DE19936941B4

DE19936941B4 - Verfahren zur Herstellung dünner Schichten, insbesondere Dünnschichtsolarzellen, auf einem Trägersubstrat

Info

Publication number: DE19936941B4
Application number: DE19936941A
Authority: DE
Inventors: Hans Artmann; Wilhelm Dr. Frey; Manfred Dr. Moellendorf
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1998-11-11
Filing date: 1999-08-05
Publication date: 2008-11-06
Anticipated expiration: 2019-08-06
Also published as: DE19936941A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer dünnen Schicht, insbesondere einer Dünnschichtsolarzelle, auf einem Trägersubstrat (14) aus einem Ausgangskörper (20), wobei im Inneren des Ausgangskörpers (20) eine vergrabene Opferschicht (11) erzeugt wird, die eine Schicht (15, 16, 17) von einem vom Ausgangskörper (20) verbliebenen Restkörper (10) trennt, daß danach das Trägersubstrat (14) auf der Schicht (15, 16, 17) angebracht wird, und daß anschließend die Opferschicht (11) entfernt wird, so daß die mit dem Trägersubstrat (14) verbundene Schicht (15, 16, 17) die zu erzeugende dünne Schicht bildet, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangskörper (20) zunächst mit Wasserstoff flächig beschossen wird, daß dann eine thermische Aktivierung des Ausgangskörpers (20) erfolgt, der eine Erzeugung von Ätzlöchern (12) in der Schicht (15, 15') folgt, die in der Tiefe bis in die Opferschicht (11) reichen, und daß danach die Opferschicht (11) über die Ätzlöcher (12) durch flächiges Ätzen porosiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer dünnen Schicht, insbesondere einer Dünnschichtsolarzelle, auf einem Trägersubstrat nach der Gattung des Hauptanspruches.
Stand der Technik
Aus der Herstellung dünner monokristalliner Siliziumschichten auf einem Trägersubstrat ist bekannt, einen Siliziumwafer zunächst mit einem Trägersubstrat zu verbinden und anschließend durch Rückschleifen und Polieren des Wafers eine dünne Schicht von typischerweise 5 μm bis 50 μm zu erzeugen. Diese Schichten werden beispielsweise als Solarzellen oder zur Herstellung elektronischer Schaltungen auf Glas, Polymeren oder Keramiken verwendet.
Alternativ ist bekannt, auf einer dünnen Schicht aus porösem Silizium epitaktisch eine einkristalline Siliziumschicht mit einer Dicke von 2 bis 20 μm aufwachsen zu lassen und danach diese aufgewachsene Siliziumschicht mit einem Trägersubstrat zu verbinden. Daraufhin zerstört man die poröse Siliziumschicht oder löst sie von der epitaktisch aufgewachsenen Si liziumschicht ab, so daß man eine dünne einkristalline Siliziumschicht auf einem Trägersubstrat erhält. Dieses Verfahren bezeichnet man als Ψ-Prozeß.
Weiterhin ist auch bekannt aus Gösele et al, Appl. Phys. Lett., 70., (11), 1997, 1340 ff., in einem Siliziumwafer große Mengen an Wasserstoff in einer vergrabenen Schicht in einem Wafer zu implantieren, so daß durch Konglomeration des Wasserstoffs H₂-Blasen entstehen, die eine darüberliegende dünne Schicht aus Silizium absprengen.
Bekannte Dünnschichtsolarzellen beruhen weiter entweder auf der Deposition eines photovoltaischen, amorphen oder polykristallinen Schichtsystems, auf nichtangepaßten Trägersubstraten wie Glas oder Keramik. Bekannte. Techniken dazu verwenden beispielsweise CuInSe, CaTe, a-Silizium oder Poly-Silizium als aktive. Schicht. Andererseits können Dunnschichtsolarzellen auch auf Deposition eines elektronischen oder photovolatischen Systems auf einem gitterangepaßten Trägersubstrat beruhen. Dazu bekannte Techniken setzen beispielsweise, wie erwähnt, die Siliziumepitaxie auf Silizium oder die Siliziumepitaxie auf porösem Silizium ein.
Derartige monokristalline Dünnschichtsolarzellen können Wirkungsgrade bis 20% erreichen, ihre Herstellungskosten sind jedoch aufgrund der erforderlichen Epitaxiedeposition relativ hoch.
