DE102014110608B4 - Method for connection processing of a silicon layer - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Anschlussprozessierung einer Siliziumschicht mit einer durch Flüssigphasenkristallisation (LPC) erzeugten Struktur unter Einsatz eines Plasmas für verschiedene aufeinanderfolgende Verfahrensschritte in zumindest einer Prozesskammer einer Plasmaanlage, wobei zumindest nachfolgende Verfahrensschritte vorgesehen sind:I. Bereitstellen einer n- oder p-dotierten kristallinen dünnen Silizium-Absorberschicht (01) mit durch Flüssigphasenkristallisation (LPC) erzeugter Struktur,II. plasmachemisches Ätzen der dünnen Silizium-Absorberschicht (01) in einem fluoridhaltigen Prozessgas (06) zum Schichtabtrag von natürlichem Oberflächenoxid (05) und defektreichem Material (09) in einem Schichtdickenbereich zwischen 100 nm und 500 nm,III. plasmachemische Wasserstoffpassivierung der zuvor plasmachemisch geätzten dünnen Silizium-Absorberschicht (01) in einem Wasserstoffplasma (08) undIV. plasmachemisches Ätzen der zuvor plasmachemisch wasserstoffpassivierten dünnen Silizium-Absorberschicht (01) in einem fluoridhaltigen Prozessgas (06) zum Schichtabtrag von defektreichem Material (09) in einem Schichtdickenbereich zwischen 100 nm und 500 nm.Method for the connection processing of a silicon layer with a structure generated by liquid phase crystallization (LPC) using a plasma for various successive method steps in at least one process chamber of a plasma system, at least the following method steps being provided: I. Provision of an n- or p-doped crystalline thin silicon absorber layer (01) with a structure produced by liquid phase crystallization (LPC), II. plasma-chemical etching of the thin silicon absorber layer (01) in a fluoride-containing process gas (06) for layer removal of natural surface oxide (05) and defect-rich material (09) in a layer thickness range between 100 nm and 500 nm, III. plasma-chemical hydrogen passivation of the previously plasma-chemically etched thin silicon absorber layer (01) in a hydrogen plasma (08) and IV. Plasma-chemical etching of the previously plasma-chemically hydrogen-passivated thin silicon absorber layer (01) in a fluoride-containing process gas (06) to remove the layer of defect-rich material (09) in a layer thickness range between 100 nm and 500 nm.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Anschlussprozessierung einer Siliziumschicht mit einer durch Flüssigphasenkristallisation erzeugten Struktur unter Einsatz eines Plasmas für verschiedene aufeinanderfolgende Verfahrensschritte in zumindest einer Prozesskammer einer Plasmaanlage.The invention relates to a method for connection processing of a silicon layer with a structure produced by liquid phase crystallization using a plasma for various successive method steps in at least one process chamber of a plasma system.
Die Herstellung von Solarzellen auf Basis von Siliziumschichten, vor allem Siliziumdünnschichten, als Absorberschichten erfordert eine Reihe von aufwändigen Prozessschritten. Kristalline Siliziumdünnschichten können mit verschiedenen Methoden hergestellt werden, z.B. epitaktisches Wachstum oder Festphasenkristallisation (Solid Phase Crystallization SPC).Das Material wird allgemeiner auch als Poly-Silizium (poly-Si) bezeichnet. Ein aktuell noch in der Entwicklung befindlicher Ansatz ist der Einsatz von flüssigphasenkristallisiertem Silizium (Liquid Phase Crystallized Silicon, LPC-Si) in Dünnschichten auf kostengünstigen Glassubstraten. Die Erfindung betrifft die Anschlussprozessierung einer dünnen Silizium-Absorberschicht für den späteren Einsatz in einer Dünnschichtsolarzelle, jedoch nicht deren Herstellung aus LPC-Si selbst. Bei der Anschlussprozessierung sind spezielle Aspekte zu berücksichtigen, da die LPC-Si-Kristallstruktur eine grundlegend andere ist als die SPC-Si-Kristallstruktur.The production of solar cells based on silicon layers, especially thin silicon layers, as absorber layers requires a number of complex process steps. Crystalline silicon thin films can be made by various methods, e.g. Epitaxial growth or Solid Phase Crystallization (SPC). The material is also known more generally as poly-silicon (poly-Si). An approach that is currently still in development is the use of liquid phase crystallized silicon (LPC-Si) in thin layers on inexpensive glass substrates. The invention relates to the connection processing of a thin silicon absorber layer for later use in a thin-film solar cell, but not its production from LPC-Si itself. In connection processing, special aspects have to be taken into account, since the LPC-Si crystal structure is fundamentally different from that SPC-Si crystal structure.
