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Technisches Anwendungsgebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung der
Reflexion an Halbleiteroberflächen,
bei dem ein oder mehrere Bereiche der Halbleiteroberfläche mit
gebündelter
Laserstrahlung so bearbeitet werden, dass reflexionsmindernde Vertiefungen
mit einem bestimmten Aspektverhältnis
in der Halbleiteroberfläche
entstehen, und die ein oder mehreren Bereiche anschließend einem Ätzprozess unterzogen
werden.
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Ein
Anwendungsgebiet des vorliegenden Verfahrens betrifft die Erhöhung der
Lichteinkopplung in Halbleiteroberflächen im Bereich der Solarzellenfertigung,
insbesondere der Einkopplung von Sonnenlicht in Siliziumsolarzellen.
Bei der industriellen Fertigung von Solarzellen wird angestrebt,
diese mit möglichst
hohem Wirkungsgrad, d. h. einer möglichst hohen elektrischen
Stromausbeute aus dem auf die Solarzelle eintreffenden solaren Energiefluss,
herzustellen und zugleich den Fertigungsaufwand und damit die Herstellungskosten
gering zu halten.
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Solarzellen
bestehen üblicherweise
aus einem Halbleitermaterial, in den meisten Fällen aus Silizium, das n- bzw.
p-dotierte Halbleiterbereiche aufweist. Die Halbleiterbereiche werden
in bekannter Weise als Emitter bzw. Basis bezeichnet. Durch auf die
Solar zellenoberfläche
einfallendes Licht werden innerhalb der Solarzelle positive und
negative Ladungsträger
erzeugt, die an der Grenzfläche
zwischen dem n-(Emitter)
und p-dotierten (Basis) Halbleiterbereich, am sog. pn-Übergang,
räumlich
voneinander getrennt werden. Mittels metallischer Kontakte, die
mit dem Emitter und der Basis verbunden sind, können diese voneinander getrennten
Ladungsträger abgeführt werden.
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In
der einfachsten Form bestehen Solarzellen aus ganzflächigen Basis-
und Emitterbereichen, wobei der Emitter auf der dem Licht zugewandten Seite,
der Vorderseite der Solarzelle, liegt. 1 zeigt ein Beispiel für den prinzipiellen
Aufbau einer Solarzelle 1. Zur elektrischen Kontaktierung
der Basis 2 wird für
gewöhnlich
die Rückseite
der Solarzelle 1 mit einer ganzflächigen Metallschicht 4 versehen, auf
die geeignete Rückseitenkontakt-Leiterbahnen 8 aufgebracht
sind. Der Emitterbereich 3 wird mit einem Metall-Grid 6 kontaktiert,
das eine Fingerstruktur aufweist, um möglichst wenig Solarzellenfläche für die Lichteinkopplung
zu verdecken. Zur Optimierung der Leistungsausbeute der Solarzelle 1 müssen die optischen
Verluste aufgrund von Reflexion des einfallenden Lichtes möglichst
klein gehalten werden. Dies kann durch die Abscheidung einer Antireflexschicht 7 auf
der Vorderseite der Solarzelle 1 erfolgen. Die Schichtdicke
der Antireflexschicht 7 ist so gewählt, dass sich im energetisch
wichtigsten Spektralbereich gerade destruktive Interferenz es reflektierten
Lichtes ergibt. Beispielhafte Materialien für diese Antireflexschichten
sind Titandioxid, Siliziumnitrid und Siliziumdioxid.
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Eine
weitere Möglichkeit
zur Verringerung der Reflexion an der vorderseitigen Oberfläche einer Solarzelle
besteht in der Strukturierung dieser Oberfläche, wie dies bspw. auch bei
der in 1 dargestellten
Solarzelle 1 durch die texturierte Oberfläche 9 erkennbar
ist. Die Antireflexschicht 7 folgt dabei dieser Oberflächenstruktur.
