DE19723387C2 - Selective hydrogen ion beam etching of binary foreign phases in chalcopyrite semiconductor thin layers - Google Patents

Selective hydrogen ion beam etching of binary foreign phases in chalcopyrite semiconductor thin layers

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Anwendungsgebietfield of use

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur schädigungsarmen Entfernung von binären, insbesondere kupferhaltigen Phasen aus Chalkopyrithalbleiter-Dünnschichten sowie zur gezielten Modifizierung der oberflächennahen Zusammensetzung dieser Dünnschichten. Dies kann im besonderen Anwendung finden bei der Herstellung von polykristallinen Dünnschicht- Solarzellen auf Basis von Absorberschichten beispielsweise aus CuInSe2, CuInS2, sowie deren Mischungen und Legierungen mit Gallium. Die bei Anwendung des Verfahrens gleichzeitig erfolgende schädigungsarme Wasserstoff Passivierung von Defekten im Volumen und an der Oberfläche der Halbleiterschicht kann zur Reduzierung der Konzentration von Rekombinationszentren und damit zur Verbesserung von Parametern der Dünnschicht- Solarzellen eingesetzt werden.The invention relates to a method for the low-damage removal of binary, in particular copper-containing phases from chalcopyrite semiconductor thin layers and for the targeted modification of the near-surface composition of these thin layers. This can be used in particular in the production of polycrystalline thin-film solar cells based on absorber layers, for example made of CuInSe 2 , CuInS 2 , and their mixtures and alloys with gallium. The low-damage hydrogen passivation of defects in the volume and on the surface of the semiconductor layer that occurs simultaneously when the method is used can be used to reduce the concentration of recombination centers and thus to improve parameters of the thin-film solar cells.

Stand der Technik:State of the art:

Es ist bekannt, daß Wasserstoff in der Halbleitertechnik nicht nur zur Passivierung oder zur Tiefen-Implantation sondern auch zur Reinigung der Oberfläche von Halbleitern verwendet wird. In einer Vielzahl von Halbleitern kann der Wasserstoff sowohl Substitutionsstörstellen, als auch Eigendefekte passivieren. Dies wurde sowohl für Elementhalbleiter (DE 36 16 101 A1, US 4605447), als auch für Verbindungshalbleiter (US 5510272, US 5059551) demonstriert. Die Literatur zum Stand der Technik ist in mehreren Ubersichtsbänden recht vollständig zusammengefaßt [J. I. Pankove and N. M. Johnson, Hydrogen in Semiconductors, Semiconductors and Semimetals Series vol. 34, ed. by R. K. Willardson and A. C. Beer, (Academic Press, New York, 1990)], sowie [S. J. Pearton, J. W. Corbett, and M. Stavola, Hydrogen in Crystalline Semiconductors, (Springer, Berlin, 1992)]. Zur Oberflächenreinigung (vorwiegend Entfernung des Oxides) von AIII-BV-Halbleitern wird vorwiegend ein Wasserstoftplasma (P. G. Hofstra et. al., J. Vac. Sci. Technol. A 13(4), 1995, Seite 2146) oder höher beschleunigte Wasserstoffionen (< 1 keV) aus einer Ionenquelle verwendet (D. Ballutaud et al., App. Sur. Sci. 84, 1995, Seite 187). Diese Behandlung führt allerdings zur Anreicherung der Oberfläche des Halbleiters mit der AIII-Komponente.It is known that hydrogen is used in semiconductor technology not only for passivation or deep implantation but also for cleaning the surface of semiconductors. In a large number of semiconductors, hydrogen can passivate substitution defects as well as self-defects. This was demonstrated both for element semiconductors (DE 36 16 101 A1, US 4605447) and for compound semiconductors (US 5510272, US 5059551). The literature on the prior art is quite completely summarized in several overview volumes [JI Pankove and NM Johnson, Hydrogen in Semiconductors, Semiconductors and Semimetals Series vol. 34, ed. By RK Willardson and AC Beer, (Academic Press, New York, 1990)], and [SJ Pearton, JW Corbett, and M. Stavola, Hydrogen in Crystalline Semiconductors, (Springer, Berlin, 1992)]. For surface cleaning (predominantly removal of the oxide) of A III -B V semiconductors, a hydrogen plasma is predominantly accelerated (PG Hofstra et. Al., J. Vac. Sci. Technol. A 13 (4), 1995, page 2146) or higher Hydrogen ions (<1 keV) from an ion source used (D. Ballutaud et al., App. Sur. Sci. 84, 1995, page 187). However, this treatment leads to the enrichment of the surface of the semiconductor with the A III component.