Schließlich ist aus US 5,374,564 ist ein weiteres Verfahren zur Erzeugung dünner Schichten aus Halbleitermaterialien in einem Substrat mit einer ebenen Fläche bekannt, das sich zum Herstellen mono- oder polykristalliner Dünnschichten eignet. Dabei wird in einem ersten Schritt über einen Innenbeschuss eine Schicht aus Mikrogasblasen im Substrat gebildet. Nach einem zweiten Schritt zur Herstellung eines engen Kontakts der ebenen Fläche mit einer Versteifung wird in einem dritten Schritt mittels einer thermischen Behandlung eine Trennung zwischen der dünnen Schicht und dem Rest des Substrates herbeigeführt. Eine vergleichbare Vorgehensweise zur Herstellung einer dünnen Schicht in einem Halbleitermaterial wird auch in EP-0 807 970 A1 beschrieben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, um kostengünstig dünne, insbesondere einkristalline Schichten von typischerweise 100 nm bis 10 μm Dicke auf weitgehend beliebigen, insbesondere jedoch hochtemperaturbeständigen Trägersubstraten herzustellen. Diese Schich ten sollen weiterhin beispielsweise für Dünnschichtsolarzellen verwendbar sein.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, daß kostengünstig dünne Schichten auf beliebigen Trägersubstraten hergestellt werden können. Insbesondere eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren, um einkristalline Siliziumschichten aus herkömmlichem Wafermaterial oder hochtemperaturfesten Substraten herzustellen. Dabei können aus einem Wafer sukzessive mehrere dünne Schichten erzeugt werden, wobei jeweils nur eine dünne Opferschicht innerhalb des Wafermaterials bzw. des Ausgangskörpers verbraucht wird, so daß das vorgestellte Herstellungsverfahren insbesondere sehr kostengünstig ist. Weiterhin können damit bei Bedarf auch großflächige Schichten erzeugt werden.
Besonders vorteilhaft ist es, daß für das erfindungsgemäße Verfahren auch vortexturierte Wafer verwendet werden können, wie sie beispielsweise in der Solarzellenherstellung zum Einsatz kommen.
Neben der Erzeugung von dünnen Siliziumschichten eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Herstellung dünner Schichten aus einer Vielzahl von insbesondere porosierbaren Materialien, wie beispielsweise Germanium oder Siliziumcarbid.
Im Gegensatz zum Ψ-Prozeß besteht beispielsweise bei Verwendung eines Siliziumwafers als Ausgangsmaterial zur Erzeugung einer dünnen Schicht auf einem Trägersubstrat diese Schicht bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens aus dem ursprünglichen Wafermaterial und besitzt damit höchste elektrische Qualität. Dadurch eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren auch für die Herstellung sehr hochwertiger Elektronik aus kostengünstigem Dünnschicht-Silizium auf beliebigen d. h. auch flexiblen Trägersubstraten sowie zur Herstellung von hochwertigen einkristallinen c-Silizium-Dünnschichten auf Glas, wie sie beispielsweise für Dünnschichtsolarzellen benötigt werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.
So kann die Dicke der herzustellenden dünnen Schicht auf dem Trägersubstrat sehr einfach über die Tiefe der vergrabenen Opferschicht bzw. deren Abstand von der Oberfläche des Ausgangskörpers eingestellt werden. Die Tiefe, in der die Opferschicht erzeugt wird, läßt sich wiederum beispielsweise über die kinetische Energie von in den Ausgangskörper implantiertem Wasserstoff einstellen, der in Abhängigkeit von der Energieverteilung des Wasserstoffs in einem Ausgangskörper, wie beispielsweise Silizium, ein scharfes Stoppprofil aufweist, so daß letztlich die Energie und die Energieverteilung des Wasserstoffes die Schichtdicke der zu erzeugenden dünnen Schicht und die Dicke der vergrabenen Opferschicht bestimmt.
Das nachfolgende Ablösen der Opferschicht von der zu erzeugenden dünnen Schicht erfolgt kann durch eine Porosierung der Opferschicht über flächiges Ätzen oder Anodisieren der ein mechanisches oder chemisches Entfernen der porösen Opferschicht folgt. Diese Porosierung erfolgt im Falle von Silizium als Ausgangsmaterial vorteilhaft durch Überführung der vergrabenen Opferschicht in poröses Silizi um, dessen Struktur mechanisch instabil ist und das chemisch leicht entfernt werden kann.
Es wird ein thermischer Ausheilschritt nachgeschaltet, der die Qualität der erzeugten dünnen Schicht verbessert, indem Strahlenschäden als Folge der Was serstoffimplantation ausgeheilt werden.
