DE102011005760A1

DE102011005760A1 - Verfahren zur Herstellung und Behandlung einer optisch streuenden TCO-Schicht auf einem Substrat

Info

Publication number: DE102011005760A1
Application number: DE102011005760A
Authority: DE
Inventors: Jörg Neidhardt; Volker Linss
Original assignee: Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Current assignee: Von Ardenne GmbH
Priority date: 2011-03-18
Filing date: 2011-03-18
Publication date: 2012-09-20
Anticipated expiration: 2031-03-19
Also published as: DE102011005760B4

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung und Behandlung einer optisch streuenden TCO-Schicht 2 auf einem Substrat 1 angegeben, bei dem eine Optimierung des Ätzprozesses zur Oberflächenstrukturierung mittels eines flexibleren Prozessfensters für das Ätzen zunächst die TCO-Schicht 2 abgeschieden und RTP-behandelt wird, bevor eine TCO-Opferschicht 3 abgeschieden wird, die dann beim Ätzen der Oberfläche des TCO-Schichtstapels zur Erzielung der lichtstreuenden Eigenschaft zumindest teilweise weggeätzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer optisch streuenden TCO-Schicht auf einem Substrat, bei dem zunächst eine TCO-Schicht auf dem Substrat abgeschieden wird, indem das Substrat in einer Beschichtungsanlage an zumindest einer Beschichtungsquelle mit einem keramischen oder metallischen Target in einer Transportrichtung vorbeibewegt und beschichtet wird, und danach eine Strukturierung der Oberfläche der TCO-Schicht mittels Ätzen zur Erzielung einer lichtstreuenden Eigenschaft erfolgt.
Derartige, leitfähige und transparente TCO-Schichten werden aufgrund ihrer optischen Eigenschaften und insbesondere im sichtbaren bis in den nahen IR-Bereich für eine Reihe verschiedener Anwendungsgebiete verwendet, z. B. als transparente Elektrode in Dünnfilm-Solarzellen oder in Flachbildschirmen, als Blockerschicht in einem selektiven Schichtsystem für Glas oder als IR-Reflexionsschicht. Entsprechend dieser unterschiedlichen Anwendungsmöglichkeiten kommen auch verschiedene Substrate in Betracht, z. B. Glas, Silizium, metallische oder Polymer-Substrate.
Es ist bekannt, transparente leitfähige Oxidschichten aus verschiedenen Metalloxidschichten (Transparent Conducting Oxid – TCO) herzustellen, die aufgrund ihrer Dotierung die erforderliche Leitfähigkeit aufweisen. Bekannt sind z. B. dotierte Schichten aus Indiumoxid, Zinnoxid oder Indium-Zinn-Oxid (ITO) wobei Schichten aus aluminiumdotiertem Zinkoxid, als ZnO:Al oder AZO bekannt, an Bedeutung gewinnen, da sie deutlich preiswerter herzustellen, nicht toxisch, leicht zu dotieren und haltbar unter wasserstoffhaltiger Atmosphäre sowie nasschemisch strukturierbar sind.
Derartige TCO-Schichten erfüllen als Kontaktschichten für photovoltaische Anwendungen zweierlei Funktionen, einmal sollten sie gut transparent in dem Absorptionsbereich des Halbleiters sein, d. h. im sichtbaren bis nahinfraroten Spektralbereich, und des Weiteren sollte die Grenzfläche zwischen TCO und Halbleiter das Licht aus der Normalen heraus streuen, evtl. sogar unterhalb des Winkels der Totalreflektion, um eine Lichtfalle, das sogenannte „Light Trapping”, zu erzeugen. Dies verlängert den effektiven Lichtweg und erhöht somit die Absorptionswahrscheinlichkeit bei gegebener Dicke des Halbleiters oder ermöglicht die Implementierung dünnerer Absorberschichten bei konstantem Absorptionsgrad. Das Bestreben dieser Erhöhung des Lichtweges bei reduzierter Absorberdicke liegt in dem hohen Kostenoptimierungspotential des mittels PECVD-Prozess abgeschiedenen Dünnschichtsiliziums begründet, welcher teuer, zeitaufwendig und somit prozesslimitierend ist.
