專利名稱：用于對(duì)旨在構(gòu)成光電電池的硅片進(jìn)行機(jī)械紋理化的裝置和方法以及所形成的硅片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于對(duì)旨在構(gòu)成光電電池的硅片進(jìn)行紋理化的裝置和方法。本發(fā)明還涉及所獲得的娃片(silicon wafer,娃晶片),特別是多晶晶片。
背景技術(shù)：
大多數(shù)光電電池(PV)是在于潔凈的室內(nèi)環(huán)境下實(shí)施娃片的加工的工業(yè)部門中由單晶或者多晶硅制造的。第一步是對(duì)晶片表面進(jìn)行紋理化以降低其反射率。在業(yè)界使用的標(biāo)準(zhǔn)方法中，晶錠通過(guò)線切割而被切割成晶片，晶片通過(guò)化學(xué)侵蝕進(jìn)行紋理化以改善陷光(light trapping)。為了優(yōu)化該方法,通常尋求具有幾微米尺寸的 結(jié)構(gòu)?；瘜W(xué)侵蝕可以通過(guò)或者在酸性介質(zhì)中或者在堿性介質(zhì)中完成。在上述兩種情況下，該技術(shù)有效地使反射率降低，但它的缺點(diǎn)在于它要求對(duì)相當(dāng)量的化學(xué)排放物的再處理?？邓固勾拇髮W(xué)(University of Constance)[I]已經(jīng)提出一種替換的方式,其基于機(jī)械蝕刻(一種由具有V形線條的微機(jī)加工金屬部分構(gòu)成且覆蓋有由金剛石耐磨涂層構(gòu)成的耐磨層的結(jié)構(gòu)化工具)的方法。該方法已證明了其有效性以及其不會(huì)導(dǎo)致可能影響PV電池能量轉(zhuǎn)換率的缺陷的能力。另外，已經(jīng)解決了生產(chǎn)率(每個(gè)晶片數(shù)秒鐘的工藝持續(xù)時(shí)間)以及結(jié)構(gòu)工具的磨損和破損的問(wèn)題。然而，機(jī)加工(特別考慮到尖端的曲率半徑)以及金剛石粉末的粒度測(cè)定的問(wèn)題限制了該方法的有效性。實(shí)際操作中，蝕刻的空間分辨率依然被限定于在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施中的50μπι數(shù)量級(jí)的值。在就級(jí)別而言的另一端，引用由具有AFM尖端[2]的蝕刻完成的工作是可能的。接著可能獲得極其精細(xì)的圖案，其表面在亞微米級(jí)上是很潔凈的。然而，尖端的移動(dòng)速度很慢(最好的情況下為每秒大約數(shù)百微米)并且因此與工業(yè)方法不協(xié)調(diào)。因此，沒(méi)有簡(jiǎn)單和有效的方法允許硅片的高速蝕刻來(lái)形成具有數(shù)十微米數(shù)量級(jí)的特征尺寸的紋理。由于使用線鋸切割錠塊會(huì)導(dǎo)致厚度變化(在傳統(tǒng)的用碳化硅顆粒磨蝕的方法中其為30-40 μ m數(shù)量級(jí))的事實(shí)，問(wèn)題變得更加復(fù)雜。即使使用利用金剛石顆粒的更加先進(jìn)和更加昂貴的方法，要使其降到IOym深度以下似乎是困難的。另外，通常施加化學(xué)預(yù)處理，使得能夠在切割之后消除冷鍛區(qū)。由于基于晶粒變化的侵蝕動(dòng)力學(xué)，該預(yù)處理的作用也是為了提高晶片的粗糙度?？偠灾?，除在例外的情況下，待紋理化的晶片的尺寸變化顯著地大于10 μ m。因而，文獻(xiàn)中提到的技術(shù)都不能使得硅片的機(jī)械紋理化具有深度為數(shù)十微米數(shù)量級(jí)的蝕刻圖案。因此，本發(fā)明的目的在于提出一種技術(shù)方案，以在可能具有平整度缺陷在5至50 μ m之間的區(qū)域上以與PV電池廠的生產(chǎn)需要相適應(yīng)的速度完成具有特征尺寸在5至50 μ m之間的均勻蝕刻圖案的硅片的紋理化，典型地，每個(gè)硅片的紋理化持續(xù)時(shí)間為幾秒鐘。