Nach dem Entfernen der Opferschicht kann der vom Ausgangskörper verbliebene Restkörper zur Erzeugung weiterer dünner Schichten wiederverwendet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es weiter sehr vorteilhaft, Solarzellen ohne kostenintensitve Epitaxieschritte mit Hilfe der porösen Siliziumtechnik zu realisieren.
Dazu kann innerhalb der zu erzeugenden dünnen Schicht über verschiedene Verfahren sehr vorteilhaft durch geeignete Dotierung ein pn-Übergang erzeugt werden.
Der Wirkungsgrad einer mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Dünnschichtsolarzelle läßt sich weiter steigern, wenn zusätzliche Schichten definierter, jedoch unterschiedlicher Porosität und damit unterschiedlichen Brechungsindices vorgesehen werden, die ein breitbandiges Reflexionsfilter auf der dem Lichteinfall abgewandten Seite der Solarzelle bilden, um dadurch das durch das Schichtpaket transmittierte Licht in den aktiven Bereich der Solarzelle d. h. die erzeugte dünne Schicht mit pn-Übergang zu reflektieren.
Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit zur Erhöhung des Wirkungsgrades der erzeugten Solarzelle liegt in einer defi niert eingestellten geringen Porosität der erzeugten dünnen Schicht auf dem Trägersubstrat. Dies führt zu einer erhöhten Lichtstreuung innerhalb der erzeugten dünnen Schicht, was beispielsweise eine Durchstrahlung der Solarzelle vermindert und so zu einem besseren Lichteinfang und einer höheren Ladungsträgererzeugung führt.
Weitere vorteilhafte Verbesserungen des Wirkungsgrades der Solarzelle werden durch Mehrfachreflexionen innerhalb der Solarzelle erzielt, die sich ergeben, wenn zusätzlich eine Oberflächentexturierung einzelner Schichten der Solarzelle vorgenommen wird.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die 1 bis 5 zeigen die Verfahrensschritte zur Herstellung einer dünnen Schicht aus einem Ausgangskörper, wobei der Schichtaufbau in den einzelnen Verfahrensschritten in Schnittdarstellung gezeigt wird. Die 6 und 7 erläutern ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit modifiziertem Schichtaufbau in Schnittdarstellung.
Ausführungsbeispiele
Die 1 zeigt einen Ausgangskörper 20 mit einer Schicht 15, einer vergrabenen Opferschicht 11 und einem Restkörper 10. Aus der Schicht 15 entsteht später die zu erzeugende dünne Schicht 15'. Der Ausgangskörper 20 besteht beispielsweise aus Silizium und liegt insbesondere als handelsüblicher oder vortexturierer Wafer vor. Das erfindungsgemäße Verfahren ist aber auch mit vielfältigen anderen Materialien wie beispielsweise Siliziumcarbid oder Germanium durchführ bar. Der Ausgangskörper 20 ist bevorzugt einkristallin, so daß die zu erzeugende dünne Schicht 15' für hochwertige elektronische Anwendungen und Solarzellen einsetzbar ist.
Zur Erzeugung der Opferschicht 11 in dem Ausgangskörper 20 wird dieser zunächst ganzflächig mit Wasserstoff beschossen. Da Wasserstoff in Silizium ein sehr ausgeprägtes Stoppprofil aufweist, läßt sich über die kinetische Energie des Wasserstoffs bzw. über die Beschleunigerenergie die Eindringtiefe des Wasserstoffs in den Ausgangskörper 20 sehr genau bestimmen, so daß dieser in einer definierten, über die kinetische Energie bestimmbaren Tiefe in dem Ausgangskörper 20 implantiert wird. Die Energieverteilung des Wasserstoffes beim Beschuß beeinflußt weiterhin die Breite der Opferschicht 11, so daß der Beschuß bevorzugt mit nahezu monoenergetischem Wasserstoff erfolgt, um die vergrabene Opferschicht 11 möglichst dünn zu gestalten. Typische Dicken der Opferschicht liegen bei ca. 0,5 μm bis 2,5 μm. Die mit Wasserstoff implantierte Schicht in dem Ausgangskörper 20 definiert somit die vergrabene Opferschicht 11. Für die Herstellung einer vergrabenen Opferschicht 11 mit implantiertem Wasserstoff in einer Tiefe von 2 μm wird beispielsweise eine Beschleunigerenergie von ca. 220 keV benötigt. Die verwendete Beschleunigerenergie hängt dabei von der Energieverteilung des erzeugten Wasserstoffes und der auftretenden Streuung ab. Geeignete Energien liegen in der Regel zwischen 30 keV und 600 keV.
