薄膜ソーラー製造中に基板温度を制御する装置及び方法
薄膜ソーラーセル製造中に基板温度を制御する装置及び方法が提供される。１つの方法は、第１チャンバ内で、ある時間周期中に基板を予熱するように基板上で温度安定化プロセスを遂行し、第２チャンバに対する待機時間周期を計算し、待機時間周期中の基板からの熱の損失を補償するよう温度安定化時間周期を調整することを含み、上記待機時間周期は、第２チャンバの利用性、第１チャンバから第２チャンバへ基板を移送するように適応される真空移送ロボットの利用性、又はその両方に基づく。
【発明の詳細な説明】
【発明の背景】
【０００１】
発明の分野
[0001]本発明の実施形態は、一般的に、薄膜ソーラー製造中に基板温度を制御する装置及び方法に関する。
【０００２】
関連技術の説明
[0002]結晶性シリコンソーラーセル及び薄膜ソーラーセルは、ソーラーセルの２つの形式である。結晶性シリコンソーラーセルは、典型的に、単結晶性基板（即ち、純粋なシリコンの単結晶性基板）、又は多結晶性シリコン基板（即ち、多結晶性又はポリシリコン）のいずれかを使用する。光の捕捉を改善し、電気回路を形成し、且つデバイスを保護するために、シリコン基板上に付加的な膜層が堆積される。薄膜ソーラーセルは、適切な基板上に堆積された薄い材料層を使用して、１つ以上のｐ−ｉ−ｎ接合を形成する。
【０００３】
[0003]図１は、光又は太陽放射１０１に向けられた単一のｐ−ｉ−ｎ接合型薄膜ソーラーセル１００の特定の実施形態の概略図である。このソーラーセル１００は、ガラス基板、ポリマー基板、金属基板、又は他の適切な基板のような基板１０２を備えている。基板１０２上に第１の透明導電性酸化物（ＴＣＯ）層１１０が形成される。ｐドープのシリコン層１２２、真性シリコン層１２４及びｎドープのシリコン層１２６を含む単一のｐ−ｉ−ｎ接合１２０が第１のＴＣＯ層１１０上に形成される。一実施形態では、ｐドープのシリコン層１２２と真性シリコン層１２４との間にアモルファスシリコンバッファ層（図示せず）が形成される。真性シリコン層１２４は、典型的に、アモルファスシリコンで構成される。一実施形態において、ｎドープのシリコン層１２６は、異なる抵抗率を各々が有する二重層で構成される。単一のｐ−ｉ−ｎ接合１２０にわたって第２のＴＣＯ層１４０が形成され、次いで、この第２のＴＣＯ層１４０上に金属後方反射層１５０が形成される。
【０００４】
[0004]図２は、光又は太陽放射２０１に向けられたタンデムｐ−ｉ−ｎ接合型薄膜ソーラーセル２００の特定の実施形態の概略図である。このソーラーセル２００は、ガラス基板、ポリマー基板、金属基板、又は他の適切な基板のような基板２０２を備えている。基板２０２上に第１の透明導電性酸化物（ＴＣＯ）層２１０が形成される。ｐドープのシリコン層２２２、真性シリコン層２２４及びｎドープのシリコン層２２６を含む第１のｐ−ｉ−ｎ接合２２０が第１のＴＣＯ層２１０上に形成される。この第１のｐ−ｉ−ｎ接合２２０の真性シリコン層２２４は、典型的に、アモルファスシリコンで構成される。一実施形態では、ｐドープのシリコン層２２２と真性シリコン層２２４との間にアモルファスシリコンバッファ層（図示せず）が形成される。ｐドープのシリコン層２３２、真性シリコン層２３４及びｎドープのシリコン層２３６を含む第２のｐ−ｉ−ｎ接合２３０が、第１のｐ−ｉ−ｎ接合２２０上に形成される。第２のｐ−ｉ−ｎ接合２３０の真性シリコン層２３４は、典型的に、多結晶性シリコンで構成される。第２のｐ−ｉ−ｎ接合２３０上に第２のＴＣＯ層２４０が形成され、次いで、第２のＴＣＯ層２４０の上には金属後方反射層２５０が形成される。タンデムｐ−ｉ−ｎ接合型薄膜ソーラーセル２００は、典型的に、太陽放射スペクトルの異なる部分が捕捉されるように異なる材料の真性シリコン層２２４、２３４を備えている。
【０００５】
[0005]現在の薄膜ソーラーセルに伴う問題は、効率が低く、コストが高いことを含む。それ故、薄膜ソーラーセルを形成するための改良された装置及び方法が要望されている。
【発明の概要】
【０００６】
[0006]本発明の実施形態は、一般的に、薄膜ソーラー製造中に基板温度を制御する装置及び方法を提供する。一実施形態では、基板上に薄膜ソーラーセルを形成する方法が提供される。この方法は、第１チャンバ内で基板安定化時間周期中に基板を予熱するように基板上で温度安定化プロセスを遂行するステップ、第２チャンバに対する待機時間周期を計算するステップを含むが、この待機時間周期は、第２チャンバの利用性、第１チャンバから第２チャンバへ基板を移送するのに適応された真空移送ロボットの利用性、又はこれら第２チャンバの利用性及び真空移送ロボットの利用性の両方の組合せ、に基づくものであり、更に、待機時間周期中の基板からの熱の損失を補償するように温度安定化時間周期を調整するステップを含む。
【０００７】
[0007]別の実施形態では、基板上に薄膜ソーラーセルを形成する方法が提供される。この方法は、移送チャンバと、移送チャンバに結合された１つ以上の処理チャンバと、移送チャンバに配置された基板移送ロボットと、移送チャンバに結合され、複数の加熱素子を有する余熱チャンバを有するロードロックチャンバとを備えた真空システムを準備するステップ、余熱チャンバ内で基板を第１温度へ余熱するステップ、基板移送ロボットで基板を、余熱チャンバから、ｐ−ｉ−ｎ接合のｐ型シリコン層を堆積するように適応される第１処理チャンバへ移送するステップ、基板のｐ−ｉ−ｎ接合上に第２温度でｐ型シリコン層を形成するステップを含む。
【０００８】
[0008]更に別の実施形態では、基板上に薄膜ソーラーセルを形成するための真空システムが提供される。このシステムは、移送チャンバと、移送チャンバに結合された１つ以上の処理チャンバと、移送チャンバに配置された基板移送ロボットと、移送チャンバに結合されたロードロックチャンバとを備えている。ロードロックチャンバは、第１の排気可能なチャンバと、第２の排気可能なチャンバと、基板安定化時間周期中に基板上で温度安定化プロセスを遂行するように適応された余熱チャンバとを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
[0009]本発明の前述した特徴を詳細に理解できるように、概要について簡単に前述した本発明について、幾つかを添付図面に例示している実施形態に関して、以下により特定して説明する。しかしながら、添付図面は、本発明の典型的な実施形態のみを例示したもので、従って、本発明の範囲は、それに限定されるものではなく、本発明は、同等の効果を発揮できる他の実施形態も包含できることに注意されたい。
【図１】単一ｐ−ｉ−ｎ接合型薄膜ソーラーセルの特定の実施形態の概略図である。
【図２】タンデムｐ−ｉ−ｎ接合型薄膜ソーラーセルの特定の実施形態の概略図である。
【図３】複数のＰＥＣＶＤプロセスチャンバを有するプロセスシステムの一実施形態の概略上面図である。
【図４】複数のＰＥＣＶＤプロセスチャンバを有するプロセスシステムの別の実施形態の概略上面図である。
【図５】ロードロックチャンバの一実施形態の概略断面図である。
【図６】プラズマ増強化学的気相堆積（ＰＥＣＶＤ）チャンバの一実施形態の概略断面図である。
【００１０】
[0016]理解を容易にするため、複数の図面に共通の同一要素を示すのにできるだけ同一の参照番号が使用されている。特定の実施形態に開示された要素は、特に記載がなくても、他の実施形態にも有益に利用できることが意図される。
【詳細な説明】
【００１１】
[0017]本発明の実施形態は、薄膜ソーラー製造中に基板温度を制御する改良された装置及び方法を包含する。
【００１２】
[0018]図３は、製造にふさわしいプロセス内で図１及び図２のソーラーセルのような薄膜ソーラーセルを形成するためにシリコン膜を堆積するように適応された複数のＰＥＣＶＤプロセスチャンバ３３１−３３５を有するプロセスシステム３００の一実施形態の概略上面図である。このプロセスシステム３００は、ロードロックチャンバ３１０及びプロセスチャンバ３３１−３３５に結合された移送チャンバ３２０を含む。ロードロックチャンバ３１０は、システムの外側の周囲環境と、移送チャンバ３２０及びプロセスチャンバ３３１−３３５内の真空環境との間で基板を移送できるようにする。ロードロックチャンバ３１０は、１つ以上の基板を保持する１つ以上の排気可能な領域を含む。排気可能な領域は、システム３００へ基板を入れる間にポンプダウンされ、システム３００から基板を出す間に通気される。移送チャンバ３２０には、ロードロックチャンバ３１０とプロセスチャンバ３３１−３３５との間で基板を移送するように適応された少なくとも１つの真空ロボット３２２が配置されている。システムコントローラ３４０は、ロードロックチャンバ３１０、真空ロボット３２２を含む移送チャンバ３２０、プロセスチャンバ３３１−３３５、及びシステム３００に結合されたパイロメータ３５０のような温度測定装置を制御する。図３には、５つのプロセスチャンバが示されている。しかしながら、システムは、適切な数のプロセスチャンバを有することができ、例えば、図４に示すシステム４００では７つのプロセスチャンバ４３１−４３７を有することができる。