更加一般的目的在于提出一種可以簡(jiǎn)便且有效實(shí)施的技術(shù)方案。

發(fā)明內(nèi)容
為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)，本發(fā)明的目的是一種用于對(duì)旨在構(gòu)成光電電池的硅片進(jìn)行機(jī)械紋理化的裝置，該裝置包括多個(gè)碳化鎢 尖端和具有多個(gè)凹槽的支撐件，該多個(gè)凹槽中的每一個(gè)均能容納碳化鎢尖端使得其可以滑動(dòng)，并且包括以與所述晶片的厚度變化無(wú)關(guān)的恒定的力使多個(gè)尖端的每一個(gè)保持壓靠在硅片上的裝置。支撐件優(yōu)選地可以容納尖端使得它們可以自由滑動(dòng)。用于保持按壓的裝置則有利地由每一個(gè)尖端的固有重量組成。換言之，根據(jù)本發(fā)明，機(jī)械蝕刻的紋理化通過(guò)使用適于對(duì)在幾十微米的等級(jí)上不平整的硅片進(jìn)行紋理化的壓力自調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)完成。為了解決與平整缺陷相關(guān)的難題，本發(fā)明利用這樣的系統(tǒng)，該系統(tǒng)中，多個(gè)蝕刻尖端自由滑動(dòng)以遵循待蝕刻表面的高度變化。因而，無(wú)論待蝕刻的表面的幾何高度如何，壓力保持與尖端的重量相等。尖端的豎直移位由支撐件引導(dǎo)?？梢哉J(rèn)為使用重塊蝕刻的原理是公知的[4]，但根據(jù)該文獻(xiàn)[4] (US4821250A)的解決方案通過(guò)尖端局部地應(yīng)用以蝕刻溝(furrow)。然而，本發(fā)明所源于的問(wèn)題的具體特點(diǎn)在于需要共同地(即同時(shí)在待蝕刻的整個(gè)表面上)對(duì)硅片進(jìn)行紋理化以遵守紋理化過(guò)程的規(guī)范。因此，根據(jù)本發(fā)明的裝置包括具有凹槽的結(jié)構(gòu)部件(支撐件)，尖端插入凹槽中。這些凹槽相對(duì)彼此錯(cuò)開(kāi)一段距離山該距離限定了蝕刻間距。凹槽彼此隔開(kāi)以保證組件的機(jī)械結(jié)合性。凹槽的下部是不規(guī)則四邊形，其頂點(diǎn)處的角度大于尖端的頂點(diǎn)處的角度，以允許它們可以豎直地滑動(dòng)。為了獲得深度為5-20 μ m數(shù)量級(jí)(其對(duì)于傳統(tǒng)用于PV應(yīng)用的深度而言是典型的)的蝕刻輪廓，在O. I至2N之間的且優(yōu)選地是在O. 3至IN之間的壓力是優(yōu)選的。并且硅片能夠經(jīng)受應(yīng)力是完全不顯見(jiàn)的，但是開(kāi)展的測(cè)試顯示它們能夠經(jīng)受高至2N的壓力，除非晶片具有實(shí)質(zhì)的初始裂紋。另一個(gè)難題與系統(tǒng)的幾何性阻礙有關(guān)。實(shí)際上，尖端(與具有底部LX I和高度H的平行六面體相似)的尺寸和蝕刻區(qū)A和B的尺寸的相關(guān)性由下述等式確定kX (L+el) =A 并且 nX (l+e2) =B.裝置還根據(jù)下式由蝕刻間距d具體限定nXd=L+el。用于限定尺寸和整數(shù)的的字母的參考在圖2和圖3中示出。長(zhǎng)度A由待紋理化的晶片的尺寸確定，通常A=15cm。為了闡明問(wèn)題，通過(guò)為凹槽和間距的尺寸賦予合理的值，L=4mm，l=2mm, el=e2=lmm且蝕刻間距d為20 μ m，上面的關(guān)系式給出K=30, n=250, B=O. 75m。即使這樣的B的值可能看似較大，它對(duì)于工業(yè)應(yīng)用卻是完全可接受的，尤其是如果對(duì)在Y方向上對(duì)齊的幾個(gè)晶片進(jìn)行紋理化是可能的。