用于全卷绕多孔硅形成的系统和方法与流程

日期:2019-05-16 04:57:40


本公开内容的实施方式一般地涉及半导体处理,并且更具体地涉及用于形成多孔硅层的方法和设备。



背景技术:

结晶硅(包括多晶硅和单晶硅)为市售太阳能光伏(PV)应用的最主要的吸收体材料,目前占据太阳能PV市场的远超80%。形成单晶硅膜和释放或传输生长的半导体(例如,单晶硅)层存在不同已知方法。无论什么方法,具有释放层形成的大量、高生产价值的低成本的方法的低成本的外延硅沉积工艺是广泛使用硅太阳能电池的先决条件。

多孔硅(Porous Sil1con;PS)形成是具有扩展应用前景的全新领域。多孔硅通过在电解液浴中适当掺杂来电化学蚀刻硅(SI)模板基板而生成。用于多孔硅的电解液为:氟化氢(HF)(通常H20中49%)、异丙醇(IPA)(和/或乙酸)和去离子水(DI H20)。IPA(和/或乙酸)在多孔硅的均匀形成中充当表面活性剂和助剂。额外添加剂诸如某些盐类可以用来增强电解液的导电性,从而通过减少因电阻损耗造成的热量损耗和功率损耗。

在MEMS和相关应用中多孔硅已经用作牺牲层,其中基板和所得产物要比太阳能PV具有更高的每单位面积的成本容限。通常,多孔硅在更为简单且更小的单基板电化学处理腔室上产生,更简单和更小单个基板电化学处理腔室在更小基板占用面积上具有相对低的产量。目前,并不存在允许高产量、有成本效益的多孔硅制造的市售多孔硅装置。在太阳能PV应用中的技术的可行性是取决于大规模(在更低成本下)工业化工艺的能力,从而需要发展非常低拥有成本、高生产力的多孔硅制造装置。

另一个主要成本为起始硅模板基板本身。起始硅模板基板可高度掺杂硼以控制多孔硅性质,诸如,例如厚度以及包括孔径大小、分布和密度的孔隙率。降低模板成本的一个方法为在从模板基板的顶部和底部剥除外延层后修复基板表面和解决边缘不规则问题后多次再使用模板。另外,基板边缘的部分在批量处理期间可不被阳极化,导致在基板边缘处没有多孔硅层形成。在基板边缘部分上形成的多孔硅层的缺失将外延层锁定在所述部分上。

为了重新使用具有不规则边缘的此类基板,必需花费额外成本进行额外边缘处理。常规边缘机械斜面和边缘抛光在基板制造时用来提供用于各种器件和集成电路的圆形半导体基板。这种方法在高产量的平滑边缘质量上已经非常成熟,然而,它相当地昂贵。对于PV应用,正方形基板通常用于处理PV单元,但是表面和边缘质量远次于圆形半导体基板。

因而,本发明人已提供了用于以减少的成本大量形成具有高产量的多孔硅层的方法和设备。



技术实现要素:

本文中提供了用于全卷绕多孔硅形成的方法和系统。在一些实施方式中,用于全卷绕多孔硅形成的基板保持器可以包括:主体,所述主体沿主体的第一边缘具有锥形开口,其中锥形开口被配置为释放在由基板保持器支撑的基板上的多孔硅形成期间产生的副产物气体;第一真空通道,所述第一真空通道形成于主体中并延伸至主体的第一表面;以及第一密封元件,所述第一密封元件设置在主体的第一表面上并流体耦接至第一真空通道,其中当基板设置在第一密封元件上时,第一密封元件支撑基板。

在一些实施方式中,用于全卷绕多孔硅形成的电化学反应系统可以包括:反应槽,所述反应槽被配置为储存液体化学溶液以阳极化一个或多个基板;多个基板保持器,所述多个基板保持器设置在反应槽中,每个保持器被配置为当基板设置在保持器上时经由真空卡紧力保持基板;第一电极,所述设置在反应槽的第一端部;第二电极,所述第二电极设置在反应槽的与第一端部相对的第二端部;以及化学溢流系统(chemical overflow system),所述化学溢流系统被配置为在基板处理期间收集溢流反应化学物质。

在一些实施方式中,用于全卷绕多孔硅的方法可以包括:将多个硅基板设置在对应多个基板保持器上,多个基板保持器设置在反应槽中,反应槽填充有电化学反应系统的氟化氢(HF)溶液;经由真空卡盘将多个硅基板中的每个保持在对应基板保持器的第一侧面上;使用设置在反应槽中的正电极和负电极提供穿过氟化氢(HF)溶液的电流;在多个硅基板中的每个的第一表面上形成第一多孔硅层,其中硅基板的第一表面面向负电极;重新定位多个硅基板中的每个以将硅基板的第二表面暴露于负电极下;以及在硅基板的第二表面上形成第二多孔硅层。

