DE102009010841A1 - Laserkristallisation durch Bestrahlung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umstrukturierung einer Halbleiterschicht (2) mit einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Lasern (18, 20, 22), die über eine jeweils zugeordnete Strahlformungsoptik (46, 48, 50) auf der Halbleiterschicht (2) nebeneinander angeordnete Laserlinien (8, 10, 12) mit Grenzbereichen (15, 17) und innenliegenden Überlappungsbereichen (14, 16) abbilden, wobei wenigstens die Überlappungsbereiche (14, 16) vollständig und auf passiven Bereichen (14, 16) der Halbleiterschicht (2) abgebildet werden, in denen in einem folgenden Bearbeitungsschritt die Halbleiterschicht abgetragen wird, sowie ein Lasersystem zur Durchführung des Verfahrens.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kristallisation bzw. Rekristallisation einer Halbleiterschicht, insbesondere einer amorphen Siliziumschicht für eine Solarzelle, gemäß Anspruch 1, sowie ein Lasersystem zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 11.
  • Ein bekanntes Verfahren zur Umstrukturierung von Halbleiterschichten ist in der WO 02/19437 A2 offenbart. Die Halbleiterschichten bilden die Saat- und Absorberschicht einer Solarzelle mit einem glashaltigen Substrat. Die Saatschicht ist eine amorphe Siliziumsschicht, die auf das Substrat abgeschieden wird. Sie wird spurweise und dabei überlappend mit einem Laser, beispielsweise einem Diodenlaser bestrahlt. Die Überlappung erfolgt derart, dass ein Teil der grobkörnigen Bereiche der vorhergehenden Spur wieder aufgeschmolzen werden, wodurch eine verbesserte Kristallisation erreicht wird und die Solarzelle eine erhöhte Energieeffizienz aufweist. Während der Bestrahlung mit dem Laser wird die Saatschicht durch Diffusion mit Bor oder Phospat dotiert. Anschließend wird die Absorberschicht auf die Saatschicht aufgebracht. Die Absorberschicht besteht aus zusätzlich abgeschiedenem amorphen Silizium. Nach dem Erreichen einer bestimmten Schichtdicke wird das zusätzliche Silizium spurweise mit einem gepulsten Excimerlaser bestrahlt. Dabei wird der Excimerlaser derart über das beschichtete Substrat geführt, dass die Bestrahlungsflächen aneinander anschließen und somit linienförmige Grenzbereiche bilden.
  • Nachteilig an dieser Art der Laserkristallisation ist, dass das Substrat spurweise nacheinander bestrahlt bzw. gescannt wird, wodurch die Behandlung großflächiger Substrate entsprechend zeitintensiv ist. Des Weiteren ist nachteilig, dass die gesamte realisierbare Fokusbreite des Lasers verwendet wird, wodurch nicht nur die Führung des Lasers über das Substrat zur Bildung der Überlapp- bzw. Grenzbereiche sehr genau sein muss, sondern auch der Laser ein sehr genaues Energie-Verteilungsprofil aufzuweisen hat.
  • Ein Verfahren zur Laserkristallisation einer Halbleiterschicht mit einer Vielzahl von nebeneinander entlang einer Linie angeordneten Lasern ist in der US 6,780,692 B2 beschrieben. Den Lasern sind Mittel zur Homogenisierung der Strahlungsintensität nachgeordnet, sodass auf der bestrahlten Oberfläche eines Substrates eine Laserlinie mit einer homogenen Strahlungsintensität abgebildet wird.
  • Durch eine relative Bewegung zwischen der abgebildeten Laserlinie und dem Substrat senkrecht zur Richtung der Laserlinie wird die gesamte Oberfläche des Substrats bestrahlt. Nachteilig an einer solchen Lösung ist die Notwendigkeit von Mitteln zur Homogenisierung und der durch sie unvermeidliche Intensitätsverlust.
  • Aus der EP 1 738 402 B1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Solarzellen beschrieben, bei dem ein Laserstrahl in einem Linienfokus auf einem Festkörper (Substrat) abgebildet wird, wobei die Länge des Linienfokus zwischen 100 μm und 10 mm liegt und die Breite kleiner 10 μm ist.
  • Vorzugsweise soll das Substrat auf einem X-Y-Linear-Verschiebetisch montiert sein und der Laserstrahl stationär fest im Raum bleiben. Es könnte jedoch auch vorgesehen sein, dass das Substrat stationär bleibt und das optische System, welches den Laserstrahl auf das Substrat richtet, den Laserstrahl scannend über das Substrat führt.
