WO2015169331A1 - Verfahren zum aufbringen von halbleitermaterial, halbleitermodul und substratherstellungsanlage - Google Patents

Verfahren zum aufbringen von halbleitermaterial, halbleitermodul und substratherstellungsanlage Download PDF

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Tim FRIJNTS
Hendrik ZOLLONDZ
Andreas Heidelberg
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    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention relates to a method for applying semiconductor material. It is particularly about the production of monocrystalline possible material in a different way than before. On the one hand, the energy-intensive production of semiconductor wafers has long been known. On the other hand can
  • the invention relates to a method for applying semiconductor material to a substrate tape, comprising:
  • the invention relates to a semiconductor module, in particular a solar module, wherein the semiconductor module has been produced by the above-mentioned method.
  • the invention relates to a substrate production plant, in particular a float glass plant:
  • a molding device in particular a primary molding device
  • a method of applying semiconductor material to a substrate tape may include:
  • the band gap of the semiconductor material may be less than 2.5 electron volts (eV), that h (Planck 'schesincin ⁇ tum 4,135 10 A -15 eV s (second)) c times (the speed of light, 299,792,458 meters / second) by ca . 500 nanometers, or less than 2 electron volts, that is, h c times by 621 nanome ⁇ ter, at 300 degrees Kelvin.
  • the bandgap of the semiconductor material may be greater than 0.5 electron volts.
  • the semiconductor material can undo ⁇ tion has a resistivity in the range of 10 A -4 ohm centimeters to 10 A 12 ohm centimeters.
  • the band gap determines the absorption properties significantly.
  • Silicon has, for example, at 300 degrees Kelvin.
  • TCO's Transparent Conductive Oxide
  • TCO's Transparent Conductive Oxide
  • the force applied to the substrate producing energy in particular, the applied for the melting of glass energy, even for the application and even for the crystalline ⁇ Sieren the semiconductor layer can be exploited, which can lead to a very economical manufacturing process.
  • the substrates need not be transported to another manufacturing facility to apply the semiconductor material. Also logistics operations for handling the modules are redu ⁇ ed, in particular additional assembly operations of Ma ⁇ machines, stacking operations, etc.
  • An upper temperature limit may be given by the substrate, especially a glass substrate.
  • the upper limit of the temperature is, for example, less than 1100 degrees Celsius, especially in the case of a glass substrate.
  • the substrate here is also called a superstrate.
  • the carrier is also referred to as superstrate.
  • the semiconductor material may form an absorber layer of a solar cell, ie a layer in the light in Electron-hole pairs is converted, which then supply the current of a solar cell.
  • the separation can be done on a glass substrate by scribing and breaking.
  • cutting can be used, for example with diamond-coated grinding wheels in the case of a glass substrate.
  • Largest grain size diameters of, for example, at least 1 micrometer can be produced, for example, without additional use of LPC (liquid phase crystallization), in particular in the lateral direction and / or in the tangential direction relative to the substrate.
  • LPC liquid phase crystallization
  • the large grains arise in particular because the energy used in substrate preparation can also be used for crystallization.
  • the semiconductor material can also serve for other purposes, for example the production of flat panel displays and / or semiconductor circuits.
  • the solar modules can thus be manufactured at the same fabrication ⁇ site as the substrate. Thus, a transport of glass panes or other carrier substrates is unnecessary.
  • the semiconductor material may have a layer thickness of, for example, greater than 1 micron or greater than 5 microns prior to cooling the substrate strip to the temperature of below 200 degrees Celsius, below 500 degrees Celsius, below 600 degrees Celsius, or below 800 degrees Celsius , Larger layer thicknesses allow a good light output of the solar cells.
  • the layer thickness of the absorber stack can, for example. Klei ⁇ ner than 20 microns be.
  • seed-layer methods in which a thin layer, eg below 1 micrometre, is used. ter, crystallizes and then material grows epitaxially ⁇ .
  • a thin layer eg below 1 micrometre
  • ter crystallizes and then material grows epitaxially ⁇ .
  • the substrate material and / or the substrate tape may be glass or contain glass.
  • Glass is an economical raw material, which is particularly suitable for the production of solar modules.
  • another high melting point material may be used, for example having a melting point greater than 1000 degrees Celsius. From these materials, for example, substrates for solar modules can be manufactured.
  • the semiconductor material may be silicon or contain at least 80% by mass or 80% by atomic silicon. But also other semiconductor materials can be used. Examples of other semiconductor materials are given below.
  • the semiconductor material can be deposited by chemical vapor deposition.
  • the chemical vapor deposition is also called CVD (Chemical Vapor Deposition).
  • APCVD Almospheric Pressure CVD
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • APCVD Admospheric Pressure CVD
  • deposition methods can also be used in order to use the energy or heat energy for the production of the substrate also for the application / deposition or for the crystallization of the semiconductor material.
  • CVD or APCVD methods can be used, eg:
  • Gas flow in at least two directions for example with the transport direction of the substrate strip and against the transport direction of the substrate strip.
  • the CVD gases may be cooled or heated when brought to the substrate belt, ie, until they reach the substrate or a barrier layer previously deposited on the substrate. For the best quality Christsbedin ⁇ conditions can be set.
  • the chemical vapor deposition process may be carried out according to at least one or at least two or all of the following process parameters:
  • the pressure is in the range of minus 10 percent of Atmos ⁇ phdibils up to plus 10 percent of the atmospheric pressure at the site of the plant, in particular at atmospheric pressure ⁇ ,
  • the temperature in a portion of the substrate strip on which the semiconductor material is deposited is in the range of ⁇ 500 degrees Celsius to 1100 degrees Celsius, insbesonde ⁇ re in the range of 800 degrees Celsius to 1050 degrees Celsius
  • the process gas contains a silane-containing gas or a silane, in particular monosilane and / or dichlorosilane and / or
  • Trichlorosilane or silanes with more than three silicon atoms preferably also phosphine or diborane or trimethylborane (TMB) or another doping gas.
  • TMB trimethylborane
  • cyclic silanes Kings ⁇ nen be used, eg cyclohexasilane or Cyclopentasi- lan.
  • the atmospheric pressure can also prevail at the site of the plant.
  • a pressure that is less than atmospheric pressure may be advantageous for evacuating the gases, particularly to keep toxic gases out of the air of a production hall. But other pressure ranges can be used ⁇ the low pressure, high pressure, etc.
  • the method can be carried out in particular without clean room conditions or without increased clean room conditions, i. There may be more than, for example, 5000 particles or more than 10,000 particles per cubic meter of air.
  • the gases mentioned or other process gases can be introduced with trans ⁇ port gases, in particular with inert gases, so that oxidation of the semiconductor material during Abschei ⁇ avoided.
  • At least one barrier layer may be applied to the substrate tape, in particular by a chemical vapor deposition method, e.g. with APCVD (Atmospheric Pressure) referring to the above mentioned pressure range.
  • APCVD atmospheric Pressure
  • barrier layers One or more of the following barrier layers can be applied:
  • all of the barrier layers mentioned may be stoichiometric or not stoichiometric.
  • the barrier layer can keep atoms or ions from the substrate away from the semiconductor material.
  • Other properties of the barrier can be: - improve the adhesion of the semiconductor material on the sub ⁇ strate,
  • the temperature of the substrate tape in the range of 1200 ° C (degrees Celsius) to 400 ° C, in the range of 1200 ° C to 600 ° C, in the range of 1100 degrees Celsius to 900 degrees Celsius or Range from 1050 degrees Celsius to 950 degrees Celsius. But other temperatures are possible, which can be determined by experiments.
  • a portion on which the semiconductor mate rial ⁇ is applied the substrate web can float on a liquid metal bath, in particular a tin bath or a Zinnle ⁇ g réellesbad. This is floating or floating in float glass making. Oxidation of the metal bath can be prevented by inert gases. Process temperatures for the CVD of the semiconductor material and / or the CVD of the barrier material can also be set via the metal bath. But also processes without metal bath can be used, eg rolling processes.
  • the size of crystal grains in the semiconductor material can be increased, in particular by more than 10 times, more than 100 times or by more than 1000 times based, for example, on an average grain diameter or an average Grain length of the semiconductor material shortly before Rekristallisa ⁇ tion. For example, grain lengths of at least 1 micrometer, at least 10 micrometers, at least 100 micrometers, or even at least several hundred micrometers, eg, of at least two hundred micrometers, are produced.
  • the combination of high temperature during substrate production and additional energy irradiation by means of radiation can lead to good to very good crystallization results of the applied semiconductor material.
  • the energy expenditure is less than if the Sub ⁇ strat cools down in the meantime.
  • the initial crystallization and / or the crystallization from the liquid phase can be carried out at high temperatures, because much stress occurs during crystallization and soft glass can better absorb this stress, i. there is a lower risk, for example, for a tearing of the layer.
  • LPC Liquid Phase Crystallization
  • D. Amkreutz, et al. "Electron-beam crystallized large grained silicon solar cell on glass substrates", Prog. Photovolt .: Res. Appl. (2011), 19: 937-945
  • J. Dore, et al. "Progress in Laser Crystallized Thin-Film Polycrystalline Silicon Solar Cells: Intermediate Layers, Light Trap- ing, and Metallization” IEEE Journal of Photovoltaics 4 (2014), 33.
  • the laser beams have a particularly high energy density, which can be particularly well Kitkop ⁇ pelt in the semiconductor material, especially when the wavelength of the coherent beam is selected suitable.
  • the irradiation with the beam or with the beams can be carried out in particular before a separation process of the substrate strip or the glass ribbon.
  • the temperature of the substrate tape may be when irradiated in the range from 400 degrees Celsius to 800 degrees Celsius, insbeson ⁇ particular in the range from 400 degrees Celsius to 600 degrees Celsius, or in the range from 600 degrees Celsius to 800 degrees Celsius. However, other temperatures are possible, which can be determined by experiments.
  • At least two, at least three or at least four devices for depositing the semiconductor material can be used.
  • the gases for the deposition of semiconductor materials ⁇ rials can be guided to 20 meters in the direction of transport of the substrate tape or against the transport direction of the substrate tape over a total distance in the range from 2 meters to 100 meters, or in the range 5 meters to 50 meters, or in the range of 10 meters become.
  • An upper limit of the total distance can be, for example, less than 150 meters or less than 100 meters, in particular depending on the layer thickness of the semiconductor material to be achieved.
  • the number of devices for separating is, for example, also be determined by the distance over which a single Vorrich ⁇ tung ensures a flow of gas suitable Abscheidebe ⁇ conditions ensured, for example. With respect to deposition rate and separating quality. Too much dilution or even a consumption of the process gases in a carrier gas should be avoided.