Für CuInSe2 gibt es Untersuchungen zum Einfluß eines Wasserstoffplasmas auf Oberflächen von Einkristallen [A. J. Nelson, S. P. Frigo, R. Rosenberg, J. Appl. Phys. 73 (1993) 8561] sowie [M. V. Yakushev, A. Zegadi, H. Neumann, P. A. Jones, A. E. Hill, R. D. Pilkington, M. A. Slifkin, R. D. Tomlinson, Cryst. Res. Technol. 29(1994) 427], in denen über eine Schädigung der CuInSe2-Oberflächen berichtet wird, die durch Selen-Verlust erklärbar ist. Über einen Einsatz von atomarem Wasserstoff aus Ionenquellen zum Trockenätzen oder zur Oberflächenreinigung von Chalkopyrithalbleiter-Oberflächen sind keine Arbeiten bekannt. Ebenfalls an einkristallinen CuInSe2-Oberflächen wurden die Erzeugung von Gitterdefekten durch Ionenimplantation im 10 keV-Bereich sowie Passivierungseffekte durch implantierten atomaren Wasserstoff untersucht [M. V. Yakushev, G. Lippold, A. E. Hill, R. D. Pilkington, R. D. Tomlinson, Cryst. Res. Technol. 31 (1996) 357] sowie [M. V. Yakushev, H. Neumann, R. D. Tomlinson, P. Rimmer, G. Lippold, Cryst. Res. Technol. 29 (1994) 417].For CuInSe 2 there are studies on the influence of a hydrogen plasma on surfaces of single crystals [AJ Nelson, SP Frigo, R. Rosenberg, J. Appl. Phys. 73 (1993) 8561] and [MV Yakushev, A. Zegadi, H. Neumann, PA Jones, AE Hill, RD Pilkington, MA Slifkin, RD Tomlinson, Cryst. Res. Technol. 29 (1994) 427], in which damage to the CuInSe 2 surfaces is reported, which can be explained by selenium loss. No work is known about the use of atomic hydrogen from ion sources for dry etching or for surface cleaning of chalcopyrite semiconductor surfaces. The generation of lattice defects by ion implantation in the 10 keV range and passivation effects by implanted atomic hydrogen were also investigated on single-crystal CuInSe 2 surfaces [MV Yakushev, G. Lippold, AE Hill, RD Pilkington, RD Tomlinson, Cryst. Res. Technol. 31 (1996) 357] and [MV Yakushev, H. Neumann, RD Tomlinson, P. Rimmer, G. Lippold, Cryst. Res. Technol. 29 (1994) 417].

Bei polykristallinen Chalkopyrithalbleiterschichten kann die Entfernung von Sekundärphasen durch Ätzprozesse ein entscheidender Prozeßschritt bei der Herstellung von Dünnschicht- Solarzellen sein. Dies gilt insbesondere für Sekundärphasen wie zum Beispiel das Kupfersulfid (CuS) in CuInS2-Schichten, wo diese halbmetallische, gut elektrisch leitende Phase Kurzschlüsse in der Absorberschicht oder zum Rückseitenkontakt herstellen kann und sich wegen ihrer hohen optischen Absorption auch bei dünner Bedeckung der Oberfläche bereits negativ auf die Effizienz einer Solarzellenstruktur auswirkt.In the case of polycrystalline chalcopyrite semiconductor layers, the removal of secondary phases by etching processes can be a crucial process step in the production of thin-film solar cells. This applies in particular to secondary phases such as copper sulfide (CuS) in CuInS 2 layers, where this semimetallic, highly electrically conductive phase can produce short circuits in the absorber layer or to the rear side contact, and due to its high optical absorption, even with a thin covering of the surface negatively affects the efficiency of a solar cell structure.

Die Anwendung naßchemischer Ätzverfahren zur Entfernung von Sekundärphasen und Oberflächenschichten ist für Chalkopyrit-Halbleiter Stand der Technik. Über die Entfernung der halbmetallischen CuS-Phase aus CuInS2-Schichten und damit verbundene Verbesserungen der optischen und elektrischen Eigenschaften durch Ätzen in einer wässrigen KCN-Lösung wird beispielsweise in [R. Scheer, H. J. Lewerenz, J. Vac. Sci. Technol. A12 (1994) 56] sowie in [Y. Ogawa, A. Jager-Waldau, Y. Hashimoto, K. Ito, Jap. J. Appl. Phys. pt. 2 33(1994) L1775] berichtet. Die naßchemische Oberflächenbehandlung durch KCN bzw. Br2-Methanol von Cu(In,Ga)Se2-Schichten wird unter anderem in [J. H. Schon, V. Alberts, E. Bucher, J. Appl. Phys. 81(1997) 2799] in [C. Guillen, J. Herrero, Solar Energy Materials and Solar Cells 43 (1996) 47] und in [R. Klenk, R. Menner, D. Schmidt, H. W. Schock, D. Cahen, Proceedings of the Ninth E. C. Photovoltaic Solar Energy Conference, ed. by W. Palz, G. T. Wrixon, P. Helm, Kluwer Academic Publishers, Dortrecht, 1998, p. 469] untersucht.The use of wet chemical etching processes for removing secondary phases and surface layers is state of the art for chalcopyrite semiconductors. The removal of the semi-metallic CuS phase from CuInS 2 layers and the associated improvements in the optical and electrical properties by etching in an aqueous KCN solution is described, for example, in [R. Scheer, HJ Lewerenz, J. Vac. Sci. Technol. A12 (1994) 56] and in [Y. Ogawa, A. Jager-Waldau, Y. Hashimoto, K. Ito, Jap. J. Appl. Phys. pt. 2 33 (1994) L1775]. The wet chemical surface treatment using KCN or Br 2 methanol of Cu (In, Ga) Se 2 layers is described, inter alia, in [JH Schon, V. Alberts, E. Bucher, J. Appl. Phys. 81 (1997) 2799] in [C. Guillen, J. Herrero, Solar Energy Materials and Solar Cells 43 (1996) 47] and in [R. Klenk, R. Menner, D. Schmidt, HW Schock, D. Cahen, Proceedings of the Ninth EC Photovoltaic Solar Energy Conference, ed. By W. Palz, GT Wrixon, P. Helm, Kluwer Academic Publishers, Dortrecht, 1998, p . 469] examined.

Auch über den Einsatz herkömmlicher Sputterverfahren (1 keV Ar+-Ionen) zum Abtrag bzw. zur Modifikation einer Oberflächenschicht von polykristallinem Cu(In,Ga)Se2 wurde berichtet [C. Heske, R. Fink, E. Umbach, W. Riedl, F. Karg, Cryst. Res. Technol. 31 (1996) 919]. Dieses Sputterverfahren führt neben der Erzeugung einer metallreichen Oberfläche auch zur oberflächennahen Schädigung der Kristallstruktur.The use of conventional sputtering processes (1 keV Ar + ions) to remove or modify a surface layer of polycrystalline Cu (In, Ga) Se 2 has also been reported [C. Heske, R. Fink, E. Umbach, W. Riedl, F. Karg, Cryst. Res. Technol. 31 (1996) 919]. In addition to producing a metal-rich surface, this sputtering process also leads to damage to the crystal structure near the surface.