還有兩種減小B的尺寸的可能性分幾級(jí)進(jìn)行紋理化，在垂直于蝕刻方向Y (見(jiàn)圖2和圖3中的方向的參照)的X方向上將工具偏移。這等于將上面等式條件nXd= (L+el),重新限定為nXd=(L+el)/j，其中j是一個(gè)整數(shù)。因此，對(duì)于給定的L的值，可通過(guò)因子j來(lái)減小η且因此減小B。然而，由于生產(chǎn)率的原因，這個(gè)方案中j的值大于3是不現(xiàn)實(shí)的。另一個(gè)減小B的選擇會(huì)是減小I的尺寸，但是這樣會(huì)造成在不要求不滿意的高度H的情況下得到合理的質(zhì)量的問(wèn)題。
實(shí)際上，使用諸如密度P為3. 2kg/m3數(shù)量級(jí)的碳化硅的材料，要使底部為4X 2mm2的平行六面體達(dá)到O. 5N需要高度為將近2m，這造成了裝置的體積以及尖端的脆性的顯而易見(jiàn)的問(wèn)題。這是基本問(wèn)題，即使將B維持在最大值O. 75以及使用j = 5級(jí)的行紋理化都不能解決這些問(wèn)題。實(shí)際上，通過(guò)保持L=4mm、el=lmm以及蝕刻間距d為20 μ m,會(huì)導(dǎo)致k=30以及n=50。與前面情況的2mm對(duì)照，通過(guò)保持B=O. 75m以及e2=lmm,可以使1=1. 4cm。即使在對(duì)于工業(yè)配置來(lái)說(shuō)不現(xiàn)實(shí)的極端條件下，會(huì)有H值大于28cm，由于裝置的阻礙以及尖端的脆性的問(wèn)題，這會(huì)再次成為限制。金剛石(P =3. 5kg/m3)的使用導(dǎo)致了成本方面的問(wèn)題，并且僅允許有限的改進(jìn)(H的減小量?jī)H為10%)。以與硅(金剛石以及碳化硅)相容而有名的硬質(zhì)材料因此也不適于實(shí)施本發(fā)明。為了應(yīng)對(duì)這個(gè)困難，本發(fā)明人決定將碳化鎢作為蝕刻材料進(jìn)行測(cè)試，相對(duì)于金剛石或碳化硅，其密度(大于15kg/m3)允許對(duì)其進(jìn)行真正的工藝分解。并且因?yàn)殒u是對(duì)少數(shù)載流子(minority carriers)的壽命極其有害的金屬中的一種并且因此對(duì)PV電池的效率極其有害，所以將這種材料作為PV應(yīng)用中的用于蝕刻硅片的材料來(lái)使用是完全不顯見(jiàn)的。例如，十億分之一(ppb，或者同等的5X1013at/cm3)數(shù)量級(jí)的含量足以使P型硅的PV電池的效率降低大于40%。然而，開(kāi)展的測(cè)試顯示晶片的電子性能沒(méi)受影響，從而使得選擇碳化硅是有效的。在本發(fā)明的實(shí)施中，尖端的下部具有底部為三角形的直棱柱的形狀，其中，選擇三角形的頂點(diǎn)的角度使得其在20° -60°并且有利地在30° -45°的間隔內(nèi)。尖端的上部?jī)?yōu)選地是平行六面體，但可以構(gòu)想其它形狀。對(duì)于平行六面體的形狀，特征性的尺寸為長(zhǎng)度L 為 2_15mm，寬度I 為高度H 為 l_25cm。優(yōu)選地將定義為將兩個(gè)相鄰尖端隔開(kāi)的距離的蝕刻間距d選擇為在5μπι至100 μ m之間，并且優(yōu)選地在5 μ m至40 μ m之間。移位的速度在5mm/s-100mm/s之間，并且優(yōu)選地在10mm/s-30mm/s之間。結(jié)構(gòu)部件優(yōu)選地由鋼或者鎳基超級(jí)合金制造。應(yīng)當(dāng)注意的是，無(wú)論選擇何種配置，每個(gè)晶片的蝕刻尖端的數(shù)目將會(huì)很高，通常總是幾千。因此，可以有利地使尖端插入它們各自的凹槽自動(dòng)進(jìn)行。在本發(fā)明的一個(gè)變型中，對(duì)尖端施加氣壓以增加壓力。例如，作用在IOmm2的面積上的Ibar的壓力相當(dāng)于IN的力。這種操作模式使得能夠保持壓力與待蝕刻晶片的幾何高度無(wú)關(guān)的原則，但再次發(fā)現(xiàn)需要有具有足夠面積LXl的尖端。