Im Gegensatz zu festphasenkristallisiertem Silizium (SPC-Si) befindet sich LPC-Si heute noch in der Entwicklung und wird noch nicht kommerziell in Solarmodulen eingesetzt. LPC-Si wird in Wesentlichen durch Forschungsgruppen an der University New South Wales in Sydney/Australien, am HZB/Berlin und IPHT/Jena entwickelt und in Dünnschicht-Solarzellen eingesetzt. Im Vergleich zu SPC-Si muss für LPC-Si eine andere Kette von Prozessschritten zur Verbesserung der Absorberqualität durchgeführt werden. In einer solchen Prozesskette kommt es bislang zu häufigen Wechseln zwischen plasmachemischen Prozessen im Vakuum und nasschemischen Prozessen unter Atmosphärendruck, welche ein zeitaufwändiges Ein- und Ausschleusen des entstehenden Solarmoduls in bzw. aus Vakuum-Anlagen bedeuten. Zudem werden in der Regel verschiedene Anlagen für die verschiedenen Prozesse eingesetzt.In contrast to solid-phase crystallized silicon (SPC-Si), LPC-Si is still in development today and is not yet used commercially in solar modules. LPC-Si is mainly developed by research groups at the University of New South Wales in Sydney / Australia, at HZB / Berlin and IPHT / Jena and used in thin-film solar cells. Compared to SPC-Si, LPC-Si requires a different chain of process steps to improve the absorber quality. In such a process chain, there has so far been frequent changes between plasma-chemical processes in a vacuum and wet-chemical processes under atmospheric pressure, which mean time-consuming transferring the solar module into and out of vacuum systems. In addition, different systems are usually used for the different processes.
Stand der TechnikState of the art
Die Flüssigphasenkristallisation zählt zu den Verfahren der Kristallisation amorpher oder polykristalliner Si-Filme. Dabei wird vorteilhaft ein sehr dünner Si-Film auf ein kostengünstiges Substrat aufgebracht. Nach seiner Erstarrung wird der Si-Film durch Einbringen von Energie über einen Laser- oder Elektronenstrahl lokal (re-)kristallisiert. Wird dabei der Schmelzpunkt des Siliziums überschritten, handelt es sich um eine Flüssigphasenkristallisation. Die Si-Schicht schmilzt lokal auf und kristallisiert kontrolliert in wünschenswert größeren und großen Kristallen, wodurch die Schichtqualität der Si-Dünnschicht deutlich verbessert wird. Teilweise wird auch von einer Flüssigphasen-Rekristallisation gesprochen. Nicht zu verwechseln ist die Flüssigphasenkristallisation aber mit dem Aufziehen von Si-Kristallen aus der flüssigen Schmelze (korrekt hier Flüssigphasenepitaxie, nicht Flüssigphasenkristallisation).Liquid phase crystallization is one of the processes for crystallizing amorphous or polycrystalline Si films. A very thin Si film is advantageously applied to an inexpensive substrate. After it has solidified, the Si film is (re) crystallized locally by applying energy via a laser or electron beam. If the melting point of the silicon is exceeded, it is a liquid phase crystallization. The Si layer melts locally and crystallizes in a controlled manner in desirable larger and large crystals, which significantly improves the layer quality of the Si thin layer. Sometimes there is also talk of liquid phase recrystallization. The liquid phase crystallization should not be confused with the pulling up of Si crystals from the liquid melt (correct here liquid phase epitaxy, not liquid phase crystallization).
Aus der
Der der Erfindung nächstliegende Stand der Technik ist aus der Veröffentlichung von M. Moreno, D. Daineka and P. Roca i Cabarrocas: „Plasmas for texturing, cleaning, and deposition: towards a one pump down process for heterojunction solar cells“, Phys. Status Solidi C7, No. 3-4, 1112-1115 (2010) bekannt. Hier wird der Einsatz eines Plasmas für verschiedene aufeinanderfolgende Verfahrensschritte in Form von Deposition, Reinigung und Texturierung einer Siliziumschicht in zumindest einer Prozesskammer einer Plasmaanlage beschrieben. Die Anwendung der plasmagestützten Verfahrensschritte wird aber ausschließlich auf Si-Wafer als Siliziumdickschicht für waferbasierte c-Si-HIT-Solarzellen beschränkt und beinhaltet ausschließlich Ätzprozesse. Der Veröffentlichung entsprechen die beiden amerikanischen Patente
Aus der
Weiterhin ist es aus der
AufgabenstellungTask
Ausgehend von einem Verfahren zur Anschlussprozessierung einer Siliziumschicht unter Einsatz eines Plasmas für Texturierung, Reinigung und Deposition in zumindest einer Prozesskammer einer Plasmaanlage ist die Aufgabe für die vorliegende Erfindung darin zu sehen, einen optimalen Verfahrensweg unter alleiniger Plasmaunterstützung für eine Anschlussprozessierung von n- oder p-dotierten kristallinen dünnen Silizium-Absorberschichten auf einem Substrat anzugeben, wobei die kristalline Struktur der dünnen Silizium-Absorberschicht durch Flüssigphasenkristallisation erzeugt wurde. Dabei sollen die Qualität und damit der Wirkungsgrad der speziellen dünnen Silizium-Absorberschichten erhöht und der apparative und finanzielle Aufwand für die Anschlussprozessierung verringert werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den Unteransprüchen zu entnehmen, die im Folgenden zusammen mit der Erfindung näher erläutert werden.Based on a method for the connection processing of a silicon layer using a plasma for texturing, cleaning and deposition in at least one process chamber of a plasma system, the task of the present invention is to be seen in an optimal method path with sole plasma support for a connection processing of n- or p- indicate doped crystalline thin silicon absorber layers on a substrate, wherein the crystalline structure of the thin silicon absorber layer was generated by liquid phase crystallization. The aim is to increase the quality and thus the efficiency of the special thin silicon absorber layers and reduce the equipment and financial outlay for connection processing. This object is achieved according to the invention by the features of claim 1. Advantageous embodiments of the method according to the invention can be found in the dependent claims, which are explained in more detail below together with the invention.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sind zumindest nachfolgende Verfahrensschritte grundsätzlich vorgesehen:
- I. Bereitstellen einer n- oder p-dotierten kristallinen dünnen Silizium-Absorberschicht mit durch Flüssigphasenkristallisation erzeugter Struktur auf einem Substrat,
- II. plasmachemisches Ätzen der dünnen Silizium-Absorberschicht in einem fluoridhaltigen Prozessgas zum Schichtabtrag von natürlichem Oberflächenoxid und defektreichem Material in einem Schichtdickenbereich zwischen 100 nm und 500 nm,
- III. plasmachemische Wasserstoffpassivierung der zuvor plasmachemisch geätzten dünnen Silizium-Absorberschicht in einem Wasserstoffplasma und
- IV. plasmachemisches Ätzen der zuvor plasmachemisch wasserstoffpassivierten dünnen Silizium-Absorberschicht in einem fluoridhaltigen Prozessgas zum Schichtabtrag von defektreichem Material in einem Schichtdickenbereich zwischen 100 nm und 500 nm.
