WO2011051052A1 - Verfahren zur herstellung von halbleiterschichten - Google Patents

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WO2011051052A1
WO2011051052A1 PCT/EP2010/063713 EP2010063713W WO2011051052A1 WO 2011051052 A1 WO2011051052 A1 WO 2011051052A1 EP 2010063713 W EP2010063713 W EP 2010063713W WO 2011051052 A1 WO2011051052 A1 WO 2011051052A1
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coating chamber
substrate
semiconductor
inner surfaces
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PCT/EP2010/063713
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Steffen Sichler
Sascha Weigel
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Schüco Tf Gmbh & Co. Kg
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    • H01L21/0262—Reduction or decomposition of gaseous compounds, e.g. CVD

Definitions

  • the invention relates to a method for producing semiconductor layers in a coating chamber.
  • a solar cell has, for example, a so-called p-i-n layer sequence. This means that on a substrate first a p-doped layer, on this one intrinsic, ie
  • Sub-layer sequences sequentially deposited semiconductor layers.
  • an undoped and then a doped layer can be deposited in a coating chamber, for example on each newly supplied substrate.
  • the layer-forming materials do not only settle on the one to be coated
  • Substrate doped semiconductor material is deposited and on the following substrate to be coated but, for example, an intrinsic, so dopant-free layer
  • desorbing or sputtered dopant may then be incorporated into the layer to be deposited on the substrate, thus degrading it with respect to its desired properties. Therefore, it is usually necessary to pre-clean the chamber walls in such a case and completely remove the deposits.
  • the material is already deposited on the chamber walls, even during layer growth on the substrate
  • Chamber conditioning can be achieved, in which in the absence of the substrate to be coated in the following, the inner walls of the coating chamber are pre-coated with the desired material targeted.
  • coating substrates is therefore usually a
  • At least one object of certain embodiments is therefore to provide a method for the production of
  • a method for producing semiconductor layers in a coating chamber comprises in particular the steps: A) At least one first substrate is deposited on a substrate
  • Semiconductor material is the substrate from the
  • Coating chamber are cleaned of second semiconductor material by a first cleaning process, leaving first semiconductor material on the inner surfaces.
  • Contamination can take place during the coating of the further substrate with second semiconductor material.
  • Coating chamber deposited, not removed in step B first semiconductor material can serve as a conditioning for a subsequent process step A for a further substrate.
  • the conditioning step customary between the deposition processes so far in the prior art can be omitted with particular advantage, as a result of which both a time and a time
  • the method described here may be suitable for the successive similar coating of a plurality of substrates. These can be the
  • Process steps A and B are carried out at least twice and particularly preferably several times directly after one another, wherein each of the method steps A is carried out immediately after a preceding method step B.
  • Process step A is a substrate not yet coated with the first and second semiconductor material
  • step A first and second semiconductor material is applied to the inner surfaces of the
  • the first semiconductor material on the inner surfaces of the Coating chamber have a thickness, which leads, for example, that the first semiconductor material of the
  • the method may further comprise the following method steps:
  • the method steps C and D can furthermore be carried out in particular after a plurality of method steps A and B carried out with a method step A executed last.
  • Composition refers, for example, if the one semiconductor material has a component that is not present in the other semiconductor material.
  • the second semiconductor material may have a
  • the first semiconductor material can be, for example, an intrinsic semiconductor material, that is to say a semiconductor material which has no dopant. If, in method step B, the second semiconductor material were not removed from the inner surfaces of the coating chamber by means of the first cleaning method, then second semiconductor material and therefore also the one therein could be
  • Process step A desorb or sputtered from the inner surfaces and the first, to another substrate To contaminate applied semiconductor material, so that the applied on the next substrate first
  • Semiconductor material also a doping in the form of
  • first and second semiconductor material may have a same semiconductor material and be in their
  • composition for example by the dopant, different.
  • the same semiconductor material can be any semiconductor material.
  • silicon in particular silicon, in particular hydrogenated silicon
  • SiC silicon carbide
  • SiO x silicon oxide
  • SiO x N y silicon oxynitride
  • SiN x silicon nitride
  • the method described here can advantageously prevent such unwanted impurities and at the same time a high
  • Cleaning process be a dry etching
  • Step B can be the duration of the first
  • first semiconductor material of the Inner surfaces of the coating chamber is removed, however, second semiconductor material remains on the inner surfaces.
  • Figure 1A is a schematic representation of a solar cell
  • Figure 1B is a schematic representation of a
  • FIGS. 2A to 2C process steps of a method according to an embodiment
  • FIGS. 3 to 4C process steps of the method according to FIG.
  • Fig. 1A an example of a solar cell 100 is shown having layers which are described by means of the one described herein Method are produced.
  • the method described here is not limited to the production of layers of a solar cell but can be used to produce any semiconductor layer sequences, in particular of
  • optoelectronic components serve.
  • the method shown here can also be used in the production of flat panel displays, TFT displays and other large-area semiconductor layer sequences.
  • the solar cell 100 has a glass substrate 101 on which a transparent electrode 102 of a transparent conductive oxide (TCO) is deposited. On the electrode 102 are two opto-electronically active regions 111, 112
  • each of the completed solar cell 100 is adapted to absorb light incident through the glass substrate 101 and the electrode 102 to form electron-hole pairs, thereby generating an electric current.
