BRPI0621288A2 - processo para a produção de um filme de silìcio sobre uma superfìcie de substrato por deposição em vapor - Google Patents

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Abstract

PROCESSO PARA A PRODUçãO DE UM FILME DE SILìCIO SOBRE UMA SUPERFìCIE DE SUBSTRATO POR DEPOSIçãO EM VAPOR. A presente invenção refere-se a um processo para a produção de um filme de siliçio sobre uma superfície de substrato por deposição em vapor, partindo de um precursor à base de silício, caracterizado pelo fato de que o precursor usado é o tetracloreto de silício. A presente invenção também se refere a baterias solares de filme fino ou a baterias solares de filme fino de silício cristalino que podem ser obtidas pelo processo de acordo com a invenção. A invenção também se refere ao uso de tetracloreto de silíçio para a produção de um filme depositado sobre um substrato proveniente da fase vapor.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PROCESSO PARA A PRODUÇÃO DE UM FILME DE SILÍCIO SOBRE UMA SUPERFÍ- CIE DE SUBSTRATO POR DEPOSIÇÃO EM VAPOR".
A presente invenção refere-se a um processo para a produção de um filme de silício sobre uma superfície de substrato por deposição em vapor, partindo de um precursor à base de silício. A presente invenção tam- bém se refere a baterias solares e a um novo uso de tetracloreto de silício.
Há uma pressão em andamento para se produzir baterias sola- res em menor quantidade e menos onerosas.
A estrutura básica de uma bateria solar geralmente envolve um contato base, um filme absorvente eletricamente ativo, que pode ser aplica- do a um substrato que não é adequado para processamento direto de bate- rias solares, uma camada emissora, à qual está aplicado o contato emissor e um revestimento anti-reflexão/de passivação, ao qual está aplicado o contato emissor. Atualmente, o tipo principal de bateria solar, isto é, o que se conhe- ce como bateria solar de pastilha de silício, compreende uma pastilha de silício de 200 a 300 Dm. Além do consumo considerável de silício necessário para esta pastilha, a produção envolve quantidades consideráveis de silício que são perdidas como rejeito.
As baterias solares de filme fino de silício cristalino (baterias so- lares CSTF) combinam as vantagens das baterias solares de pastilha de silício "convencionais" e das baterias solares de filme fino. O filme absorven- te de silício cristalino tem apenas 5 a 40 Gm de espessura e é aplicado a um substrato não oneroso.
Não há perdas de resíduos de serragem de silício de grande pureza, oneroso. Portanto, as baterias solares CSTF são uma alternativa promissora para a produção com economia de baterias solares.
A produção de Baterias solares CSTF envolve ainda uma etapa de depósito de um filme fino de silício, habitualmente pela fase vapor.
Sabe-se há muito tempo que o silício pode ser depositado sobre um substrato na forma de um filme fino pela decomposição de um composto de metal na forma gasosa ou de vapor, isto é, usando-se um processo CVD (CVD = Deposição de Vapor Químico). Exemplos de tecnologias especiais de deposição incluem os processos de PECVD (Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition - Deposição de Vapor Químico Melhorada com Plasma) e "Hot Wire Deposition" - Deposição sobre Fio Quente.
São usados gases carreadores (precursores). Estes são habitu- almente monossilano (SiH4)1 diclorossilano (H2SiCI2) ou triclorossilano (HSi- CI3). Um inconveniente destes compostos é que eles são combustíveis ou até mesmo auto-inflamáveis, em particular no caso do monossilano. Conse- qüentemente, precisaram ser tomadas medidas complexas e onerosas quando se usam estes compostos em uma escala industrial.
A presente invenção está baseada no objetivo de fornecer uma outra maneira de depositar filmes finos de silício sobre a superfície de um substrato, em particular para a produção de baterias solares.
De acordo com a invenção, o objetivo foi alcançado de acordo com os detalhes fornecidos nas reivindicações da patente.
Surpreendentemente, foi descoberto que filmes finos de silício podem ser depositados da fase vapor sobre a superfície de um substrato de uma maneira simples e econômica, em particular para a produção de bateri- as solares, se o precursor usado for o tetracloreto de silício, de preferência SiCI4 de grande pureza.
O uso de acordo com a invenção de tetracloreto de silício como precursor em vez de monossilano, diclorossilano ou triclorossilano permite que sejam evitados inconvenientes associados.
Por exemplo, os desperdícios financeiros, técnicos e de pessoal para transporte, armazenagem e descarte de precursores são consideravel- mente reduzidos comparados à técnica anterior, de modo que os filmes pro- duzidos de acordo com a invenção podem ser depositados globalmente de uma maneira muito mais favorável.