  • the gases for depositing the semiconductor material can in the transport direction of the substrate strip and / or against the
  • Transport direction of the substrate strip over a total distance in the range of 2 meters to 100 meters or in the range of 5 to 50 meters or in the range of 10 to 20 meters out.
  • a semiconductor module in particular a solar module, may have been produced by a method explained above.
  • the Semiconductor module can be larger than half a square meter, larger than one square meter, or larger than four square meters.
  • the semiconductor module may in particular be a semifinished product for a solar module or a solar module.
  • a substrate preparation system for example float glass plant, roll ⁇ glass conditioning or "fusion-drawn" glass plant, which is used in particular for performing the above method may include:
  • a molding device in particular a molding device
  • melter e.g. a melting furnace
  • the molding device e.g. a metal bath, i. Original forms by gravity, or a rolling device,
  • the substrate manufacturing apparatus may include at least two, Minim ⁇ least three or at least four devices for depositing semiconductor material include, in particular CVD or
  • Gases for depositing the semiconductor material can be guided over a total distance in the range of 2 meters to 100 meters or in the range of 5 meters to 50 meters or in the range of 10 meters to 20 meters in the transport direction of a substrate strip or against the transport direction of the substrate strip. consisting of several sub-sections, wherein adjacent sub-sections may be spaced from each other, for example by at least 10 centimeters or by at least 50 centimeters. It may be present in the substrate manufacturing facility, a Vorrich ⁇ processing for depositing a barrier layer, preferably based disposed on the material flow Zvi ⁇ rule of the master mold apparatus and the apparatus for depositing semiconductor material.
  • the barrier can prevent the penetration of atoms or ions from the substrate or from the substrate material into the semiconductor material.
  • materials for the barrier layer reference is made to the above statements.
  • the substrate manufacturing apparatus may also include a Bestrahlvor ⁇ direction, in particular an irradiation device that has an energy density or energy flow Strahlungsinten ⁇ sity in the range of 30 to 300 joules per square centimeter in the semiconductor material, preferably a Laserbe ⁇ jet device.
  • a Bestrahlvor ⁇ direction in particular an irradiation device that has an energy density or energy flow Strahlungsinten ⁇ sity in the range of 30 to 300 joules per square centimeter in the semiconductor material, preferably a Laserbe ⁇ jet device.
  • the energy density (energy density) or the flow of energy (fluen- ce) can be determined, for example, from the following sizes:. I radiation intensity, beam width d, relative VELOCITY ⁇ velocity v.
  • the relative speed is related to the VELOCITY ⁇ ness between the beam strike region and the semiconductor material.
  • the semiconductor material is moved and the Strahlauf Economics Scheme rests, for example. Relative to Floatline.
  • the energy density or the flow of energy can be calculated as follows: radiation intensity I times ⁇ beam width d through relative speed v between the beam and semiconductor material or substrate.
  • FWHM Full Width Half Maximum
  • the substrate production plant can also include a separation plant, wherein a portion of a substrate strip or the substrate strip only at the other devices, ie
  • the separation plant can produce modules that are larger than half a square meter, larger than one square meter or larger than four square meters, in particular semifinished products for solar modules or solar modules.
  • the separation can be done for glass by scribing and breaking, by cut-off grinding or in other ways. Laser beam cutting can also be used.
  • modules with, for example, silicon which has been crystallized via a liquid phase is indicated (for example by an optional laser beam), in particular of solar modules.
  • silicon is crystalline silicon with crystallites, particularly when using LPC (Liquid Phase Crystallization), e.g. by means of laser beams, in at least one direction may have an extension in the range of 1 micron to 10 microns or even greater than 10 microns or greater than 30 microns or greater than 100 microns.
  • LPC Liquid Phase Crystallization
  • the silicon is also referred to as LPcSi (Liquid Phase crystallized Silicon) and the associated process as LPC.
  • the technology presented can be applied to an endless strip made of glass or other material, and thus also to solar modules larger than half a square meter, larger than one square meter or larger than four square meters.
  • solar modules larger than half a square meter, larger than one square meter or larger than four square meters.
  • the solution given is inexpensive because the thermal energy used in glassmaking can also be used to deposit and pre-heat the solid state crystallization (SPC) of the semiconductor material.
  • SPC solid state crystallization
  • Float lines and eg. APCVD (Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition) devices for float lines are available for sale. There are several positions in the float line where APCVD or other deposition techniques can be used so that different process temperatures can be set from each other.
  • APCVD atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition
  • an electrically conductive oxide TCO - transparent conductive oxide
  • this can usually at 500 degrees Celsius up to 700 degrees Celsius
  • fluordotier ⁇ tes tin oxide FTO - Florine doped Tin Oxide
  • FTO - Florine doped Tin Oxide fluordotier ⁇ tes tin oxide
  • Other known coatings relate to:
  • SiON (Silicon Oxy Nitride) barriers e.g. between glass and TCO,
  • self-cleaning layers e.g. TiO 2 (titanium dioxide).
  • VOC open-circuit voltages
  • the deposition temperatures on glass were in the range of 850 degrees Celsius, the glass had a high temperature resisting ⁇ stood as boron silicate glass,
  • the deposition rates ranged from 0.3 microns per minute up to 1.6 microns per minute.
  • the APCVD deposition or another deposition of silicon or another semiconductor material at relatively high temperatures should take place, eg. At about 1100 degrees Celsius, which is mög ⁇ Lich and inexpensive, if, for example. a float line is used.
  • a float line is used.
  • the process in a float line or other glass production line would be expensive and Impossi ⁇ Lich example, on most glasses without. Is performed.
  • the properties of the glass or substrate can be very important for the semiconductor manufacturing process, e.g. for the LPcSi process. If a semiconductor manufacturer has his own float line or his own glass production line, it is possible to continuously monitor the glass properties and to improve the glass properties. But even a glass manufacturer can become a semiconductor manufacturer. A smaller float line can be a production or a
  • the solar panels would have, for example, an area larger than four square meters, larger than five square meters or even larger than 10 square meters. Assuming an efficiency of 15 percent, a 100 percent yield and utilization time would result in a capacity of about 437 MW (megawatts) per year according to "name plate capacitance", which is a normal capacity of a large solar factory.
  • barrier layers or barrier layer ⁇ stack are very good barrier layers or barrier layer ⁇ stack to produce, including:
  • laser crystallization or electron beam crystallization or thermal crystallization of the semiconductor material layer can optionally also be carried out.
  • a separation of the glass ribbon in panels or modules can be done.
  • the panels can then be taken off the line and processed on separate lines, which may be better in terms of uptime.
  • a Floatline should go through continuously. But this is not possible or realistic for most systems. Therefore, any process that does not need the higher temperature should not take place on the float line, but on a different line with, for example, module buffer devices. If one of the systems then fails for a short time, the other systems can continue to produce due to the module buffer devices.
  • the coating for example, APCVD, and / or optional laser tools fail at the glass manufacturing line, such as GE ⁇ plant or unplanned, the production of glass can be carried out on, which can be, for example, used as the back glass.
  • the method can also be used for semiconductors other than silicon, eg for chalcopyrites (eg CIGS copper indium gallium diselenide), kesterites (ie CZTS copper zinc tin sulfide), III / V semiconductors (GaAs (gallium arsenide), InGaAs (indium gallium arsenide) , etc.), other tantherite ⁇ ter, germanium, cadmium telluride (CdTe).
  • chalcopyrites eg CIGS copper indium gallium diselenide
  • kesterites ie CZTS copper zinc tin sulfide
  • III / V semiconductors GaAs (gallium arsenide), InGaAs (indium gallium arsenide) , etc.
  • other tantentiallei ⁇ ter germanium, cadmium telluride (CdTe).
  • the semiconductor module can be one of the following modules: a solar module, in particular a thin-film module, wherein the semiconductor material as a whole is thinner than 50 micrometers or even thinner than 10 micrometers.
  • TFT Thin Film Transistor
  • Glass is a material which is a large Temperaturbe ⁇ rich viscous of eg. More than 100 degrees Celsius, which is due to interconnection networks of its components. Usually glass is therefore not crystallized, ie there are in the networks predominantly only spatial Nah glovesen its components but no remote orders.
  • Borosilicate glasses are, for example, of silicon oxide, B203 (Boro ⁇ xid) and Na20 (sodium oxide) and optionally further additives Herge ⁇ represents.
  • the silica content (eg, SiO 2) may be below 75% by mass or even below 65% by mass.
  • the thermal expansion coefficient of the borosilicate glasses is, for example, in the range of 3 10 A -6 per degree Kelvin to 5 10 A -6 per degree Kelvin, in particular at about 3.3 10 A -6 per degree Kelvin.
  • This can be the same thermal expansion coefficient As for silicon, silicon nitride and other materials, ie about 3 10 A -6 per degree Kelvin.
  • Alkali alkaline earth silicate glasses can also be used.
  • the coefficient of thermal expansion of these glasses is, for example, 9 10 A -6 per degree Kelvin.
  • the Güns ⁇ important alkali is Na20. But other alkali oxides can be used.
  • the cheaper alkaline earth oxide is CaO. But also MgO and BaO or other alkaline earth oxides can be used.
  • the addition of A1203 can increase the chemical resistance.
  • the silica content in the production of alkali earth alkaline silicate glasses may range from 70% by mass to 75% by mass.
  • the alkali oxide content is usually in the range of 15 percent by weight to 20 percent by weight based on the total mass for glass production.
  • BSG borosilicate glass
  • the layer thickness of the glass can be, for example, in the range of 0.7 millimeters to 21 millimeters. For the following estimation, it is assumed that the layer thickness of the glass is 3 millimeters and that the throughput is 40 tons of glass per day.
  • the width of the float glass should be eg. 2 meters for the following Rechenbei ⁇ game. Other widths are also possible, especially larger widths, for example 3.21 meters for soda lime glass (SLG) or another glass.
  • SSG soda lime glass
  • a deposition rate particularly for APCVD is from 1 to 2 microns per minute, this would require about 10 to 20 meters of gas on the glass ribbon, to deposit 10 microns semiconductor materials ⁇ rial, for example silicon.
  • dopants can already be added. For example, about one meter can be scheduled for the separation of the barrier.
  • APCVD routes in existing lines or line designs could already have similar lengths.
  • a) barrier e.g. 1100 degrees Celsius to 900 degrees Celsius:
  • the lower end value may be limited by the lower end value of the subsequent absorber deposition or semiconductor deposition.
  • silicon oxide especially SiO 2
  • APCVD poly-silicon TFT's (thin film transistor) at low temperatures of 400 degrees Celsius and about 400 degrees Celsius
  • semiconductor absorber or other semiconductor material e.g. 1050 degrees Celsius to 800 degrees Celsius:
  • Temperatures above the transition temperature of the glass may be required in order, for example, to avoid cracks in the glass.