Die vergrabene Opferschicht teilt den Ausgangskörper 20 in die Schicht 15 und den Restkörper 10, die beide aus dem gleichen Material wie der Ausgangskörper 20 bestehen. Nach der Implantation des Wasserstoffs in der vergrabenen Opferschicht 11 erfolgt eine thermische Aktivierung des Ausgangskörpers 20 je nach Material des Ausgangskörpers bei Tempera turen von 250°C bis 600°C über 5 min bis 15 min. Im Falle eines Ausgangskörpers 20 aus Silizium hat sich eine thermische Aktivierung bei einer Temperatur von 300°C bis 500°C über einige Minuten als vorteilhaft erwiesen. Dabei wird der Wasserstoff aktiviert und wirkt im weiteren als Dotierung (flacher Donator) gemäß der Lehre von Ohmura et al., Phys. Stat. Sol., 15, (1973), 93, so daß die vergrabene Opferschicht 11 beispielsweise bei einem nachfolgenden elektrochemischen Ätzen bevorzugt anodisiert wird. Dabei nutzt man die Tatsache, daß beispielsweise die Erzeugung von porösem Silizium in einem Siliziumausgangskörper dotierungsselektiv ist, und daß man somit über eine Wasserstoffimplantation mit scharfem Stoppprofil in einer vergrabenen Opferschicht 11 und nachfolgender thermischer Aktivierung ein flächiges Gebiet erzeugt, das gegenüber der Umgebung, in die kein Wasserstoff implantiert wurde, bevorzugt anodisiert wird. Gleichzeitig werden durch die thermische Aktivierung auch Strahlenschäden ausgeheilt, die beispielsweise durch die Wasserstoffimplantation entstanden sind, um somit die Kristallstruktur des Ausgangskörpers 20 und der zu erzeugenden dünnen Schicht 15' zu verbessern.
Nach dem thermischen Aktivieren erfolgt dann ein Ätzen oder Anodisieren der vergrabenen Opferschicht 11. Dazu werden gemäß 2 zunächst Ätzlöcher 12 in der Schicht 15 erzeugt, die bis in die vergrabene Opferschicht 11 reichen, um so eine Elektrolytkontaktierung der vergrabenen Opferschicht 11 zu ermöglichen. Die Erzeugung der Ätzlöcher erfolgt dabei über an sich bekannte Strukturierungsverfahren wie beispielsweise photolithografische trocken- oder naßchemische Strukturierungen.
Anschließend wird dann, wie in 3 dargestellt, die vergrabene Opferschicht 11 in dem Ausgangskörper 20 aus Silizi um beispielsweise mit Hilfe von verdünnter Flußsäure mit einer Konzentration von 10% bis 40% oder in einem flußsäurehaltigen Elektrolyten wie Ammoniumfluorid als Anodisierungsmittel in an sich bekannter Weise flächig anodisiert oder geätzt. Dieser Prozeß ist nicht zeitkritisch, da nur der implantierte Bereich d. h. die vergrabene Opferschicht 11 anodisiert oder geätzt wird, so daß die Ätzfront parallel zur Oberfläche des Ausgangskörpers 20 fortschreitet und somit die gesamte vergrabene Opferschicht 11 porosiert d. h. in eine poröse Struktur überführt. Im Falle eines Ausgangskörpers aus Silizium bildet sich im Bereich der vergrabenen Opferschicht 11 somit poröses Silizium aus, das mechanisch instabil ist und chemisch leicht entfernt werden kann.
Auf den derart vorbehandelten Ausgangskörper 20 wird anschließend auf der Schicht 15 gemäß 4 ein Trägersubstrat 14 angebracht. Dieses Trägersubstrat 14 besteht beispielsweise aus Glas, Metall oder Keramik oder liegt als Wafer vor und kann bei entsprechenden Anwendungen insbesondere auch flexibel sein. Die Verbindung des Trägersubstrates mit der Schicht 15 erfolgt in an sich bekannter Weise über Banden oder Kleben oder mit Hilfe von Sealglas.
Abschließend wird nun die Schicht 15 mit dem darauf befindlichen Trägersubstrat 14 von dem Ausgangskörper 20 getrennt, indem man die Opferschicht 11 entfernt. Dadurch bleibt die Schicht 15 mit dem Trägersubstrat 14 verbunden und es entsteht die zu erzeugende dünne Schicht 15' auf dem Trägersubstrat 14. Vom Ausgangskörper 20 verbleibt somit der Restkörper 10.