Die Beschichtung eines Substrats mit einer TCO-Schicht erfolgt in Vakuumbeschichtungsanlagen, die je nach dem aufzubringenden Schichten oder Schichtsystemen eine oder mehrere Beschichtungskammern aufweisen und im industriellen Maßstab als Durchlaufanlage betrieben werden. Nach den bekannten Verfahren erfolgt eine dynamische Abscheidung der TCO-Schicht beim Durchlauf durch geheizte Anlagen, bei denen die Substrattemperatur auf einen optimierten Wert eingestellt wird, sowohl vom keramischen Target in Inertgasatmosphäre als auch die Abscheidung mittels eines kostengünstigeren reaktiven Prozesses vom metallischen Mischtargets. Dabei wird eine in Leitfähigkeit und optischer Transmission optimierte Schicht abgeschieden und in einem nachgelagerten Nassätzschritt aufgeraut.
Im Allgemeinen werden, insbesondere zur Herstellung von Dünnschichtsiliziumzellen, die Schichten eines Schichtstapels für Solarzellen in Superstratkonfiguration abgeschieden, d. h. man beginnt mit dem Deckglas als Substrat und scheidet nacheinander den Frontkontakt, Absorber und Rückkontakt ab.
Die Superstratkonfiguration unterstützt die beschriebene gezielte Beeinflussung der TCO-Schicht, um mikrometergroße, pyramidenähnliche Strukturen zu erzeugen, welche an ihren Flanken Licht aus der Normalen des Einfallswinkels heraus in den Absorber brechen. Diese Strukturen entstehen einmal als Kornwachstumseffekt bei der Abscheidung mittels relativ teurer PECVD-Verfahren oder werden über eine nasschemische Ätzung in stark verdünnten Säuren erzeugt. Die Güte der Rauhigkeit oder der Streueigenschaft wird durch einen Haze-Wert repräsentiert.
Die Konfiguration der Ätzprozesse erfolgte rein empirisch. Es ist aber bekannt, dass die Kristallstruktur der TCO-Schicht einen starken Einfluss auf den Ätzangriff hat, welcher typischerweise entlang von Korngrenzen erfolgt. Somit sind die erreichbaren Ätzstrukturen und Effizienz der Lichtstreuung durch die Morphologie der Schicht vorgegeben und damit von den Prozessparametern deren Abscheidung wesentlich vorbestimmt. Des Weiteren ist bekann, dass die Ätzgeschwindigkeit entlang der Korngrenzen in einem weitem Bereich streut, so dass es u. a. zu so genannten „pin holes” kommen kann, d. h. bis auf das Substrat durchgeätzte Bereiche, welche negative Auswirkungen auf den Prozess, besonders der nachfolgenden Silizium-Abscheidung haben.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabenstellung zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer TCO-Schicht und zu deren Behandlung zur Einstellung deren optischer Streueigenschaften anzugeben, bei dem für die Oberflächenstrukturierung der TCO-Schicht mittels Ätzen ein im Vergleich zu den bekannten Verfahren flexibleres Prozessfenster zur Verfügung steht, so dass eine Optimierung des Ätzprozesses hinsichtlich der erzielbaren Oberflächenstruktur in Verbindung mit einem Kosten und Energie sparenden Verfahren möglich ist.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass ein eingangs genanntes Verfahren derart gestaltet wird, dass die kalt abgeschiedene TCO-Schicht zunächst thermisch aktiviert wird und damit die Leitfähigkeit und die Transparenz dieser funktionellen Schicht eingestellt wird, bevor die weiteren Verfahrensschritte zur Herstellung der optischen Streueigenschaften eingeleitet werden.
Diese Verfahrensschritte umfassen ebenfalls wiederum mehrere Prozesse, um die Streueigenschaften optimal einzustellen. Zu diesem Zweck wird vor dem Ätzen eine TCO-Opferschicht abgeschieden, die in dem nachfolgenden Ätzschritt zumindest teilweise weggeätzt wird. Die optischen und elektrischen Eigenschaften der TCO-Opferschicht haben aufgrund der Tatsache, dass sie höchstens rudimentär auf der TCO-Schicht verbleibt, untergeordnete Bedeutung. Primär ist die TCO-Opferschicht auf den Ätzschritt abgestimmt. Aus diesem Grund wird die TCO-Opferschicht auf eine solche Weise abgeschieden, dass sie im Vergleich zur TCO-Schicht bei einer gleichen oder besseren Ätzrate einen höheren Flächenwiderstand oder eine niedrigere Transmission aufweisen kann. Damit steht dem Ätzschritt eine Schicht, nämlich die TCO-Opferschicht, zur Verfügung, wodurch die Texturierungseigenschaften erreicht werden, ohne dass die elektrooptischen Eigenschaften der TCO-Opferschicht die Qualität der vorher abgeschiedenen TCO-Schicht erreichen müssen.
