Procedimiento para la preparación de una capa barrera dieléctrica de óxido de silicio (SiOx) y capa así preparada.

Procedimiento para la preparación de una capa barrera dieléctrica de óxido de silicio

(SiOx) sobre un sustrato, para lo cual se realiza, una vez limpiado el sustrato, una deposición de una capa de SiOx por la técnica de PECVD y otra deposición de SiOx por el método sol-gel. La composición de recubrimiento (sol) utilizada en la etapa sol-gel es preparada a partir de los siguientes componentes: MTES, entre 30 y 50% en peso; TEOS, entre 7% y 12% en peso; N, N' -DMS, entre 11 y 19% en peso; PEG, entre 19 y 31% en peso; agua destilada, entre 7 y 12% en peso y acido ortofosfórico, entre 0,6% y 0,9% en peso. Una vez preparada la composición de recubrimiento, se deposita y se densifica para formar la capa de óxido correspondiente.

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201300871.

Solicitante: ABENGOA SOLAR NEW TECHNOLOGIES, S.A.

Nacionalidad solicitante: España.

Inventor/es: GOMEZ PLAZA,DAVID, DELGADO SÁNCHEZ,José María, SÁNCHEZ-CORTEZÓN,Emilio, SANCHO MARTÍNEZ,Diego, ANDRÉS MENÉNDEZ,Luis José, MENÉNDEZ ESTRADA,Armando, SÁNCHEZ,Pascal, FERNÁNDEZ SUAREZ,Mari Fe.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > QUIMICA INORGANICA > ELEMENTOS NO METALICOS; SUS COMPUESTOS (procesos... > Silicio; Sus compuestos (C01B 21/00, C01B 23/00 tienen... > C01B33/113 (Oxidos de silicio; Sus hidratos)
  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > REVESTIMIENTO DE MATERIALES METALICOS; REVESTIMIENTO... > REVESTIMIENTO DE MATERIALES METALICOS; REVESTIMIENTO... > C23C16/00 (Revestimiento químico por descomposición de compuestos gaseosos, no quedando productos de reacción del material de la superficie en el revestimiento, es decir, procesos de deposición química en fase vapor (pulverización catódica reactiva o evaporación reactiva en vacío C23C 14/00))

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Fragmento de la descripción:

PROCEDIMIENTO PARA LA PREPARACIÓN DE UNA CAPA BARRERA DIELECTRICA DE ÓXIDO DE SILICIO fSiOx) Y CAPA ASÍ PREPARADA

Sector técnico de la invención

La presente invención se enmarca dentro del campo de la preparación de láminas delgadas con función de capa barrera y dieléctrica. Especialmente, la invención que se propone tiene aplicación en los sectores de la optoelectrónica para transformar radiación solar en electricidad por método directo. Dentro del campo de la optoelectrónica, un ejemplo claro de aplicación de la presente invención se encuentra 10 en el diseño y fabricación de módulos solares fotovoltaicos de lámina delgada sobre sustratos metálicos. De modo general, la presente invención tiene aplicación en electrónica donde sea necesario aislar eléctricamente dos metales mediante una capa intermedia que ejerza funciones de aislante eléctrico, así como barrera antidifusión.

Antecedentes de la invención

El desarrollo de capas barreras y dieléctricas para aislar eléctricamente sustratos metálicos o semiconductores es un problema de gran relevancia que condiciona tanto el desarrollo de circuitos electrónicos de menor tamaño como, a otra escala, el desarrollo industrial de aplicaciones optoelectrónicas sobre este tipo de materiales. Un caso típico en este sentido es el desarrollo de módulos fotovoltaicos basados en 20 láminas delgadas crecidas sobre sustratos metálicos. En efecto, a día de hoy no existen módulos fotovoltaicos comerciales de capa delgada sobre sustratos metálicos que hagan uso de la técnica de integración monolítica para la interconexión de células solares. Esto es debido a dos limitaciones principales: una tecnológica, debido a que el desarrollo de fuentes láser para ablatir el material depositado en sustratos metálicos 25 por el lado de la capa es muy incipiente; y otra conceptual, debido a la falta de materiales dieléctricos para aislar el sustrato metálico del electrodo trasero de la célula fotovoltaica.