Esta vantagem é particularmente significativa no caso de filmes relativamente espessos, pois nestes casos os custos dos gases precursores dominam os custos de deposição.
Além disso, se for usado o SiCI4, a qualidade técnica dos filmes de silício depositados de acordo com a invenção, para as finalidades fotovol- táicas, é, em cada aspecto, de qualidade comparável aos sistemas obtidos usando-se, por exemplo, o HSiCI3.
As baterias solares obtidas de acordo com a invenção também atingem boa eficiência sendo, em todos os aspectos equivalentes às bateri- as solares da técnica anterior. No entanto, por causa do uso de SiCU, as baterias solares que podem ser obtidas de acordo com a invenção podem ser produzidas a um custo significativamente inferior e são, portanto, mais vantajosas do que as baterias solares da técnica anterior. Portanto, o assun- to da presente invenção é um processo para produzir um filme de silício so- bre a superfície de um substrato por deposição de vapor, partindo de-um precursor à base de silício, caracterizado pelo fato de que o precursor usado é o tetracloreto de silício.
As instalações ou as aparelhagens que são por si conhecidas, por exemplo, reatores comercialmente disponíveis para reatores para opera- ção com pastilhas simples ou operação em batelada ou reatores que tenham sido especialmente desenvolvidos para fotovoltáicos, tal como ConCVD a- presentado por Hurrle e outros [A. Hurrle, S. Reber, N. Schillinger, J. Haase, J. G. Reichart, High Throughput Continuous CVD ReactorforSiIicon Deposi- tions, em Proc. 19th European Conference on Photovoltaic Energy Conver- sion, J.-L. Bal W. Hoffmann, H. Ossenbrink, W. Palz, P. Helm (Eds.), (WIP- Munique, ETA-Florença), 459 (2004)], podem ser usadas para realizar o pro- cesso de acordo com a invenção.
O procedimento no processo de acordo com a invenção é, de preferência aquele em que
- é vaporizado o tetracloreto de silício de alta pureza, se apropri- ado, juntamente com um ou mais outros precursores selecionados do grupo que consiste em cloretos e/ou hidretos e
- é misturado com um gás carreador, de preferência argônio e/ou hidrogênio,
- a mistura gasosa, em uma câmara de reação, é posta em con- tato com o substrato que precisa ser revestido e na câmara da reação foi aquecido até uma temperatura de 900 a 1390°C, de preferência desde 1100 até 1250°C,
- um filme de silício fino, se apropriado, ativado é depositado sobre a superfície do substrato e
- os subprodutos voláteis da reação são descarregados da câ- mara da reação.
Neste caso, o procedimento adotado pode ser que primeiro de tudo os precursores e os gases carreadores são misturados antes da etapa de deposição e alimentados para o espaço da reação. No entanto, o proce- dimento também pode envolver precursores de alimentação e gases carrea- dores para a câmara da reação separadamente, em cujo caso eles são mis- turados na câmara da reação e entram em contato com o substrato quente.
Além disso, a deposição do vapor pode ser realizada por de- composição térmica de tetracloreto de silício de alta pureza a uma pressão de 0,08 até 0,12 MPa (0,8 até 1,2 bar) absoluto, de preferência à pressão atmosférica. Além disso, pode ser preferível que a mistura gasosa de veículo gasoso e precursores tenham um tempo médio de residência na câmara da reação de 0,05 a 5 segundos, de preferência de 0,1 a 1 segundo.
Para deposição, o substrato na câmara da reação é de preferên- cia aquecido termicamente, eletricamente ou por irradiação (aquecimento com lâmpada), isto é, é levado até uma temperatura adequada para a de- composição do precursor.
É preferível que o substrato que precisa ser revestido, em parti- cular - embora não exclusivamente - para a produção de Baterias solares CSTF, seja exposto a condições de reação na câmara da reação durante um período de tempo de 2 a 30 minutos, de preferência de 5 a 10 minutos.
Neste caso, é preferível depositar um filme de silício epitaxial a 2000 até 6000 nm por minuto.
No processo de acordo com a invenção, é vantajoso depositar um filme de silício epitaxial sobre a superfície do substrato, de preferência um filme homo-epitaxial.
Portanto, de acordo com a invenção, a deposição de vapor pode ser realizada para produzir um filme de silício fino, em particular com uma espessura de desde 10 até 50.000 nm, de preferência de desde 500 até 40.000 nm, com as faixas de 1 a 8 □m e de 15 a 25 □m sendo particular- mente preferidas, sobre uma superfície do substrato silício multicristalino ou amorfo e pode vantajosamente ser usado para produzir baterias solares de filme fino ou baterias solares de filme fino cristalino. No entanto, a deposição também pode ser realizada em outros substratos substancialmente termica- mente estáveis.