Im Ergebnis können die elektrooptischen Eigenschaften und Ätzeigenschaften getrennt voneinander optimiert werden, was zusätzliche Freiheitsgrade für die Optimierung bietet.
Für den ersten Abschnitt des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Herstellung der funktionellen TCO-Schicht, erweist es sich erstens von Vorteil, dass durch die Kombination von ungeheiztem oder zumindest gering geheiztem Abscheiden des TCO mit einer danach ausgeführten zeitlich und flächig begrenzten Wärmebehandlung hohen Energieeintrags eine optimale und energieeffiziente Einstellung der optischen und elektrischen Eigenschaften der TCO-Schicht möglich ist.
Die Abscheidung auf einem als kalt bezeichneten Substrat kann jedoch ein geringes Heizen vor der Beschichtung einschließen, soweit der benannte Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 180°C, bevorzugt bis 140°C, gemessen während der Beschichtung, eingehalten wird. Dies entspricht einem Temperaturhub infolge der Beschichtung bis maximal 160 K, bevorzugt maximal 120 K. Ein geringes Heizen des Substrats vor der Beschichtung bis 100°C, gemessen vor der Beschichtung, erfolgt z. B. regelmäßig zum Zweck der Desorption von Wasser.
Die Einstellung der optischen und elektrischen Eigenschaften der TCO-Schicht ist sowohl lateral, d. h. in Längs- und Querverteilung bezogen auf die Transportrichtung des Substrats, als auch über die Schichtdicke möglich. Auch eine Egalisierung von prozessintern bedingten Inhomogenitäten der Eigenschaften ist lateral und über die Schichtdicke möglich, wozu auch der flächig begrenzte Energieeintrag gezielt. für festgestellte Inhomogenitäten variabel nutzbar ist. Z. B. kann im Randbereich des Substrats über die zeitliche Einwirkung und/oder die Energiedichte eine vom übrigen Bereich abweichende Wärmebehandlung erfolgen.
Als Maß für den Energieeintrag kann z. B. die Substrattemperatur verwendet werden, da sie sich nicht oder zumindest nicht über die für die Abscheidung der Schicht eingestellte Temperatur erhöhen sollte. Damit ist eine selektive, nur die abgeschiedene Schicht betreffende Wärmebehandlung möglich, die insbesondere aufgrund der sehr kurzen Erwärmung mögliche, die Eigenschaften nachteilig beeinflussende Reaktionen des Schichtmaterials mit umgebenden Gasen verhindert, wobei eine mögliche Erwärmung des Substrats in einer an die Beschichtung angrenzenden Grenzfläche dem gewünschten Effekt eines oberflächennahen Temperaturfeldes nicht entgegensteht. Die Substrattemperatur kann gemäß des Verfahrens gezielt durch die Einwirkdauer des Energieeintrags oder durch die Energiedichte, z. B. über die Art des Energieeintrags oder die Wellenlänge der verwendeten Energiequelle, oder durch die Größe der Fläche der thermischen Aktivierung oder durch eine Kombination dieser Faktoren beeinflusst werden, um die Selektivität zu optimieren.
Die Einwirkdauer des Energieeintrags liegt zur Erzielung der oben genannten Effekte im Bereich von 1 μs bis maximal 1 s, wobei die untere Grenze über den Werten liegt, die üblicherweise einer Impulsdauer eines gepulsten Lasers entspricht. Die obere Grenze ist unter anderem dadurch gegeben, dass unter einem impulsartigem Energieeintrag auch die Verwendung einer kontinuierlich brennenden Linienlampe zu rechnen ist, die auf ein kontinuierlich bewegtes Substrat gerichtet ist, so dass sich aus der Linienbreite und der Transportgeschwindigkeit des Substrat die Einwirkdauer von kleiner 1 s ergibt.
