DE19962896A1 - Method and device for producing solar cells - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft die Oberbegriffe der unab hängigen Ansprüche. Damit befaßt sich die vorliegende Erfin dung mit der Herstellung photovoltaischer Solarzellen.The present invention relates to the preambles of unab pending claims. This is what the present Erfin deals with with the production of photovoltaic solar cells.
Bei photovoltaischen Solarzellen kommt es im Regelfall darauf an, eine bestimmte elektrische Leistung zu möglichst günstigen Preisen zur Verfügung zu stellen. Dies erfordert einerseits einen hohen Wirkungsgrad, andererseits möglichst niedrige Her stellungskosten. Einen wesentlichen Kostenbeitrag kann das Ausgangsmaterial darstellen. Es ist daher erwünscht, nach Mög lichkeit multikristallines Silizium anstelle von hochreinem einkristallinen Czochralski-Silizium zu verwenden. Nachteilig bei der Verwendung von multikristallinem Silizium ist jedoch, daß dieses eine Vielzahl von den Wirkungsgrad verringernden Defekten aufweist. Hierzu zählen sowohl geometrische Fehler im Aufbau des Kristallgitters wie Versetzungen und Korngrenzen als auch eingelagerte Fremdatome, die sich bevorzugt an den Korngrenzen ablagern. This is usually the case with photovoltaic solar cells a certain electrical power at the cheapest possible To provide prices. On the one hand, this requires a high efficiency, on the other hand, the lowest possible service costs. This can make a significant contribution to costs Represent starting material. It is therefore desirable, according to Mög multicrystalline silicon instead of high-purity to use single-crystal Czochralski silicon. Disadvantageous when using multicrystalline silicon, however, that this a variety of efficiency-reducing Has defects. This includes both geometric errors in the Structure of the crystal lattice such as dislocations and grain boundaries as well as embedded foreign atoms, which preferentially adhere to the Deposit grain boundaries.
Um den negativen Einfluß solcher Fremdatome usw. zu verrin gern, ist vorgeschlagen worden, den nachteiligen Einfluß zu mindest der elektronisch geladenen Defekte durch Einbringung von atomarem Wasserstoff zu neutralisieren. Wichtig ist dabei, daß der atomare Wasserstoff nicht an der Oberfläche der herzu stellenden Solarzelle verbleiben darf, sondern in das Volume ninnere eindringen muß, damit er in unmittelbare Nähe zu den zu passivierenden Defekten gelangen kann.To reduce the negative influence of such foreign atoms, etc. gladly, it has been suggested to adversely affect at least the electronically loaded defects by insertion neutralize of atomic hydrogen. It is important that the atomic hydrogen is not on the surface of the solar cell may remain, but in the volume must penetrate so that it is in close proximity to the can passivate defects.
Es sind im Stand der Technik eine Reihe von unterschiedlichen Techniken bekannt, mittels derer die Wasserstoffpassivierung erreicht werden soll. So wurde vorgeschlagen, hochenergetische Wasserstoffionen in den Oberflächenbereich eines Siliziumwa fers zu implantieren und anschließend thermisch in das Volume ninnere zu treiben. Weiter wurde vorgeschlagen, die Silizium wafer einer Wasserstoffatmosphäre bei Temperaturen auszuset zen, die mit z. B. 700°C so hoch gewählt ist, daß der molekula re Wassserstoff dissoziiert und dann in den Wafer diffundieren kann. Es wurde auch vorgeschlagen, die Proben einem Wasser stoffplasma auszusetzen, welches kapazitiv oder induktiv di rekt und unmittelbar an den Siliziumwafern erzeugt wird. Wei ter wurde vorgeschlagen, die Passivierung in Verbindung mit einer Antireflexbeschichtung der Solarzelle vorzunehmen. Hier bei kann eine wasserstofhaltige Siliziumnitridschicht durch PE-CVD abgeschieden werden; die in der oberflächlichen, was serstoffhaltigen Siliziumnitridschicht enthaltenen Wasserstof fatome gelangen dann bei einem nachfolgenden Bearbeitungs schritt in das Solarzellenvolumen hinein.There are a number of different ones in the prior art Techniques known by means of which hydrogen passivation should be achieved. So it was proposed to be high energy Hydrogen ions in the surface area of a silicon wa to implant and then thermally into the volume to drive inside. It was also proposed the silicon expose wafer to a hydrogen atmosphere at temperatures zen with z. B. 700 ° C is chosen so high that the molecule Hydrogen dissociates and then diffuse into the wafer can. It has also been suggested that the samples be a water expose material plasma, which capacitively or inductively di rect and is generated directly on the silicon wafers. Wei It has been proposed to combine passivation with an anti-reflective coating of the solar cell. Here at can a hydrogen-containing silicon nitride layer through PE-CVD are deposited; the in the superficial what Hydrogen containing silicon nitride layer fatome then arrive at a subsequent processing step into the solar cell volume.