  • the opto-electronically active region 111 has a
  • opto-electronically active region 112 has a layer sequence formed from a p-doped layer 106, a
  • tandem cell a wide
  • a solar cell as in the exemplary embodiment shown can be produced with an area of one meter or even several square meters, in particular with an area of about 1.8 square meters, about 6 square meters or about 10 square meters.
  • FIG. 1B by way of example only, the production section of a coating device 200 for applying is shown
  • Coating apparatus 200 for mass production of a plurality of solar cells such as the solar cell 100 shown above are suitable.
  • the coating apparatus 200 has a
  • Transport device 201 as shown, a conveyor belt or transport rollers or an automated
  • marked direction can be transported so that the coating chambers 10, 1, 10 'and 1' are passed through successively.
  • the coating chamber 10 is on a previously provided substrate, which in the shown
  • Electrode 102 is formed, silicon as a semiconductor material and boron as a p-type dopant to form the p-doped
  • PECVD plasma-induced chemical vapor deposition
  • Hydrogen as a carrier gas, wherein for the semiconductor layer 103 as well as for the following layers and others
  • Methods such as sputtering can be used.
  • silicon precursors and / or other carrier gases can be used.
  • the process parameters are chosen such that the semiconductor layer 103 is grown amorphous.
  • the transport device 201 By means of the transport device 201, the layer stack formed from the glass substrate 101, the electrode 102 and the semiconductor layer 103 is transported from the coating chamber 10 into the coating chamber 1 and provides for the
  • the coating chamber 1 are by means of another
  • the further semiconductor layer 106 and the semiconductor layers 107, 108 are applied by means of further PECVD methods, in which the process parameters are each adapted such that the semiconductor layers are formed from microcrystalline silicon.
  • Coating chambers 1 and 1 ' are successively an intrinsic semiconductor layer 103, 108 and an n-doped semiconductor layer 105, 108 applied to newly provided substrates.
  • FIG. 2A shows an exemplary embodiment of a
  • a first semiconductor material 3 may be formed by the glass substrate 101 with the electrode 102.
  • a second semiconductor material 3 may be formed by the substrate 101 with the electrode 102.
  • the first semiconductor material 3, the intrinsic layer 104, whereas the second Semiconductor material 4 may form the n-doped semiconductor layer 105 containing phosphorus as n-type dopant.
  • the first and second semiconductor materials 3, 4 are the intrinsic semiconductor layer 107 and the n-doped semiconductor layer 108, in which case the substrate 2 is replaced by the
  • the coating chamber 1 has suitable elements such as substrate holder, gas inlets and outlets and devices, such as electrodes, for generating a plasma, which are not shown for clarity.
  • the substrate 2 is after the application of the first and second
  • the cleaning method 5 comprises a dry etching method, in particular a plasma etching method with one or more of the etching gases NF 3 , F 2 , CF 4 . SF 6 and CH 2 F 4 .
  • Semiconductor material 4 ' are formed by chemical bonding to ⁇ tzgasradikale which are generated by means of the plasma by splitting of the or the etching gases from the
  • Interior surface deposits dissolved out and transferred to the gas phase and can thus from the coating chamber.
  • Cleaning process 5 can be produced in the coating chamber 1, for example with the same devices as the plasma for the coating process according to
  • Method step A elements provided specifically for the first cleaning method 5 can be used for
  • the plasma can be generated in situ in the coating chamber 1 itself or as a so-called remote plasma in a separate chamber, which is connected to the coating chamber 1.
  • the plasma strength and the supplied etching gas quantities and the cleaning time are chosen such that the second semiconductor material 4 'is indeed removed from the inner surfaces 11, but the first semiconductor material 3' remains thereon.
  • the cleaning time which is required to the second
  • Deposited second semiconductor material 4 'results from the deposition rate and the application time in the previous process step.
  • the material removed by the first cleaning process can also be used
  • the first cleaning process can be terminated when the second semiconductor material 4 'in the residual gas analyzer has fallen below a predetermined limit or is no longer detectable.
  • the method steps A and B according to FIGS. 2A and 2B can be carried out several times in succession. As shown in FIG. 3, a further substrate 20 is supplied to the coating chamber 1, to which first and second semiconductor material 3, 4 are applied. Since the first step A according to Figure 2A is still the first
  • Step A serve.
  • Process step A in turn first semiconductor material 3 '' and second semiconductor material 4 '' from.
  • Process step B after removal of the coated further substrate 20, the first cleaning method 5
  • Process step C a second cleaning process 6 are performed, in which the inner surfaces 11 of the
  • Embodiment also a dry etching.
  • first semiconductor material 3 '' ' can be used as
  • Coating chamber 1 are applied.
  • the second cleaning process 6 is only after two and more preferably after a plurality of Process steps A performed in between

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Abstract

Ein Verfahren zum Herstellen von Halbleiterschichten in einer Beschichtungskammer (1) umfasst die Schritte: A) Auf ein Substrat (2) werden zumindest ein erstes Halbleitermaterial (3) und ein zweites Halbleitermaterial (4) aufgebracht, wobei das erste und zweite Halbleitermaterial (3,4) unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen und das zweite Halbleitermaterial (4) auf dem ersten Halbleitermaterial (3) aufgebracht wird; und B) Nach dem Aufbringen des ersten und zweiten Halbleitermaterials (3,4) wird das Substrat (2) aus der Beschichtungskammer (1) entfernt und Innenoberflächen (11) der Beschichtungskammer (1) werden von zweitem Halbleitermaterial (4') mittels eines ersten Reinigungsverfahrens (5) gereinigt, wobei erstes Halbleitermaterial (3') auf den Innenoberflächen (11) verbleibt.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Herstellung von Halbleiterschichten Es wird ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterschichten in einer Beschichtungskammer angegeben.
