在玻璃上制備大晶粒多晶硅薄膜的方法

引言

我們已經(jīng)使用“種子層概念”在薄膜太陽能電池的玻璃上形成大晶粒多晶硅(多晶硅)膜，該概念基于薄的大晶粒多晶硅模板(種子層)的外延增厚。由于玻璃襯底，所有工藝步驟都被限制在大約600℃的溫度。基于非晶硅的鋁誘導結晶(AIC)的鋁誘導層交換(ALILE)工藝已被用于制備具有大晶粒和表面高優(yōu)先(100)取向的p+型籽晶層。

種子層形成

我們描述了由鋁誘導層交換(ALILE)工藝形成的種子層。該工藝基于鋁誘導的無定形硅結晶(AIC)。ALILE工藝的起點是玻璃/鋁/鋁-硅疊層。在我們的方法中，我們使用了清潔的玻璃基板，兩層(鋁和α-硅)已經(jīng)通過直流磁控濺射沉積在同一室中。ALILE工藝要求在鋁和非晶硅層之間有一層薄的滲透膜，以控制鋁和硅的擴散。

通常，該膜由鋁硅沉積前鋁涂層玻璃基底暴露于空氣中形成的氧化鋁層組成。我們的標準氧化時間是2小時。鋁和非晶硅的沉積薄膜厚度分別約為300納米和375納米。硅相對于鋁的過量是在玻璃襯底上制備連續(xù)多晶硅薄膜所必需的。在低于鋁/硅體系共晶溫度(Teu = 577)的溫度下，初始玻璃/鋁/鋁-硅疊層的退火導致層交換和硅的同時結晶，產(chǎn)生玻璃/多晶硅/鋁(+硅)疊層(圖1)。在整個ALILE過程中，膜保持在原位(由圖1中的灰色線表示)。因此，所得多晶硅膜(種子層)的厚度由初始鋁層的厚度決定。種子層頂部的鋁層含有一些硅夾雜物(“硅島”)。

圖1 “正常”鋁誘導層交換(ALILE)工藝示意圖

LILE過程始于硅穿過滲透膜擴散到鋁層。這導致鋁層內(nèi)的硅濃度增加，直到達到成核的臨界濃度。然后，在鋁層內(nèi)形成硅核。這些核向各個方向生長，直到它們被垂直限制在玻璃基底和可滲透膜之間。之后，增長只在橫向繼續(xù)。新核的連續(xù)形成和它們的生長降低了硅的濃度，直到它下降到成核的臨界濃度以下。通過這種機制，進一步的成核被抑制，使得最終的多晶硅膜具有大晶粒的特征。由于鋁層仍然是過飽和的(即硅濃度超過飽和濃度)，現(xiàn)有晶粒的生長在橫向上繼續(xù)，直到相鄰晶粒彼此接觸，并最終在玻璃襯底上形成連續(xù)的大晶粒多晶硅膜。樣品已經(jīng)在400℃和550℃之間的溫度下退火(即，遠低于鋁/硅體系的共晶溫度)。退火溫度對ALILE工藝有很大影響:退火溫度越高，成核密度越高，導致晶粒越小，工藝時間越短。
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本文提出了種子層的高優(yōu)先(100)取向?qū)τ陔S后在低溫下外延生長的重要性。因此，我們用電子背散射衍射(EBSD)研究了多晶硅薄膜的晶粒取向。圖2示出了通過ALILE工藝形成的多晶硅膜的EBSD取向圖的反極圖?？拷箻O點圖(100)角的EBSD測量點的聚集清晰可見。大約75 %的調(diào)查區(qū)域相對于完美(100)方向傾斜小于20°。在圖2中，反向極圖的相應區(qū)域由虛線表示。我們使用這個定義(相對于完美(100)取向小于20°傾斜)來量化樣品的優(yōu)先(100)取向R(100)。隨著退火溫度的降低，優(yōu)先(100)取向增加。

