纳米晶硅的形成方法技术

不具有非晶态潜伏层的纳米晶硅薄膜的形成由两个等离子体增强化学气相沉积（ＰＥＣＶＤ）阶段组成：动态平衡氢离子蚀刻准备阶段和其后真正的生长阶段。第一蚀刻阶段在一个基于硅薄膜的表面形成了一个由细小籽晶（晶核）构成的模板，为在生长阶段初始时期不形成非晶态和混相薄膜，而立即形成纳米晶硅做好了准备。具有明显的突变界面的纳米晶硅对于薄膜硅太阳能电池的良好转换效率十分重要。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于太阳能光伏发电材料领域，特别涉及到纳米晶硅薄膜的真空沉积技术。技术背景最近几年，光伏电池和大面积光伏模板(组件)的发展引起了世人的广泛关注。尤其是氢 化非晶硅和纳米晶硅，它们随着光伏器件在商业和住宅设施中的广泛应用，显示出巨大的潜力。在26(TC以下这样较低的温度下生产薄膜硅光伏器件一个显著特点是，大面积沉积的与 硅相关的半导体膜层和电接触膜层具有优良性能。同时，使用良好成熟的镀膜设备和程序， 可以工业化地制成低成本的模板。施加在同一基板上的不同薄膜的激光划线成型工艺(laser patterning)允许多个太阳能电池元件在薄膜沉积过程中直接形成集成式的大面积光伏模板， 减少了加工步骤也改善了产品的可靠性。光伏器件，也叫太阳能电池或光电转换器件，用来把辐射，比如太阳光、白炽光或者荧 光等转化成电能。这种转化是通过所谓的光伏(光电)效应产生的。当光线照射到光伏器件 时，被器件的活跃区域吸收，形成多个电子-空穴对，然后这些电子-空穴被器件的内置电场 隔开。太阳能电池是多膜层的器件，其中每层对于整个结构来说都有特定的功能。根据已知的 使用氢化非晶硅(a-Si)和氢化纳米晶硅(nc-Si)及其合金的太阳能电池的结构分析，内部电场是 在含有由非晶硅和/或纳米晶硅及其合金制成的p层、本征i层和n层的p-i-n的结构中产生 的。因此， 一个典型的薄膜硅太阳能电池包含一个掺杂型的外层，用来生成p层(正极和空 穴)和n层(负极和电子)，和一个中间层，该中间层由本征或非掺杂型的i型材料制成，通 常被称为i层。用作i层的材料通常是非掺杂的(本征)非晶硅，纳米晶硅或非晶硅锗(a-SiGe) 这样的硅合金。包含p型、i型和n型膜层的薄膜硅太阳能电池及相关大面积光伏模板被称为 p-i-n型光伏电池。它们通常是在低温条件下通过等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)制成 的。掺杂型p层和n层在吸收层或者说i层中产生一个电场，把入射光转化成电能。将基于 硅的p-i-n型半导体膜层夹入导电薄膜电极之间，就制成了一个能够运作的太阳能电池。氢化纳米晶硅薄膜在光伏和平板显示器产业中应用广泛。硅网中含有仅仅几纳米(例如 2-30纳米)大小，细小晶粒的纳米晶硅材料，通常由某些化学气相沉积法(CVD)形成，例如辉 光放电或等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)。纳米晶硅通常必须在不利于晶态硅生长的外质或非晶态基板上形成。如附图所示，应用于太阳能电池中的纳米晶硅形成过程一般包括 首先在外质材料3上形成一个基于非晶硅的薄膜(或多个薄膜)6,然后通过晶核过程形成一个潜伏层7 (也被称为"引晶层"、"过渡层")，最后在引晶层上形成一个大面积的纳米晶硅 薄膜8。应用于光伏元件的一个例子是 一个硼掺杂的p型引晶层7在非晶硅碳p层6上形 成，而后一个非掺杂的纳米晶硅在引晶层7上形成，这个非掺杂的纳米晶硅就是纳米晶硅太 阳能电池的i层(吸收层)。使薄膜纳米晶硅光伏器件性能优良的关键是减少过渡层7的厚度， 最好厚度为零。因此，包含了纳米晶硅的硅薄膜光电器件更经济的生产具有两个基本要求第一，纳米晶态相必须(在短时间内)快速形成，不延长与从非晶结构到纳米晶态相的硅相演变有关的 引晶时间。非晶态潜伏层的厚度必须保持最小值以确保纳米晶硅薄膜器件的卓越性能，例如p-i-n型或者n-i-p型的太阳能电池中的转换层或吸收层(i层)。换句话说，形成纳米晶硅的 理想方法是在上述"基板"材料和纳米晶硅薄膜之间插入一个干净分明的界面。"基板"材料 可以是一个外质基板，例如玻璃或者透明导电氧化物，或者它可以是在纳米晶硅形成之前生 成的非晶硅合金薄膜。第二，使用便宜的、配置齐全的等离子体增强化学气象沉积设备、原 材料和操作程序，能够大面积均匀沉积的可靠、可再生方法。任何其它的程序和昂贵的设备 是不切实际的。