【００１３】
[0019]図４は、複数のＰＥＣＶＤプロセスチャンバ４３１−４３７を有するプロセスシステム４００の別の実施形態の概略上面図である。図３のシステム３００について述べたように、図４のシステム４００は、ロードロックチャンバ４１０及びプロセスチャンバ４３１−４３７に結合された移送チャンバ４２０を含む。ロードロックチャンバ４１０は、少なくとも１つの真空ロボット４２２を有する。システムコントローラ４４０は、ロードロックチャンバ４１０、真空ロボット４２２を含む移送チャンバ４２０、プロセスチャンバ４３１−４３７、及びシステム４００に結合されたパイロメータ４５０のような温度測定装置を制御する。
【００１４】
[0020]図５は、ロードロックチャンバ５００の一実施形態の概略断面図である。ロードロックチャンバ５００は、第１の排気可能なチャンバ５１０及び第２の排気可能なチャンバ５２０を備えている。図示されたように、各排気可能なチャンバ５１０、５２０は、２つの基板を保持するように適応される２セットの基板支持体５３０ａ、５３０ｂを有する。他の実施形態において、排気可能なチャンバ５１０、５２０の各々は、１つ以上の基板を保持するために適切なセット数の基板支持体を有することができる。ロードロックチャンバ５００は、更に、基板を予熱するための複数の加熱素子５４２、例えば、赤外線加熱ランプのような加熱ランプを有する余熱チャンバ５４０を備えることができる。図示されたように、余熱チャンバ５４０は、１セットの基板支持体５３０を有する。他の実施形態において、余熱チャンバは、１つ以上の基板を保持するために適切なセット数の基板支持体を有することができる。
【００１５】
[0021]図６は、プラズマ増強化学的気相堆積（ＰＥＣＶＤ）チャンバ６００の一実施形態の概略断面図である。１つの適切なプラズマ増強化学的気相堆積チャンバが、カリフォルニア州サンタクララに所在のアプライドマテリアルズ社から入手できる。他の製造者からのものを含む他の堆積チャンバを使用して、本発明を実施できることも意図される。
【００１６】
[0022]チャンバ６００は、一般的に、壁６０２と、底部６０４と、シャワーヘッド６１０と、基板支持体６３０とを備え、これらでプロセス容積部６０６が画成される。このプロセス容積部は、チャンバ６００に基板を移送、更にチャンバ６００から基板を移送できるようにバルブ６０８を通してアクセスされる。バルブ６０８をシールするためのスリットバルブドア６０７が設けられる。基板支持体６３０は、基板を支持するための基板受け入れ面６３２と、基板支持体６３０を上げ下げするためにリフトシステム６３６に結合されたステム６３４とを含む。基板の周囲には、シャドーフレーム６３３を任意に置くことができる。基板を基板受け入れ面６３２に移動、更に基板受け入れ面６３２から移動するために、基板支持体６３０を貫通してリフトピン６３８が可動に配設される。また、基板支持体６３０は、この基板支持体６３０を所望の温度に維持するために加熱及び／又は冷却素子６３９を含むこともできる。また、基板支持体６３０は、この基板支持体６３０の周囲にＲＦ接地を与えるために接地ストラップ６３１を含むこともできる。
【００１７】
[0023]シャワーヘッド６１０は、その周囲内でサスペンション６１４によりバッキングプレート６１２に結合される。また、シャワーヘッド６１０は、シャワーヘッド６１０のたるみを防止し、更に／又はその直線性／曲率を制御する上で助けとなるように１つ以上の中央支持体６１６によってもバッキングプレートに結合することができる。バッキングプレート６１２及びシャワーヘッド６１０を通して基板受け入れ面６３２へガスを供給するためにバッキングプレート６１２にガス源６２０が結合される。プロセス容積部６０６を所望の圧力に制御するためにチャンバ６００に真空ポンプ６０９が結合される。バッキングプレート６１２及び／又はシャワーヘッド６１０にＲＦ電源６２２が結合されて、シャワーヘッド６１０へＲＦ電力を供給し、シャワーヘッドと基板支持体との間に電界を生成して、シャワーヘッド６１０と基板支持体６３０との間のガスからプラズマを発生できるようにする。約０．３ＭＨｚから約２００ＭＨｚの周波数のような種々のＲＦ周波数を使用することができる。一実施形態では、１３．５６ＭＨｚの周波数のＲＦ電源が設けられる。
【００１８】
[0024]ガス源とバッキングプレートとの間にはリモートプラズマ源６２４を結合することもできる。基板の処理と処理との間に、リモートプラズマ源６２４へ洗浄ガスを供給してリモートプラズマを発生し、チャンバコンポーネントの洗浄を行うことができる。洗浄ガスは、シャワーヘッドに対して設けられるＲＦ電源６２２によって更に励起することができる。
【００１９】
[0025]本発明の特定の実施形態において、図３のシステム３００又は図４のシステム４００のようなシステムは、図１の単一ｐ−ｉ−ｎ接合、又は図２のｐ−ｉ−ｎ接合２３０、２４０の１つのような単一ｐ−ｉ−ｎ接合を堆積するように構成される。プロセスチャンバ（換言すれば、Ｐチャンバ）の１つ、例えば、図３のプロセスチャンバ３３１−３３５の１つ、又は図４のプロセスチャンバ４３１−４３７の１つは、ｐ−ｉ−ｎ接合のｐドープのシリコン層を堆積するように構成される一方、残りのプロセスチャンバ、例えば、図３の残りのプロセスチャンバ３３１−３３５又は図４の残りのプロセスチャンバ４３１−４３７は、各々が真性型のシリコン層及びｎドープのシリコン層の両方を堆積するように構成される（換言すれば、Ｉ−Ｎチャンバ）。従って、基板は、ロードロックチャンバを通してシステムへ入る。特定の実施形態では、真空ロボットが基板を余熱チャンバへ移送する。真空ロボットは、その後、基板をＰチャンバへ移送する。次いで、真空ロボットは、基板をＩ−Ｎチャンバへ移送する。次いで、真空ロボットは、基板をロードロックチャンバへ戻すように移送する。
【００２０】
[0026]特定の場合には、真空ロボットは、チャンバから基板を取り出した後、その基板を次のチャンバへ移送するために、次のチャンバが使用可能になるのを待機しなければならないことがあり、例えば、次のチャンバは、現在、異なる基板を処理している。例えば、真空ロボットは、余熱チャンバから基板を取り出した後、Ｐチャンバの準備ができるのを待機しなければならないことがある。別の例において、真空ロボットは、Ｐチャンバから基板を取り出した後、Ｉ−Ｎチャンバの準備ができるのを待機しなければならないことがある。待機中に、基板は、熱の損失を受ける。特定の実施形態において、図３のシステムコントローラ３４０又は図４のシステムコントローラ４４０のようなシステムコントローラは、次に空くチャンバの待機時間を決定する。真空ロボットの待機時間に依存して、システムコントローラは、その待機時間中の基板の熱損失を補償するために次に空くチャンバで遂行される基板温度安定化ステップを増加させる。
【００２１】
[0027]例えば、真空ロボットは、Ｐチャンバから基板を取り出す。真空ロボットに対するＩ−Ｎチャンバの待機時間が６０秒から７０秒である場合には、真空ロボットにおいて待機した基板の処理中に３０秒から４５秒の付加的な基板温度安定化時間だけ基板温度安定化ステップが増加される。
【００２２】
[0028]ソーラーセルの性能は、真性層中の膜成長の温度に非常に敏感である。理論で縛るつもりはないが、ｐドープのシリコン層と真性層との界面の制御が重要であると考えられる。というのは、その界面へのダメージがあると、ｐドープのシリコン層から真性シリコン層へのｐ型ドーパントの拡散が生じ得るからである。従って、ｐドープのシリコン層と真性層との界面における電子・ホール対の再結合の増加のために吸収真性層からの光収集効率が低下する。別の理論では、シリコン膜の堆積中に温度を維持すると、品質及び導電率の均一性を改善し、ひいては、効率を改善する上で助けとなると考えられる。