Los productos comerciales que a día de hoy existen basados en lámina delgada sobre sustratos metálicos disponen de una capa barrera metálica (por ejemplo, Cromo). 30 Dicha capa barrera impide que impurezas metálicas del sustrato difundan hacia el semiconductor y disminuyan su rendimiento por un aumento indeseado de recombinación de los portadores. En estos productos, la interconexión de células se realiza por métodos convencionales de soldadura como en la tecnología del silicio mono o multicristalino, lo que conlleva desventajas derivadas de disponer de menor 35 área útil en el módulo solar fotovoltaico, menor velocidad de la línea de proceso para

la producción del producto, disponer de un mallado frontal innecesario en la interconexión monolítica, y limitaciones en cuanto a las aplicaciones en el mercado de la integración arquitectónica de la tecnología fotovoltaica, etc..

En determinadas ocasiones, además, esta capa barrera puede ser incluida en el diseño del producto, no cómo una capa dieléctrica, sino para impedir la difusión de impurezas desde el sustrato hacia el semiconductor: bien impurezas indeseadas metálicas desde el acero (trazas de Níquel, Cromo o Hierro) o bien cantidades de elementos alcalinos (Sodio) que, aunque su inclusión en la estructura de la capa absorbente es positiva por su papel de pasivante, su concentración no es fácil de controlar debido a efectos de envejecimiento del vidrio. Este es el caso de algunos desarrollos del estado del arte, en los que sobre sustrato de vidrio se introduce una capa barrera presumiblemente de SiNx entre el vidrio y el contacto trasero de Molibdeno.

Para impedir que impurezas del sustrato difundan al semiconductor, es suficiente con capas de pequeño espesor (200-300 nm), sin embargo, conseguir que esa misma capa adquiera un papel dieléctrico requiere dos características difíciles de conseguir y que sustentan la motivación de la invención que aquí se presenta: una capa con microestructura densa y un espesor del orden de varias mieras (pm). Esto es necesario puesto que el objetivo es bloquear el camino de los portadores de carga desde el electrodo hacia el sustrato metálico:

- Cuanto mayor sea el espesor comparado con el recorrido libre medio de los portadores de carga, menor probabilidad hay de que el electrón alcance el sustrato metálico. Además el espesor debe ser proporcional a la rugosidad del sustrato, puesto que los picos metálicos del mismo son fuente para una alta probabilidad de cortocircuito en la célula y, por tanto, causa de bajo rendimiento.

- Cuanto más densa sea la microestructura (menor porosidad), menor probabilidad hay de que el portador encuentre "caminos abiertos" que faciliten su difusión, bien defectos puntuales (impurezas) o bien defectos superficiales (fronteras de grano).

Uno de los inconvenientes existentes hasta ahora es que, por las técnicas más habituales de procesado en vacío, no es posible conseguir espesores de capa mayores del orden de la miera: los tiempos de proceso son largos y hacen poco eficiente el proceso, además de que los efectos de acumulación de estrés son tales que las capas se deslaminan espontáneamente.

Lo habitual, pues, en estos casos es recurrir a capas delgadas (200-300 nm) únicamente con función de capa barrera sin la característica de ser dieléctrica; o bien

a capas barreras dieléctricas, pero de mayor espesor usando métodos químicos (p.e sol-gel). No es trivial formular capas sol-gel que resistan altas temperaturas, que son necesarias, por ejemplo, durante la formación de la capa absorbente de una célula fotovoltaica.

La patente US20100243047A1 emplea una capa barrera basada en oxinitruro de silicio sobre vidrio en lugar de sobre sustratos metálicos. Su finalidad es impedir la difusión de sodio desde el vidrio para disponer de control preciso en su contenido en el módulo por el dopado con fuentes externas.