Nachteile des Standes der Technik:Disadvantages of the prior art:

Die zur selektiven Entfernung störender Sekundärphasen und Oberflächenschichten derzeit genutzten naßchemischen Verfahren bringen eine Reihe von Nachteilen mit sich. Die zum Ätzen verwendeten Chemikalien (wässrige Lösung von KCN-"Zyankali") sind hochtoxisch. Entsprechende Sicherheitsvorkehrungen sind erforderlich. Die Abfallprodukte dieser Verfahren sind ebenfalls toxisch und hinsichtlich ihrer Entsorgung problematisch.Currently the selective removal of disruptive secondary phases and surface layers used wet chemical processes have a number of disadvantages. The for Chemicals used for etching (aqueous solution of KCN "cyanide") are highly toxic. Appropriate safety precautions are required. The waste products of these processes are also toxic and problematic in terms of disposal.

Ein weiterer Nachteil ist die Notwendigkeit, für den naßchemischen Ätzschritt das Vakuumsystem zu verlassen, in dem die Schichtabscheidung bzw. die Sulfurisierung oder Selenisierung der Metallschichtsysteme erfolgte. Dies bringt die Möglichkeit von Kontaminationen oder unerwünschten chemischen Prozessen an der Oberfläche der Schicht mit sich, die sich nur durch eine sehr aufwendige Gestaltung der Prozeßschritte, etwa durch Reinstchemikalien, Reinraumbedingungen oder Inertgasspülung vermeiden ließe.Another disadvantage is the need for the wet chemical etching step Leave vacuum system in which the layer deposition or the Sulfurisierung or Selenization of the metal layer systems took place. This brings the possibility of Contamination or undesirable chemical processes on the surface of the layer with themselves, which can only be achieved through a very complex design of the process steps, for example High-purity chemicals, clean room conditions or inert gas purging.

Konventionelle Sputterverfahren unter Verwendung von Edelgasionen können eingesetzt werden, um Oberflächenschichten unter Hochvakuumbedingungen zu entfernen. Der Anwendung zur Beseitigung der störenden Sekundärphasen in oder auf Chalkopyrithalbleiter- Dünnschichten stehen jedoch wesentliche Nachteile entgegen. Der Sputtereffekt ist naturgemäß nicht streng selektiv für eine bestimmte Phase in der Halbleiter-Dünnschicht. Der ebenfalls erfolgende Abtrag der kristallinen Chalkopyrithalbleiter-Dünnschicht führt auf Grund der unterschiedlichen Sputterraten der enthaltenen Elemente zur Ausbildung metallreicher Oberflächen. Wegen der zum Sputtern erforderlichen hohen kinetischen Energie der Sputterionen erfolgt zudem eine Schädigung des Kristallgitters in einem Oberflächenbereich der Schicht. Beide Effekte müssen aber vermieden werden, um gute elektronische und optische Eigenschaften für den Einsatz als Absorber in einer Solarzellenstruktur zu erreichen. Spezielle Plasma-Ätzverfahren unter Nutzung chemisch reaktiver Gase oder Gasgemische könnten ebenfalls verwendet werden. Die Selektivität des naßchemischen KCN-Ätzens läßt vermuten, daß auch hier CN-Verbindungen einsetzbar wären. Damit wären aber wieder die oben genannten Nachteile verbunden. Auch durch Einwirkung eines Wasserstoffplasmas auf Verbindungshalbleiter-Oberflächen ist eine Selektivität in der Entfernung bestimmter Fremdphasen möglich, wenn diese flüchtige Wasserstoffverbindungen bilden. Das ist jedoch mit dem Nachteil verbunden, daß durch den unmittelbaren Kontakt mit dem Niederdruckplasma ein hoher thermischer Energieeintrag in die obersten Atomlagen der Halbleiteroberfläche erfolgt. Dies führt vor allem bei bestimmten Verbindungshalbleitern, wie zum Beispiel InP oder CuInSe2, zur starken Schädigung der Oberfläche. So erfolgt beim InP durch Bildung von Phosphorwasserstoff, der in die Gasphase übergeht, eine Phosphorverarmung des oberflächennahen Probenbereiches. Ähnliche Effekte wurden auch beim CuInSe2 beobachtet [M. V. Yakushev, A. Zegadi, H. Neumann, P. A. Jones, A. E. Hill, R. D. Pilkington, M. A. Slifkin, R. D. Tomlinson, Effect of plasma hydrogenation on the defect properties of CuInSe2 single crystals, Cryst. Res. Technol. 29 (1994) 427], wo die Plasma-Hydrogenisierung ebenfalls zu einer Zersetzung des Halbleitermaterials bis zur Metallisierung der Oberfläche führt, wobei Schädigungstiefen bis zu mehreren Mikrometern entstehen können.Conventional sputtering processes using noble gas ions can be used to remove surface layers under high vacuum conditions. However, there are significant disadvantages to the application for eliminating the disruptive secondary phases in or on chalcopyrite semiconductor thin layers. The sputtering effect is naturally not strictly selective for a specific phase in the semiconductor thin film. The removal of the crystalline chalcopyrite semiconductor thin film, which also takes place, leads to the formation of metal-rich surfaces due to the different sputtering rates of the elements contained. Because of the high kinetic energy of the sputtering ions required for sputtering, the crystal lattice is also damaged in a surface area of the layer. However, both effects must be avoided in order to achieve good electronic and optical properties for use as absorbers in a solar cell structure. Special plasma etching processes using chemically reactive gases or gas mixtures could also be used. The selectivity of the wet chemical KCN etching suggests that CN compounds could also be used here. However, this would again have the disadvantages mentioned above. The action of a hydrogen plasma on compound semiconductor surfaces also makes it possible to selectively remove certain foreign phases if these form volatile hydrogen compounds. However, this has the disadvantage that the direct contact with the low-pressure plasma results in a high thermal energy input into the uppermost atomic layers of the semiconductor surface. Especially with certain compound semiconductors, such as InP or CuInSe 2 , this leads to severe damage to the surface. For example, with InP, phosphorus depletion of the near-surface sample area occurs due to the formation of hydrogen phosphide, which passes into the gas phase. Similar effects were also observed with CuInSe 2 [MV Yakushev, A. Zegadi, H. Neumann, PA Jones, AE Hill, RD Pilkington, MA Slifkin, RD Tomlinson, Effect of plasma hydrogenation on the defect properties of CuInSe 2 single crystals, Cryst . Res. Technol. 29 (1994) 427], where plasma hydrogenation likewise leads to decomposition of the semiconductor material until the surface is metallized, damage depths of up to several micrometers being able to occur.