Zur Herstellung von Solarzellen oder auch anderen
elektronischen Halbleiterschichtenfolgen werden verschieden dotierte und/oder undotierte Halbleiterschichten auf dafür bereit gestellten Substraten abgeschieden. Eine Solarzelle weist beispielsweise eine so genannte p-i-n-Schichtenfolge auf. Das bedeutet, dass auf einem Substrat zuerst eine p- dotierte Schicht, auf dieser eine intrinsische, also
undotierte Schicht und auf dieser wiederum eine n-dotierte Schicht aufgewachsen werden.
Zur Herstellung von derartigen Halbleiterschichtenfolgen wie etwa bei der Produktion von Solarzellen werden auf immer gleiche Substrate oder auch bereits gefertigte
Teilschichtenfolgen zeitlich nacheinander Halbleiterschichten abgeschieden. Dabei können in einer Beschichtungskammer beispielsweise auf jedem neu zugeführten Substrat eine undotierte und darauf eine dotierte Schicht abgeschieden werden.
Bei der Herstellung einer Halbleiterschicht mittels gängiger Beschichtungsverfahren setzen sich die Schicht bildenden Materialien jedoch nicht nur auf dem zu beschichtenden
Substrat ab, sondern bedecken auch große Teile der
Innenoberflächen oder sogar die gesamten Innenwände und - Oberflächen der Beschichtungskammer. Da das abgelagerte
Material während folgender Prozessschritte zu einem gewissen Grad wieder von den Innenwänden desorbieren oder abgesputtert werden kann, kann das auf den Innenwänden abgelagerte
Material bei der Abscheidung weiterer Schichten auf dem
Substrat zur Verunreinigung dieser führen. Dies kann
insbesondere dann unerwünscht sein, wenn auf den Innenwänden beispielsweise von der Beschichtung des vorangegangenen
Substrats dotiertes Halbleitermaterial abgelagert ist und auf dem folgenden zu beschichtenden Substrat aber beispielsweise eine intrinsische, also Dotierstoff-freie Schicht
abgeschieden werden soll. Der in der Wandablagerung
enthaltene und während folgender Aufwachsschritte
desorbierende oder abgesputterte Dotierstoff kann dann in die auf dem Substrat abzuscheidende Schicht eingebaut werden und diese damit hinsichtlich ihrer gewünschten Eigenschaften verschlechtern. Daher ist es üblicherweise erforderlich, die Kammerwände in einem solchen Fall vorab zu reinigen und die Ablagerungen komplett zu entfernen.
Weiterhin ist aber vielmehr auch erwünscht, dass auf den Kammerwänden bereits schon das Material abgelagert ist, das auch während des Schichtwachstums auf dem Substrat
aufgebracht wird. Dies kann durch eine so genannte
Kammerkonditionierung erreicht werden, bei der in Abwesenheit des im Folgenden zu beschichtenden Substrats die Innenwände der Beschichtungskammer vorab mit dem gewünschten Material gezielt beschichtet werden.
Zwischen den Abscheidevorgängen für nacheinander zu
beschichtende Substrate wird daher üblicherweise eine
komplette Reinigung der Innenwände der Beschichtungskammer durchgeführt, die gefolgt ist von einer Konditionierung der Innenwände, bevor wieder ein zu beschichtendes Substrat der Beschichtungskammer zugeführt wird. Dadurch ist jedoch der Durchsatz, also die Anzahl der pro Zeit in der
Beschichtungskammer beschichtbaren Substrate, deutlich limitiert . Zumindest eine Aufgabe von bestimmten Ausführungsformen ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung von
Halbleiterschichten anzugeben, das einen höheren Durchsatz erlaubt . Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Aus¬ führungsformen und Weiterbildungen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet und gehen weiterhin aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
Ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterschichten in einer Beschichtungskammer gemäß einer Ausführungsform umfasst insbesondere die Schritte: A) Auf ein Substrat werden zumindest ein erstes
Halbleitermaterial und zumindest ein zweites
Halbleitermaterial aufgebracht, wobei das erste und zweite Halbleitermaterial unterschiedliche Zusammensetzungen
aufweisen und das zweite Halbleitermaterial auf dem ersten Halbleitermaterial aufgebracht wird; und
B) Nach dem Aufbringen des ersten und zweiten
Halbleitermaterials wird das Substrat aus der
Beschichtungskammer entfernt und Innenoberflächen der
Beschichtungskammer werden von zweiten Halbleitermaterial mittels eines ersten Reinigungsverfahrens gereinigt, wobei erstes Halbleitermaterial auf den Innenoberflächen verbleibt. Durch das hier beschriebene Verfahren wird mit Vorteil lediglich das zweite Halbleitermaterial von den Innenoberflächen der Beschichtungskammer entfernt, so dass nach dem Verfahrensschritt B die Innenoberflächen der
Beschichtungskammer immer noch mit dem ersten
Halbleitermaterial bedeckt sind. Wird nun ein weiteres mit dem ersten und danach mit dem zweiten Halbleitermaterial zu beschichtendes Substrat der Beschichtungskammer zugeführt, so befindet sich nur noch erstes Halbleitermaterial auf den Innenoberflächen der Beschichtungskammer, so dass keine
Kontamination beim Beschichten des weiteren Substrats mit zweitem Halbleitermaterial stattfinden kann.
