DE102009031357A1 - Kristalline Siliciumschicht auf einem Substrat, Verfahren zu deren Herstellung und Verwendung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer kristallinen Siliciumschicht auf einem Substrat, bei der eine Abscheidung einer Metallschicht auf einem Substrat und anschließende Abscheidung einer Siliciumschicht auf der Metallschicht erfolgt. Im Anschluss wird eine zonengeführte Erwärmung der Siliciumschicht durchgeführt und schließlich die Metallschicht abgetragen. Erfindungsgemäß wird ebenso die so hergestellte kristalline Siliciumschicht bereitgestellt. Verwendung findet das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Sensoren, Silicium-basierten Leuchtdioden, Flachbildschirmen oder optischen Filtern.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer kristallinen Siliciumschicht auf einem Substrat, bei der eine Abscheidung einer Metallschicht auf einem Substrat und anschließende Abscheidung einer Siliciumschicht auf der Metallschicht erfolgt. Im Anschluss wird eine zonengeführte Erwärmung der Siliciumschicht durchgeführt und schließlich die Metallschicht abgetragen. Erfindungsgemäß wird ebenso die so hergestellte kristalline Siliciumschicht bereitgestellt. Verwendung findet das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Sensoren, Siliciumbasierten Leuchtdioden, Flachbildschirmen oder optischen Filtern.
- Der weltweite Photovoltaikmarkt ist derzeit von Wafer-Solarzellen aus kristallinem Silicium dominiert.
- Parallel dazu haben die sog. Dünnschichttechnologien – die mit geringem Materialeinsatz und Superstrattechnologie ihren Vorteil suchen – einen immer stärker wachsenden Marktanteil erobert. Um nun die Vorteile der Si-Wafer-Technologie, wie jahrzehntelange Erfahrungen mit kristallinem Silicium, Langzeitstabilität und unbegrenzte Resourcen, mit den Vorteilen der Dünnschichttechnologie zu kombinieren, ist es unumgänglich Methoden zur Kristallisation von dünnen Silicium-Schichten auf Substraten zur Marktreife zu führen.
- Der Metall-induzierte Schichtaustauschprozess (oft durchgeführt mit Aluminium, daher dann Aluminum-Induced Layer Exchange ALILE genannt) ist ein seit langem bekanntes und benutztes Phänomen, mittels welchem amorphe Siliciumschichten in mikrokristalline transferiert werden können. Bisher wird dies durch eine homogene Aufheizung und Abkühlung des Substrats mit Schicht durchgeführt. Die Folge sind spontane, relativ schlecht kontrollierbare Nukleationen in der Schicht, und dadurch eine sehr kleinkristalline Kornverteilung mit Kristallgrößen im μm-Bereich.
- Aus der
DE 10 2005 043 303 A1 ist ein Verfahren zur Rekristallisierung von Schichtstrukturen mittels Zonenschmelzen bekannt, bei dem durch geschickt versetzte Anordnung mehrerer Wärmequellen eine deutliche Beschleunigung des Zonenschmelz-Verfahrens erreicht werden kann. Das Verfahren basiert darauf, dass durch entstehende Überlappung eine lückenlose Rekristallisierung der Schicht gewährleistet wird. Verwendung findet das dort beschriebene Verfahren insbesondere bei der Herstellung kristalliner Silicium-Dünnschichtsolarzellen oder in der SOI-Technologie. - Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, das gegenüber dem Stand der Technik geringere Prozesszeiten aufweist und mit dem kristalline Siliciumschichten mit größeren Kristallen erzeugt werden können.
- Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch die kristalline Siliciumschicht mit den Merkmalen des Anspruchs 12 und durch die Verwendung des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.
- Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung einer kristallinen Siliciumschicht auf einem Substrat bereitgestellt, das auf folgenden Prozessschritten basiert:
- a) Abscheidung einer Metallschicht auf einem Substrat,
- b) Abscheidung einer Siliciumschicht auf der Metallschicht,
- c) Zonengeführte Erwärmung der Siliciumschicht bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes von Silicium mittels mindestens einer Wärmequelle zur Rekristallisierung der Siliciumschicht und
- d) Abtragung der Metallschicht.
- Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren basieren zum einen auf der besseren Kontrolle der Kristallgröße und zum anderen auf einer signifikanten Reduzierung der Prozesszeit. Durch diese Vorteile lässt sich gegenüber bekannten Verfahren das Wirkungsgradpotential der aus den Schichten prozessierten Solarzelle erhöhen und gleichzeitig die Durchsatzrate des Prozesses steigern.
- Vorzugsweise besteht die Metallschicht aus einem Metall ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Nickel, Palladium, Kupfer und Silber. Ebenso ist es möglich, dass die Metallschicht eines der zuvor genannten Metalle enthält. Besonders bevorzugt besteht die Metallschicht aus Aluminium.
- Als Siliciumschicht wird vorzugsweise eine amorphe oder mikrokristalline Siliciumschicht, die gegebenenfalls dotiert oder teilweise legiert ist, abgeschieden. Als Dotierstoffe eignen sich Bor, Phosphor, Arsen, Gallium und Antimon. Für eine Legierungsbildung eignet sich beispielsweise Germanium.
- Ein wesentlicher Verfahrensschritt besteht in der zonengeführten Erwärmung der Siliciumschicht. Dabei wird die Erwärmung vorzugsweise in einem Zonenheizofen durchgeführt.
- Für die Erwärmung werden Wärmequellen eingesetzt, die vorzugsweise ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Elektronenstrahlheizer, Laserstrahlquellen, Graphitstreifenheizer, Halogenlampenheizer, IR-Strahler und UV-Strahler. Optional ist es möglich, dass die Wärmequellen zusätzlich mit Fokussierspiegeln versehen sind. Dies dient der besseren Lokalisierung der Wärmestrahlung.
- Besonders vorteilhaft ist es, wenn bei der Erwärmung ein zeitlicher und/oder örtlicher Temperaturgradient gefahren wird. So ist es zum einen möglich, dass über die Dauer der Erwärmung ein Temperaturprogramm mit variablen Temperaturbereichen gefahren wird. Ebenso ist es möglich, dass bei der Erwärmung verschiedene Bereiche der Siliciumschicht unterschiedlich temperiert sind. Es ist natürlich auch möglich, diese beiden Varianten miteinander zu kombinieren.
- Vorzugsweise erfolgt bei der Erwärmung eine Relativbewegung von Substrat zu Wärmequelle. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass ein stationäres Substrat eingesetzt wird, während die Wärmequelle beweglich ist. Eine weitere Variante sieht vor, dass die Wärmequelle stationär ist und das Substrat bewegt wird. Es ist aber auch möglich, dass sowohl die Wärmequelle als auch das Substrat beweglich sind und gegeneinander verschoben werden.
- Die in Schritt d) genannte Abtragung erfolgt vorzugsweise durch nasschemisches Ätzen, Plasmaätzen und/oder mechanisches Polieren.
- Vorzugsweise wird nach der Abtragung der metallischen Schicht die freigelegte Siliziumschicht epitaktisch verdickt. Dies erfolgt vorzugsweise durch chemische Gasphasenabscheidung bei Atmosphärendruck oder bei Niederdruck, Molekularstrahlepitaxie, Laserunterstützte Rekristallisation, Festkörperrekristallisation und Innenstrahl-gestützte Beschichtung.
- Erfindungsgemäß wird ebenso eine kristalline Siliciumschicht bereitgestellt, die nach dem zuvor beschriebenen Verfahren herstellbar ist.
- Vorzugsweise weist die kristalline Siliciumschicht in Transportrichtung lang gezogene Kristallstrukturen auf. Unter lang gezogenen Kristallstrukturen ist hier zu verstehen, dass die räumliche Ausdehnung der Kristallite in Transportrichtung größer ist als senkrecht dazu. Idealerweise ist die elektronische Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger in der Schicht größer als die Schichtdicke selbst.
- Verwendung findet das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere im Bereich der Photovoltaik. Ebenso kann das Verfahren aber auch zur Herstellung von Sensoren, Silicium-basierten Leuchtdioden, Flachbildschirmen oder optischen Filtern eingesetzt werden.
- Anhand der nachfolgenden Figur soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigten speziellen Ausführungsformen einschränken zu wollen.