Hingewiesen wird auch auf den Aufsatz "Detailed Study on Microwave Induced Remote Hydrogen Plasma Passivation of Mul ticrystalline Silicon" von M. Spiegel, P. Fath, K. Peter, G. Willeke und E. Bucher in 13th EC-PVSEC, Nizza, 1995, Seiten 421 ff. Dort wird vorgeschlagen, mittels Mikrowelleneinstrahlung ein Wasserstoffplasma entfernt vom Ort der zu prozessierenden Solarzellen zu erzeugen und dann an die Solarzellen heranzu führen.Reference is also made to the article "Detailed Study on Microwave Induced remote hydrogen plasma passivation of Mul ticrystalline Silicon" by M. Spiegel, P. Fath, K. Peter G. Willeke and E. Bucher in 13 th EC PVSEC, Nice, 1995, pages 421 ff. There it is proposed to use microwave radiation to generate a hydrogen plasma distant from the location of the solar cells to be processed and then to lead them to the solar cells.
Die bekannten Techniken sind jedoch im Regelfall langsam, al lenfalls mit hohem technischen Aufwand industriell ausführbar und/oder inkompatibel mit typischen heutigen Herstellungsver fahren. Es ist daher mit dem Stand der Technik nur einge schränkt möglich, eine Solarzelle mit hohem Wirkungsgrad ko stengünstig herzustellen.However, the known techniques are usually slow, al feasible industrially with high technical effort and / or incompatible with today's typical manufacturing processes drive. It is therefore only with the state of the art limited possible, a solar cell with high efficiency ko inexpensive to manufacture.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Neues für die gewerbliche Anwendung bereitzustellen, und insbesonde re, jedoch nicht ausschließlich, sowohl die Möglichkeiten ei ner kostengünstigen Herstellung von Solarzellen mit hohem Wir kungsgrad zu verbessern als auch die dort gewonnenen Verfah rensweisen auf andere Bereich der Halbleiterherstellung auszu dehnen.The object of the present invention is to create something new to provide for commercial use, and in particular re, but not exclusively, both the possibilities ner cost-effective production of solar cells with a high level of efficiency to improve the degree of efficiency as well as the process gained there to other areas of semiconductor manufacturing stretch.
Die Lösung dieser Aufgabe wird unabhängig beansprucht. Bevor zugte Ausführungsformen finden sich in den Unteransprüchen.The solution to this problem is claimed independently. Before preferred embodiments can be found in the subclaims.
Die Erfindung schlägt somit ein Verfahren zur Behandlung von Halbleitern, worin auf einem Halbleiter Material abgeschieden wird und eine Passivierung mit Wasserstoffplasma vorgenommen wird, wobei das Material mittels Niederdruck-CVD abgeschieden wird und die Wasserstoffpassivierung durch Zuleitung eines entfernt von dem teilprozessierten Halbleiter induzierten Was serstoffplasmas erfolgt.The invention thus proposes a method for the treatment of Semiconductors, in which material is deposited on a semiconductor passivation with hydrogen plasma the material is deposited by means of low pressure CVD and the hydrogen passivation by supplying a away from the semi-processed semiconductor induced what plasma is carried out.
Angesichts der Unterschiede bei den Prozeßbedingungen von PE- CVD und Niederdruck-CVD war es trotz der bekannten Passivie rung von im PE-CVD-Verfahren hergestellten Solarzellen für den Fachmann überraschend, daß eine Passivierung mit entfernt vom Ort der teilprozessierten Solarzellen mikrowelleniduziertem Wasserstoff auch bei Niederdruck-Verfahren zu einer signifi kanten Verbesserung des Wirkungsgrades führt, ohne jedoch den Prozeß wesentlich zu verteuern.Given the differences in the process conditions of PE It was CVD and low pressure CVD despite the well-known passive tion of solar cells manufactured in the PE-CVD process for Surprisingly skilled person that a passivation with removed from Location of the partially processed solar cells microwave-induced Hydrogen also with a low pressure process to a signifi edge improvement in efficiency leads, but without the Process significantly more expensive.
Als Halbleiter kommen bevorzugt Siliziumhalbleiter bzw. we sentlich Anteile Silizium enthaltende Halbleiter in Betracht. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei besonders bevorzugt bei der Herstellung von Solarzellen aus preiswerten Silizim substraten. Insbesondere bei multikristallinen Siliziumsub straten werden gute Verbesserungen der resultierenden Solar zellen erzielt, aber auch z. B. bei einkristallinen Silizium substraten schlechterer Qualität und damit höheren Defektzah len sowie bei Dünnschichtsolarzellen sind signifikante Verbes serungen möglich.Silicon semiconductors or we preferably come as semiconductors Considerable proportions of semiconductors containing silicon. The method according to the invention is particularly preferred in the production of solar cells from inexpensive silicim substrates. Especially with multicrystalline silicon sub Good improvements of the resulting solar are strated cells achieved, but also z. B. in single-crystal silicon Inferior quality substrates and thus higher defect numbers len and thin-film solar cells are significant verbs possible.