在下文描述了本公开内容的其他和进一步的外实施方式。

附图说明

通过参考附图中描述的本公开内容的说明性的实施方式,可以理解在上文简要概述并在下文更详细讨论的本公开内容的实施方式。然而,应当注意,附图仅示例了本公开内容的典型实施方式,并且因此不被视为限制本公开内容的范围,因为本公开内容可允许其他同等有效的实施方式。

图1A-1D描绘了根据本公开内容的一些实施方式的用于利用多孔硅完全覆盖基板表面的工艺和基板载体组件的总体概览。

图1E描绘了根据本公开内容的一些实施方式的用于利用多孔硅覆盖基板表面的基板载体组件的另一个实施方式。

图2描绘了根据本公开内容的一些实施方式的包括用于进行批量处理的多个基板载体组件的化学浴反应槽。

图3描绘了根据本公开内容的一些实施方式的基板保持器的俯视图。

图4和图5描绘了根据本公开内容的替代实施方式的用于利用多孔硅完全覆盖基板表面的工艺和双面式基板保持器。

图6描绘了根据本公开内容的一些实施方式的在化学浴中将多个基板传送至基板保持器的运输系统。

为了便于理解,在尽可能的情况下,使用相同参考数字来指示附图中共有的相同元件。附图不按比例绘制并且为清晰起见而可以简化。预期的是,一个实施方式的元件和特征可有利地并入其他实施方式,而不另外赘述。此外,在本文档中,诸如第一和第二、顶部和底部、前部和后部等的关系术语可仅用于将一个实体或动作与另一个实体或动作区分开来,而不必要求或暗示任何实际这种关系或在这种实体或动作之间的顺序。

具体实施方式

本文中提供了大量生产多孔硅制造工具和方法的实施方式。在至少一些实施方式中,本文中公开的创造性方法和设备可有利地在低成本下提供在整个基板表面具有完全的多孔硅层覆盖的高产量的多孔硅层,所述整个基板表面可以包括基板的前表面和后表面以及基板边缘斜面区域。另外,根据本公开内容的实施方式有利地增强了同时在模板基板两侧的多孔硅层的顶部上生成一个或多个外延层的可制造性。因此,本发明的实施方式有利地提高了外延产量,外延产量是用以生产PV外基板的拥有成本的主要部分。另外,根据本公开内容的实施方式提供改进边缘密封方法,所述改进边缘密封方法有利地避免了起始模板基板的低劣边缘质量的问题,以及尤其用以去除在基板边缘的顶端处的锁定的外延残余物的修复成本降低。

图1A-1D描绘了用于利用多孔硅完全覆盖所有基板表面的工艺和基板载体组件101的总体概览。这种工艺也称为全卷绕(All Wrap Around;AWA)多孔硅(Si)工艺。图1A描绘基板载体组件101,在一些实施方式中,基板载体组件包括基板102,基板设置在基板保持器110上,基板背面经由真空卡盘的一个或多个真空通道114以及密封元件112密封。真空通道114延伸至基板保持器110的基板支撑面。在一些实施方式中,真空通道114在基板保持器110的基板支撑面的周边周围设置。真空通道114被流体耦接至密封元件112。密封元件112通过真空卡紧力支撑和保持基板102。在一些实施方式中,静电卡盘(electrostat1c chuck;ESC)可以用于经由静电力而不是真空卡盘来保持基板。

基板102和基板保持器110可以在处理腔室或化学浴中使用。基板102具有第一表面104,第一表面104此处也称最初暴露于处理腔室或化学浴的处理环境的前表面。基板102也具有第二表面106,第二表面106此处也称最初不暴露于处理腔室或化学浴的处理环境的背表面。图1A描绘在任一多孔硅在前表面104或背表面106上形成/阳极化之前的基板102。

在图1B中,多孔硅层105在暴露的第一表面104(即,阳极化第一表面104)上形成而形成单面式多孔硅基板102。在一些实施方式中,多孔硅层105使用氢氟酸(HF)浴并且经由电极116、118将基板102的第一表面104暴露于电荷下而形成在基板102的第一表面104上。在一些实施方式中,多孔硅层105经由电极116(例如,阴极或带负电荷的电极)在经受负电荷的表面上形成。在一些实施方式中,多孔硅层105形成于所有暴露表面上(例如,前表面、端面和靠近基板102的超过密封元件112的边缘的一些背表面)。

在图1C中,来自图1B的单面式多孔硅基板102与作为暴露表面的未阳极化的硅第二表面106放置在一起(例如,翻转/转动基板102)。在图1D中,多孔硅层107在暴露的第二表面106上(即,阳极化第二表面106)形成而形成双面式多孔硅基板102。在一些实施方式中,使用上文关于图1B描述的相同工艺,多孔硅层107在基板102的第二表面106上形成。