一般来说，纳米晶硅材料对其生长条件和过程高度依赖在特定等离子条件下，在特定的 时间里，材料的性质取决于之前发生的状况。即纳米晶硅性质的生长演变很大程度上受薄膜 所生长的表面的影响。因此，当传统的氢化硅形成的方法被运用于直接在另一种材料(无籽 晶表面)上生成纳米晶硅时， 一个重要的过渡层(非晶态的或是混相的)在真正的纳米晶硅 材料生成前首先形成。换言之，早期阶段形成的材料经历了一个从非晶态到混相到纳米晶态 的相位转换过程。用不断生成氢化硅以生成纳米晶硅的传统方法不可避免的导致了在氢化硅 形成的最初阶段形成了非晶硅转换层，严重损害了需要最少过渡或转换材料的纳米晶硅薄膜 器件的性能。
技术实现思路
基于上述考虑，申请人拟订了本专利技术的首要目的提供一种在外质基板表面形成纳米晶 硅薄膜的方法。本专利技术的进一步目的是，提供一种形成具有最薄非晶硅过渡层(潜伏层)的纳米晶硅薄 膜的方法。本专利技术的另一个目的是，提供一种具有优越光电性能的纳米晶硅太阳能电池的制作方法。为了达到上述专利技术目的，本专利技术用由不同等离子体条件组成的两阶段等离子体过程 (PECVD)，将纳米晶硅实际生长阶段与出成核阶段分离开来，从而解决了潜伏层(incubation) 问题。第一阶段是一个几乎不产生薄膜沉积的准备阶段(晶核产生)，第二阶段才真正以相当 高的速率形成纳米晶硅薄膜。第一引晶阶段至关重要，这是在已形成的非晶硅薄膜表面进行动态平衡蚀刻操作的阶段。 主要使用含氢并含少量硅类的强烈等离子体，例如使用具有H2对SiH4高流量比率的H2+SiH4 气体混合物，在一些时段里维持木变，以至于在晶核被形成的物质表面，硅沉积和硅蚀刻接 近平衡(厚度近静态)。由等离子体生成的氢原子作为蚀刻剂。换句话说，气相(等离子体) 和籽晶表面之间的硅类在持续不断的交换。这使得表面(包括表面以下区域)硅网络有选择 地重新组建，从而引晶成核。因为相对于非晶态，纳米晶态具有更低的能态，等离子体的蚀 刻起到了促进其形成的作用，表面氢化硅层被迫转换成晶态相，原始表面的非晶态性质被蚀 刻掉。尽管真正的氢化硅薄膜没有形成(材料的厚度在引晶阶段没有增加)，但是被引晶的表 面有一个置换过程。实际上，即使在表面有真正的蚀刻现象，也就是，即使底层的厚度被等 离子体减小，引晶还是可以发生的(例如， 一个非晶硅辨膜作为底层)。关键是底层表面上具 有足够再沉积的硅种类以便原子结构向晶态相进化。在引晶阶段，当富含硅的薄膜在强烈等 离子体催化作用下(功率密度>200 mW/cm2)，縮减率(蚀刻率)非常低(<0.1 A/sec)时可获得最 好的成效。在本专利技术中，"蚀刻"不表示普通的表面材料移除的意思。更确切的是，"蚀刻"指的是 任何不增加薄膜厚度的情况，即使被蚀刻的材料厚度没有减小。实际上，本专利技术的最好体现 是正好在强烈富含氢的等离子体条件下，氢化硅薄膜的厚度既没有增加也没有减小。也就是， 硅类的沉积和蚀刻几乎正好平衡。我们主张以这样理想的平衡过程为后来的纳米晶硅形成生 产最快速的、最密集的、最有效的籽晶。因此，在本专利技术的两阶段纳米晶硅形成过程中，由 于实际上只有极少的薄膜被等离子体移除(蚀刻)，第一阶段最好被描述成"准蚀刻"阶段， 而并非真正意义上的蚀刻。第一近平衡等离子体蚀刻的引晶阶段之后， 一个标准的纳米晶硅阶段(第二阶段)可以 在籽晶层之上继续本文档来自技高网...

【技术保护点】
一个纳米晶硅薄膜的制作方法。所述的纳米晶硅薄膜是由氢气占大部分体积的，并含有少量含硅气体的源气体混合物用等离子体增强化学气相沉积法在等离子体功率密度不低于１５０ｍＷ／ｃｍ↑［２］，沉积室气压不小于１ｍｂａｒ的情况下形成的。其特征在于：形成的纳米晶硅几乎没有非晶态潜伏层，其原因是如下两个截然不同的等离子体处理阶段依序进行：　　　　ａ）晶核阶段，在已形成的薄膜硅包括非晶硅和非晶硅碳合金上操作。其特征在于：因为硅类在基板表面的沉积和非常强的等离子体蚀刻趋于平衡，几乎没有薄膜形成，薄膜生长或蚀刻率不高于２纳米／分，所述晶核阶段的持续时间不超过１０分钟；　　　　ｂ）生长阶段，在晶核阶段之后立即进行。其特征在于：纳米晶硅薄膜马上直接地、以高于６纳米／分（１＊／ｓｅｃ）的速率形成。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李沅民，马昕，
申请(专利权)人：北京行者多媒体科技有限公司，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]