用于增加可用平面表面積的半導體晶片處理方法

專利名稱：用于增加可用平面表面積的半導體晶片處理方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體處理方法，具體地說，本發明涉及用于處理半導體晶片以增加可用平面表面積的方法、用于制造太陽能電池的方法以及用于降低半導體表面的反射率的方法背景技術在半導體處理方法的大多數領域，與最終、被處理晶片的價值相比，起始襯底晶片的成本低。然而，并非總是如此。例如，光電太陽能電池行業對于成本極敏感，而且起始硅晶片的成本通常接近處理的晶片價值的一半。因此，在該行業，盡可能有效使用硅襯底極端重要。這些襯底是通過從直徑通常為6英寸(約15cm)的結晶硅圓柱形毛坯上切割薄切片生產的。可以切割的最薄切片是由硅的機械性能決定的，對于目前這一代的6英寸晶片，最薄切片通常為300-400μm，但是計劃下一代晶片的最薄切片為200μm。然而，切割6英寸晶片的切口損失約為250μm，這意味著，許多毛坯最后變成粉末。因此，需要一種對于給定單位體積的半導體，增加半導體的可用表面積，或者至少是當前半導體處理方法的一種有效替換方法的方法。

發明內容
根據本發明的目的第一實施例，提供了一種用于增加具有大致平坦表面而且其厚度方向與所述大致平坦表面成直角的半導體晶片的可用表面積的方法，所述方法包括步驟選擇帶厚度，以將晶片分割為多個帶；選擇一種用于與所述大致平坦表面成某個角度，將晶片切割為所述帶的技術，其中帶厚度與通過進行切割所切掉的晶片的寬度之和小于晶片的厚度；利用選擇的技術，將晶片切割為帶；以及將所述帶互相分離。
在第二實施例中，本發明提供了一種用于處理具有大致平坦表面的半導體晶片，以增加所述晶片的可用平坦表面積的方法，該方法包括步驟至少部分通過所述晶片，產生多個平行細長溝槽，使得所述溝槽寬度與所述溝槽之間的寬度之和小于所述晶片的厚度，以產生一系列半導體帶；將所述帶互相分離；以及確定所述帶的方向，以露出其事先與所述大致平坦表面成一角度的表面，從而形成新平坦表面。
顯然，事先與晶片表面成某個角度的帶的表面就是通過切割該晶片并將各帶互相分離而露出的帶表面。
半導體晶片通常是單晶硅或多晶硅。然而，半導體晶片可以是能夠被制造成薄、大致平坦晶片的其他半導體晶片。
在第三實施例中，本發明提供了一種用于生產硅太陽能電池的方法，所述方法包括步驟在硅襯底上成型多個平行溝槽，所述溝槽至少部分通過所述襯底延伸以產生一系列硅帶；將所述帶互相分離；以及利用所述帶制造太陽能電池。
可以在將各帶分離之前或之后或者作為分離過程的一部分，成型太陽能電池。
在本發明第一至第三實施例的方法中，帶可以與半導體晶片或襯底成任何角度，例如與晶片或襯底成5°或90°角。通常，帶與晶片或襯底所成的角度通常至少為30°、更通常至少為45°、又更通常至少為60°，甚更通常為90°。
因此，在本發明第一實施例方法的優選形式中，提供了一種用于處理半導體晶片以增加可用平坦表面積的方法，該方法包括步驟選擇帶厚度，以將晶片分割為一系列通常垂直于晶片表面的薄帶；選擇一種用于將晶片切割為所述薄帶的技術，其中帶厚度與通過進行切割所切掉的晶片的寬度之和小于晶片的厚度；以及將晶片切割為所述薄帶。
在本發明第二實施例方法的優選形式中，提供了一種用于處理半導體晶片以增加可用平坦表面積的方法，該方法包括步驟通過或者幾乎通過所述晶片，產生多個平行細長溝槽，使得所述溝槽寬度與所述溝槽之間的寬度之和小于所述溝槽的深度，以產生一系列半導體帶；將所述帶互相分離；以及確定所述帶的方向，以露出其事先與原始晶片表面成直角的表面，從而形成新平坦表面。
在本發明第一至第三實施例方法的一種形式中，利用激光在晶片上成型溝槽。留下晶片外圍周圍的區域不進行切割，以形成邊框，因此所獲得的所有帶保持在該邊框內。這樣就可以在成型溝槽之后處理晶片，同時對各帶做進一步處理。可以在進一步處理過程中的任何方便階段，將帶與邊框分離。
在本發明第一至第三實施例方法的另一種形式中，利用切割鋸在晶片上成型溝槽。留下晶片外圍周圍的區域不進行切割，以形成邊框，因此所獲得的所有帶保持在該邊框內。這樣就可以在成型溝槽之后處理晶片，同時對各帶做進一步處理。可以在進一步處理過程中的任何方便階段，將帶與邊框分離。
在本發明第一至第三實施例方法的又一種形式中，利用濕式各向異性蝕刻的(110)取向晶片成型所述溝槽。留下晶片外圍周圍的區域不進行蝕刻，以形成邊框，因此所獲得的所有帶保持在該邊框內。這樣就可以在成型溝槽之后處理晶片，同時對各帶做進一步處理。可以在進一步處理過程中的任何方便階段，將帶與邊框分離。
在本發明第一至第三實施例方法的又一種形式中，可以利用光電化學蝕刻法通過半導體晶片產生一系列對準的穿孔，然后，可以利用化學蝕刻法沿穿孔確定的路線蝕刻通過各穿孔之間殘余的半導體，從而通過晶片形成窄溝槽。