在一些实施方式中,正面和背面多孔硅形成在不同的工艺槽中发生。每个槽的保持器的几何形状可以变化。具体地说,在图1A-1D中所示的基板保持器110可以用于在暴露的第一表面104上形成多孔硅层105。在图1A-1D中,基板远离保持器,并且暴露基板的斜面以允许电流流过表面,从而导致多孔硅形成。然而,在一些实施方式中,在图1E中所示的第二类基板保持器120可在第二槽中使用以在暴露的第二表面106上形成多孔硅层107。在图1E中,基板102凹陷到浅凹(shallow pocket)122中凹进使得流过斜面的电流最小化。这防止了多余多孔硅在基板的斜面上的生长。

图2描绘包括用于批量处理的多个基板载体组件101的电化学反应槽100(此处也称处理腔室或反应槽)。在一些实施方式中,基板102为p型或P++硅基板。在一些实施方式中,用于基板的基板p型掺杂剂具有大于1e7-8/cm3的硼体积。在一些实施方式中,基板102可为正方形或圆形基板。基板102通过真空卡紧在基板102的背面上而放置在阳极化电化学反应槽100中的液体化学溶液230中的保持器110上。在一些实施方式中,在电化学反应槽100中的化学溶液可由HF、异丙醇(IPA)和/或H20组成。在一些实施方式中,其他溶液也可用于阳极化/多孔硅形成,诸如HF/乙醇/去离子水(DIW)、HF/乙酸/DIW、HF/IPA、或HF/乙醇。

基板保持器110包括通向化学溶液230的锥形开口232,锥形开口232有利地允许氢副产物气体228在化学溶液中有效地向上释放以蒸发成空气,而有助于防止氢副产物气体228阻挡可能导致不均匀多孔硅层的阳极电流。在如图2所示的阳极化期间,氢副产物气体228气泡通过使化学溶液230溢流和在化学溶液230中循环而有效地释放。阳极电流由两个电极116、118提供。在一些实施方式中,电极116、118可由铂(Pt)形成。在其他实施方式中,电极116、118可由金刚石或类金刚石碳涂覆的掺杂硅、或具有金属背板的硼掺杂金刚石膜形成。在DC和/或AC中,电极116、118可以位于电化学反应槽100的两个端部。暴露于负电极的硅基板表面与HF反应以去除(即,蚀刻)硅原子。蚀刻工艺留下被称为孔的纳米大小空位。如图2所示,氢副产物气体228为在硅基板表面上方的阳极反应的副产物。在一些实施方式中,在阳极化的基板表面(例如,105和107)上形成的期望的孔厚度、孔密度(孔隙率)和孔大小可通过控制流过位于两个电极116、118之间的全部基板的阳极电流而在每个硅基板上均匀地形成。在一些实施方式中,基板102中的每个可由密封元件112彼此电隔离,以有助于控制流过位于两个电极116、118之间的全部基板的阳极电流。非导电密封元件112倾向于在槽的每个阶段之间流动传送,从而阻止电流绕过晶片。也就是说,相同多孔硅层可通过控制流过位于两个电极116、118之间的全部基板的阳极电流而在每个硅基板上形成。在一些实施方式中,多孔硅层可通过逆转定向电流而在每个基板的背面上形成。改变阳极电流或调制电流能够实现多孔硅的多个层的形成,多孔硅通常用作隔离层以使多孔硅层的顶部上的外延层剥离。

如图2所示,多个基板载体组件101(每个包括基板102和基板保持器110)设置在阳极浴(即,化学溶液230)中。穿过所有基板102提供相同电流,基板102通过经由密封元件112在每个基板保持器110处密封而彼此电隔离。密封元件112可由电绝缘材料形成。因此,多孔硅层105、107在朝向负电极116的表面上的基板102上以及包括锥形开口232的基板边缘区域上形成。在一些实施方式中,硅基板的背面的小部分(即,面向阳电极118的基板表面)被阳极化以形成多孔硅层。

氢副产物气体228气泡被形成为在基板两侧上的HF与硅之间的电化学反应的副产物,从而在基板表面上产生氢气。在一些实施方式中,氢副产物气体228气泡积聚在基板保持器110边缘与基板102之间的上部界面的角落处。所积聚的氢副产物气体228气泡凝聚成屏蔽电流流动的更大气泡,从而由于因氢气积聚而引起的屏蔽效应造成的电荷供应不足,产生具有较低密度的孔的更薄的多孔硅。为了减少由氢副产物气体228气泡引起的问题,基板保持器110的一侧为锥形开口232。在基板保持器110的上部处的锥形开口232允许氢副产物气体228气泡的更有效的通气。