Durch die Strukturierung bzw. Texturierung der Halbleiteroberfläche kann
eine Erhöhung
der Einkopplungswahrscheinlichkeit des auf die Oberfläche einfallenden
Lichtes erreicht werden, wie dies anhand der Querschnittsdarstellung der 2 verdeutlicht wird, die
den Emitterbereich 3 sowie die auf den Emitter aufgebrachte
Antireflexschicht 7 in strukturierter Form zeigen. Ein
senkrecht einfallender, auf diese Oberflächenstruktur auftreffender
Lichtstrahl, dessen Strahlengang in der Figur dargestellt ist, wird
durch Reflexion an der Struktur nochmals auf die Oberfläche abgelenkt.
Somit wird im Vergleich zu einer glatten Oberfläche ein großer Anteil des einfallenden
Lichtes mehrfach an der Oberfläche
reflektiert, wodurch sich die Einkopplungswahrscheinlichkeit erhöht.
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Für die Strukturierung
der Vorderseite von Solarzellen sind unterschiedliche Techniken
bekannt. So kann die Halbleiteroberfläche bspw. mit Hilfe einer Drahtsäge mit einer
keilförmigen
Linienstruktur versehen werden. Die mit dieser mechanischen Abtragsart
erreichbaren Strukturgrößen liegen
im Bereich von etwa 100 μm.
Nach dem Sägen
ist ein nasschemischer Ätzschritt
erforderlich, um die durch den Sägeschritt
hervorgerufene starke Schädigung
der Oberfläche
zu beseitigen. Gerade bei dünnen
Wafern, wie sie heutzutage im Bereich der Solarzellenfertigung eingesetzt
werden, ist dieses Verfahren aufgrund der starken mechanischen Beanspruchung
der Wafer während
des Sägens
jedoch problematisch.
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Neben
dieser rein mechanischen Technik sind vor allem nasschemische Ätztechniken
zur Erzeugung der Oberflächenstrukturierung
bekannt. So können
anisotrope Ätzlösungen,
wie bspw. ein Lösungsgemisch
aus Kalilauge (KOH) und Isopropanol (IPA), eingesetzt werden, um
auf einkristallinem Siliziummaterial sog. statistisch verteilte
Pyramiden zu erzeugen, wie sie auch in der bereits erläuterten 1 erkennbar sind. Dabei
wird ausgenutzt, dass verschiedene Kristallrichtungen im einkristallinen
Silizium eine unterschiedliche Ätzwahrscheinlichkeit besitzen.
So wird in diesem Fall nur die <100> Kristallebene geätzt, in <111> Kristallebenen stoppt
hingegen der Ätzprozess
aufgrund höherer
Si-Bindungsstärken. Dieses
Verfahren führt
allerdings nur bei monokristallinem Material zu einer effektiven
Textur. Auf multikristallinem Ausgangsmaterial kann dagegen aufgrund
der unterschiedlichen Kristallorientierungen keine ganzflächig homogene
Textur erzeugt werden. Zudem entstehen bei der Handhabung und Entsorgung
der verwendeten Chemikalien hohe Kosten.
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Als
weitere nasschemische Ätztechnik
ist der Einsatz von isotropen Ätzlösungen,
bspw. einem Lösungsgemisch
aus Salpetersäure
(HNO3) und Flusssäure (HF), auf multikristallinem
Siliziummaterial bekannt. Dabei entsteht auf der Oberfläche eine
poröse Schicht,
die nachfolgend abgenommen werden muss. Im Gegensatz zum vorgenannten
Verfahren entsteht bei Einsatz dieser Ätzlösung eine Hügelstruktur auf der Oberfläche. Die
bislang mit dieser Ätztechnik
erreichte Reflexionsminderung ist jedoch relativ beschränkt. Auch
hier entstehen bei der Prozessierung und Entsorgung der Chemikalien
beträchtliche
Kosten.
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O.
Schultz et al., „Texturing
of multicrystalline silicon with acidic wet chemical etching and
plasma etching",
3rd WCPEC Osaka, Mai 2003, to be published,
beschreiben eine nasschemische Ätztechnik, bei
der eine vorab photolithographisch erzeugte Maske beim Ätzen eingesetzt
wird. Durch Belichtung, Entwicklung und Auswaschen eines photosensiblen Filmes,
dem sog. Ätzresist,
wird zunächst
eine Struktur auf der Halbleiteroberfläche definiert. Der anschließende Ätzschritt
mit Kalilauge erzeugt auf monokristallinem Silizium sog. invertierte
Pyramiden. Dabei werden die unterschiedlichen Ätzraten in den verschiedenen
Kristallrichtungen des Siliziums ausgenutzt. Mit dieser Ätztechnik
werden zwar hervorragend strukturierte Oberflächen mit sehr niedrigen Reflexionswerten
erreicht, aufgrund der hohen Anzahl von Prozessschritten eignet
sich diese Technik jedoch weniger für die industrielle Fertigung
als vielmehr für
den Einsatz im Labormaßstab.
