[發(fā)明專利]一種基于層轉(zhuǎn)移的晶硅薄膜的制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310167373.3
• 申請(qǐng)日: 2013-05-08
• 公開（公告）號(hào): CN104143496A
• 公開（公告）日: 2014-11-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉東方;張偉;陳小源;楊輝;王聰;魯林峰;李東棟;方小紅;李明;楊康;王旭洪
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院
• 主分類號(hào): H01L21/02
• 分類號(hào): H01L21/02
• 代理公司: 上海光華專利事務(wù)所 31219
• 代理人: 余明偉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于半導(dǎo)體材料技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種基于層轉(zhuǎn)移的晶硅薄膜的制備方法。

背景技術(shù)

資源豐富、可再生、無(wú)污染的太陽(yáng)能是國(guó)家新能源戰(zhàn)略的一個(gè)極其重要的選項(xiàng)。由于硅半導(dǎo)體工藝技術(shù)成熟、材料資源豐富、光電轉(zhuǎn)化效率高，在當(dāng)前光伏產(chǎn)業(yè)中晶硅電池占據(jù)了85%以上的市場(chǎng)份額。晶硅電池轉(zhuǎn)化效率高的根本原因是在于高晶體質(zhì)量，保證了高少子壽命和長(zhǎng)少子擴(kuò)散長(zhǎng)度。但是單晶硅片的制作是一個(gè)高能耗和高耗損的過程，是太陽(yáng)能電池走向平民化的最大屏障?；诖?，研究直接利用含硅氣體外延生長(zhǎng)層轉(zhuǎn)移單晶硅薄膜成為新的熱點(diǎn)。

經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)檢索發(fā)現(xiàn)，日本的Tayanaka和德國(guó)的Brendel在1996年、1997年相續(xù)獨(dú)立提出多孔硅層轉(zhuǎn)移技術(shù)。具體工藝過程是：以單晶硅片為襯底，通過陽(yáng)極電化學(xué)刻蝕在表面形成不同孔隙率的多孔硅結(jié)構(gòu)；經(jīng)過高溫退火多孔結(jié)構(gòu)重構(gòu)，孔隙率較小的上表面孔閉合，恢復(fù)單晶結(jié)構(gòu)，可用于外延生長(zhǎng)高晶體質(zhì)量的硅膜，孔隙率較大的下層孔隙增大到幾十微米，使得上層單晶薄膜與下層母體晶硅只保持弱機(jī)械連接，可作為后續(xù)剝離外延單晶硅薄膜的犧牲層。采用該方法，1998年Tayanaka研究組就取得了轉(zhuǎn)化效率12.5%的電池器件。但在此之后，電池的效率提升的非常緩慢。直到2009年，Reuter等人通過高溫氧化鈍化薄膜表面并利用光刻工藝制作局部接觸式電極，用50μm厚硅膜，2cm²面積的電池效率達(dá)到17%。2011年，德國(guó)哈梅林研究所采用AlOX鈍化薄膜表面，將43μm厚硅膜電池效率提高到19.1%。2012年10月，在新加坡召開的亞太光伏會(huì)議上美國(guó)Solexel公司公布了其43μm厚硅膜，156mm×156mm面積的電池效率達(dá)到20.6%。使得多孔硅層轉(zhuǎn)移技術(shù)再次向前邁進(jìn)一大步。

多孔硅層轉(zhuǎn)移技術(shù)發(fā)展比較慢，主要有以下問題：（1）硅薄膜的質(zhì)量取決于多孔硅層的質(zhì)量，在大面積上難以實(shí)現(xiàn)孔隙的均勻性以及多孔結(jié)構(gòu)的力學(xué)和熱學(xué)穩(wěn)定性；（2）對(duì)于薄膜，有效制備陽(yáng)面絨面結(jié)構(gòu)以及高質(zhì)量背面反射層結(jié)構(gòu)困難；（3）多孔層容易受熱、機(jī)械應(yīng)力脆裂，不利于上層外延膜依附母板進(jìn)行制絨。而剝離、制絨后，必須保持薄膜處于自舒展?fàn)顟B(tài)，否則異質(zhì)襯底帶來(lái)的熱失配會(huì)損害薄膜晶體質(zhì)量，而且要求異質(zhì)襯底和粘結(jié)層都必須耐高溫；（4）比表面積增大，對(duì)表面、界面鈍化要求提高，但是由于支撐襯底的不耐高溫局限性，難以在低溫下獲得高質(zhì)量的結(jié)區(qū)、鈍化界面。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提出了一種基于層轉(zhuǎn)移的晶硅薄膜的制備方法。本方法結(jié)合了晶體硅的高晶體質(zhì)量和薄膜的低成本兩大重要因素：以單晶硅為母襯底，通過微納加工方法制備出周期性硅棒陣列，隨后在其表面生長(zhǎng)一層SiO₂/Si₃N₄的阻擋層，通過選擇性刻蝕使得硅棒頂部的硅核裸露出來(lái)，然后以裸露的硅核為籽晶或者成核位置，在高溫化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)中選擇性外延生長(zhǎng)，硅核生長(zhǎng)長(zhǎng)大、合并，形成連續(xù)薄膜并繼續(xù)增厚，最后通過選擇性刻蝕將薄膜剝離。這樣所生長(zhǎng)的薄膜能夠繼承母襯底的晶體質(zhì)量，因此保證薄膜具有高少子壽命和長(zhǎng)少子擴(kuò)散長(zhǎng)度；同時(shí)襯底經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚碛挚梢灾貜?fù)使用，降低了生產(chǎn)成本。

為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種基于層轉(zhuǎn)移的晶硅薄膜的制備方法，至少包括以下步驟：

1）提供一單晶硅襯底，于所述單晶硅襯底表面形成用于制作周期性棒陣列的掩膜，然后采用化學(xué)濕法刻蝕或干法刻蝕工藝于所述單晶硅襯底上形成周期性的硅棒陣列；

2）于所述單晶硅襯底表面及硅棒陣列表面形成硅外延生長(zhǎng)的阻擋層；

3）采用選擇性刻蝕工藝去除所述硅棒陣列頂部的阻擋層，暴露所述硅棒陣列頂部的硅，形成硅核陣列；

4）以所述硅核陣列作為外延生長(zhǎng)的籽晶或者成核位置，采用化學(xué)氣相沉積法于所述硅棒陣列頂部位置形成連續(xù)的硅膜；

5）剝離所述硅膜，將其轉(zhuǎn)移至一預(yù)設(shè)基底。

作為本發(fā)明的基于層轉(zhuǎn)移的晶硅薄膜的制備方法的一種優(yōu)選方案，步驟1）中，采用紫外曝光微納工藝形成所述用于制作周期性棒陣列的掩膜。

作為本發(fā)明的基于層轉(zhuǎn)移的晶硅薄膜的制備方法的一種優(yōu)選方案，步驟1）采用金或銀作為催化劑，HF及H₂O₂的組合溶液作為腐蝕液進(jìn)行所述的化學(xué)濕法刻蝕。

作為本發(fā)明的基于層轉(zhuǎn)移的晶硅薄膜的制備方法的一種優(yōu)選方案，步驟1）所述的干法刻蝕工藝為感應(yīng)耦合等離子體刻蝕工藝。