【００２３】
[0029]従って、システムコントローラは、真空ロボットの待機時間に基づいて基板温度安定化時間をダイナミックに調整する。特定の実施形態において、基板温度安定化時間の調整は、種々の移送に対する所定の時間値又は真空ロボット待機時間から外挿することができる。他の実施形態において、基板温度安定化時間の調整は、基板の実際の温度に基づいて行うことができる。例えば、基板の温度は、移送チャンバ内、又はＰＥＣＶＤチャンバの全く外側に配置されたパイロメータにより測定することができる。次いで、基板の温度に依存して、基板温度安定化時間が調整される。
【００２４】
[0030]堆積チャンバの前方に配置された温度センサ（パイロメータ）を使用することにより温度損失を測定し、パイロメータからの測定温度に基づきソフトウェアで「長い」安定化を設定することができる。
【００２５】
[0031]特定の場合において、基板は、真空ロボットがＰチャンバからそれを取り出す準備ができるのを待機しなければならない。典型的に、基板は、リフトピンにより基板支持体から取り外される非接触位置で待機する。従って、基板は、熱損失を受ける。この熱損失を補償するため、真空ロボットがＰチャンバから基板を取り出す準備ができるまで待機しなければならない場合に、システムコントローラは、基板支持体上の基板を接触位置に移動させる一方、真空ロボットが移送に利用できるまで基板支持体の加熱素子が基板を加熱する。基板の加熱中に、ヘリウム、水素、又は別の非反応性ガスのような任意のガス流を与えて、均一な基板温度を維持することができる。特定の実施形態では、均一な基板温度を与える上で助けとなるように、ガス流が高い圧力で与えられる。
【００２６】
[0032]他の実施形態において、余熱チャンバ内での基板の予熱は、Ｐチャンネルにおける所望の基板温度より若干高い予熱温度に設定される。より高い余熱チャンバは、基板が余熱チャンバからＰチャンバへ移送されるときに熱の損失を補償する。
実施例
[0033]ここに開示する実施例は、事実上の例示であり、請求の範囲で明確に記載されない限り、本発明の範囲を限定することを意味していない。以下に述べるプロセス条件は、例示に過ぎない。他のプロセス条件及び範囲も考えられる。
実施例１
[0034]表面積５７，２００ｃｍ２及び厚み３ｍｍの基板が、カリフォルニア州サンタクララのアプライドマテリアルズ社から入手できるＰＥＣＶＤ ６０Ｋ薄膜ソーラーシステムにおいて処理されて、単一接合Ｐ−Ｉ−Ｎソーラーセルが形成された。ＰＥＣＶＤ ６０Ｋ薄膜ソーラーシステムの内部チャンバ容積は、約２，７００リッターである。
【００２７】
[0035]表１（ａ）は、余熱チャンバからＰチャンバへの待機時間がゼロ又は最小の状態でＰＥＣＶＤチャンバ内でｐドープのアモルファスシリコン層を堆積するためのプロセス条件を示している。処理中に、圧力が約１トールから４トールに設定され、間隔が４００ミルから約８００ミルに設定され、また、基板支持体の温度が約１５０℃から約３００℃に設定された。ｐ型ドーパントは、Ｈ２のようなキャリアガス中にトリメチルボロン（ＴＭＢ）が０．５％含まれたものであった。
【００２８】
【表１】
【００２９】
[0035]表１（ｂ）は、ＰチャンバからＩ−Ｎチャンバへの待機時間がゼロ又は最小の状態でＰＥＣＶＤチャンバ内で真性アモルファスシリコン層及びｎドープのアモルファスシリコン層を堆積するためのプロセス条件を示す。処理中に、圧力が約１トールから４トールに設定され、間隔が４００ミルから約８００ミルに設定され、また、基板支持体の温度が約１５０℃から約３００℃に設定された。ｎ型ドーパントは、Ｈ２のようなキャリアガス中にホスフィンが０．５％モル又は容積濃度で含まれたものであった。
【００３０】
【表２】
【００３１】
実施例２
[0037]表面積５７，２００ｃｍ２及び厚み３ｍｍの基板が、カリフォルニア州サンタクララのアプライドマテリアルズ社から入手できるＰＥＣＶＤ ６０Ｋ薄膜ソーラーシステムにおいて処理されて、タンデム接合Ｐ−Ｉ−Ｎソーラーセルが形成された。ＰＥＣＶＤ６０Ｋ薄膜ソーラーシステムの内部チャンバ容積は、約２，７００リッターである。
【００３２】
[0038]表２（ａ）は、余熱チャンバからＰチャンバへの待機時間がゼロ又は最小の状態でＰＥＣＶＤチャンバ内で第１のｐ−ｉ−ｎ接合のｐドープのアモルファスシリコン層を堆積するためのプロセス条件を示している。処理中、圧力が約１トールから４トールに設定され、間隔が４００ミルから約８００ミルに設定され、また、基板支持体の温度が約１５０℃から約３００℃に設定された。ｐ型ドーパントは、Ｈ２のようなキャリアガス中にトリメチルボロン（ＴＭＢ）が０．５％含まれたものであった。
【００３３】
【表３】
【００３４】
[0039]表２（ｂ）は、ＰチャンバからＩ−Ｎチャンバへの待機時間がゼロ又は最小の状態でＰＥＣＶＤチャンバ内で真性アモルファスシリコン層及び第１のｐ−ｉ−ｎ接合のｎドープの微結晶性シリコン層を堆積するためのプロセス条件を示す。処理中に、圧力が約１トールから１２トールに設定され、間隔が４００ミルから約８００ミルに設定され、また、基板支持体の温度が約１５０℃から約３００℃に設定された。ｎ型ドーパントは、Ｈ２のようなキャリアガス中にホスフィンが０．５％モル又は容積濃度で含まれたものであった。
【００３５】
【表４】
【００３６】
[0040]表２（ｃ）は、予熱チャンバからＰチャンバへの待機時間がゼロ又は最小の状態でＰＥＣＶＤチャンバ内で第２のｐ−ｉ−ｎ接合のｐドープの微結晶性シリコン層を堆積するためのプロセス条件を示す。処理中に、圧力が約４トールから１２トールに設定され、間隔が４００ミルから約１，５００ミルに設定され、また、基板支持体の温度が約１５０℃から約３００℃に設定された。ｐ型ドーパントは、Ｈ２のようなキャリアガスにトリメチルボロン（ＴＭＢ）が０．５％含まれたものであった。
【００３７】
【表５】
【００３８】
[0041]表２（ｄ）は、ＰチャンバからＩ−Ｎチャンバへの待機時間がゼロ又は最小の状態でＰＥＣＶＤチャンバ内で真性微結晶性シリコン層及び第２のｐ−ｉ−ｎ接合のｎドープのアモルファスシリコン層を堆積するためのプロセス条件を示す。処理中に、圧力が約１トールから１２トールに設定され、間隔が４００ミルから約８００ミルに設定され、また、基板支持体の温度が約１５０℃から約３００℃に設定された。ｎ型ドーパントは、Ｈ２のようなキャリアガス中にホスフィンが０．５％モル又は容積濃度で含まれたものであった。
【００３９】
【表６】
【００４０】
[0042]本発明の実施形態は、インラインシステム、及びインライン／クラスターのハイブリッドシステムにおいても実現できることを理解されたい。例えば、本発明の実施形態は、第１のｐ−ｉ−ｎ接合及び第２のｐ−ｉ−ｎ接合を形成するように構成された第１のシステムを参照して説明された。本発明の他の実施形態では、第１のｐ−ｉ−ｎ接合及び第２のｐ−ｉ−ｎ接合を単一システムで形成できることを理解されたい。例えば、本発明の実施形態は、真性型層及びｎ型層の両方を堆積するように適応されたプロセスチャンバを参照して説明された。本発明の他の実施形態では、真性型層及びｎ型層を堆積するように別々のチャンバを適応させられることを理解されたい。また、本発明の他の実施形態では、ｐ型層及び真性型層の両方を堆積するようにプロセスチャンバを適応させられることを理解されたい。
実施例３
[0043]表３は、実施例２及び実施例３で示された基板温度安定化時間に対して与えられる付加的な基板温度安定化時間の一例である。調整は、真空ロボット待機時間又は測定された基板温度に基づいて行うことができる。
【００４１】
【表７】
【００４２】
[0044]基板内の均一性及び運転ごとの均一性の両方に関してソーラーセル性能の変動を改善する、薄膜ソーラー製造中に基板温度を制御する改良された装置及び方法が提供された。理論に縛られることなく、本発明者は、ＰＩＮ型のシリコン薄膜ソーラーセルの性能が多数の理由で成長中の膜の温度に非常に敏感であることが分かった。第１に、窓層のＰ型半導体膜の品質は、温度により生じる導電率の変化のために温度に非常に敏感である。第２に、Ｐ型層とＩ型層の界面における温度制御は、青い光の吸収を回避することが重要であり、その界面がＰ型層からのドーパントの拡散によってダメージを受けた場合には、吸収真性層からの光収集効率が、Ｐ−Ｉ界面における電子・ホール対の再結合の増加のために著しく影響を受けることになる。第３に、Ｉ型層の堆積温度が、ドーパント拡散のスレッシュホールド温度より高い場合には、Ｐ−Ｉ界面へのドーパント拡散の増加がソーラーセルの性能に著しく影響する。それ故、膜堆積プロセス中の正確な温度制御及び処理中の基板移送を与える、ここに開示する装置及び方法が要望される。