El documento W02009071561 propone nitruro de silicio (SiN) como capa barrera antireflectiva, siendo su método de deposición la deposición química en fase vapor asistida por plasma (PECVD, del inglés: Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) o bien, mediante la técnica sol-gel a modo de alternativa, depositando dicha capa sobre un sustrato semiconductor. Sin embargo, en este documento no se divulga la combinación de ambos procedimientos. Además se utilizan componentes diferentes a los de la presente invención.

Lo mismo ocurre en el caso del documento W02006097303 en el que se divulga una capa de pasivación que contiene en su parte superior una capa de nitruro de silicio (SiN) hidrogenado, depositada bien por PECVD o bien por oxidación húmeda en un horno. La finalidad de dicho documento consiste en la preparación de una capa de pasivación para mejorar el contacto con el aluminio (contacto trasero), pero no la creación de una capa barrera dieléctrica como es el caso de la presente invención.

En el documento WO2010086136 se genera una estructura multicapa periódica a modo de capa barrera de impurezas sobre un sustrato transparente rígido o flexible; sin embargo, dicha capa no cuenta con las características dieléctricas de la invención, ni con los espesores deseados.

La patente US20040224482 divulga una capa barrera sobre sustrato flexible, estando dicha capa preferiblemente compuesta por materiales seleccionados dentro del grupo del platino o del iridio y pudiendo ser ésta depositada por un elevado número de métodos, entre los cuales no se encuentra divulgado el de la presente invención.

A diferencia de los procedimientos divulgados en el estado de la técnica, la presente invención describe un nuevo procedimiento para la preparación de capas barrera y dieléctrica que, además, tienen efecto "nivelante" de defectos en la topología... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Procedimiento para la preparación de una capa barrera dieléctrica de óxido de silicio (SiOx) sobre un sustrato, caracterizado porque comprende al menos las siguientes etapas:

(a) limpieza del sustrato mediante lavado y secado del mismo;

(b) deposición de una capa de óxido de silicio (SiOx) mediante la técnica de deposición en fase vapor asistida por plasma (PECVD) a partir de un gas precursor de silicio y un gas precursor de oxígeno;

(c) deposición de una capa de óxido de silicio (SiOx) mediante el método sol-gel, que comprende las siguientes etapas:

(c.1) Preparación de la composición de recubrimiento a partir de los siguientes componentes:

Metiltrietoxisilano (MTES), entre 30 y 50% en peso,

Tetraetilortosilicato (TEOS), entre 7% y 12% en peso,

N, N-Dimetilformamida, (N, N -DMS), entre 11 y 19 % en peso,

Polietilenglicol (PEG), entre 19 y 31% en peso,

Agua destilada, entre 7 y 12% en peso,

Ácido ortofosfórico, entre 0,6% y 0,9 % en peso,

para lo cual, en primer lugar, se prepara una mezcla de MTES, TEOS y N-N-DMF, a dicha mezcla se añade el polietilenglicol, posteriormente se añade el agua destilada y, finalmente, se añade el ácido ortofosfórico, manteniendo agitación constante hasta completar la reacción de condesación-hidrólisis;

(c.2) deposición de la composición de recubrimiento preparada en la etapa (c.1) (c.3) evaporación del disolvente de la composición de recubrimiento depositada en la etapa (c.2);

(c.4) densificación de la capa depositada en la etapa (c.2)

2. Procedimiento para la preparación de una capa barrera dieléctrica de óxido de silicio (SiOx) sobre un sustrato, según reivindicación 1, caracterizado porque en la deposición de SiOx mediante la técnica PECVD, el gas precursor de silicio es silano (SiH4) y el gas precursor de oxígeno es protóxido de nitrógeno (N20).

3. Procedimiento para la preparación de una capa barrera dieléctrica de óxido de silicio (SiOx) sobre un sustrato, según reivindicación 1, caracterizado porque la composición de recubrimiento se prepara a partir las siguientes cantidades de los componentes:

- entre 36% y 44% en peso de metiltrietoxisilano (MTES),

- entre 9 y 12% en peso de tetraetilortosilicato (TEOS),

- entre 13 y 16% en peso de N, N-Dimet¡lformamida (N, N-DMS),

- entre 22 y 27% en peso de polietilenglicol (PEG),

- entre 9 y 11 % en peso de agua destilada,

- entre 0,7% y 0,8% en peso de ácido ortofosfórico.

