DE102006051942A1 - Verfahren zur Messung des Schichtwiderstandes von mindestens zweischichtigen elektronischen Bauelementen über Trenngräben - Google Patents

Verfahren zur Messung des Schichtwiderstandes von mindestens zweischichtigen elektronischen Bauelementen über Trenngräben Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Schichtwiderstands von mindestens zweischichtigen elektronischen Bauelementen über Trenngräben in mindestens einer Schicht. Das Verfahren ist insbesondere geeignet für die Prozesskontrolle von Dünnschicht-Solarzellen, beispielsweise Chalkopyrit-Dünnschicht-Solarzellen, aber auch von anderen Bauelementen mit metallischen oder halbleitenden Schichten auf einem Substrat, die durch Trenngräben in einzelne nebeneinander liegende Abschnitte geteilt sind. Vorgeschlagen wird, dass nach dem Aufbringen mindestens einer weiteren Schicht auf die Schicht, in die die Trenngräben eingebracht wurden, ausgehend von einem Kontaktpunkt, nacheinander die Widerstände (R) über mindestens einen Trenngraben (P1) und über mindestens jeweils einen weiteren Trenngraben hinweg zu diesem Kontaktpunkt gemessen und aand (R/P1) über die Anzahl der Trenngräben gemittelt wird. Mit dem Verfahren kann zum Beispiel der Herstellungsprozess der eingangs genannten Bauelemente so überwacht werden, dass Fertigungsmängel bereits während des Herstellungsprozesses erkannt werden können.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Schichtwiderstands von mindestens zweischichtigen elektronischen Bauelementen über Trenngräben in mindestens einer Schicht. Das Verfahren ist insbesondere geeignet für die Prozesskontrolle von Dünnschicht-Solarzellen, beispielsweise Chalkopyrit-Dünnschicht-Solarzellen, aber auch von anderen Bauelementen mit metallischen oder halbleitenden Schichten auf einem Substrat, die durch Trenngräben in einzelne nebeneinander liegende Abschnitte geteilt sind. Die Problematik im Herstellungsprozess soll hier anhand von Chalkopyrit-Dünnschicht-Solarzellen erläutert werden.
  • Dünnschicht-Solarzellen mit I-III-VI2-Chalkopyrit-Absorberschichten werden in einem mehrstufigen Verfahren hergestellt, indem auf ein Glassubstrat zunächst eine meist aus Molybdän bestehende metallische Rückkontaktschicht mit einer Dicke von bis zu 2 μm aufgebracht wird. Die Rückkontaktschicht wird durch parallele Trenngräben, so genannte P1-Trenngräben mit einer Breite von bis zu 50 μm, in einzelne Abschnitte (Zellen mit einer Breite von bis zu 20 mm) getrennt, so dass einzelne Solarzellenabschnitte gebildet werden, die aus Gründen der Strom-Spannungs-Charakteristik dieses Typs eines Dünnschichtsolarzellenmoduls seriell miteinander verschaltet werden, siehe zum Beispiel DE 199 43 720 A1 . In einem folgenden zweiten Metallisierungs- und sich anschließenden Sulfurisierungsprozess erfolgt die Bildung der Kupfer-Indium-Disulfid-Schicht (CuInS2-Absorberschicht) mit einer typischen Schichtdicke von ca. 2μm auf dem metallischen Rückkontakt (hier Molybdän). Das sich durch einen Kupferüberschuss bildende Kupfersulfid wird anschließend durch einen Ätzprozess entfernt. Nachfolgend werden auf die Absorberschicht eine Pufferschicht, üblicherweise Cadmiumsulfid (CdS), und eine Zinkoxid-Fensterschicht (ZnO) als Frontelektrode sowie gegebenenfalls Frontkontakte aufgebracht.
