一种制作硅晶磊晶层的方法及相关的晶硅基板结构技术

一种制作硅晶磊晶层的方法，利用一种已知的网板印刷技术，将一种金属浆料均匀的涂布在晶硅基板的至少一个全表面上，并以一种传送速度通过高温隧道窑，使得浆料与结晶硅以一种液相磊晶的过程，在晶硅基板上长出一层硅晶磊晶薄膜；调节金属浆料配方中的掺杂元素的组成份，可以控制此硅晶层的导电极性为P型或N型半导体；利用此方法，本发明专利技术揭露一种具有掺杂磊晶层的晶硅基板。

【技术实现步骤摘要】
一种制作硅晶磊晶层的方法及相关的晶硅基板结构
本专利技术属结晶硅半导体薄膜生长技术的领域。本案利用网板印刷技术，成功的在晶硅基板表面生长一层硅晶磊晶层，藉由本专利技术的制程技术，可以在硅晶基板的表面上调适此硅晶基板的表面特性；例如，掺杂的种类、含量，导电极性(P型或N型的导电极性)及结晶缺陷的控制…等，使分别适合于硅晶型太阳能电池、硅二极体、硅电晶体、硅闸流体…等硅晶半导体元器件的应用场合。本案实施的制程设备，为工业化量产的标准设备，具有成本优势，方法亦极为简单可行，本案以硅晶型太阳能电池的制作为例，具体说明之。
技术介绍
随着储藏的原油逐渐枯竭，取代能源的发展已经是一股潮流，其中核能发电虽然仍是主流，但是预计至西元2020年，全世界利用太阳能发电将达到100GWp的总发电能量的布局，而发展将近60年的硅晶型太阳能电池，占有目前全部太阳能电池市场九成以上的市占率，基于硅乃是世界上最丰富的矿藏，约为地壳组成份的26％，以硅晶型太阳能电池现在拥有的量产化制程及规模，加上该产业能够逐一克服技术屏障，提高发电效率的驱势，预计硅晶型太阳能电池未来仍将扮演着太阳能发电的主要角色。目前大量制造的硅晶型太阳能电池产业，对于提高效率的方法都以能够符合所谓的GridParity的精神来实施，因此即便实验室已经证实可行的高效率结构，一时也都无法进入生产线大量制造，但是这些提高效率的实验室论证，却仍是量产化硅晶型太阳能电池业界引为改善效率的指导方向，例如降低硅晶型太阳能电池背表面的电子固结速度(BSRV，BackSideRecombinationVelocity，或者以Seff(cm/s)表示之)以提高效率即是一个明显的例证；现行量产化的硅晶型太阳能电池制程中，利用印刷技术将一种由金属铝粉、玻璃微粒、有机物树脂、溶剂及各式添加物混炼成的导电铝浆披覆于硅晶基板背面，经过高温烧结而产生了铝背场(Al-BSF)，就是基于此实验室论证，将表面的电子固结速度降低，提高效率的一种例证。然而此种铝背场(Al-BSF)经长年的实施，所能提供的BSRV值虽然已经大幅改善，但是一般仍高于400cm/s，而且对于制造大尺寸且日趋薄化的硅晶型太阳能电池，此铝背场容易造成晶片翘曲的问题十分严重，使得后续的模组生产容易压裂、破损，造成相当多的困扰。针对改善现阶段铝背场电子固结速度，D.S.Kim等人指出一种利用高温硼(Boron)扩散制程的硼背场(B-BSF)可以改善此问题(J.Electrochem.Soc.,Volume157,Issue6,pp.H684-H687(2010))，其研究报告指出，效率高达19.7％硅晶型太阳能电池是可行的，只是该实验的电池结构与现行量产的电池结构并不一致，需要利用黄光微影(PHOTO-LITHOGRAPHY)制程；正、背金属电极也不是一般已知的印刷制程可以制作的，在现行的硅晶型太阳能电池生产线难以立即采用此高温硼(Boron)扩散制程予以制作硼背场(B-BSF)应是十分明显的事实。