  • In beiden Fällen wird das Substrat nacheinander in Streifen gleich der Länge des Linienfokus abgescannt.
  • Mit einem Linienfokus, der über seine Länge eine homogene Intensitätsverteilung aufweist, werden die Streifen grundsätzlich homogen mit Laserstrahlung beaufschlagt.
  • Problematisch sind jedoch die Grenzbereiche zwischen den benachbarten Streifen, da zum einen die Intensität an den Enden der Laserlinie nicht schlagartig Null sein kann, was einer Flanke in der Intensitätsverteilungskurve von 90° entspräche, und zum anderen die Streifen praktisch auch nicht ideal lückenlos und ohne Überlappung nebeneinander bestrahlt werden können.
  • Als Grenzbereich soll nachfolgend der Bereich bezeichnet werden, in dem zwei benachbart abgebildete Laserlinien einen Intensitätsabfall aufweisen, d. h. es ist der Bereich, der durch die Länge der Flanken der Intensitätsverteilungskurven zuzüglich eines eventuellen Abstandes bzw. abzüglich eines eventuellen Überlappungsbereiches definiert wird.
  • Üblicherweise überlappen sich die Enden der Laserlinien in diesem Grenzbereich, wodurch vorteilhaft der Grenzbereich in seiner Breite minimiert wird. Da jedoch die Breite des Überlappungsbereiches und damit auch die Breite des Grenzbereiches in Abhängigkeit von der Stabilität der Laserlinie und der Genauigkeit der Scanbewegung der benachbarten Laserlinien schwanken, ist der Grenzbereich mit seinen elektrischen Eigenschaften undefiniert, denn der Energieeintrag in den Grenzbereichen weicht von dem ansonsten wenigsten nahezu konstanten Energieeintrag in die abgescannten Oberflächenbereiche undefiniert ab. Das hat zur Folge, dass in den Grenzbereichen die Kristallisation der Halbleiterschicht in einem abweichenden und undefinierten Maße erfolgt.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und ein Lasersystem zur Umstrukturierung von Halbleiterschichten zu schaffen, die die vorgenannten Nachteile beseitigen.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1 und durch einem Lasersystem mit den Merkmalen nach Anspruch 9.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Umstrukturierung von Halbleiterschichten, insbesondere von amorphen Siliziumschichten für Solarzellen, wird eine Halbleiterschicht auf ein Substrat aufgebracht.
  • Dann wird ein Lasersystem mit einer Vielzahl von Lasern mit jeweils einer zugeordneten Strahlformungsoptik bereitgestellt, die jeweils einen Laserstrahl in eine Laserlinie fokussieren und in Längsrichtung nebeneinander liegend auf die Halbleiterschicht abbilden, wobei jeweils benachbarte Laserlinien einen Grenzbereich, bevorzugt mit einem Überlappbereich bilden.
  • Anschließend wird zwischen dem Lasersystem und dem Substrat eine Relativbewegung, vorzugsweise senkrecht zu den Laserlinien erzeugt, so dass die Halbleiterschicht von den einzelnen Laserlinien jeweils entlang eines Streifens in Arbeitsrichtung großflächig abgescannt wird. Dabei werden die Grenzbereiche mit den Überlappungsbereichen auf der Halbleiterschicht jeweils über einen passiven Bereich geführt, in dem nach einem folgenden Bearbeitungsschritt zumindest abschnittsweise keine Absorption von Lichtphotonen stattfindet. Zu diesem Zweck ist die Länge der Laserlinien, die bei einer unmittelbaren Fokussierung auf der Halbleiterschicht gleich der Fokuslänge ist, auf den Mittenabstand dieser passiven Bereiche zueinander abgestimmt.
  • Anstelle des gleichzeitigen Abscannens mit mehreren Laserlinien, kann die Halbleiterschicht auch streifenweise nacheinander mit einer oder bevorzugt mit einigen wenigen Laserlinien abgescannt werden. Entsprechend würde das Lasersystem hierfür nur einen Laser mit Strahlformungsoptik benötigen. Dem geringeren Bedarf an Lasern steht der höhere Zeitaufwand entgegen.
  • In beiden Ausführungsvarianten wird erfindungsgemäß nicht die gesamte realisierbare Fokuslänge der Laserlinien zur Umstrukturierung verwendet, sondern es werden die Endabschnitte der Laserlinien, die auf den passiven Bereichen abgebildet werden und aufgrund des Intensitätsabfalls und der eventuellen Überlappung zu einem abweichenden Energieeintrag führen, quasi ausgeblendet, wodurch die zwischen den passiven Bereichen liegenden aktiven Bereiche, die der Photonenabsorption dienen, mit Laserstrahlung einer homogenen Intensitätsverteilung beaufschlagt werden, so dass der Wirkungsgrad der Halbleiterschicht genau vorbestimmt werden kann. Idealerweise entspricht die Breite der Grenzbereiche der Breite der passiven Bereiche oder ist kleiner als diese.