Das Entfernen der Opferschicht 11 kann beispielsweise mechanisch über Abreißen oder Abscheren oder chemisch erfolgen. Im Fall einer mechanischen Entfernung dient das poröse Sili zium der Opferschicht 11 als Sollbruchschicht. Chemisch kann die Opferschicht 11 beispielsweise mit Hilfe einer 5-%igen wäßrigen Ammoniaklösung oder einer 5-%igen wäßrigen KOH-Lösung entfernt werden, so daß am Ende des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß 5 somit die zu erzeugende dünne Schicht 15' aus insbesondere einkristallinem Silizium auf einem beliebigen Trägersubstrat wie beispielsweise Glas steht, wobei der verbliebene Restkörper 10 für weitere Verfahrensdurchläufe zur Verfügung steht. In jedem Prozeßdurchlauf wird somit sehr kostengünstig nur die dünne vergrabene Opferschicht 11 verbraucht, deren Dicke lediglich vom Stoppprofil des implantierten Wasserstoffes anhängt. Daher ist die Verwendung von Wasserstoff mit einer nahezu monoenergetischen Energieverteilung und somit besonders scharf definiertem Stoppprofil zur Verringerung der Dicke der Opferschicht 11 und zur Erhöhung der Zahl der möglichen Verfahrensdurchläufe eines Ausgangskörpers 20 sehr vorteilhaft.
Weiterhin läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren auch leicht auf andere, insbesondere porosierbare Materialien, wie Siliziumcarbid oder Germanium übertragen.
Am Ende des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorteilhaft in Abhängigkeit vom verwendeten Trägersubstrat 14 erneut ein thermischer Ausheilschritt bei Temperaturen von 1000°C bis 1150°C über 30 sec bis 30 min nachgeschaltet, um Kristalldefekte und/oder Strahlenschäden in der zu erzeugenden dünnen Schicht 15' auszuheilen, die insbesondere im Laufe der vorangegangenen Verfahrensschritte erzeugt wurden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, das mit Hilfe der 6 erläutert wird, sieht vor, daß zunächst in dem Ausgangskörper 20 aus einkristallinem Silizium, beispielsweise einem Siliziumwafer, eine nur gering poröse Schicht 16 erzeugt wird, die der im ersten Ausführungsbeispiel erläuterten Schicht 15 entspricht. Die Schicht 16 hat beispielsweise eine Dicke von 100 nm bis 10 μm, bevorzugt von ca. 500 nm bis 3 μm. Die gering poröse Schicht 16 wird dazu beispielsweise durch eletrochemisches Ätzen in einer 20%-igen bis bevorzugt 33%-igen ethanolischen Flußsäurelösung bei Raumtemperatur über 1 min bis 20 min und einer Stromdichte von 1 mA/cm² bis 10 mA/cm² erzeugt.
Anschließend wird dann weiter, wie vorstehend erläutert, in dem Ausgangskörper 20 die vergrabene Opferschicht 11 erzeugt. Die vergrabene Opferschicht hat dazu beispielsweise eine Dicke von 0,5 μm bis 2,5 um und ist gegenübender gering porösen Schicht 16 hochporös.
Nachdem dann, wie beispielsweise bereits mit Hilfe der 3 und 4 erläutert, die gering poröse Schicht 16 mit dem Trägersubstrat 14, das insbesondere ein hochtemperaturstabiles Glassubstrat, Wafermaterial oder Keramiksubstrat ist, verbunden worden ist und die Opferschicht 11 entfernt wurde, folgt anschließend ein Temperschritt bei Temperaturen von oberhalb 850°C, insbesondere bei 900°C bis 1100°C, über 1 min 2 h, um die niedrig poröse Schicht 16 zu einer monokristallinen Siliziumschicht zu verdichten bzw. zurückzuüberführen.
Typische Porositätswerte für niedrig poröse Schichten im Sinne der Erfindung liegen übrigens bei Werten von 10% bis 20% für die offene Porosität. Entsprechend sind unter hochporösen Schichten solche mit einer offenen Porosität von 30% bis 60% zu verstehen.