另外根据FrankHuster所言(20thEuropeanPhotovoltaicSolarEnergyConferenceandExhibition,Barcelona,6-10June2005Pre-Print,2AO.2.1)，铝背场形成的过程，铝浆最终会在硅基板背表面上以铝硅共析合金(eutecticalloy)的金属形态固结，而大尺寸且日趋薄化的晶硅基板与这层铝硅合金层基于热膨胀性质(CTE)的巨大差异，的确是造成电池片翘曲的主要原因。FrankHuster将翘曲的太阳能电池片经过-20℃至-50℃的冷冻后，于室温下又会回复成平坦状态；此法值得进一步评估其引进量产制程的合适性，但是大部份的太阳能电池厂家都希望能有简易的解决办法，而不是增加制程的复杂性；导电铝浆供应厂家为此莫不伤透脑筋地调整配方希望达成客户的期望。另外，关于结晶硅太阳能电池降低成本的研究，方向几乎全部指向降低使用结晶硅原材料或开发替代性材料的各种措施。20年来德国、美国、日本等国家相关的研究中，较为可行的办法就是使用一种低成本称为冶金级硅(metallurgicalgradeSilicon)原料所制作的晶硅基板来制作太阳能电池，或是使用硅原料极少的薄膜型硅晶太阳能电池。于较早时期，日本佳能公司(CanonKabushikiKaisha，Tokyo,JP)致力于此方面的研究，有一系列的美国专利可供参考，其中US6,869,863Fabricationprocessofsolarcell利用液相磊晶的技术在冶金级硅制成的基板制作硅晶太阳能电池，其效率值约为使用高纯度硅晶基板的七成；近期(2010/7月)德国爱美科公司(IMEC)于此种基板上使用气相磊晶技术生长三道磊晶层及一种复杂结构的反射膜，其报导给予一个名称叫作”wafer等同”基板(“waferequivalent”substrate)，此基板利用工业化标准制程制作出面积70㎝2的硅晶太阳能电池，效率值更进一步达到14.7％的成果，几乎已经等同于目前的工业量产硅晶太阳能电池的效率值。由以上两个例子可以理解，利用便宜的低纯度硅材料制成的硅晶基板，尚需经过一种薄膜生长的制程，才能成功的提升硅晶太阳能电池的效率值，但是所谓的液相磊晶、气相磊晶技术，都不是硅晶太阳能电池现行的标准化制程，即便后者推出的”wafer等同”基板可以直接应用于硅晶太阳能电池的标准化制程，其价格是否能够等同于业者能够接受的程度将是个考验。关于现行晶硅太阳能电池的铝背场结构，一般都希望能够在所谓的共烧制程(co-firing)尽可能的长厚，甚至能够达到10μm(微米)以上的厚度，但是受制于正面银导电浆的所谓烧穿P/N结(P/Njunction)的顾虑，共烧(co-firing)制程尖峰温度无法随意调高，例如，850℃以上的尖峰温度，加上或多或少忧虑电池片产生翘曲的问题，甚至背面的铝导电浆表面烧出铝珠、链条痕等外观问题，十分困扰，因此折衷之下，一般晶硅太阳能电池的铝背场厚度约为2.0μm(微米)-6.0μm(微米)。另外，现行晶硅太阳能电池背面的铝背场并非全表面(fullarea)的一种结构，因为于制程上的安排，(供焊条焊接的)背银通常是先于铝浆予以印刷披覆的，目的是使得背银直接附着于晶硅电池的背表面上，相较于附着在铝浆上其附着力更为牢靠，于模组的焊条接合制程中，较容易焊接而且拉力值较高之故。