Da auch lediglich das zweite Halbleitermaterial von den
Innenoberflächen entfernt wird, verkürzt sich die
Reinigungszeit im Vergleich zu üblichen Reinigungsprozessen enorm, bei denen die Innenoberflächen der Beschichtungskammer komplett gereinigt werden.
Weiterhin wurde von den Erfindern erkannt, dass mit
besonderem Vorteil das während der Beschichtung des
vorangegangenen Substrats auf den Innenoberflächen der
Beschichtungskammer abgelagerte, im Verfahrensschritt B nicht entfernte erste Halbleitermaterial als Konditionierung für einen folgenden Verfahrensschritt A für ein weiteres Substrat dienen kann. Dadurch kann bei dem vorliegenden Verfahren mit besonderem Vorteil auch der zwischen den Abscheidevorgängen bisher im Stand der Technik übliche Konditionierungsschritt entfallen, wodurch sich sowohl eine Zeit- als auch eine
Materialersparnis und damit eine höhere Wirtschaftlichkeit im Vergleich zu bekannten Verfahren ergibt.
Als Substrat kann hier und im Folgenden insbesondere eine Schicht oder eine Schichtenfolge bezeichnet sein, die für den Verfahrensschritt A bereitgestellt wird und auf der im Verfahrensschritt das erste und zweite Halbleitermaterial aufgebracht werden.
Insbesondere kann das hier beschriebene Verfahren mit Vorteil zur aufeinander folgenden gleichartigen Beschichtung einer Mehrzahl von Substraten geeignet sein. Dazu können die
Verfahrensschritte A und B zumindest zweimal und besonders bevorzugt mehrmals unmittelbar hintereinander ausgeführt werden, wobei jeder der Verfahrensschritte A unmittelbar nach einem vorhergehenden Verfahrensschritt B ausgeführt wird.
Unmittelbar danach bedeutet insbesondere, dass zwischen einem Verfahrensschritt A und dem vorangegangenen Verfahrensschritt B keine weiterer Reinigungs- oder Konditionierungsschritt in der Beschichtungskammer durchgeführt wird. Bei jedem
Verfahrensschritt A wird ein noch nicht mit dem ersten und zweiten Halbleitermaterial beschichtetes Substrat
bereitgestellt, das nach dem jeweiligen Aufbringen des ersten und zweiten Halbleitermaterials aus der Beschichtungskammer entfernt wird.
Mit jedem weiteren Verfahrensschritt A wird erstes und zweites Halbleitermaterial auf die Innenoberflächen der
Beschichtungskammer aufgebracht, wobei jedes Mal bei einem darauf folgenden Verfahrensschritt B das zweite
Halbleitermaterial wieder entfernt wird, so dass nach dem Verfahrensschritt B und vor der Zuführung eines weiteren Substrats auf den Innenoberflächen der Beschichtungskammer nur erstes Halbleitermaterial abgelagert ist. Nach der Ausführung von zumindest zwei und besonders
bevorzugt einer Mehrzahl von Verfahrensschritten A mit dazwischen durchgeführten Verfahrensschritten B kann das erste Halbleitermaterial auf den Innenoberflächen der Beschichtungskammer eine Dicke aufweisen, die beispielsweise dazu führt, dass erstes Halbleitermaterial von den
Innenoberflächen abbröckeln kann. Daher kann das Verfahren weiterhin die folgenden Verfahrensschritte aufweisen:
C) Mittels eines zweiten Reinigungsverfahrens werden die Innenoberflächen der Beschichtungskammer von allen
Halbleitermaterialien gereinigt; und
D) Danach wird auf die Innenoberflächen das erste
Halbleitermaterial aufgebracht.
Die Verfahrensschritte C und D können weiterhin insbesondere nach einer Mehrzahl von durchgeführten Verfahrensschritten A und B mit einem zuletzt ausgeführten Verfahrensschritt A ausgeführt werden.
Für das hier beschriebene Verfahren werden
Halbleitermaterialien als unterschiedlich in ihrer
Zusammensetzung bezeichnet, wenn beispielsweise das eine Halbleitermaterial einen Bestandteil aufweist, der im anderen Halbleitermaterial nicht vorhanden ist.
Insbesondere kann das zweite Halbleitermaterial einen
Dotierstoff aufweisen, der nicht im ersten Halbleitermaterial vorhanden ist. Dabei kann das erste Halbleitermaterial beispielsweise ein intrinsisches Halbleitermaterial sein, also ein Halbleitermaterial, das keinen Dotierstoff aufweist. Würde im Verfahrensschritt B das zweite Halbleitermaterial nicht von den Innenoberflächen der Beschichtungskammer mittels des ersten Reinigungsverfahrens entfernt, so könnte zweites Halbleitermaterial und damit auch der darin
enthaltene Dotierstoff bei einem darauffolgenden
Verfahrensschritt A von den Innenoberflächen desorbieren oder abgesputtert werden und das erste, auf ein weiteres Substrat aufzubringende Halbleitermaterial kontaminieren, so dass das auf dem nächsten Substrat aufgebrachte erste
Halbleitermaterial ebenfalls eine Dotierung in Form des
Dotierstoffs des zweiten Halbleitermaterials aufweisen würde.