  • Der Wirkungsgrad des fertig prozessierten Solarmoduls hängt wesentlich davon ab, ob
    • – die P1-Trenngräben durchgängig und ausreichend tief sind, um die einzelnen Modulabschnitte (Zellen) elektrisch voneinander zu trennen
    • – die photovoltaisch aktiven Schichten in gleichmäßiger Stärke aufgetragen sind
    • – die photoelektrischen Eigenschaften der einzelnen Halbleiterschichten bestimmten Anforderungen genügen (Ladungsträgerlebensdauer, Dotierung ...)
    • – störende Schichten, die für den Prozess zeitweise notwendig sind oder im Prozess entstehen, wieder vollständig abgetragen sind
  • Bisher werden Unzulänglichkeiten in diesen Punkten erst erkannt, wenn ein Solarmodul fertig gestellt ist und seine elektrooptische Funktion vermessen wird, wobei sich dann nicht mehr genau feststellen lässt, wo und welche Fehlerursache für einen mangelnden optisch-elektrischen Wirkungsgrad vorliegt.
  • Zur Qualitätsbeurteilung von dünnen Halbleiterschichten auf isolierenden Substraten ist die Messung des Schichtwiderstandes mit Hilfe von Vier-Spitzen-Messsonden üblich, siehe zum Beispiel die DD 246 194 A1 . Die Methode liefert jedoch nur einen einzelnen, groben Wert für den Schichtwiderstand, der dann auch nur in einem bestimmten Bereich vermessen wird.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Messung des Schichtwiderstandes an Bauelementen der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem zum Beispiel der Herstellungsprozess der eingangs genannten Bauelemente so überwacht werden kann, dass Fertigungsmängel bereits während des Herstellungsprozesses erkannt werden können.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Danach wird nach dem Aufbringen mindestens einer weiteren Schicht auf die Schicht, in die die Trenngräben eingebracht wurden, ausgehend von einem Kontaktpunkt nacheinander die Widerstände über mindestens einen Trenngraben und über mindestens jeweils einen weiteren Trenngraben hinweg zu diesem Kontaktpunkt gemessen und aus den gemessenen Werten der Gesamt-Schichtwiderstand über die Anzahl der Trenngräben gemittelt.
  • Der gemessene Schichtwiderstand über den P1-Gräben (R/P1) ist eine charakteristische Materialeigenschaft der auf der untersten Schicht aufgebrachten weiteren Schicht(en). Er kann als Schichtwiderstand pro Einheitsflächenquadrat (R⎕) angegeben werden, um einen vergleichbaren Wert für verschieden große Zellen zu erhalten. Die gemessenen Werten können nun mit einem vorermittelten Bezugswert (Grenzwert) verglichen werden, welcher über die Weiterprozessierung des Substrats oder den Prozessabbruch entscheidet.
  • Es kann je nach Bedarf, Anforderung oder Genauigkeit über maximal alle P1-Gräben gemessen und so ein mittlerer Wert R/P1 bestimmt werden. Je mehr Messpunkte abgetastet werden, umso genauer werden die Angaben für den mittleren Schichtwiderstand.
  • Die Kontaktierung erfolgt beispielsweise mit metallischen Kontaktspitzen oder Drähten, bevorzugt so, dass an der Schicht gemessen wird, in der sich die Trenngräben befinden, bei Dünnschicht-Solarzellen die Rückkontaktschicht, so dass die Kontaktierung zu beiden Seiten eines und/oder mehrerer Trenngräben (P1-Gräben) erfolgt.
  • Der gemessene Widerstand über den Trenngraben (P1) ist zunächst noch überlagert durch Kontaktwiderstände und weitere ungewünschte Parallel- oder Serienwiderstände.
  • Durch Messung über mehrere Trenngräben hinweg bis zu allen Trenngräben und Bestimmung der Änderung des Trenngrabenwiderstandes mit Änderung der Trenngrabenzahl (Steigung R/P1) fallen alle genannten überlagerten Widerstände (Kontaktwiderstände etc...) heraus und man erhält eine Widerstandsangabe R/P1 ausschließlich für die interessierende(n) Schicht(en).
