TWI416625B - 電漿蝕刻裝置及以該裝置選擇摻雜區或接觸區的半導體製程方法 - Google Patents

Description

電漿蝕刻裝置及以該裝置選擇摻雜區或接觸區的半導體製程方法

本發明係關於一種電漿蝕刻裝置及以該裝置選擇摻雜區的半導體製程方法，特別是針對太陽能電池選擇性射極(selective emitter)及背電極(back contact)結構的製備方法。

近年來，由於環保意識的抬頭和其他能源逐漸的枯竭，使得世界各國開始重視再生能源的利用。由於太陽光是取之不盡，用之不竭的天然能源，除了沒有能源耗盡的問題之外，也可以避免能源被壟斷的問題。

然而，目前太陽能電池的光電轉換效率以及其製造成本，還未滿足取代目前石化能源的條件，因此，如何增加太陽能源的收集與利用，以降低對石化能源的依賴，是目前最熱門的研究課題之一。

請參考圖1A~1G，為習知的太陽能電池製程的剖面示意圖。首先提供一半導體基材1，經過清洗後，將晶圓表面的雜質及污染物去除，如圖1A。接著，以酸液將基材1表面蝕刻成粗糙面，降低入射光之反射率，使入射光能得以充分利用，如圖1B。

接著請參照圖1C，一P型半導體基材1，在一含氧氣氛導入含N型導電性雜質的氣體，例如：P₂ O₅ 、PH₃ 或PF₃ 之退火爐管進行雜質擴散製程，以形成一摻雜層10於P型半導體基材1上，產生光電轉換效應所需的P-N介面。與此同時，在N型區域10表層也會同時形成一磷的氧化層11(P₂ O₅ )，因此，在下一步驟中，需再以蝕刻移除。否則以後續製程形成電極後，會增加電極與摻雜層10的串聯電阻，如圖1D所示。

接著，請參照圖1E，為了提高光的轉換效率，一層抗反射層13被形成於摻雜層10上，緊接著在圖1F中顯示利用一刮棒16以網印方式將金屬漿料14印製於預定位置。最後，以燒結方式，使金屬漿料14穿透正面抗反射層13並滲入半導體基材1表層的摻雜層10緊密結合，以形成電極來使電流導出，如圖1G所示。

一般說來，太陽能電池電極14下方的摻雜層10內導電性雜質摻雜濃度愈高，愈能形成良好的歐姆接觸，將電流導出。然而，重摻雜雖然可以降低電極14與摻雜層10的串聯電阻，卻會提高電子和電洞(hole)再復合(recombination)的機率而降低光電轉換效率。

為了提高太陽能電池的光電轉換效率，目前又發展了具有選擇性射極(selective emitter)及背電極(back contact)結構的太陽能電池。上述兩種太陽能電池在進行擴散摻雜的製程時，都需要先定義摻雜的區域。

比如，具有選擇性射極(selective emitter)結構的太陽能電池中，只加重在金屬電極下方的摻雜濃度，電極導線外的吸光面則是輕摻雜的，以減少電子-電洞對再復合的機會。

而具有背電極(back contact)結構的太陽能電池是直接將P-N電極製備於太陽能電池基板背面，所以，在製備過程中，要在太陽能電池基板背面分別定義出P或N型導電性雜質的摻雜區。此種太陽能電池的優點是吸光面沒有金屬遮蔽效應的問題，也不用擔心摻雜層內電子-電洞對再復合機率過高，而造成光電轉換效率降低。

習知的技術是採用雷射來輔助形成重摻雜區，或是在網印金屬漿料時，添加欲摻雜的雜質，如：磷的化合物於金屬漿料中。使金屬漿料被燒結，穿透抗反射層與半導體基材結合時，同時將磷摻入半導體基材中。

然而，雷射輔助摻雜成本高，且製程時間長；而在網印及燒結形成電極的製程同時做摻雜的動作，其製程參數不易控制，難以兼顧歐姆接觸的效果及摻雜的濃度。

有鑒於此，開發新的設備及製程方法，應用於需要選區摻雜技術的太陽能電池製程，為當前重要的研發課題之一。

有鑒於上述課題，本發明之目的係提供一種電漿蝕刻裝置，可針對一鍍有抗反射層或隔絕層的半導體基材預設的區域進行選擇性蝕刻，以定義出後續進行摻雜的區域或接觸區，其特徵在於，電漿蝕刻裝置包括一選擇性蝕刻遮板，當進行蝕刻製程時，以選擇性蝕刻遮板為罩冪，對半導體基材進行非等向性蝕刻，產生一開放迴路圖案。