- I. providing an n- or p-doped crystalline thin silicon absorber layer with a structure produced by liquid phase crystallization on a substrate,
- II. Plasma-chemical etching of the thin silicon absorber layer in a fluoride-containing process gas for layer removal of natural surface oxide and material rich in defects in a layer thickness range between 100 nm and 500 nm,
- III. plasma-chemical hydrogen passivation of the previously plasma-chemically etched thin silicon absorber layer in a hydrogen plasma and
- IV. Plasma-chemical etching of the previously plasma-chemical, hydrogen-passivated thin silicon absorber layer in a fluoride-containing process gas for layer removal of defective material in a layer thickness range between 100 nm and 500 nm.
Die Erfindung zielt auf den Einsatz einer direkten Abfolge verschiedener Plasmaprozesse zur Verbesserung eines LPC-Si-Absorbers, also eine Qualitätsverbesserung von dünnen Silizium-Absorberschichten, die für einen Einsatz in Dünnschicht-Solarzellen besonders gut geeignet sind, durch eine integrierte Abfolge ausschließlich von Plasma-Prozessen ab. Das erfindungsgemäße Verfahren befasst sich mit der Nachbehandlung von dünnen LPC-Si-Absorberschichten („All Plasma Processes for a LPC-Silicon Absorber Upgrade Sequence“, Akronym APPLAUSE). Dabei ist zum einen die spezielle Folge der Prozessschritte und zum anderen die Anwendung der Prozesskette auf LPC-Si-Material und damit die Anwendung für Dünnschicht-Solarzellen mit hohem Wirkungsgrad neu und überraschend. Durch eine vereinfachte Folge von Verfahrensschritten mit einer direkten Abfolge verschiedener Plasmaprozesse werden die Qualität der dünnen Silizium-Absorberschicht und des pn-Übergangs bei der Anschlussprozessierung zur Solarzelle verbessert. Der APPLAUSE-Prozess stellt gegenüber einer denkbaren Weiterverarbeitung des LPC-Si-Absorbers mit einer Mischung aus nasschemischen und plasmachemischen Verfahrensschritten eine deutliche Vereinfachung der Prozesskette dar. Diese Vereinfachung führt zu einer Kostenersparnis auf Grund eines reduzierten Einsatzes von Apparaturen, Materialien und Zeit sowie zu einer höheren Reproduzierbarkeit des gesamten Herstellungsprozesses von Solarzellen mit dünnen LPC-Si-Absorberschichten.The invention aims at the use of a direct sequence of different plasma processes to improve an LPC-Si absorber, i.e. an improvement in the quality of thin silicon absorber layers, which are particularly well suited for use in thin-film solar cells, through an integrated sequence exclusively of plasma Processes. The method according to the invention deals with the aftertreatment of thin LPC-Si absorber layers (“All Plasma Processes for a LPC-Silicon Absorber Upgrade Sequence”, acronym APPLAUSE). On the one hand the special sequence of the process steps and on the other hand the application of the process chain to LPC-Si material and thus the application for thin-film solar cells with high efficiency is new and surprising. A simplified sequence of process steps with a direct sequence of different plasma processes improves the quality of the thin silicon absorber layer and the pn junction during the connection processing to the solar cell. Compared to a conceivable further processing of the LPC-Si absorber with a mixture of wet-chemical and plasma-chemical process steps, the APPLAUSE process represents a significant simplification of the process chain. This simplification leads to cost savings due to reduced use of equipment, materials and time as well as higher reproducibility of the entire manufacturing process of solar cells with thin LPC-Si absorber layers.
Aufgrund der relativ geringen zu fahrenden Substrattemperaturen bei dem Verfahren nach der Erfindung ist es möglich, die dünne Silizium-Absorberschicht auf einem Substrat aus Glas in die Prozesskammer einzubringen, welches besonders kostengünstig ist. Dabei kann sich eine Barrieren- und Haftschicht zwischen der dünnen Silizium-Absorberschicht und dem Substrat aus Glas befinden, sodass die dünne Silizium-Absorberschicht besonders gut haftet und keine atomaren Verunreinigungen aus dem Glas in die dünne Silizium-Absorberschicht diffundieren können.Due to the relatively low substrate temperatures to be driven in the process according to the In accordance with the invention, it is possible to introduce the thin silicon absorber layer into the process chamber on a substrate made of glass, which is particularly inexpensive. A barrier and adhesive layer can be located between the thin silicon absorber layer and the substrate made of glass, so that the thin silicon absorber layer adheres particularly well and no atomic impurities from the glass can diffuse into the thin silicon absorber layer.