Weiterhin können das erste und zweite Halbleitermaterial ein gleiches Halbleitermaterial aufweisen und sich in ihrer
Zusammensetzung, beispielsweise durch den Dotierstoff, unterscheiden. Das gleiche Halbleitermaterial kann
insbesondere Silizium, insbesondere hydriertes Silizium,
Siliziumcarbid, (SiC) , Siliziumoxid (SiOx) Siliziumoxinitrid (SiOxNy) , Siliziumnitrid (SiNx) , SiOxCy und/oder Si-Ge- Legierungen und/oder derartige dotierte Materialen sein.
Weiterhin können das erste und zweite Halbleitermaterial im Verfahrensschritt A auf dem Substrat als Teil einer
Solarzelle aufgebracht werden. Gerade bei Solarzellen, insbesondere Solarellen auf Siliziumbasis, ist es für die spätere Funktionsfähigkeit von erheblicher Bedeutung, dass aufeinander aufgebrachte Schichten, die die sich in ihrer Zusammensetzung wie beispielsweise in ihren Dotierstoffen unterscheiden, keine Verunreinigungen von den zuvor
aufgebrachten Schichten aufweisen. Das hier beschriebene Verfahren kann derartige unerwünschte Verunreinigungen mit Vorteil verhindern und gleichzeitig einen hohen
Produktionsdurchsatz ermöglichen .
Weiterhin können das erste und/oder das zweite
Reinigungsverfahren ein Trockenätzverfahren sein,
insbesondere Plasmaätzen mit F3 und/oder F2. Im
Verfahrensschritt B können die Dauer des ersten
Reinigungsverfahrens und die Reinigungsstärke derart
ausgewählt sein, dass zwar erste Halbleitermaterial von den Innenoberflächen der Beschichtungskammer entfernt wird, zweites Halbleitermaterial jedoch auf den Innenoberflächen verbleibt . Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen und
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im
Folgenden in Verbindung mit den Figuren 1A bis 4C
beschriebenen Ausführungsformen. Es zeigen:
Figur 1A eine schematische Darstellungen einer Solarzelle
gemäß einem Ausführungsbeispiel,
Figur 1B eine schematische Darstellung einer
Beschichtungsvorrichtung gemäß einem
Ausführungsbeispiel ,
Figuren 2A bis 2C Verfahrensschritte eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel und
Figuren 3 bis 4C Verfahrensschritte von Verfahren gemäß
weiteren Ausführungsbeispielen.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen
Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein.
In Figur 1A ist ein Beispiel für eine Solarzelle 100 gezeigt, die Schichten aufweist, die mittels des hier beschriebenen Verfahrens herstellbar sind. Das hier beschriebene Verfahren ist jedoch nicht auf die Herstellung von Schichten einer Solarzelle beschränkt sondern kann zur Herstellung beliebiger Halbleiterschichtenfolgen, insbesondere von
Halbleiterschichtenfolge von elektronischen oder
optoelektronischen Bauelementen, dienen. Beispielsweise kann das hier gezeigte Verfahren auch bei der Herstellung von Flachbildschirmen, TFT-Displays und anderen großflächigen Halbleiterschichtenfolgen verwendet werden.
Die Solarzelle 100 weist ein Glassubstrat 101 auf, auf dem eine transparente Elektrode 102 aus einen transparenten leitfähigen Oxid (TCO) aufgebracht ist. Auf den Elektrode 102 sind zwei optoelektronisch aktive Bereiche 111, 112
angeordnet, die jeweils in der fertig gestellten Solarzelle 100 geeignet sind, Licht, das durch das Glassubstrat 101 und die Elektrode 102 fällt, unter Bildung von Elektron-Loch- Paaren zu absorbieren und dadurch einen elektrischen Strom zu erzeugen .
Der optoelektronisch aktive Bereich 111 weist eine
Schichtenfolge gebildet aus einer p-dotierten Schicht 103, einer intrinsischen, undotierten Schicht 104 und einer n- dotierten Schicht 105 aus amorphem Silizium auf. Der
optoelektronisch aktive Bereich 112 weist eine Schichtenfolge gebildet aus einer p-dotierten Schicht 106, einer
intrinsischen Schicht 107 und einer n-dotierten Schicht 108 aus mikrokristallinem Silizium auf. Durch die
unterschiedlichen Absorptionsspektren von amorphem und mikrokristallinem Silizium kann in einer derartig
ausgebildeten, so genannten Tandemzelle ein breites
Absorptionsspektrum und damit eine hohe Quanteneffizienz erreicht werden. Als p-Dotierstoff wird im gezeigten Ausführungsbeispiel Bor verwendet, während als n-Dotierstoff Phosphor verwendet wird. Die Dotierstoffe werden in Form von Trimethylboran beziehungsweise Phosphin bereitgestellt. Auf den optoelektronisch aktiven Bereichen 111, 112 sind eine weitere Elektrode 109 aus einer TCO-Metallschichtenfolge und eine Abdeckung 110 zur Verkapselung der Halbleiterschichten und der Elektroden aufgebracht. Eine Solarzelle wie im gezeigten Ausführungsbeispiel kann mit einer Fläche von einem auf einem Meter oder auch von mehreren Quadratmetern herstellbar sein, insbesondere mit einer Fläche von etwa 1,8 Quadratmetern, etwa 6 Quadratmetern oder etwa 10 Quadratmetern .