本發明之另一目的是提供一種以選擇性蝕刻遮板選擇摻雜區的半導體製程方法，包括：提供一摻雜第一型導電性雜質的半導體基材；形成一抗反射層或隔絕層於半導體基材表面；對半導體基材施以一非等向性蝕刻，以一選擇性蝕刻遮板為罩冪，以產生一蝕刻圖案；及施以一擴散製程，以第二型導電性雜質為擴散雜質，用以在半導體基材表層蝕刻圖案開口形成摻雜區。

如果要形成太陽能電池背電極，則半導體基材需要先完成清潔、粗糙化處理(surface texturing)，並且，半導體基材正面形成第一型導電性雜質重摻雜層。而對半導體基材進行非等向性蝕刻時，是針對在半導體基材背面進行此一蝕刻製程，並且，形成摻雜區之後，網印金屬漿料於摻雜區，施以一燒結處理，以使金屬漿料形成電極。

若要形成太陽能電池選擇性射極結構，則將抗反射層形成於半導體基材正面，且抗反射層厚度大約30 nm至50 nm，以在施以該擴散製程之後，於抗反射層下方形成一輕摻雜區，在蝕刻圖案開口形成一重摻雜區。最後，網印金屬漿料於蝕刻圖案開口，施以一燒結處理，使金屬漿料形成電極。

另一種方式，是在半導體基材鍍抗反射層之前，對半導體基材正面進行第一次擴散製程，以第二型導電性雜質為擴散雜質，在半導體基材表層形成一輕摻雜層，使得施以擴散製程之後，於蝕刻圖案開口的半導體基材表層形成重摻雜區，之後同樣以網印金屬漿料的方式在重摻雜區形成電極。其中，蝕刻圖案開口係為在半導體基材上預定形成匯流排(bus bar)及柵線(grid line)的位置。

第三種形成太陽能電池選擇性射極結構的方式，係針對半導體基材正面形成抗反射層及進行非等向性蝕刻，並且，對半導體基材進行擴散製程時，係網印一含有第二型導電性雜質化合物的金屬漿料於蝕刻圖案開口，並施以一燒結處理，使金屬漿料中所含的第二型導電性雜質擴散進入半導體表層的輕摻雜層，在形成重摻雜區的同時形成電極。

本發明所提供的電漿蝕刻裝置不但方法簡便，成本低廉，並且，容易和現有太陽能製程整合在一起，產生多種應用方式。關於本發明的優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。

為使本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文依本發明電漿蝕刻裝置及其應用於選擇摻雜區或接觸區的半導體製程的方法，特舉較佳實施例，並配合所附相關圖式，作詳細說明如下，其中相同的元件將以相同的元件符號加以說明。要說明的是，圖中各區域尺寸比例僅為方便指明相對位置，而非實際結構之放大。

請參照圖2A，本發明的電漿蝕刻裝置2，可針對一鍍有抗反射層或隔絕層的半導體基材預設的區域進行選擇性蝕刻以定義出摻雜區或接觸區。本發明電漿蝕刻裝置2的特徵在於使用一選擇性蝕刻遮板21。當進行蝕刻製程時，以選擇性蝕刻遮板21為罩冪，對半導體基材23進行非等向性蝕刻，產生一開放圖案開口。

選擇性蝕刻遮板21表面需選擇抗蝕刻的材料，在本發明實施例中，選擇性蝕刻遮板21的材質選自單晶矽、鐵氟龍鍍膜、氧化鋁鍍膜其中之一種。選擇性蝕刻遮板21所定義的圖案可以依照製程的需求來設計。

本發明的電漿蝕刻裝置2包括一反應室20，反應室內包括一載台22、一冷卻裝置24、一極板25及一端點偵測器26。極板25與一射頻電源相連接，在氣體通入時，由射頻電源對極板25加偏壓以產生電漿。載台22用來承載半導體基材23，且在載台22中並設置冷卻裝置24。端點偵測器26設置於反應室20側壁，係用來回饋製程的時間。而選擇性蝕刻遮板21與半導體基材23之間距可依實際蝕刻結果做調整。