Die Modifizierung der Methode durch Erhöhung des Dampfdrucks der flüchtigen Verbindungskomponente in der Anlage, durch räumliche Trennung der Probe vom unmittelbaren Plasmabereich durch "downstream"- Geometrien oder Extraktion der Ionen aus dem Plasma mittels eines elektrischen Feldes, führt zwar zur Verringerung der Schäden, kann diese jedoch nicht völlig vermeiden [S. Balasubramanian, V. Kumar, N. Balasubramanian, Reduced phosphorus loss from InP surface during hydrogen plasma treatment, Appl. Phys. Lett. 64 (1994) 1696]. Im US-Patent 5059551 wird zum Beispiel die Verwendung einer GaxIn1-xAs-Schutzschicht auf dem InP-Substrat vorgeschlagen. Dies hat aber den Nachteil eines zusätzlichen Prozeßschrittes der Abscheidung (z. B. MOCVD) und späteren Wiederentfernens.Modifying the method by increasing the vapor pressure of the volatile connection component in the system, by spatially separating the sample from the immediate plasma area by means of "downstream" geometries or by extracting the ions from the plasma by means of an electrical field, although this leads to a reduction in damage, this can however, not to be avoided entirely [p. Balasubramanian, V. Kumar, N. Balasubramanian, Reduced phosphorus loss from InP surface during hydrogen plasma treatment, Appl. Phys. Lett. 64 (1994) 1696]. For example, the use of a Ga x In 1-x As protective layer on the InP substrate is proposed in US Pat. No. 5,059,551. However, this has the disadvantage of an additional process step of deposition (e.g. MOCVD) and later removal.

Aufgabe der Erfindung:Object of the invention:

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, das die Entfernung von binären Sekundärphasen in Chalkopyrithalbleiter-Dünnschichten weitgehend ohne Schädigung oder Kontamination an der Oberfläche oder im Volumen erlaubt. Die Probenoberfläche soll sich dabei im Hochvakuum befinden. In Verbindung mit vakuumgestützten Verfahren zur Deposition der zusätzlichen Fenster- und Kontaktschichten der Solarzelle soll dies die Möglichkeit eröffnen, die Abscheidungs- und Ätzprozesse in einer Kammer auszuführen. Weiterhin muß ein Energieübertrag an Atome des Halbleiter-Kristallgitters, der zur Erzeugung von Gitterdefekten ausreicht, vermieden werden. Dieses zum KCN-Ätzen alternative Verfahren soll für die kostengünstige Ätzung großflächiger Dünnschichten in einem Prozeßschritt einsetzbar sein. Es sollen keine toxischen Verbindungen zum Einsatz kommen. Die Möglichkeit, durch Wahl der Prozeßparameter auch die Stöchiometrie in Oberflächennähe der Chalkopyritschicht gezielt zu variieren sowie vorhandene Defekte im Volumen und an der Oberfläche als Rekombinationszentren durch Passivierung auszuschalten, ist außerordentlich erwünscht und soll neben dem Sekundärphasen-Ätzprozeß Anwendung finden.The object of the invention is to provide a method for the removal of binary  Secondary phases in chalcopyrite semiconductor thin layers largely without damage or Contamination allowed on the surface or in volume. The sample surface should be are in a high vacuum. In connection with vacuum-based processes for Deposition of the additional window and contact layers of the solar cell should do this Open up the possibility of carrying out the deposition and etching processes in one chamber. Furthermore, an energy transfer to atoms of the semiconductor crystal lattice is necessary for the generation sufficient of lattice defects can be avoided. This alternative to KCN etching The process is intended for the cost-effective etching of large-area thin layers in one Process step can be used. No toxic compounds should be used. The possibility, by choosing the process parameters, also the stoichiometry near the surface to vary the chalcopyrite layer in a targeted manner as well as existing defects in volume and on the Switching off the surface as recombination centers by passivation is extraordinary desired and should be used in addition to the secondary phase etching process.