  • the laser optics can be protected by additional measures against the heat of the glass ribbon.
  • the crystallization caused by a jet can also take place at temperatures higher than 700 degrees Celsius.
  • FIG. 2 shows a float section of the float glass plant
  • FIG. 3 shows an enlargement of the float section
  • FIG. 4 shows process steps in the production of float glass, which is coated with semiconductor material
  • FIG. 5 shows a rolled glass line for solar modules.
  • FIG. 1 shows a float glass system 10 which, for example, may have a length of several hundred meters or a length greater than 50 meters or greater than 100 meters.
  • the float glass plant 10 may include, in the following order, a transport path for substrate material (glass) IIa, and later for a glass ribbon 11 formed therefrom:
  • a metal bath section 14 which may also be referred to as a float section,
  • float glass unit 10 e.g. a process control center.
  • Other units may be included in the float glass unit 10, e.g. a process control center.
  • the smelting furnace 12 may contain:
  • At least one burner 30 or a multiplicity of burners for example gas or oil burners.
  • electrodes can be used to heat the furnace with electricity,
  • a melting tank 32 are melted starting materials of glass in the carefully prepared from ⁇ , for example, at a temperature Tl, of eg about 1500 degrees Celsius, and.. - a working tank 34 in which a homogeneous molten glass is, the 12 ge ⁇ reached also to an outlet of the melting furnace.
  • Tl a temperature of eg about 1500 degrees Celsius
  • a working tank 34 in which a homogeneous molten glass is, the 12 ge ⁇ reached also to an outlet of the melting furnace.
  • the melting tank 32 and the working tank 34 can also be performed Staer ⁇ ker separated.
  • a so-called trickle section can be arranged between the outlet of the melting furnace 12 and the metal bath section 14.
  • a temperature T2 at the outlet of the melting furnace 12 is, for example, about 1100 degrees Celsius.
  • the Glasschmel ⁇ ze or substrate material (glass) IIa can propagate to a glass ribbon 11 under the influence of gravity.
  • Processing places Bl to B3a are integrally ⁇ arranges the metal bath in order to bring at least réelle ⁇ an optional barrier layer and / or at least one semiconductor layer on the glass ribbon 11, which will be explained in more detail below.
  • a laser irradiation or an irradiation with another beam can be carried out in order to promote the crystallization (LPC) of the semiconductor material of the semiconductor layer.
  • LPC crystallization
  • the Zinnbadwannen 40 to 44 can be maintained at different temperatures from each other to ensure proper cooling of the glass ribbon 11.
  • Tin has a melting temperature of about 230 degrees Celsius.
  • the temperature of the tin bath may be, for example, in the range of 600 degrees Celsius to 1000 degrees Celsius.
  • Inert gas can be introduced into the metal bath section 14 via inert gas inlets 46 to 48 in order to prevent oxidation of the gas
  • the section 14 is as well as the furnace 12 rebuilt as possible on all sides and provided with thermal insulation.
  • section 14 there may also be at least one refrigeration unit.
  • Optional side roles in From can ⁇ section 14 may be provided to keep a transverse contraction of the glass ribbon within limits.
  • the application of the layers is preferably carried out after completion of the transverse contraction.
  • the glass ribbon 11 emerging from the metal bath 14 enters the cooling channel 16 at a temperature T3 of, for example, 600 degrees Celsius. In the cooling channel 16, the glass ribbon 11 through
  • Moving rollers 50 moves, which pull the glass ribbon 11 over the metal bath 14.
  • the glass ribbon 11 cools further, for example.
  • crystallization with a jet can take place at a processing location B3b, in particular as an alternative to the irradiation at the processing location B3.
  • the cooling channel can be rebuilt or partially open.
  • quality controls can be carried out at a processing location B4, wherein, for example, methods of image recognition and image processing are used, in particular using test lasers.
  • the cold portion 18 may be open upwardly and sideways.
  • the glass ribbon 11 is transported in the section 18, for example, by Trans ⁇ portrollen 60.
  • a crystallization (LPC) of the semiconductor material layer could also be carried out by irradiation at a processing location B3c, in particular as an alternative to the irradiation at the processing location B3a or B3b. But also methods without additional crystallization of the semiconductor material layer by means of a beam can be used.
  • automatic cutting and / or crushing plant 20 panels are or modules separated from the glass ribbon 11, see separation point 80 and semi-finished solar modules 82, 84th
  • Irradiation for crystallizing (LPC) of the Halbleiterma- terials can also be carried out after the separation at the separation point 80, in particular in the same production ⁇ site or in a different production site.
  • the semifinished solar modules 82, 84 can be finished in the same production facility or in another production facility.
  • FIG. 2 shows the float section 14 of the float glass system 10.
  • a barrier layer 252 can be applied to the glass strip 11 with the aid of a barrier precursor gas 100.
  • One of the materials mentioned in the introduction for the barrier layer 252 may be used.
  • a plurality of barrier layers are deposited to form a barrier layer stack which, for example, may have a total layer thickness of less than 500 nanometers or less than 1 micrometer.
  • the barrier precursor gas is directed as a lami ⁇ nary flow in the direction of transport of the glass ribbon 11.
  • CVD methods can be used, eg with turbulent flow for mixing gas components that can not be brought together or dual flows, see Introduction.
  • a CVD method at atmospheric pressure (APCVD) or slightly lower may be used
  • Suitable process conditions conditions such as temperature, reaction gases, transport gases, gas flows can be determined by experiment.
  • the semiconductor precursor gas can, for example, likewise be introduced in laminar fashion in the transport direction of the glass ribbon 11, see gas flow 102.
  • An associated gas extraction plant is not shown in FIG. 2 for reasons of clarity.
  • a laminar gas flow 104 of the semiconductor precursor gas which is directed counter to the transport direction of the glass ribbon 11.
  • Even turbulent gas flow processes can be used to deposit or deposit the semiconductor material 254.
  • APCVD atmospheric pressure
  • APCVD slightly lower CVD
  • SAPCVD slightly lower CVD
  • a distance S2 at which semiconductor precursor gas 102 or 104 flows in and / or against the transport direction of the glass ribbon 11 is, for example, longer than 10 meters or longer than 15 meters. This can also be achieved by sequentially arranging several CVD systems, for example of at least 2, 3, 4 or more than 4 CVD systems.
  • CVD methods are used with other gas pressures.
  • other deposition methods can be used.
  • a laser beam 110 may impinge on the glass ribbon 11 to recrystallize from the liquid phase. It can also be used more La ⁇ serstrahlen or more other rays.
  • FIG. 3 shows an enlargement of the float section 14 of the system 10.
  • a tin surface 205 carries the glass band 11.
  • An APCVD system 222 is mounted on a mounting frame 230 attached suitable type.
  • a semiconductor material layer 254 is applied to the barrier layer (s) 252, wherein the gas flows 102 and / or 104, see FIG. 2, occur inside the CVD system 222.
  • a casing of the section 14 is not shown in FIG. 3 for the sake of clarity.
  • a transporting direction 262 indicates the direction of movement of the glass ribbon 11.
  • the mentioned gas flows 100 to 104 can be heated or cooled separately.
  • the CVD systems for generating the gas flows 100 to 104 are available from specialist manufacturers and are therefore not explained in detail. In particular, there are CVD systems that can be inserted laterally into the section 14 and whose position along the transport path of the glass ribbon 11 can be freely selected.
  • FIG. 4 shows method steps 300 to 310 in the case of FIG
  • the method begins in a method step 300.
  • the method steps are referred to below as step.
  • the method is based on the figure 4 with respect to a portion of the glass ribbon 11, he explained ⁇ which is successively transported to the different processing stations of the float glass plant 10 over.
  • step 300 for example, the raw materials are prepared, in particular comminution, weighing, mixing, etc.
  • step 302 following step 300 the glass is produced in the melting furnace 12.
  • a step 303 following the step 302 the primary forming of the glass ribbon 11 takes place, for example on the metal bath 14 or by means of a roller 416, see FIG. 5, or in another manner.
  • the barrier layer (s) may be applied, which has been explained in detail above.
  • Steps 300 to 303 are preliminary steps and do not yet relate to the invention.
  • step 303 Following in step 303 and step 304, respectively
  • Step 306 the application of the semiconductor material takes place
  • the recrystallization of the semiconductor layer 254, 454 can still take place in the float glass plant 10 with the aid of a jet.
  • step 306 Following in step 306 and step 308, respectively,
  • Step 309 individual modules or panels are separated from the glass band 11, stacked and transported for further processing or to a goods outlet.
  • a step 310 the method for the considered section of the glass ribbon 11 is then terminated, wherein a semifinished ⁇ rikat of a solar module or other semiconductor module has been generated.
  • other process steps are also Runaway ⁇ leads on the float glass plant 10 before the disconnection.
  • FIG. 5 shows a rolled-glass line or rolling train 400 for solar modules.
  • a melting furnace includes a discharge block 402 and a furnace roof 404.
  • An optional orifice 406 regulates the ausflie ⁇ sequent amount of a still unrolled glass ribbon 408.
  • the unrolled glass ribbon 408 forms a bulge 410 on an upper roller 416 to which it is pulled through a machine block 412th
  • a bottom roll 414 and top roll 416 form a gap that reduces the thickness of the glass.
  • the processing location Blb corresponds to the processing location Bl, ie application of an optional barrier layer 452 or multiple barrier layers.
  • the processing location B2b corresponds to the processing location B2, ie applying a semiconductor material layer 454 or multiple semiconductor material layers. It can be the processing locations B3
  • a transport direction 462 of the glass band 430 is also shown in FIG. 5 and, in the exemplary embodiment, runs from left to right.
  • a multi-stage rolling process can also be used.
  • other methods can be used, for example Fourcault method, Pittsburg method, pulling the glass down, etc.
  • semiconductor material can be applied to the still hot glass band who ⁇ .