Além disso, no processo de acordo com a invenção, o precursor usado pode de preferência ser SiCl4 misturado com pelo menos um compos- to de cloro ou de hidrogênio, que possa ser convertida na fase vapor, sele- cionado entre os elementos do terceiro, do quarto ou do quinto grupo princi- pal do sistema periódico dos elementos, de preferência um cloreto de boro, de germânio, de fósforo ou hidretos correspondentes, por exemplo diborano ou fosfina. Além disso, o substrato que foi revestido de acordo com a inven- ção pode ser processado ainda para formar uma bateria solar.
Para esta finalidade, o substrato revestido pode, de uma manei- ra por si conhecida, primeiro de tudo
- ser limpo e texturizado, por exemplo usando uma solução quente de KOH/isopropanol/H20 ou por meios químicos - de plasma,
- então difundido para fora da fase vapor phase ou uma fonte de ativação a 800 até 1000°C, por exemplo usando POCl3,
- a camada de vidro formada durante a difusão pode ser removi- da, por exemplo usando ácido fluorídrico,
- um revestimento antirreflexão fino, por exemplo de SiNx:H, po- de ser depositado sobre o filme de silício eletronicamente ativo e
- então os contatos de metal podem ser impressos nas superfí- cies da frente e do avesso usando impressão com tela e formar liga usando uma etapa de temperatura.
Para fins de exemplo, embora não exclusivamente, no entanto, também pode ser adotado o procedimento a seguir:
- gravação com um ácido ou com um álcali, - seguida por difusão da fase vapor usando POCI3 a 800 até 850°C
- remoção do vidro de fósforo formado durante a difusão por meio de ácido fluorídrico,
- crescimento de um oxido de passivação fino sobre o filme de silício eletronicamente ativo,
- então definindo o contato de metal sobre o emissor em uma etapa de trabalho litográfico e aplicação por evaporação do revestimento com um sistema de camada metálica eletricamente condutora, de preferên- cia compreendendo Ti, Pd e Ag e usando o processo de decolagem e
- então vantajosamente produzindo o contato base sobre a su- perfície do avesso do substrato revestido por evaporação do revestimento com alumínio, de preferência com uma espessura de filme de aproximada- mente 200 nm.
- além disso, pode então ser aplicado um revestimento antirre- flexão, por exemplo que compreende dióxido de titânio e fluoreto de magné- sio.
Em termos gerais, a presente invenção é realizada da seguinte maneira:
um substrato a ser revestido geralmente é pré-tratado por meios químicos úmidos, como descrito acima e habitualmente é introduzido em uma câmara da reação, purgado com argônio ou hidrogênio e aquecido até uma temperatura que seja adequada para a decomposição de um precursor. O SiCI4 é adequadamente vaporizado, se apropriado, ativado e misturado com argônio e/ou hidrogênio, por exemplo, em uma razão molar de 1 para 100% SiCI4 em relação ao hidrogênio. A mistura gasosa pode então ser ali- mentada à câmara da reação, em que um filme de silício é depositado sobre a superfície do substrato aquecido. O presente método é convenientemente operado à pressão atmosférica. No entanto, ele pode ser realizado a uma pressão reduzida ou elevada. Os subprodutos da reação que se formam são geralmente descarregados e descartados. O substrato que foi revestido des- ta maneira também pode ser usado vantajosamente, de uma maneira por si conhecida, para a produção de baterias solares.
Portanto, o assunto da presente invenção também abrange bate- rias solares de filme fino de silício cristalino que podem ser obtidas pelo pro- cesso de acordo com a invenção.
Um outro assunto da presente invenção é o uso de tetracloreto de silício para a produção de um filme depositado sobre um substrato da fase vapor, de preferência um filme de silício epitaxial, que pode ser obtido vantajosamente pelo processo de acordo com a invenção. O filme pode ser um filme de silício não ativado ou ativado.
O tetracloreto de silício pode vantajosamente também ser usado para a produção de um filme baseado em silício sobre um substrato selecio- nado do grupo que consiste em SiC, SiNx, SiOx, em cada caso com x = 0,1 a 2 ou sobre silício, por exemplo, sobre uma pastilha de silício, por meio de deposição a vapor.