Lösung der Aufgabe:Solution of the task:

Die zur Oberflächenschädigung führende Wechselwirkung des atomaren Wasserstoffs mit der Probenoberfläche wird erfindungsgemäß dadurch ausgeschaltet, daß der Wasserstoff- Partialdruck in Probennähe im Druckbereich 10-5 Torr oder kleiner gehalten wird. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der atomare Wasserstoff in einem Bereich mit höherem Druck (Ionenquelle) erzeugt, und von dort in einem Ionenstrahl zur Probe geführt wird. Die Ionenquelle kann entweder mit reinem Wasserstoff, Deuterium, oder, falls mit einer Einrichtung zur Separation der Ionenmassen ausgerüstet, auch mit einem wasserstoffhaltigen Gasgemisch betrieben werden. Im letzteren Fall kann der Gesamtdruck in der Vakuumkammer so niedrig gewählt werden, daß der Wasserstoff Partialdruck die oben angegebene Grenze nicht überschreitet und die freie Weglänge der H-Ionen wenigstens dem Abstand zwischen Ionenquellenaustrittsöffnung und Probe entspricht.The interaction of the atomic hydrogen with the sample surface leading to surface damage is eliminated according to the invention in that the hydrogen partial pressure in the vicinity of the sample is kept in the pressure range 10 -5 Torr or less. This is achieved according to the invention in that the atomic hydrogen is generated in a region with a higher pressure (ion source) and is guided from there to the sample in an ion beam. The ion source can either be operated with pure hydrogen, deuterium or, if equipped with a device for separating the ion masses, also with a hydrogen-containing gas mixture. In the latter case, the total pressure in the vacuum chamber can be chosen so low that the hydrogen partial pressure does not exceed the limit specified above and the free path length of the H ions corresponds at least to the distance between the ion source outlet opening and the sample.

Die Aufgabe der schädigungsfreien selektiven Ätzung wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einer Vakuumkammer ein Wasserstoff Ionenstrahl bei ausreichend niedrigen Energien auf die Probenoberfläche trifft, um beim Stoß mit Atomen des Kristallgitters den zur Erzeugung von Frenkel-Defekt-Paaren notwendigen Energieübertrag zu unterschreiten. Abhängig vom jeweiligen Materialsystem, liegen diese Energien unterhalb von etwa 500 eV. In eine wenige Nanometer dicke Oberflächenschicht wird dadurch eine hohe Konzentration von atomarem, sehr reaktivem Wasserstoff eingebracht. Ein wesentlicher Aspekt der Lösung ist die Ätzung bei erhöhter Targettemperatur. Durch diese gezielte Temperaturerhöhung des zu bearbeitenden Materials während der Ätzung wird die Entfernung der binären Phase in Form von flüchtigen Wasserstoffverbindungen ermöglicht.The task of damage-free selective etching is achieved according to the invention by that in a vacuum chamber a hydrogen ion beam at sufficiently low energies strikes the sample surface in order to collide with atoms of the crystal lattice Generation of Frenkel defect pairs to fall below the necessary energy transfer. Depending on the respective material system, these energies are below about 500 eV. In a few nanometers thick surface layer becomes a high concentration of atomic, very reactive hydrogen. An essential aspect of the solution is that  Etching at an increased target temperature. Through this targeted temperature increase of the Machining material during the etching process is the removal of the binary phase of volatile hydrogen compounds.

Die Aufgabe der gezielten Modifikation der oberflächennahen Schichtstöchiometrie wird durch die Wahl geeigneter Strahlstromdichten und Targettemperaturen gelöst. Dadurch können auch aus dem Oberflächenbereich der Chalkopyritschicht Kupferselenid- bzw. -sulfid-Überschüsse entfernt werden. Betrag und Tiefenprofil der Indium- bzw. Gallium-reicheren Schichtzusammensetzung können über die Parameter Strahlstromdichte, Ätzdauer und Probentemperatur beeinflußt werden.The task of targeted modification of the layer stoichiometry near the surface is accomplished by the choice of suitable beam current densities and target temperatures. This can also excess copper selenide or sulfide from the surface area of the chalcopyrite layer be removed. Amount and depth profile of the richer in indium or gallium Layer composition can be set using the parameters beam current density, etching time and Sample temperature can be influenced.

Vorteile der Erfindung:Advantages of the invention:

Das Verfahren erlaubt die selektive Entfernung binärer Fremdphasen in Chalkopyrithalbleiter- Dünnschichten weitgehend ohne Erzeugung zusätzlicher Schäden an der Oberfläche oder im Volumen. Ein wesentlicher Vorteil des beschriebenen Verfahrens besteht darin, daß durch die Verwendung niederenergetischen Wasserstoffs aus einer entfernten Innenquelle die unmittelbare Wechselwirkung eines Plasmas mit der Oberfläche vermieden wird, während aber gleichzeitig die Schädigung der Oberfläche wegen der niedrigen kinetischen Innenenergien nicht möglich ist. Die Kombination des Ätzprozesses mit einem Prozeßschritt zur Defektpassivierung, der Wasserstoffpassivierung durch Niederenergieimplantation bei erhöhter Targettemperatur (DE 196 52 471.7), ist leicht möglich. Ein weiterer Vorteil ist die Kompatibilität des Verfahrens mit den in vielen Halbleiter-Beschichtungsanlagen üblichen Hochvakuumbedingungen. Zur Einfügung eines Wasserstoff-Ätzschrittes genügt daher die Montage einer geeigneten Innenquelle an einem Flansch einer solchen Anlage. Das ionenstrahlgestützte Trockenätzverfahren erlaubt somit die Integration der Fremdphasenbeseitigung als Prozeßschritt in die Prozesse der Abscheidung bzw. Selenisierung/Sulfurisierung der Schichten. Herkömmliche naßchemische Verfahren, die außerdem häufig mit dem Einsatz toxischer Substanzen verbunden sind, könnten damit ersetzt und Oberflächenkontaminationsrisiken vermieden werden.The method allows the selective removal of binary foreign phases in chalcopyrite semiconductor Thin films largely without generating additional damage to the surface or in the Volume. A major advantage of the method described is that Using low energy hydrogen from a distant indoor source immediate interaction of a plasma with the surface is avoided, however at the same time damage to the surface due to the low kinetic internal energies not possible. The combination of the etching process with a process step for Defect passivation, the hydrogen passivation through low-energy implantation with increased Target temperature (DE 196 52 471.7) is easily possible. Another advantage is that Compatibility of the process with the usual in many semiconductor coating systems High vacuum conditions. Therefore, it is sufficient to insert a hydrogen etching step Installation of a suitable internal source on a flange of such a system. The Ion beam-assisted dry etching processes thus allow the integration of Elimination of foreign phases as a process step in the processes of deposition or Selenization / sulfurization of the layers. Conventional wet chemical processes that also frequently associated with the use of toxic substances could be replaced and surface contamination risks are avoided.