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Abstract

Erläutert wird unter anderem ein Verfahren zum Aufbringen von Halbleitermaterial (254, 454) auf ein Substratband (11, 430), enthaltend: Schmelzen (302) eines Substratmaterials (11a, 408), Formen (303) des Substratmaterials (11a, 408) zu einem Substratband (11, 430), Aufbringen (306) eines Halbleitermaterials (254, 454) auf das Substratband (11, 430) vor dem Abkühlen des Substratbandes (11, 430) auf eine Temperatur unter 50 Grad Celsius oder unter 500 Grad Celsius oder unter 600 Grad Celsius oder unter 800 Grad Celsius.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Aufbringen von Halbleitermaterial, Halbleitermodul und Substratherstellungsanlage
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Aufbringen von Halbleitermaterial. Es geht insbesondere um die Erzeugung von möglichst einkristallinem Material auf anderem Wege als bisher. Einerseits ist seit langem die energieintensive Her- Stellung von Halbleiterwafern bekannt. Andererseits kann
Siliziummaterial auch auf Glasscheiben abgeschieden werden, was aber bei niedriger Temperatur zu schlechter Materialqualität führt. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen von Halbleitermaterial auf ein Substratband, enthaltend:
- Schmelzen eines Substratmaterials,
- Formen des Substratmaterials zu einem Substratband,
- Aufbringen eines Halbleitermaterials auf das Substratband vor dem Abkühlen des Substratbandes auf eine Temperatur unter
50 Grad Celsius oder unter 500 Grad Celsius oder unter 600 Grad Celsius oder unter 800 Grad Celsius.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Halbleitermodul, insbe- sondere ein Solarmodul, wobei das Halbleitermodul mit dem oben genannten Verfahren hergestellt worden ist.
Außerdem betrifft die Erfindung eine Substratherstellungsanlage, insbesondere eine Floatglasanlage:
- mit einer Schmelzvorrichtung,
- mit einer Formvorrichtung, insbesondere einer Urformvorrichtung, und
- mit mindestens einer Vorrichtung zum Abscheiden von Halbleitermaterial in einer Schichtdicke von mehr als 100 Nanome- tern oder mehr als einem Mikrometer oder mehr als 5 Mikrometern . Es ist Aufgabe von Weiterbildungen der Erfindung ein einfaches Verfahren zum Aufbringen von Halbleitermaterial anzugeben. Außerdem sollen ein zugehöriges Halbleitermodul und eine zugehörige Substratherstellungsanlage angegeben werden.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Bezüglich des Halbleitermoduls und der Substratherstellungs¬ anlage wird die Aufgabe durch das Halbleitermodul nach dem neben geordneten Anspruch bzw. durch die Substratherstellungsanlage nach dem weiteren neben geordneten Anspruch gelöst. Weiterbildungen für die Substratherstellungsanlage sind in den entsprechenden Unteransprüchen angegeben. Ein Verfahren zum Aufbringen von Halbleitermaterial auf ein Substratband kann enthalten:
- Schmelzen eines Substratmaterials,
- Formen des Substratmaterials zu einem Substratband,
- Aufbringen eines Halbleitermaterials auf das Substratband vor dem Abkühlen des Substratbandes auf eine Temperatur unter
200 Grad Celsius oder unter 500 Grad Celsius oder unter 600 Grad Celsius oder unter 800 Grad Celsius.
Die Bandlücke des Halbleitermaterials kann kleiner als 2,5 Elektronenvolt (eV) sein, d.h. h ( Planck ' sches Wirkungsquan¬ tum 4,135 10A-15 eV s (Sekunde)) mal c (Lichtgeschwindigkeit, 299 792 458 Meter/Sekunde) durch ca. 500 Nanometer, oder kleiner als 2 Elektronenvolt, d.h. h mal c durch 621 Nanome¬ ter, bei 300 Grad Kelvin ist.
Die Bandlücke des Halbleitermaterials kann aber größer als 0,5 Elektronenvolt sein. Das Halbleitermaterial kann undo¬ tiert einen spezifischen Widerstand im Bereich von 10A-4 Ohmzentimeter bis 10A12 Ohmzentimeter haben. Die Bandlücke bestimmt die Absorptionseigenschaften maßgeblich. Silizium hat bei 300 Grad Kelvin bspw. eine Bandlücke von 1,1 Elektronenvolt, so dass Photonen mit einer Wellenlänge klei¬ ner als etwa 1,1 Mikrometer absorbiert werden können. TCO 's (Transparent Conductive Oxide) können dagegen typi¬ scherweise eine Bandlücke im Bereich von 3 Elektronenvolt bis 4 Elektronenvolt haben. Mit Bezug auf das sichtbare Licht, d.h. 380 Nanometer bis 780 Nanometer ist somit Material mit einer größeren Bandlücke (mindestens 3,26 eV) transparent.
Somit kann die für die Substratherstellung aufgebrachte Energie, insbesondere die für das Schmelzen von Glas aufgebrachte Energie, auch für das Aufbringen und sogar für das Kristalli¬ sieren der Halbleiterschicht ausgenutzt werden, was zu einem sehr wirtschaftlichen Herstellungsverfahren führen kann.
Weiterhin müssen die Substrate nicht zu einer anderen Fertigungsstätte transportiert werden, um das Halbleitermaterial aufzubringen . Auch Logistikvorgänge zum Handhaben der Module werden redu¬ ziert, insbesondere zusätzliche Bestückungsvorgänge von Ma¬ schinen, Stapelvorgänge usw.
Eine obere Temperaturgrenze kann durch das Substrat gegeben sein, insbesondere bei einem Glassubstrat. Die Obergrenze der Temperatur ist bspw. kleiner als 1100 Grad Celsius, insbesondere bei einem Glassubstrat.
Als Substrat wird hier auch ein Superstrat bezeichnet. Bspw. gibt es Solarzellen, bei denen das Licht erst durch den Trä¬ ger dringt und dann in einen Absorberstapel. In diesem Fall wird der Träger auch als Superstrat bezeichnet.
Aus dem Substratband können durch Trennen mehrere Solarmodule bzw. Halbfabrikate für Solarmodule hergestellt werden. In diesem Fall kann das Halbleitermaterial eine Absorberschicht einer Solarzelle bilden, d.h. eine Schicht in der Licht in Elektronen-Loch-Paare umgewandelt wird, die dann den Strom einer Solarzelle liefern.
Das Trennen kann bei einem Glassubstrat durch Ritzen und Brechen erfolgen. Alternativ kann Schneiden verwendet werden, bspw. mit diamantbesetzten Schleifscheiben im Falle eines Glassubstrates .
Je kristalliner das Halbleitermaterial wird, umso besser können die elektrischen Eigenschaften der Solarzelle sein.
Größte Korngrößendurchmesser von bspw. mindestens 1 Mikrometer können bspw. ohne zusätzliche Verwendung von LPC (Liquid Phase Crystallization) entstehen, insbesondere in lateraler Richtung und/oder in Tangentialrichtung bezogen auf das Sub- strat. Die großen Körner entstehen insbesondere deshalb, weil die bei der Substratherstellung aufgewandte Energie auch für das Kristallisieren genutzt werden kann.
Alternativ kann das Halbleitermaterial aber auch für andere Zwecke dienen, bspw. die Herstellung von Flachbildschirmen und/oder Halbleiterschaltungen.
Die Solarmodule können somit an der gleichen Fabrikations¬ stätte wie das Substrat gefertigt werden. Damit erübrigt sich ein Transport von Glasscheiben bzw. anderen Trägersubstraten.
Das Halbleitermaterial kann vor dem Abkühlen des Substratbandes auf die Temperatur von unter 200 Grad Celsius, von unter 500 Grad Celsius, von unter 600 Grad Celsius oder von unter 800 Grad Celsius eine Schichtdicke von bspw. größer größer als 1 Mikrometer oder größer als 5 Mikrometer haben. Größere Schichtdicken ermöglichen eine gute Lichtausbeute der Solarzellen. Die Schichtdicke des Absorberstapels kann bspw. klei¬ ner als 20 Mikrometer sein.
Alternativ können jedoch auch seed-layer Verfahren eingesetzt werden, wobei man eine dünne Schicht, z.B. unter 1 Mikrome- ter, kristallisiert und darauf Material epitaktisch auf¬ wächst. Man könnte auch 100 nm (Nanometer) bis 1 ym (Mikrome¬ ter) hochdotiert abscheiden, kristallisiert das und wächst darauf epitaktisch mit APCVD bei bspw. etwa 1000 °C (Grad Celsius) den niedrig dotierten Absorber.
Das Substratmaterial und/oder das Substratband kann Glas sein oder Glas enthalten. Glas ist ein wirtschaftlicher Rohstoff, der insbesondere zur Herstellung von Solarmodulen geeignet ist. Alternativ kann ein anderes Material mit hohem Schmelzpunkt verwendet werden, bspw. mit einem Schmelzpunkt größer als 1000 Grad Celsius. Auch aus diesen Materialien können bspw. Substrate für Solarmodule gefertigt werden. Das Halbleitermaterial kann Silizium sein oder mindestens 80 Masseprozent oder 80 Atomprozent Silizium enthalten. Aber auch andere Halleitermaterialien können genutzt werden. Beispiele für andere Halbleitermaterialien werden unten angegeben .
Das Halbleitermaterial kann mittels chemischer Dampfphasen Abscheidung abgeschieden werden. Die chemische Dampfphasen Abscheidung wird auch CVD (Chemical Vapor Deposition) genannt. APCVD (Atmospheric Pressure CVD) kann besonders geeig- net sein.
Auf Grund der bei der CVD auftretenden Pyrolyse kann ein fester Verbund von Substrat und Halbleitermaterial bzw. Sub¬ strat und Barriereschicht sowie Barriereschicht und Halblei- termaterial entstehen.
Aber auch andere Abscheideverfahren können verwendet werden, um die Energie bzw. Wärmeenergie für die Herstellung des Substrates auch für das Aufbringen/Abscheiden bzw. für die Kristallisierung des Halbleitermaterials zu nutzen. Es können verschiedene Typen von CVD oder APCVD Verfahren verwendet werden, z.B.:
- unidirektionaler Gasfluss (gas beam) , vorzugsweise mit laminarer Gasströmung,
- unidirektional turbulenter Gasfluss, insbesondere mit Mi¬ schung der getrennt voneinander heran transportierten Prozessgase,
- Gasfluss in mindestens zwei Richtungen (dual), bspw. mit der Transportrichtung des Substratbandes und gegen die Trans- portrichtung des Substratbandes.
Die CVD Gase können beim Heranführen an das Substratband gekühlt oder erhitzt werden, d.h. bis sie das Substrat bzw. eine Barriereschicht erreichen, die auf dem Substrat zuvor aufgebracht worden ist. Damit können optimale Reaktionsbedin¬ gungen eingestellt werden.
