EP2449578A1 - Kristalline siliciumschicht auf einem substrat, verfahren zu deren herstellung und verwendung - Google Patents

Kristalline siliciumschicht auf einem substrat, verfahren zu deren herstellung und verwendung

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EP2449578A1
EP2449578A1 EP10732651A EP10732651A EP2449578A1 EP 2449578 A1 EP2449578 A1 EP 2449578A1 EP 10732651 A EP10732651 A EP 10732651A EP 10732651 A EP10732651 A EP 10732651A EP 2449578 A1 EP2449578 A1 EP 2449578A1
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layer
crystalline silicon
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Stefan Lindekugel
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • Crystalline silicon layer on a substrate process for its preparation and use
  • the invention relates to a method for producing a crystalline silicon layer on a substrate, in which a deposition of a metal layer on a substrate and subsequent deposition of a silicon layer on the metal layer takes place. Subsequently, a zone-controlled heating of the silicon layer is carried out and finally the metal layer is removed. According to the invention, the crystalline silicon layer thus prepared is also provided.
  • the method according to the invention for producing sensors, silicon-based light-emitting diodes, flat-panel displays or optical filters is used.
  • the metal-induced layer exchange process (often carried out with aluminum, hence called aluminum-induced layer exchange ALILE) is a well-known and used phenomenon by which amorphous silicon layers can be transferred into microcrystalline ones. So far, this is done by a homogeneous heating and cooling of the substrate with layer. The result is spontaneous, relatively poorly controlled nucleation in the layer, and thus a very small-crystalline grain distribution with crystal sizes in the micron range.
  • ALILE aluminum-induced layer exchange process
  • Recrystallization of the layer is ensured.
  • the process described there is used in particular in the production of crystalline silicon thin-film solar cells or in SOI technology. Based on this, it was an object of the present invention to provide a method that has lower process times compared to the prior art and can be generated with the crystalline silicon layers with larger crystals.
  • a method for producing a crystalline silicon layer on a substrate which is based on the following process steps: a) deposition of a metal layer on one
  • the advantages of the method according to the invention in comparison to the methods known from the prior art are based on the one hand on the better control of the crystal size and on the other on a significant reduction of the process time.
  • the advantages compared to known methods can increase the efficiency potential of the solar cell processed from the layers and at the same time increase the throughput rate of the process.
  • the metal layer is made of a metal selected from the group consisting of aluminum, nickel, palladium, copper and silver. It is also possible that the metal layer contains one of the aforementioned metals. Particularly preferably, the metal layer consists of aluminum.
  • an amorphous or microcrystalline silicon layer which is optionally doped or partially alloyed, is preferably deposited.
  • Suitable dopants are boron, phosphorus, arsenic, gallium and antimony.
  • germanium is suitable for alloy formation.
  • An essential process step is the zone-guided heating of the silicon layer. The heating is preferably carried out in a zone heating furnace.
  • heat sources are used which are preferably selected from the group consisting of electron beam heaters, laser beam sources, graphite strip heaters, halogen lamp heaters, IR emitters and UV emitters.
  • the heat sources are additionally provided with focusing mirrors. This serves to better localize the heat radiation.
  • a relative movement preferably takes place from substrate to heat source.
  • This can be realized, for example, by using a stationary substrate while the heat source is movable.
  • Another variant provides that the heat source is stationary and the substrate is moved.
  • both the heat source and the substrate are movable and are shifted from one another.
  • step d) is preferably carried out by wet-chemical etching, plasma etching
  • the exposed silicon layer is epitaxially thickened. This is preferably done by chemical vapor deposition at atmospheric or low pressure, molecular beam epitaxy, laser assisted recrystallization, solid state recrystallization, and ion beam assisted coating. According to the invention is also a crystalline
  • Silicon layer which can be produced by the method described above.
  • the crystalline silicon layer preferably has elongated crystal structures in the transport direction. Under elongated crystal structures is here to understand that the spatial extent of the crystallites in the transport direction is greater than perpendicular to it. Ideally, the electronic diffusion length of the minority charge carriers in the layer is greater than the layer thickness itself.
  • the process according to the invention is used in particular in the field of photovoltaics. Likewise, however, the method can also be used for the production of sensors, silicon-based light-emitting diodes, flat-panel displays or optical filters.
  • the process flow is shown with reference to a schematic representation.
  • a substrate 1 On a substrate 1, an aluminum layer with a layer thickness of less than 1 ⁇ m is first applied.
  • On the aluminum layer 2 is also less than 1 micron thick amorphous or microcrystalline

