟S34，也就是以機械式表面處理的方法處理上述的半導體基板表面(包含第一表面及/或第二表面)，換言之，欲施行機械式表面處理的半導體基板表面並不限於已進行擴散製程後的表面，當氧化反應僅施行於半導體基板的其中一表面時(例如：第一表面)，另一表面(例如：第二表面)亦可在此時一併以機械方式予以實施表面處理，而機械式表面處理的方法可為噴砂、研磨(例如：輪磨、鑽磨、精密研磨…等)或其他非化學性的粗糙化方法。
本實施例中，於步驟S34之後，更以氫氟酸等化學溶劑以清洗半導體基板，使半導體基板之表面潔淨，藉以確保下一個步驟的製程良率。
步驟S35係塗佈氮化矽材質之抗反射層於上述的半導體基板表面(包含第一表面及/或第二表面)，以減少入射光的反射，而且還有鈍化之作用，進而提升整體之效能。另外，亦可以其他可對矽表面進行鈍化之材質塗佈於半導體基板上以形成抗反射層。
而在本實施例中，關於電極層的形成亦類似於第一實施例的態樣，故於此將不再贅述。
根據上述可知，本發明係主要將施行機械式表面處理半導體基板之二表面的至少其中之一之步驟，實施於下述提供一半導體基板之步驟、將半導體基板之至少一表面進行結構化處理之步驟、將半導體基板之上述的表面進行擴散之步驟塗佈一抗反射層於半導體基板之上述的表面之步驟中，任二連續的步驟之間，其以機械方法對半導體基板進行表面處理，俾使經過機械式表面處理後的半導體基板表面能更加粗糙化，且同時使原本存在於半導體基板內部之缺陷(defect)於製程時會聚集於表面，其後再藉由後續之製程以鈍化表面之缺陷，提升晶圓品質。另外，由於機械式表面處理後的表面上係會形成微結構，因此本發明亦能增加半導體基板對於太陽光之吸收率，並藉以提高半導體基板整體之光電轉換效率。值得一提的是，經過機械式表面處理後的半導體基板經過實驗驗證後發現，其光電轉換效率係可顯著地增加0.3%以上。
綜上所述，本發明之半導體基板的製程方法係主要於現有的半導體基板製程步驟中，加入一道機械式表面處理半導體基板表面的流程，且實施機械式表面處理的表面係可為半導體基板的至少一表面。與習知技術相較，經過機械式表面處理後的半導體基板確實可增加0.3%以上的光電轉換效率。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
S11～S15、S21～S25、S31～S35．．．步驟
圖1為本發明第一實施例之半導體基板的製程方法之一流程步驟圖；
圖2為本發明第二實施例之半導體基板的製程方法之一流程步驟圖；以及
圖3為本發明第三實施例之半導體基板的製程方法之一流程步驟圖。
S21～S25．．．步驟
Claims (15)
- 一種半導體基板的製程方法，其係應用於光電轉換模組，製程方法包含下列步驟：提供一半導體基板，其具有二表面；將該半導體基板之至少一該表面進行結構化處理；將該半導體基板之該表面進行擴散；施行機械式表面處理該半導體基板之該等表面的至少其中之一；以及塗佈一抗反射層於該半導體基板之該表面。
- 如申請專利範圍第1項所述之製程方法，其中施行將該半導體基板之該表面進行擴散之步驟，更同時於該半導體基板之該表面形成一氧化層。
- 如申請專利範圍第2項所述之製程方法，其中於該半導體基板之該表面形成該氧化層之後，移除該表面之該氧化層。
- 如申請專利範圍第1項所述之製程方法，其中該半導體基板係為一矽基板。
- 如申請專利範圍第4項所述之製程方法，其中該矽基板為單晶矽基板、多晶矽基板或非晶矽基板。
- 如申請專利範圍第1項所述之製程方法，其中提供該半導體基板之步驟後，更清洗該半導體基板。
- 如申請專利範圍第1項所述之製程方法，其中該半導體基板為N型半導體基板或P型半導體基板。
- 如申請專利範圍第7項所述之製程方法，當該半導體 基板為N型半導體基板，則將該半導體基板進行擴散的步驟係為將P型半導體材料擴散至該半導體基板上。
- 如申請專利範圍第7項所述之製程方法，當該半導體基板為P型半導體基板，則將該半導體基板進行擴散的步驟係為將N型半導體材料擴散至該半導體基板上。
- 如申請專利範圍第1項所述之製程方法，其中該抗反射層之材質係為氮化矽或其它可對矽表面進行鈍化之抗反射層。
- 如申請專利範圍第1項所述之製程方法，其中塗佈該抗反射層於該半導體基板之該表面上之步驟後，更形成至少一電極層於該半導體基板之該表面。
- 如申請專利範圍第11項所述之製程方法，其中該電極層係具有複數匯流電極及複數指狀電極。
- 如申請專利範圍第1項所述之製程方法，其中該機械式表面處理的方法係為噴砂、研磨或其他粗糙化之方法。
- 如申請專利範圍第1項所述之製程方法，其中機械式表面處理該半導體基板之該等表面的至少其中之一之步驟後，更清洗該半導體基板。
- 如申請專利範圍第14項所述之製程方法，其中清洗該半導體基板係利用氫氟酸以清洗該半導體基板。
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