Das chemische Dampfphasen Abscheideverfahren kann gemäß mindestens einem oder gemäß mindestens zweier oder gemäß aller der folgenden Prozessparameter durchgeführt werden:
- der Druck liegt im Bereich von minus 10 Prozent des Atmos¬ phärendrucks bis zu plus 10 Prozent des Atmosphärendrucks am Aufstellungsort der Anlage, insbesondere bei Atmosphären¬ druck,
- die Temperatur in einem Abschnitt des Substratbandes, auf dem das Halbleitermaterial abgeschieden wird, liegt im Be¬ reich von 500 Grad Celsius bis 1100 Grad Celsius, insbesonde¬ re im Bereich von 800 Grad Celsius bis 1050 Grad Celsius
- das Prozessgas enthält ein silanhaltiges Gas oder ein Si- lan, insbesondere Monosilan und/oder Dichlorsilan und/oder
Trichlorsilan oder Silane mit mehr als drei Siliziumatomen, vorzugsweise auch Phosphin oder Diboran oder Trimethylboran (TMB) oder ein anderes Dotiergas. Auch zyklische Silane kön¬ nen verwendet werden, z.B. Cyclohexasilan oder Cyclopentasi- lan. Der Atmosphärendruck kann auch am Ort der Anlage herrschen. Ein Druck, der kleiner als Atmosphärendruck ist, kann vorteilhaft für das Absaugen der Gase sein, insbesondere um giftige Gase aus der Luft einer Produktionshalle fern zu halten. Aber auch andere Druckbereiche können verwendet wer¬ den, Niederdruck, Hochdruck usw.
Das Verfahren kann insbesondere ohne Reinraumbedingungen bzw. ohne erhöhte Reinraumbedingungen durchgeführt werden, d.h. es können mehr als bspw. 5000 Partikel oder mehr als 10000 Partikel pro Kubikmeter Luft vorhanden sein.
Die genannten Gase oder andere Prozessgase können mit Trans¬ portgasen herangeführt werden, insbesondere mit Inertgasen, so dass eine Oxidation des Halbleitermaterials beim Abschei¬ den vermieden wird.
Vor dem Aufbringen des Halbleitermaterials kann mindestens eine Barriereschicht auf das Substratband aufgebracht werden, insbesondere mit einem chemischen Dampfphasen Abscheideverfahren, z.B. mit APCVD (Atmospheric Pressure) wobei auf den oben genannten Druckbereich verwiesen wird.
Es kann eine oder es können mehrere der folgenden Barriere- schichten aufgebracht werden:
- Siliziumoxid, SiOx,
- Siliziumnitrid, SiNx,
- Siliziumkarbid, SiCx,
- oder Mischungen aus diesen Materialien,
wobei x eine reelle Zahl ist.
Alle genannten Barriereschichten können insbesondere stöchio- metrisch oder nicht stöchiometrisch sein. Die Barriereschicht kann insbesondere Atome oder Ionen aus dem Substrat von dem Halbleitermaterial fern halten. Weitere Eigenschaften der Barriere können sein: - Verbesserung der Haftung des Halbleitermaterials am Sub¬ strat,
- Verhindern eines "Entnetzens" der Halbleitermaterial¬ schicht, was auch als "Dewetting" bezeichnet wird, insbeson- dere bei LPC (Liquid Phase Crystallization) ,
- Verbesserung der Antireflexion, usw.
Beim Aufbringen der Barriereschicht (en) kann die Temperatur des Substratbandes im Bereich von 1200 °C (Grad Celsius) bis 400 °C, im Bereich von 1200 °C bis 600 °C, im Bereich von 1100 Grad Celsius bis 900 Grad Celsius oder im Bereich von 1050 Grad Celsius bis 950 Grad Celsius liegen. Aber auch andere Temperaturen sind möglich, was sich durch Versuche ermitteln lässt.
Ein Abschnitt des Substratbandes, auf den das Halbleitermate¬ rial aufgebracht wird, kann auf einem flüssigen Metallbad schwimmen, insbesondere auf einem Zinnbad oder einem Zinnle¬ gierungsbad. Dies ist bei der Float-Glasherstellung gerade das Schwimmen bzw. Floaten. Eine Oxidation des Metallbades kann durch Inertgase verhindert werden. Über das Metallbad können auch Prozesstemperaturen für die CVD des Halbleitermaterials und/oder die CVD des Barrierematerials eingestellt werden. Aber auch Prozesse ohne Metallbad können eingesetzt werden, z.B. Walzprozesse.
Das Halbleitermaterial kann vor dem Abkühlen des Substratbandes auf die Temperatur von unter 200, 500, 600 oder unter 800 Grad Celsius oder nach dem Abkühlen mit einem elektromagneti- sehen Strahl, insbesondere einem Laserstrahl, einem Lichtstrahl (400 Nanometer bis 800 Nanometer oder bis bspw. 1200 Nanometer) , einem Wärmestrahl oder mit einem Elektronenstrahl bestrahlt und dabei aufgeschmolzen werden. Dabei kann die Größe von Kristallkörnern im Halbleitermaterial vergrößert werden, insbesondere um mehr als 10 Mal, mehr als 100 Mal oder um mehr als 1000 Mal bezogen bspw. auf einen durchschnittlichen Korndurchmesser oder eine durchschnittliche Kornlänge des Halbleitermaterials kurz vor der Rekristallisa¬ tion. Es entstehen bspw. Kornlängen von mindestens 1 Mikrometer, mindestens 10 Mikrometern, mindestens 100 Mikrometern oder sogar von mindestens mehreren hundert Mikrometern, z.B. von mindestens zweihundert Mikrometern.
Insbesondere die Kombination von hoher Temperatur bei der Substratherstellung und zusätzlicher Energieeinstrahlung mittels Strahlen kann zu guten bis sehr guten Kristallisie- rungsergebnissen des aufgebrachten Halbleitermaterials führen. Der Energieaufwand ist dabei geringer als wenn das Sub¬ strat zwischenzeitlich abkühlt.
Die Erstkristallisation und/oder die Kristallisation aus der Flüssigkeitsphase kann bei hohen Temperaturen erfolgen, weil beim Kristallisieren viel Stress entsteht und weiches Glas diesen Stress besser aufnehmen kann, d.h. es gibt ein geringeres Risiko bspw. für ein Aufreißen der Schicht. Im Zusammenhang mit LPC (Liquid Phase Crystallization) wird bspw. auf D. Amkreutz, u.a., "Electron-beam crystallized large grained Silicon solar cell on glass Substrate", Prog. Photovolt.: Res. Appl . (2011), 19: 937-945, und auf J. Dore, u.a., "Progress in Laser-Crystallized Thin-Film Polycrystal- line Silicon Solar Cells: Intermediate Layers, Light Trap- ping, and Metallization" IEEE Journal of Photovoltaics 4 (2014), 33, verwiesen.
Die Laserstrahlen haben eine besonders hohe Energiedichte, die insbesondere auch gut in das Halbleitermaterial eingekop¬ pelt werden kann, wenn die Wellenlänge des kohärenten Strahls geeignet gewählt wird.
Die Bestrahlung mit dem Strahl bzw. mit den Strahlen kann insbesondere vor einem Trennvorgang des Substratbandes bzw. des Glasbandes erfolgen. Die Temperatur des Substratbandes kann beim Bestrahlen im Bereich von 400 Grad Celsius bis 800 Grad Celsius, insbeson¬ dere im Bereich von 400 Grad Celsius bis 600 Grad Celsius oder im Bereich von 600 Grad Celsius bis 800 Grad Celsius liegen. Jedoch sind auch andere Temperaturen möglich, was durch Versuche festzustellen ist.
Es können mindestens zwei, mindestens drei oder mindestens vier Vorrichtungen zum Abscheiden des Halbleitermaterials verwendet werden. Die Gase zum Abscheiden des Halbleitermate¬ rials können in Transportrichtung des Substratbandes oder entgegen der Transportrichtung des Substratbandes über eine Gesamtstrecke im Bereich von 2 Metern bis 100 Metern, oder im Bereich von 5 Metern bis 50 Metern oder im Bereich von 10 Metern bis 20 Metern geführt werden.
Eine Obergrenze der Gesamtstrecke kann bspw. kleiner als 150 Meter oder kleiner als 100 Meter sein, insbesondere abhängig von der zu erzielenden Schichtdicke des Halbleitermaterials.
Die Anzahl der Vorrichtungen zum Abscheiden wird bspw. auch dadurch bestimmt, über welche Strecke eine einzelne Vorrich¬ tung einen Gasfluss gewährleistet, der geeignete Abscheidebe¬ dingungen gewährleistet, bspw. hinsichtlich Abscheidrate und Abscheidequalität. Eine zu starke Verdünnung bzw. erst recht ein Aufbrauchen der Prozessgase in einem Trägergas sind zu vermeiden .
Die Gase zum Abscheiden des Halbleitermaterials können in Transportrichtung des Substratbandes und/oder entgegen der
Transportrichtung des Substratbandes über eine Gesamtstrecke im Bereich von 2 Metern bis 100 Metern oder im Bereich von 5 bis 50 Meter oder im Bereich von 10 bis 20 Metern geführt werden .
Ein Halbleitermodul, insbesondere ein Solarmodul, kann mit einem oben erläuterten Verfahren hergestellt worden sein. Das Halbleitermodul kann größer als ein halber Quadratmeter, größer als ein Quadratmeter oder größer als vier Quadratmeter sein. Das Halbleitermodul kann insbesondere ein Halbfabrikat für ein Solarmodul oder ein Solarmodul sein.
Eine Substratherstellungsanlage, z.B. Floatglasanlage, Walz¬ glasanlage oder "fusion-drawn" Glasanlage, die insbesondere zum Durchführen eines oben genannten Verfahrens verwendet wird, kann enthalten:
- eine Schmelzvorrichtung,
- eine Formvorrichtung, insbesondere eine Urformvorrichtung, und
- mindestens eine Vorrichtung zum Abscheiden von Halbleitermaterial in einer Schichtdicke von mehr als 100 Nanometern oder mehr als einem Mikrometer oder mehr als 5 Mikrometern.
Die Reihefolge, in der Substratmaterial transportiert wird, ist :
- aus der Schmelzvorrichtung, z.B. ein Schmelzofen,
- zu der Formvorrichtung, z.B. ein Metallbad, d.h. Urformen durch Schwerkraft, oder eine Walzvorrichtung,
- und danach zu der Vorrichtung oder zu den Vorrichtungen zum Abscheiden von Halbleitermaterial. Die Substratherstellungsanlage kann mindestens zwei, mindes¬ tens drei oder mindestens vier Vorrichtungen zum Abscheiden von Halbleitermaterial enthalten, insbesondere CVD bzw.
APCVD-Vorrichtungen . Gase zum Abscheiden des Halbleitermaterials können in Transportrichtung eines Substratbandes oder entgegen der Transportrichtung des Substratbandes über eine Gesamtstrecke im Bereich von 2 Metern bis 100 Metern oder im Bereich von 5 Metern bis 50 Metern oder im Bereich von 10 Metern bis 20 Metern geführt werden, bspw. bestehend aus mehreren Teilstrecken, wobei zueinander benachbarte Teilstre- cken voneinander beabstandet sein können, bspw. um mindestens 10 Zentimeter oder um mindestens 50 Zentimeter. Es kann in der Substratherstellungsanlage auch eine Vorrich¬ tung zum Abscheiden einer Barriereschicht vorhanden sein, vorzugsweise bezogen auf den Materialfluss angeordnet zwi¬ schen der Urformvorrichtung und der Vorrichtung zum Abschei- den von Halbleitermaterial.