In Figur 1B ist rein beispielhaft der Produktionsabschnitt einer Beschichtungsvorrichtung 200 zum Aufbringen von
Halbleiterschichten gezeigt, wobei die
Beschichtungsvorrichtung 200 zur Massenproduktion von einer Mehrzahl von Solarzellen wie der vorab gezeigten Solarzelle 100 geeignet sind.
Die Beschichtungsvorrichtung 200 weist eine
Transportvorrichtung 201, etwa wie gezeigt ein Transportband oder auch Transportrollen oder eine automatisierte
robotergestützte Transporteinrichtung, auf, mittels derer zu beschichtende Substrate in der durch den Pfeil
gekennzeichneten Richtung transportiert werden können, so dass die Beschichtungskammern 10, 1, 10' und 1' nacheinander durchlaufen werden.
Rein beispielhaft und ohne beschränkend zu wirken wird im Folgenden die Funktionsweise der Beschichtungsvorrichtung 200 unter Heranziehung der Solarzelle 100 gemäß dem
Ausführungsbeispiel der Figur 1 erläutert.
In der Beschichtungskammer 10 wird dabei auf ein vorher bereitgestelltes Substrat, das im gezeigten
Ausführungsbeispiel aus dem Glassubstrat 101 und der
Elektrode 102 gebildet ist, Silizium als Halbleitermaterial und Bor als p-Dotierstoff zur Bildung der p-dotierten
Halbleiterschicht 103 aufgebracht. Das Aufbringen der
Halbleiterschicht 103 wie auch der weiteren
Halbleiterschichten geschieht dabei mittels eines
plasmainduzierten chemischen Gasphasenabscheideverfahrens ( PECVD-Verfahren) mit Silan als Silizium-Precursor und
Wasserstoff als Trägergas, wobei für die Halbleiterschicht 103 wie auch für die folgenden Schichten auch andere
Verfahren wie etwa Sputtern verwendet werden können.
Weiterhin können auch andere Silizium-Precursor und/oder andere Trägergase verwendet werden. Die Prozessparameter sind dabei derart gewählt, dass die Halbleiterschicht 103 amorph aufgewachsen wird.
Mittels der Transportvorrichtung 201 wird der Schichtenstapel gebildet aus dem Glassubstrat 101, der Elektrode 102 und der Halbleiterschicht 103 von der Beschichtungskammer 10 in die Beschichtungskammer 1 transportiert und stellt für die
Verfahrensschritte, die in der Beschichtungskammer 1
durchgeführt werden, das zu beschichtende Substrat dar. In der Beschichtungskammer 1 werden mittels eines weiteren
PECVD-Verfahrens die intrinsische Halbleiterschicht 104 aus amorphem Silizium und die n-dotierte Halbleiterschicht 105 aus amorphem Silizium mit Phosphor als n-Dotierstoff
aufgebracht . In der Beschichtungskammern 10' und 1' werden die weitere Halbleiterschicht 106 und die Halbleiterschichten 107, 108 mittels weiteren PECVD-Verfahren aufgebracht, bei denen die Prozessparameter jeweils derart angepasst sind, dass die Halbleiterschichten aus mikrokristallinem Silizium gebildet werden .
In den Beschichtungskammern 10, 1, 10' und 1' können
gleichzeitig verschiedene Substrate beschichtet werden, die jeweils nacheinander die Beschichtungskammern 10, 1, 10' und 1' durchlaufen, so dass beispielsweise in den
Beschichtungskammern 1 und 1' immer wieder nacheinander eine intrinsische Halbleiterschicht 103, 108 und eine n-dotierte Halbleiterschicht 105, 108 auf jeweils neu bereitgestellte Substrate aufgebracht werden.
Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren, das in den Beschichtungskammern 1 und 1' durchgeführt wird, anhand der folgenden Ausführungsbeispiele für die Beschichtungskammer 1 näher erläutert.
In Figur 2A ist ein Ausführungsbeispiel für einen
Verfahrensschritt A gezeigt, bei dem in der
Beschichtungskammer 1 ein Substrat 2 bereitgestellt wird, das im Hinblick auf die vorherigen Ausführungsbeispiele
beispielsweise durch das Glassubstrat 101 mit der Elektrode 102 gebildet sein kann. Auf das Substrat 2 werden ein erstes Halbleitermaterial 3 und darüber ein zweites
Halbleitermaterial 4 aufgebracht, die sich in ihrer
jeweiligen Zusammensetzung unterscheiden. Im Hinblick auf die vorherigen Ausführungsbeispiele bildet in der
Beschichtungskammer 1 das erste Halbleitermaterial 3 die intrinsische Schicht 104, wohingegen das zweite Halbleitermaterial 4 die n-dotierte Halbleiterschicht 105 bilden kann, die als n-Dotierstoff Phosphor enthält. Analog dazu werden in der Beschichtungskammer 1' gemäß Figur 1B als erstes und zweite Halbleitermaterial 3, 4 die intrinsische Halbleiterschicht 107 und die n-dotierte Halbleiterschicht 108 aufgebracht, wobei hier das Substrat 2 durch die
Schichten 101 bis 106 der in Figur 1A gezeigten Solarzelle 100 gebildet wird. Zur Durchführung des Aufbringens des ersten und zweiten
Halbleitermaterials 3, 4 weist die Beschichtungskammer 1 geeignete Elemente auf wie etwa Substrathalter, Gasein- und auslässe und Vorrichtungen, etwa Elektroden, zur Erzeugung eines Plasmas, die der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt sind.