本發(fā)明的一些優(yōu)點(diǎn)如下實(shí)現(xiàn)不是金字塔形的紋理化輪廓的可能性，以允許陷光最優(yōu)化這些多樣的輪廓能夠通過(guò)選擇不同幾何形狀的尖端來(lái)獲得，通過(guò)改變尖端的幾何特征來(lái)調(diào)整壓力的可能性，作為易損部件的尖端可以通過(guò)使用粉末冶金型的低成本技術(shù)制造，
與圖像處理結(jié)合，允許從晶片表面識(shí)別有缺陷的蝕刻，該方法允許僅對(duì)于損耗的尖端的選擇性替換，同時(shí)對(duì)在Y方向上位置彼此鄰近的幾個(gè)晶片進(jìn)行紋理化的可能性以及短得多的紋理化時(shí)間， 因此，本發(fā)明的目的特別地在于一種旨在構(gòu)成光電電池的多晶硅片，其表面包括深度在5至50 μ m之間的均勻蝕刻圖案。


在閱讀用作示意性目的的說(shuō)明(參照下圖給出)時(shí)，將更清楚地看到其它的優(yōu)點(diǎn)和特征，圖中圖I為根據(jù)本發(fā)明的裝置的橫截面示意圖，圖2為根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的本發(fā)明的裝置的俯視圖，圖3為根據(jù)另外一個(gè)實(shí)施例的本發(fā)明的裝置的俯視圖。
具體實(shí)施例方式如圖I所示，根據(jù)本發(fā)明的裝置I包括支撐件2，其中容納了多個(gè)同樣的尖端3，使得它們可以自由滑動(dòng)。凹槽20的上部形狀為平行六面體，其在頂點(diǎn)200處具有角，該角在它們的下部21形狀為不規(guī)則四邊形。尖端的上部30形狀為平行六面體，并且下部31為具有三角形形狀的直棱柱。在蝕刻位置，尖端3的三角形部分31以與晶片4的厚度變化無(wú)關(guān)的恒定的力壓靠在硅片4上。尖端由碳化鶴制成,優(yōu)選地使用燒結(jié)技術(shù)。下部三角形尖端部分31的頂點(diǎn)的角度比支撐件2的下部21的頂點(diǎn)200的角度小30。。尖端3的上部平行六面體部分30的尺寸通常為T =5mm, l=2mm 以及 H=20cm。用于尖端的凹槽20以el=e2=lmm的距離隔開(kāi)。當(dāng)碳化鎢的典型密度P為15kg/m3數(shù)量級(jí)時(shí)，發(fā)現(xiàn)每個(gè)尖端3的質(zhì)量為30g，并且因此由每個(gè)尖端的固有重量形成的壓力為
O.3N系列ο有利地，在三個(gè)級(jí)中完成紋理化，間距d為20 μ m。其也可以通過(guò)使用根據(jù)圖2的裝置在一個(gè)級(jí)中完成，或者用根據(jù)圖3的裝置在兩個(gè)級(jí)中來(lái)完成。在于三個(gè)級(jí)中進(jìn)行紋理化的情況下，結(jié)構(gòu)部件或者支撐件2由不銹鋼制造，其具有功能性區(qū)域，即與待蝕刻的區(qū)域相對(duì)應(yīng)的區(qū)域，其尺寸為A=15cm以及B=30cm。支撐件2的外部尺寸為A’=200^13' = 35cm以及C=15cm。一方面A與A’的區(qū)別以及另一方面B與B’的區(qū)別和包括碳化鎢蝕刻尖端3的凹槽20的區(qū)域AXB周圍的支撐件2的機(jī)械加強(qiáng)有關(guān)。尖端3容納在其支撐件2中的裝置位于布置成首尾相連的尺寸為15 X 15cm2的兩個(gè)硅片上。支撐件2然后以20mm/s的速度在首尾相連的兩晶片上方移位以完成紋理化。蝕刻殘留物通過(guò)鼓吹壓縮空氣而去除。也可以在酸性溶液中輕輕沖洗。所引用的參考文獻(xiàn)
