[发明专利]一种基于层转移的晶硅薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体材料技术领域，具体是一种基于层转移的晶硅薄膜的制备方法。

背景技术

资源丰富、可再生、无污染的太阳能是国家新能源战略的一个极其重要的选项。由于硅半导体工艺技术成熟、材料资源丰富、光电转化效率高，在当前光伏产业中晶硅电池占据了85%以上的市场份额。晶硅电池转化效率高的根本原因是在于高晶体质量，保证了高少子寿命和长少子扩散长度。但是单晶硅片的制作是一个高能耗和高耗损的过程，是太阳能电池走向平民化的最大屏障。基于此，研究直接利用含硅气体外延生长层转移单晶硅薄膜成为新的热点。

经过对现有技术检索发现，日本的Tayanaka和德国的Brendel在1996年、1997年相续独立提出多孔硅层转移技术。具体工艺过程是：以单晶硅片为衬底，通过阳极电化学刻蚀在表面形成不同孔隙率的多孔硅结构；经过高温退火多孔结构重构，孔隙率较小的上表面孔闭合，恢复单晶结构，可用于外延生长高晶体质量的硅膜，孔隙率较大的下层孔隙增大到几十微米，使得上层单晶薄膜与下层母体晶硅只保持弱机械连接，可作为后续剥离外延单晶硅薄膜的牺牲层。采用该方法，1998年Tayanaka研究组就取得了转化效率12.5%的电池器件。但在此之后，电池的效率提升的非常缓慢。直到2009年，Reuter等人通过高温氧化钝化薄膜表面并利用光刻工艺制作局部接触式电极，用50μm厚硅膜，2cm²面积的电池效率达到17%。2011年，德国哈梅林研究所采用AlOX钝化薄膜表面，将43μm厚硅膜电池效率提高到19.1%。2012年10月，在新加坡召开的亚太光伏会议上美国Solexel公司公布了其43μm厚硅膜，156mm×156mm面积的电池效率达到20.6%。使得多孔硅层转移技术再次向前迈进一大步。

多孔硅层转移技术发展比较慢，主要有以下问题：（1）硅薄膜的质量取决于多孔硅层的质量，在大面积上难以实现孔隙的均匀性以及多孔结构的力学和热学稳定性；（2）对于薄膜，有效制备阳面绒面结构以及高质量背面反射层结构困难；（3）多孔层容易受热、机械应力脆裂，不利于上层外延膜依附母板进行制绒。而剥离、制绒后，必须保持薄膜处于自舒展状态，否则异质衬底带来的热失配会损害薄膜晶体质量，而且要求异质衬底和粘结层都必须耐高温；（4）比表面积增大，对表面、界面钝化要求提高，但是由于支撑衬底的不耐高温局限性，难以在低温下获得高质量的结区、钝化界面。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出了一种基于层转移的晶硅薄膜的制备方法。本方法结合了晶体硅的高晶体质量和薄膜的低成本两大重要因素：以单晶硅为母衬底，通过微纳加工方法制备出周期性硅棒阵列，随后在其表面生长一层SiO₂/Si₃N₄的阻挡层，通过选择性刻蚀使得硅棒顶部的硅核裸露出来，然后以裸露的硅核为籽晶或者成核位置，在高温化学气相沉积系统中选择性外延生长，硅核生长长大、合并，形成连续薄膜并继续增厚，最后通过选择性刻蚀将薄膜剥离。这样所生长的薄膜能够继承母衬底的晶体质量，因此保证薄膜具有高少子寿命和长少子扩散长度；同时衬底经过适当的处理又可以重复使用，降低了生产成本。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于层转移的晶硅薄膜的制备方法，至少包括以下步骤：

1）提供一单晶硅衬底，于所述单晶硅衬底表面形成用于制作周期性棒阵列的掩膜，然后采用化学湿法刻蚀或干法刻蚀工艺于所述单晶硅衬底上形成周期性的硅棒阵列；

2）于所述单晶硅衬底表面及硅棒阵列表面形成硅外延生长的阻挡层；

3）采用选择性刻蚀工艺去除所述硅棒阵列顶部的阻挡层，暴露所述硅棒阵列顶部的硅，形成硅核阵列；

4）以所述硅核阵列作为外延生长的籽晶或者成核位置，采用化学气相沉积法于所述硅棒阵列顶部位置形成连续的硅膜；

5）剥离所述硅膜，将其转移至一预设基底。

作为本发明的基于层转移的晶硅薄膜的制备方法的一种优选方案，步骤1）中，采用紫外曝光微纳工艺形成所述用于制作周期性棒阵列的掩膜。

作为本发明的基于层转移的晶硅薄膜的制备方法的一种优选方案，步骤1）采用金或银作为催化剂，HF及H₂O₂的组合溶液作为腐蚀液进行所述的化学湿法刻蚀。

作为本发明的基于层转移的晶硅薄膜的制备方法的一种优选方案，步骤1）所述的干法刻蚀工艺为感应耦合等离子体刻蚀工艺。