Eine erste Variante dieses zweiten Ausführungsbeispiels, die zusätzlich zur Erzeugung eines pn-Überganges in der gering porösen Schicht 16 führt, so daß diese Schicht 16 als aktive Schicht einer Dünnschichtsolarzelle verwendbar ist, sieht darüber hinaus vor, daß der Grundkörper 20, d. h. beispielsweise ein Siliziumwafer, zunächst in an sich bekannter Weise gleichmäßig und insgesamt hoch p-dotiert wird und dann oberflächlich in einem Bereich, der durch eine später zu erzeugende n-dotierte Teilschicht 16' begrenzt ist, hoch n-dotiert wird. Diese n-Dotierung kann in an sich bekannter Weise beispielsweise durch Diffusionsprozesse oder Ionenimplantation erfolgen und erstreckt sich in dem Grundkörper 20 auf Tiefen von 100 nm bis 2000 nm.
Nach dieser Dotierung wird dann, analog dem zweiten Ausführungsbeispiel, zunächst die gering poröse Schicht 16, wie bereits zuvor erläutert, erzeugt. Diese gering poröse Schicht 16 gliedert sich nun in eine oberflächennahe, n-dotierte Teilschicht 16' mit einer typischen Dicke von 100 nm bis 2000 μm, und eine tieferliegende, p-dotierte Teilschicht 16'' mit einer typischen Dicke von 500 nm bis 10 μm, so daß in der gering porösen Schicht 16 ein pn-Übergang entstanden ist.
Dann erfolgt die Ausbildung der vergrabenen Opferschicht 11 analog dem vorstehend erläuterten ersten oder zweiten Ausführungsbeispiel. Die weitere Vorgehensweise zur Erzeugung einer dünnen Schicht, die aus der n-dotierten Teilschicht 16' und der p-dotierten Teilschicht 16'' besteht, ist dann analog den vorstehenden Ausführungsbeispielen. Als Trägersubstrat 14 wird bei der Herstellung von Solarzellen bevorzugt Glas oder Keramik eingesetzt.
Im übrigen ist es vorteilhaft, wenn unmittelbar nach dem Erzeugen der vergrabenen Opferschicht 11 zunächst einer Temperung des Grundkörpers 20 bei Temperaturen von 1000°C bis 1200°C über 10 min bis 120 min zwischengeschaltet wird. Diese Temperung fördert die Qualität der dotierten Teilschichten 16' und 16'', verdichtet diese bereits zumindest teilweise und erhöht die Porosität bzw. verbessert die Sollbruchstelleneigenschaften der vergrabenen Opferschicht 11.
Im Fall Herstellung einer Dünnschichtsolarzelle sind zu deren Fertigstellung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gegebenenfalls noch weitere, jedoch an sich bekannte Verfahrensschritte erforderlich, die im wesentlichen der Anschlußkontaktierung der Vorder- bzw. Rückseite der erzeugten dünnen Schicht und einer nachfolgenden Passivierung der Anschlußkontaktierungen und/oder der erzeugten dünnen Schicht dienen. Diese Verfahrensschritte sind jedoch in der Solarzellentechik bekannt und üblich.
Eine zweite Variante des zweiten Ausführungsbeispiels, die mit Hilfe der 7 erläutert wird, sieht vor, daß die Herstellung einer gering porösen Schicht 17 derart erfolgt, daß oberflächlich zunächst eine erste Teilschicht 17' mit einer Dicke von 100 nm bis 2000 nm und mit einer mittleren Porosität von 20% bis 40% erzeugt wird, der darunter eine zweite Teilschicht 17'' mit einer Dicke von 500 nm bis 10 μm folgt, die nur gering porös ist. Die unterschiedliche Porosität der ersten und zweiten Teilschicht 17', 17'' wird dabei mittels unterschiedlicher Stromdichten beim elektrochemischen Ätzen erzielt. Geeignete Stromdichten liegen zwischen 2 mA/cm² bis mA/cm².
Der Grundkörper 20 ist weiterhin zunächst einheitlich und homogen in an sich bekannter Weise p-dotiert. Gegenüber der ersten Variante des zweiten Ausführungsbeispiels kann jedoch die oberflächliche n-Dotierung des Grundkörpers 20 durch Ionenimplantation bzw. Diffusionsprozesse entfallen. Diese oberflächliche n-Dotierung wird stattdessen wie im folgenden erläutert erreicht.
Nach dem Erzeugen der Teilschichten 17' und 17'' mit jeweils unterschiedlicher Porosität folgt dann zunächst die Erzeugung der hochporösen vergrabenen Opferschicht 11 analog dem vorstehend erläuterten ersten oder zweiten Ausführungsbeispiel.
