專利名稱：硅烷的再循環和再利用的制作方法
技術領域：
本發明涉及用來再循環和再利用硅烷的方法和設備，具體來說是用于制造太陽能電池。
背景技術：
硅烷和硅烷-氫氣混合物被用于制造太陽能電池，主要用于沉積硅層。一般來說， 流過等離子體室沉積硅的硅烷的實際利用率小于10%至最低3%，余下的硅烷仍然未發生 反應。在沉積過程中氫氣經常以4 1至10 1的體積比用作硅烷的稀釋劑，在此整個過 程中，氫氣基本上保持不發生反應。在現有的太陽能電池制造方法中，從等離子體室排出的 未反應的硅烷或硅烷/氫氣混合物需要在等離子體室下游的燃燒室中破壞掉，所述燃燒室 通常位于排氣泵的后面。但是這樣會導致大量的廢(即未使用和未反應的)硅烷以及硅烷 /氫氣混合物，這會增加太陽能電池的制造成本。顯然希望對來自等離子體室的未反應的硅烷進行再循環和再利用，以減少廢硅烷 的量。但是存在與這種再循環和再利用相關的很多問題。具體來說，用于沉積工藝的硅烷 經常與太陽能電池制造過程中使用的其它氣體(例如硼烷、膦、甲基硅烷或甲烷)混合，使 得硅烷分離和回收難以進行。另外，所述硅烷或者與氫氣混合的硅烷的流速在生產周期過 程中會發生很大的變化，在給定時段內，其流速會從零至最大流速變化數次。另外，在等離 子體條件下發生的硅烷氣相反應會導致氣體組成發生變化，如果將這些氣體再循環使用， 會給工藝控制帶來問題。因此，本領域需要對硅烷的再循環和再利用進行改進，特別是用于太陽能電池的 制造。
發明內容
本發明提供了一種解決上述問題的方案，提供了用來制備薄膜硅層、特別是用于 太陽能電池制造的薄膜硅層的制造中所用的硅烷和硅烷/氫氣混合物進行回收和再利用 的方法和設備。具體來說，本發明依賴于以下情況在硅薄膜沉積過程中的特定時段，只有單獨含 硅烷的氣體(例如硅烷或乙硅烷)或者硅烷與氫氣的混合氣體流過沉積室。換而言之，在 沉積過程中有一些時段，沒有任何另外的氣體，例如含硼、磷或碳的氣體的氣流。可以確定 這些硅烷流過的時段，在這些時段，我們不把未反應的氣體導向廢氣破壞裝置，而且將未反 應的氣體重新導向收集容器。當未反應的氣體包含另外的組分，例如硼、磷、碳的時候，根據 標準處理將未反應的氣體導向廢氣破壞裝置。
圖1是現有技術已知的用來制造太陽能電池的標準的多室PECVD系統的示意圖。圖2是根據本發明一個實施方式制造太陽能電池的多室PECVD系統的示意圖。
圖3是根據本發明另一個實施方式制造太陽能電池的多室PECVD系統的示意圖。
具體實施例方式本發明提供了一種解決上述關于對制備薄膜硅層、特別是用于太陽能電池制造的 薄膜硅層的制造中所用的硅烷和硅烷/氫氣混合物進行回收和再利用的問題的方案。在制造薄膜硅太陽能電池的工藝中，在大約0. 001-10乇的壓力下使硅烷之類的 氣體流入反應室中，使其受到熱、微波或等離子體之類的能源作用，使硅薄膜能根據所制 造的太陽能電池電子器件的性能要求進行沉積。例如，在制造太陽能電池的時候可以采用 LP-PECVD(低壓等離子體增強化學氣相沉積)法。為了形成太陽能電池的這些層，通常在一 系列沉積步驟中使用一些氣體和混合物。通常使用硅烷或硅烷/氫氣混合物沉積硅層，而 與其它氣體混合的硅烷可以用來沉積具有各種組成的層。如上所述，流入反應室內的硅烷 的利用率通常低于10%。必須將未反應的硅烷從沉積室清除，有時候與其它的氣體一起清 除，通常在離開反應室的化學反應中破壞掉。對未反應的硅烷進行再循環和再利用顯然可 以帶來所希望的機會和優點，但是這并不是一項普通的任務。具體來說，為了對硅烷進行再 循環和再利用，需要設計一種收集和再循環系統，該系統是經濟，安全，可靠的，而且不會對 形成的太陽能電池的質量帶來負面影響。本發明提供了所有這些優點。具體來說，本發明提供了一種方法和設備，所述方法 和設備依賴于在沉積過程中的一些特定時段，僅有硅烷或硅烷/氫氣混合物流過沉積室。 在這些時段，可以收集所述硅烷或硅烷/氫氣混合物，對收集的氣體進行再循環，用于在另 外的沉積工藝中再利用。本發明提供了用來沉積薄膜硅太陽能電池的改進的方法和設備。