  • Ein so bestimmter typischer Wert für R⎕ von CuInS2 liegt im Bereich von 1 MOhm bis 10 MOhm. Ein typischer Wert für R⎕ vom Mehrschichtsystem CuInS2/CuxSy liegt im Bereich von 10 Ohm bis 1 kOhm, also wesentlich niedriger.
  • Die Messung kann sowohl nach der Absorberdeposition als auch nach dem KCN-Ätzschritt oder nach dem Abscheiden der Pufferschicht (typischerweise CdS bei Chalkopyrit-Dünnschicht-Solarzellen) erfolgen.
  • Das Verfahren kann beispielsweise folgende Probleme/Fehler in der Herstellung eines Dünnschichtmoduls aufdecken:
    • • fehlender oder schlechter P1-Trenngraben
    • • unvollständige Sulfurisierung
    • • schlechte, altes oder gebrauchte KCN-Lösung, welche nicht mehr ausreichend das CuxSy vom CuInS2 herunterätzt
    • • Inhomogenitäten über die kurze Seite, das heißt quer zur Strukturierung (bei Messung aller Zellen, zum Beispiel mit einem Kontaktkamm und Vergleich der Einzelwerte R/P1 miteinander)
  • Die Messung kann für alle Trenngräben gleichzeitig erfolgen, wenn man einen Kontaktkamm mit einer zur Anzahl der Trenngräben angepassten Anzahl (Trenngräben plus Eins) von Messspitzen verwendet. Die Messspitzen können mit einem Multiplexer angesteuert werden.
  • Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen
  • 1 eine Draufsicht auf ein Substrat einer Dünnschicht-Solarzelle mit einem Schema zur Messung des Schichtwiderstandes,
  • 2 einen Querschnitt durch den Schichtenstapel der Dünnschichtsolarzelle nach 1,
  • 3 die gemessenen Widerstände für eine Probe mit fünf Teilabschnitten,
  • 4 die gemessenen Widerstände gemäß 3 in halblogarithmischer Darstellung (normiert),
  • 5 die auf eine Einheitsfläche umgerechneten Widerstände nach 3 in halblogarithmischer Darstellung,
  • 6 den Kurzschlussstrom der gemessenen Proben und
  • 7 einen Kontaktkamm zur Durchführung einer Messung an einem kompletten Solarmodul.
  • 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Chalkopyrit-Dünnschicht-Solarzelle in einer Draufsicht auf eine Probe, 2 in einem Querschnitt. Auf ein Substrat 1 aus Glas wurde eine erste Schicht aus Molybdän als Rückkontakt 2 aufgebracht. In den Rückkontakt 2 wurden so genannte P1-Trenngräben 3 parallel zu einem Rand des Substrates 1 eingearbeitet durch einen Laser oder mechanisches Ritzen mit einer Nadel. Die Proben wurden dann mit Kupfer und Indium beschichtet und sulfurisiert in einem Prozess, wie er für die Herstellung von Chalkopyrit-Dünnschicht-Solarzellen vorgesehen ist, wobei eine (CuInS2-)Absorberschicht 4 entsteht. Das auf der Absorberschicht 4 verbleibende Kupfersulfid wurde anschließend in einem Ätzprozess mit einer KCN-Lösung entfernt.
  • Jeweils nach diesem Ätzprozess und einem Spül- und Trocknungsvorgang wurden in der in 1 angedeuteten Weise an dem freigelegten Rand des Substrates 1 an dem Rückkontakt 2 zum Beispiel vom linken Rand aus über den ersten und jeweils einen weiteren P1-Trenngraben 3 hinweg mit einem handelsüblichen Voltmeter die Widerstände gemessen, wobei sich die in 3 dargestellte Messreihe ergab.
  • Pro Probe ist eine Messreihe über 1 bis 5 P1-Gräben hinweg dargestellt. Alle untersuchten 5 × 5 cm2 großen Proben stammen vom gleichen nach dem Sulfurisierungsschritt zerschnittenen Substrat und sind somit zunächst identisch. Die Proben sind nacheinander mit der gleichen KCN-Lösung geätzt worden, so dass die Probenreihenfolge von 1 bis 342 (rechte Spalte Nummer der Probe) die zeitliche Abfolge der Ätzungen wiedergibt.