在本發明第一至第三實施例方法的又一種形式中，在所述半導體晶片之上或之內至少成型一個互連部分，該互連部分將各相鄰帶互相連接在一起，以使各帶之間保持較恒定的間隙。通常，在本發明方法的該形式中，存在多個互連帶。便于沿帶的長度方向以規則間隔開各互連帶。包括這種互連部分使得可以以可靠、可重復方式執行諸如擴散和氧化的處理步驟，因此可以預測溝槽各側下面的擴散輪廓和氧化厚度。互連部分適于取至少部分通過一個或者兩個主表面成型的、半導體材料的一個或者多個帶的形式，它垂直于或者傾斜于，而且通常大致垂直于多個溝槽確定的帶。
在此描述的方法同樣適用于整個半導體晶片或者晶片的各部分。因此，本說明書中使用的單詞晶片是指整個晶片或其各部分。
在本發明第二和第三實施例的方法中，通常，通過晶片的全部厚度成型溝槽，但是不必如此。如果通過晶片厚度成型溝槽，則可以利用一個步驟或者一個以上步驟成型它們。例如，可以部分通過晶片成型多個溝槽，可以選擇進行進一步處理，例如對這樣成型的各帶表面進行摻雜，然后，通過切割或者蝕刻晶片的剩余厚度，完成多個溝槽。因此，通常，在通過晶片的整個厚度完成成型溝槽時，執行將各帶互相分離的步驟。作為一種選擇，如上所述，如果留下晶片外圍周圍的邊框不進行切割，則在從邊框切下各帶時，執行將各帶互相分離的步驟。作為另一種可能性，如上所述，在利用互連部分連接各相鄰帶時，在互連部分被去除或者發生斷裂時，執行將各帶互相分離的步驟。作為又一種可能性(盡管不是優選的)，如果僅部分通過晶片成型各帶之間的溝槽，而該溝槽底部的剩余晶片部分非常薄，則通過斷開各帶，使各帶互相分離。
最好在帶被支持在邊框內時，執行將帶處理為太陽能電池的大多數處理過程，邊框由圍繞晶片外圍的未切割區域構成。進行處理之后，從邊框上切下各帶，然后，并排、平坦放置它們。最好利用激光或切割鋸，將各帶與邊框分離。
有利的是，利用包括根據本發明方法的處理過程制造的太陽能電池可以在相鄰電池之間具有間隙情況下排列，而且可以與集光器一起使用以增加太陽能電池的有效面積。
有利的是，所述太陽能電池可以與反光鏡一起使用，以通過照射每個太陽能電池帶的兩面，使用所制造的電池。
在本發明方法的某些形式中，例如，在利用化學蝕刻法成型該各帶分離的溝槽時，新露出的半導體材料表面是拋光面。該表面通常是反射面，而且，顯然，對于太陽能電池，反射面是不希望的。盡管一些技術可以用于紋理化拋光的半導體表面，但是它們不適于與本發明的第一至第三實施例的方法很好地結合在一起使用。因此，需要一種用于降低半導體表面反射率的方法。
本發明的另一個方面是提供這樣一種方法。
因此，根據本發明的第四實施例，提供了一種用于降低半導體材料的反射率的方法，該方法包括在所述表面上施加一層保護物質，其中所述層具有通過其的多個孔；使所述層和所述半導體材料接觸蝕刻劑，該蝕刻劑蝕刻所述半導體材料的速度比蝕刻所述保護物質的速度快，在所述孔周圍的所述蝕刻劑蝕刻所述半導體材料，但是基本上不蝕刻所述保護物質的條件下，所述蝕刻劑至少通過所述孔與所述半導體材料接觸一段時間。
在該實施例的方法中，“基本上不蝕刻”意味著，蝕刻在這樣的條件下進行，即蝕刻保護物質上的所述孔周圍的半導體材料，但是在蝕刻結束時，有足夠的保護物質保留在半導體材料的表面上，從而防止孔周圍之外的半導體材料被蝕刻。
在第四實施例的方法中，半導體材料通常是硅，而保護物質是氮化硅。蝕刻劑是氫氟酸和硝酸的混合物，例如按體積計算1∶50混合，按重量計算49％的HF溶液和70％的硝酸溶液混合液。在半導體材料是硅時，它可以是單晶硅、微晶硅、多晶硅。
第四實施例的方法通常進一步包括，在蝕刻步驟之后，有效去除表面上的保護物質以在表面上產生多個蝕刻坑的步驟。通過施加其蝕刻保護物質的速度比蝕刻半導體材料的速度快得多的蝕刻劑，可以去除保護物質。例如，在半導體材料是硅而且保護物質是氮化硅時，利用活性離子蝕刻法或者通過在高溫下，通常約為180℃，接觸磷酸，可以去除保護物質。
保護物質層通常只有幾層原子厚，而且利用諸如化學汽相沉積法或低壓化學汽相沉積法的已知方法，可以成型該保護物質層。施加保護物質的其他可能技術包括噴射熱解、蒸發以及濺射。因此，保護物質層通常約為2nm厚，而且在利用低壓化學汽相沉積方法成型為該厚度時，該保護物質層是不完全層，即，它含有許多孔，通過這些孔，可以蝕刻保護層下面的半導體材料。在半導體材料是硅而保護物質層是約2nm厚的氮化硅層時，則如上所述，通過在正常室溫下，接觸1∶50(v/v)HF/硝酸混合液幾分鐘時間，通常為2-3分鐘，可以實現蝕刻半導體的步驟。
附圖的簡要說明以下將參考附圖，僅作為例子說明本發明的實施例，以下是附圖的簡要說明

圖1是示出根據本發明優選實施例成型溝槽后的硅晶片的俯視圖(圖1(a))和剖視圖(圖1(b))的示意圖；圖2(a)示出根據本發明的另一個實施例成型大孔的硅晶片的俯視圖和剖視圖；圖2(b)示出通過將各大孔連接在一起成型槽后，圖2(a)所示硅晶片的俯視圖；圖3是示出根據優選實施例成型溝槽和互連帶后，硅晶片的俯視圖(圖3(a))和剖視圖(圖3(b))的示意圖；圖4是示出根據優選實施例成型淺槽后，硅晶片的頂視圖(圖4(a))和剖視圖(圖4(b))的示意圖；圖5是示出根據優選實施例在在圖4所示晶片上成型溝槽獲得的結構的俯視圖的示意圖；
