DE102006024490A1

DE102006024490A1 - Siziliumschicht, Verfahren zu ihrer Herstellung und ihre Verwendung, Suspension, enthaltend Siziliumpartikel, und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE102006024490A1
Application number: DE102006024490A
Authority: DE
Inventors: Torsten Scherer; Gabi Dr. Schierning; Ralf Dr. Theissmann; Roland Dr. Schmechel
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2006-05-26
Filing date: 2006-05-26
Publication date: 2007-11-29

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Silizium-Schicht, Verfahren zur Herstellung der Schicht auf einem Substrat und die Verwendung der Schicht. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Suspension, die Siliziumpartikel enthält und die sich besonders für das Verfahren zur Herstellung der Schicht eignet, sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser Suspension. Die vorliegende Erfindung macht Gebrauch von der Erkenntnis, dass der Einsatz einer Säure, die Silizium und mindestens ein Halogen, insbesondere Fluor oder Chlor, enthält, vorzugsweise von Hexafluorokieselsäure H<SUB>2</SUB>SiF<SUB>6</SUB>, in einer Suspension die Auflösung der ca. 2 nm dünnen Oxidhaut der Siliziumpartikel bewirkt, ohne dass hierbei die Siliziumpartikel mit einem Durchmesser von 2 bis 10 Mikrometer mit aufgelöst werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Silizium-Schicht, Verfahren zur Herstellung der Schicht auf einem Substrat und die Verwendung der Schicht. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Suspension, die Siliziumpartikel enthält und die sich besonders für das Verfahren zur Herstellung der Schicht eignet, sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser Suspension.
Großflächige Silizium-Schichten werden bisher nach der so genannten amorphen Silizium-Technologie durch Pyrolyse von Silan SiH₄ bei ca. 500°C hergestellt. Dieses Verfahren findet in der Gasphase statt und lässt sich daher nicht in ein Druckverfahren integrieren. Daher ist hier eine anschließende Strukturierung der Silizium-Schichten z.B. durch Photolithographie erforderlich.
Zur Strukturierung von Silizium-Schichten wurden gemäß der DE 101 01 926 A1 , der DE 102 39 656 A1 und der DE 102 41 300 A1 Ätzpasten entwickelt, die auf der Basis von Ätzmedien, insbesondere von NH₄FH₂ und H₃(PO)₄ wirken. Diese Pasten, die bei Raumtemperatur kaum reaktiv sind, werden dann in einem Druckprozess aufgetragen. Die Ätzwirkung, die auch gegen Silizium oder SiO₂ anwendbar ist, wird jedoch erst bei höheren Temperaturen aktiv. Dieses Verfahren eignet sich allerdings nur für das Abtragen, nicht aber für das Auftragen eines Materials.
Partikel lassen sich grundsätzlich in Form einer Suspension in einem Druckprozess auftragen, so dass die Herstellung einer Schicht und ihre Strukturierung in einem Verfahrensschritt erfolgen. Jedoch weisen Siliziumpartikeln stets eine mindestens 2 nm dicke Hülle aus SiO₂ auf, so dass sich Siliziumpartikeln auf diese Weise nicht einfach zu einer halbleitenden Silizium-Schicht verarbeiten lassen.
SiO₂ wird üblicherweise durch Flusssäure HF geätzt. Flusssäure ist sehr reaktiv, so dass sie gleich die gesamten Partikel aus SiO₂ mit auflöst, und erfordert aufgrund ihrer extremen Giftigkeit eine aufwändige Handhabung. Andere ätzende Zusätze wie H₃(PO)₄ führen zu Reaktionsprodukten, die als störende Phasen in der Schicht verbleiben oder ausgewaschen werden müssen.
E. Hayek und K. Kleboth beschreiben in Monatshefte für Chemie 92, S. 1027, 1961 die Ätzwirkung von Hexafluorokieselsäure H₂SiF₆ gegenüber SiO₂.
Ausgehend hiervon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Silizium-Schicht, Verfahren zu ihrer Herstellung und ihre Verwendung anzugeben, die die genannten Nachteile und Einschränkungen nicht aufweisen.