Solarzellen mit speziellen dünnen LPC-Si-Absorberschichten sind bislang nicht kommerziell erhältlich. Ein kompletter Herstellungsprozess einer auf LPC-Si basieren Solarzelle ist nicht Stand der Technik und wird bislang nur in einzelnen Laboren der oben genannten Entwickler erprobt. Der dort eingesetzte konventionelle Herstellungsprozess ist denkbar als eine Kombination aus nasschemischen Verfahrensschritten unter Atmosphärendruck zum Schichtabtrag und zur Strukturierung und plasmachemischen Verfahrensschritten im Vakuum zumindest zur Schichtdepositionen und zur Wasserstoffpassivierung, wobei die nasschemischen und die plasmachemischen Verfahrensschritte zwingend in verschiedenen Prozesskammern durchgeführt werden müssen.Solar cells with special thin LPC-Si absorber layers have not yet been commercially available. A complete manufacturing process for a solar cell based on LPC-Si is not state of the art and has so far only been tested in individual laboratories of the developers mentioned above. The conventional manufacturing process used there is conceivable as a combination of wet-chemical process steps under atmospheric pressure for layer removal and structuring and plasma-chemical process steps in a vacuum, at least for layer deposition and hydrogen passivation, with the wet-chemical and plasma-chemical process steps necessarily having to be carried out in different process chambers.
Alle Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens können in einer typischen PECVD-Prozesskammer durchgeführt werden, wie sie industriell seit vielen Jahren erfolgreich in breiter Anwendung sind. Daher ist APPLAUSE ohne Weiteres auf große Flächen von mehreren Quadratmetern anwendbar. Die Vorteile von APPLAUSE gegenüber einer denkbaren gemischten, konventionellen Prozesskette sind:
- • weniger apparativer Aufwand, da alle Prozesse in einer oder zwei Vakuum- bzw. PECVD-Prozesskammern stattfinden können. Da die Wasserstoffpassivierung ohnehin eine solche Kammer erfordert, entfallen alle nasschemischen Anlagen. Auch für die PECVD der intrinsischen Pufferschicht (optional) und der Emitterschicht ist dann keine gesonderte Apparatur mehr erforderlich,
- • deutlich höhere Prozessgeschwindigkeit, d.h. erhöhter Durchsatz. In der konventionellen Prozesskette ist zweimaliges Ein- bzw. Ausschleusen in bzw. aus einer Vakuumkammer erforderlich, während dies in APPLAUSE nur einmalig geschehen muss,
- • weniger Materialverbrauch, da die plasmagestützten Prozesse keine chemischen Säuren bzw. Basen erfordern. Der Einsatz der Prozessgase zum Ätzen kann minimiert werden, wenn das Plasmaätzen gleichzeitig zur ohnehin notwendigen Kammerreinigung genutzt wird.
- • Less expenditure on equipment, since all processes can take place in one or two vacuum or PECVD process chambers. Since the hydrogen passivation requires such a chamber anyway, there is no need for any wet chemical systems. Separate apparatus is no longer required for the PECVD of the intrinsic buffer layer (optional) and the emitter layer either,
- • Significantly higher process speed, ie increased throughput. In the conventional process chain, it is necessary to transfer in and out of a vacuum chamber twice, while in APPLAUSE this only needs to be done once,
- • Less material consumption, as the plasma-based processes do not require chemical acids or bases. The use of process gases for etching can be minimized if the plasma etching is used at the same time for cleaning the chamber, which is necessary anyway.
Beim plasmachemischen Ätzen der Oberfläche der dünnen Absorberschicht erfolgt bei der Erfindung gezielt ein merklicher Materialabtrag in einem Schichtdickenbereich zwischen 100 nm und 500 nm. Dies ist besonders wichtig beim Einsatz von dünnen LPC-Si-Absorberschichten, weil sich während der (Re-)Kristallisation deutliche Oxidschichten bilden. Grundsätzlich wird bei der Erfindung das plasmachemische Ätzen daher durchgeführt, um Oxidschichten und defektreiches Material von der gesamten Oberfläche der dünnen Silizium-Absorberschicht, das deren Funktionalität stark einschränken würde, zu entfernen. Vorteilhaft und bevorzugt ist es weiterhin, wenn zusätzlich mittels plasmachemischem Ätzen eine Textur in die Oberfläche der dünnen Absorberschicht eingeätzt wird. Dabei dient die Textur durch bewirkte Lichtstreuung einer weiteren Erhöhung der Absorption. Auch dieser Verfahrensschritt kann plasmaunterstützt in ein und derselben Prozesskammer durchgeführt werden. Ebenfalls in derselben Prozesskammer kann vorteilhaft und bevorzugt anschließend eine plasmachemische Dünnschicht-Deposition einer intrinsischen Pufferschicht und/oder einer p- oder n-dotieren Emitterschicht durchgeführt werden. Alle Verfahrensschritte werden ohne aufwändiges Ein- und Ausschleusen mit Belüften und anschließendem erneuten Evakuieren kosten- und zeitsparend durchgeführt.With the plasma-chemical etching of the surface of the thin absorber layer, the invention specifically results in a noticeable material removal in a layer thickness range between 100 nm and 500 nm. This is particularly important when using thin LPC-Si absorber layers, because during the (re) crystallization Form oxide layers. In principle, the plasma-chemical etching is carried out in the invention in order to remove oxide layers and defect-rich material from the entire surface of the thin silicon absorber layer, which would severely limit its functionality. It is also advantageous and preferred if a texture is additionally etched into the surface of the thin absorber layer by means of plasma-chemical etching. The texture serves to further increase absorption through light scattering. This process step can also be carried out with plasma support in one and the same process chamber. A plasma-chemical thin-layer deposition of an intrinsic buffer layer and / or a p- or n-doped emitter layer can also advantageously and preferably then be carried out in the same process chamber. All process steps are carried out in a cost-saving and time-saving manner without laborious transferring in and out with ventilation and subsequent renewed evacuation.