【００４３】
[0045]以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明の基本的な範囲から逸脱せずに、他の実施形態及び更に別の実施形態を案出することができ、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって決定される。例えば、プロセスチャンバは、水平位置で示された。本発明の他の実施形態において、プロセスチャンバは、非水平位置、例えば、垂直位置でもよいことを理解されたい。例えば、本発明の実施形態は、複数プロセスチャンバクラスターツールを参照して説明された。また、本発明の実施形態は、インラインシステム及びインライン／クラスターのハイブリッドシステムでも実現できることを理解されたい。例えば、本発明の実施形態は、第１のｐ−ｉ−ｎ接合及び第２のｐ−ｉ−ｎ接合を形成するように構成された第１のシステムを参照して説明された。本発明の他の実施形態では、第１のｐ−ｉ−ｎ接合及び第２のｐ−ｉ−ｎ接合を単一のシステムにおいて形成できることを理解されたい。例えば、本発明の実施形態は、真性型層及びｎ型層の両方を堆積するように適応されたプロセスチャンバを参照して説明された。本発明の他の実施形態では、真性型層及びｎ型層を堆積するように別々のチャンバを適応させてもよいことが理解されよう。また、本発明の他の実施形態では、ｐ型層及び真性型層の両方を堆積するようにプロセスチャンバを適応させてもよいことが理解されよう。
【符号の説明】
【００４４】
１００…単一ｐ−ｉ−ｎ接合型薄膜ソーラーセル、１０１…光又は太陽放射、１０２…基板、１１０…第１の透明導電性酸化物（ＴＣＯ）層、１２０…単一ｐ−ｉ−ｎ接合、１２２…ｐドープのシリコン層、１２４…真性シリコン層、１２６…ｎドープのシリコン層、１４０…第２のＴＣＯ層、１５０…金属後方反射層、２００…タンデムｐ−ｉ−ｎ接合型薄膜ソーラーセル、２０１…光又は太陽放射、２０２…基板、２１０…第１の透明導電性酸化物（ＴＣＯ）層、２２０…第１のｐ−ｉ−ｎ接合、２２２…ｐドープのシリコン層、２２４…真性シリコン層、２２６…ｎドープのシリコン層、２３０…第２のｐ−ｉ−ｎ接合、２３２…ｐドープのシリコン層、２３４…真性シリコン層、２３６…ｎドープのシリコン層、２４０…第２のＴＣＯ層、３００…プロセスシステム、３１０…ロードロックチャンバ、３２０…移送チャンバ、３３１−３３５…ＰＥＣＶＤプロセスチャンバ、３４０…システムコントローラ、４００…プロセスシステム、４１０…ロードロックチャンバ、４２０…移送チャンバ、４２２…真空ロボット、４３１−４３７…ＰＥＣＶＤプロセスチャンバ、４４０…システムコントローラ、４５０…パイロメータ、５００…ロードロックチャンバ、５１０、５２０…排気可能なチャンバ、５３０ａ、５３０ｂ…基板支持体、５４０…余熱チャンバ、５４２…加熱素子、６００…ＰＥＣＶＤチャンバ、６０２…壁、６０４…底部、６０６…プロセス容積部、６０７…スリットバルブ、６０８…バルブ、６０９…真空ポンプ、６１０…シャワーヘッド、６１２…バッキングプレート、６１４…サスペンション、６２０…ガス源、６２２…ＲＦ電源、６２４…リモートプラズマ源、６３０…基板支持体、６３１…接地ストラップ、６３２…基板受け入れ面、６３３…シャドーフレーム、６３４…ステム、６３６…リフトシステム、６３８…リフトピン、６３９…加熱及び／又は冷却素子
【発明の背景】
【０００１】
発明の分野
[0001]本発明の実施形態は、一般的に、薄膜ソーラー製造中に基板温度を制御する装置及び方法に関する。
【０００２】
関連技術の説明
[0002]結晶性シリコンソーラーセル及び薄膜ソーラーセルは、ソーラーセルの２つの形式である。結晶性シリコンソーラーセルは、典型的に、単結晶性基板（即ち、純粋なシリコンの単結晶性基板）、又は多結晶性シリコン基板（即ち、多結晶性又はポリシリコン）のいずれかを使用する。光の捕捉を改善し、電気回路を形成し、且つデバイスを保護するために、シリコン基板上に付加的な膜層が堆積される。薄膜ソーラーセルは、適切な基板上に堆積された薄い材料層を使用して、１つ以上のｐ−ｉ−ｎ接合を形成する。
【０００３】
[0003]図１は、光又は太陽放射１０１に向けられた単一のｐ−ｉ−ｎ接合型薄膜ソーラーセル１００の特定の実施形態の概略図である。このソーラーセル１００は、ガラス基板、ポリマー基板、金属基板、又は他の適切な基板のような基板１０２を備えている。基板１０２上に第１の透明導電性酸化物（ＴＣＯ）層１１０が形成される。ｐドープのシリコン層１２２、真性シリコン層１２４及びｎドープのシリコン層１２６を含む単一のｐ−ｉ−ｎ接合１２０が第１のＴＣＯ層１１０上に形成される。一実施形態では、ｐドープのシリコン層１２２と真性シリコン層１２４との間にアモルファスシリコンバッファ層（図示せず）が形成される。真性シリコン層１２４は、典型的に、アモルファスシリコンで構成される。一実施形態において、ｎドープのシリコン層１２６は、異なる抵抗率を各々が有する二重層で構成される。単一のｐ−ｉ−ｎ接合１２０にわたって第２のＴＣＯ層１４０が形成され、次いで、この第２のＴＣＯ層１４０上に金属後方反射層１５０が形成される。
【０００４】
[0004]図２は、光又は太陽放射２０１に向けられたタンデムｐ−ｉ−ｎ接合型薄膜ソーラーセル２００の特定の実施形態の概略図である。このソーラーセル２００は、ガラス基板、ポリマー基板、金属基板、又は他の適切な基板のような基板２０２を備えている。基板２０２上に第１の透明導電性酸化物（ＴＣＯ）層２１０が形成される。ｐドープのシリコン層２２２、真性シリコン層２２４及びｎドープのシリコン層２２６を含む第１のｐ−ｉ−ｎ接合２２０が第１のＴＣＯ層２１０上に形成される。この第１のｐ−ｉ−ｎ接合２２０の真性シリコン層２２４は、典型的に、アモルファスシリコンで構成される。一実施形態では、ｐドープのシリコン層２２２と真性シリコン層２２４との間にアモルファスシリコンバッファ層（図示せず）が形成される。ｐドープのシリコン層２３２、真性シリコン層２３４及びｎドープのシリコン層２３６を含む第２のｐ−ｉ−ｎ接合２３０が、第１のｐ−ｉ−ｎ接合２２０上に形成される。第２のｐ−ｉ−ｎ接合２３０の真性シリコン層２３４は、典型的に、多結晶性シリコンで構成される。第２のｐ−ｉ−ｎ接合２３０上に第２のＴＣＯ層２４０が形成され、次いで、第２のＴＣＯ層２４０の上には金属後方反射層２５０が形成される。タンデムｐ−ｉ−ｎ接合型薄膜ソーラーセル２００は、典型的に、太陽放射スペクトルの異なる部分が捕捉されるように異なる材料の真性シリコン層２２４、２３４を備えている。
【０００５】
[0005]現在の薄膜ソーラーセルに伴う問題は、効率が低く、コストが高いことを含む。それ故、薄膜ソーラーセルを形成するための改良された装置及び方法が要望されている。
【発明の概要】
【０００６】
[0006]本発明の実施形態は、一般的に、薄膜ソーラー製造中に基板温度を制御する装置及び方法を提供する。一実施形態では、基板上に薄膜ソーラーセルを形成する方法が提供される。この方法は、第１チャンバ内で基板安定化時間周期中に基板を予熱するように基板上で温度安定化プロセスを遂行するステップ、第２チャンバに対する待機時間周期を計算するステップを含むが、この待機時間周期は、第２チャンバの利用性、第１チャンバから第２チャンバへ基板を移送するのに適応された真空移送ロボットの利用性、又はこれら第２チャンバの利用性及び真空移送ロボットの利用性の両方の組合せ、に基づくものであり、更に、待機時間周期中の基板からの熱の損失を補償するように温度安定化時間周期を調整するステップを含む。
【０００７】
[0007]別の実施形態では、基板上に薄膜ソーラーセルを形成する方法が提供される。この方法は、移送チャンバと、移送チャンバに結合された１つ以上の処理チャンバと、移送チャンバに配置された基板移送ロボットと、移送チャンバに結合され、複数の加熱素子を有する余熱チャンバを有するロードロックチャンバとを備えた真空システムを準備するステップ、余熱チャンバ内で基板を第１温度へ余熱するステップ、基板移送ロボットで基板を、余熱チャンバから、ｐ−ｉ−ｎ接合のｐ型シリコン層を堆積するように適応される第１処理チャンバへ移送するステップ、基板のｐ−ｉ−ｎ接合上に第２温度でｐ型シリコン層を形成するステップを含む。