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In
der gleichen Veröffentlichung
wird auch eine trockenchemische Ätztechnik
beschrieben, bei der ebenfalls vorab photolithographisch eine Struktur auf
der Oberfläche
definiert wird. Durch einen anschließenden trockenchemischen Plasmaätzschritt mit Ätzgasen,
wie Hexafluorid (SF6) mit geringen Beigaben an
Sauerstoff, werden die durch die Ätzmaske definierten Strukturen
geätzt.
Das Plasmaätzen
ist im Gegensatz zu nasschemischen Ätzverfahren unabhängig von
der Kristallorientierung, so dass ein isotroper Ätzabtrag erreicht wird. Beim
maskierten trockenchemischen Ätzen
entsteht somit durch die photolithographisch erzeugte Maske eine
Struktur ähnlich
einer Honigwabe. Aufgrund der photolithographischen Technik und
der damit verbundenen zusätzlichen
Prozessschritte eignet sich dieses Verfahren jedoch ebenso wenig
für eine
industrielle Anwendung wie die vorgenannte Technik.
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H.
W. Deckman et al., „Application
of surface textures produced with natural lithography", Journal of Vacuum
Science and Technology B, Volume 1, Issue 4 (1983), Seiten 1109–1112, setzen
eine andere Maskierungstechnik für
den nachfolgenden Plasmaätzschritt
ein. Bei diesem Verfahren, das auf natürlicher Lithographie basiert,
werden wässrige
Kolloidpartikel elektrostatisch aufgrund pH induzierter Hydrierung
und Hydroxylierung an der Siliziumoberfläche festgehalten. Aufgebracht
werden diese Schichten in der Regel durch Aufschleudern. Eine somit
erzeugte, einlagige Oberflächenschicht
mit zufällig
verteilter Struktur dient dann als Ätzmaske für den nachfolgenden Plasmaätzschritt,
bei dem die gleichen Ätzgase wie
bereits weiter oben beschrieben verwendet werden können. Das
Aufbringen und nachträgliche
Entfernen der Kolloidpartikel macht diesen Prozess für eine industrielle
Fertigung jedoch zu aufwendig.
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Aus
M. Schnell et al., "Plasma
surface texturisation for multicrystalline silicon solar cells", Proc. of the 28th
IEEE PVSEC, Anchorage, 2000, ist ein trockenchemisches Ätzverfahren
für die
Strukturierung von Halbleiteroberflächen bekannt, das vollkommen ohne
vorherigen Maskierungsschritt auskommt. Durch Verwendung von Schwefelhexafluorid
und Sauerstoff als Ätzgase
ist es in einem schmalen Prozessfenster möglich, Selbstmaskierungseffekte durch
sich an der Oberfläche
bildendes Siliziumdioxid auszunutzen. Neben dem maskierenden Oxid werden
zudem die zur Oberfläche
vertikalen Flächen durch
einen ätzhemmenden
Polymerfilm geschützt, so
dass eine nadelartige Struktur im Bereich. weniger Nanometer Größe entsteht.
Die auf diese Weise gefertigten Oberflächen zeigen von allen bisher
beschriebenen Verfahren die geringsten Reflexionswerte, da sich
durch die feine und tiefe Struktur ein optisches Verhalten ergibt,
das dem einer kontinuierlichen Anpassung des Brechungsindexes des
umgebenden Mediums an Silizium entspricht. Nachteilig wirkt sich
jedoch aus, dass bei Folgeprozessen der Bearbeitung der Halbleiteroberfläche die
filigrane Struktur leicht zerstört
werden kann, das Licht nahezu senkrecht in das Halbleitersubstrat
eingekoppelt wird und zudem eine ausreichende Passivierung dieser
enorm vergrößerten Oberfläche nicht
möglich
ist.