Verfahrenstechnisch ist es bevorzugt und vorteilhaft, wenn das plasmachemische Ätzen in dem fluoridhaltigen Prozessgas mit einem Prozessdruck kleiner 1000 Pa und einer Substrattemperatur zwischen 200°C und 600°C durchgeführt wird. Für die plasmachemische Wasserstoffpassivierung mit einem Wasserstoff-Prozessgas ist es vorteilhaft, wenn bei einem Prozessdruck kleiner 1000 Pa und einer Substrattemperatur zwischen 400°C und 600°C passiviert wird.In terms of process technology, it is preferred and advantageous if the plasma-chemical etching is carried out in the fluoride-containing process gas with a process pressure of less than 1000 Pa and a substrate temperature between 200 ° C. and 600 ° C. For the plasma chemical hydrogen passivation with a hydrogen process gas, it is advantageous if passivation is carried out at a process pressure of less than 1000 Pa and a substrate temperature between 400 ° C. and 600 ° C.
Um eine tiefergehende Beschädigung der dünnen Absorberschicht beim Plasmaätzen sicher zu verhindern, ist es vorteilhaft und bevorzugt, das plasmachemische Ätzen mit dem Plasmagas einer Plasmaquelle durchzuführen, die räumlich entfernt von der dünnen Absorberschicht in einer externen Plasmakammer aktiv ist (RPS Remote Plasma Source). Dabei gelangen dann nur Prozessgas-Radikale, insbesondere Fluor-Radikale, und keine Prozessgas-Ionen in die Prozessgaskammer, die die dünne Absorberschicht bei einem direkten Plasma beschädigen könnten. RPS-Prozesse werden in der Regel für die Kammerreinigung eingesetzt, d.h. sie sind in vielen PECVD-Prozesskammern bereits vorhanden. Bei dem Verfahren nach der Erfindung kann vorteilhaft und bevorzugt ein NF3:Ar-Prozessgasgemisch in einem Verhältnis von 1:10 eingesetzt werden. Dabei wird bevorzugt und vorteilhaft ein Prozessdruck zwischen 10 Pa und 100 Pa bei einer Prozessdauer zwischen 30 s und 300 s und einer Substrattemperatur zwischen 200°C und 400°C gefahren. Ein RPS-Plasma mit dem genannten speziellen Prozessgasgemisch wurde bislang noch bei keinem plasmachemischen Silizium-Ätzprozess eingesetzt. Auch die Verwendung von NF3 als Prozessgas ist unüblich (für Plasmaprozesse wird in der Regel SF6 oder SiF4 eingesetzt), dieses Gas wird bislang eher im Zusammenhang mit der Reinigung der Prozesskammern eingesetzt. Insbesondere bei dem wichtigen Materialabtrag von defektreichem Silizium aus der dünnen LPC-Si-Absorberschicht hat der Einsatz eines RPS-Prozesses besondere Vorteile gegenüber Plasmaätzen mit aktiven direkten Plasmaquellen, weil er zu weniger Schädigungen in der dünnen Absorberschicht führt.In order to reliably prevent deeper damage to the thin absorber layer during plasma etching, it is advantageous and preferred to carry out the plasma chemical etching with the plasma gas of a plasma source that is active in an external plasma chamber (RPS remote plasma source) spatially remote from the thin absorber layer. Only process gas radicals, in particular fluorine radicals, and no process gas ions, which could damage the thin absorber layer in a direct plasma, then get into the process gas chamber. RPS processes are usually used for chamber cleaning, ie they are already present in many PECVD process chambers. In the method according to the invention, an NF 3 : Ar process gas mixture in a ratio of 1:10 can advantageously and preferably be used. A process pressure between 10 Pa and 100 Pa is preferred and advantageous for a process time between 30 s and 300 s and a substrate temperature driven between 200 ° C and 400 ° C. An RPS plasma with the aforementioned special process gas mixture has not yet been used in any plasma-chemical silicon etching process. The use of NF 3 as a process gas is also unusual (SF 6 or SiF 4 is usually used for plasma processes); this gas has so far been used more in connection with cleaning the process chambers. In particular with the important material removal of defect-rich silicon from the thin LPC-Si absorber layer, the use of an RPS process has particular advantages over plasma etching with active direct plasma sources, because it leads to less damage to the thin absorber layer.