【０００８】
[0008]更に別の実施形態では、基板上に薄膜ソーラーセルを形成するための真空システムが提供される。このシステムは、移送チャンバと、移送チャンバに結合された１つ以上の処理チャンバと、移送チャンバに配置された基板移送ロボットと、移送チャンバに結合されたロードロックチャンバとを備えている。ロードロックチャンバは、第１の排気可能なチャンバと、第２の排気可能なチャンバと、基板安定化時間周期中に基板上で温度安定化プロセスを遂行するように適応された余熱チャンバとを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
[0009]本発明の前述した特徴を詳細に理解できるように、概要について簡単に前述した本発明について、幾つかを添付図面に例示している実施形態に関して、以下により特定して説明する。しかしながら、添付図面は、本発明の典型的な実施形態のみを例示したもので、従って、本発明の範囲は、それに限定されるものではなく、本発明は、同等の効果を発揮できる他の実施形態も包含できることに注意されたい。
【図１】単一ｐ−ｉ−ｎ接合型薄膜ソーラーセルの特定の実施形態の概略図である。
【図２】タンデムｐ−ｉ−ｎ接合型薄膜ソーラーセルの特定の実施形態の概略図である。
【図３】複数のＰＥＣＶＤプロセスチャンバを有するプロセスシステムの一実施形態の概略上面図である。
【図４】複数のＰＥＣＶＤプロセスチャンバを有するプロセスシステムの別の実施形態の概略上面図である。
【図５】ロードロックチャンバの一実施形態の概略断面図である。
【図６】プラズマ増強化学的気相堆積（ＰＥＣＶＤ）チャンバの一実施形態の概略断面図である。
【００１０】
[0016]理解を容易にするため、複数の図面に共通の同一要素を示すのにできるだけ同一の参照番号が使用されている。特定の実施形態に開示された要素は、特に記載がなくても、他の実施形態にも有益に利用できることが意図される。
【詳細な説明】
【００１１】
[0017]本発明の実施形態は、薄膜ソーラー製造中に基板温度を制御する改良された装置及び方法を包含する。
【００１２】
[0018]図３は、製造にふさわしいプロセス内で図１及び図２のソーラーセルのような薄膜ソーラーセルを形成するためにシリコン膜を堆積するように適応された複数のＰＥＣＶＤプロセスチャンバ３３１−３３５を有するプロセスシステム３００の一実施形態の概略上面図である。このプロセスシステム３００は、ロードロックチャンバ３１０及びプロセスチャンバ３３１−３３５に結合された移送チャンバ３２０を含む。ロードロックチャンバ３１０は、システムの外側の周囲環境と、移送チャンバ３２０及びプロセスチャンバ３３１−３３５内の真空環境との間で基板を移送できるようにする。ロードロックチャンバ３１０は、１つ以上の基板を保持する１つ以上の排気可能な領域を含む。排気可能な領域は、システム３００へ基板を入れる間にポンプダウンされ、システム３００から基板を出す間に通気される。移送チャンバ３２０には、ロードロックチャンバ３１０とプロセスチャンバ３３１−３３５との間で基板を移送するように適応された少なくとも１つの真空ロボット３２２が配置されている。システムコントローラ３４０は、ロードロックチャンバ３１０、真空ロボット３２２を含む移送チャンバ３２０、プロセスチャンバ３３１−３３５、及びシステム３００に結合されたパイロメータ３５０のような温度測定装置を制御する。図３には、５つのプロセスチャンバが示されている。しかしながら、システムは、適切な数のプロセスチャンバを有することができ、例えば、図４に示すシステム４００では７つのプロセスチャンバ４３１−４３７を有することができる。
【００１３】
[0019]図４は、複数のＰＥＣＶＤプロセスチャンバ４３１−４３７を有するプロセスシステム４００の別の実施形態の概略上面図である。図３のシステム３００について述べたように、図４のシステム４００は、ロードロックチャンバ４１０及びプロセスチャンバ４３１−４３７に結合された移送チャンバ４２０を含む。ロードロックチャンバ４１０は、少なくとも１つの真空ロボット４２２を有する。システムコントローラ４４０は、ロードロックチャンバ４１０、真空ロボット４２２を含む移送チャンバ４２０、プロセスチャンバ４３１−４３７、及びシステム４００に結合されたパイロメータ４５０のような温度測定装置を制御する。
【００１４】
[0020]図５は、ロードロックチャンバ５００の一実施形態の概略断面図である。ロードロックチャンバ５００は、第１の排気可能なチャンバ５１０及び第２の排気可能なチャンバ５２０を備えている。図示されたように、各排気可能なチャンバ５１０、５２０は、２つの基板を保持するように適応される２セットの基板支持体５３０ａ、５３０ｂを有する。他の実施形態において、排気可能なチャンバ５１０、５２０の各々は、１つ以上の基板を保持するために適切なセット数の基板支持体を有することができる。ロードロックチャンバ５００は、更に、基板を予熱するための複数の加熱素子５４２、例えば、赤外線加熱ランプのような加熱ランプを有する余熱チャンバ５４０を備えることができる。図示されたように、余熱チャンバ５４０は、１セットの基板支持体５３０を有する。他の実施形態において、余熱チャンバは、１つ以上の基板を保持するために適切なセット数の基板支持体を有することができる。
【００１５】
[0021]図６は、プラズマ増強化学的気相堆積（ＰＥＣＶＤ）チャンバ６００の一実施形態の概略断面図である。１つの適切なプラズマ増強化学的気相堆積チャンバが、カリフォルニア州サンタクララに所在のアプライドマテリアルズ社から入手できる。他の製造者からのものを含む他の堆積チャンバを使用して、本発明を実施できることも意図される。
【００１６】
[0022]チャンバ６００は、一般的に、壁６０２と、底部６０４と、シャワーヘッド６１０と、基板支持体６３０とを備え、これらでプロセス容積部６０６が画成される。このプロセス容積部は、チャンバ６００に基板を移送、更にチャンバ６００から基板を移送できるようにバルブ６０８を通してアクセスされる。バルブ６０８をシールするためのスリットバルブドア６０７が設けられる。基板支持体６３０は、基板を支持するための基板受け入れ面６３２と、基板支持体６３０を上げ下げするためにリフトシステム６３６に結合されたステム６３４とを含む。基板の周囲には、シャドーフレーム６３３を任意に置くことができる。基板を基板受け入れ面６３２に移動、更に基板受け入れ面６３２から移動するために、基板支持体６３０を貫通してリフトピン６３８が可動に配設される。また、基板支持体６３０は、この基板支持体６３０を所望の温度に維持するために加熱及び／又は冷却素子６３９を含むこともできる。また、基板支持体６３０は、この基板支持体６３０の周囲にＲＦ接地を与えるために接地ストラップ６３１を含むこともできる。
【００１７】
[0023]シャワーヘッド６１０は、その周囲内でサスペンション６１４によりバッキングプレート６１２に結合される。また、シャワーヘッド６１０は、シャワーヘッド６１０のたるみを防止し、更に／又はその直線性／曲率を制御する上で助けとなるように１つ以上の中央支持体６１６によってもバッキングプレートに結合することができる。バッキングプレート６１２及びシャワーヘッド６１０を通して基板受け入れ面６３２へガスを供給するためにバッキングプレート６１２にガス源６２０が結合される。プロセス容積部６０６を所望の圧力に制御するためにチャンバ６００に真空ポンプ６０９が結合される。バッキングプレート６１２及び／又はシャワーヘッド６１０にＲＦ電源６２２が結合されて、シャワーヘッド６１０へＲＦ電力を供給し、シャワーヘッドと基板支持体との間に電界を生成して、シャワーヘッド６１０と基板支持体６３０との間のガスからプラズマを発生できるようにする。約０．３ＭＨｚから約２００ＭＨｚの周波数のような種々のＲＦ周波数を使用することができる。一実施形態では、１３．５６ＭＨｚの周波数のＲＦ電源が設けられる。
【００１８】
[0024]ガス源とバッキングプレートとの間にはリモートプラズマ源６２４を結合することもできる。基板の処理と処理との間に、リモートプラズマ源６２４へ洗浄ガスを供給してリモートプラズマを発生し、チャンバコンポーネントの洗浄を行うことができる。洗浄ガスは、シャワーヘッドに対して設けられるＲＦ電源６２２によって更に励起することができる。