Von Vorteil ist die Nutzung von Innenquellen, die prinzipiell auch mit anderen Gasen oder Gasbeimischungen zum Wasserstoff betrieben werden können. Dies ermöglicht die Kombination von Oberflächenreinigung bzw. -abtrag durch Sputtern und Wasserstoffpassivierung in einem Prozeßschritt.It is advantageous to use internal sources, which in principle can also be used with other gases or Gas admixtures can be operated to hydrogen. This enables the Combination of surface cleaning or removal by sputtering and Hydrogen passivation in one process step.

Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, im Oberflächenbereich der Chalkopyritschicht nachträglich gezielt die Stöchiometrie zu variieren. Der Betrag und das Tiefenprofil der Änderung der Schichtzusammensetzung können über die Parameter Strahlstromdichte, Ionenenergie, Ätzdauer und Probentemperatur beeinflußt werden. Another advantage is the possibility in the surface area of the chalcopyrite layer  to subsequently vary the stoichiometry. The amount and depth profile of the Changes in the layer composition can be made using the parameters beam current density, Ion energy, etching time and sample temperature can be influenced.  

BeispielbeschreibungExample description

Im folgenden wird ganz allgemein das Verfahren der schädigungsarmen Entfernung von Sekundärphasen aus polykristallinen Chalkopyrithalbleiter-Dünnschichten dargestellt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß unter anderem dadurch gelöst, daß eine kontrollierte, betragsmäßig den Untergrundpegel überschreitende Menge von Wasserstoff oder Deuterium in der Größenordnung von 1 bis 100 scc/min ("standard cm3/min" = "cm3/min. bei Standardbedingungen") in eine für die Ätzung verwendete Ionenquelle eingeführt wird. Diese Ionenquelle wird vorzugsweise bei einem Druck im Bereich zwischen etwa 1 × 10-2 und etwa 10 × 10-2 mbar (Wasserstoff) betrieben. Das Potential zwischen der Ionenquelle und dem Substrat beträgt hauptsächlich 10 bis 500 Volt Gleichspannung und die Strahlstromdichte am Substrat liegt im Bereich zwischen etwa 0,05 und 500 µA/cm2. Eine Bestrahlungsdauer im Bereich von etwa 10 bis 90 Minuten hat sich als angemessen erwiesen, um den Prozeß effektiv ablaufen zu lassen. Das Substrat befindet sich im allgemeinen in einer Entfernung von 5 bis etwa 30 cm von der Ionenquelle und wird während des Ätzvorganges auf eine Temperatur von etwa 100°C bis etwa 300°C erhitzt. Vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise, kann der Ionenstrahl während des Ätzvorganges durch z. B. einen Wolfram- Glühfaden neutralisiert werden. Ein zusätzlich eingebauter Massenseparator ermöglicht die Selektierung der Wasserstoffionen (H+, H2 +, H3 +).In the following, the procedure for the low-damage removal of secondary phases from polycrystalline chalcopyrite semiconductor thin layers is presented in general. According to the invention, this object is achieved, inter alia, by a controlled amount of hydrogen or deuterium in the order of magnitude of 1 to 100 scc / min ("standard cm 3 / min" = "cm 3 / min. Under standard conditions" exceeding the background level) ) is introduced into an ion source used for the etching. This ion source is preferably operated at a pressure in the range between approximately 1 × 10 -2 and approximately 10 × 10 -2 mbar (hydrogen). The potential between the ion source and the substrate is mainly 10 to 500 volts DC and the beam current density on the substrate is in the range between approximately 0.05 and 500 μA / cm 2 . Irradiation time in the range of about 10 to 90 minutes has been found to be adequate to allow the process to run effectively. The substrate is generally 5 to about 30 cm from the ion source and is heated to a temperature of about 100 ° C to about 300 ° C during the etching process. Preferably, but not necessarily, the ion beam can be z. B. a tungsten filament can be neutralized. An additional built-in mass separator enables the selection of hydrogen ions (H + , H 2 + , H 3 + ).

Beispiel 1:Example 1:

Als ein Beispiel wird die Ätzung einer 2 µm dicken CuInS2 Dünnschicht auf einem Glassubstrat durch das vorstehende Verfahren beschrieben. Die Bearbeitung erfolgt in der Weise, daß die Probenstücke für die Dauer von 60 Minuten einem Wasserstoff Ionenstrahl aus einer Ionenquelle vom Kaufman-Typ ausgesetzt war. Die Ionenenergie lag bei 300 eV, die Strahistromdichten zwischen 0.5 µA/cm2 und 2 µA/cm2. Die gewählten Probentemperaturen lagen zwischen 200°C und 250°C. Der Zustrom des Wasserstoffs in die Ionenquelle betrug 15 scc/min. der Druck in der Quelle etwa 3,5 × 10-2 mbar.As an example, the etching of a 2 µm thick CuInS 2 thin film on a glass substrate by the above method is described. Processing is carried out by exposing the specimens to a hydrogen ion beam from a Kaufman-type ion source for 60 minutes. The ion energy was 300 eV, the beam current densities between 0.5 µA / cm 2 and 2 µA / cm 2 . The selected sample temperatures were between 200 ° C and 250 ° C. The inflow of hydrogen into the ion source was 15 scc / min. the pressure in the source is about 3.5 × 10 -2 mbar.