Anschließend erfolgt dann eine Vortemperung des Grundkörpers 20 bei Temperaturen von 800°C bis 1200°C, bevorzugt bei ca. 1050°C, über 30 sec bis 30 min, die einer Vorverdichtung der gering porösen, zweiten Teilschicht 17'' dient, so daß die gering poröse nunmehr verdichtete zweite Teilschicht 17'', die über die ursprüngliche p-Dotierung des gesamten Grundkörpers 20 ebenfalls p-dotiert ist, zwischen der hochporösen vergrabenen Opferschicht 11 und der ersten Teilschicht 17' mit mittlerer Porosität eingeschlossen ist.
Im nächsten Verfahrensschritt wird dann eine n-Dotierung der ersten Teilschicht 17' mit mittlerer Porosität vorgenommen. Diese n-Dotierung erfolgt beispielsweise durch eine geeignete, an sich bekannte Gasbelegung im Vakuum nach vorherigem Ausgasen des porösen Siliziums bei Temperaturen oberhalb 400°C oder durch eine ebenfalls an sich bekannte definierte Eindiffusion geeigneter Atome wie Phosphor oder Antimon in diese erste Teilschicht 17'. Aufgrund der nach dem vorgeschalteten Temperschritt nurmehr geringen Porosität der zweiten Teilschicht 17'' ist diese gegen die n-Dotierung beispielsweise durch die Gasbelegung geschützt, so daß zumindest im wesentlichen lediglich die erste Teilschicht 17' n-dotiert wird. Insgesamt entsteht somit erneut ein pn-Übergang in der gering porösen Schicht 17 zwischen der ersten und zweiten Teilschicht 17', 17''. Das weitere Verfah ren zur Fertigstellung der Dünnschichtsolarzelle ist dann analog der ersten Variante des zweiten Ausführungsbeispiels.
So wird beispielsweise auch in diesem Fall nach dem Erzeugen der vergrabenen Opferschicht 11 vorteilhaft zunächst eine Temperung des Grundkörpers 20 bei Temperaturen von 1000°C bis 1200°C über 2 min bis 120 min zwischengeschaltet. Diese Temperung fördert die Qualität der Teilschichten 17' und 17'', verdichtet diese bereits zumindest teilweise und erhöht die Porosität bzw. verbessert die Sollbruchstelleneigenschaften der vergrabenen Opferschicht 11. Das Tempern dient gleichzeitig auch dem weiteren Eintreiben und der weiteren Aktivierung der vorgenommenen Dotierung.
Das vorstehende zweite Ausführungsbeispiel zur Herstellung einer Dünnschichtsolarzelle läßt sich im übrigen hinsichtlich des Wirkungsgrades der erhaltenen Solarzelle dadurch weiter verbessern, daß durch zusätzliche Schichten definierter, jedoch unterschiedlicher Porosität und damit unterschiedlichen Brechungsindices ein breitbandiges Reflexions filter auf der dem Lichteinfall abgewandten Seite der Solarzelle realisiert wird, um das durch das Schichtpaket transmittierte Licht in den aktiven Bereich der Solarzelle d. h. die erzeugte dünne Schicht mit pn-Übergang zu reflektieren und damit deren Wirkungsgrad zu erhöhen. Gleichermaßen kann ein derartiges Schichtpaket mit gestufter Porosität als Antireflexschicht zusätzlich oder alternativ auch auf der dem Lichteinfall zugewandten Vorderseite der Solarzelle angebracht werden.
Eine weitere Möglichkeit zur Erhöhung des Wirkungsgrades der erzeugten Solarzelle liegt in der nur unvollständigen Verdichtung der gering porösen Schichten 16, 17 während des Temperschrittes nach dem Verbinden mit dem Trägersubstrat 14, so daß diese danach nur eine teilweise monokristalline Kristallstruktur aufweisen bzw. zurückerhalten. Dies führt zu einer erhöhten Lichtstreuung innerhalb der Schichten 16 und 17, was beispielsweise eine Durchstrahlung der Solarzelle vermindert und so zu einem besseren Lichteinfang und einer höheren Ladungsträgererzeugung führt.