圖6(a)是在其上已經成型多個淺槽的硅晶片的示意剖視圖，圖6(b)是垂直于圖6(a)所示剖視圖的、進行蝕刻之后的同一個結構的示意剖視圖；圖7是圖6(b)所示結構的俯視圖；圖8(a)和8(b)是在在晶片上成型溝槽前、后(110)取向的硅晶片的示意剖視圖，圖8(c)是圖8(b)示出的剖視圖所示結構的示意俯視圖；圖9是示出根據優選實施例，利用激光將硅帶與其邊框分離的方法的示意圖；圖10是示出根據本發明制備的并被制成太陽能電池的硅帶的剖視圖的示意圖；圖11是示出根據本發明制備的并被制成另一種太陽能電池的帶的剖視圖的示意圖；圖12(a)、12(b)和12(c)是示出根據優選實施例成型硅帶期間，硅晶片的正面和背面的剖視圖的系列示意圖；圖13(a)至13(d)是示出可以將根據本發明的方法制備的硅帶電互連在一起的各種方式的示意圖；圖14是示出安裝在適當襯底上并位于集光器附近以便將太陽光集中到其上的硅帶的剖視圖的示意圖；圖15是示出安裝在適當襯底上并位于另一個集光器附近以便將太陽光集中到其上的硅帶的剖視圖的示意圖；圖16是示出安裝在適當襯底上并位于另一個集光器附近以便將太陽光集中到其上的硅帶的剖視圖的示意圖；圖17是在在此所述進行表面紋理化后，硅帶的示意圖。
優選實施例以及其他實施例的詳細說明在以下對附圖所做的說明中，利用類似的編號表示類似項目。顯然，附圖不是按比例示出的，而且僅是示意圖。例如，為了更加簡潔，附圖未必示出利用所描述的方法成型在半導體材料上的所有溝槽、帶、互連部分等。
參考圖1(a)，利用標準的晶體生長技術和晶片化技術成型至少0.5mm厚而且通常約為1mm厚的硅晶片3。晶片3最好是單晶體，但是也可以采用多晶體晶片。在晶片3上成型一系列平行溝道或溝槽2，溝槽通常為0.05mm寬，而各溝槽之間的間距通常為0.1mm，形成約0.05mm寬的細平行硅帶1。因為溝槽2不是完全延伸到晶片3的邊緣，所以未切割硅的邊框5使硅帶1保持在原處。邊框5在每側通常有5mm寬。
通過利用具有窄鋸條的切割鋸切割晶片，成型溝槽2。作為一種選擇，可利用激光燒蝕方法成型溝槽2。例如，可以利用以1046nm基本波長或倍頻(523nm)工作的Resonetics Nd:YLF Q-開關激光器切割晶片3。還可以采用其他系統，例如，第5,773,791號美國專利公開的噴射水引導激光切割系統。作為另一種可能方法，在本技術領域內眾所周知，可以利用諸如氫氧化鉀(KOH)的濕各向異性(anisotropic)蝕刻劑成型溝槽2。在這種情況下，必須使用取向(110)的多晶體硅晶片。首先，在晶片3的兩側沉積或者生長諸如二氧化硅或氮化硅的適當蝕刻掩膜。光刻法用于打開位于晶片3的一個表面上的蝕刻掩膜上的窄硅帶，各硅帶通常為0.005mm寬，間距為0.1mm，而且取向沿[1-1-2]方向。現在，將晶片3浸入蝕刻溶液中。如果在室溫或者室溫以上進行蝕刻，一種適當溶液是44％w/v KOH的水溶液。
可以僅在晶片3的任何一側，或者在晶片3的兩側實現以上說明的任何一種方法，允許使用厚晶片。例如，在使用可以燒蝕0.5mm的硅的激光時，在1mm厚晶片的正面成型第一組溝槽。然后，將該晶片翻面，對準第一組溝槽成型第二組溝槽。作為一種選擇，利用在樣品上、下對準的激光束，同時成型這兩組溝槽。
如果利用切割鋸或者激光成型溝槽，則可以使多個鋸條或者多個激光束在襯底上同時切割溝槽以提高處理速度。例如，如果在10×10cm2的硅晶片上成型間距為0.1mm的溝槽，則需要1千個切口。如果排列20個激光束以5mm的間距照射樣品表面，則要求每個激光束僅進行50次切割。
在圖1(b)中示出放大的、沿A-A通過晶片3的垂直剖視圖，在該剖視圖中示出帶1和間隔2。
圖2(a)和2(b)示出利用光電化學蝕刻方法在襯底上成型溝槽的另一種方法。Lehmann(Journal of the Electrochemical Society，Vol.140，No.10，(1993)p.2836)對光電化學蝕刻方法進行了描述。如圖2(a)所示，采用(100)取向的n型硅晶片3。利用光刻技術或KOH蝕刻方法，對晶片3設置凹槽26陣列。各凹槽26沿行排列，各凹槽26之間的間隔通常為5-10微米，而各行凹槽26之間的間隔通常為50微米。然后，將晶片3浸入適當蝕刻劑中，例如10％溶液氫氟酸。光照65照射晶片3的背面，并對晶片3施加正偏壓。在晶片周圍的溶液中設置反向電極28。在這種情況下，成型大孔27陣列，大孔27在硅晶片3內延伸。繼續進行蝕刻直到大孔27完全通過晶片3延伸。
然后，將成型了大孔27陣列的硅晶片3浸入諸如氫氧化鉀溶液的硅蝕刻劑內。這樣可以擴大大孔27。如圖2(b)所示，如果繼續進行蝕刻，則大孔27連接在一起形成通過晶片3延伸的溝槽2。這種技術可以產生寬度小于10微米的非常窄的溝槽2。