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  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer kristallinen Siliciumschicht auf einem Substrat, bei der eine Abscheidung einer Metallschicht auf einem Substrat und anschließende Abscheidung einer Siliciumschicht auf der Metallschicht erfolgt. Im Anschluss wird eine zonengeführte Erwärmung der Siliciumschicht durchgeführt und schließlich die Metallschicht abgetragen. Erfindungsgemäß wird ebenso die so hergestellte kristalline Siliciumschicht bereitgestellt. Verwendung findet das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Sensoren, Siliciumbasierten Leuchtdioden, Flachbildschirmen oder optischen Filtern.

Description

Kristalline Siliciumschicht auf einem Substrat, Verfahren zu deren Herstellung und Verwendung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer kristallinen Siliciumschicht auf einem Substrat, bei der eine Abscheidung einer Metallschicht auf einem Substrat und anschließende Abscheidung einer Siliciumschicht auf der Metallschicht erfolgt. Im Anschluss wird eine zonengeführte Erwärmung der Siliciumschicht durchgeführt und schließlich die Metallschicht abgetragen. Erfindungsgemäß wird ebenso die so hergestellte kristalline Siliciumschicht bereitgestellt. Verwendung findet das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Sensoren, Silicium- basierten Leuchtdioden, Flachbildschirmen oder optischen Filtern.
Der weltweite Photovoltaikmarkt ist derzeit von Wa- fer-Solarzellen aus kristallinem Silicium dominiert. Parallel dazu haben die sog. Dünnschichttechnologien - die mit geringem Materialeinsatz und
Superstrattechnologie ihren Vorteil suchen - einen immer stärker wachsenden Marktanteil erobert. Um nun die Vorteile der Si-Wafer-Technologie, wie jahrzehntelange Erfahrungen mit kristallinem Silicium, Langzeitstabilität und unbegrenzte Resourcen, mit den Vorteilen der Dünnschichttechnologie zu kombinieren, ist es unumgänglich Methoden zur Kristallisation von dünnen Silicium-Schichten auf Substraten zur Marktreife zu führen.
Der Metall-induzierte Schichtaustauschprozess (oft durchgeführt mit Aluminium, daher dann Aluminum- Induced Layer Exchange ALILE genannt) ist ein seit langem bekanntes und benutztes Phänomen, mittels welchem amorphe Siliciumschichten in mikrokristalline transferiert werden können. Bisher wird dies durch eine homogene Aufheizung und Abkühlung des Substrats mit Schicht durchgeführt. Die Folge sind spontane, relativ schlecht kontrollierbare Nukleationen in der Schicht, und dadurch eine sehr kleinkristalline Kornverteilung mit Kristallgrößen im μm-Bereich. Aus der DE 10 2005 043 303 Al ist ein Verfahren zur Rekristallisierung von Schichtstrukturen mittels Zonenschmelzen bekannt, bei dem durch geschickt versetzte Anordnung mehrerer Wärmequellen eine deutliche Beschleunigung des Zonenschmelz-Verfahrens erreicht werden kann. Das Verfahren basiert darauf, dass durch entstehende Überlappung eine lückenlose
Rekristallisierung der Schicht gewährleistet wird. Verwendung findet das dort beschriebene Verfahren insbesondere bei der Herstellung kristalliner SiIi- cium-Dünnschichtsolarzellen oder in der SOI- Technologie . Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, das gegenüber dem Stand der Technik geringere Prozesszeiten auf- weist und mit dem kristalline Siliciumschichten mit größeren Kristallen erzeugt werden können.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch die kristalline
Siliciumschicht mit den Merkmalen des Anspruchs 12 und durch die Verwendung des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf .
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung einer kristallinen Siliciumschicht auf einem Substrat bereitgestellt, das auf folgenden Prozessschritten basiert : a) Abscheidung einer Metallschicht auf einem
Substrat,
b) Abscheidung einer Siliciumschicht auf der
Metallschicht,
c) Zonengeführte Erwärmung der Siliciumschicht
bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes von Silicium mittels mindestens
