[发明专利]用于在基材上制备单一介电层和/或阻挡层或多层的方法以及用于实施所述方法的装置

说明书

技术领域

本发明属于制备具有阻挡层/介电层效应并具有各种广泛用途的薄膜的领域。所提出的发明特别可以用于微电子和光电子行业中，主要是在大面积器件的制造中。在光电子领域中，可以在金属基材上的薄膜光伏太阳能模块的设计和制造中发现本发明的运用的明显例证，其中单片集成的概念被付诸实施用于太阳能电池的互连，并且其中另外还起到扩散阻挡层作用的薄介电层的开发是绝对必要的。

总的来说，本发明可用于必需利用发挥电绝缘和扩散阻挡层功能的中间层将两种金属电绝缘的电子器件中。

背景技术

用于电绝缘金属基材或半导体的介电层和阻挡层的开发是极为重要的问题，其决定了尺寸更小的电子线路的开发，以及在另一个层面上，决定了在这些类型的材料上的光电子应用的工业开发这两者。在这种意义上，典型的情况是基于在金属基材上生长的薄膜的光伏模块的开发。事实上，目前不存在利用单片集成技术将太阳能电池互连的金属基材上的薄膜商品化光伏模块。其原因之一是缺少实现电池后电极的金属基材的有效绝缘的介电材料。在这些情况下，由于在金属基材与所述电池的后电极之间发生短路，不能在金属基材上制造单片集成。作为单片集成的可替选方案，利用被称为“分接(tapping)”的常规方法的电池连接方法被使用，其中通过焊接两个电池来制造接触，利用电导体将两者的正极和负极相连。然而，这种方法没有利用模块的有效面积；在美观方面它限制了产品进入建筑市场，并且没有将产品与常规的硅技术区分开，此外还涉及高成本。

目前现有的商业化产品是基于薄膜金属基材(通常为采取带形式的钢、钛或另外的可锻造金属)，通常受到小厚度的金属层(例如，厚度在数十微米范围内的铬或其他金属)保护。引入所述层(阻挡层)是为了防止来自于基材的金属杂质向半导体扩散，并由于它们可以改变半导体的特征或简单地由于引起电子-空穴载荷子和/或对的重组的不想要的增加而改变半导体的性能。然而，这些金属层不具有防止电荷向金属基材迁移的任何电绝缘功能，因此不可能在模块中建立起电池的单片集成。在这些产品中，电池的互连通过常规的焊接方法例如单晶硅或多晶硅技术来进行，这暗示了由模块中有用面积较小而带来的缺点，同样地，模块中的功率较低(效率降低)，生产速率较低，暗示了最终产品较高的销售成本，进而不能为BIPV(光伏建筑一体化)市场带来有吸引力的产品。

因此，薄金属层的作用是防止来自于基材的杂质扩散到半导体。然而，实现这种对抗化学元素的扩散的阻挡功能并同时具有防止绝缘击穿的有效电绝缘功能，要求使用在本质上介电的材料。此外，为了在实践中优化这种功能，可以证实这样的层需要其他难以获得并支撑本专利的基础的特点：具有致密微观结构的阻挡层和介电层，并且对于约几微米的厚度来说，不经历可以引起其脱层的机械应力过程。在例如包含金属基材的太阳能电池中，所述层的这些特征是必需的，因为这些层必须能够阻断载荷子从电池后电极通往金属基材的通路，即使是在其以峰、颗粒或对金属的固有粗糙性来说典型的其他要素为特征的区域中，在所述区域中，在局部范围内，电场的密度可能非常高。

绝缘击穿过程作为通过介电阻挡层的某些区域的高度局域化效应的结果而产生，在所述区域中，由于多种因素例如层的局部厚度的减小、作为某些互连的孔隙的结果而存在某些电学上有利的通路、杂质和/或OH基团或在氧化物的情形中被吸附的水分子的积累等，可以产生电子级联，其电刺穿所述材料并产生具有可忽略的电阻的永久性通路，其将金属基材连接到半导体。

为了减少这样的绝缘“击穿”的发生，考虑了几种策略：

●增加层的厚度：厚度越大，电荷到达金属基材的可能性越低，从而维持整体电绝缘，

●提高层的密度和适形性：微观结构越致密，载荷子发现便于其扩散的“开放通路”——不论是点缺陷(杂质)还是表面缺陷(晶界)——的可能性越低。基材的表面粗糙度的良好适形性将不仅使介电层具有防止绝缘击穿所必需的平均厚度，而且局部地，在基材的表面粗糙度的最显著要素的尖端或顶端上方，将获得防止其中的电场引起局部绝缘击穿所必需的最小厚度。

已尝试使用各种不同方法制备具有介电阻挡功能的层，包括湿式化学法(溶胶-凝胶等)，以及执行在需要真空的环境中操作的加工技术的其他干式方法。在第一种情形(湿式化学法)中，使用的方法需要几个阶段和明显长的加工时间长度(反应、干燥、沉积、煅烧等)，获得没有化学或微观结构缺陷(裂纹、脱层等)的几微米的层相当困难。此外，从它在主要利用真空沉积过程的工业过程中的一体化的观点来看，它们存在着需要分开的加工线的重要限制。