Es ist möglich, daß die teilprozessierten Solarzellen während der Wasserstoffpassivierung zumindest zeitweise geheizt wer den; dies kann durch Wärmestrahlung aus einer IR-Lichtquelle und/oder einer Widerstandsheizung geschehen. Eine derartige aktive Aufheizung während der Wasserstoffpassivierung anstelle einer seit einem vorhergehenden Schritt unverändert gehaltenen Temperatur ist bevorzugt, um die Einstellung der optimalen Prozeßparameter zu ermöglichen.It is possible that the partially processed solar cells during the hydrogen passivation who is at least temporarily heated the; this can be done by heat radiation from an IR light source and / or a resistance heater. Such active heating during hydrogen passivation instead one that has been kept unchanged since a previous step Temperature is preferred to the setting of the optimal To enable process parameters.
Die Niederdruck-CVD, mit welcher die erfindungsgemäße Wasser stoffpassivierung verknüpft ist, wird in einer bevorzugten Ausführung zur Abscheidung von Siliziumnitrid erfolgen. Diese Abscheide-Reaktion findet typisch bei etwa 750°C statt. Hier kann die eigentliche erfindungsgemäße Wasserstoffpassivierung mittels entfernt induziertem Wasserstoffplasma, die bei ty pisch während z. B. 30 min bei 350°C erfolgt, dadurch verkürzt werden, daß sowohl während des Abscheidens als auch während der Aufheiz- und/oder Abkühlphase eine Passivierung erfolgt. Noch weiter kann die Reaktionszeit für den Passivierungs schritt an sich verkürzt werden, wenn nach dem LP-CVD (Nieder druck-CVD) ein Siebdruckdurchfeuerprozeß und/oder ein anderer Kontaktfeuerprozeß erfolgt, da auch hierbei der Wasserstoff tiefer in die Zelle diffundieren kann. Damit wird also eine Passivierung zumindest partiell während der zur Durchführung eines anderen bzw. mehrerer anderer Prozess-Schritte erforder lichen Temperaturänderung vorgenommen und überdies wird zumin dest ein Teil der Wasserstoffpassivierung gleichzeitig während wenigstens eines anderen Behandlungsschrittes vorgenommen.The low pressure CVD with which the water according to the invention substance passivation is preferred Execution for the deposition of silicon nitride. This Separation reaction typically takes place at around 750 ° C. Here can the actual hydrogen passivation according to the invention by means of hydrogen plasma, which is induced at ty pisch during z. B. 30 min at 350 ° C, thereby shortened that both during the deposition and during passivation occurs during the heating and / or cooling phase. The reaction time for the passivation can go even further step itself can be shortened if after the LP-CVD (Nieder Printing CVD) a screen printing firing process and / or another Contact fire process takes place, because here too the hydrogen can diffuse deeper into the cell. So that becomes one Passivation at least partially during the implementation another or several other process steps required Lichen temperature change made and moreover at least part of the hydrogen passivation at the same time made at least one other treatment step.
Es wird hier im wesentlichen möglich, die Volumen-Passivierung durch entfernt induziertes Wasserstoffplasma ohne Solarzellen prozeßzeitverlängerung vorzunehmen. Die Mehrkosten des erfin dungsgemäßen Solarzellenprozesses sind damit nur noch durch die Anlagen- und zusätzlichen Betriebskosten bedingt, die durch das Wasserstoffgas bzw. -gasgemisch und den zur Plas mainduktion erforderlichen Energieaufwand hervorgerufen wer den.It becomes essentially possible here, the volume passivation by remotely induced hydrogen plasma without solar cells to extend the process time. The additional cost of invent solar cell process according to the invention are now only through the system and additional operating costs, which by the hydrogen gas or gas mixture and the Plas induction required energy expenditure who the.
Das Wasserstoffplasma wird bevorzugt mittels Mikrowellenein strahlung erzeugt, weil dies eine besonders gute Steuerung und/oder Regulierung der Einstrahlungs-Intensität ermöglicht. Die Plasmaerzeugung kann in per se bekannter Weise in Gegen wart von einem nichtreaktiven, insbesondere Edelgas, insbeson dere Helium durchgeführt werden. Damit werden insbesondere Selbstreaktionen im Plasma vom Ort der Plasmainduktion bis zum Ort der teilprozessierten Solarzellen verringert, so daß die Effizienz der Plasmabehandlung steigt.The hydrogen plasma is preferably by means of microwaves radiation generated because this is a particularly good control and / or regulation of the irradiation intensity. The plasma generation can be done in a manner known per se were from a non-reactive, especially noble gas, in particular Helium are carried out. This will in particular Self reactions in plasma from the place of plasma induction to Location of the partially processed solar cells reduced, so that the Efficiency of plasma treatment increases.