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Aus
J.C. Zolper et al., „16,7%
efficient, laser textured, buried contact polycrystalline silicon
solar cell", Applied
Physics Letters, 55 (22), November 1989, Seiten 2363–2365, und
aus dem diesbezüglich inhaltsgleichen
Patent
US 4626613 von
Wenhain und Green ist ein Verfahren zur ganzflächigen Strukturierung einer
Siliziumoberfläche
bekannt, bei dem eine Kombination aus Laserbearbeitung und nasschemischem
Reinigen eingesetzt wird. Hierbei wird die Halbleiteroberfläche zunächst mit
fokussierter Laserstrahlung so bearbeitet, dass sich kreuzende Gräben mit
einer Grabenbreite im Bereich von etwa 50 μm und mit einem Abstand von
etwa 70 μm
entstehen. Durch die Laserbearbeitung bildet sich Ablationsmaterial
auf der Oberfläche
sowie in den Gräben,
das durch eine anschließende
nasschemische Nachbehandlung zum einen in einer Ätzlösung aus Kalilauge sowie anschließend mittels
einer Mischung aus Flusssäure
und Salpetersäure
entfernt wird. Die auf diese Weise erzeugte Textur weist eine geringe
Reflexion auf und kann auch erfolgreich elektrisch passiviert werden.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung darin, ein Verfahren zur Verminderung der Reflexion an Halbleiteroberflächen anzugeben,
das sich kostengünstig
realisieren lässt
und den Einsatz in der industriellen Fertigung ermöglicht.
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Darstellung der Erfindung
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Die
Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche oder
lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen
entnehmen.
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Bei
dem vorliegenden Verfahren werden ein oder mehrere Bereiche der
Halbleiteroberfläche
mit gebündelter
Laserstrahlung so bearbeitet, dass reflexionsmindernde Vertiefungen
mit einem bestimmten Aspektverhältnis
in der Halbleiteroberfläche
entstehen, und die ein oder mehreren Bereiche anschließend einem gerichteten,
d. h. anisotropen, trockenchemischen Ätzprozess unterzogen, durch
den das Aspektverhältnis
der Vertiefungen zumindest erhalten wird.
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Als Ätzprozess
kann hierbei beispielsweise ein Plasmaätz- oder auch ein Sputterprozess
eingesetzt werden. Vorzugsweise wird das Verfahren jedoch mit einem
Plasmaätzprozess
durchgeführt.
Die folgenden Ausführungen
werden daher konkret anhand eines Plasmaätzprozesses erläutert, wobei
sich diese Ausführungen
ohne weiteres auch auf andere gerichtete, trockenchemische Ätzprozesse übertragen
lassen.
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Durch
die Strukturierung der Halbleiteroberfläche mit dem vorliegenden Verfahren
wird gewährleistet,
dass ein Teil des einfallenden Lichtes nicht wie im Falle einer
unstrukturierten Oberfläche
von der Oberfläche
weg sondern in die Oberfläche
hinein reflektiert wird. Somit erhält ein einfallender Lichtstrahl
mehrmals die Möglichkeit,
in die Oberfläche einzukoppeln,
so dass insgesamt die Reflexion gegenüber der einer unstrukturierten
Oberfläche
verringert ist.
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Bei
der Laserstrukturierung werden die Laserparameter so eingestellt,
dass sich Vertiefungen, d. h. Mulden oder Gräben, in der Oberfläche ausbilden,
an deren Flanken das einfallende Licht zur Oberfläche hin
reflektiert wird und somit die Einkoppelwahrscheinlichkeit von auftreffendem
Licht in das Halbleitermaterial vergrößert. Nach der Laserbearbeitung
verbleibt eine Oberflächenschicht,
die aufgrund von Ablationsprodukten oder Kristallschädigung die
elektrischen Eigenschaften des Halbleitersubstrats negativ beeinflusst.