【００１９】
[0025]本発明の特定の実施形態において、図３のシステム３００又は図４のシステム４００のようなシステムは、図１の単一ｐ−ｉ−ｎ接合、又は図２のｐ−ｉ−ｎ接合２３０、２４０の１つのような単一ｐ−ｉ−ｎ接合を堆積するように構成される。プロセスチャンバ（換言すれば、Ｐチャンバ）の１つ、例えば、図３のプロセスチャンバ３３１−３３５の１つ、又は図４のプロセスチャンバ４３１−４３７の１つは、ｐ−ｉ−ｎ接合のｐドープのシリコン層を堆積するように構成される一方、残りのプロセスチャンバ、例えば、図３の残りのプロセスチャンバ３３１−３３５又は図４の残りのプロセスチャンバ４３１−４３７は、各々が真性型のシリコン層及びｎドープのシリコン層の両方を堆積するように構成される（換言すれば、Ｉ−Ｎチャンバ）。従って、基板は、ロードロックチャンバを通してシステムへ入る。特定の実施形態では、真空ロボットが基板を余熱チャンバへ移送する。真空ロボットは、その後、基板をＰチャンバへ移送する。次いで、真空ロボットは、基板をＩ−Ｎチャンバへ移送する。次いで、真空ロボットは、基板をロードロックチャンバへ戻すように移送する。
【００２０】
[0026]特定の場合には、真空ロボットは、チャンバから基板を取り出した後、その基板を次のチャンバへ移送するために、次のチャンバが使用可能になるのを待機しなければならないことがあり、例えば、次のチャンバは、現在、異なる基板を処理している。例えば、真空ロボットは、余熱チャンバから基板を取り出した後、Ｐチャンバの準備ができるのを待機しなければならないことがある。別の例において、真空ロボットは、Ｐチャンバから基板を取り出した後、Ｉ−Ｎチャンバの準備ができるのを待機しなければならないことがある。待機中に、基板は、熱の損失を受ける。特定の実施形態において、図３のシステムコントローラ３４０又は図４のシステムコントローラ４４０のようなシステムコントローラは、次に空くチャンバの待機時間を決定する。真空ロボットの待機時間に依存して、システムコントローラは、その待機時間中の基板の熱損失を補償するために次に空くチャンバで遂行される基板温度安定化ステップを増加させる。
【００２１】
[0027]例えば、真空ロボットは、Ｐチャンバから基板を取り出す。真空ロボットに対するＩ−Ｎチャンバの待機時間が６０秒から７０秒である場合には、真空ロボットにおいて待機した基板の処理中に３０秒から４５秒の付加的な基板温度安定化時間だけ基板温度安定化ステップが増加される。
【００２２】
[0028]ソーラーセルの性能は、真性層中の膜成長の温度に非常に敏感である。理論で縛るつもりはないが、ｐドープのシリコン層と真性層との界面の制御が重要であると考えられる。というのは、その界面へのダメージがあると、ｐドープのシリコン層から真性シリコン層へのｐ型ドーパントの拡散が生じ得るからである。従って、ｐドープのシリコン層と真性層との界面における電子・ホール対の再結合の増加のために吸収真性層からの光収集効率が低下する。別の理論では、シリコン膜の堆積中に温度を維持すると、品質及び導電率の均一性を改善し、ひいては、効率を改善する上で助けとなると考えられる。
【００２３】
[0029]従って、システムコントローラは、真空ロボットの待機時間に基づいて基板温度安定化時間をダイナミックに調整する。特定の実施形態において、基板温度安定化時間の調整は、種々の移送に対する所定の時間値又は真空ロボット待機時間から外挿することができる。他の実施形態において、基板温度安定化時間の調整は、基板の実際の温度に基づいて行うことができる。例えば、基板の温度は、移送チャンバ内、又はＰＥＣＶＤチャンバの全く外側に配置されたパイロメータにより測定することができる。次いで、基板の温度に依存して、基板温度安定化時間が調整される。
【００２４】
[0030]堆積チャンバの前方に配置された温度センサ（パイロメータ）を使用することにより温度損失を測定し、パイロメータからの測定温度に基づきソフトウェアで「長い」安定化を設定することができる。
【００２５】
[0031]特定の場合において、基板は、真空ロボットがＰチャンバからそれを取り出す準備ができるのを待機しなければならない。典型的に、基板は、リフトピンにより基板支持体から取り外される非接触位置で待機する。従って、基板は、熱損失を受ける。この熱損失を補償するため、真空ロボットがＰチャンバから基板を取り出す準備ができるまで待機しなければならない場合に、システムコントローラは、基板支持体上の基板を接触位置に移動させる一方、真空ロボットが移送に利用できるまで基板支持体の加熱素子が基板を加熱する。基板の加熱中に、ヘリウム、水素、又は別の非反応性ガスのような任意のガス流を与えて、均一な基板温度を維持することができる。特定の実施形態では、均一な基板温度を与える上で助けとなるように、ガス流が高い圧力で与えられる。
【００２６】
[0032]他の実施形態において、余熱チャンバ内での基板の予熱は、Ｐチャンネルにおける所望の基板温度より若干高い予熱温度に設定される。より高い余熱チャンバは、基板が余熱チャンバからＰチャンバへ移送されるときに熱の損失を補償する。
実施例
[0033]ここに開示する実施例は、事実上の例示であり、請求の範囲で明確に記載されない限り、本発明の範囲を限定することを意味していない。以下に述べるプロセス条件は、例示に過ぎない。他のプロセス条件及び範囲も考えられる。
実施例１
[0034]表面積５７，２００ｃｍ２及び厚み３ｍｍの基板が、カリフォルニア州サンタクララのアプライドマテリアルズ社から入手できるＰＥＣＶＤ ６０Ｋ薄膜ソーラーシステムにおいて処理されて、単一接合Ｐ−Ｉ−Ｎソーラーセルが形成された。ＰＥＣＶＤ ６０Ｋ薄膜ソーラーシステムの内部チャンバ容積は、約２，７００リッターである。
【００２７】
[0035]表１（ａ）は、余熱チャンバからＰチャンバへの待機時間がゼロ又は最小の状態でＰＥＣＶＤチャンバ内でｐドープのアモルファスシリコン層を堆積するためのプロセス条件を示している。処理中に、圧力が約１トールから４トールに設定され、間隔が４００ミルから約８００ミルに設定され、また、基板支持体の温度が約１５０℃から約３００℃に設定された。ｐ型ドーパントは、Ｈ２のようなキャリアガス中にトリメチルボロン（ＴＭＢ）が０．５％含まれたものであった。
【００２８】
【表１】
【００２９】
[0035]表１（ｂ）は、ＰチャンバからＩ−Ｎチャンバへの待機時間がゼロ又は最小の状態でＰＥＣＶＤチャンバ内で真性アモルファスシリコン層及びｎドープのアモルファスシリコン層を堆積するためのプロセス条件を示す。処理中に、圧力が約１トールから４トールに設定され、間隔が４００ミルから約８００ミルに設定され、また、基板支持体の温度が約１５０℃から約３００℃に設定された。ｎ型ドーパントは、Ｈ２のようなキャリアガス中にホスフィンが０．５％モル又は容積濃度で含まれたものであった。
【００３０】
【表２】
【００３１】
実施例２
[0037]表面積５７，２００ｃｍ２及び厚み３ｍｍの基板が、カリフォルニア州サンタクララのアプライドマテリアルズ社から入手できるＰＥＣＶＤ ６０Ｋ薄膜ソーラーシステムにおいて処理されて、タンデム接合Ｐ−Ｉ−Ｎソーラーセルが形成された。ＰＥＣＶＤ６０Ｋ薄膜ソーラーシステムの内部チャンバ容積は、約２，７００リッターである。
【００３２】
[0038]表２（ａ）は、余熱チャンバからＰチャンバへの待機時間がゼロ又は最小の状態でＰＥＣＶＤチャンバ内で第１のｐ−ｉ−ｎ接合のｐドープのアモルファスシリコン層を堆積するためのプロセス条件を示している。処理中、圧力が約１トールから４トールに設定され、間隔が４００ミルから約８００ミルに設定され、また、基板支持体の温度が約１５０℃から約３００℃に設定された。ｐ型ドーパントは、Ｈ２のようなキャリアガス中にトリメチルボロン（ＴＭＢ）が０．５％含まれたものであった。
【００３３】
【表３】
【００３４】
[0039]表２（ｂ）は、ＰチャンバからＩ−Ｎチャンバへの待機時間がゼロ又は最小の状態でＰＥＣＶＤチャンバ内で真性アモルファスシリコン層及び第１のｐ−ｉ−ｎ接合のｎドープの微結晶性シリコン層を堆積するためのプロセス条件を示す。処理中に、圧力が約１トールから１２トールに設定され、間隔が４００ミルから約８００ミルに設定され、また、基板支持体の温度が約１５０℃から約３００℃に設定された。ｎ型ドーパントは、Ｈ２のようなキャリアガス中にホスフィンが０．５％モル又は容積濃度で含まれたものであった。