在第一至第三實施例的又一種成型方法中，通過晶片的溝槽通過整個晶片在其大部分長度上延伸，而且沿不深的溝槽具有規則間隔，因此某個襯底保留在槽的底部，從而形成一系列連接帶。圖3(a)和3(b)示出這種情況。圖3(a)是從晶片的下側觀看的、示出從邊框5的兩個相對側開始，在晶片3上延伸的連接帶4，而且溝槽2通過晶片3在其大部分長度上延伸。圖3(b)是通過圖3(a)中的線B-B的垂直剖視圖。可以利用激光燒蝕方法制造圖3(a)和3(b)所示的結構。在進一步處理過程中，連接帶4限制了硅帶1的彎曲量，從而限制了溝槽寬度的變化。這樣可以保證可靠處理帶1的側壁，如下所述。連接帶4通常為0.1mm寬，0.05mm高，間隔10mm。
在第一和第三實施例的又一種成型方法中，如圖4(a)、4(b)以及5所示，利用適當技術，例如濕式化學蝕刻方法、等離子蝕刻法或采用具有寬鋸條的切割鋸工具的機械磨削方法，在硅晶片3上形成刻槽(trench)7。以這樣的方式成型刻槽7會產生一系列具有規則間隔的連接帶4。刻槽7通常為0.05mm深，因此這樣成型的連接帶4的寬度通常為0.1mm，而且間隔開10mm。
然后，利用切割鋸或KOH蝕刻法，在成型刻槽7的晶片3的表面的對面成型溝槽2，如圖5所示。溝槽2延伸通過晶片3上成型刻槽7的區域，但是不延伸通過連接帶4的區域。與上述參考圖3(a)和3(b)說明的方法相同，連接帶4限制了硅帶1的彎曲量，而且限制了位于硅帶1之間的溝槽2的寬度。還可以通過首先成型幾乎整個通過晶片延伸的溝槽，然后在晶片的另一側成型刻槽，顛倒成型溝槽和刻槽的步驟順序。
圖6(a)、6(b)和7示出根據本發明又一種成型方法。
圖6(a)示出利用適當技術，例如利用切割鋸或激光在其上已經成型一系列淺槽30的硅晶片3的剖視圖。淺槽30通常為20微米深、50微米寬而且間隔開10mm。然后，對該表面涂覆諸如二氧化硅層或氮化硅層的適當蝕刻掩膜34。然后，如上所述，利用光刻法或KOH蝕刻法，在晶片3上蝕刻溝槽2。在晶片3的含有淺槽30的表面的對面上蝕刻溝槽2。淺槽30垂直于溝槽2。這樣，在完成蝕刻過程后，可以使留有連接硅帶4，如圖6(b)所示，圖6(b)是垂直于圖6(a)所示剖視圖、通過一個溝槽2的剖視圖。連接帶4限制了硅帶1的彎曲量，并從而限制了溝槽寬度的變化。圖6(b)示出完成蝕刻之后的得到的結構的剖視圖。圖7是在從含有淺槽30的晶片3的側面觀看時的得到的結構的俯視圖。它示出通過蝕刻晶片3獲得的硅帶1和溝槽2。連接帶4(僅示出部分)以規則間隔隔開，連接帶4限制了硅帶1的彎曲量。
圖8(a)至8(c)示出本發明第一至第三實施例的又一種成型方法。
圖8(a)示出部分(110)取向的硅晶片3的剖視圖。對晶片的兩個表面涂覆蝕刻掩膜34。通常，蝕刻掩膜34由二氧化硅和氮化硅構成，每層的厚度通常為50-100nm。在正面圖形化蝕刻掩膜34以產生一系列細線形開口38，通過這一系列細線形開口38露出硅晶片襯底3。在背面，在沉積蝕刻掩膜34之前，成型厚度范圍通常在0.5至5微米之間的厚氧化物35。可以利用各種技術成型氧化物層35，例如，利用熱氧化方法、化學汽相沉積方法或者在玻璃上旋涂。圖形化該氧化物以產生一系列氧化物帶(未示出)，該氧化物帶的取向與上表面上的蝕刻掩膜34上的開口38成直角。
圖8(b)示出在KOH內進行蝕刻后，圖8(a)所示結構的剖視圖。溝槽2被蝕刻，從而產生一系列硅帶1。通過位于上蝕刻掩膜34上的線形開口38，在晶片3的上表面上蝕刻溝槽2。因為位于下蝕刻掩膜34下面的氧化物35較厚，而且因為利用KOH蝕刻溶液僅以非常慢的速度蝕刻氧化物35，所以在蝕刻過程結束時，仍留有氧化物35，從而在硅帶1之間產生一系列連接帶。連接硅帶限制了硅帶1的彎曲量，并從而限制了溝槽寬度的變化。
圖8(c)示出圖8(b)中的剖視圖所示結構、示出硅帶1和溝槽2的俯視圖。蝕刻掩膜34和其下面的氧化物35以規則隔離間隔產生連接帶，該連接帶限制了硅帶1的彎曲量，從而限制了溝槽寬度的變化。
成型上述結構后，可以對整個晶片進行處理以形成太陽能電池，如下所述。在處理晶片之后，而且在將硅帶與支持邊框分離前，如果存在連接帶，則在需要時去除它。例如，這可以利用激光燒蝕方法實現。如果連接硅帶如此之薄，以致于在將硅帶與支持邊框分離時將發生斷裂，則不需要去除連接硅帶。然后，利用諸如圖9所示的排列，將硅帶與支持邊框分離并平坦放置硅帶。如圖9所示，邊框5支持晶片3，并沿垂直于溝槽2的方向70移動晶片3。在晶片1的兩端，兩個固定激光束8燒蝕硅，從而將它們與邊框5分離。定位晶片3下面的捕獲帶(catcher)6以捕獲分離的帶1，并將它們向下傾斜移動到適當襯底上。這種設備保證帶1平坦放置，為進一步處理做好準備，而處理量最少。
利用參考圖10描述的如下步驟，在硅帶1上制造太陽能電池。圖10示出由在其一側具有重硼擴散層10、在其另一側具有重磷擴散層9而在其另外兩側具有輕磷擴散層11的晶片，根據上述概括描述的方法獲得的帶1。各側涂覆氧化物層12。在硅帶1的每端沉積金屬接點13。可以利用如下方法制造帶1。