Zur Entfernung dieser Schicht sowie zur weiteren Ausbildung der
Textur wird anschließend
der trockenchemische Plasmaätzschritt
vorgenommen. Ein Vorteil des Plasmaätzens gegenüber dem nasschemischen Ätzen liegt
in der Möglichkeit,
einen anisotropen Ätzabtrag
zu erreichen. Dies wird beim vorliegenden Verfahren ausgenutzt,
um die durch die Laserbearbeitung entstandene Textur zumindest strukturerhaltend
zu ätzen.
In der bevorzugten Ausgestaltung wird der Plasmaätzprozess durch entsprechende
Wahl der Ätzparameter
so durchgeführt,
dass die durch die Laserbearbeitung entstandene Struktur noch verstärkt wird,
d. h. dass das Aspektverhältnis
der durch die Laserbearbeitung erzeugten Vertiefungen – im vorliegenden Fall
der Quotient aus Tiefe der Vertiefung zu Länge x Breite der Vertiefung – vergrößert wird.
Der senkrecht zur Halbleiteroberfläche gerichtete Ätzabtrag
wird durch eine physikalische Ätzkomponente
beim Plasmaätzen
erreicht, die dadurch erzeugt werden kann, dass durch Ankoppeln
einer Hochfrequenzquelle an den Substrathalter ein Gleichspannungspotential zwischen
dem Substrat und dem Plasma erzeugt wird. Dieses Gleichspannungspotential
führt zu
einer Beschleunigung von ionisierten Teilchen aus dem Plasma in
Richtung des Substrats und somit zu einem physikalischen, gerichteten Ätzabtrag.
Bei Verwendung von fluorhaltigen Ätzgasen, bspw. von fluorhaltigen
Kohlenwasserstoffverbindungen als Ätzgase, wird die Anisotropie
beim Ätzen
durch eine sich bildende und den Ätzabtrag hemmende Schicht an den
zum Plasma annähernd
senkrechten Flanken der Vertiefungen zusätzlich verstärkt.
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Durch
den Einsatz einer trockenchemischen Ätztechnik lassen sich die Kosten
für die
Oberflächenbearbeitung
gegenüber
nasschemischen Ätztechniken
reduzieren. Das vorliegende Verfahren kommt ohne photolithographische
Techniken aus, so dass auch die Anzahl der erforderlichen Protzesschritte
gegenüber
derartigen Techniken deutlich reduziert ist. Durch die Kombination
der Laserbearbeitung mit dem gerichteten Trockenätzverfahren lassen sich gegenüber den
bekannten Verfahren der Laserstrukturierung deutlich ausgeprägtere Strukturen
erzeugen, insbesondere Strukturen mit deutlich steileren Flanken.
Die Halbleiteroberfläche
muss beim vorliegenden Verfahren nicht mechanisch bearbeitet werden,
so dass sich eine deutlich geringere Bruchgefahr vor allem bei dünneren Substraten
oder Wafern ergibt, deren Verwendung aufgrund der niedrigeren Materialkosten
angestrebt wird. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung führt somit
zu einer kostengünstigen
Verringerung der Reflexion von Halbleiteroberflächen, insbesondere von Silizium-Oberflächen. So
lässt sich
bspw. die Reflexion einer Silizium-Oberfläche gegenüber einem Zustand vor der Durchführung des
vorliegenden Verfahrens von über 30%
auf unter 20% reduzieren.
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Ein
weiterer Vorteil beim Einsatz des vorliegenden Verfahrens besteht
darin, dass auf die derart strukturierte Oberfläche ohne Weiteres eine entsprechende
Passivierungsschicht aufgebracht werden kann, wie sie zur Verringerung
der Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit
für die
Erzeugung hoher Wirkungsgrade erforderlich ist. Als Passivierungsschichten
kommen hierbei Schichen aus Siliziumnitrid, amorphem Silizium oder
Siliziumdioxid in Frage. Diese Schichten können gleichzeitig die Funktion
einer Antireflexschicht übernehmen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
des vorliegenden Verfahrens werden die Vertiefungen so nahe beieinander
erzeugt, dass sie an ihren Rändern aneinander
stoßen
oder überlappen.
Auf diese Weise werden glatte Zwischenbereiche, die eine erhöhte Reflexion
aufweisen, verhindert. Falls im weiteren Verlauf der Bearbeitung
der Halbleiteroberfläche
eine Elektrodenstruktur, bspw. im Falle einer Solarzelle ein Metall-Grid, aufgebracht
werden soll, so kann in den dafür
vorgesehenen Kontaktbereichen die Laserbearbeitung ausgesetzt werden.