Es ist überdies bevorzugt, wenn das Wasserstoffplasma zumin dest während eines Teils der Passivierungsphase in Gegenwart anderer Gase mit den teilprozessierten Solarzellen in Kontakt gebracht wird. Das Plasma aktiviert hierbei die zur Abschei dung verwendeten Gase wie NH3, SiH4, SiH2Cl2 chemisch, was den Anteil atomaren Wasserstoffs am Probenort erhöht und zugleich den Abscheidungsprozeß für z. B. SiN beschleunigt. It is also preferred if the hydrogen plasma is brought into contact with the partially processed solar cells at least during part of the passivation phase in the presence of other gases. The plasma activates the gases used for deposition such as NH 3 , SiH 4 , SiH 2 Cl 2 chemically, which increases the proportion of atomic hydrogen at the sample location and at the same time the deposition process for z. B. accelerated SiN.
Die Solarzellen können zwar in kleinen Einheiten kontinuier lich, z. B. horizontal liegend oder in Horten senkrecht stehend angeordnet durch eine Anlage befördert und dabei prozessiert werden, bevorzugt ist aber, wenn ein batchartiger Prozeß an einer Vielzahl von simultan bearbeiteten Wafern vorgenommen wird, da so die Prozeßbedingungen besonders gut kontrollierbar sind.The solar cells can be continuous in small units Lich, e.g. B. lying horizontally or standing vertically in hoarding arranged transported by a plant and thereby processed are preferred, however, if a batch-like process begins a variety of simultaneously processed wafers is because the process conditions are particularly easy to control are.
Gegenstand der Erfindung ist weiter eine Vorrichtung zur Her stellung von Solarzellen aus einem multikristallinen Silizium substrat mit einem Reaktionsraum zur Prozessierung der Solar zellen, einer Quelle für passivierenden Wasserstoff, bei wel cher die Quelle für passivierenden Wasserstoff einen Mikrowel lengenerator zur Mikrowelleninduktion von Plasma umfaßt, der entfernt vom Reaktionsraum angeordnet ist, und der Reaktions raum für die Ausführung einer Niederdruck-CVD ausgelegt ist. Es kann dabei insbesondere vorgesehen sein, daß die Anlage zur gleichzeitigen Behandlung einer Vielzahl von Wafern langge streckt ist und die Wasserstoffinjektion quer zur Längsachse erfolgt, wobei quer zur Längsachse eine Mehrzahl von Wasser stoffplasma-Injektionsöffnungen vorgesehen sind, denen vor zugsweise eine Mehrzahl von Wasserstoffplasmainduzierenden Mikrowellenanordnungen zugeordnet ist. Mittels einer geeigne ten Prozeßsteuerung kann in einer solchen Anlage die Durchfüh rung des erfindungsgemäßen Verfahrens zumindest im wesentli chen automatisiert werden.The invention further relates to a device for the manufacture Positioning of solar cells from a multicrystalline silicon substrate with a reaction chamber for processing the solar cells, a source of passivating hydrogen, at wel The source of passivating hydrogen is a microwave lengenerator for microwave induction of plasma, the is located away from the reaction space, and the reaction space is designed for the execution of a low pressure CVD. It can in particular be provided that the system for simultaneous treatment of a variety of wafers langge stretches and the hydrogen injection transversely to the longitudinal axis takes place, with a plurality of water transverse to the longitudinal axis Plasma injection openings are provided, which before preferably a plurality of hydrogen plasma inducers Microwave arrangements is assigned. Using a suitable The process control in such a system can be carried out tion of the method according to the invention at least essentially automated.
Die Erfindung wird im folgenden nur beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben. In dieser zeigt:The invention is described below only by way of example Drawing described. In this shows:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungs gemäßen Solarzellen-Herstellungsanlage im Sei tenschnitt; Fig. 1 shows a first embodiment of an inventive solar cell manufacturing plant in Be tenschnitt;
Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfin dungsgemäßen Solarzellen-Herstellungsanlage im Seitenschnitt; Figure 2 shows a further embodiment of a solar cell manufacturing plant according to the invention in side section.
Fig. 3a ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfin dungsgemäßen Solarzellen-Herstellungsanlage im Seitenschnitt; FIG. 3a shows a third embodiment of a solar cell to the invention OF INVENTION manufacturing facility in the side section;
Fig. 3b das dritte Ausführungsbeispiel im Querschnitt; FIG. 3b shows the third embodiment in cross section;
Fig. 4a ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfin dungsgemäßen Solarzellen-Herstellungsanlage im Seitenschnitt für die quasi kontinuierliche Pro zessierung; FIG. 4a shows a fourth embodiment of a zessierung OF INVENTION to the invention the solar cell manufacturing facility in the side section for the quasi-continuous Pro;
Fig. 4b das vierte Ausführungsbeispiel im Querschnitt. Fig. 4b the fourth embodiment in cross section.