起始晶片是電阻率約為1歐姆-cm的p型晶片。在該晶片的一側形成重磷擴散9(通常每方10歐姆)，然后，在另一側形成重硼擴散10(通常每方20歐姆)。在該晶片的兩側生長薄氧化物(約50nm)，之后，沉積薄LPCVD氮化硅層，從而在晶片的每一側形成一層。然后，在晶片上成型溝槽，如上所述。如果使用切割鋸或激光，則在室溫下，在諸如20％KOH的適當溶液中蝕刻該溝槽，以清洗帶的側壁并去除任何殘余損傷。可以利用適當紋理化技術紋理化(texture)側壁。在暴露在摻雜物下的晶片的兩側形成約每方200歐姆的輕磷擴散11，因此該側壁被全部n摻雜。之后，在露出的側壁上生長約200nm厚的氧化物12。接著，利用活性離子蝕刻方法或諸如約180℃的熱磷酸的其他適當氮化物蝕刻劑，除去晶片正面和背面的的氮化物層。然后，在氫氟酸溶液中，去除氮化物下面的薄氧化物。由于覆蓋輕磷擴散的氧化物12比氮化物下面的氧化物厚得多，所以該蝕刻方法未去除它。現在，以這樣的方式在晶片的兩側沉積金屬13，以使側壁下面沉積的金屬最少。例如，這可以利用真空蒸發方法實現。
在參考圖11描述的、制造太陽能電池的另一種方法中，將磷9和硼10分別擴散到(110)取向晶片的正面和背面，然后，如上所述，在晶片的兩個表面沉積二氧化硅層和氮化硅層。利用激光燒蝕方法或者利用光刻法/蝕刻方法，沿[1-1-2]方向延伸的帶在上氧化物層和氮化物層斷開。然后，將晶片放置到KOH溶液中，直到在背面蝕刻出通常在50微米范圍內的淺槽。然后，在淺槽內形成通常為每方200歐姆的輕磷擴散11，并生長通常為150nm厚的氧化物12。然后，在背面的氧化物層和氮化物層上，斷開與淺槽對準的帶，如上所述。將晶片重新浸入KOH溶液，直到在晶片背面蝕刻的新淺槽與在正面蝕刻的淺槽連接在一起，從而產生整個通過晶片延伸的溝槽。然后，生長薄氧化物12，以鈍化還未被氧化物覆蓋的部分側壁。然后，去除位于正面和背面上的氮化物層和氧化物層，并在正面和背面沉積金屬接點13。圖11示出所得到的電池結構。
如下所述，僅利用一個光刻步驟，就可以實現這種電池結構。在正面和背面沉積氧化物和氮化物后，對兩面涂覆光致抗蝕劑，并利用光刻法，在兩個抗蝕劑層上形成對準的帶圖形。通過設置同時曝光兩個對準的掩膜(一個掩膜在晶片的上面，另一個掩膜在晶片的下面)，這可以由一個曝光步驟實現。顯影光致抗蝕劑后，將晶片浸入HF緩沖溶液中，蝕刻氮化硅和二氧化硅，但是速度更慢。如圖12(a)示出的分別位于正面40和背面50上的氧化物層12A和12B、氮化物層29A和29B的示意圖所示(未示出光致抗蝕劑層)，在約一半厚度的氮化物層被蝕刻時，從蝕刻溶液中取出晶片。然后，例如，通過沉積另一層光致抗蝕劑層，防止背面50被進一步蝕刻。重新將晶片浸入蝕刻溶液中，直到硅帶上的氮化物層29A和氧化物層12A被完全去除，如圖12(b)所示，然后，進行KOH蝕刻以在正面40上形成淺槽。為了在背面50上對帶形成掩膜，將晶片浸入熱磷酸中以去除位于部分蝕刻的刻槽內的剩余氮化物，如圖12(c)所示。將晶片浸入HF溶液中以去除殘余在背面50上的帶上的氧化物12B。這樣不顯著影響氮化物層，因為氮化物的蝕刻速度比氧化物的蝕刻速度慢得多。然后，可以將晶片浸入KOH溶液中，以在硅晶片的背面50上蝕刻淺槽。如上所述，在正面硅蝕刻前沿與背面硅蝕刻前沿接合后，成型帶。
一旦對晶片進行了處理，而且已經使各帶互相分離，則將帶平坦放置在適當襯底上。在采用靜態集光時，在備電池之間具有間隙情況下，或者在電池之間沒有間隙情況下，將各電池串聯或并聯在一起。
圖13(a)示出在各電池之間沒有間隙情況下，實現串聯的方式。各電池20排列在襯底21上，使得一個電池的p極性接點32非常接近相鄰電池的n極性接點33。然后，將一個電池的p極性接點電連接到相鄰電池的n極性接點。
圖13(b)示出在各電池之間具有間隙情況下，實現串聯的方式。電池20排列在襯底21上，如圖所示。成型導線線路(track)16，以使一個電池的p極性接點32電連接到相鄰電池的n極性接點33。
圖13(c)示出在各電池之間具有間隙情況下，實現并聯的方式。電池20排列在襯底21上。成型導線線路16，以便在電池的一端，將所有p極性接點32電連接到一起，而在電池的另一端，將所有n極性接點33電連接到一起。
圖13(d)示出在各電池之間沒有間隙情況下，實現并聯的方式。電池20排列在襯底21上。取向每個另一個電池，以使其p接點32的順序與n接點33的順序相反。成型導線線路16，以便在電池的一端，將所有p極性接點電連接到一起，而在電池的另一端，將所有n極性接點電連接到一起。
在圖13(b)至(d)所示的排列以及許多其他可能的排列均要求在在其上安裝了電池的襯底上成型導線線路。可以在將各電池設置在該襯底上之前或之后，成型該導線線路。如果在將各電池設置在襯底上之前成型導線線路，則可以利用許多眾所周知的技術中的任何一種技術，例如絲網印刷、金屬蒸發或濺射技術成型導線線路。一種可能的方法是將焊膏絲網印刷到襯底上以形成要求的導線線路。然后，將電池設置到襯底上，并將襯底加熱到使焊膏軟熔，對電池產生電接點或物理接點。如果在設置細條電池之后成型導線線路，則在成型導線線路的同時，將電池電連接到該導線線路。可以采用任何數量的眾所周知的方法和材料，包括導電粘合劑和導電油墨。