Der Verfahrensschritt der plasmachemischen Wasserstoffpassivierung kann bevorzugt und vorteilhaft mittels kapazitiv gekoppeltem RF-Plasma mit 13,56 MHz Anregungsfrequenz des Wasserstoffprozessgases in einer Parallelplattenanordnung durchgeführt werden. Dabei können der Prozessdruck zwischen 100 Pa und 1000 Pa, die Substrattemperatur zwischen 400°C und 600°C, die Prozessdauer zwischen 5 min und 30 min und die RF-Leistungsdichte zwischen 0,02 W/cm2 und 0,2 W/cm2 gewählt sein. Weiterhin kann bei der plasmachemischen Wasserstoffpassivierung bevorzugt die Substrattemperatur am Ende der Wasserstoffpassivierung auf 200°C gesenkt werden, wobei das Wasserstoffplasma erst dann abgeschaltet wird, wenn die Substrattemperatur unter 300°C gesunken ist.The process step of the plasma-chemical hydrogen passivation can preferably and advantageously be carried out by means of capacitively coupled RF plasma with 13.56 MHz excitation frequency of the hydrogen process gas in a parallel plate arrangement. The process pressure can be between 100 Pa and 1000 Pa, the substrate temperature between 400 ° C and 600 ° C, the process time between 5 min and 30 min and the RF power density between 0.02 W / cm 2 and 0.2 W / cm 2 must be selected. Furthermore, in the case of plasma-chemical hydrogen passivation, the substrate temperature at the end of the hydrogen passivation can preferably be lowered to 200 ° C., the hydrogen plasma only being switched off when the substrate temperature has fallen below 300 ° C.
Bei der zuvor beschriebenen Art der Passivierung von Siliziumdefekten mittels Wasserstoffplasma kann weiterhin vorteilhaft und bevorzugt vorgesehen sein, dass SiH4 (Silan) zum Wasserstoff-Prozessgas mit einem Verhältnis H2:SiH4 von 1:10 am Ende der Wasserstoffpassivierung hinzugemischt wird, wobei dann eine 10 nm bis 200 nm Deckschicht aus amorphem, wasserstoffgesättigten Silizium auf die dünne Absorberschicht mittels PECVD abgeschieden wird. Diese erfolgt vorteilhaft und bevorzugt bei einem Prozessdruck zwischen 100 Pa und 1000 Pa. Dabei bleibt das RF-Plasma bis zum Ende der Deposition aktiv und wird erst dann abgeschaltet. Erst nach dem Abschalten des RF-Plasmas wird dann die Substrattemperatur auf 200°C gesenkt. Das Abscheiden einer 10 bis 200 nm dicken Deckschicht aus amorphem Silizium (a-Si:H) mittels PECVD auf die passivierte dünne Silizium-Absorberschicht ist bei einem solchen plasmachemischen Prozess ebenfalls neu und garantiert eine gute Passivierung der dünnen Absorberschicht. Durch die Deckschicht wird ein Hinausdiffundieren von Wasserstoff, das normalerweise bei Temperaturen ab 400°C auftritt, aus der dünnen Absorberschicht verhindert. Da die Diffusion durch die Deckschicht verhindert wird, kann bei dieser Ausführungsform auch ein Abkühlprozess ohne aktives Plasma stattfinden, was aus produktionstechnischer Sicht sehr vorteilhaft ist.In the previously described type of passivation of silicon defects by means of hydrogen plasma, it can also advantageously and preferably be provided that SiH 4 (silane) is added to the hydrogen process gas with a ratio of H 2 : SiH 4 of 1:10 at the end of the hydrogen passivation, in which case a 10 nm to 200 nm cover layer made of amorphous, hydrogen-saturated silicon is deposited on the thin absorber layer by means of PECVD. This takes place advantageously and preferably at a process pressure between 100 Pa and 1000 Pa. The RF plasma remains active until the end of the deposition and is only then switched off. Only after switching off the RF plasma is the substrate temperature lowered to 200 ° C. The deposition of a 10 to 200 nm thick cover layer of amorphous silicon (a-Si: H) using PECVD on the passivated thin silicon absorber layer is also new in such a plasma-chemical process and guarantees good passivation of the thin absorber layer. The cover layer prevents hydrogen from diffusing out of the thin absorber layer, which normally occurs at temperatures above 400 ° C. Since diffusion through the cover layer is prevented, in this embodiment a cooling process can also take place without active plasma, which is very advantageous from a production point of view.
Bevorzugt und vorteilhaft können alle Verfahrensschritte in einer einzigen Prozesskammer durchgeführt werden. Das zeitaufwändige Schleusen in unterschiedliche Kammern entfällt. Das Substrat ist aber in der Prozesskammer jeweils auf unterschiedliche Temperaturen zu heizen, dies gilt insbesondere für die Wasserstoffpassivierung mit Bildung einer Deckschicht. Deshalb ist es für diese Ausführungsform bevorzugt und vorteilhaft, wenn die Verfahrensschritte ohne die Wasserstoffpassivierung in einer ersten Prozesskammer und die Verfahrensschritte der Wasserstoffpassivierung mit Bildung einer Deckschicht in einer zweiten Prozesskammer durchgeführt werden. Weitere Details und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen zu entnehmen.Preferably and advantageously, all process steps can be carried out in a single process chamber. There is no need for time-consuming locks in different chambers. However, the substrate must be heated to different temperatures in the process chamber; this applies in particular to hydrogen passivation with the formation of a cover layer. It is therefore preferred and advantageous for this embodiment if the process steps are carried out without hydrogen passivation in a first process chamber and the process steps with hydrogen passivation with formation of a cover layer are carried out in a second process chamber. Further details and advantageous configurations of the invention can be found in the exemplary embodiments described below.