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Geeignete
Parameter für
die Laserbearbeitung sowie den Ätzprozess
sind dem Fachmann bekannt. Ein wesentlicher Aspekt für die industrielle Umsetzbarkeit
des Verfahrens ist die Geschwindigkeit der Laserbearbeitung. So
müssen
bspw. für
eine zu bearbeitende Solarzellenoberfläche mit einer Fläche von
typischer Weise 200 cm2 8–800 Mio.
Vertiefungen erzeugt werden, die jeweils in einem Abstand von 10–100 μm anzuordnen
sind. Prinzipiell sind für die
Erzielung hinreichend hoher Leistungsdichten für das effiziente Abtragen von
Halbleitermaterial gepulste Laser zu verwenden, die einzelne Laserpulse hoher
Intensität
emittieren. Da die vorzugsweise eingesetzten Festkörperlaser
heutzutage eine maximale Repetitionsrate von ca. 100 kHz aufweisen,
ergibt sich eine Prozesszeit von über 80 s/Solarzelle bei einer
Bearbeitung mit nur einem Laserstrahl, wobei mit jedem Laserpuls
eine Vertiefung erzeugt wird. Für
die industrielle Fertigung müssen
daher parallel mehrere Laser bzw. Laserstrahlen zum Einsatz kommen.
Dies kann durch unterschiedliche Techniken realisiert werden, wie
sie einigen der nachfolgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert sind.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Das
vorliegende Verfahren wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei
zeigen:
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1 ein Beispiel für den Aufbau
einer Solarelle mit strukturierter Oberfläche (Stand der Technik);
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2 eine Skizze der Reflektion
eines Lichtstrahls an einer gemäß 1 strukturierten Oberfläche einer
Solarzelle;
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3 ein Beispiel einer Oberflächenstruktur einer
Solarzelle, wie sie mit dem vorliegenden Verfahren erhalten werden
kann;
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4 eine Strukturierung mit
planen Zwischenbereichen in schematischer Schnittdarstellung;
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5 ein Beispiel für den Aufbau
einer Anlage zum gerichteten Plasmaätzen gemäß dem vorliegenden Verfahren;
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6 ein Beispiel für eine Strukturverstärkung, wie
sie mit dem gerichteten Plasmaätzverfahren
erzielt werden kann;
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7 ein Beispiel für einen
Laserscanner zur Oberflächenbearbeitung
gemäß dem vorliegenden
Verfahren;
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8 ein Beispiel für eine Anordnung
von Mikrolinsen zur simultanen Erzeugung einer Vielzahl von Vertiefungen;
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9 eine schematische Darstellung
der zeitlichen Abfolge der Oberflächenbearbeitung mit einer Anordnung
gemäß 8 in Draufsicht; und
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10 ein Beispiel für eine Vorrichtung
zur Oberflächenbearbeitung
unter Einsatz eines Faserarrays.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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1 zeigt ein Beispiel für den Aufbau
einer Solarzelle 1, wie er bereits im einleitenden Teil
der Beschreibung näher
erläutert
wurde. In der Figur ist im vorliegenden Beispiel die Oberfläche der
Solarzelle 1 bereits mit einer entsprechenden Texturierung 9 versehen,
die zu einer Verminderung der Reflexion gegenüber einer glatten Oberfläche führt. Eine
derartige Strukturierung wird durch bekannte Verfahren des Standes
der Technik erreicht. Die Ursache für die Reflexminderung wurde
ebenfalls bereits in der Beschreibungseinleitung im Zusammenhang
mit dem in 2 beispielhaft
dargestellten Strahlengang des Lichtes an einer derart strukturierten
Oberfläche
erläutert.
Die Strukturierung wird hierbei, wie auch beim vorliegenden Verfahren,
im Falle einer Solarzelle bereits vor der Bildung der Emitterschicht 3 in
die Oberfläche
eingebracht.