在根據上述任何一種實施例制造并安裝各電池后，將以適當形式封裝電池供使用。
因為每條帶就是一個單獨的電池，所以利用集光器，這樣可以提高每個電池的有效面積。為了提高每個電池吸收的光量，不互相相鄰設置各電池，而是互相隔開特定距離設置各電池。該間隔在每個電池寬度的0倍到3倍之間。電池為兩面的優點是，它們對照射在兩面上的太陽光的響應同樣好。
圖14示出可能集光器結構的剖視圖。利用適當光粘合劑，將電池20安裝在玻璃覆蓋層(superstrate)22上。已經利用串聯和并聯的適當組合(未示出)，將電池20互相電連接到一起。施加諸如玻璃的適當透明襯底21，利用諸如乙基乙酸乙烯酯(EVA)或硅樹脂的填充物(pottant)23填充電池20與襯底21之間的間隔。襯底21的背面是鋸齒形的，并對其施加由諸如銀的適當反射材料構成的反射層(reflector)24從而形成背面反射層。該反射層結構不對準電池20，而且不需要與電池20的間隔具有同樣的間隔。反射層24的間隔最好遠小于電池20的間隔。通過電池20之間的間隔的太陽光60將被背面反射層24反射，而且反射光61有另一次機會被電池吸收。此外，如果到達正面空氣-玻璃界面45的光以大于臨界角的角度照射界面45，則它可能被反射回覆蓋層22，從而使得它又有一次機會被電池20吸收。
圖15示出另一個可能集光器結構的剖視圖。利用適當的光粘合劑，將電池20安裝在玻璃覆蓋層22上。已經利用串聯和并聯的適當組合(未示出)，將電池20互相電連接到一起。施加諸如玻璃的適當透明襯底21，利用諸如乙基乙烯乙酸酯(EVA)或硅樹脂的填充物23填充電池20與襯底21之間的間隔。對背面施加諸如為適當白涂料的高反射朗伯(散射)反射層24。通過電池20之間的間隔的太陽光60將被背面反射層24反射，如圖中61所示，而且有另一次機會被電池吸收。此外，如果到達正面空氣-玻璃界面45的光以大于臨界角的角度照射界面45，則它可能被反射回覆蓋層22，從而使得它又有一次機會被電池20吸收。
圖16示出另一個可能集光器結構的剖視圖。利用適當的光粘合劑，將電池20安裝在玻璃覆蓋層22上。已經利用串聯和并聯的適當組合(未示出)，將電池20互相電連接到一起。施加諸如玻璃的適當透明襯底21，利用諸如乙基乙酸乙烯酯(EVA)或硅樹脂的填充物23填充電池20與襯底21之間的間隔。利用諸如注模法的適當方法對襯底21的背面進行成型，并對該襯底21施加適當的反射材料(例如銀)。所獲得的反射層24對準電池20。以這樣的方式設計、設置反射層24，以使通過電池20之間間隔的大多數太陽光60反射到電池20上。
為了將硅太陽能電池的效率提高到最高，重要的是，將硅吸收的、波長小于1100nm的光量提高到最大。有兩種機制可以降低吸收的光量。光可以被硅表面反射，或者它可以進入硅內，而且可以在某個時間之后從硅內退出，而不被吸收。通過粗糙化或紋理化該硅表面，可以降低這兩種損失機制。通過將光束照射硅表面的機率提高許多倍，減少反射損失，而且通過將光封閉在硅內，減少吸收損失。
可以用于(100)取向的單晶硅的紋理化技術是在氫氧化鉀(KOH)和異丙醇(IPA)的溶液中蝕刻硅。這樣就產生了以方形底錐形覆蓋的表面。然而，這種方法不能用于利用KOH蝕刻法成型硅帶的情況，因為在這種情況下，硅帶表面具有(111)結晶取向。當前正在開發幾種與特定結晶取向無關的其他紋理化技術，例如，使用活性離子的蝕刻法(RIE)。然而，可以證明這些技術昂貴，或者會導致其他缺陷，例如在硅表面增加了載流子復合。此外，這些技術僅適用于紋理化平坦晶片，而不能應用于紋理化保持在晶片邊框內的硅帶，例如，作為本發明方法的一部分產生的硅帶。
圖17示出紋理化后的硅帶1的剖視圖。以下是紋理化過程。利用低壓化學汽相沉積(LPCVD)方法，在硅帶襯底1上沉積薄氮化硅層29。這種技術在襯底表面上形成均勻、共形的氮化硅層29。重要的是，利用LPCVD還可以將氮化硅29沉積在窄溝道或溝槽下面和利用上述技術產生的硅帶的側壁上。僅沉積一層幾層原子厚度數量級的非常薄的氮化硅層。該層足夠薄，以致它含有一些通過其露出硅襯底的孔。在適當蝕刻劑中，例如在1∶50的氫氟酸∶硝酸溶液中蝕刻硅帶1。在室溫下，該溶液蝕刻氮化硅的速度約比蝕刻硅的速度慢3000倍。因此，將在硅帶1上形成蝕刻坑31。幾分鐘之后，大部分表面將被其大小至多為幾微米的蝕刻坑31覆蓋。現在，終止蝕刻。通過改變氮化硅沉積參數、通過改變蝕刻時間和溫度，可以對蝕刻過程進行控制，氮化硅沉積參數可以影響該層上的孔的密度。如果采用低蝕刻溫度，則可以獲得比蝕刻硅帶1的蝕刻速度低的蝕刻速度。例如，在0℃，蝕刻溶液蝕刻氮化硅29的速度比蝕刻硅的速度慢6000倍。還可以進行兩次上述紋理化過程，以進一步提高紋理化特性。
上述紋理化技術對于薄膜硅電池尤其具有優勢，因為它在紋理化過程中僅消耗少量硅(每個紋理化表面約2-3微米)。該紋理化技術可以應用于任何晶粒大小的硅晶片或薄膜。