電漿蝕刻裝置2也可以同時針對複數片半導體基材23做處理。只要改變載台22的尺寸，使之能夠承載多片基材，並於選擇性蝕刻遮板21定義多個重複的蝕刻圖案，一一對準不同的半導體基材，就可以讓多個半導體基材23同步進行蝕刻。

請參照圖2B，為本發明一實施例選擇性蝕刻遮板21的俯視示意圖。在本實施例中，係配合太陽能電池背電極的製程，將選擇性蝕刻遮板21的圖案定義成具有複數根梳齒的梳狀圖案開口210，梳齒之間具有一預定距離，使後續要進行擴散製程時，擴散的區域不至於相互重疊。

若要在半導體基材23表面形成封閉迴路圖案，可將蝕刻製程分為兩個階段，並在兩次蝕刻製程中使用兩個不同的選擇性蝕刻遮板做為罩冪。

圖3A及圖3B中分別為第一選擇性蝕刻遮板21a及第二選擇性蝕刻遮板21b的俯視示意圖。本實施例中，是配合太陽能電池選擇性射極(selective emitter)結構的製程，將第一及第二選擇性蝕刻遮板21a、21b的圖案分別定義為匯流排(bus bar)及柵線(grid line)圖案212、214，即代表在後續製程中將要形成匯流排及柵線的位置。應用選擇性蝕刻遮板於製程的方法將於後文詳細描述。

當然，匯流排及柵線的位置會依據美觀需求做不同的調整，所以，選擇性蝕刻遮板所定義的圖案也可以因應匯流排及柵線的位置做不同的變化，並不限於本實施例中所採用的圖案。

兩階段的製程可以在同一個反應室中，以更換選擇性蝕刻遮板的方式完成。在另一較佳實施例中，如圖3C所示，電漿蝕刻裝置2可以包括一第一反應室20a、一第二反應室20b及一傳輸裝置27。第一及第二選擇性蝕刻遮板21a、21b分別設置於第一反應室20a及第二反應室20b內。半導體基材23在第一反應室20a完成第一階段蝕刻製程之後，再由傳輸裝置27傳送至第二反應室20b來完成第二階段蝕刻製程。

本發明並提供以選擇性蝕刻遮板選擇摻雜區的半導體製程方法，包括下列步驟。首先，提供一摻雜第一型導電性雜質的半導體基材。形成一抗反射層或隔絕層於半導體基材表面之後，對半導體基材施以一非等向性蝕刻，以前述的選擇性蝕刻遮板為罩冪，產生一蝕刻圖案開口。最後，施以一擴散製程，以第二型導電性雜質為擴散雜質，用以在半導體基材表層蝕刻圖案開口形成摻雜區。

此處以形成太陽能電池背電極及選擇性射極結構的製程為實施例。請參照圖4A至圖4F，為太陽能電池背電極的製備流程圖。

請參照圖4A，首先，提供一N型或P型導電性雜質的半導體基材，在本實施例中，半導體基材摻雜N型導電性雜質，並已完成清潔、粗糙化處理(surface texturing)。

半導體基材40正面形成N型導電性雜質重摻雜層41，以提升光電轉換效應。為了增加太陽能電池的光使用效率，半導體基材40的正面鍍有抗反射層42，抗反射層的材料可選自二氧化矽(SiO₂ )、二氧化鈦(TiO₂ )、氮化矽(Si₃ N₄ )及其組成的群組其中之一種。通常在正面形成抗反射層時，也同時會在半導體基材40背面形成。