  • Bei einem folgenden Bearbeitungsschritt wird die Halbleiterschicht in den passiven Bereichen zumindest abschnittsweise abgetragen.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die passiven Bereiche durch Isolationsgräben, die zum Beispiel bei einer P2-Strukturierung ausgebildet werden, gebildet. Die Strukturbreite der Isolationsgräben beträgt vorzugsweise 10 μm bis 100 μm.
  • Aus fertigungstechnischer Sicht ist es vorteilhaft, wenn sich die passiven Bereiche in Richtung der Relativbewegung (Arbeitsrichtung) im Wesentlichen über die gesamte Länge der Halbleiterschicht erstrecken.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel werden die Mittenabstände zweier benachbarter passiver Bereiche jeweils durch zwei parallele gedachte Linien auf der Halbleiterschicht definiert, die vorzugsweise einen Abstand von 6 mm bis 8 mm voneinander haben.
  • Die Relativbewegung zwischen dem Lasersystem und dem Substrat kann über eine Bewegung der Laserlinien oder über eine Bewegung des Substrates erfolgen.
  • Das Substratmaterial, beispielsweise Substratscheiben oder dergleichen, ist unter Produktionsbedingungen in der Regel uneben. Für einen präzisen, in Arbeitsrichtung vorzugsweise sehr schmalen Laserfokus (Fokusbreite), ist bei der technischen Realisierung herkömmlicherweise nur eine sehr geringe Tiefenschärfe verfügbar. Indem eine Laserlinie jeweils nur einen aktiven Bereich abscannt, kann diese individuell und lokal auf diesen Bereich fokussiert werden. Damit kann der Unebenheit bzw. Welligkeit des Substrates differenziert Rechnung getragen werden.
  • Ein erfindungsgemäßes Lasersystem hat eine Vielzahl von nebeneinander angeordneter Lasern mit jeweils einer Strahlformungsoptik, die jeweils einen von einem Laser emittierten Laserstrahl in eine Laserlinie fokussieren und in Längsrichtung nebeneinander liegend auf der Halbleiterschicht abbilden. Erfindungsgemäß bilden benachbarte Laserlinien auf der Halbleiterschicht jeweils einen Grenzbereich, der jeweils auf einem passiven Bereich der Halbleiterschicht gebildet wird.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Laser gepulste Diodenlaser mit einem Wellenlängenbereich von etwa 532 nm. Optional oder alternativ können die Diodenlaser in Kombination mit NIR-Lasern im cw-Bereich betrieben werden.
  • Zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Lasersystem und dem Substrat kann das Lasersystem eine Vorschubeinrichtung aufweisen.
  • Sonstige vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
  • Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand schematischer Darstellungen näher erläutert. Es zeigen
  • 1 eine Draufsicht auf eine Halbleiterschicht beaufschlagt mit einer Vielzahl von Laserlinien,
  • 2 ein Profil der Bestrahlungsenergieverteilung entlang der Laserlinien
  • 3 eine Prinzipskizze eines perspektivischen Aufbaus eines erfindungsgemäßen Lasersystems.
  • 1 zeigt eine Draufsicht auf eine Halbleiterschicht 2, die von einer Vielzahl von Laserlinien eines in 3 dargestellten Lasersystems 6 streifenweise gescannt wird. Die Halbleiterschicht 2 ist, als siliziumbasierte Saat- bzw. Absorberschicht einer Dünnschicht-Solarzelle, auf ein Glas-Substrat aufgebracht. Die Aufbringung der Halbleiterschicht 2 auf das Substrat erfolgte durch bekannte Verfahren, wie beispielsweise Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD).
  • Das Abscannen der Halbleiterschicht 2 durch die Laserlinien 8, 10, 12 dient der Kristallisation der amorphen Halbleiterschicht 2. Die Aneinanderreihung der Laserlinien 8, 10, 12 erstreckt sich in y-Richtung über die gesamte Breite der Halbleiterschicht 2 und wird hierzu senkrecht in x-Richtung (Arbeitsrichtung) über die Länge der Halbleiterschicht 2 gescannt.