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3 zeigt ein Beispiel einer
strukturierten Oberfläche
mit den hierbei entstehenden Vertiefungen 5, wie sie mit
dem vorliegenden Verfahren erzeugt werden kann. Die Vertiefungen 5 sind
hierbei in nebeneinander liegenden Reihen angeordnet, die entsprechende
Gräben
bilden. Die Vertiefungen werden hierzu jeweils in Richtung einer
Reihe näher
beieinander erzeugt als in Richtung senkrecht zu dieser Reihe, so
dass sich die dargestellte Struktur ergibt. Selbstverständlich ist
dies nur beispielhaft zu verstehen, da auch gleichmäßige Abstände in beiden Raumrichtungen
möglich
sind. In der 3 ist weiterhin
ein auf die strukturierte Oberfläche 9 aufgebrachtes
Metall-Grid 6 zu erkennen, das für die Kontaktierung der Solarzelle
erforderlich ist.
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Während bei
der Ausgestaltung der 3 die
gesamte Oberfläche
der Solarzelle 1 strukturiert wurde, zeigt 4 eine Ausgestaltung, bei der ein Zwischenbereich
nicht bearbeitet wurde, um auf dem somit verbleibenden Plateau das
Metall-Grid 6 aufzubringen. Der Emitter 10, 11 ist
in diesem Beispiel im Bereich der Vertiefungen flacher ausgebildet
als unterhalb des Metall-Grids 6.
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5 zeigt beispielhaft eine
Plasmaanlage zum gerichteten Plasmaätzen der auf diese Weise mit
dem Laser bearbeiteten Oberfläche.
Das zu bearbeitende Substrat 15 befindet sich in der Substrathalterung 18 innerhalb
der Prozesskammer 19. Oberhalb der Prozesskammer 19 sind
in bekannter Weise die Magnete 20 sowie der Mikrowellengenerator 21 für die Plasmaerzeugung
angeordnet. Über
die seitlichen Zuführungen 23 wird
das Ätzgas
in die Prozesskammer 19 eingeleitet. Während des Plasmaätzprozesses
ist die Substrathalterung 18 mit einem Hochfrequenzgenerator 22 verbunden,
um ein Gleichspannungspotential zwischen dem Substrat 15 und dem
Plasma 24 zu erzeugen. Die Hochfrequenz wird hierzu induktiv
oder kapazitiv eingekoppelt. Durch dieses Gleichspannungspotential
werden ionisierte Teilchen aus dem Plasma 24 in Richtung
des Substrats 15 beschleunigt, so dass ein senkrecht zur
Substratoberfläche
gerichteter Ätzabtrag
erreicht wird.
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Durch
diesen gerichteten Plasmaätzprozess im
Anschluss an die Laserbearbeitung der Oberfläche werden durch die Laserbearbeitung
an der Oberfläche
erzeugte Kristallschäden
sowie abgeschiedene Ablationsprodukte abgetragen. Das gerichtete Ätzen ermöglicht eine
zusätzliche
Verstärkung
der mit der Laserstrahlung erzeugten Struktur, die zu einem höheren Aspektverhältnis der
Vertiefungen führt,
wie dies in der 6 schematisiert
angedeutet ist. Die obere Darstellung zeigt dabei die Struktur nach
der Laserbearbeitung, die untere Darstellung die Struktur nach dem
Plasmaätzen.
Die stärkere
Ausprägung der
Struktur nach dem Plasmaätzen
ist deutlich zu erkennen. Diese Strukturverstärkung kann durch den Einsatz
von fluorhaltigen Kohlenwasserstoffverbindungen als Ätzgase zusätzlich unterstützt werden,
da sich bei Einsatz dieser Ätzgase
an den steilen Flanken der Vertiefungen 5 während des Ätzprozesses eine ätzhemmende
Schutzschicht ausbildet.
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Die
folgenden Figuren zeigen Beispiele für Anordnungen zur Laserbearbeitung,
mit denen sich der Durchsatz der Halbleitersubstrate bei der Laserbearbeitung
erhöhen
lässt.