圖4B顯示對半導體基材40背面施行一非等向性蝕刻。本發明實施例中，以圖2B之選擇性蝕刻遮板為罩冪，於基材背面產生一蝕刻圖案420。

接著，請參照圖4C，對半導體基材40背面進行P型導電性雜質擴散製程，使位於蝕刻圖案開口420的半導體基材表層形成P型導電性雜質摻雜區43。

請參照圖4D及圖4E，網印金屬漿料44、45於半導體基材40背面的摻雜區43及蝕刻圖案開口420以外的區域。

最後，施以一燒結處理，如圖4F，金屬漿料44、45，滲入半導體基材40表層，分別形成連接P及N型導電性雜質半導體基材的電極，產生太陽能電池的背電極結構。

另一實施例是製備太陽能電池選擇性射極結構的流程圖，請參照圖5A至圖5I。

如5A所示，同樣先提供一摻雜P或N型導電性雜質的半導體基材，本發明實施例中，係提供一P型半導體基材50。半導體基材50經過清洗(wafer cleaning)，去除附著於晶片表面的微粒及髒污。在太陽能電池的製程中，常使用的溶液是氫氧化鈉(sodium hydroxide；NaOH)或氫氧化鉀(potassium hydroxide；KOH)。且P型半導體基材50經過粗糙化處理(surface texturing)，使其表面產生大小不一的散亂分布金字塔結構粗糙面。

請參照圖5B，對半導體基材50進行N型導電性雜質擴散製程，以在半導體基材50表層形成一輕摻雜層51。此擴散製程是在退火爐管中，導入含N型導電性雜質的氣體，例如：P₂ O₅ 、PH₃ 或PF₃ 來進行雜質擴散製程。

而在此一製程中，也同時會形成一磷氧化層(P₂ O₅ )於P型半導體基材50的表面上，但緊接著即以濕式蝕刻的方式將殘餘在半導體基材50表面的磷氧化層501移除，以減少電子-電洞的再復合(recombination)效應，如圖5C。

為了增加太陽能電池的光使用效率，形成一抗反射層52於半導體基材50表面，如圖5D。

請參照圖5E，對半導體基材50施行一非等向性蝕刻，以一選擇性蝕刻遮板為罩冪，以產生一蝕刻圖案開口520。與前一製程實施例不同的是，本實施例中的非等向性蝕刻分為兩階段進行，使用如圖3C中多反應室的電漿蝕刻裝置。本實施例中，在經過兩階段非等向性蝕刻製程之後，蝕刻圖案開口520為一封閉迴路圖案開口，即為前述圖3A及圖3B的蝕刻圖案開口以一預設角度疊合而成。其中，封閉迴路圖案開口係為在半導體基材上預定形成匯流排(bus bar)及柵線(grid line)的位置。

接著，進行一擴散製程，以在蝕刻圖案開口520行成重摻雜區。本實施例中的擴散製程可以採用兩種方式。第一種如圖5F至圖5G所示，直接將含N型導電性雜質化合物，比如：高摻雜磷之矽微粒(P doped Si nano particle)的金屬漿料54網印至圖案開口520。並施以一燒結處理，使金屬漿料中的N型導電性雜質擴散至半導體基材50內部，在蝕刻圖案開口520形成重摻雜區53，並同時形成電極。

當然，若半導體基材50是摻雜N型導電性雜質，則只要改用含P型導電性雜質的化合物的金屬漿料即可，如：鋁、高摻雜硼之矽微粒。

金屬漿料在燒結時，既形成電極54，又形成重摻雜區53，相較於習知技術而言，本發明實施例中金屬漿料不需要穿透抗反射層才能接觸到半導體基材50，減少了變因，降低了製程控制的複雜程度。

儘管如此，重摻雜區中的雜質濃度仍然較不易控制，有可能影響太陽能電池的光轉換效率。所以在另一較佳實施例中，是在進行非等向性蝕刻製程之後，於退火爐管中，再施以一第二次擴散製程，用以在蝕刻圖案開口520形成重摻雜區53，如圖5H。

最後，再網印金屬漿料54於重摻雜區53，並施以燒結處理，形成太陽能電池選擇性射極(selective emitter)結構，如圖5I。

但是，進行兩次擴散製程畢竟增加了製程的複雜程度，所以本發明更提供另一實施例，使太陽能電池選擇性射極的製備流程中，不需透過含有雜質化合物的金屬漿料來進行重摻雜，但是僅需要做一次擴散製程或離子植入，就能解決摻雜濃度不易控制的問題，同時也降低製程的複雜程度。

請參照圖6A至6F。本實施例和前一實施例不同之處在於，在摻雜N型導電性雜質於半導體基材60之前，先形成一抗反射層62於半導體基材60表面，如圖6B，並進行非等向性蝕刻製程，以形成蝕刻圖案開口620，如圖6C。接著，才對半導體基材進行N型導電性雜質擴散製程，如圖6D。