Die Barriere kann insbesondere das Eindringen von Atomen bzw. Ionen aus dem Substrat bzw. aus dem Substratmaterial in das Halbleitermaterial verhindern. Bezüglich der Materialien für die Barriereschicht wird auf die oben stehenden Ausführungen verwiesen .
Die Substratherstellungsanlage kann auch eine Bestrahlvor¬ richtung enthalten, insbesondere eine Bestrahlvorrichtung, die eine Energiedichte oder ein Energiefluss Strahlungsinten¬ sität im Bereich von 30 bis 300 Joule pro QuadratZentimeter in dem Halbleitermaterial hat, vorzugsweise eine Laserbe¬ strahlvorrichtung. Mit der Bestrahlvorrichtung kann die Kristallisierung des Halbleitermaterials beeinflusst werden. Die Energiedichte (energy density) oder der Energiefluss (fluen- ce) kann bspw. aus den folgenden Größen ermittelt werden: Strahlungsintensität I, Strahlbreite d, relative Geschwindig¬ keit v. Die Relativgeschwindigkeit ist Bezogen auf die Geschwindig¬ keit zwischen dem Strahlauftreffbereich und dem Halbleitermaterial. Typischerweise wird das Halbleitermaterial bewegt und der Strahlauftreffbereich ruht bspw. relativ zur Floatline. Jedoch kann der Strahlauftreffbereich ebenfalls relativ zur Floatline bewegt werden.
Insbesondere kann die Energiedichte oder der Energiefluss wie folgt berechnet werden: Strahlungsintensität I mal Strahl¬ breite d durch relative Geschwindigkeit v zwischen Strahl und Halbleitermaterial bzw. Substrat. Bei der Strahlbreite d kann bspw. auf FWHM (Füll Width Half Maximum) oder ein anderes geeignetes Maß Bezug genommen werden. Die Substratherstellungsanlage kann auch eine Trennanlage enthalten, wobei ein Abschnitt eines Substratbandes oder des Substratbandes erst an den anderen Vorrichtungen, d.h.
Schmelzvorrichtung, Formvorrichtung, Vorrichtung zum Abscheiden von Halbleitermaterial, bzw. ggf. auch weiterer Vorrich¬ tungen, und erst dann an der Trennanlage vorbei transportiert wird. Die Trennanlage kann Module erzeugen, die größer als ein halber Quadratmeter, größer als ein Quadratmeter oder größer als vier Quadratmeter sind, insbesondere Halbfabrikate für Solarmodule oder Solarmodule.
Das Trennen kann für Glas durch Ritzen und Brechen, durch Trennschleifen oder auf andere Art und Weise erfolgen. Auch Laserstrahlschneiden kann verwendet werden.
Mit anderen Worten ausgedrückt wird eine Herstellung von Modulen mit bspw. Silizium, das über eineFlüssigkeitsphase kristallisiert worden ist, (z.B. durch einen optionalen La- serstrahl) angegeben, insbesondere von Solarmodulen. Das
Silizium ist insbesondere kristallines Silizium mit Kristal- liten, die insbesondere beim Verwenden von LPC (Liquid Phase Crystallization) , z.B. mittels Laserstrahlen, mindestens in einer Richtung eine Ausdehnung im Bereich von 1 Mikrometer bis 10 Mikrometer bzw. sogar größer als 10 Mikrometer oder größer als 30 Mikrometer oder größer als 100 Mikrometer haben können. Wird eine Flüssigkeitsphase zum Kristallisieren nach der Abscheidung verwendet, so wird das Silizium auch als LPcSi bezeichnet (Liquid Phase crystallized Silicon) und der zugehörige Prozess als LPC.
Die vorgestellte Technologie lässt sich auf ein Endlosband aus Glas oder einem anderen Material anwenden, und damit auch auf Solarmodule größer als einen halben Quadratmeter, größer als ein Quadratmeter oder größer als vier Quadratmeter. Somit kann eine Jahresproduktion von Solarmodulen im Bereich von einem Megawatt bis einem Gigawatt oder größer mit einer einzigen Anlage erreicht werden.
Die angegebene Lösung ist preiswert, weil die bei der Glas- herstellung eingesetzte Wärmeenergie auch zum Abscheiden und zum Vorheizen beim Erstkristallisieren (SPC - Solid Phase Crystallization) des Halbleitermaterials genutzt werden kann.
Floatlinien und bspw. APCVD (Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition) Vorrichtungen für Floatlinien gibt es zu kaufen. Es gibt in der Floatlinie verschiedene Positionen an denen APCVD oder andere Abscheideverfahren verwendet werden können, so dass voneinander verschiedene Prozesstemperaturen eingestellt werden können.
Wird bspw. ein elektrisch leitendes Oxid (TCO - Transparent Conductive Oxide) abgeschieden, so kann dies meist bei 500 Grad Celsius bis 700 Grad Celsius erfolgen, z.B. fluordotier¬ tes Zinnoxid (FTO - Florine doped Tin Oxide) , das üblicher- weise für transparente Vorderseitenkontakte für Dünnschicht¬ solarzellen verwendet wird, oder das als Beschichtungen für Fenster mit kleiner Wärmeemission verwendet wird. Andere bekannte Beschichtungen betreffen:
- SiON (Silicon Oxy Nitride) Barrieren, z.B. zwischen Glas und TCO,
- Antireflexionsschichten, oder
- sich selbst reinigende Schichten, z.B. Ti02 (Titandioxid).
Es wurden in dem europäischen Rahmenprojekt PolySiMode schon Siliziumschichten, die für nachfolgende Kristallisation aus der Flüssigphase durch Elektronenstrahl vorgesehen waren, mit APCVD abgeschieden und mit Schichten verglichen, die mit einem Elektronenstrahl abgeschieden wurden. Dabei gab es die folgenden Ergebnisse:
- gleiche LeerlaufSpannungen (VOC, V open circuit) von Solarzellen konnten erreicht werden. Bezüglich der Temperaturen und der Abscheideraten des Siliziums wird bspw. verwiesen auf:
- T. Rachow, u.a. "Direct deposition of uc-Si films with APCVD on borosilicate glass", 26th European PV Solar energy Conference and Exhibition, 5 bis 9. September 2011, Hamburg, Deutschland, und
- T. Rachow, u.a., "uC-Si solar cells by direct deposition with APCVD", 27th European PV Solar energy Conference and Exhibition, 24. bis 28. September 2012, Frankfurt, Deutsch- land:
- die Abscheidetemperaturen auf Glas lagen im Bereich von nur 850 Grad Celsius, wobei das Glas einen hohen Temperaturwider¬ stand hatte, z.B. Bor-Silikat-Glas,
- die Abscheideraten lagen im Bereich von 0,3 Mikrometer pro Minute bis zu 1,6 Mikrometer pro Minute.
Bei der hier vorgestellten Lösung sollte die APCVD Abschei- dung bzw. eine andere Abscheidung von Silizium oder einem anderen Halbleitermaterial bei vergleichsweise hohen Tempera- turen stattfinden, bspw. bei ca. 1100 Grad Celsius, was mög¬ lich ist und preiswert, wenn bspw. eine Floatlinie verwendet wird. Andererseits wäre ein solches Vorgehen teuer und unmög¬ lich auf den meisten Gläsern ohne dass das Verfahren bspw. an einer Floatlinie oder einer anderen Glasherstellungslinie durchgeführt wird.
Die Eigenschaften des Glases bzw. Substrates können sehr bedeutend für den Halbleiterherstellungsprozess sein, z.B. für den LPcSi Prozess. Hat ein Halbleiterhersteller seine eigene Floatlinie bzw. seine eigene Glasherstellungslinie, so ist es möglich, die Glaseigenschaften kontinuierlich zu überwachen und die Glaseigenschaften zu verbessern. Aber auch ein Glashersteller kann so zum Halbleiterhersteller werden. Eine kleinere Floatlinie kann eine Produktion bzw. einen
Ausstoß von bspw. 60 metrischen Tonnen pro Tag (MTPD) haben. Dies würde grob zur Herstellung von 1400 Solarpanelen pro Tag führen, wobei die Solarpanele bspw. eine Dicke von 3,2 Milli¬ metern haben. Alternativ könnte auch dünneres Glas verwendet werden. Die Solarpanele hätten bspw. eine Fläche von größer als vier Quadratmetern, größer als fünf Quadratmeter oder sogar größer als 10 Quadratmetern. Würde man einen Wirkungsgrad von 15 Prozent voraussetzen, so ergäbe sich bei einer hundertprozentigen Ausbeute und Nutzungszeit eine Kapazität von etwa 437 MW (Megawatt) pro Jahr gemäß "name plate capaci- ty", was eine normale Kapazität einer großen Solarfabrik ist.
Bei bspw. etwa 1100 Grad Celsius oder bei 1100 Grad Celsius kann es außerdem möglich sein, insbesondere auf einem Glassubstrat, sehr gute Barriereschichten oder Barriereschicht¬ stapel zu erzeugen, z.B.:
- Siliziumoxid, SiOx,
- Siliziumnitrid, SiNx,
- Siliziumkarbid, SiCx,
- oder Mischungen aus diesen Materialien,
wobei x eine reelle Zahl ist.
Bei bspw. etwa 600 Grad Celsius oder größerer Temperatur kann optional auch noch eine Laserkristallisation oder eine Elekt- ronenstrahlkristallisation oder eine thermische Kristallisation der Halbleitermaterialsschicht durchgeführt werden.
Anschließend kann ein Trennen des Glasbandes in Panele bzw. Module erfolgen. Die Panele können dann von der Linie genommen werden und auf separaten Linien prozessiert werden, was besser sein kann mit Hinsicht für die "uptime". Grundsätzlich soll eine Floatline kontinuierlich durchlaufen. Das ist aber für die meisten Anlagen nicht möglich bzw. realistisch. Deshalb soll jeder Prozess, der nicht die höhere Temperatur braucht, nicht auf der Floatlinie stattfinden, sondern auf einer anderen Linie mit bspw. Modulpuffereinrichtungen. Wenn eine der Anlagen dann kurzzeitig ausfällt, können die anderen Anlagen weiter produzieren wegen der Modulpuffereinrichtungen . Wenn die Beschichtung, z.B. APCVD, und/oder optionale Laserwerkzeuge an der Glasherstellungslinie ausfallen, z.B. ge¬ plant oder ungeplant, kann die Herstellung von Glas weiter erfolgen, das bspw. als Rückseitenglas verwendet werden kann.