Nach Fig. 1 umfaßt eine allgemein mit 1 bezeichnete Anlage 1 zur batchweisen Herstellung von Solarzellen ein langgestreck tes Prozeßrohr 2 aus Quarzglas. Am einen Ende des langge strecktes Prozeßrohres 2 ist eine verschließbare Öffnung 3 vorgesehen, welche groß genug ist, um einen Siliziumwaferträ ger 4a mit einer Vielzahl von stehenden Wafern 4b aus mul tikristallinem Silizium einzuschieben. Am gegenüberliegenden Ende des Prozeßrohres 2 ist eine Absaugöffnung 5 vorgesehen, die zu einer Vakuumpumpe (nicht gezeigt) führt. Längs des Um fanges des Prozeßrohres 2 ist eine Widerstandsheizung 6 ange ordnet, bestehend aus einer Heizdrahtwicklung 6a und einer Isolierung 6b gegen die Außenseite. Die Widerstandsheizung 6 ist so ausgelegt, daß im Inneren des Prozeßrohres eine Tempe ratur von wenigstens 770°C unter allen Prozeßbedingungen er reicht werden kann. Mit Thermoelementen 7 kann die Temperatur im Inneren des Prozeßrohres 2 kontrolliert werden.According to Fig. 1, generally designated with 1 Appendix 1 comprises the batchwise production of solar cells, a more elongated tes process tube 2 of quartz glass. At one end of the elongated process tube 2 , a closable opening 3 is provided, which is large enough to insert a silicon wafer carrier 4 a with a plurality of standing wafers 4 b of multi-crystalline silicon. At the opposite end of the process tube 2 , a suction opening 5 is provided, which leads to a vacuum pump (not shown). Along the order of the process tube 2 is a resistance heater 6 is arranged, consisting of a heating wire winding 6 a and insulation 6 b against the outside. The resistance heater 6 is designed so that a temperature of at least 770 ° C. under all process conditions can be reached inside the process tube. The temperature inside the process tube 2 can be checked with thermocouples 7 .
Bei der Öffnung 3 ist ein Gaseinlaß 8 für Prozeßgase vorgese hen, die eine Niederdruck-Materialabscheidung (LP-CVD) auf den Wafern aus multikristallinem Silizium bewirken sollen. Dazu ist der Gaseinlaß 8 mit geeigneten Quellen für Prozeßgase wie SiCl2H2 und NH3 verbunden.At the opening 3 , a gas inlet 8 is provided for process gases, which are intended to effect low-pressure material deposition (LP-CVD) on the wafers made of multicrystalline silicon. For this purpose, the gas inlet 8 is connected to suitable sources for process gases such as SiCl 2 H 2 and NH 3 .
Diametral gegenüberliegend zum Gaseinlaß 8 und senkrecht zur Achse des Prozeßrohres 2 ist eine weitere Einlaßöffnung 9 vor gesehen, die zu einer Mikrowellenkavität 10 führt und durch welche aus einer geeigneten Quelle ein Wasserstoff-/Helium gemisch in das Prozeßrohr 2 geführt wird. In die Mikro wellenkavität 10 wird Mikrowellenenergie einer Frequenz und Intensität eingespeist, die ausreicht, um ein Plasma zu zün den.Diametrically opposite the gas inlet 8 and perpendicular to the axis of the process tube 2 , a further inlet opening 9 is seen which leads to a microwave cavity 10 and through which a hydrogen / helium mixture is fed into the process tube 2 from a suitable source. In the micro wave cavity 10 , microwave energy of a frequency and intensity is fed, which is sufficient to ignite a plasma.
Eine weitere, der ersten identische Wasserstoffplasaminjekti onseinheit ist nahe der Absaugöffnung 5 vorgesehen. Diese In jektionseinheit injiziert das Wasserstoffplasma gleichfalls allgemein senkrecht zur Längsachse des Prozeßrohres 2.Another, the first identical hydrogen plasma projection unit is provided near the suction opening 5 . This injection unit also injects the hydrogen plasma generally perpendicular to the longitudinal axis of the process tube 2 .
Eine Steuerung (nicht gezeigt) ist vorgesehen, um mit der Wi derstandsheizung eine vorgegebene Temperaturkennlinie abzufah ren, die Absaugung und die Prozeßgaszufuhr entsprechend einem vorgegebenen, gewünschten Prozeßverlauf zu steuern und die Passivierungsgas-Zufuhr und -anregung zu beeinflussen.A controller (not shown) is provided to work with the Wi a predetermined temperature characteristic curve ren, the suction and the process gas supply according to one to control the predetermined, desired process flow and the To influence passivation gas supply and excitation.