Nach dem Ätzvorgang wurden die Proben mittels Raman- und Photolumineszenz- Spektroskopie auf eine mögliche oberflächennahe Kristallschädigung und die Entfernung der binären Phase CuS überprüft. Als Vergleich dienten Teile derselben Probe, die nicht mit Wasserstoff implantiert wurden.After the etching process, the samples were processed using Raman and photoluminescence Spectroscopy for possible near-surface crystal damage and the removal of the binary phase CuS checked. Parts of the same sample that were not used were used as a comparison Hydrogen were implanted.

Die Gitterschwingungsmoden der binären Phase treten nach der Wasserstoffätzung nicht mehr auf, ohne daß eine Gitterschädigung in der Chalkopyritschicht nachweisbar war. Vielmehr wächst die Intensität der Band-Band-Photolumineszenzemission um etwa eine Größenordnung, woraus auf die Passivierung von Rekombinationszentren geschlossen werden kann. Elektronenmikroskopische Untersuchungen konnten ebenfalls keine Schäden an der Oberfläche der Chalkopyrit-Kristallite nachweisen. Lediglich die CuS-Fremdphase, die als dünne Oberflächenschicht oder in Form von kristallinen Körnern im Nanometer- bis Mikrometerbereich auftritt, wurde durch das Wasserstoff Ionenstrahlverfahren beseitigt und hinterließ Hohlräume bzw. Gruben entsprechender Größe in der Schicht. Messungen des Flächenwiderstandes der Schichten zeigten nach der Temperung im Wasserstoff Ionenstrahl eine Erhöhung dieses Widerstandes um mehr als eine Größenordnung, was durch die Entfernung der gut leitfähigen halbmetallischen CuS-Phase erklärt werden kann. EDX- Messungen bestätigten die Entfernung der kompletten binären Phase ohne Zurückbleiben einer Komponente. Außerdem zeigten sie eine Veränderung der ursprünglich kupferreichen Zusammensetzung im Oberflächenbereich der Chalkopyritkristallite. Diese lag in diesen Proben typisch bei In : Cu = 0.83, S : Cu = 1.62, S : In = 1.96 und (Cu + In) : S = 1.13. Die Entfernung von Kupersulfid führte im Zusammenwirken mit Diffusionsprozessen bei der erhöhten Targettemperatur zur Einstellung einer In-reichen Zusammensetzung, was für den Oberflächenbereich der Solarzellen erwünscht ist. Die entsprechenden Zusammensetzungsdaten betrugen nach der einstündigen Temperung bei 200°C im Wasserstoff Ionenstrahl mit 1 µA/cm2 : In : Cu = 1.18, S : Cu = 1.97, S : In = 1.67, (Cu + In) : S = 1.11. Die Informationstiefe bei diesen EDX-Messungen lag durch die Elektronenenergie von 12 keV in der Größenordnung von 1 µm.The lattice vibration modes of the binary phase no longer occur after the hydrogen etching without a lattice damage in the chalcopyrite layer being detectable. Rather, the intensity of the band-band photoluminescence emission grows by about an order of magnitude, from which the passivation of recombination centers can be concluded. Electron microscopic examinations also showed no damage to the surface of the chalcopyrite crystallites. Only the CuS foreign phase, which occurs as a thin surface layer or in the form of crystalline grains in the nanometer to micrometer range, was eliminated by the hydrogen ion beam process and left cavities or pits of the appropriate size in the layer. Measurements of the surface resistance of the layers showed an increase in this resistance by more than an order of magnitude after tempering in the hydrogen ion beam, which can be explained by the removal of the highly conductive semi-metallic CuS phase. EDX measurements confirmed the removal of the complete binary phase without leaving any component. They also showed a change in the originally copper-rich composition in the surface area of the chalcopyrite crystallites. In these samples this was typically In: Cu = 0.83, S: Cu = 1.62, S: In = 1.96 and (Cu + In): S = 1.13. The removal of copper sulfide in conjunction with diffusion processes at the elevated target temperature led to the establishment of an In-rich composition, which is desirable for the surface area of the solar cells. The corresponding composition data after the one-hour tempering at 200 ° C in a hydrogen ion beam with 1 µA / cm 2 : In: Cu = 1.18, S: Cu = 1.97, S: In = 1.67, (Cu + In): S = 1.11. The information depth for these EDX measurements was in the order of 1 µm due to the electron energy of 12 keV.

Beispiel 2:Example 2:

Ein weiteres Beispiel beschreibt die Ätzung einer 3 µm dicken CuInS2 Schicht auf einem Glassubstrat ähnlich dem Beispiel 1. Zusätzlich zu der Ionenquelle wurde ein Massenseparator verwendet, der die Ätzung nur mit H+ erlaubte. Die Wasserstoffionenstrahl wirkte mit einem Beschleunigungspotential von 300 eV und einer Strahlstromdichte von 2 µA/cm2 für die Dauer von einer Stunde auf die Probenoberfläche. Die Temperatur des Substrates während des kompletten Ätzvorganges betrug 250°C. Der Druck im Rezipient betrug während des Ätzens 3 × 10-4 mbar. Durch Raman- und Photolumineszenzmessungen konnte ähnlich wie im Beispiel 1 eine Entfernung der binären Phase von CuS beobachtet werden, ohne daß eine Gitterschädigung in der Chalkopyritschicht nachweisbar war. Another example describes the etching of a 3 µm thick CuInS 2 layer on a glass substrate similar to Example 1. In addition to the ion source, a mass separator was used which only allowed the etching with H + . The hydrogen ion beam had an acceleration potential of 300 eV and a beam current density of 2 µA / cm 2 for a period of one hour on the sample surface. The temperature of the substrate during the entire etching process was 250 ° C. The pressure in the recipient was 3 × 10 -4 mbar during the etching. Raman and photoluminescence measurements, similar to example 1, showed that the binary phase of CuS had been removed without lattice damage in the chalcopyrite layer being detectable.