基于以上种种原因，本案揭露一种创新的”wafer等同”基板产品，及其制造方法，能够提供厚度均一且大于6.0μm(微米)及表面高导电特性的全表面(fullarea)铝背场，同时也能避免电池片产生外观或翘曲等问题。该技术的实施，系利用网板印刷技术，于晶硅基板的表面上涂布至少一层金属铝浆料，随后通过高温快速烧结的制程，使得晶硅基板于涂布区域生长出一层硅晶磊晶层，此层硅薄膜层即等同于所谓的铝背场，所实施的办法是结晶硅太阳能电池的标准化制程，相关细节将在下一节中详加叙述。基于本案所揭露的实施办法，与结晶硅太阳能电池厂家现行生产制程吻合，这将是本案具有高可行性的强力证明，系能符合GridParity的强力保证。本专利技术提供的晶硅太阳能电池制本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制作硅晶磊晶层的方法，其特征在于，在晶硅基板表面形成掺杂硅晶薄膜的方法，包括：利用印刷制程将铝金属浆料印制在基板的表面上，再经过一道高温快烧的制程，浆料中的铝金属微粒在高温下融熔，例如800℃～1000℃，使得接触的基板表层的硅材料溶入金属液中，随后逐渐降温至室温，使得铝金属液中的硅发生过饱和现象而在硅基板上重新长出一层硅晶薄膜，其厚度与设定的尖峰温度成正比，本专利技术以达到6.0μ(微米)以上的厚度为标准，其膜层的结构特征完全延伸自基板；基板上已经烧结固化的铝硅合金层利用一种化学腐蚀的制程，予以完全清除，薄膜硅晶露出成为基板一种新的表面，其表面形态微观为平滑的表面，另外，此薄膜的半导体特性不同于原来的晶硅基板的特性，其中各项规画要点如下：甲、晶硅基板；晶硅基板，为结晶态单晶或多晶硅基板的通称，目前晶硅太阳能电池使用的最大尺寸为5寸单晶方片及6寸多晶方片，P型硅晶基板，阻值(Resistivity)规格0.05Ω.cm以上，其厚度120.0μ(微米)～220.0μ(微米)乙、金属浆料的配方；金属浆料配方含有第一金属微粒，即铝金属微粒及一种胶体混合的助剂；二者均匀混合所制成的浆料，黏度(viscosity)范围10～500PaS，适用于印刷制程，特别是晶硅太阳能电池的印刷制程；而，金属微粒规格：纯度99.9％～99.9999％、粒径范围0.01μ(微米)～20.0μ(微米)的金属微粒，球型为惯用的型态，但并不局限于该外型 型态的微粒；且，助剂含有溶剂、有机树脂及各式促进金属浆料均匀性及印刷性的添加物，统称为助剂；丙、印刷制程金属浆料印制的厚度范围为5.0μ(微米)～300.0μ(微米)，覆盖晶硅基板的至少一个全表面丁、高温快烧制程利用一种晶硅太阳能电池商业化量产所设计的高温隧道窑制程，将印制有金属浆料的基板以一种传送速度，例如每分钟4.0公尺，连续通过各个预先设定的温区，全程耗时仅数分钟，故以”快烧”制程称之戊、硅晶薄膜的生长原理利用液相磊晶的原理，硅材料于高温时与融熔的金属液达到饱和，并在降温时因为金属液中的硅过饱和而析出并且沉积在晶硅基板上逐渐增厚的一种薄膜生长方法己、化学腐蚀制程金属浆料经高温快烧后呈现一种铝硅合金的固结层贴附在晶硅基板上，利用一种可以完全腐蚀该金属但不与硅晶反应的药剂予以处理，例如30℃～70℃的盐酸水溶液中浸泡，最后使晶硅基板的表层硅晶薄膜露出。...