【００３５】
【表４】
【００３６】
[0040]表２（ｃ）は、予熱チャンバからＰチャンバへの待機時間がゼロ又は最小の状態でＰＥＣＶＤチャンバ内で第２のｐ−ｉ−ｎ接合のｐドープの微結晶性シリコン層を堆積するためのプロセス条件を示す。処理中に、圧力が約４トールから１２トールに設定され、間隔が４００ミルから約１，５００ミルに設定され、また、基板支持体の温度が約１５０℃から約３００℃に設定された。ｐ型ドーパントは、Ｈ２のようなキャリアガスにトリメチルボロン（ＴＭＢ）が０．５％含まれたものであった。
【００３７】
【表５】
【００３８】
[0041]表２（ｄ）は、ＰチャンバからＩ−Ｎチャンバへの待機時間がゼロ又は最小の状態でＰＥＣＶＤチャンバ内で真性微結晶性シリコン層及び第２のｐ−ｉ−ｎ接合のｎドープのアモルファスシリコン層を堆積するためのプロセス条件を示す。処理中に、圧力が約１トールから１２トールに設定され、間隔が４００ミルから約８００ミルに設定され、また、基板支持体の温度が約１５０℃から約３００℃に設定された。ｎ型ドーパントは、Ｈ２のようなキャリアガス中にホスフィンが０．５％モル又は容積濃度で含まれたものであった。
【００３９】
【表６】
【００４０】
[0042]本発明の実施形態は、インラインシステム、及びインライン／クラスターのハイブリッドシステムにおいても実現できることを理解されたい。例えば、本発明の実施形態は、第１のｐ−ｉ−ｎ接合及び第２のｐ−ｉ−ｎ接合を形成するように構成された第１のシステムを参照して説明された。本発明の他の実施形態では、第１のｐ−ｉ−ｎ接合及び第２のｐ−ｉ−ｎ接合を単一システムで形成できることを理解されたい。例えば、本発明の実施形態は、真性型層及びｎ型層の両方を堆積するように適応されたプロセスチャンバを参照して説明された。本発明の他の実施形態では、真性型層及びｎ型層を堆積するように別々のチャンバを適応させられることを理解されたい。また、本発明の他の実施形態では、ｐ型層及び真性型層の両方を堆積するようにプロセスチャンバを適応させられることを理解されたい。
実施例３
[0043]表３は、実施例２及び実施例３で示された基板温度安定化時間に対して与えられる付加的な基板温度安定化時間の一例である。調整は、真空ロボット待機時間又は測定された基板温度に基づいて行うことができる。
【００４１】
【表７】
【００４２】
[0044]基板内の均一性及び運転ごとの均一性の両方に関してソーラーセル性能の変動を改善する、薄膜ソーラー製造中に基板温度を制御する改良された装置及び方法が提供された。理論に縛られることなく、本発明者は、ＰＩＮ型のシリコン薄膜ソーラーセルの性能が多数の理由で成長中の膜の温度に非常に敏感であることが分かった。第１に、窓層のＰ型半導体膜の品質は、温度により生じる導電率の変化のために温度に非常に敏感である。第２に、Ｐ型層とＩ型層の界面における温度制御は、青い光の吸収を回避することが重要であり、その界面がＰ型層からのドーパントの拡散によってダメージを受けた場合には、吸収真性層からの光収集効率が、Ｐ−Ｉ界面における電子・ホール対の再結合の増加のために著しく影響を受けることになる。第３に、Ｉ型層の堆積温度が、ドーパント拡散のスレッシュホールド温度より高い場合には、Ｐ−Ｉ界面へのドーパント拡散の増加がソーラーセルの性能に著しく影響する。それ故、膜堆積プロセス中の正確な温度制御及び処理中の基板移送を与える、ここに開示する装置及び方法が要望される。
【００４３】
[0045]以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明の基本的な範囲から逸脱せずに、他の実施形態及び更に別の実施形態を案出することができ、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって決定される。例えば、プロセスチャンバは、水平位置で示された。本発明の他の実施形態において、プロセスチャンバは、非水平位置、例えば、垂直位置でもよいことを理解されたい。例えば、本発明の実施形態は、複数プロセスチャンバクラスターツールを参照して説明された。また、本発明の実施形態は、インラインシステム及びインライン／クラスターのハイブリッドシステムでも実現できることを理解されたい。例えば、本発明の実施形態は、第１のｐ−ｉ−ｎ接合及び第２のｐ−ｉ−ｎ接合を形成するように構成された第１のシステムを参照して説明された。本発明の他の実施形態では、第１のｐ−ｉ−ｎ接合及び第２のｐ−ｉ−ｎ接合を単一のシステムにおいて形成できることを理解されたい。例えば、本発明の実施形態は、真性型層及びｎ型層の両方を堆積するように適応されたプロセスチャンバを参照して説明された。本発明の他の実施形態では、真性型層及びｎ型層を堆積するように別々のチャンバを適応させてもよいことが理解されよう。また、本発明の他の実施形態では、ｐ型層及び真性型層の両方を堆積するようにプロセスチャンバを適応させてもよいことが理解されよう。
【符号の説明】
【００４４】
１００…単一ｐ−ｉ−ｎ接合型薄膜ソーラーセル、１０１…光又は太陽放射、１０２…基板、１１０…第１の透明導電性酸化物（ＴＣＯ）層、１２０…単一ｐ−ｉ−ｎ接合、１２２…ｐドープのシリコン層、１２４…真性シリコン層、１２６…ｎドープのシリコン層、１４０…第２のＴＣＯ層、１５０…金属後方反射層、２００…タンデムｐ−ｉ−ｎ接合型薄膜ソーラーセル、２０１…光又は太陽放射、２０２…基板、２１０…第１の透明導電性酸化物（ＴＣＯ）層、２２０…第１のｐ−ｉ−ｎ接合、２２２…ｐドープのシリコン層、２２４…真性シリコン層、２２６…ｎドープのシリコン層、２３０…第２のｐ−ｉ−ｎ接合、２３２…ｐドープのシリコン層、２３４…真性シリコン層、２３６…ｎドープのシリコン層、２４０…第２のＴＣＯ層、３００…プロセスシステム、３１０…ロードロックチャンバ、３２０…移送チャンバ、３３１−３３５…ＰＥＣＶＤプロセスチャンバ、３４０…システムコントローラ、４００…プロセスシステム、４１０…ロードロックチャンバ、４２０…移送チャンバ、４２２…真空ロボット、４３１−４３７…ＰＥＣＶＤプロセスチャンバ、４４０…システムコントローラ、４５０…パイロメータ、５００…ロードロックチャンバ、５１０、５２０…排気可能なチャンバ、５３０ａ、５３０ｂ…基板支持体、５４０…余熱チャンバ、５４２…加熱素子、６００…ＰＥＣＶＤチャンバ、６０２…壁、６０４…底部、６０６…プロセス容積部、６０７…スリットバルブ、６０８…バルブ、６０９…真空ポンプ、６１０…シャワーヘッド、６１２…バッキングプレート、６１４…サスペンション、６２０…ガス源、６２２…ＲＦ電源、６２４…リモートプラズマ源、６３０…基板支持体、６３１…接地ストラップ、６３２…基板受け入れ面、６３３…シャドーフレーム、６３４…ステム、６３６…リフトシステム、６３８…リフトピン、６３９…加熱及び／又は冷却素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に薄膜ソーラーセルを形成する方法において、
第１チャンバ内で基板安定化時間周期中に基板を予熱するように基板上で温度安定化プロセスを遂行するステップと、
第２チャンバに対する待機時間周期を計算するステップであって、この待機時間周期は、上記第２チャンバの利用性、上記第１チャンバから上記第２チャンバへ基板を移送するように適応される真空移送ロボットの利用性、又はこれら第２チャンバの利用性及び真空移送ロボットの利用性の両方の組合せ、に基づくものである前記ステップと、
上記待機時間周期中の基板からの熱の損失を補償するように上記温度安定化時間周期を調整するステップと、
を備えた方法。
【請求項２】
上記調整された温度安定化時間周期の完了後に上記第２チャンバへ基板を移送するステップを更に備えた、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
温度安定化プロセスを遂行する上記ステップは、基板を処理する温度より高い温度まで基板を加熱することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
熱の損失を補償するように温度安定化時間周期を調整する上記ステップは、上記温度安定化時間周期を延長することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