FigurenlisteFigure list
Ausbildungsformen des Verfahrens für die Anschlussprozessierung von dünnen LPC-Si-Absorberschichten nach der Erfindung werden nachfolgend anhand der nicht-maßstäblichen, schematischen Figuren zum weiteren Verständnis der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt:
-
1 eine schematische Darstellung der prinzipiellen Anschlussprozessierung, -
2 ein Detail der Anschlussprozessierung mit RPS-Plasma für das Plasmaätzen, -
3 ein Detail der Anschlussprozessierung mit RF-Plasma für die Plasma-Defektpassivierung, -
4 ein Detail der Anschlussprozessierung mit RF-Plasma für die Plasma-Defektpassivierung und Deponieren einer Deckschicht, -
5 eine Variante der Anschlussprozessierung in zwei Prozesskammern und -
6 eine schematische Darstellung der Anschlussprozessierung bis zur Dünnschicht-Solarzelle mit Absorber-Textur und Hetero-Puffer- und -Emitterschicht.
-
1 a schematic representation of the basic follow-up processing, -
2 a detail of the connection processing with RPS plasma for plasma etching, -
3 a detail of the connection processing with RF plasma for the plasma defect passivation, -
4th a detail of the connection processing with RF plasma for the plasma defect passivation and depositing a cover layer, -
5 a variant of the connection processing in two process chambers and -
6th a schematic representation of the connection processing up to the thin-film solar cell with absorber texture and hetero buffer and emitter layer.
In der
- I. Bereitstellen einer dünnen Silizium-
Absorberschicht 01 ineiner ersten Prozesskammer 02 . Die kristalline Struktur der dünnen Silizium-Absorberschicht 01 wurde durch Flüssigphasenkristallisation LPC erzeugt (LPC-Si). Die dünne Silizium-Absorberschicht 01 ist unter Zwischenlage einer Barriere-und Haftschicht 03 auf einem Substrat04 aus Glas angeordnet. Auf der Oberfläche der dünnen Silizium-Absorberschicht 01 befindet sich durch den Luftkontakt eine Schicht aus einem natürlichen Oberflächenoxid05 .Die Prozesskammer 02 wird evakuiert (Vakuum). - II. Plasmachemisches Ätzen der Oberfläche der dünnen Silizium-
Absorberschicht 01 zum Schichtabtrag vondem natürlichen Oberflächenoxid 05 , gefolgt von einem Abtragvon defektreichem Material 09 der obersten 100 nm bis 500 nm von der Oberfläche der dünnen Silizium-Absorberschicht 01 unter Nutzungvon fluorhaltigen Prozessgasen 06 , Gasdrücken unter 1000 Pa und einer Substrattemperatur zwischen 200°C und 600°C. - III. Plasmachemische Wasserstoffpassivierung der vom natürlichen Oberflächenoxid
05 und defektreichemMaterial 09 befreiten Oberfläche der dünnen Silizium-Absorberschicht 01 in einem Wasserstoffplasma zur Passivierung von Defekten im Silizium unter Nutzung von Wasserstoff-Prozessgas 08 und Gasdrücken unter 1000 Pa und einer Substrattemperatur zwischen 400 und 600°C. Unterhalb der Oberfläche der dünnen Silizium-Absorberschicht 01 bildet sich wiederum ein Bereichaus defektreichem Material 09 aus. - IV. Plasmachemisches Ätzen der Oberfläche der dünnen Silizium-
Absorberschicht 01 zum Schichtabtragvon defektreichem Material 09 . Es erfolgt ein direkt auf Verfahrensschritt III folgender erneuter Abtragvon defektreichem Material 09 von der Oberfläche der dünnen Silizium-Absorberschicht 01 wie in Schritt II beschrieben.
- I. Providing a thin
silicon absorber layer 01 in afirst process chamber 02 . The crystalline structure of the thinsilicon absorber layer 01 was through Liquid phase crystallization LPC generated (LPC-Si). The thinsilicon absorber layer 01 is interposed with a barrier andadhesive layer 03 on asubstrate 04 arranged from glass. On the surface of the thinsilicon absorber layer 01 there is a layer of natural surface oxide due to contact withair 05 . Theprocess chamber 02 is evacuated (vacuum). - II. Plasma-chemical etching of the surface of the thin
silicon absorber layer 01 for removing layers from thenatural surface oxide 05 , followed by the removal ofdefective material 09 the top 100 nm to 500 nm from the surface of the thinsilicon absorber layer 01 using fluorine-containingprocess gases 06 , Gas pressures below 1000 Pa and a substrate temperature between 200 ° C and 600 ° C. - III. Plasma chemical hydrogen passivation of the
natural surface oxide 05 anddefective material 09 freed surface of the thinsilicon absorber layer 01 in a hydrogen plasma to passivate defects in silicon usinghydrogen process gas 08 and gas pressures below 1000 Pa and a substrate temperature between 400 and 600 ° C. Below the surface of the thinsilicon absorber layer 01 In turn, an area of defect-rich material is formed09 out. - IV. Plasma-chemical etching of the surface of the thin
silicon absorber layer 01 for layer removal ofdefective material 09 . There is a renewed removal of defect-rich material directly followingprocess step III 09 from the surface of the thinsilicon absorber layer 01 as described in step II.