  • Die Laserlinien 8, 10, 12 bilden jeweils mit ihren benachbarten Laserlinien 8, 10, 12 in ihren Endabschnitten Grenzbereiche 15, 17 bevorzugt mit Überlappungsbereichen 14, 16 auf der Halbleiterschicht 2. Die Laserlinien 8, 10, 12 werden von in 3 dargestellten Lasern 18, 20, 22 des Lasersystems 6 erzeugt.
  • Die Grenzbereiche 15, 17 werden auf der Halbleiterschicht 2 über passive Bereiche 23, 25 geführt, die jeweils von zwei parallelen gedachten Linien 24, 26 bzw. 28, 30 begrenzt werden. Die Linien 24, 26 bzw. 28, 30 erstrecken sich in x-Richtung über die gesamte Länge der Halbleiterschicht 2 und unterteilen die Oberfläche der Halbleiterschicht in passive und aktive Bereiche. Die passiven Bereiche werden durch Isolationsgräben gebildet, die sich bei einer folgenden P2-Strukturierung durch beispielsweise ein mechanisches Abtragen oder Abtragen mittels Laser der Halbleiterschicht 2 ausbilden. Die Isolationsgräben haben eine Strukturbreite von 10 μm bis 100 μm. Erfindungsgemäß werden somit wenigstens die sich überlappenden Endabschnitte 14, 16 der Laserlinien 8, 10, 12, vorteilhaft die gesamten Grenzbereiche 15, 17, entlang der nachfolgend ausgebildeten Isolationsgräben abgebildet, denen keine Bedeutung hinsichtlich der Energieeffizienz der Solarzelle zukommt, da in den Isolationsgräben keine Absorption von Lichtphotonen erfolgt.
  • 2 zeigt ein Profil einer Bestrahlungsenergieverteilung 32 über die Länge der aneinandergereihten Laserlinien. Die Bestrahlungsenergieverteilung 32 setzt sich aus einzelnen Energiebereichen 34, 36, 38 der Laserlinien zusammen. Die einzelnen Energiebereiche 34, 36, 38 bilden Grenzbereiche 15, 17 mit innenliegenden Überlappungsbereichen 14, 16. Die Ausdehnung der Überlappungsbereiche 14, 16 in y-Richtung lässt sich durch eine Verschiebung des Lasersystems 6 in z-Richtung bzw. durch eine veränderte Auffächerung der Energiebereiche 34, 36, 38, d. h. veränderte Fokuslängen variieren.
  • 3 zeigt ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Lasersystems 6. Das Lasersystem 6 weist eine Vielzahl von in y-Richtung nebeneinander angeordneten Lasern 18, 20, 22 auf. Die Laser 18, 20, 22 sind gepulste Diodenlaser mit einem Wellenlängenbereich von etwa 532 nm. Sie emittieren Laserstrahlen 40, 42, 44, die jeweils über eine nachgeordnete Strahlformungsoptik 46, 48, 50 in einen Linienfokus fokussiert werden, der eine möglichst homogene Intensitätsverteilung über seine Fokuslänge aufweist und über seine Fokusbreite möglichst schmal ist.
  • Die Relativbewegung zwischen den Laserlinien und dem Substrat kann durch nicht dargestellte Scannerspiegel realisiert werden, die den Strahlformungsoptiken nachgeordnet sind oder auch über eine nicht dargestellte Vorschubeinrichtung des Lasersystems 6 erfolgen.
  • Die Laserstrahlen 40, 42, 44, die von den Lasern 18, 20, 22 emittiert werden, durchlaufen jeweils die ihnen zugeordnete Strahlformungsoptik 46, 48, 50 und treffen auf die Halbleiterschicht 2 auf. Dabei bilden sie die Laserlinien 8, 10, 12 und die Grenzbereiche 15, 17 mit innenliegenden Überlappungsbereichen 14, 16 zwischen den benachbarten Laserlinien 8, 10, 12.
  • Die obenstehende Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt am Beispiel einer amorphen Si-basierten Saat- bzw. Absorberschicht auf einem Substrat aus Glas. Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. Lasersystem ist jedoch auch für andere Systeme, wie zum Beispiel CIS (Chalkopyrit, CuInSe2), CIGS (Calkopyrit mit Zugabe von Gallium, Cu (In, Ga), (S, Se)2) oder CdTe (Cadmium Tellurid) geeignet, sofern thermische Prozesse mit gescannter Energiezufuhr zur Herstellung verwendet werden.
  • Ebenso ist es möglich, dass erfindungsgemäße Verfahren bzw. Lasersystem bei Zellen mit mehreren funktionalen Schichten wie zum Beispiel Tandem-Zellen zu verwenden.
  • Des Weiteren ist es vorstellbar, ein erfindungsgemäßes Verfahren bzw. Lasersystem zur Rekristallisation einer Halbleiterschicht 2 zu verwenden.