上記温度安定化時間周期は、基板の実際の温度に基づく、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
上記第１チャンバは、複数の加熱素子を有する余熱チャンバを含むロードロックチャンバであり、上記第２チャンバは、ｐ−ｉ−ｎ接合のｐ型シリコン層を堆積するように適応された処理チャンバである、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
上記温度安定化ステップを遂行した後に上記第１チャンバ内で基板にｐ−ｉ−ｎ接合のｐ型シリコン層を形成するステップと、
上記調整された温度安定化時間周期の完了後に上記第２チャンバ内で真性型シリコン層及びｐ−ｉ−ｎ接合のｎドープのシリコン層の両方を形成するステップと、
を更に備えた請求項１に記載の方法。
【請求項８】
基板がリフトピンにより支持される非接触位置から、基板が基板支持体により支持される接触位置へと基板を移動するステップと、
上記調整された温度安定化周期が完了するまで基板を上記基板支持体で加熱するステップと、
上記基板支持体で基板を加熱しながら均一な基板温度を維持するようにヘリウム又は水素のような非反応性ガスを流すステップと、
を更に備えた請求項１に記載の方法。
【請求項９】
基板上に薄膜ソーラーセルを形成するための真空システムにおいて、
移送チャンバと、
上記移送チャンバに結合された１つ以上の処理チャンバと、
上記移送チャンバ内に配設された基板移送ロボットと、
上記移送チャンバに結合されたロードロックチャンバと、
を備え、上記ロードロックチャンバは、
第１の排気可能なチャンバ、
第２の排気可能なチャンバ、及び
基板安定化時間周期中基板上で温度安定化プロセスを遂行するように適応された余熱チャンバ、
を含む真空システム。
【請求項１０】
上記システムが、
第１チャンバ内で基板安定化時間周期中基板を予熱するように基板上で温度安定化プロセスを遂行すること、
第２チャンバに対する待機時間周期を計算すること、
上記待機時間周期中の基板からの熱の損失を補償するように上記温度安定化時間周期を調整すること、
を遂行するように適応されたシステムコントローラを更に備え、
上記待機時間は、上記第２チャンバの利用性、上記基板移送ロボットの利用性、又はこれら第２チャンバの利用性及び基板移送ロボットの利用性の両方の組合せに基づく、請求項９に記載の真空システム。
【請求項１】
基板上に薄膜ソーラーセルを形成する方法において、
第１チャンバ内で基板安定化時間周期中に基板を予熱するように基板上で温度安定化プロセスを遂行するステップと、
第２チャンバに対する待機時間周期を計算するステップであって、この待機時間周期は、上記第２チャンバの利用性、上記第１チャンバから上記第２チャンバへ基板を移送するように適応される真空移送ロボットの利用性、又はこれら第２チャンバの利用性及び真空移送ロボットの利用性の両方の組合せ、に基づくものである前記ステップと、
上記待機時間周期中の基板からの熱の損失を補償するように上記温度安定化時間周期を調整するステップと、
を備えた方法。
【請求項２】
上記調整された温度安定化時間周期の完了後に上記第２チャンバへ基板を移送するステップを更に備えた、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
温度安定化プロセスを遂行する上記ステップは、基板を処理する温度より高い温度まで基板を加熱することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
熱の損失を補償するように温度安定化時間周期を調整する上記ステップは、上記温度安定化時間周期を延長することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
上記温度安定化時間周期は、基板の実際の温度に基づく、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
上記第１チャンバは、複数の加熱素子を有する余熱チャンバを含むロードロックチャンバであり、上記第２チャンバは、ｐ−ｉ−ｎ接合のｐ型シリコン層を堆積するように適応された処理チャンバである、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
上記温度安定化ステップを遂行した後に上記第１チャンバ内で基板にｐ−ｉ−ｎ接合のｐ型シリコン層を形成するステップと、
上記調整された温度安定化時間周期の完了後に上記第２チャンバ内で真性型シリコン層及びｐ−ｉ−ｎ接合のｎドープのシリコン層の両方を形成するステップと、
を更に備えた請求項１に記載の方法。
【請求項８】
基板がリフトピンにより支持される非接触位置から、基板が基板支持体により支持される接触位置へと基板を移動するステップと、
上記調整された温度安定化周期が完了するまで基板を上記基板支持体で加熱するステップと、
上記基板支持体で基板を加熱しながら均一な基板温度を維持するようにヘリウム又は水素のような非反応性ガスを流すステップと、
を更に備えた請求項１に記載の方法。
【請求項９】
基板上に薄膜ソーラーセルを形成するための真空システムにおいて、
移送チャンバと、
上記移送チャンバに結合された１つ以上の処理チャンバと、
上記移送チャンバ内に配設された基板移送ロボットと、
上記移送チャンバに結合されたロードロックチャンバと、
を備え、上記ロードロックチャンバは、
第１の排気可能なチャンバ、
第２の排気可能なチャンバ、及び
基板安定化時間周期中基板上で温度安定化プロセスを遂行するように適応された余熱チャンバ、
を含む真空システム。
【請求項１０】
上記システムが、
第１チャンバ内で基板安定化時間周期中基板を予熱するように基板上で温度安定化プロセスを遂行すること、
第２チャンバに対する待機時間周期を計算すること、
上記待機時間周期中の基板からの熱の損失を補償するように上記温度安定化時間周期を調整すること、
を遂行するように適応されたシステムコントローラを更に備え、
上記待機時間は、上記第２チャンバの利用性、上記基板移送ロボットの利用性、又はこれら第２チャンバの利用性及び基板移送ロボットの利用性の両方の組合せに基づく、請求項９に記載の真空システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公表番号】特表２０１０−５３４９４０（Ｐ２０１０−５３４９４０Ａ）
【公表日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５１８３８５（Ｐ２０１０−５１８３８５）
【出願日】平成２０年７月２４日（２００８．７．２４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０７１０２４
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０１５２７７
【国際公開日】平成２１年１月２９日（２００９．１．２９）
【出願人】（３９００４０６６０）アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド (1,346)
【氏名又は名称原語表記】ＡＰＰＬＩＥＤ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ，ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月２４日（２００８．７．２４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０７１０２４
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０１５２７７
【国際公開日】平成２１年１月２９日（２００９．１．２９）
【出願人】（３９００４０６６０）アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド (1,346)
【氏名又は名称原語表記】ＡＰＰＬＩＥＤ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ，ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ
【Ｆターム（参考）】
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