Das Verfahren kann auch für andere Halbleiter als Silizium eingesetzt werden, z.B. für Chalcopyrite (z.B. CIGS Kupfer Indium Gallium Diselenid) , Kesterite (d.h. CZTS Kupfer Zink Zinn Sulfid), III/V Halbleiter (GaAs (Galliumarsenid) , InGaAs (Indium Gallium Arsenid) , usw.), andere Verbindungshalblei¬ ter, Germanium, Cadmiumtellurid (CdTe) .
Das Halbleitermodul kann eines der folgenden Module sein: - ein Solarmodul, insbesondere ein Dünnschichtmodul, wobei das Halbleitermaterial insgesamt dünner als 50 Mikrometer oder sogar dünner als 10 Mikrometer ist.
- Tandemsolarzellen oder Tripelsolarzellen bzw. andere Stapel mit mehr als drei Dünnschichtsolarzellen,
- ein Flachbildschirm, insbesondere TFT (Thin Film Transistor) .
Glas ist ein Werkstoff, der über einen großen Temperaturbe¬ reich von bspw. mehr als 100 Grad Celsius zähflüssig ist, was auf Verbindungsnetzwerke seiner Bestandteile zurückzuführen ist. Üblicherweise ist Glas deshalb nicht kristallisiert, d.h. es gibt in den Netzwerken vorwiegend nur räumliche Nahordnungen seiner Bestandteile aber keine Fernordnungen. Borsilikatgläser werden bspw. aus Siliziumoxid, B203 (Boro¬ xid) und Na20 (Natriumoxid) und ggf. weiteren Zusätzen herge¬ stellt. Der Siliziumoxidgehalt (z.B. Si02) kann unter 75 Masseprozent oder sogar unter 65 Masseprozent liegen. Der thermische Ausdehnungskoeffizient der Borsilikatgläser liegt bspw. im Bereich von 3 10A-6 pro Grad Kelvin bis 5 10A-6 pro Grad Kelvin, insbesondere bei etwa 3,3 10A-6 pro Grad Kelvin. Damit kann der gleiche thermische Ausdehnungskoeffizient vorliegen wie für Silizium, Siliziumnitrid u.a. Materialien, d.h. ca. 3 10A-6 pro Grad Kelvin. So lassen sich mechanische Spannungen bei den Temperaturprozessen verringern. Alkali-Erdalkali-Silikatgläser (soda lime) können ebenfalls verwendet werden. Der thermische Ausdehnungskoeffizient die¬ ser Gläser liegt bspw. bei 9 10A-6 pro Grad Kelvin. Das güns¬ tigere Alkalioxid ist Na20. Aber auch andere Alkalioxide können eingesetzt werden. Das günstigere Erdalkalioxid ist CaO. Aber auch MgO und BaO oder andere Erdalkalioxide können eingesetzt werden. Der Zusatz von A1203 kann die chemische Beständigkeit erhöhen.
Der Siliziumoxidgehalt bei der Herstellung von Alkali- Erdalkali-Silikatgläsern kann im Bereich von 70 Masseprozent bis 75 Masseprozent liegen. Der Alkalioxidgehalt liegt meist im Bereich von 15 Masseprozent bis 20 Masseprozent bezogen auf die Gesamtmasse für die Glasherstellung. Bspw. gilt für eine kleine Glasfertigungslinie, dass BSG (Borsilikatglas) in einer Menge im Bereich von 20 bis 50 Tonnen pro Tag produziert werden kann. Die Schichtdicke des Glases kann dabei bspw. im Bereich von 0,7 Millimetern bis 21 Millimetern liegen. Für die folgende Abschätzung wird ange- nommen, dass die Schichtdicke des Glases 3 Millimeter beträgt und dass der Durchsatz bei 40 Tonnen Glas pro Tag liegt.
Die Breite des Floatglases soll für das folgende Rechenbei¬ spiel bspw. 2 Meter betragen. Andere Breiten sind ebenfalls möglich, insbesondere größere Breiten, bspw. 3,21 Meter bei Soda-Lime-Glas (SLG) oder einem anderen Glas.
Bei 40 Tonnen pro Tag ergeben sich im 24 Stundenbetrieb 28 Kilogramm Glas in der Minute. Wird eine Dichte des Glases von 2,2 Gramm pro Kubikzentimeter vorausgesetzt, so ergibt sich die folgende Masse pro Meter Glas:
2200 kg/m3 * 3 mm * 2 m = 13,2 Kg/m Der Durchsatz liegt gemäß:
28 kg/min / 13.2 Kg/m
also grob bei 2 Metern pro Minute. Dieser Durchsatz kann in einem gewissen Bereich optimiert bzw. angepasst werden, um bestimmten Anforderungen zu genügen.
Bei einer Abscheiderate, insbesondere für APCVD, von 1 bis 2 Mikrometern pro Minute, würde dies etwa 10 bis 20 Meter Gas auf dem Glasband erfordern, um 10 Mikrometer Halbleitermate¬ rial abzuscheiden, z.B. Silizium. Auch Dotierstoffe können bereits dabei zugesetzt werden. Beispielsweise kann etwa ein Meter für die Abscheidung der Barriere eingeplant werden. APCVD Strecken in bestehenden Linien oder Linienentwürfen könnten bereits ähnliche Längen haben.
Es können die folgenden Temperaturbereiche für die verschie¬ denen Abscheidungen und für eine ggf. optionale Kristallisa- tion gelten:
a) Barriere, z.B. 1100 Grad Celsius bis 900 Grad Celsius:
- Der untere Endwert kann durch den unteren Endwert der nachfolgenden Absorberabscheidung bzw. Halbleiterabscheidung begrenzt sein.
- Bspw. wurde eine Siliziumoxid, insb. Si02, Abscheidung mit APCVD für poly-Silizium TFT ' s (Thin Film Transistor) bei geringen Temperaturen von 400 Grad Celsius bzw. von etwa 400 Grad Celsius durchgeführt, siehe Kim, Junsik, u.a., "Si02 Films deposited at low temperature by using APCVD with
TEOS/03 for TFT applications " , Journal of the Korean Physical Society, Vol 49, No . 3, Sept. 2006, Seite 1121 bis 1125.
b) Halbleiterabsorber bzw. anderes Halbleitermaterial, z.B. 1050 Grad Celsius bis 800 Grad Celsius:
- Auch eine Abscheidung bei Temperaturen bis hinunter zu 600 Grad Celsius kann möglich sein, wobei jedoch geringere Ab¬ scheideraten zu erwarten sind. - Es wird hingewiesen auf Rachow, T., u.a., "Direct deposi- tion of uc-Si films with APCVD on borosilicate glass", 26th European PV Solar Energy Conference and Exhibition, 5. bis 9. Sept. 2011, Hamburg, Deutschland, und Rachow, T., u.a., " uc- Si solar cells by direct deposition with APCVD", wo jedoch die Abscheidung im Labor auf sehr kleinen BSG (BorSili- katGlas) Substraten erfolgt.
c) Laserkristallisierung, Elektronenstrahlkristallisierung oder eine andere Art der Kristallisierung, z.B. 700 Grad Celsius bis Raumtemperatur (z.B. 21 Grad Celsius) :
- Es können Temperaturen oberhalb der Übergangstemperatur (transition temperature) des Glases erforderlich sein, um bspw. Sprünge des Glases zu vermeiden.
- Die Laseroptik kann durch zusätzliche Maßnahmen vor der Hitze des Glasbandes geschützt werden.
- Die durch einen Strahl bewirkte Kristallisierung kann auch bei höheren Temperaturen als 700 Grad Celsius erfolgen.
Somit wird u.a. das Problem gelöst, eine wirtschaftliche Abscheidung eines Halbleiter Precursorgases auf Glas zu er¬ zielen, wobei insbesondere eine spätere Kristallisation des Halbleiters erfolgen kann. Die Abscheidung ist insbesondere schnell und preiswert. Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff "kann" verwen- det wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglich¬ keit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung. So¬ fern in dieser Anmeldung der Begriff "etwa" verwendet wird, bedeutet dies, dass auch der exakte Wert offenbart ist. Die Figuren sind nicht maßstabsgerecht gezeichnet, insbeson¬ dere können die Aspektverhältnisse der Elemente anders oder wie angegeben gewählt werden. Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen: Figur 1 eine Floatglasanlage,
Figur 2 einen Floatabschnitt der Floatglasanlage,
Figur 3 eine Vergrößerung des Floatabschnitts,
Figur 4 Verfahrensschritte bei der Herstellung von Float¬ glas, das mit Halbleitermaterial beschichtet ist, und Figur 5 eine Walzglaslinie für Solarmodule.
Die Figur 1 zeigt eine Floatglasanlage 10, die bspw. eine Länge von mehreren hundert Metern haben kann oder eine Länge größer als 50 Meter oder größer als 100 Meter. Die Floatglasanlage 10 kann in der folgenden Reihenfolge entlang eines Transportweges für Substratmaterial (Glas) IIa bzw. später für ein daraus geformtes Glasband 11 enthalten:
- einen Schmelzofen 12,
- einen Metallbadabschnitt 14, der auch als Floatabschnitt bezeichnet werden kann,
- einen Kühlkanal 16,
- einen optionalen kalten Abschnitt 18, sowie
- eine automatische Schneid- und/oder Brechanlage 20.
Weitere Einheiten können in der Floatglasanlage 10 enthalten sein, z.B. eine Prozessteuerzentrale .
Der Schmelzofen 12 kann folgendes enthalten:
- mindestens einen Brenner 30 bzw. eine Vielzahl von Bren- nern, bspw. Gas- oder Ölbrenner. Alternativ lassen sich E- lektroden für die Beheizung des Ofens mit Strom verwenden,
- eine Schmelzwanne 32, in der sorgfältig zubereitete Aus¬ gangsmaterialien eines Glases aufgeschmolzen werden, bspw. bei einer Temperatur Tl, von bspw. etwa 1500 Grad Celsius, und - eine Arbeitswanne 34 in der sich eine homogene Glasschmelze befindet, die auch zu einem Auslass des Schmelzofens 12 ge¬ langt . Die Schmelzwanne 32 und die Arbeitswanne 34 können auch stär¬ ker getrennt voneinander ausgeführt werden.
Eine sogenannte Rieselstrecke kann zwischen dem Auslass des Schmelzofens 12 und dem Metallbadabschnitt 14 angeordnet sein. Eine Temperatur T2 am Ausgang des Schmelzofens 12 beträgt bspw. ca. 1100 Grad Celsius.