Insbesondere sollen Verfahren zur Herstellung einer Silizium-Schicht angegeben werden, mit denen sich Silizium-Schichten aus einer Suspension, die Siliziumpartikel enthält, auf ein Substrat aufdrucken lassen.
Weiterhin besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine geeignete Suspension, die Siliziumpartikel enthält, bereitzustellen sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung anzugeben.
Diese Aufgabe wird in Bezug auf die Siliziumpartikel enthaltende Suspension durch die Merkmale des Anspruchs 1, in Bezug auf das Verfahren zur Herstellung der Suspension durch die Verfahrensschritte des Anspruchs 4, in Bezug auf das Verfahren zur Herstellung der Schicht durch die Verfahrensschritte der Ansprüche 5 oder 8, in Bezug auf die Schicht durch die Merkmale des Anspruchs 9 und in Bezug auf die Verwendung der Schicht durch den Anspruch 10 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Die vorliegende Erfindung macht in allen ihren vielfältigen Ausgestaltungen von der überraschend gewonnenen Erkenntnis Gebrauch, dass der Einsatz einer Säure, die Silizium und mindestens ein Halogen, insbesondere Fluor oder Chlor, enthält, vorzugsweise von Hexafluorokieselsäure H₂SiF₆, in einer Suspension die Auflösung der ca. 2 nm dünne Oxidhaut der Siliziumpartikel bewirkt, ohne dass hierbei die Siliziumpartikel mit einem Durchmesser von 2 Nanometer bis 10 Mikrometer gleich mit aufgelöst werden.
Bei Einsatz von Hexafluorokieselsäure H₂SiF₆ läst sich die zugrunde liegende chemische Reaktion wie folgt beschreiben: 5 H₂SiF₆ + 4 H₂O + SiO₂ → 3 H₂SiF₆ + 3 (SiF₄·2 H₂O)
Die Reaktionsprodukte H₂O und SiF₄·2 H₂O verflüchtigen sich in einem anschließenden Temperaturschritt. Vorhandene Reste von Hexafluorokieselsäure zerfallen bei einer Erwärmung in SiF₄ und HF, so dass praktisch keine Reaktionsprodukte zurückbleiben, die die suspendierten Siliziumpartikel angreifen könnten.
Durch den Einsatz einer Säure, die Silizium und mindestens ein Halogen, insbesondere Fluor oder Chlor, enthält, vorzugsweise von Hexafluorokieselsäure H₂SiF₆, in einer Suspension sind die erhaltenen Siliziumpartikel oxidfrei, d.h. die an die Oberfläche der Siliziumpartikel angrenzende Schicht von mindestens 2 Nanometer weist höchstens noch einen Gehalt an Siliziumdioxid von 10 Gew.%, bevorzugt von 1 Gew.% auf.
Durch die Bereitstellung von Silizium in Form von Partikeln mit einem Durchmesser von 2 Nanometer bis 10 Mikrometer in einer Suspension wird das das Silizium grundsätzlich über einen Druckprozess auftragbar. Damit verschmelzen Beschichtung und Strukturierung zu einem einzigen Verfahrensschritt.
Durch das Auflösen der ursprünglich in den bereitgestellten Siliziumpartikeln vorhandenen Oxidhülle – und zwar entweder vor oder nach erfolgter Auftragung der Suspension auf das Substrat – lassen sich die Partikel durch Wärmebehandlung bei einer Temperatur von mindestens 250°C, bevorzugt mindestens 500°C nach ihrer Auftragung auf ein Substrat (Beschichtung) leicht zu einer Schicht verdichten, vorzugsweise durch Sintern.
Säuren, die Silizium und mindestens ein Halogen, insbesondere Fluor oder Chlor, enthalten wie Hexafluorokieselsäure H₂SiF₆ sind gegenüber Flusssäure wesentlich weniger reaktiv und deutlich ungiftiger. Damit wird die Handhabung wesentlich vereinfacht.