【技术特征摘要】
1.一种制作硅晶磊晶层的方法，其特征在于，包括：利用一印刷制程将一金属浆料印制在一晶硅基板的表面上；经过一高温快烧制程，所述金属浆料中的一第一金属微粒在800-1000℃下融熔，使得接触的所述晶硅基板表层的硅材料溶入所述金属浆料中；逐渐降至室温，使得所述金属浆料的硅发生过饱和现象，而在所述晶硅基板上重新长出一硅晶磊晶层，所述硅晶磊晶层的厚度与烧结的尖峰温度成正比，所述硅晶磊晶层的厚度达到6.0μm以上，所述硅晶磊晶层的结构延伸自所述晶硅基板；所述晶硅基板上已经烧结固化的金属与硅的一金属硅合金层利用一化学腐蚀制程，予以清除所述金属硅合金层；所述硅晶磊晶层成为所述晶硅基板上新的表面；其中，所述制作硅晶磊晶层的方法各项要点如下：甲、所述晶硅基板为结晶态单晶或多晶硅基板；乙、所述金属浆料组成份重量百分比：第一金属微粒：70.0-90.0％助剂：10.0-30.0％合计：100.0％；所述金属浆料，包括所述第一金属微粒及一胶体混合的一助剂均匀混合所制成的所述金属浆料，黏度范围10-500PaS，适用于所述印刷制程；所述第一金属微粒，纯度99.9-99.9999％、粒径范围0.01-20.0μm的金属微粒；所述助剂，含有溶剂、有机树脂、及促进所述金属浆料均匀性及印刷性的添加物；丙、所述印刷制程之中，印制所述金属浆料的厚度范围5.0-300.0μm，覆盖所述晶硅基板的至少一表面；丁、所述高温快烧制程之中，利用高温隧道窑制程，将所述印刷制程印制有所述金属浆料的基板，以每分钟4.0公尺传送速度连续通过上高下低温度梯度分布的各个预先设定的温区；戊、所述硅晶磊晶层之中，利用液相磊晶的原理，所述晶硅基板的硅材料于高温时与融熔的所述金属浆料达到饱和，并在降温时因为所述金属浆料中的硅过饱和而析出并且沉积在所述晶硅基板；己、所述化学腐蚀制程之中，所述金属浆料经所述高温快烧制程后呈现所述金属硅合金层固结层贴附在所述晶硅基板上，利用30-70℃的盐酸水溶液予以处理，最后使所述晶硅基板表层的所述硅晶磊晶层露出。2.根据权利要求1所述的制作硅晶磊晶层的方法，其特征在于，所述第一金属微粒，包括纯金属或合金的微粒，是按比例相互混合且能与硅晶产生共溶。3.根据权利要求1所述方法制成的晶硅基板结构，其特征在于，更包括一第二金属微粒，在所述晶硅基板上形成至少一硼掺杂硅晶层；其中，所述金属浆料具有铝作为所述第一金属微粒及硼作为所述第二金属微粒，组成份重量百分比：第一金属微粒：90.0-99.9％第二金属微粒：0.1-10.0％合计：100.0％其中，所述助剂于浆料总重量中占有10.0-30.0％的重量百分比；并且，所述晶硅基板为P型硅晶基板，于P型硅晶基板上生长出所述至少一硼掺杂硅晶层，结构为P-sub./P+:B；所述硼掺杂硅晶层P+:B规格：厚度范围：6.0-20.0μmm表面阻值范围：0.0001-1.0Ω·㎝。4.根据权利要求1所述方法制成的晶硅基板结构，其特征在于，更包括一第二金属微粒，在所述晶硅基板上形成至少一砷掺杂硅晶层；其中，所述金属浆料具有锡作为所述第一金属微粒及砷作为所述第二金属微粒，组成份重量百分比：第一金属微粒：90.0-99.9％第二金属微粒：0.1-10.0％合计：100.0％其中，所述助剂于浆料总重量中占有10.0-30.0％的重量百分比；并且，所述晶硅基板为N型硅晶基板，于N型硅晶基板上生长出所述至少一砷掺杂硅晶层，结构为N-sub./N+:As；所述砷掺杂硅晶层N+:As规格：厚度范围：6.0-20.0μmm表面阻值范围：0.0001-1.0Ω·㎝。5.一种晶硅基板结构，其特征在于，在一P...

【专利技术属性】
技术研发人员：张嘉甫，陈文泰，
申请(专利权)人：致嘉科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：