在該文獻中專門對在(110)硅晶片上蝕刻具有垂直側壁的深槽的蝕刻法進行了說明。對于幾百微米深的窄槽，通常認為難以保持均勻槽深和合理的蝕刻速度。其兩個可能原因是，形成粘附在槽的側壁上的氫氣泡，氫氣泡妨礙蝕刻該氣泡周圍的區域，以及不能將新鮮蝕刻劑送到槽的底部。在文獻中，討論了幾種可以提高深槽的蝕刻速度和均勻性的方法，例如，使用超聲波攪拌和攪動。然而，攪動溶液在深槽的蝕刻性能方面未產生顯著改善，而超聲波攪拌通常導致精細特征圖形被破壞。
我們現在說明用于蝕刻深窄槽的另一種技術。這種技術包括周期性地從溶液中取出晶片，然后將它重新插入溶液中。在典型處理過程中，在85℃，利用44wt％的KOH溶液蝕刻5小時。將晶片放置在使其保持適當位置(通常與水平約成45°角)的組件內。該組件使晶片降低進入溶液中，并使其被浸泡5分鐘。然后，將晶片升高到溶液之上，并使其保持在該位置5分鐘。現在，通過再一次使晶片降低進入溶液中，重復該循環。
以上描述的技術應用于其上具有其起始寬度為10微米的槽的硅晶片。5小時的蝕刻獲得約10微米的橫向蝕刻，使得最終槽寬為20微米。已經發現，在5小時蝕刻結束時，深度變化小于40微米。最淺槽深和最深槽深分別為340μm和380μm。實驗評估證明，所蝕刻的60％的槽的深度范圍為350-360微米，所蝕刻的15％的槽的深度為340微米，而所蝕刻的剩余的25％的槽的深度范圍為370-380微米。6小時30分鐘完全蝕刻0.5mm厚的硅片。
例子例子1-制造太陽能電池如下所述，制造太陽能電池。直徑為100mm、厚度為0.8mm、0.5歐姆-cm的摻硼浮區(float-zoned)晶片用作起始晶片。蝕刻該晶片以去除任何表面損傷。在該晶片的一側(上側)進行磷擴散，形成約50歐姆/平方的薄層電阻，然后，對其下側進行硼擴散，達到約50歐姆/平方。在兩面生長100nm厚的氧化物，然后，沉積50nm的氮化硅。利用切割鋸在上側切割晶片以產生硅帶，切口在背面延伸不超過約50微米。然后，在氫氧化鉀溶液中蝕刻該晶片以去除切割過程造成的任何損傷。在槽內進行磷擴散以達到約100歐姆/平方。在帶的側壁生長厚度為200nm的氧化物。然后，對準第一組切口，利用切割鋸對晶片切割另一組具有足夠深度的切口，以形成通過晶片的切口。再將該晶片浸入氫氧化鉀溶液中以去除切口造成的任何損傷。在新露出的硅表面上生長275nm厚度的氧化物，從而將側壁氧化物的厚度增加到300nm。現在，在165℃下，利用磷酸去除晶片的正面和背面上的氮化硅層。然后，將晶片浸入含有10％氫氟酸的水溶液中，直到從晶片的正面和背面去除氧化物。在此階段，在硅帶的側壁上仍存在約180nm厚度的氧化物。現在，金屬化該晶片。在接點上電鍍約4微米厚度的銀。最后，利用切割鋸，切下硅帶。這樣，就制成了厚度范圍在不到100微米至250微米之間的硅帶。
如下所述，將150個硅帶串聯在一起。將各硅帶對接在一起，并放置到適當電鍍夾具上。通過沿硅帶組件的一個邊緣涂覆銀涂料，使它們短接在一起。然后，對電池鍍銀。這樣產生銀沉積，從而在相鄰帶之間實現電、物理連接。進行電鍍之后，利用切割鋸將對其涂覆了銀涂料的、所獲得的電池的邊緣切下。利用熱活化粘合劑，將獲得的電池安裝在玻璃上。這樣，就制成了53cm2的電池。該電池的效率為13.4％、開路電壓為92V、電流為10.3mA、占空因數為73％。
例子2-紋理化被拋光的硅表面以降低反射率利用低壓化學汽相沉積方法，在750℃下，在(111)取向的拋光硅晶片上沉積約2nm厚的氮化硅。從晶片上切下樣品，并在0℃下將該樣品放入1∶50的氫氟酸∶硝酸溶液中蝕刻150秒。利用硅樹脂，將該樣品封裝在1mm厚的低鐵玻璃內，然后，利用具有積算球的分光光度計，測量其反射率。900nm時，該樣品的反射率為11％，而被拋光的封裝硅基準晶片的電阻率為24％，對于同樣波長，具有倒錐形紋理化的(100)取向硅樣品的反射率為8％。這些得到的表明，紋理處理在降低硅表面的反射率方面非常有效。該得到的還表明，在將光封閉在硅內方面，紋理可能非常有效。
相對于現有技術的工業用硅太陽能電池處理技術，本發明方法所具有的優點與現有技術方法相比，對于單位長度的結晶材料，本發明方法提供更大的太陽能電池表面積。例如，下一代結晶硅(c-Si)太陽能電池約為0.2mm厚。切口損失約為0.25mm，因此每個晶片所消耗的結晶材料的總厚度約為0.45mm。根據本發明，如果以0.1mm的間距從1mm厚晶片上切割帶，則對于1.25mm結晶材料的消耗，這樣提供的有效表面積是起始晶片的表面積的10倍。因此，每個等效晶片面積消耗的結晶材料數量將為0.125mm，增益系數為3.6(即，0.45/0.125)。若包括圍繞晶片外圍的硅邊框，可能少許降低該增益系數。但是，通過使太陽光集中照射在利用帶制成的太陽能電池上，可以進一步擴大該面積增益系數。
在本發明方法中，可以在帶仍安裝在晶片上的同時，進行制造太陽能電池的過程。對于所處理的每個晶片，利用上述方法，有效處理10倍于晶片的面積，因此降低了處理成本。通常，晶片的厚度應該大于每個帶的厚度與所切掉的硅厚度之和，以獲得平坦表面積的凈增益系數。