圖2由正常ALILE工藝制備的聚硅薄膜的電子背向散射衍射(EBSD)取向圖的逆極點圖

低溫外延：

我們已經(jīng)研究了硅在低溫(低于600℃)下在硅晶片(單晶和多晶)和多晶硅種子層(通過ALILE工藝制備)上的外延生長。在生長之前，襯底(硅晶片和多晶硅籽晶層)已經(jīng)通過標準的RCA程序進行了清洗。在氫氟酸(HF (2 %)中進行最后一次浸泡，以去除天然氧化物。薄膜是通過電子回旋共振化學氣相沉積法生長的，使用氫氣(H2)作為激發(fā)氣體，硅烷(四氫硅)、乙硼烷(B2H6)和氫氣(H2)的混合物作為工藝氣體。在電子回旋共振化學氣相沉積工藝中，額外的非熱能被提供給生長膜的表面，該表面在低溫下支持外延生長。然而，在低溫下，生長的硅膜的結構質(zhì)量很大程度上取決于襯底的晶體取向。在硅(100)晶片上獲得了最好的結果，硅薄膜外延生長，厚度可達2.5 m。在一些襯底上(例如在硅(311)晶片上)，僅在沉積過程開始時觀察到外延生長。在達到一定的臨界厚度后，生長變?yōu)榧毦L。在硅(110)和硅(111)晶片上，沒有觀察到外延生長。

我們不僅在硅晶片上，而且在多晶硅種子層上生長了硅膜。圖3顯示了在種子層/玻璃結構上于560℃生長的400納米厚的硅膜的透射電子顯微鏡(TEM)截面。顯示了兩個種子層晶粒(標記了相應的晶界)。這些顆粒的表面取向已經(jīng)通過電子衍射圖的分析確定。右手邊的紋理表面是(100)取向的。這個晶粒已經(jīng)外延增厚。左側(cè)的顆粒表面相對于(100)傾斜了7.8°。在這個晶粒上生長了細晶硅。這清楚地表明，相對于(100)的相對小的傾斜已經(jīng)可以導致硅的精細晶體生長。這意味著不是所有相對于(100)傾斜小于20°的種子層表面都可以外延增厚。

圖3用ECRCVD在560°C（無硼摻雜）下生長的400nm厚Si薄膜的透射電子顯微鏡(TEM)

總結

本文描述了用“種子層概念”在玻璃上制備大晶粒多晶硅薄膜的方法。我們研究了通過“正?！焙汀胺聪颉盇LILE過程制備種子層。已經(jīng)表明，滲透膜在控制加工時間、成核密度(即晶粒尺寸)和優(yōu)先(100)取向方面起著重要作用。因此，這是進一步優(yōu)化種子層的關鍵因素。已經(jīng)強調(diào)了種子層的高優(yōu)先(100)取向?qū)τ陔S后在低溫下外延生長的重要性。根據(jù)我們的定義，到目前為止，我們觀察到的優(yōu)先(100)取向高達75 %和85 %“正?！焙汀澳妗盇LILE過程。這必須進一步優(yōu)化，因為通過電子回旋共振化學氣相沉積法生長硅強烈依賴于下面晶粒的取向。

用硅晶片研究了硅生長與襯底取向的關系。利用刻蝕實驗，我們研究了在硅(100)晶片上外延生長的硅薄膜的結構質(zhì)量。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并部分識別了幾種類型的蝕刻坑。實驗清楚地表明，必須改善外延生長，甚至在硅(100)表面上。我們已經(jīng)通過電子逆向化學氣相沉積在由“正?！盇LILE工藝制備的種子層上生長硅。大約83 %的表面已經(jīng)外延增厚。這也需要加強。鋁從籽晶層和玻璃襯底擴散到吸收層似乎對太陽能電池的發(fā)展沒有問題。利用“種子層概念”，已經(jīng)制備了第一批太陽能電池。通過未經(jīng)優(yōu)化的硼摻雜，我們達到了284毫伏的生長開路電壓。應用缺陷退火和缺陷鈍化，預計Voc會顯著改善。在玻璃上制備適用于高效薄膜太陽能電池的大晶粒多晶硅薄膜仍然是一大挑戰(zhàn)。

　　審核編輯：湯梓紅