- In der Figur ist anhand einer schematischen Darstellung der Prozessablauf dargestellt. Auf einem Substrat
1 wird zunächst eine Aluminiumschicht mit einer Schichtdicke kleiner als 1 μm aufgebracht. Auf der Aluminiumschicht2 wird eine ebenfalls kleiner als 1 μm dicke amorphe oder mikrokristalline Siliciumschicht3 abgeschieden. Mittels einer fokussierenden Lampe4 eines Lampenfeldes5 erfolgt der Austausch- und Rekristallisationsprozess der Siliciumschicht3' . Anschließend wird die Aluminiumschicht2 wieder abgetragen. - 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
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- - DE 102005043303 A1 [0005]
Claims (16)
- Verfahren zur Herstellung einer kristallinen Siliciumschicht auf einem Substrat mit folgenden Prozessschritten: a) Abscheidung einer Metallschicht auf einem Substrat, b) Abscheidung einer Siliciumschicht auf der Metallschicht, c) Zonengeführte Erwärmung der Siliciumschicht bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes von Silicium mittels mindestens einer Wärmequelle zur Rekristallisierung der Siliciumschicht und d) Abtragung der Metallschicht.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht aus einem Metall ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Nickel, Palladium, Kupfer und Silber besteht oder dieses im Wesentlichen enthält.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Siliciumschicht aus amorphem oder mikrokristallinem Silicium besteht.
- Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Siliciumschicht dotiert ist, insbesondere mit Bor, Phosphor, Arsen, Gallium oder Antimon, und/oder teilweise legiert ist, insbesondere mit Germanium.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung in Schritt c) in einem Zonenheizofen durchgeführt wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequellen unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Elektronenstrahlheizer, Laserstrahlquellen, Graphitstreifenheizer, Halogenlampenheizer, IR-Strahler und UV-Strahler.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequellen mit Fokussierspiegeln versehen sind.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Erwärmung in Schritt c) ein zeitlicher und/oder örtlicher Temperaturgradient gefahren wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Erwärmung in Schritt c) eine Relativbewegung von Substrat zu Wärmequelle erfolgt, insbesondere indem bei einem stationären Substrat die Wärmequelle bewegt wird oder bei einer stationären Wärmequelle das Substrat bewegt wird oder sowohl Wärmequelle als auch Substrat bewegt werden.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass die Abtragung mittels nasschemischen Ätzen, Plasmaätzen und/oder mechanischem Polieren erfolgt.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt d) eine epitaktische Verdickung der freigelegten Siliciumschicht, insbesondere durch chemische Gasphasenabscheidung bei Atmosphärendruck oder Niederdruck, Molekularstrahlepitaxie, Laserunterstützte Rekristallisation, Festkörperrekristallisation oder Innenstrahl-gestützte Beschichtung, durchgeführt wird.
- Kristalline Siliciumschicht herstellbar nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
- Kristalline Siliciumschicht nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die räumliche Ausdehnung der Kristallite in Transportrichtung größer ist als senkrecht hierzu.
- Kristalline Siliciumschicht nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger in der Siliciumschicht größer als die Schichtdicke der Siliciumschicht ist.
- Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 im Bereich der Photovoltaik.
- Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Herstellung von Sensoren, Silicium-basierten Leuchtdioden, Flachbildschirmen oder optischen Filtern.
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|---|---|---|---|---|
| US20060030132A1 (en) * | 2004-06-07 | 2006-02-09 | Van Gestel Dries E V | Method for manufacturing a crystalline silicon layer |
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| AU2002951838A0 (en) * | 2002-10-08 | 2002-10-24 | Unisearch Limited | Method of preparation for polycrystalline semiconductor films |
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Patent Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| US20060030132A1 (en) * | 2004-06-07 | 2006-02-09 | Van Gestel Dries E V | Method for manufacturing a crystalline silicon layer |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Wang,J., Wang,Z., Mittemeijer,E.: Mechanim of aluminum-induced layer exchange upon low-temperature annealing of amorphous Si/polycrystalline Al bilayer. JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, Vol.102, 2007, S.113523-113529, ISSN 0021-8979 * |
Also Published As
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|---|---|
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