Während des Aufbringens des ersten und zweiten
Halbleitermaterials 3, 4 auf das Substrat 2 lagert sich an Innenoberflächen 11 der Beschichtungskammer 1 erstes
Halbleitermaterial 3' und zweites Halbleitermaterial 4' ab. Würde in der Beschichtungskammer 1 ohne zwischengeschalteten Reinigungsschritt ein weiteres Substrat 2 mit dem ersten und zweiten Halbleitermaterial 3 und 4 beschichtet, so könnte durch Desorption eines Teils des zweiten Halbleitermaterials 4' von den Innenoberflächen 11 während des Aufbringens von erstem Halbleitermaterial 3 auf dem weiteren Substrat der Dotierstoff des zweiten Halbleitermaterials 4' in das erste Halbleitermaterial 3 auf dem weiteren Substrat 2 gelangen und dieses kontaminieren.
In einem weiteren Verfahrensschritt B gemäß Figur 2B wird das Substrat 2 nach dem Aufbringen des ersten und zweiten
Halbleitermaterials 3, 4 aus der Beschichtungskammer 1 daher entfernt und Innenoberflächen 11 der Beschichtungskammer 1 werden von zweitem Halbleitermaterial 4' mittels eines ersten Reinigungsverfahrens 5 gereinigt. Wie in Figur 2C gezeigt ist, verbleibt nach dem ersten Reinigungsverfahren 5 nur erstes Halbleitermaterial 3' auf den Innenoberflächen 11.
Das Reinigungsverfahren 5 umfasst ein Trockenätzverfahren, insbesondere ein Plasmaätzverfahren mit einem oder mehreren der Ätzgase NF3, F2, CF4. SF6 und CH2F4. Die Bestandteile des an den Innenoberflächen 11 der Beschichtungskammer 1
angelagerten Materials, also insbesondere des zweiten
Halbleitermaterials 4', werden durch chemische Bindung an Ätzgasradikale, die mittels des Plasmas durch Aufspaltung des oder der Ätzgase erzeugt werden, aus den
Innenoberflächenablagerungen herausgelöst und in die Gasphase überführt und können so aus der Beschichtungskammer 1
abgepumpt werden. Das Plasma für das erste
Reinigungsverfahren 5 kann dabei in der Beschichtungskammer 1 beispielsweise mit denselben Vorrichtungen erzeugt werden wie das Plasma für den Beschichtungsvorgang gemäß
Verfahrensschritt A. Alternativ dazu können eigens für das erste Reinigungsverfahren 5 vorgesehene Elemente zur
Erzeugung des Trockenätzplasmas vorgesehen sein. Das Plasma kann dabei in der Beschichtungskammer 1 selbst in-situ erzeugt werden oder als so genanntes Remote-Plasma in einer eigenen Kammer, die mit der Beschichtungskammer 1 verbunden ist. Die Plasmastärke und die zugeführten Ätzgasmengen sowie die Reinigungszeit sind dabei derart gewählt, dass das zweite Halbleitermaterial 4' von den Innenoberflächen 11 zwar entfernt wird, erstes Halbleitermaterial 3' aber auf diesen verbleibt . Die Reinigungszeit, die erforderlich ist, um das zweite
Halbleitermaterial 4' von den Innenoberflächen 11 abzutragen, kann dabei aus der Abtragungsrate des Trockenätzverfahrens in Kombination mit der Dicke des abgelagerten zweiten
Halbleitermaterials 4' bestimmt werden. Die Dicke des
abgelagerten zweiten Halbleitermaterials 4' ergibt sich aus der Depositionsrate und der Aufbringzeit im vorangegangenen Verfahrensschritt. Alternativ dazu kann auch das mittels des ersten Reinigungsverfahrens abgetragene Material
beispielsweise mit einem Restgasanalysator bestimmt werden, so dass das erste Reinigungsverfahren beendet werden kann, wenn das zweite Halbleitermaterial 4' im Restgasanalysator unter einen vorher bestimmten Grenzwert gefallen ist oder auch nicht mehr nachweisbar ist.
Die Verfahrensschritte A und B gemäß der Figuren 2A und 2B können mehrmals hintereinander ausgeführt werden. Wie in Figur 3 gezeigt ist, wird dazu ein weiteres Substrat 20 der Beschichtungskammer 1 zugeführt, auf das erstes und zweites Halbleitermaterial 3, 4 aufgebracht wird. Da vom vorherigen Verfahrensschritt A gemäß Figur 2A noch erstes
Halbleitermaterial 3' auf den Innenoberflächen 11 vorhanden ist, kann dieses zur Konditionierung für den weiteren
Verfahrensschritt A dienen.
An den Innenoberflächen 11 lagern sich im weiteren
Verfahrensschritt A wiederum erstes Halbleitermaterial 3' ' und zweites Halbleitermaterial 4'' ab. In einem weiteren Verfahrensschritt B kann nach Entfernen des beschichteten weiteren Substrats 20 das erste Reinigungsverfahren 5
durchgeführt werden, so dass das zweite Halbleitermaterial 4'' von den Innenoberflächen 11 entfernt wird, während erstes Halbleitermaterial 3' und 3' ' auf den Innenoberflächen 11 als Kammerkonditionierung für einen weiteren Verfahrensschritt A verbleibt .