  • Aus der Messreihe (3, 4 in halblogarithmischer Darstellung) wird ersichtlich, dass der Schichtwiderstand, mit der Zeit der Verwendung der KCN-Ätzlösung zunehmend" abnimmt. Interpretiert werden kann dies durch einen zunehmenden Verbrauch (Alterung) der KCN-Lösung, welche zum Schluss dass leitfähigere CuXSy nicht mehr vollständig vom CuInS2 entfernen kann.
  • Ein besseres Bild zur Beurteilung des Verlaufs der Alterung der KCN-Ätzlösung ergibt sich, wenn man die Steigung der Messreihen R/P1 bestimmt und auf eine Einheitsfläche (R⎕) umrechnet (5, in halblogarithmischer Darstellung) und diese mit den IV-Kenndaten der im weiteren zu fertigen Solarzellen weiterverarbeiteten Proben vergleicht.
  • In 6 dargestellt ist die Kurzschlussstromdichte Jsc über der Anzahl der prozessierten Proben. Die Daten zeigen den gleichen scharfen Einbruch wie die R⎕-Werte etwa nach 280 prozessierten Substraten. Die KCN-Lösung ist in diesem Beispiel folglich spätestens alle 280 Prozesse zu erneuern.
  • Auch der Verlauf der Widerstandswerte an den einzelnen Proben kann als solcher betrachtet werden (3). So deutet ein Knick der Widerstandskurve in Richtung auf höhere Widerstände auf eine mangelnde Qualität der Absorberschicht 4 hin. Auch die Betrachtung einzelner P1-Trenngräben 3 und der Vergleich mit einem Mittelwert des Schichtwiderstandes ist möglich.
  • 7 zeigt einen für die Messung an einem Solarmodul geeigneten Kontaktkamm mit 82 Kontaktstiften 5, die auf 82 Teilabschnitte (Zellen) des Solarmoduls gleichzeitig aufsetzen. Die Messung erfolgt über einen 82-Kanal-Multiplexer 6, der über eine Datenleitung 7 von einem Messgerät 8 angesteuert wird. Die Datenleitung 7 übernimmt auch die Weiterleitung der gemessenen Widerstandsdaten an das Messgerät 8, das selbständig die Auswertung der Messung vornimmt.
    • 1
    Substrat
    2
    Rückkontakt
    3
    P1-Trenngraben
    4
    Absorberschicht
    5
    Kontaktstifte
    6
    82-Kanal-Multiplexer
    7
    Datenleitung
    8
    Messgerät

Claims (6)

  1. Verfahren zur Messung des Schichtwiderstandes von mindestens zweischichtigen elektronischen Bauelementen über Trenngräben in mindestens einer Schicht, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufbringen mindestens einer weiteren Schicht auf die Schicht, in die die Trenngräben eingebracht wurden, ausgehend von einem Kontaktpunkt nacheinander die Widerstände (R) über mindestens einen Trenngraben (P1) und über mindestens jeweils einen weiteren Trenngraben hinweg zu diesem Kontaktpunkt gemessen und aus den gemessenen Werten der Gesamt-Schichtwiderstand (R/P1) über die Anzahl der Trenngräben gemittelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstände an der Schicht gemessen werden, in der sich die Trenngräben befinden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der gemessene Gesamt-Schichtwiderstand (R/P1) und/oder der Widerstände über jeweils einen Trenngraben zur Prozesskontrolle im Herstellungsprozess der Bauelemente verwertet werden.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die gemessenen und/oder gemittelten Werte jeweils mit einem vorermittelten Bezugswert verglichen werden.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung mit einem Kontaktkamm mit einer an die Anzahl der Trenngräben angepassten Anzahl von Messspitzen vorgenommen wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messspitzen mit einem Multiplexer angesteuert werden.
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