Neben der Verwendung von Laser und Elektronenstrahl für den Energieeintrag hat sich erstaunlicherweise auch die Verwendung von Blitzlampen und Bogenlampen als für die erfindungsgemäße Kurzzeittemperung geeignet erwiesen, trotz ihrer geringeren Leistungsdichte.
Die Vermeidung einer signifikanten Erwärmung des Substrats führt des Weiteren dazu, dass es weniger zu Bruch, Verzug oder Diffusion neigt. Auch eine thermische Deaktivierung von Dotanten der TCO-Schicht durch Phasenseparation, d. h. durch Entmischung der Schicht infolge von Diffusionsprozessen kann verhindert oder zumindest deutlich reduziert werden.
Von Vorteil ist weiter, dass aufgrund der Möglichkeit zur Egalisierung prozessinherenter inhomogener Eigenschaftsverteilungen geringere Anforderungen an die Homogenität z. B. des Temperaturprofils oder der Plasmadichte während der Abscheidung bestehen. Es ergeben sich größere Freiheitsgrade bezüglich der Kontrolle der Langzeitstabilität des kostengünstigeren reaktiven Abscheideprozesses.
Zudem sind technischer und Energieaufwand weiter reduzierbar, durch eine einfachere Anlagenkonstruktion ohne Substratheizer unter Vakuum, durch eine geringere Störanfälligkeit der Anlage, durch längere Standzeiten und durch signifikant reduzierten Energieverbrauch.
Über die Größe und Erstreckung der aktivierten Fläche ist auch die Integration in den Gesamtprozess zu variieren. Wird z. B. die thermische Aktivierung eine Linie quer zur Substrattransportrichtung fokussiert, was beispielsweise durch hochenergetische elektromagnetische Strahlung, z. B. Laser, Gasentladungslampen oder auch mittels Teilchenbeschuss, insbesondere eines Elektronenstrahls, möglich ist, ist eine Bearbeitung im Durchlauf insbesondere dann möglich, wenn sich die Linie über die gesamte Substratbreite quer zur Transportrichtung erstreckt. Eine kleinflächige Aktivierung gestattet entweder eine lokal differenzierbare Aktivierung oder ebenso eine Integration in den Durchlauf, wenn die Bewegung der Aktivierungsfläche mit der Substratbewegung entsprechend koordiniert wird. Eine flächige Aktivierung ist neben den oben angeführten Möglichkeiten z. B. auch mittels Blitz- oder Halogenlampen möglich.
Die erfindungsgemäße selektive und oberflächennahe thermische Aktivierung kann entsprechend einer Ausgestaltung des Verfahrens unterstützt werden, indem vor der Metalloxid-Schicht auf dem Substrat eine Separationsschicht aus einem Material schlechter thermischer Leitfähigkeit abgeschieden wird.
Eine solche thermisch schlecht leitfähige Schicht vermindert die thermische Einkopplung des oberflächennahen Temperaturfeldes in das Substrat weiter und damit dessen thermische Degradation. Damit sind höhere Energiedichten für die thermische Aktivierung verwendbar, was für die Rekristallisation der Metalloxid-Schicht zur Mobilitätserhöhung deren Ladungsträger vorteilhaft ist.
Sofern einer Ausgestaltung dieser Separationsschicht ein Nitrid oder ein Oxinitrid von Silizium verwendet wird, unterbindet dessen dicht amorphe Struktur, die keine klaren Diffusionspfade aufweist, die Wechselwirkung von Glasbestandteilen mit der Metalloxid-Schicht.
Die thermische, RTP-Aktivierung wirkt sich des Weiteren positiv auf die Stabilisierung gegenüber dem abschließenden Ätzschritt aus. So wurde festgestellt, dass die behandelte TCO-Schicht deutlich resistenter ist gegen den zumindest lokal durch die TCO-Opferschicht durchgreifenden Ätzprozess. Infolge dessen verlangsamt sich der Ätzprozess überall dort deutlich, wo er auf die bereits aktivierte TCO-Schicht trifft. Hierfür wird ausgenutzt, dass die RTP-Aktivierung für kalt abgeschiedene TCO-Schichten zu einer abweichenden morphologischen Struktur führt, im Vergleich heiß abgeschiedenen TCO-Schichten. Diese strukturellen Eigenschaften begründen die höhere Resistenz und führen darüber hinaus zu anderen Ätzstrukturen, mit denen eine bessere Lichtstreuung und damit ein höherer Wirkungsgrad für den Einsatz der TCO-Schicht in einer Solarzelle erzielbar sind.