Das vorstehend beschriebene bevorzugte Verfahren kann in verschiedener Hinsicht modifiziert werden, ohne daß hierbei der Rahmen der Erfindung verlassen wird. So kann z. B. der Ionenstrahl durch eine Einloch-Ionenquelle erzeugt werden und über die Probe gescannt werden oder ein durch Abbremsung erzeugter Ionenstrahl eines Teilchenbeschleunigers verwendet werden.The preferred method described above can be modified in several ways without departing from the scope of the invention. So z. B. the Ion beam generated by a single-hole ion source and scanned over the sample or a particle accelerator ion beam generated by deceleration be used.

Selbstverständlich ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf die Passivierung von CuInS2 beschränkt. So können beispielsweise andere ternäre oder multinäre Verbindungshalbleiter, wie I-III-VI2 -Verbindungen (z. B. CuInSe2 für Dünnschichtsolarzellen) mit dem dargestellten Verfahren zum Zwecke der Entfernung von Sekundärphasen mit dem Wasserstoff-Ionenstrahl bearbeitet werden.Of course, the method according to the invention is not limited to the passivation of CuInS 2 . For example, other ternary or multinary compound semiconductors, such as I-III-VI 2 compounds (e.g. CuInSe 2 for thin-film solar cells) can be processed with the method illustrated for the purpose of removing secondary phases with the hydrogen ion beam.

Claims (15)

1. Verfahren zum Entfernen von binären Phasen in Chalkopyrit-Halbleitern und zur Modifizierung der Zusammensetzung dünner Schichten dieser Halbleiter, dadurch gekennzeichnet, daß Wasserstoff mit einer Energie unterhalb der Energiebarriere zur Schadenserzeugung im Chalkopyrit-Halbleitermaterial in dessen Oberfläche implantiert wird kombiniert mit einer Temperaturerhöhung des zu behandelten Materials und daß der Prozeß in einer Vakuumkammer mit einem Wasserstoff Partialdruck in der Nähe der Halbleiteroberfläche von weniger als 10-5 Torr stattfindet.1. A method for removing binary phases in chalcopyrite semiconductors and for modifying the composition of thin layers of these semiconductors, characterized in that hydrogen with an energy below the energy barrier for damage generation in the chalcopyrite semiconductor material is implanted in the surface thereof combined with an increase in temperature of the treated material and that the process takes place in a vacuum chamber with a hydrogen partial pressure near the semiconductor surface of less than 10 -5 Torr. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Materials oder von Teilen des Materials während der Ätzung kurzzeitig oder während des gesamten Implantationsvorgangs erhöht wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the temperature of the Material or parts of the material during the etching for a short time or during the entire implantation process is increased. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Materials oder von Teilen des Materials nach der Ätzung erhöht wird.3. The method according to claim 1, characterized in that the temperature of the Material or parts of the material after the etching is increased. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Materials oder von Teilen des Materials während und nach der Ätzung erhöht wird.4. The method according to claim 1, characterized in that the temperature of the Material or parts of the material is increased during and after the etching. 5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserstoff Ionenstrahl unter Verwendung einer Breitstrahlionenquelle erzeugt wird.5. The method according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized in that the Hydrogen ion beam is generated using a broad beam ion source. 6. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserstoff Ionenstrahl unter Verwendung einer Einloch-Ionenquelle erzeugt wird.6. The method according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized in that the Hydrogen ion beam is generated using a single-hole ion source. 7. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserstoff Ionenstrahl unter Abbremsung eines Ionenstrahls aus einem Teilchenbeschleuniger erzeugt wird.7. The method according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized in that the Hydrogen ion beam decelerating an ion beam from a particle accelerator is produced. 8. Verfahren nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ionenstrahl aus Wasserstoff und/oder einer wasserstoffhaltigen Verbindung besteht und danach durch einen Massenseparator getrennt wird.8. The method according to claim 5, 6 or 7, characterized in that a Ion beam consists of hydrogen and / or a hydrogen-containing compound and afterwards is separated by a mass separator. 9. Verfahren nach Anspruch 5, 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionenstrahl zeitlich konstant bleibt.9. The method according to claim 5, 6, 7 or 8, characterized in that the Ion beam remains constant over time. 10. Verfahren nach Anspruch 5, 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität des Ionenstrahl zeitlich variiert wird.10. The method according to claim 5, 6, 7 or 8, characterized in that the The intensity of the ion beam is varied over time. 11. Verfahren nach Anspruch 5, 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionenstrahl gepulst wird.11. The method according to claim 5, 6, 7 or 8, characterized in that the  Ion beam is pulsed. 12. Verfahren nach Anspruch 9, 10 oder 1 l, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionenstrahl über die Probe gescannt wird.12. The method according to claim 9, 10 or 1 l, characterized in that the Ion beam is scanned over the sample. 13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig eine Defektpassivierung im Volumen oder an der Oberfläche des Target-Materials erfolgt.13. The method according to claim 12, characterized in that at the same time Defect passivation takes place in the volume or on the surface of the target material. 14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Änderung der Ausgangsstöchiometrie der Chalkopyritschicht oder von Teilen dieser Schicht erfolgt.14. The method according to claim 13, characterized in that a change in Initial stoichiometry of the chalcopyrite layer or of parts of this layer takes place. 15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des Wasserstoffes Deuterium verwendet wird.15. The method according to claim 14, characterized in that instead of the hydrogen Deuterium is used.
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