要特別注意的是，在習知的太陽能電池製程中，抗反射層的厚度大約80 nm至100nm，但在本發明實施例中，抗反射層的厚度大約30 nm至50 nm。

這是為了在後續進行擴散製程時或另外施以一離子植入製程時，使N型導電性雜質仍然能夠穿過抗反射層62，擴散或植入至抗反射層62下方的半導體基材60，形成輕摻雜層61。而位於蝕刻圖案開口620的區域，雜質原子擴散沒有任何阻障層，因此，會形成一重摻雜區63，如圖6E。

最後同樣網印金屬漿料64於蝕刻圖案開口620，並施以一燒結處理，以使金屬漿料64在重摻雜區形成電極。

綜上所述，本發明所提供的電漿蝕刻裝置及其應用於形成太陽能電池選擇性射極(selective emitter)及背電極(back contact)結構的方法，相較於習知技術而言具有下列優點：

(1)方法簡便，成本低廉，容易和現有製程整合。本發明中只要在電漿蝕刻裝置中，增設一選擇性蝕刻遮板，就能夠只針對預設的位置進行蝕刻。應用在定義太陽能電池選擇性射極(selective emitter)及背電極(back contact)結構時，不但製程方法簡單，且成本低，也容易和現有太陽能電池製程整合在一起，產生不同的應用。

(2)選擇型電漿蝕刻裝置可使多片半導體基材同步進行蝕刻製程，有利於大量生產。

(3)由於選擇性蝕刻遮板的圖案會對應到太陽能電池基板表面將要形成電極的位置。所以，為了使建築物美觀，而在太陽能電池基板表面做出不同的花紋設計時，選擇性蝕刻遮板的圖案在製備時也需配合作變更。但本發明中的選擇性蝕刻遮板圖案製備十分容易，所以即使要因應太陽能電池基板表面電極的分布做變更時，不需要耗費太多成本，即可達到上述需求。

本發明雖以較佳實例闡明如上，然其並非用以限定本發明精神與發明實體僅止於上述實施例。凡熟悉此項技術者，當可輕易了解並利用其它元件或方式來產生相同的功效。是以，在不脫離本發明之精神與範疇內所作之修改，均應包含在下述之申請專利範圍內。

1、23、40、50、60．．．半導體基材

10、41、51、61．．．輕摻雜層

11、510．．．雜質氧化層

13、42、52、62．．．抗反射層

420、520、602．．．蝕刻圖案開口

12、43、53、63．．．重摻雜區

14、44、45、54、64．．．金屬漿料

16．．．刮棒

2．．．電漿蝕刻裝置

20．．．反應室

21．．．選擇性蝕刻遮板

210．．．梳狀圖案開口

22．．．載台

24．．．冷卻裝置

25．．．極板

26．．．端點偵測器

27．．．傳輸裝置

20a．．．第一反應室

20b．．．第二反應室

21a．．．第一選擇性蝕刻遮板

21b．．．第二選擇性蝕刻遮板

212．．．匯流排圖案開口

214．．．柵線圖案開口

圖1A至1G顯示習知的太陽能電池製程的示意圖；

圖2A顯示本發明實施例電漿蝕刻裝置之剖面示意圖；

圖2B顯示本發明實施例選擇性蝕刻遮板俯視示意圖；

圖3A及圖3B顯示本發明另一實施例選擇性遮板俯視示意圖；

圖3C顯示本發明另一實施例電漿蝕刻裝置之示意圖；

圖4A至圖4F顯示本發明電漿蝕刻裝置應用於半導體製程之流程示意圖；

圖5A至圖5I顯示本發明電漿蝕刻裝置應用於半導體製程之流程示意圖；及

圖6A至圖6E顯示本發明電漿蝕刻裝置應用於半導體製程之流程示意圖。

2．．．電漿蝕刻裝置

20．．．反應室

21．．．選擇性蝕刻遮板

22．．．載台

24．．．冷卻裝置

25．．．極板

26．．．端點偵測器

Claims (12)