Die Erfindung eignet sich für Anwendungen mit großflächiger Elektronik z.B. in Solartechnik, Displayansteuerungen, Sensoren, Tastaturen und für druckbare Elektronik z.B. für RFID-Technologien. Druckbare Silizium-Schichten könnten für die Solarzellenindustrie, die Displayindustrie und die Sensorik von größerer Bedeutung sein.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Die vorliegende Erfindung wurde an dünnen Silizium-Schichten erprobt, deren Sinterverhalten unter einem Transmissionselektronenmikroskop beobachtet wurde. Silizium-Schichten aus einer Suspension, die frei von Hexafluorokieselsäure H₂SiF₆ war, zeigten bis hin zu 900°C kein Sinterverhalten, da die Partikel durch eine Oxidschicht voneinander getrennt waren. Bei Zugabe von Hexafluorokieselsäure H₂SiF₆ verdichteten sich die Partikel bereits bei etwa 750°C zu einer polykristallinen Silizium-Schicht. Bei Verwendung von Flusssäure HF lösten sich die Partikel vollständig auf.

Claims

Suspension, enthaltend Siliziumpartikel mit einem Durchmesser von 2 Nanometer bis 10 Mikrometer, wobei die an die Oberfläche der Siliziumpartikel angrenzende Schicht von mindestens 2 Nanometer einen Gehalt an Siliziumdioxid von höchstens 10 Gew.% aufweist.
Suspension nach Anspruch 1, enthaltend Siliziumpartikel mit einem Durchmesser von 5 Nanometer bis 100 Nanometer.
Suspension nach Anspruch 1 oder 2, enthaltend Siliziumpartikel, wobei die an die Oberfläche der Siliziumpartikel angrenzende Schicht von mindestens 2 Nanometer einen Gehalt an Siliziumdioxid von höchstens 1 Gew.% aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer Suspension gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem suspendierte Siliziumpartikel mit einem Durchmesser von 2 Nanometer bis 10 Mikrometer, wobei die an die Oberfläche der Siliziumpartikel angrenzende Schicht von mindestens 2 Nanometer einen Gehalt an Siliziumdioxid von mindestens 50 Gew.% aufweist, mit einer Säure behandelt werden, die Silizium und mindestens ein Halogen enthält.
Verfahren zur Herstellung einer Siliziumschicht auf einem Substrat, mit den Schritten: a) Bereitstellen einer Suspension, die Siliziumpartikel mit einem Durchmesser von 2 Nanometer bis 10 Mikrometer, wobei die an die Oberfläche der Siliziumpartikel angrenzende Schicht von mindestens 2 Nanometer einen Gehalt an Siliziumdioxid von mindestens 50 Gew.% auf weist, enthält, b) Aufbringen der Suspension zumindest auf Bereiche auf dem Substrat, c) Behandeln der Suspension mit einer Säure, die Silizium und mindestens ein Halogen enthält, wodurch Siliziumpartikel mit einem Durchmesser von 2 Nanometer bis 10 Mikrometer, wobei die an die Oberfläche der Siliziumpartikel angrenzende Schicht von mindestens 2 Nanometer einen Gehalt an Siliziumdioxid von höchstens 10 Gew.% aufweist, gebildet werden, d) Wärmebehandeln des Substrats mit der aufgebrachten Suspension bei einer Temperatur von mindestens 250°C, wodurch sich die in der Suspension enthaltenen Siliziumpartikel zumindest in den Bereichen zu einer Siliziumschicht verbinden.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Siliziumpartikel mit einer Säure behandelt werden, die Fluor oder Chlor als Halogen enthält.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Siliziumpartikel mit Hexafluorokieselsäure behandelt werden.
Verfahren zur Herstellung einer Siliziumschicht auf einem Substrat, mit den Schritten: a') Bereitstellen einer Suspension gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, b) Aufbringen der Suspension zumindest auf Bereiche auf dem Substrat, d) Wärmebehandeln des Substrats mit der aufgebrachten Suspension bei einer Temperatur von mindestens 250°C, wodurch sich die in der Suspension enthaltenen Siliziumpartikel zumindest in den Bereichen zu einer Siliziumschicht verbinden.
Auf einem Substrat aufgebrachte Siliziumschicht, erhältlich nach einem Verfahren gemäß Anspruch 5 oder 8.
Verwendung einer Siliziumschicht gemäß Anspruch 9 als Halbleiter in einer druckbaren Elektronik.