Die Anlage 1 der vorliegenden Erfindung kann zur Herstellung
von Solarzellen beispielsweise verwendet werden wie folgt:
Zunächst wird die Anlage belüftet und mit in herkömmlicher
Weise vorbereiteten Wafern aus multikristallinem Silizium be
laden. Dann wird für 10 min abgepumpt auf einen Druck unter
30 mTorr bei 500°C, um Restgase zu entfernen. Anschließend
wird ein Gasgemisch aus 90% He und 10% H2 von der Beladeseite
her durch den Mikrowellenresonator 10 eingeleitet, bis ein
Druck von 500 mTorr erreicht ist. Dann werden 200 W Mikrowel
lenenergie mit 2,4 GHz in die Kavität eingespeist. Die Passi
vierung erfolgt für 40 min bei 500°C; dann wird mittels der
Widerstandsheizung 6 mit 10°C/min auf 750°C hochgeheizt, wäh
rend weiter Plasma erzeugt wird. Nach Erreichen von 750°C wird
mit verringerter Temperatur-Anstiegsgeschwindigkeit von
2°C/min bis auf 770°C weitergeheizt. Bei dieser Temperatur
wird das Plasma ausgeschaltet und das Rohr kurz evakuiert.
Dann wird für 1 min NH3-Gas bis zu einem Druck von 230 mTorr
von der Beladeseite her eingeleitet. Anschließend wird, je
nachdem ob partielle oder vollständige Beladung des Prozeßroh
res vorliegt, für 22 bis 26 min ein Gemisch aus 37,5 sccm
Dichlorsilan und 150 sccm NH3 beladeseitig her eingespeist und
ein Druck von 250 mTorr eingespeist. Danach wird für 1 min be
ladeseitig mit NH3-Gas gespült und dabei ein Druck von 230 mTorr
eingestellt. Es wird dann wiederum ein Gasgemisch aus
90% He und 10% H2 in das Prozeßrohr eingespeist und das Plasma
durch Einspeisung von 200 W Mikrowellenenergie mit 2,4 GHz in
die Kavität gezündet. Die Wasserstoffpassivierung wird während
einer Abkühlphase mit 7°C /min von 770°C auf 500°C fortge
setzt. Dann wird das Plasma ausgeschaltet und das Rohr nach
kurzem Evakuieren zum Entladen belüftet.Plant 1 of the present invention can be used to manufacture solar cells, for example, as follows:
The system is first ventilated and loaded with wafers made of multicrystalline silicon prepared in a conventional manner. It is then pumped down to a pressure below 30 mTorr at 500 ° C. for 10 min in order to remove residual gases. A gas mixture of 90% He and 10% H 2 is then introduced from the loading side through the microwave resonator 10 until a pressure of 500 mTorr is reached. Then 200 W microwave energy with 2.4 GHz are fed into the cavity. Passivation takes place for 40 min at 500 ° C; then is heated by means of the resistance heater 6 at 10 ° C / min to 750 ° C, while plasma continues to be generated. After reaching 750 ° C, heating continues at a reduced rate of temperature rise of 2 ° C / min to 770 ° C. At this temperature the plasma is switched off and the tube is briefly evacuated. Then NH 3 gas is introduced for 1 min up to a pressure of 230 mTorr from the loading side. Subsequently, depending on whether partial or complete loading of the process tube res is present, a mixture of 37.5 sccm dichlorosilane and 150 sccm NH 3 is fed in for 22 to 26 min and a pressure of 250 mTorr is fed in. Thereafter, the loading side is flushed with NH 3 gas for 1 min and a pressure of 230 mTorr is set in the process. A gas mixture of 90% He and 10% H 2 is then again fed into the process tube and the plasma is ignited by feeding 200 W of microwave energy at 2.4 GHz into the cavity. The hydrogen passivation is continued from 770 ° C to 500 ° C during a cooling phase at 7 ° C / min. The plasma is then switched off and the tube is vented to discharge after a brief evacuation.