常規的沉積方法 包括幾個步驟。具體來說，使硅烷或者乙硅烷流入一個或多個LP-PECVD室內。根據所要 沉積的層的組成，可以將硅烷氣體與其它氣體混合，例如氫氣、氬氣、氮氣、膦、氦氣、乙硼烷 等。然后使用能源激發這些氣體，使得在該室內在基片上化學氣相沉積硅層，以形成電子器 件。過量的未反應的氣體從LP-PECVD室清除，在現有技術中抽到或排到廢氣破壞裝置中， 將未反應的氣體破壞，或者送到稀釋系統中，用其它氣體對這些氣體進行稀釋。使用多個 LP-PECVD室便于提高太陽能電池的生產量。以上方法會導致很大的硅烷浪費。具體來說，流入沉積室中的硅烷中只有不到 10%實際用于沉積該層。本發明提供了對所述過量的硅烷中的至少一部分進行再循環和再 利用的方法和設備。具體來說，本發明確定了沉積過程中的某些時段，在這些時段中，只有 單獨含硅烷的氣體(例如硅烷或乙硅烷)或者硅烷與氫氣的混合氣體流過。在這些時段中， 沒有另外的氣體，例如含硼、磷或碳的氣體從沉積室流過，或沉積室中也不含這些另外的氣 體。因此，根據本發明，在這些時段，將硅烷導向收集容器，而不是導向常規的廢氣破壞裝 置。在存在另外的組分氣體(例如硼、磷、碳)的時段，未反應的氣體繼續通向標準的廢氣 破壞裝置。根據本發明，使用干泵(dry pump)之類的泵抽裝置將收集的硅烷或者硅烷/氫氣 混合物壓縮至較高的壓力。所述壓縮系統必須確保所述氣體不會與泵油/密封油或者冷卻 水接觸。然后可將較高壓力的硅烷氣體再循環至用于等離子體反應室的氣體供應流中。為 了確保為沉積室提供的氣體具有均一的氣體組成，可以將再循環的氣體與新鮮的硅烷、氫氣、或者兩者混合。在本發明的一個實施方式中，使用噴射器或者文丘里器將這些氣體送回 氣體供應流。在此實施方式中，在沉積過程中用于稀釋硅烷所需的氫氣用作原動力，因此無 需使用另外的氣體。本發明特別可用于使用多個沉積室的工藝，這是因為可以將來自所有的工藝沉積 的回收的硅烷氣體混合在一起，以便于進一步的處理。另外，可以對再循環速率進行優化， 這樣反應室中等離子體反應的副產物不會在沉積過程中累積。本發明便于回收5-80%的未反應的硅烷或硅烷/氫氣氣體混合物。由此可以將硅烷總體利用率從低于10%提高到15%，有可能高達25%。現在將參照附圖更詳細地描述本發明。圖1是現有技術已知的用來制造太陽能電 池的標準的多室PECVD系統10的示意圖。在此系統10中，多個沉積室20各自隨時間按照 特定的順序和流動方式根據需要從沉積氣體源30接受工藝氣體，例如硅烷、硅烷/氫氣混 合物，或者與其它沉積氣體混合的硅烷，沉積所需的硅膜，以形成太陽能電池。由制造者對 順序以及沉積時間的選擇進行設定，因此不同的制造操作，這些順序和沉積時間可以是不 同的。所有的未反應的氣體從沉積室20排出，送到標準的廢氣處理裝置40，用于廢氣處理。圖2是根據本發明一個實施方式制造太陽能電池的多室PECVD系統100的示意 圖。以與圖ι所示的標準沉積系統類似的方式，多個沉積室120各自隨時間按照特定的順 序和流動方式根據需要從沉積氣體源130接受工藝氣體，例如硅烷、硅烷/氫氣混合物，或 者與其它沉積氣體混合的硅烷，沉積所需的硅膜，以形成太陽能電池。如上所述，對順序以 及沉積時間的選擇可以根據不同的制造操作變化。在操作中確定的一些時段，僅有硅烷或 硅烷/氫氣混合物從沉積室120排出，將排出的廢氣送到收集裝置150，然后再循環，在沉積 室120中再利用。在此實施方式中，使用干泵160將收集的氣體從收集裝置150抽回到沉 積室120。在一些時段中，從沉積室120排出的廢氣中含有其它的氣體，例如硼、磷、碳等，此 時將廢氣送到標準的廢氣處理裝置140，用于進行廢氣處理。圖3是根據本發明一個實施方式制造太陽能電池的多室PECVD系統200的示意 圖。該系統200可以幾乎與圖2所示的系統相同。在此實施方式中，系統200包括多個沉 積室220，其各自隨時間按照特定的順序和流動方式根據需要從沉積氣體源230接受工藝 氣體，例如硅烷、硅烷/氫氣混合物，或者與其它沉積氣體混合的硅烷，沉積所需的硅膜，以 形成太陽能電池。