Weitere Verbesserungen des Wirkungsgrades durch Mehrfachreflexionen innerhalb der Solarzelle ergeben sich, wenn zusätzlich eine Oberflächentextur des Trägersubstrates 14, einer zusätzlichen Passivier- oder Deckschicht auf den Schichten 16 oder 17 oder eine oberflächliche Texturierung der Schichten 16 bzw. 17 selbst vorgenommen wird. Diese Texturierung wird beispielsweise durch ein Ätzen von Silizium mit KOH erzielt, das zur Ausbildung von Pyramiden führt, oder durch bekannte Trockenätzverfahren.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer dünnen Schicht, insbesondere einer Dünnschichtsolarzelle, auf einem Trägersubstrat (14) aus einem Ausgangskörper (20), wobei im Inneren des Ausgangskörpers (20) eine vergrabene Opferschicht (11) erzeugt wird, die eine Schicht (15, 16, 17) von einem vom Ausgangskörper (20) verbliebenen Restkörper (10) trennt, daß danach das Trägersubstrat (14) auf der Schicht (15, 16, 17) angebracht wird, und daß anschließend die Opferschicht (11) entfernt wird, so daß die mit dem Trägersubstrat (14) verbundene Schicht (15, 16, 17) die zu erzeugende dünne Schicht bildet, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangskörper (20) zunächst mit Wasserstoff flächig beschossen wird, daß dann eine thermische Aktivierung des Ausgangskörpers (20) erfolgt, der eine Erzeugung von Ätzlöchern (12) in der Schicht (15, 15') folgt, die in der Tiefe bis in die Opferschicht (11) reichen, und daß danach die Opferschicht (11) über die Ätzlöcher (12) durch flächiges Ätzen porosiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für den Ausgangskörper (20) Silizium, Siliziumcarbid oder Germanium, homogen dotiertes Silizium oder Germanium oder homogen p-dotiertes Silizium oder Germanium mit oberflächlicher n-Dotierung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Trägersubstrat (14) ein flexibles Substrat, ein Wafer, ein Metall, ein keramisches Substrat oder ein Glassubstrat verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den Ausgangskörper (20) ein zumindest weitgehend einkristallines Material verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vergrabene Opferschicht (11) in einer Tiefe von 100 nm bis 10 μm in dem Ausgangskörper (20) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der implantierte Wasserstoff ein scharfes Stoppprofil aufweist, und daß dessen Stopptiefe über seine kinetische Energie eingestellt wird, so daß dieser in einer über die Waserstoffenergie einstellbaren Tiefe in der vergrabenen Opferschicht (11) implantiert wird und somit die Dicke der Schicht (15, 15') definiert.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die kinetische Energie des Wasserstoffes im Bereich von 30 keV bis 600 keV liegt, und daß die Energieverteilung des Wasserstoffs insbesondere nahezu monoenergetisch ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Aktivierung des Ausgangskörpers 5 Minuten bis 15 Minuten andauert und bei Temperaturen von 250°C bis 600°C durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das flächige Ätzen ein elektrochemisches Ätzen ist und die Opferschicht dabei anodisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrochemische Ätzen mit einem Anodisierungsmittel erfolgt, das insbesondere verdünnte Flußsäure oder einen flußsäurehaltigen Elektrolyten enthält.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Anodisierungsmittel die Opferschicht (11) flächig parallel zu der Schicht (15, 15') anodisiert und dabei die Opferschicht (11) porosiert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung der Ätzlöcher (12) in dem Ausgangskörper (20) über an sich bekannte trocken- oder naßchemischen Strukturierungs- oder Atzverfahren erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägersubstrat (14) mit der Schicht (15, 16, 17) durch Bonden oder Kleben verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernung der vergrabenen Opferschicht (11) mechanisch oder chemisch erfolgt und insbesondere durch Abreißen oder Abscheren durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernung der vergrabenen Opferschicht (11) chemisch mit Hilfe einer verdünnten Ammoniaklösung oder einer verdünnten KOH-Lösung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der verbliebene Restkörper (10) nach dem Entfernen der Opferschicht (11) für mindestens einen weiteren Verfahrensdurchlauf verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Wiederverwendung des verbliebenen Restkörpers (10) ein thermischer Ausheilschritt erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vortexturierte poröse Ausgangskörper (10) verwendet werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich innerhalb der zu erzeugenden Schicht (15') ein pn-Übergang erzeugt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (15) zunächst in eine gering poröse Schicht (16, 17) überführt wird.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die gering poröse Schicht (16, 17) in unterschiedlich poröse Teilschichten (17', 17'') und/oder unterschiedlich dotierte Teilschichten (16', 16'') überführt wird.
Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß die gering poröse Schicht (16, 17) nach dem Verbinden mit dem Trägersubstrat (14) durch Tempern zumindest weitgehend in eine monokristalline Kristallstruktur überführt wird.
Verwendung des Verfahrens nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche zur Herstellung elektronischer Bauteile oder einer Dünnschichtsolarzelle.