Für den zweiten Abschnitt des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Behandlung der TCO-Schicht zur Oberflächenstrukturierung und damit zur Herstellung der lichtstreuenden Eigenschaft, kann erfindungsgemäß ebenfalls optimiert werden und zwar weitestgehend getrennt vom zuvor beschriebenen Abschnitt.
Erfindungsgemäß wird auf die RTP-aktivierte TCO-Schicht, die bereits die wesentlichen Eigenschaften der an sich bekannten TCO-Schicht aufweist, insbesondere durch Magnetronsputtern eine TCO-Opferschicht aufgebracht, die hinsichtlich ihres Ätzverhaltens optimiert wird.
So ist bekannt, dass sich die Ätzstruktur einer reaktiv hergestellten Schicht wesentlich durch den Arbeitspunkt einstellen lässt. Hingegen haben gesputterte Schichten besonders gute optische Eigenschaften, wenn sie vom keramischen Target abgeschieden werden. Ein solcher nicht sehr kostengünstiger Prozess wird somit für eine gute TCO-Schicht favorisiert, während die reaktive Abscheidung von einem metallischen Target für die TCO-Opferschicht ausreichende ist. Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, die TCO-Schicht mittels eines reaktiven Sputterprozesses oder die TCO-Opferschicht mittels eines Sputterprozess von einem keramischen Target herzustellen. Ein weiteres Kostensenkungspotential bietet beispielsweise die reaktive Abscheidung von einem metallischen Rohr bei hoher Rate, wobei dem Prozessgas hinreichend viel Sauerstoff zugemischt wird. Die beim reaktiven Sputtern problematische stabile Prozessführung ist somit von untergeordneter Bedeutung.
Eine weitere, den zweiten Verfahrensabschnitt betreffende Gestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass in dem Ätzschritt der überwiegende Anteil der TCO-Opferschicht entfernt wird und der überwiegende Anteil der TCO-Schicht verbleibt. Die TCO-Opferschicht wird somit nach der Abscheidung in Teilen oder vollständig wieder abgeätzt, wobei dennoch ein geringer Teil der TCO-Schicht wieder abgeätzt werden kann.
In jedem Fall ist es nicht erforderlich, dass die TCO-Opferschicht besondere Anforderungen an die Transmission erfüllen muss. Denn nach dem Ätzen der TCO-Opferschicht kommen die geringfügig nachteiligen Eigenschaften der TCO-Opferschicht, auch für den Fall der Abscheidung mittels reaktiven Sputters, kaum noch oder gar nicht mehr zum Tragen. Denn selbst wenn Reste der TCO-Opferschicht auf der TCO-Schicht verbleiben, wird sie durch eine hohe Kraterdichte regelrecht ausgedünnt bzw. je nach Ätztiefe in Teilen sogar vollständig eliminiert.
Es muss jedoch zumindest eine Teiltransparenz gegeben sein, sofern Teile der TCO-Opferschicht nicht weggeätzt werden. Dementsprechend ist in einer Ausführung des Verfahrens vorgesehen, dass die TCO-Opferschicht wenn nicht transparent, dann jedoch zumindest als teiltransparente Schicht abgeschieden und in dem Ätzschritt nur teilweise entfernt wird.
In einer weiteren Variante ist vorgesehen, dass die TCO-Opferschicht mit einem Flächenwiderstand im Bereich von 5 bis 15 Ohm, bevorzugt in der Größenordnung von 10 Ohm abgeschieden wird.
Die wesentlichen Eigenschaften der TCO-Schicht sind eine hohe Transmission und ein niedriger Flächenwiderstand, der bspw. für eine Anwendung in der Photovoltaik in einer Größenordnung von ca. 10 Ohm liegt und somit niederohmig ist. Hingegen reicht es entsprechend einer weiteren Variante des Verfahrens aus, wenn die TCO-Opferschicht mit einem im Vergleich zu der TCO-Schicht um mindestens eine Größenordnung, bevorzugt um mehrere Größenordnungen höheren Flächenwiderstand, jedoch nichtvollständig isolierend abgeschieden wird.