顯然，利用本發明方法可以實現單片互連。這是所希望的，因為，這樣使得該方法本身比傳統電池互連方法更容易實現自動化生產。可以將各電池串聯在一起，從而提供高電壓、小電流裝置，這同樣是所希望的。
本發明還可以實現非常簡單而且非常高效的靜態集光器設計，這種集光器設計可以使太陽光集中2倍或者更多倍。這意味著，在太陽能電池中，僅約一半或者更少的模塊表面必須覆蓋。利用本發明方法生產的太陽能電池為什么比現有技術的太陽能電池更適于靜態集光器設計的原因主要有兩個。
第一個原因是，利用本發明方法生產的太陽能電池是兩面的，即，它對照射在其兩面上的太陽光的響應同樣好。現有技術的標準太陽能電池不是兩面的，而且僅對照射在其一面上的太陽光產生響應。最有效的靜態集光器設計需要兩面的電池。
第二個原因是，利用本發明方法生產的電池非常窄，通常為1mm數量級。靜態集光器的高度與電池的寬度成正比。利用晶片制造的、現有技術的標準太陽能電池通常為10×10cm2或者更大，因此，用這種電池所制造的靜態集光器龐大、笨重。
對于本技術領域內的熟練技術人員來說，在本發明實質范圍內，對在此參考附圖描述的方法進行許多修改是顯而易見的。
權利要求
1.一種用于增加具有大致平坦表面而且其厚度方向與所述大致平坦表面成直角的半導體晶片的可用表面積的方法，所述方法包括步驟選擇帶厚度，以將晶片分割為多個帶；選擇一種用于與所述大致平坦表面成某個角度，將晶片切割為所述帶的技術，其中帶厚度與通過進行切割所切掉的晶片的寬度之和小于晶片的厚度；利用選擇的技術，將晶片切割為帶；以及將所述帶互相分離。
2.一種用于處理具有大致平坦表面的半導體晶片，以增加所述晶片的可用平坦表面積的方法，該方法包括步驟至少部分通過所述晶片，產生多個平行細長溝槽，使得所述溝槽寬度與所述溝槽之間的寬度之和小于所述晶片的厚度，以產生一系列半導體帶；將所述帶互相分離；以及確定所述帶的方向，以露出其事先與所述大致平坦表面成一角度的表面，從而形成新平坦表面。
3.一種用于生產硅太陽能電池的方法，所述方法包括步驟在硅襯底上成型多個平行溝槽，所述溝槽至少部分通過所述襯底延伸以產生一系列硅帶；將所述帶互相分離；以及利用所述帶制造太陽能電池。
4.根據權利要求1至3之任一所述的方法，其中留下晶片外圍周圍的區域不進行切割，以形成邊框，所述帶臨時保持在所述邊框內，然后從邊框切下。
5.根據權利要求1至3之任一所述的方法，其中利用激光在所述晶片上成型所述溝槽。
6.根據權利要求1至3之任一所述的方法，其中利用濕式各向異性蝕刻的(110)取向晶片成型所述溝槽。
7.根據權利要求1至3之任一所述的方法，其中利用切割鋸在所述晶片上成型所述溝槽。
8.根據權利要求1或2所述的方法，其中所述角度約為90°。
9.根據權利要求1或2所述的方法，該方法進一步包括在所述半導體晶片之上或之內至少成型一個互連部分，所述互連部分連接各相鄰帶，以使所述帶之間保持大致恒定的間隙。
10.根據權利要求3所述的方法，該方法進一步包括在所述硅襯底上或之內至少成型一個互連部分，所述互連部分連接各相鄰帶，以使所述帶之間保持大致恒定的間隙。
11.根據權利要求9所述的方法，其中所述互連部分是至少部分通過其一個或者兩個主表面成型的、所述半導體材料的一個或者多個帶，所述互連部分連接到所述多個溝槽確定的每個所述帶。
12.根據權利要求10所述的方法，其中所述互連部分是至少部分通過其一個或者兩個主表面成型的、所述硅襯底的一個或者多個帶，所述互連部分連接到所述多個溝槽確定的每個所述帶。
13.根據權利要求11所述的方法，其中所述互連部分垂直于所述多個溝槽確定的所述帶。
14.一種根據權利要求3所述方法制備的太陽能電池。
15.一種用于降低半導體材料表面的反射率的方法，該方法包括在所述表面上施加一層保護物質，所述層具有通過其的多個孔；使所述層和所述半導體材料接觸蝕刻劑，該蝕刻劑蝕刻所述半導體材料的速度比蝕刻所述保護物質的速度快，在所述孔周圍的所述蝕刻劑蝕刻所述半導體材料，但是基本上不蝕刻所述保護物質的條件下，所述蝕刻劑至少通過所述孔與所述半導體材料接觸一段時間。
16.根據權利要求15所述的方法，其中所述半導體材料是硅，而所述保護物質是氮化硅。
17.根據權利要求16所述的方法，其中利用低壓化學汽相沉積方法，對所述表面沉積所述層。
全文摘要
本發明提供了一種用于增加具有大致平坦表面而且其厚度方向與所述大致平坦表面成直角的半導體晶片的可用表面積的方法。該方法包括步驟選擇帶厚度，以將晶片分割為多個帶；選擇一種用于與大致平坦表面成某個角度，將晶片切割為帶的技術，其中帶厚度與通過進行切割所切掉的晶片的寬度之和小于晶片的厚度；利用選擇的技術，將晶片切割為帶；以及將所述帶互相分離。
文檔編號H01L21/78GK1592952SQ01821447
公開日2005年3月9日 申請日期2001年11月29日 優先權日2000年11月29日
發明者克勞斯·卓安納斯·衛博, 安卓·威康姆·布萊克斯 申請人:源太陽能股份有限公司