  • Offenbart ist ein Verfahren zur Umstrukturierung einer Halbleiterschicht mit einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Lasern, deren Laserlinien auf der Halbleiterschicht Überlappungsbereiche bilden, in denen nach einem folgenden Behandlungsschritt keine Absorption von Lichtphotonen erfolgt sowie ein Lasersystem mit einer Vielzahl von Lasern, deren Laserlinien auf einer Halbleiterschicht Grenzbereiche bilden.
    • 2
    Halbleiterschicht
    6
    Lasersystem
    8
    Laserlinie
    10
    Laserlinie
    12
    Laserlinie
    14
    Überlappungsbereich
    15
    Grenzbereich
    16
    Überlappungsbereich
    17
    Grenzbereich
    18
    Laser
    20
    Laser
    22
    Laser
    23
    passiver Bereich
    24
    Linie
    25
    passiver Bereich
    26
    Linie
    28
    Linie
    30
    Linie
    32
    Bestrahlungsenergie
    34
    Energiebereich
    36
    Energiebereich
    38
    Energiebereich
    40
    Laserstrahl
    42
    Laserstrahl
    44
    Laserstrahl
    46
    Strahlformungsoptik
    48
    Strahlformungsoptik
    50
    Strahlformungsoptik
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - WO 02/19437 A2 [0002]
    • - US 6780692 B2 [0004]
    • - EP 1738402 B1 [0006]

Claims (12)

  1. Verfahren zur Umstrukturierung einer Halbleiterschicht (2), insbesondere einer amorphen Siliziumschicht für Solarzellen, mit den Schritten: – Aufbringen der Halbleiterschicht (2) auf ein Substrat, – Bereitstellen eines Lasersystems (6) mit einer Vielzahl von Lasern (18, 20, 22) mit jeweils einer zugeordneten Strahlformungsoptik (46, 48, 50), die jeweils einen Laserstrahl in eine Laserlinie (8, 10, 12) fokussieren und in Längsrichtung nebeneinander liegend auf der Halbleiterschicht (2) abbilden, wobei jeweils benachbarte Laserlinien (8, 10, 12) einen Grenzbereich (15, 17) mit einem innenliegenden Überlappungsbereich (14, 16) bilden, – Abscannen der Halbleiterschicht durch die Laserlinien (8, 10, 12), wobei wenigstens die Überlappungsbereiche (14, 16) vollständig auf der Halbleiterschicht jeweils in einem passiven Bereich (23, 25) abgebildet werden, in dem in einem nachfolgenden Bearbeitungsschritt die Halbleiterschicht abgetragen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei mit dem Abtragen Isolationsgräben gebildet werden, die bei einer P2-Strukturierung, im Bereich der Überlappungsbereiche (14, 16) ausgebildet werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei Isolationsgräben eine Strukturbreite von 10 μm bis 100 μm haben.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Relativbewegung durch eine Bewegung der Laserlinien (8, 10, 12) über die Halbleiterschicht (2) erzeugt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Relativbewegung durch eine Bewegung der Halbleiterschicht (2) erzeugt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Laserlinien (8, 10, 12) individuell auf die Halbleiterschicht (2) fokussiert werden.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auch die Grenzbereiche (15, 17) vollständig auf den passiven Bereichen (23, 25) abgebildet werden.
  8. Lasersystem zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Lasern (18, 20, 22) mit jeweils einer zugeordneten Strahlformungsoptik (46, 48, 50) zur Abbildung von nebeneinander angeordneten Laserlinien (8, 10, 12) auf einer Halbleitschicht (2) auf einem Substrat, wobei benachbarte Laserlinien (8, 10, 12) auf der Halbleiterschicht (2) jeweils einen Grenzbereich (15, 17) mit einem innenliegenden Überlappungsbereich (14, 16) bilden.
  9. Lasersystem nach Anspruch 8, wobei die Laser (18, 20, 22) gepulste Diodenlaser mit einem Wellenlängenbereich von etwa 532 nm sind.
  10. Lasersystem nach Anspruch 9, wobei die gepulsten Laser (18, 20, 22) mit NIR-Lasern im cw-Betrieb kombiniert sind.
  11. Lasersystem nach einem der Ansprüche 8 bis 9, wobei jeweils eine Strahlformungsoptik (46, 48, 50) zur Formung der Laserlinien (18, 20, 22) vorgesehen ist.
  12. Lasersystem nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei eine Vorschubeinrichtung zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Lasersystem (6) und dem Substrat vorgesehen ist.
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