Die Anforderungen an den Schichtwiderstand der TCO-Opferschicht sind nachrangig, da der Flächenwiderstand im Wesentlichen durch die darunterliegende TCO-Schicht dominiert wird. Die TCO-Opferschicht kann ggf. hochohmig abgeschieden werden, d. h. der Flächenwiderstand kann bis zu mehreren Größenordnungen über dem der TCO-Schicht liegen. Je nach Schichtstruktur nach dem Ätzen muss aber zumindest sichergestellt sein, dass der Strom verlustarm senkrecht durch die Schicht hindurchfließen kann.
Von Vorteil ist hier, dass Homogenitäten in der TCO-Schicht, die sich infolge inhomogener Schichtdicken auch im Flächenwiderstand zeigen, auch nach dem Ätzschritt vermieden werden können. Um die bevorzugten Verhältnisse bezüglich der Flächenwiderstände zu erzielen, wird in einer Ausführungsform der Erfindung diese hochohmige TCO-Opferschicht als undotierte Schicht, z. B. aus Zinkoxid abgeschieden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auch die TCO-Schicht und die TCO-Opferschicht dotiert werden wobei die Dotierung der TCO-Opferschicht der Dotierung der TCO-Schicht entspricht oder sich die Dotierung der TCO-Opferschicht von der Dotierung der TCO-Schicht unterscheidet.
Weitere Gestaltungen der Dotierungen sind darin zu sehen, dass die TCO-Opferschicht als ein undotiertes Oxid oder als ein mit Aluminium dotiertes Zinkoxid ausgebildet wird. Unter einem undotiertem Oxid verstehen wir im hier beschriebenen Kontext Ausgangsmaterialien mit einer Reinheit besser als 99.9% und ohne gezieltem Zusatz einer Fremddotierung. Eigendotierung bspw. durch unterstöchiometrische Abscheidung des Oxides soll aber mit eingeschlossen sein.
Auch die TCO-Schicht kann als ein mit Aluminium dotiertes Zinkoxid ausgebildet sein, wobei in einer Ausführung die Dotierung im Bereich von 0,25 bis 2,5 Gewichtsprozent Al₂O₃ im Zinkoxid beträgt.
Die Erfindung erlaubt es, für das Abscheiden der TCO-Schicht und der TCO-Opferschicht verschiedene Verfahren einzusetzen, die sich deutlich unterscheiden können im Magnetronsputterverfahren (DC (Gleichspannungs)-, MF (Mittelfrequenz)-, pulsed DC (pulsierendes Gleichspannungs)-, DAS-(Dual-Anode-Sputtering), Rohrmagnetron- oder Planarmagnetron-Sputtern, im verwendeten Materialsystem (z. B. ZnO, SnO2), im verwendeten Targetmaterial (bspw. metallisch, keramisch) und insbesondere der Targetdotierung und der Dotierkonzentration, sofern eine Dotierung verwendet wird.
Es versteht sich, dass die TCO-Schicht und die TCO-Opferschicht auch durch mehrmalige Überläufe vor demselben Magnetron oder durch mehrere Magnetrons abgeschieden werden können, wobei die Prozessparameter und Targetzusammensetzung auch variieren können.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch dadurch gekennzeichnet, dass es bei der Herstellung von Solarzellen oder Solarmodulen eingesetzt werden kann, insbesondere bei der Herstellung von Solarzellen oder Solarmodulen mit einem auf amorphem Silizium oder auf amorphem und mikrokristallinem Silizium basierenden Absorber oder bei der Herstellung von Solarzellen oder Solarmodulen mit einem auf Cadmiumtellurid (CdTe) basierenden Absorber. Denn aufgrund der charakteristischen Prozessparameter der RTP-Aktivierung und der damit verbundenen, oben im Detail beschriebenen Wirkungen wird eine Kontamination des Schichtmaterials mit dem umgebenden Gas verhindert. Die sich daraus ergebende Verminderung der elektrisch aktiven Defekte an der Grenzfläche zum Absorber führt zu einer höheren Leerlaufspannung.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigt
1 eine schematische Darstellung eines Querschnittes durch eine RTP-behandelte TCO-Schicht mit darauf angeordneter TCO-Opferschicht,
2 den Schichtstapel nach 1 nach einem Ätzschritt mit einer geringen Ätztiefe,
3 den Schichtstapel nach 1 nach einem Ätzschritt mit einer größeren Ätztiefe und
4 den Schichtstapel nach 1 nach einem Ätzschritt mit einer großen Ätztiefe.