Die Anordnungen in Fig. 2 und Fig. 3 sind dem Beispiel von Fig. 1 im wesentlichen identisch, unterscheiden sich aber in der Anzahl der Wasserstoffinjektionseinheiten und deren Anordnung. Fig. 2 zeigt dabei eine Anordnung, bei der das Wasserstoff plasma zunächst in einer Rohrleitung 9b im Inneren des Prozeß rohres geführt wird, was die Gleichmäßigkeit der Plasmaab scheidung erhöht. Durch die mehrfach vorhandenen Mikrowellen kavitäten 10a, 10b, 10c und die jeweiligen Zuleitungen 9a, 9b, 9c sind überdies besonders hohe Plasmaleistungen erzielbar. Auch bei der Anordnung von Fig. 3 mit einer Reihe von Mikro wellenkavitäten 10 kann die Durchsatzleistung erhöht werden. Es ist einsichtig, daß die Gesamtanlage auch modular aufgebaut werden kann, um bei Fertigungsstraßen für sehr hohe Stückzah len einen entsprechend hohen Durchsatz zu ermöglichen. The arrays in Fig. 2 and Fig. 3 are identical to the example of Figure 1. Substantially, but differ in the number of hydrogen injection units and their arrangement. Fig. 2 shows an arrangement in which the hydrogen plasma is first performed in a pipe 9 b inside the process tube, which increases the uniformity of the plasma separation. Due to the multiple microwave cavities 10 a, 10 b, 10 c and the respective feed lines 9 a, 9 b, 9 c, particularly high plasma outputs can also be achieved. Wellenkavitäten also in the arrangement of Fig. 3 with a series of micro 10, the throughput can be increased. It is clear that the entire system can also be constructed modularly, in order to enable a correspondingly high throughput in production lines for very high numbers of items.
Die Fig. 4 zeigen ein Ausführungsbeispiel einer Anlage, mit der ein quasi kontinuierlicher Prozeß batchweiser Behandlung von Wafern der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden kann. Der eigentliche Reaktionsraum, der wiederum über eine Heizung 6 erwärmt werden kann, ist rohrförmig gestaltet, und mit einer geeigneten Vakuumquelle verbunden. Die zu prozessierenden Halbleiterwafer werden über eine Vakuumschleuse 3a zugeführt, so daß bei Zuführung eines Bootes mit einer Anzahl zu prozes sierenden Wafer keine Beeinträchtigung der Druckverhältnisse und der im Reaktionsraum vorhandenen Gase erfolgt. Weiter ist auf der gegenüberliegenden Austrittsseite gleichfalls eine Va kuumentnahmeschleuse 3b vorgesehen, die ausreicht, um jeweils ein Boot samt der damit enthaltenen Wafer aufzunehmen. Unter geeigneter Auslegung der Vakuumschleuse und der damit zu ver bindenden Pumpe kann eine quasi kontinuierliche Zuführung von Booten beispielsweise im Minutentakt erfolgen.The Fig. 4 show an embodiment of a plant can be undertaken with a quasi-continuous process batch-wise treatment of wafers of the present invention. The actual reaction space, which in turn can be heated via a heater 6 , is tubular and is connected to a suitable vacuum source. The semiconductor wafers to be processed are fed via a vacuum lock 3 a, so that when a boat is supplied with a number of wafers to be processed, there is no impairment of the pressure conditions and of the gases present in the reaction space. Furthermore, a vacuum removal lock 3 b is also provided on the opposite exit side, which is sufficient to accommodate a boat together with the wafers contained therein. With a suitable design of the vacuum lock and the pump to be connected to it, a quasi-continuous supply of boats can take place, for example, every minute.
Die mit zu prozessierenden Wafern beladenen Boote werden durch einen sogenannten "Walking-Beam" durch den Reaktionsraum moto risch gefördert. Durch die Anordnung mehrerer Mikrowellenkavi täten 10 an verschiedenen Anlagepositionen wird eine hohe Ge samtdurchsatzleistung erzielt mit einer homogenen Verteilung des atomaren Wasserstoffs über die Gesamtanlagenlänge.The boats loaded with wafers to be processed are motorized through a so-called "walking beam" through the reaction space. By arranging several microwave cavities 10 at different system positions, a high overall throughput is achieved with a homogeneous distribution of the atomic hydrogen over the entire system length.
Die so erhaltenen Solarzellen werden verglichen mit Solarzel len, die in der selben Anlage erhalten werden, ohne daß eine Wasserstoffpassivierung erfolgte. Dazu wurde im Vergleichspro zeß während der Temperaturveränderungsphasen lediglich eine Spülung mit N2 vorgenommen. Im Vergleich werden insbesondere die Abscheidephasen genauso lang gewählt wie jene im Fall der Wasserstoffpassivierung und die verwendeten Temperaturen waren identisch. The solar cells obtained in this way are compared with solar cells obtained in the same system without hydrogen passivation. For this purpose, only a purge with N 2 was carried out in the comparison process during the temperature change phases. In comparison, the deposition phases in particular are chosen to be as long as those in the case of hydrogen passivation and the temperatures used were identical.