Die Verfahrensschritte II und IV können auch alternativ zu der Plasmaquelle
Der Verfahrensschritt III (Wasserstoff- Defektpassivierung) kann mittels eines kapazitiv-gekoppelten RF-Plasmas (RF Radio Frequency) mit 13,56 MHz Anregungsfrequenz in einer Parallelplattenanordnung
Alternativ kann bei dem zuvor erläuterten Verfahrensschritt III (Passivierung von Siliziumdefekten mittels Wasserstoffplasma) das Substrat
Die Verfahrensschritte I bis IV können hintereinander in der Prozesskammer
- a. Aufheizen des Substrats
03 auf 200°C - b. Schichtabtragen mittels RPS-Prozess und NF3:
Ar Prozessgas 12 wie in2 beschrieben - c. Aufheizen des Substrats
03 auf 400°bis 600°C - d. Defektpassivieren mittels RF-Plasma einschließlich dem integrierten Abkühlen des Substrats
03 auf 200°C, wie in3 beschrieben - e. Schichtabtragen mittels RPS-Prozess und NF3:
Ar Prozessgas 12 wie in2 beschrieben
- a. Heating the
substrate 03 to 200 ° C - b. Layer removal using the RPS process and NF 3 :
Ar process gas 12 as in2 described - c. Heating the
substrate 03 to 400 ° to 600 ° C - d. Defect passivation using RF plasma including integrated cooling of the
substrate 03 to 200 ° C, as in3 described - e. Layer removal using the RPS process and NF 3 :
Ar process gas 12 as in2 described
Alternativ können auch zwei Prozesskammern
- a. Aufheizen des Substrats
03 inder Prozesskammer 02 auf 200°C. - b. Schichtabtragen mittels RPS-Prozess und NF3:
Ar Prozessgas 12 wie in2 beschrieben. - c. Überführen des Substrats
03 indie Prozesskammer 16 und Aufheizen des Substrats03 auf 400°bis 600°C. - d. Defektpassivieren mittels RF-Plasma in
Prozesskammer 16 einschließlich des direkt folgenden Abscheidens der a-Si:H-Deckschicht 15, wie in4 beschrieben - e. Rücküberführen des Substrats
03 indie Prozesskammer 02 und Abkühlen des Substrats03 auf 200°C inder Prozesskammer 02 - f. Schichtabtragen mittels RPS-Prozess und NF3:
Ar Prozessgas 12 wie in2 beschrieben.
- a. Heating the
substrate 03 in theprocess chamber 02 to 200 ° C. - b. Layer removal using the RPS process and NF 3 :
Ar process gas 12 as in2 described. - c. Transferring the
substrate 03 into theprocess chamber 16 and heating thesubstrate 03 to 400 ° to 600 ° C. - d. Defect passivation using RF plasma in the
process chamber 16 including the immediately following deposition of the a-Si:H top layer 15, as in FIG4th described - e. Transferring the substrate back
03 into theprocess chamber 02 and cooling thesubstrate 03 to 200 ° C in theprocess chamber 02 - f. Layer removal using the RPS process and NF 3 :
Ar process gas 12 as in2 described.
Im Anschluss an den Verfahrensschritt IV (optional wurde zuvor Verfahrensschritt III - nur Wasserstoffpassivierung - oder Verfahrensschritt IIIa - Wasserstoffpassivierung mit Deposition der Deckschicht
Zur Fertigstellung einer Dünnschicht-Solarzelle erfolgen dann noch eine Zellkontaktierung und ggfs. eine Modulverschaltung, die aber nicht Teil des beanspruchten Verfahrens sind.To complete a thin-film solar cell, cell contacting and, if necessary, module interconnection then take place, but these are not part of the claimed method.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 0101
- dünne Silizium-Absorberschicht (LPC-Si)thin silicon absorber layer (LPC-Si)
- 0202
- erste Prozesskammerfirst process chamber
- 0303
- Barriere- und HaftschichtBarrier and adhesive layer
- 0404
- SubstratSubstrate
- 0505
- OberflächenoxidschichtSurface oxide layer
- 0606
- ProzessgasProcess gas
- 0808
- Wasserstoff-ProzessgasHydrogen process gas
- 0909
- defektreiches MaterialDefective material
- 1010
- interne Plasmaquelleinternal plasma source
- 1111
- externe Plasmaquelle (RPS)external plasma source (RPS)
- 1212
- ProzessgasgemischProcess gas mixture
- 1414th
- ParallelplattenanordnungParallel plate arrangement
- 1515th
- DeckschichtTop layer
- 1616
- zweite Prozesskammersecond process chamber
- 1717th
- intrinsische Pufferschichtintrinsic buffer layer
- 1818th
- EmitterschichtEmitter layer
- 2020th
- Texturtexture
- 2222nd
- externe Plasmakammer für RPSexternal plasma chamber for RPS
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