再次對順序以及沉積時間的選擇可以根據不同的制造操作變化。在操作 中確定的一些時段中，僅有硅烷或硅烷/氫氣混合物從沉積室220排出，將該廢氣送到收集 裝置250，然后再循環，在沉積室220中再利用。在此實施方式中，使用噴射器或者文丘里型 裝置260將收集的氣體從收集裝置250送回沉積室220，使用來自氫氣源270的氫氣作為原 動力。在一些時段中，從沉積室220排出的廢氣中含有其它的氣體，例如硼、磷、碳等，此時 將廢氣送到標準的廢氣處理裝置240，用于進行廢氣處理。本發明提供了很多的益處。具體來說，安全回收和再循環5-80%的所述未反應的 硅烷或者硅烷/氫氣混合物保證了降低太陽能電池的制造成本。另外，所述再循環操作給 工藝帶來的變化極小，這是因為反應副產物混入的量很少，對制造的太陽能電池的質量沒 有影響。另外，在使用噴射器或者文丘里裝置以及氫氣作為原動力的實施方式中，不存在運 動部件，因此保養要求很低。盡管已經關于特別適用于太陽能電池裝置中的薄膜硅層的制造描述了本發明的方法和設備，但是本發明同樣適用于在至少一部分沉積操作過程中使用硅烷或硅烷/氫氣 混合物的其它層的沉積。 預期本領域技術人員通過閱讀以上內容，可以容易想到本 發明地其它實施方式以 及變化，這些實施方式和變化同樣包括在所附權利要求陳述的本發明范圍以內。
權利要求
一種對來自硅層沉積工藝中使用的沉積室的硅烷或硅烷/氫氣混合物進行回收和再循環的方法，該方法包括確定所述沉積工藝過程中的時段，在這些時段，僅有過量的硅烷或硅烷/氫氣混合物從沉積室排出；在所述確定的時段中，收集所述從沉積室排出的硅烷或硅烷/氫氣混合物；以及將收集的硅烷或硅烷/氫氣混合物再循環到所述沉積室。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述硅沉積工藝是薄膜硅層沉積工藝。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述硅沉積工藝是太陽能電池制造工藝。
4.一種用來沉積硅層的系統，該系統包括 沉積室；固定在沉積室內的基片； 與所述沉積室連通的硅烷源；與沉積室相連的能源，用來活化硅烷，以在基片上沉積硅層；收集裝置，所述收集裝置與沉積室連通，用來收集過量的從沉積室排出的硅烷，將收集 的硅烷再循環到沉積室。
5.如權利要求4所述的系統，其特征在于，所述系統是用來沉積硅薄膜的系統。
6.如權利要求4所述的系統，其特征在于，所述系統是用來制造太陽能電池的系統。
7.如權利要求4所述的系統，其特征在于，所述能源是熱能源、微波能源或等離子體能源。
8.如權利要求4所述的系統，其特征在于，所述硅烷源是硅烷、乙硅烷或者硅烷/氫氣 混合物。
9.一種在沉積室內在基片上沉積硅層的方法，該方法包括在沉積循環的第一部分，為沉積室提供硅烷源，用來在所述基片上沉積硅層； 在沉積循環的第二部分，向沉積室提供與至少一種其它氣體混合的硅烷源，用來在基 片上沉積混合的硅層；在所述沉積循環的第二部分中，將從沉積室排出的過量的氣體送到廢氣處理裝置； 在沉積循環的第一部分中，收集從沉積室排出的過量的硅烷，并將收集的硅烷再循環 到沉積室。
10.如權利要求9所述的方法，其特征在于，所述硅層是硅薄膜。
11.如權利要求9所述的方法，其特征在于，所述硅層是太陽能電池的一部分。
12.如權利要求9所述的系統，其特征在于，所述硅烷源是硅烷、乙硅烷或者硅烷/氫氣 混合物。
全文摘要
本發明描述了對通過等離子體增強化學氣相沉積法制備薄膜太陽能電池中使用的硅烷和硅烷/氫氣混合物進行回收和再循環的方法和設備。通過收集來自沉積室的未反應的硅烷或硅烷/氫氣混合物，將收集的氣體再循環到沉積室，使得硅烷的利用率可以提高2-5倍。
文檔編號C01B33/00GK101808937SQ200880024496
公開日2010年8月18日 申請日期2008年6月5日 優先權日2007年6月7日
發明者B·庫德貝克, N·瑪木倫, N·薩克希納 申請人:琳德有限公司