图3描绘包括密封元件112、真空通道114和示出锥形开口232的基板保持器110的俯视图。在一些实施方式中,如图3中所示,密封元件112可为双密封环(例如,双O形环或扁平环)。尽管图3描绘用于保持正方形基板的正方形基板保持器110,但是其他形状基板保持器110和基板可与匹配密封元件(例如,圆形基板和保持器等等)一起使用。

在其他实施方式中,密封元件112为聚合物或橡胶泡沫的双环。橡胶泡沫密封件优于弹性O形环密封件,因为橡胶泡沫密封件需要低压缩力和因此更少的真空表面积。整个的密封件可被容纳在基板的边缘排除区域中,而不用于太阳能电池。这引起了活性区域中的更低EPI缺陷级。同时,小几何形状密封件减少保持器的电流掩蔽效应,使得基板可以在浴中紧密放置在一起而同时保持均匀电流分布。

在一些实施方式中,化学溢流系统250被包括在电化学反应槽100中,用于解决由积聚的氢副产物气体228气泡引起的问题。化学溢流系统250包括溢流接收器224,溢流接收器224具有设置在电化学反应槽100内的各个位置中的入口252。溢流接收器224收集溢流反应化学物质并将它们灌进溢流浴212。在一些实施方式中,溢流接收器正好位于浴下面。来自浴的每个节段的溢流保持隔离,因为它们溢出浴并下落至接收器。这最小化穿过溢流接收器的在浴节段与电极之间的漏电流路径。溢流反应化学物质被监测和处理成适当化学成分水平(下面讨论),并且由电阻泵送系统254从电化学反应槽100的底部穿过歧管210而返回到化学溶液230。在一些实施方式中,电阻泵送系统254包括泵216、阀门218、导管220、歧管210和导管222。HF/IPA传感器和添加系统(spiking system)214用以控制HF/IPA化学物质合成速率。HF/IPA传感器和添加系统214包括监测化学溶液230和溢流浴212的感应监测器。基于化学溶液230和/或溢流浴212的所监测的化学物质水平,HF/IPA传感器和添加系统214将供应必要化学组分以保持化学溶液230和/或溢流浴212化学物质处于在期望水平下以形成均匀多孔硅层。电阻泵送系统254也用于在基板在电化学反应槽100中装卸时从浴倾泄化学物质。

在一些实施方式中,替代在保持器110上翻转基板102,如在图4和图5所示,可以使用双面式基板保持器410。双面式基板保持器410在保持器的每个侧面上包括密封元件412、413。密封元件412、413中的每个被耦接至真空通道414、415,以便提供保持基板102的真空卡紧力。以此方式,如图4所示,多孔硅层105形成在暴露的第一表面上(例如,面向负电极118的侧面)。在图5中,将基板102移动至双面式基板保持器410的另一面,并且逆转电极116、118的极性使得在图5中的左边上示出负电极。双面式基板保持器410提供双面真空卡紧,这种双面真空卡紧可独立地操作,并且基板首先放置在右边的保持器上以便在基板的面向负电极116的前面上形成单面式多孔硅层。阳极化基板未被机械指卡紧并且由机械指升降,转移至保持器的配备有另一卡紧系统的另一侧上。当改变电极极性时,如图5所示,阳极化基板的第二表面以形成多孔硅层。

图6描绘运输系统600,运输系统600将多个基板102运输至电化学反应槽100中的基板保持器110。所有基板102通过传送机械手602从载体604升高。每个基板必须由传送机械手602的手指固持,然而同时将多个基板传送进浴中以便增大产量。

在一些实施方式中,运输系统包括用于保持晶片的一套兼容端部执行器。兼容端部执行器被自动对准至基板保持器中的特征。这使得晶片精确定位至密封元件以确保良好密封,并精确定位至浴的壁以确保均匀电流流过基板斜面。这导致了多孔硅围绕基板的斜面均匀形成。兼容端部执行器使得相同装载机能够装载多个浴或相同浴中的多个位置,而不需要繁琐对准程序。

在一些实施方式中,基板保持器110包括柔性隔膜的在密封件外的区段。这个柔性区段允许端部执行器将基板压进密封件中,并且确保密封表面可以顺应于基板的平坦表面。在本实施方式的一些型式中,刚性板在装载期间按压保持器的背面以迫使密封平面平坦抵靠基板。在具有顺应性泡沫的密封件的实施方式中,大量压缩泡沫确保在装载期间的密封件的顺应性。

尽管前述内容涉及本发明的实施方式,但在不脱离本发明的基本范围的情况下,可以设计本发明的其他实施方式和进一步的实施方式。



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