Portanto, o assunto da presente invenção também é o uso de acordo com a invenção de tetracloreto de silício para a produção de baterias solares de filme fino ou de baterias solares de filme fino de silício cristalino, que podem ser vantajosamente fornecidas epitaxialmente com um filme ati- vado ou não ativado.

Claims (20)

1. Processo para a produção de um filme de silício sobre a su- perfície de um substrato por deposição de vapor, partindo de um precursor à base de silício, caracterizado pelo fato de que o precursor usado é o tetraclo- reto de silício.
2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que - o tetracloreto de silício de alta pureza é vaporizado, se apropri- ado, juntamente com um ou mais outros precursores selecionados do grupo que consiste nos cloretos e/ou nos hidretos e - é misturado com um gás carreador, - a mistura gasosa, em uma câmara da reação, é posta em con- tato com o substrato que precisa ser revestido e na câmara da reação foi aquecida até uma temperatura de 900 a 1390°C, - um filme de silício fino, se apropriado, ativado é depositado sobre a superfície do substrato e - os subprodutos voláteis da reação são descarregados da câ- mara da reação.
3. Processo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a deposição de vapor é realizada por decomposição térmica de tetracloreto de silício de alta pureza a uma pressão de desde 0,08 até -0,12 MPa (0,8 até 1,2 bar) absoluto.
4. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a -3, caracterizado pelo fato de que a mistura gasosa de gás carreador e pre- cursores permanece na câmara da reação durante um tempo de residência médio de 0,05 até 5 segundos.
5. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a -4, caracterizado pelo fato de que a deposição de vapor para a produção de um filme fino de silício é realizada sobre uma superfície de substrato de silí- cio multi cristalino.
6. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a -5, caracterizado pelo fato de que o substrato é aquecido na câmara da rea- ção seja termicamente, eletricamente ou por irradiação.
7. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a -6, caracterizado pelo fato de que o substrato que precisa ser revestido é ex- posto às condições da reação na câmara da reação durante um período de 2 a 30 minutos.
8. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a -7, caracterizado pelo fato de que durante a deposição de vapor é depositado um filme de silício epitaxial sobre a superfície do substrato.
9. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a -8, caracterizado pelo fato de que um filme de silício epitaxial é depositado a 2000 até 6000 nm por minuto.
10. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que o precursor usado é o SiCI4 misturado com pelo menos um composto de cloro ou de hidrogênio, que pode ser con- vertido na fase vapor, selecionado entre os elementos do terceiro, do quarto ou do quinto grupo principal do sistema periódico dos elementos.
11. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que o substrato que foi revestido desta ma- neira é processado ainda para formar uma bateria solar.
12. Processo de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o substrato revestido, de uma maneira por si conhecida, - é limpo ou texturizado, - então difundido para fora da fase vapor ou de uma outra fonte de ativação a 800 até IOOO0C, - a camada de vidro formada durante a difusão é removida, - um revestimento fino antirreflexão é depositado sobre o filme de silício eletronicamente ativo e - então os contatos de metal formam uma liga nas superfícies da frente e do avesso do substrato revestido por impressão com tela usando uma etapa de temperatura.
13. Bateria solar de filme fino ou bateria solar de filme fino de silício, obtida como definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 12.
14. Uso de tetracloreto de silício para a produção de um filme depositado sobre um substrato proveniente da fase vapor, obtido como defi- nido em qualquer uma das reivindicações 1 a 13.
15. Uso de tetracloreto de silício de acordo com a reivindicação -14, para a produção de um filme depositado epitaxialmente proveniente da fase vapor sobre um substrato.
16. Uso de tetracloreto de silício de acordo com a reivindicação -14 ou 15, para a produção de um filme de silício não ativado ou ativado so- bre um substrato por meio de deposição de vapor.
17. Uso de tetracloreto de silício de acordo com qualquer uma das reivindicações 14 a 16 para a produção de um filme à base de silício sobre um substrato selecionado do grupo que consiste em SiC, SiNx, SiOx, em cada caso com χ = 0,1 a 2, por meio de deposição de vapor.
18. Uso de tetracloreto de silício de acordo com qualquer uma das reivindicações 14 a 16, para a produção de um filme de silício por meio de deposição de vapor sobre um substrato que compreende silício.
19. Uso de tetracloreto de silício de acordo com qualquer uma das reivindicações 14 a 18, para a produção de baterias solares de filme fino ou de baterias solares de filme fino de silício cristalino.
20. Uso de tetracloreto de silício de acordo com a reivindicação -19, para a produção de uma bateria solar de filme fino de silício cristalino ou de uma bateria solar de filme fino dotada de um filme de silício ativado ou não ativado.
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