Wie in 1 dargestellt, wird auf ein Substrat 1 eine TCO-Schicht 2 abgeschieden. Diese TCO-Schicht 2 wird mittels eines linienfokussierten Bogenlampe auf einer linienförmigen Teilfläche des Substrats 1 mittels RTP-Behandlung bezüglich ihrer elektrischen und optischen Eigenschaften aktiviert, die sich über die gesamte Substratbreite senkrecht zur Transportrichtung des Substrats 1 durch eine der Beschichtung und Behandlung dienenden Vakuumbeschichtungsanlage erstreckt.
In einen nachfolgenden Prozessschritt wird auf der TCO-Schicht 2 eine TCO-Opferschicht 3 abgeschieden.
Dabei wird die TCO-Schicht 2 von einem nicht näher dargestellten keramischen Rohrtarget abgeschieden und eine TCO-Opferschicht 3 reaktiv von einem nicht näher dargestellten metallischen Target. Die Dicke der vom keramischen Target abgeschiedenen TCO-Schicht 2 kann so gewählt werden, dass Widerstand und Transmission bereits ungefähr den nach dem Ätzen gewünschten Werten entsprechen. Diese TCO-Schicht 2 bildet durch ihre Kristallstruktur auch die Wachstumsgrundlage für die hierauf folgende vom metallischen Target reaktiv abgeschiedene TCO-Opferschicht 3. Die reaktiv abgeschiedene, teiltransparente TCO-Opferschicht 3 wird so abgeschieden, da sie später zum Teil durch das Ätzen wieder entfernt wird, wie dies in 2 dargestellt ist.
Die preiswerte TCO-Opferschicht 3 erlaubt es auch, die TCO-Opferschicht 3 insgesamt wirtschaftlich noch dicker abzuscheiden und somit tiefer zu ätzen.
Zwei Varianten sind in 3 und 4 dargestellt.
Über den Anteil der Einzelschichtdicken 5 und 6 der aufeinanderliegenden TCO-Schicht 2 und TCO-Opferschicht 3 an der Gesamtschichtdicke 7 des TCO-Schichtstapels lässt sich somit die Wirtschaftlichkeit gegen die optischen Eigenschaften abwägen. Durch wirtschaftlich vertretbare Erhöhung der Einzelschichtdicke 6 der reaktiv gesputterten TCO-Opferschicht 3 lassen sich die Streueigenschaften des Schichtsystems in gewollter Richtung beeinflussen.
Der Anteil der weggeätzten TCO-Opferschicht 3, der anhand der dargestellten ursprünglichen Schichtoberseite 8 erkennbar ist, liegt typisch zwischen ca. 10 und ca. 30% der Gesamtschichtdicke 7 des TCO-Schichtstapels. Die Targetkosten beim reaktiven Sputterprozess sind um ca. 2/3 niedriger im Vergleich zum Sputtern vom keramischen Target. Hieraus ergibt sich ein Kosteneinsparungspotential von bis zu ca. 20% gegenüber komplett vom keramischen Target gesputterten Schichten beim Targetmaterial.
Es versteht sich, dass das Substrat 1 vor Abscheidung der TCO-Schicht 2 je nach Notwendigkeit durch Barriereschichten (bspw. SiOxNy) und ggf. auch Keimschichten (in den Figuren nicht dargestellt) präpariert werden kann. Dies ist jedoch nicht Gegenstand der Erfindung, welche sich auf die Abscheidung und Behandlung der funktionellen TCO-Schicht mit den elektrooptischen Eigenschaften konzentriert.