An den erfindungsgemäßen und Vergleichsproben wurden Photo strom-Abklingkurven bestimmt. Dabei zeigte sich, daß der er findungsgemäße Prozeß, der ein Niederdruck-Abscheideverfahren (LP-CVD) mit Passivierung durch entfernt vom Ort der Solarzel lenprozessierung erzeugtem Wasserstoffplasma verknüpft, zu we sentlichen Steigerungen der Minoritätsladungsträgerlebensdau ern führt. So konnte die durchschnittliche Lebensdauer mit dem erfindungsgemäßen Verfahren von 1,74 µs auf 6,94 µs gesteigert werden. Zugleich wurde der Wirkungsgrad um durchschnittlich 4% (relativ)gesteigert.On the inventive and comparative samples, Photo current decay curves determined. It turned out that he Process according to the invention, which is a low-pressure deposition process (LP-CVD) with passivation by removed from the location of the solar cell hydrogen processing generated hydrogen processing significant increases in minority carrier lifetime leads. So the average lifespan with the The inventive method increased from 1.74 µs to 6.94 µs become. At the same time, the efficiency was reduced by an average of 4% (relatively) increased.
Es sei erwähnt, daß das Vertauschen der Gasflußrichtung beim Übergang des H-Plasma-Prozesses zum LP-CVD-Verfahren Vorteile bietet. So kann in der Anlage von Fig. 2 Wasserstoff auch über die entfernt vom Einlaß angeordneten Einlaßöffnungen 9b, 9c induziert und über die (dann gegebenenfalls von einem Mikro wellengenerator freien) Leitung 9a abgepumpt werden. Die Si- bzw. N-haltigen Prozeßgase könnten hingegen weiterhin am Ga seinlaß 8 in das Prozeßrohr eingelassen und an der Öffnung 5 abgesaugt werden. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß die Mi krowellengeneratoren 10 dann ausschließlich an der leichter zugänglichen Stelle anzuordnen sind.It should be mentioned that the exchange of the gas flow direction offers advantages when the H-plasma process is switched to the LP-CVD process. Thus 2 is hydrogen can be in the system of Fig. Via the remote from the inlet intake ports 9 b, 9 c are induced and (then optionally by a micro-wave generator free) pumped via the line 9 a. The Si or N-containing process gases, however, could continue to be let in at the inlet 8 in the process tube and suctioned off at the opening 5 . This arrangement has the advantage that the Mi wave generators 10 are then only to be arranged at the more accessible location.
Es sei erwähnt, daß der Anlagenaufbau wie auch die Waferhalte rung einfach sind und daß die Passivierung vor und nach der Zellmetallisierung möglich ist, wodurch eine besonders hohe Flexibilität ermöglicht wird. Weiter sei erwähnt, daß die Pro zeßparameter ohne weiteres für effiziente Bulkpassivierung an paßbar sind, um sich etwa Foliensilizium, kristallinen Dünn schichten und/oder blockgegossenem Silizium anzupassen. Beson ders vorteilhaft ist, daß Foliensilizium ungeachet einer evtl. vorhandenen Welligkeit verwendet werden kann, welche z. B. beim PE-CVD-Verfahren aufgrund der flächigen Auflage an eine Elek trode Probleme bereitet. Zusätzlich kann mit dem LP-CVD- Verfahren eine oberflächenpassivierende Schicht beidseits auf gebracht werden.It should be mentioned that the plant structure as well as the wafer hold tion are simple and that the passivation before and after Cell metallization is possible, which makes it particularly high Flexibility is made possible. It should also be mentioned that the Pro measurement parameters for efficient bulk passivation are suitable to get around silicon foil, crystalline thin layers and / or block cast silicon. Especially it is advantageous that foil silicon regardless of a possible existing ripple can be used, which z. B. at PE-CVD process due to the flat support on an elec trode causes problems. In addition, with the LP-CVD Process a surface passivating layer on both sides to be brought.
Überdies sind aufgrund der Vermeidung von Schichtabscheidungen an Elektroden, wie sie beim PE-CVD-Verfahren auftreten, die Wartungsintervalle beim LP-CVD-Verfahren lang und aufgrund des Gesamtverfahrens die Anforderungen an das Vakuumsystem relativ niedrig, da die niedrigsten erforderlichen Drücke um ca. 250 mTorr liegen. Der Gesamtprozeß ist zudem wenig sensibel auf Temperaturinhomogenitäten und die Gasverteilung.Moreover, due to the avoidance of layer deposits on electrodes as they occur in the PE-CVD process, the Maintenance intervals for the LP-CVD process are long and due to the Overall process, the requirements for the vacuum system relative low, since the lowest required pressures are around 250 mTorr lie. The overall process is also not very sensitive to Temperature inhomogeneities and gas distribution.
Es sei erwähnt, daß die Anordnung der Thermoelemente im Inne ren des Prozeßrohres 2 zwar insbesondere im Hinblick auf die Ansprechzeiten Vorteile bietet, aber gegebenenfalls auch deren Anordnung außerhalb des Prozeßrohres 2, etwa auf dessen Außen wandung, möglich ist.It should be mentioned that the arrangement of the thermocouples in the interior of the process tube 2 offers advantages, in particular with regard to the response times, but possibly also their arrangement outside the process tube 2 , for example on its outer wall, is possible.
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