1. 一種電漿蝕刻裝置，可針對一鍍有抗反射層或隔絕層的半導體基材進行選擇性蝕刻，以定義出摻雜區或接觸區，其特徵在於該電漿蝕刻裝置包括一選擇性蝕刻遮板，當進行蝕刻製程時，以該選擇性蝕刻遮板為罩冪，對該半導體基材進行非等向性蝕刻，產生一開放圖案開口。
2. 如申請專利範圍第1項所述的電漿蝕刻裝置，該選擇性蝕刻遮板的材質選自單晶矽、鐵氟龍鍍膜、氧化鋁鍍膜其中之一種。
3. 如申請專利範圍第1項所述的電漿蝕刻裝置，該電漿蝕刻裝置更包括一第二選擇性蝕刻遮板，具有一第二開放迴路圖案，分別以該選擇性蝕刻遮板及該第二選擇性蝕刻遮板為罩冪，對該半導體基材進行二次蝕刻製程之後，產生一封閉迴路的圖案。
4. 一種以選擇性蝕刻遮板選擇摻雜區的半導體製程方法，該方法包括：提供一摻雜第一型導電性雜質的半導體基材；形成一抗反射層或隔絕層於該半導體基材表面；對該半導體基材施以一非等向性蝕刻，以一選擇性蝕刻遮板為罩冪，以產生一蝕刻圖案開口；及施以一擴散製程，以第二型導電性雜質為擴散雜質，用以在該半導體基材表層該蝕刻圖案開口形成摻雜區。
5. 如申請專利範圍第4項所述的方法，形成該抗反射層於該半導體基材正面，該抗反射層厚度大約30 nm至50 nm，以在施以該擴散製程或另外施以一離子植入製程之後，於該抗反射層下方形成一輕摻雜區，在該蝕刻圖案開口形成一重摻雜區，該方法更包括：網印金屬漿料於該蝕刻圖案開口，並且，施以一燒結處理，使該金屬漿料形成電極，產生太陽能選擇性射極結構。
6. 如申請專利範圍第4項所述的方法，該半導體基材在形成抗反射層之前，完成清潔、粗糙化處理(surface texturing)，並且，於該半導體基材正面形成一第一型導電性雜質重摻雜層。
7. 如申請專利範圍第6項所述的方法，係針對該半導體基材背面施以一非等向性蝕刻製程，並且，該半導體基材的該蝕刻圖案開口形成摻雜區之後，更包括網印金屬漿料於該半導體基材的摻雜區及該蝕刻圖案開口以外的區域，並施以一燒結處理，以使該金屬漿料形成太陽能電池的背電極。
8. 如申請專利範圍第7項所述的方法，其中，該蝕刻圖案開口係為一梳狀圖案開口，具有複數根梳齒，梳齒之間具有一預定距離。
9. 如申請專利範圍第4項所述的方法，其中，在該半導體基材鍍抗反射層之前，對該半導體基材正面進行第一次擴散製程，以第二型導電性雜質為擴散雜質，在該半導體基材表層形成一輕摻雜層。
10. 如申請專利範圍第9項所述的方法，其中，係針對該半導體基材正面形成該抗反射層及進行該非等向性蝕刻，並且，對該半導體基材進行該非等向性蝕刻時，更包括：以一第二選擇性蝕刻遮板為罩冪，對該半導體基材進行第二次非等向性蝕刻，使該蝕刻圖案開口形成一封閉迴路圖案開口，使得施以該擴散製程之後，於該封閉迴路圖案開口的該半導體基材表層形成重摻雜區；及網印金屬漿料於該重摻雜區，並施以一燒結處理，以使該金屬漿料在該重摻雜區形成電極，產生太陽能電池選擇性射極(selective emitter)結構。
11. 如申請專利範圍第10項所述的方法，其中，該封閉迴路圖案開口係為在該半導體基材上預定形成匯流排(bus bar)及柵線(grid line)的位置。
12. 如申請專利範圍第9項所述的方法，其中，係針對該半導體基材正面形成該抗反射層及進行該非等向性蝕刻，並且，對該半導體基材進行該擴散製程時，係網印一含有第二型導電性雜質化合物的金屬漿料於該蝕刻圖案開口，並施以一燒結處理，使該金屬漿料中所含的第二型導電性雜質擴散進入該半導體表層的輕摻雜層，形成重摻雜區，同時形成電極。