einer Wärmequelle zur Rekristallisierung
der Siliciumschicht und
d) Abtragung der Metallschicht.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren basieren zum einen auf der besseren Kon- trolle der Kristallgröße und zum anderen auf einer signifikanten Reduzierung der Prozesszeit. Durch die- se Vorteile lässt sich gegenüber bekannten Verfahren das Wirkungsgradpotential der aus den Schichten prozessierten Solarzelle erhöhen und gleichzeitig die Durchsatzrate des Prozesses steigern.
Vorzugsweise besteht die Metallschicht aus einem Metall ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Nickel, Palladium, Kupfer und Silber. Ebenso ist es möglich, dass die Metallschicht eines der zuvor genannten Metalle enthält. Besonders bevorzugt besteht die Metallschicht aus Aluminium.
Als Siliciumschicht wird vorzugsweise eine amorphe oder mikrokristalline Siliciumschicht, die gegebenen- falls dotiert oder teilweise legiert ist, abgeschieden. Als Dotierstoffe eignen sich Bor, Phosphor, Arsen, Gallium und Antimon. Für eine Legierungsbildung eignet sich beispielsweise Germanium. Ein wesentlicher Verfahrensschritt besteht in der zonengeführten Erwärmung der Siliciumschicht. Dabei wird die Erwärmung vorzugsweise in einem Zonenheizofen durchgeführt. Für die Erwärmung werden Wärmequellen eingesetzt, die vorzugsweise ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Elektronenstrahlheizer, Laserstrahlquellen, Graphitstreifenheizer, Halogenlampenheizer, IR-Strahler und UV-Strahler. Optional ist es möglich, dass die Wärmequellen zusätzlich mit Fokussierspiegeln versehen sind. Dies dient der besseren Lokalisierung der Wärmestrahlung .
Besonders vorteilhaft ist es, wenn bei der Erwärmung ein zeitlicher und/oder örtlicher Temperaturgradient gefahren wird. So ist es zum einen möglich, dass über die Dauer der Erwärmung ein Temperaturprogramm mit variablen Temperaturbereichen gefahren wird. Ebenso ist es möglich, dass bei der Erwärmung verschiedene Bereiche der Siliciumschicht unterschiedlich tempe- riert sind. Es ist natürlich auch möglich, diese beiden Varianten miteinander zu kombinieren.
Vorzugsweise erfolgt bei der Erwärmung eine Relativbewegung von Substrat zu Wärmequelle. Dies kann bei- spielsweise dadurch realisiert werden, dass ein stationäres Substrat eingesetzt wird, während die Wärmequelle beweglich ist. Eine weitere Variante sieht vor, dass die Wärmequelle stationär ist und das Substrat bewegt wird. Es ist aber auch möglich, dass so- wohl die Wärmequelle als auch das Substrat beweglich sind und gegeneinander verschoben werden.
Die in Schritt d) genannte Abtragung erfolgt vorzugsweise durch nasschemisches Ätzen, Plasmaätzen
und/oder mechanisches Polieren.
Vorzugsweise wird nach der Abtragung der metallischen Schicht die freigelegte Siliziumschicht epitaktisch verdickt. Dies erfolgt vorzugsweise durch chemische Gasphasenabscheidung bei Atmosphärendruck oder bei Niederdruck, Molekularstrahlepitaxie, Laserunterstützte Rekristallisation, Festkörperrekristallisation und Ionenstrahl-gestützte Beschichtung . Erfindungsgemäß wird ebenso eine kristalline
Siliciumschicht bereitgestellt, die nach dem zuvor beschriebenen Verfahren herstellbar ist.
Vorzugsweise weist die kristalline Siliciumschicht in Transportrichtung lang gezogene Kristallstrukturen auf. Unter lang gezogenen Kristallstrukturen ist hier zu verstehen, dass die räumliche Ausdehnung der Kris- tallite in Transportrichtung größer ist als senkrecht dazu. Idealerweise ist die elektronische Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger in der Schicht grö- ßer als die Schichtdicke selbst.
Verwendung findet das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere im Bereich der Photovoltaik. Ebenso kann das Verfahren aber auch zur Herstellung von Sensoren, Silicium-basierten Leuchtdioden, Flachbildschirmen oder optischen Filtern eingesetzt werden.
Anhand der nachfolgenden Figur soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigten speziellen Ausführungsformen einschränken zu wollen.