Werden eine Mehrzahl von Verfahrensschritten A und B
hintereinander ausgeführt, ist es jedes Mal ausreichend, lediglich zweites Halbleitermaterial von den Innenoberflächen 11 der Beschichtungskammer 1 mittels des ersten
Reinigungsverfahrens 5 zu entfernen. Die dafür erforderliche Reinigungszeit ist erheblich kürzer als die übliche
Komplettreinigung der Beschichtungskammer 1 mit
anschließender Neu-Konditionierung .
Wird die Dicke der Ablagerungen des ersten
Halbleitermaterials 3' , 3 ' ' zu groß, so dass beispielsweise erstes Halbleitermaterial 3' , 3 ' ' von den Innenoberflächen 11 abbröckeln kann oder die Transparent von etwaigen
Sichtfenstern zu stark beeinträchtigt ist, kann gemäß dem Ausführungsbeispiel in Figur 4A in einem weiteren
Verfahrensschritt C ein zweites Reinigungsverfahren 6 durchgeführt werden, in dem die Innenoberflächen 11 der
Beschichtungskammer 1 komplett von erstem und zweiten
Halbleitermaterial 3', 3 ' ' , 4'' gereinigt werden (Figur 4B) . Das zweite Reinigungsverfahren 6 ist dabei im gezeigten
Ausführungsbeispiel ebenfalls ein Trockenätzverfahren.
Anschließend kann in einem weiteren Verfahrensschritt wie in Figur 4C gezeigt erstes Halbleitermaterial 3' ' ' als
Kammerkonditionierung auf die Innenoberflächen 11 der
Beschichtungskammer 1 aufgebracht werden.
Das zweite Reinigungsverfahren 6 wird dabei erst nach zwei und besonders bevorzugt nach einer Mehrzahl von Verfahrensschritten A mit dazwischen durchgeführten
Verfahrensschritten B durchgeführt.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den
Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugs zeichenliste
1, 1' Beschichtungskämmer
2 Substrat
3, 3', erstes Halbleitermaterial
4, 4', zweites Halbleitermaterial
5 erstes Reinigungsverfahren 6 zweites Reinigungsverfahren
10, 10 Beschichtungskämmer
11 Innenoberfläche
20 Substrat
100 Solarzelle
101 Glassubstrat
102 Elektrode
103 p-dotierte Halbleiterschicht
104 intrinsische Halbleiterschicht
105 n-dotierte Halbleiterschicht
106 p-dotierte Halbleiterschicht
107 intrinsische Halbleiterschicht
108 n-dotierte Halbleiterschicht
109 Elektrode
110 Abdeckung
111 optoelektronisch aktiver Bereich
112 optoelektronisch aktiver Bereich
200 BeschichtungsVorrichtung
201 TransportVorrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen von Halbleiterschichten in
einer Beschichtungskammer (1) mit den Schritten:
A) Auf ein Substrat (2) werden zumindest ein erstes
Halbleitermaterial (3) und zumindest ein zweites
Halbleitermaterial (4) aufgebracht, wobei das erste und zweite Halbleitermaterial (3,4) unterschiedliche
Zusammensetzungen aufweisen und das zweite
Halbleitermaterial (4) auf dem ersten Halbleitermaterial (3) aufgebracht wird; und
B) Nach dem Aufbringen des ersten und zweiten
Halbleitermaterials (3,4) wird das Substrat (2) aus der Beschichtungskammer (1) entfernt und Innenoberflächen (11) der Beschichtungskammer (1) werden von zweitem Halbleitermaterial (4') mittels eines ersten
Reinigungsverfahrens (5) gereinigt, wobei erstes
Halbleitermaterial (3' ) auf den Innenoberflächen (11) verbleibt .
2. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, bei dem
- die Verfahrensschritte A und B mehrmals hintereinander
ausgeführt werden und
- jeder der Verfahrensschritte A unmittelbar nach einem
vorhergehenden Verfahrensschritt B ausgeführt wird,
- wobei bei jedem Verfahrensschritt A ein noch nicht mit dem ersten und zweiten Halbleitermaterial (3,4)
beschichtetes Substrat (20) bereitgestellt wird, das nach dem Aufbringen des ersten und zweiten
Halbleitermaterials (3,4) aus der Beschichtungskammer (1) entfernt wird. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, mit den weiteren
Schritten :
Mittels eines zweiten Reinigungsverfahrens (6) werden die Innenoberflächen (11) der Beschichtungskammer (1) von allen Halbleitermaterialien (3',
3 ,4'') gereinigt; und
D) Danach wird auf die Innenoberflächen (11) das erste
Halbleitermaterial (3''') aufgebracht.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem
- das zweite Halbleitermaterial (4) einen Dotierstoff
aufweist, der nicht im ersten Halbleitermaterial (3) vorhanden ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem
- das erste Halbleitermaterial (3) ein intrinsisches
Halbleitermaterial ist.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem
- die auf dem Substrat (2) aufgebrachten
Halbleitermaterialien (3,4) Silizium, Siliziumcarbid und/oder Siliziumoxid (SiOx) umfassen.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem
- das erste und zweite Halbleitermaterial (3,4) auf dem
Substrat (2) als Teil einer Solarzelle (100) aufgebracht werden .
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem - das erste Reinigungsverfahren (5) ein Trockenätzverfahren ist .
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem - das erste Reinigungsverfahren (5) Plasmaätzen mit F3 und/oder F2 ist.
PCT/EP2010/063713 2009-10-30 2010-09-17 Verfahren zur herstellung von halbleiterschichten WO2011051052A1 (de)

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