Für die
Laserbearbeitung können
kommerziell erhältliche
Laserscanner eingesetzt werden, bei denen die Relativbewegung zwischen
Laserstrahl und Substrat durch das Bewegen zweier drehbarer Spiegel
realisiert wird. 7 zeigt ein
Beispiel für
einen derartigen Laserscanner. Der vom Laser 12 emittierte
Laserstrahl wird über
die beiden um senkrecht zueinander stehende Achsen drehbaren Spiegel 13 auf
das Substrat 15 fokussiert. Durch entsprechende Rotation
der beiden Spiegel 13 kann der mit der Linse 14 fokussierte
Laserstrahl sehr schnell rasterartig über die Oberfläche des
Substrates 15 geführt
werden. Durch Verwendung einer hier nicht dargestellten Strahlteilungsoptik
können bei
ausreichender Laserleistung auch mehrere Laserstrahlen aus dem gleichen
Laser 12 mit entsprechenden zusätzlichen Laserscannern für die Bearbeitung
eingesetzt werden.
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8 zeigt ein weiteres Beispiel
für die
Laserbearbeitung, bei dem der aus dem Laser 12 austretende
Laserstrahl über
ein Linsensystem 14 aufgeweitet und durch ein Mikrolinsenarray 16 geleitet wird.
Das Mikrolinsenarray 16 weist eine Vielzahl von in äquidistantem
Abstand angeordneten Mikrolinsen mit einer Fokuslänge im mm-Bereich
auf. Durch die dargestellte Anordnung werden mehrere Teilstrahlen gebildet,
die jeweils nebeneinander – abhängig von dem
Abstand und der Brennweite der Mikrolinsen – auf die Oberfläche des
Substrates 15 fokussiert werden. Hierdurch wird ein Punktgittermuster
oder im Falle von Zylinderlinsen als Mikrolinsen ein Liniengittermuster
mit einer Vielzahl von Struktureinheiten in der Fokusebene erzeugt. 9 zeigt beispielhaft das Ergebnis
beim Einsatz eines Mikrolinsenarrays mit 16 sphärischen
Mikrolinsen. Durch schrittweise Verschiebung des Mikrolinsenarrays 16 nach
jedem Bearbeitungsschritt, d. h. nach jedem Laserpuls, kann eine
vollflächige
Strukturierung erreicht werden, wie sie aus der zeitlichen Abfolge
der 9 ersichtlich ist.
Die einzelnen Vertiefungen 5 haben in diesem Beispiel einen
Durchmesser von ca. 37 μm,
der von der Qualität
und Wellenlänge
des Lasers 12 und der Brennweite der verwendeten Optik
abhängt.
Selbstverständlich
kann die für
die vollflächige
Strukturierung in diesem Fall erforderliche schrittweise Verschiebung
auch durch Bewegung des Substrates 15 erzeugt werden.
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Eine
weitere Möglichkeit
zur gleichzeitigen Erzeugung einer Vielzahl von Vertiefungen in
der Substratoberfläche
besteht in der Verwendung einer Vielzahl von Lichtwellenleitern
in die der Laserstrahl eingekoppelt wird. 10 zeigt beispielhaft eine derartige
Anordnung, bei der der Laserstrahl in eine Vielzahl von Glasfasern 17 mit
Durchmessern im gewünschten
Strukturgrößenbereich
eingekoppelt wird, die ihn nebeneinander auf die Substratoberfläche richten.
Die gewünschte
Texturierung wird in diesem Fall ebenfalls durch das Abrastern der
Oberfläche
mit den Glasfasern 17 erzeugt.
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- 1
- Solarzelle
- 2
- Basisbereich
- 3
- Emitterbereich
- 4
- Metallschicht
- 5
- Vertiefungen
- 6
- Metall-Grid
- 7
- Antireflexschicht/Passivierungsschicht
- 8
- Rückseitenkontakte
- 9
- texturierte
Oberfläche
- 10
- flacher
Emitter
- 11
- tiefer
Emitter
- 12
- Laserstrahlquelle
- 13
- Ablenkspiegel
- 14
- Linsensystem
- 15
- Substrat
- 16
- Mikrolinsenarray
- 17
- Glasfasern
- 18
- Substrathalterung
- 19
- Prozesskammer
- 20
- Magnete
- 21
- MW-Generator
- 22
- HF-Generator
- 23
- Zuführung für Ätzgas
- 24
- Plasma