In der Figur ist anhand einer schematischen Darstellung der Prozessablauf dargestellt. Auf einem Sub- strat 1 wird zunächst eine Aluminiumschicht mit einer Schichtdicke kleiner als 1 μm aufgebracht. Auf der Aluminiumschicht 2 wird eine ebenfalls kleiner als 1 μm dicke amorphe oder mikrokristalline
Siliciumschicht 3 abgeschieden. Mittels einer fokus- sierenden Lampe 4 eines Lampenfeldes 5 erfolgt der Austausch- und Rekristallisationsprozess der
Siliciumschicht 3' . Anschließend wird die Aluminiumschicht 2 wieder abgetragen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer kristallinen
Siliciumschicht auf einem Substrat mit folgenden Prozessschritten: a) Abscheidung einer Metallschicht auf einem
Substrat,
b) Abscheidung einer Siliciumschicht auf der Metallschicht,
c) Zonengeführte Erwärmung der Siliciumschicht bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes von Silicium mittels mindestens einer Wärmequelle zur Rekristallisierung der Siliciumschicht und
d) Abtragung der Metallschicht.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht aus einem Metall ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Nickel, Palladium, Kupfer und Silber besteht oder dieses im Wesentlichen enthält.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Siliciumschicht aus amorphem oder mikrokristallinem Silicium besteht.
4. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Siliciumschicht dotiert ist, insbesondere mit Bor, Phosphor, Arsen, Gallium oder Antimon, und/oder teilweise legiert ist, insbesondere mit Germanium.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung in Schritt c) in einem Zonenheizofen durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequellen unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Elektronenstrahlheizer, Laserstrahlquellen, Graphitstreifenheizer, Halogenlampenheizer, IR-Strahler und UV-Strahler.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequellen mit Fokussierspiegeln versehen sind.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass bei der Erwärmung in Schritt c) ein zeitlicher und/oder örtlicher Temperaturgradient gefahren wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass bei der Erwärmung in Schritt c) eine Relativbewegung von Substrat zu Wärmequelle erfolgt, insbesondere indem bei einem stationären Substrat die Wärmequelle bewegt wird oder bei einer stationären Wärmequelle das Substrat bewegt wird oder sowohl Wärmequelle als auch Substrat bewegt werden.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Abtragung mittels nasschemischen Atzen, Plasmaätzen und/oder mechanischem Polieren erfolgt.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt d) ei- ne epitaktische Verdickung der freigelegten
Siliciumschicht , insbesondere durch chemische Gasphasenabscheidung bei Atmosphärendruck oder Niederdruck, Molekularstrahlepitaxie, Laserunterstützte Rekristallisation, Festkörperrek- ristallisation oder Ionenstrahl-gestützte Be- schichtung, durchgeführt wird.
12. Kristalline Siliciumschicht herstellbar nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
13. Kristalline Siliciumschicht nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, dass die räumliche Aus- dehnung der Kristallite in Transportrichtung größer ist als senkrecht hierzu.
14. Kristalline Siliciumschicht nach Anspruch 12
oder 13,
dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger in der Siliciumschicht größer als die Schichtdicke der Siliciumschicht ist.
15. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 im Bereich der Photovoltaik.
16. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprü- che 1 bis 11 zur Herstellung von Sensoren, SiIi- cium-basierten Leuchtdioden, Flachbildschirmen oder optischen Filtern.
EP10732651A 2009-07-01 2010-06-29 Kristalline siliciumschicht auf einem substrat, verfahren zu deren herstellung und verwendung Withdrawn EP2449578A1 (de)

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See also references of WO2011000544A1 *

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