Bezugszeichenliste

1: Substrat
2: TCO-Schicht
3: TCO-Opferschicht
4: Krater
5: Einzelschichtdicke der TCO-Schicht
6: Einzelschichtdicke der TCO-Opferschicht
7: Gesamtschichtdicke des TCO-Schichtstapels
8: ursprüngliche Schichtoberseite

Claims

Verfahren zur Herstellung und Behandlung einer optisch streuenden TCO-Schicht auf einem Substrat, folgende nacheinander durchzuführende Verfahrensschritte umfassend: – Abscheidung der TCO-Schicht auf dem Substrat, indem das Substrat in einer Beschichtungsanlage an einer Beschichtungsquelle mit einem keramischen oder metallischen Target in einer Transportrichtung vorbeibewegt und beschichtet wird, – wobei die Beschichtung auf einem kalten Substrat erfolgt, welches während des Beschichtungsprozess eine Substrattemperatur im Bereich von Raumtemperatur bis 180°C aufweist, – thermische Aktivierung der TCO-Schicht mittels RTP-Prozess, als Rapid Thermal Processing bezeichnet, durch impulsartigen Energieeintrag mittels elektromagnetische Strahlung oder Teilchenbeschuss, – Abscheiden einer TCO-Opferschicht auf der aktivierten TCO-Schicht, und – Ätzen der Oberfläche des TCO-Schichtstapels unter zumindest teilweisem wegätzen der TCO-Opferschicht zur Erzielung einer strukturierten Oberfläche mit lichtstreuender Eigenschaft.
Verfahren zur Herstellung und Behandlung einer optisch streuenden TCO-Schicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Aktivierung auf einer Teilfläche des Substrats erfolgt.
Verfahren zur Herstellung und Behandlung einer optisch streuenden TCO-Schicht nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Aktivierung entlang einer Linie quer zur Transportrichtung erfolgt.
Verfahren zur Herstellung und Behandlung einer optisch streuenden TCO-Schicht nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die thermisch aktivierte Teilfläche über die gesamte Breite des Substrats quer zur Transportrichtung erstreckt.
Verfahren zur Herstellung und Behandlung einer optisch streuenden TCO-Schicht nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einwirkdauer des Energieeintrags im Bereich von 1 μs bis 1 s liegt.
Verfahren zur Herstellung und Behandlung einer optisch streuenden TCO-Schicht nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Metalloxid-Schicht auf dem Substrat eine Separationsschicht aus einem Material schlechter thermischer Leitfähigkeit abgeschieden wird.
Verfahren zur Herstellung und Behandlung einer optisch streuenden TCO-Schicht nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Separationsschicht aus einem Nitrid oder Oxinitrid von Silizium besteht.
Verfahren zur Herstellung und Behandlung einer optisch streuenden TCO-Schicht nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die TCO-Opferschicht reaktiv von einem metallischen Target abgeschieden wird.
Verfahren zur Herstellung und Behandlung einer optisch streuenden TCO-Schicht nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die TCO-Opferschicht eine im Vergleich zur TCO-Schicht einen höheren Flächenwiderstand oder eine niedrigere Transmission bei gleicher oder besserer Ätzfähigkeit aufweist.
Verfahren zur Herstellung und Behandlung einer optisch streuenden TCO-Schicht nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die TCO-Schicht mit einem Flächenwiderstand im Bereich von 5 bis 15 Ohm abgeschieden wird.
Verfahren zur Herstellung und Behandlung einer optisch streuenden TCO-Schicht nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die TCO-Opferschicht mit einem im Vergleich zu der TCO-Schicht um mindestens eine Größenordnung höheren Flächenwiderstand, jedoch nicht vollständig elektrisch isolierend abgeschieden wird.
Verfahren zur Herstellung und Behandlung einer optisch streuenden TCO-Schicht nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die TCO-Opferschicht als transparente oder als teiltransparente Schicht abgeschieden wird.
Verfahren zur Herstellung und Behandlung einer optisch streuenden TCO-Schicht nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialien der TCO-Schicht und der TCO-Opferschicht einander entsprechen oder sich voneinander unterscheiden.
Verfahren zur Herstellung und Behandlung einer optisch streuenden TCO-Schicht nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die TCO-Schicht und die TCO-Opferschicht dotiert abgeschieden werden und die Dotierungen der TCO-Opferschicht und der TCO-Schicht einander entsprechen oder sich voneinander unterscheiden.
Verfahren zur Herstellung einer optisch streuenden TCO-Schicht nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ätzen mittels Nassätzen erfolgt.
Verfahren zur Herstellung und Behandlung einer optisch streuenden TCO-Schicht nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung des Verfahrens bei der Herstellung von Solarzellen oder Solarmodulen.
Verfahren zur Herstellung und Behandlung einer optisch streuenden TCO-Schicht nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch die Verwendung des Verfahrens bei der Herstellung von Solarzellen oder Solarmodulen mit einem auf amorphem Silizium oder auf amorphem und mikrokristallinem Silizium basierenden Absorber.