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權(quán)利要求
1.一種用于對(duì)旨在構(gòu)成光電電池的硅片(4)進(jìn)行機(jī)械紋理化的裝置(1)，所述裝置包括多個(gè)碳化鎢尖端(3，30，31)以及具有多個(gè)凹槽(20)的支撐件(2)，所述凹槽中的每一個(gè)均能夠各納碳化鶴尖端以使所述碳化鶴尖端能夠滑動(dòng)，并且還包括將所述多個(gè)尖端中的每一個(gè)均以恒定力壓靠在所述硅片上的設(shè)備，所述恒定力與所述晶片的厚度變化無(wú)關(guān)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其中，所述支撐件能夠容納所述尖端使得所述尖端能夠自由滑動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中，所述設(shè)備施加由所述尖端(3，30，31)中的每一個(gè)的固有重量組成的壓力。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3中的一項(xiàng)所述的裝置，其中，所述尖端具有直棱柱的形式的下部分(31)，所述直棱柱具有三角形的底部，所述三角形的頂點(diǎn)處的角度小于能夠容納所述尖端的所述凹槽(20)的頂點(diǎn)(200)處的角度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中，所述尖端(31)的所述三角形的所述頂點(diǎn)處的所述角度在30至45°之間。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一項(xiàng)所述的裝置，其中，蝕刻間距d在5μ m至40 μ m之間。
7.一種用于對(duì)旨在構(gòu)成光電電池的硅片(4)進(jìn)行機(jī)械紋理化的方法，所述方法由根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的裝置(I)實(shí)施，據(jù)此施加介于O. I至2N之間的恒定壓力。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，據(jù)此施加介于O.3至IN之間的恒定壓力。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的方法，據(jù)此所述壓力的至少一部分由施加在所述尖端上的氣體壓力產(chǎn)生。
10.根據(jù)權(quán)利要求7至9中的一項(xiàng)所述的方法，據(jù)此所述支撐件以介于5至100mm/S之間的速度移動(dòng)。
11.根據(jù)權(quán)利要求7至10中的一項(xiàng)所述的方法獲得的多晶硅片(4)，所述多晶硅片旨在構(gòu)成光電電池，所述多晶硅片的表面具有深度在5至50 μ m之間的均勻蝕刻圖案。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于對(duì)用于構(gòu)成光電(PV)電池的硅片(4)進(jìn)行紋理化的新的技術(shù)方案?？梢灾圃爝@樣的硅片，其表面具有深度在5至50μm之間的均勻雕刻圖案。
文檔編號(hào)H01L31/18GK102870191SQ201180021643
公開(kāi)日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2011年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月28日
發(fā)明者讓-保羅·加朗代, 雅基·邦西永, 盧卡·費(fèi)代爾佐尼, 馬克·皮羅 申請(qǐng)人:法國(guó)原子能及替代能源委員會(huì)