4. Procedimiento para la preparación de una capa barrera dieléctrica de óxido de silicio (SiOx) sobre un sustrato, según reivindicación 1 caracterizado porque se utiliza polietilenglicol de peso nominal 400 (PEG-400) en la preparación de la composición de recubrimiento en el método sol-gel.

5. Procedimiento para la preparación de una capa barrera dieléctrica de óxido de silicio (SiOx) sobre un sustrato, según reivindicación 1, caracterizado porque se incluye entre 2-10% en peso de Na20 en la preparación de la composición de recubrimiento por el método sol-gel, adicionándose dicho compuesto antes de la adición de ácido ortofosfórico.

6. Procedimiento para la preparación de una capa barrera dieléctrica de óxido de silicio (SiOx) sobre un sustrato, según reivindicación 5, caracterizado porque se incluye entre 4-6% en peso de Na20 en la preparación de la composición de recubrimiento.

7. Procedimiento para la preparación de una capa barrera dieléctrica de óxido de silicio (SiOx) sobre un sustrato, según reivindicación 1 caracterizado porque la viscosidad de la solución de recubrimiento preparada en la etapa (c.1) está entre 14-18cP a 22°C una vez que se ha completado la reacción de condesación-hidrólisis.

8. Procedimiento para la preparación de una capa barrera dieléctrica de óxido de silicio (SiOx) sobre un sustrato, según reivindicación 1 caracterizado porque la deposición de la composición de recubrimiento preparada en la etapa (c.1) se realiza por la técnica de "spin coating".

9. Procedimiento para la preparación de una capa barrera dieléctrica de óxido de silicio (SiOx) sobre un sustrato, según reivindicación 1 caracterizado porque la evaporación del disolvente de la composición del recubrimiento se realiza mediante un tratamiento térmico a temperatura inferior a 200°C

10. Procedimiento para la preparación de una capa barrera dieléctrica de óxido de silicio (SiOx) sobre un sustrato, según reivindicación 1 caracterizado porque la densificación de la capa depositada en la etapa (c.2) se realiza mediante tratamiento térmico a temperaturas entre 500 y 700°C.

11. Procedimiento para la preparación de una capa barrera dieléctrica de óxido de silicio (SiOx) sobre un sustrato, según reivindicación 10 caracterizado porque el tratamiento térmico se lleva a cabo a temperaturas entre 550 y 600°C.

12. Procedimiento para la preparación de una capa barrera dieléctrica de óxido de 5 silicio (SiOx) sobre un sustrato, según reivindicación 1, caracterizado porque el

espesor de la capa de SiOx depositada mediante la técnica de PECVD varía entre 1,5 y 3 pm.

13. Procedimiento para la preparación de una capa barrera dieléctrica de óxido de silicio (SiOx) sobre un sustrato, según reivindicación 1 caracterizado porque el espesor

de la capa de SiOx depositada mediante el método sol-gel varía entre 1,5 a 2,5 pm.

14. Procedimiento para la preparación de una capa barrera dieléctrica de óxido de silicio (SiOx) sobre un sustrato, según reivindicación 1, caracterizado porque el sustrato utilizado es metálico.

15. Procedimiento para la preparación de una capa barrera dieléctrica de óxido de 15 silicio (SiOx) sobre un sustrato, según reivindicación 1, caracterizado porque la "x" está

comprendida entre 0,5 y 2.

16. Procedimiento para la preparación de una capa barrera dieléctrica de óxido de silicio (SiOx) sobre un sustrato, según reivindicación 15, caracterizado porque el espesor de dicha capa barrera dieléctrica de óxido de silicio (SiOx) depositada tiene un

espesor inferior a 7pm

17. Capa de óxido de silicio (SiOx) obtenida por el procedimiento descrito en cualquiera de las reivindicaciones anteriores.