Auf dem Metallbad des Abschnitts 14 kann sich die Glasschmel¬ ze bzw. Substratmaterial (Glas) IIa unter dem Einfluss der Schwerkraft zu einem Glasband 11 ausbreiten. Bearbeitungsorte Bl bis B3a sind an dem Metallbad in dieser Reihenfolge ange¬ ordnet, um mindestens eine optionale Barriereschicht und/oder mindestens eine Halbleiterschicht auf das Glasband 11 aufzu¬ bringen, was unten noch näher erläutert wird. An dem Bearbei- tungsort B3a kann eine Laserbestrahlung oder eine Bestrahlung mit einem anderen Strahl durchgeführt werden, um die Kristallisierung (LPC) des Halbleitermaterials der Halbleiterschicht zu unterstützen. In der Figur 1 sind eine erste Zinnbadwanne 40, eine mittlere Zinnbadwannen 42 und eine letzte Zinnbadwanne 44 gezeigt. Die Zinnbadwannen 40 bis 44 können auf voneinander verschiedenen Temperaturen gehalten werden, um eine geeignete Abkühlung des Glasbandes 11 zu gewährleisten. Zinn hat eine Schmelztempera- tur von etwa 230 Grad Celsius. Die Temperatur des Zinnbades kann bspw. im Bereich von 600 Grad Celsius bis 1000 Grad Celsius liegen.
Über Inertgaseinlässe 46 bis 48 kann Inertgas in den Metall- badabschnitt 14 eingeleitet werden, um eine Oxidation des
Zinns durch den Luftsauerstoff zu vermeiden. Der Abschnitt 14 ist wie auch der Schmelzofen 12 möglichst allseitig umbaut und mit einer Wärmedämmung versehen.
Innerhalb des Abschnitts 14 kann es aber auch mindestens ein Kühlaggregat geben. Optional können seitliche Rollen im Ab¬ schnitt 14 vorhanden sein, die eine Querkontraktion des Glasbandes in Grenzen halten. Das Aufbringen der Schichten erfolgt vorzugsweise nach Abschluss der Querkontraktion. Das aus dem Metallbad 14 austretende Glasband 11 gelangt in den Kühlkanal 16 mit einer Temperatur T3 von bspw. 600 Grad Celsius. In dem Kühlkanal 16 wird das Glasband 11 durch
Transportrollen 50 bewegt, die das Glasband 11 auch über das Metallbad 14 ziehen. Im Kühlkanal 16 kühlt das Glasband 11 weiter ab, bspw. unter Verwendung einer Luftkühlung und/oder von Gebläsen. Im Kühlkanal kann an einem Bearbeitungsort B3b eine Kristallisierung mit einem Strahl erfolgen, insbesondere alternativ zu der Bestrahlung am Bearbeitungsort B3. Der Kühlkanal kann umbaut oder auch teilweise offen sein.
In dem optionalen kalten Abschnitt 18 können bspw. an einem Bearbeitungsort B4 Qualitätskontrollen durchgeführt werden, wobei bspw. Verfahren der Bilderkennung und Bildbearbeitung verwendet werden, insbesondere unter Einsatz von Prüflasern. Der kalte Abschnitt 18 kann nach oben und zur Seite hin offen sein. Das Glasband 11 wird im Abschnitt 18 bspw. durch Trans¬ portrollen 60 transportiert. Im Abschnitt 18 könnte ebenfalls an einem Bearbeitungsort B3c eine Kristallisierung (LPC) der Halbleitermaterialschicht mittels Bestrahlung durchgeführt werden, insbesondere alternativ zu der Bestrahlung am Bearbeitungsort B3a bzw. B3b. Aber auch Verfahren ohne zusätzliche Kristallisierung der Halbleitermaterialschicht mit Hilfe eines Strahls können verwendet werden. In der sich an den optionalen Abschnitt 18 anschließenden automatischen Schneid- und/oder Brechanlage 20 werden Panele bzw. Module vom Glasband 11 abgetrennt, siehe Trennstelle 80 sowie Halbfabrikat-Solarmodule 82, 84.
Eine Bestrahlung zum Kristallisieren (LPC) des Halbleiterma- terials kann auch nach dem Trennen an der Trennstelle 80 durchgeführt werden, insbesondere in der selben Produktions¬ stätte oder in einer anderen Produktionsstätte.
Die Halbfabrikat-Solarmodule 82, 84 können in derselben Pro- duktionsstätte oder in einer anderen Produktionsstätte fertig prozessiert werden.
Die Figur 2 zeigt den Floatabschnitt 14 der Floatglasanlage 10. An der Bearbeitungsposition Bl kann mit Hilfe eines Bar- riereprecursorgases 100 eine Barriereschicht 252 auf das Glasband 11 aufgebracht werden. Es kann eines der in der Einleitung genannten Materialien für die Barriereschicht 252 verwendet werden. Alternativ werden mehrere Barriereschichten zu einem Barriereschichtstapel abgeschieden, der bspw. eine Gesamtschichtdicke kleiner als 500 Nanometer oder kleiner als 1 Mikrometer haben kann.
Im Ausführungsbeispiel ist das Barriereprecursorgas als lami¬ nare Strömung in Richtung des Transports des Glasbandes 11 gerichtet. Alternativ können andere CVD Verfahren verwendet werden, z.B. mit turbulenter Strömung zum Mischen von Gaskomponenten, die nicht gemeinsam herangeführt werden können bzw. duale Flüsse, siehe Einleitung. Zum Aufbringen bzw. Abscheiden der Barriereschicht kann ein CVD Verfahren bei Atmosphä- rendruck (APCVD) oder etwas darunter verwendet werden
(SAPCVD) , d.h. mit einem Druck, der bspw. maximal bis zu 10 Prozent unter dem Luftdruck am Aufstellungsort der Floatglas¬ anlage 10 liegt. An dem Bearbeitungsort B2 wird im Ausführungsbeispiel nach dem Aufbringen der Barriereschicht (en) 252 mindestens eine Halbleiterschicht 254 aufgebracht. Geeignete Prozessbedingun- gen wie Temperatur, Reaktionsgase, Transportgase, Gasflüsse können durch Versuch ermittelt werden.
Das Halbleiterprecursorgas kann bspw. ebenfalls laminar in Transportrichtung des Glasbandes 11 eingeleitet werden, siehe Gasfluss 102. Eine zugehörige Gasabsauganlage ist in der Figur 2 aus Gründen der besseren Übersicht nicht dargestellt.
Alternativ oder zusätzlich kann auch eine laminare Gasströ- mung 104 des Halbleiterprecursorgas verwendet werden, die entgegen der Transportrichtung des Glasbandes 11 gerichtet ist. Auch Verfahren mit turbulenter Gasströmung lassen sich zum Aufbringen bzw. Abscheiden des Halbleitermaterials 254 verwenden. Insbesondere kann eine CVD bei Atmosphärendruck (APCVD) oder etwas darunter (SAPCVD) verwendet werden, d.h. bspw. maximal 10 Prozent unter Atmosphärendruck am Aufstellungsort der Anlage 10.
Eine Strecke S2, an der Halbleiterprecursorgas 102 bzw. 104 in und/oder entgegen der Transportrichtung des Glasbandes 11 strömt, ist bspw. länger als 10 Meter oder länger als 15 Meter. Dies kann auch durch das hintereinander Anordnen von mehreren CVD Anlagen erreicht werden, bspw. von mindestens 2, 3, 4 oder mehr als 4 CVD Anlagen.
Bei anderen Ausführungsbeispielen werden CVD Verfahren mit anderen Gasdrücken verwendet. Alternativ lassen sich auch andere Abscheideverfahren verwenden. An dem Bearbeitungsort B3a kann ein Laserstrahl 110 auf das Glasband 11 auftreffen, um eine Rekristallisierung aus der Flüssigkeitsphase durchzuführen. Es können auch mehrere La¬ serstrahlen oder mehrere andere Strahlen verwendet werden. Die Figur 3 zeigt eine Vergrößerung des Floatabschnitts 14 der Anlage 10. Eine Zinnoberfläche 205 trägt das Glasband 11. Eine APCVD Anlage 222 ist an einem Montagegestell 230 auf geeignete Art befestigt. An der APCVD Anlage 222 wird auf die Barriereschicht (en) 252 eine Halbleitermaterialschicht 254 aufgebracht, wobei die Gasflüsse 102 und/oder 104, siehe Figur 2, im Innern der CVD Anlage 222 auftreten.
Eine Ummantelung des Abschnitts 14 ist in der Figur 3 der besseren Übersicht wegen nicht dargestellt.
Eine Transportrichtung 262 zeigt die Bewegungsrichtung des Glasbandes 11 an.
Die genannten Gasflüsse 100 bis 104 können separat erwärmt oder gekühlt werden. Die CVD Anlagen zum Erzeugen der Gasflüsse 100 bis 104 sind bei Spezialherstellern erhältlich und werden deshalb nicht näher erläutert. Insbesondere gibt es CVD Anlagen, die seitlich in den Abschnitt 14 eingeführt werden können und deren Position entlang des Transportweges des Glasbandes 11 frei gewählt werden kann. Die Figur 4 zeigt Verfahrensschritte 300 bis 310 bei der
Herstellung von Floatglas 11, das mit Halbleitermaterial 254, 454 beschichtet ist. Das Verfahren beginnt in einem Verfahrensschritt 300. Die Verfahrensschritte werden im Folgenden kurz als Schritt bezeichnet. Das Verfahren wird anhand der Figur 4 mit Bezug auf einen Abschnitt des Glasbandes 11 er¬ läutert, der nacheinander an den verschiedenen Bearbeitungsstationen der Floatglasanlage 10 vorbei transportiert wird.
Im Schritt 300 werden bspw. die Rohstoffe vorbereitet, insbe- sondere Zerkleinern, Wägen, Mischen usw. In einem dem Schritt 300 folgenden Schritt 302 erfolgt die Glasherstellung im Schmelzofen 12.
In einem dem Schritt 302 folgenden Schritt 303 erfolgt das Urformen des Glasbandes 11, bspw. auf dem Metallbad 14 oder mittels einer Walze 416, siehe Figur 5, oder auf andere Art und Weise. In einem dem Schritt 303 folgenden optionalen Schritt 304 kann die Barriereschicht bzw. können die Barriereschichten aufgebracht werden, was oben eingehend erläutert worden ist.
Die Schritte 300 bis 303 sind vorbereitende Schritte und betreffen noch nicht die Erfindung.
In einem dem Schritt 303 bzw. dem Schritt 304 folgenden
Schritt 306 erfolgt das Aufbringen des Halbleitermaterials
254, 454, insbesondere mit CVD bzw. APCVD in der Floatglasanlage 10, wobei das Aufbringen des Halbleitermaterials 254, 454 ein Merkmal der Erfindung ist. In einem dem Schritt 306 folgenden optionalen Schritt 308 kann noch in der Floatglasanlage 10 das Rekristallisieren der Halbleiterschicht 254, 454 mit Hilfe eines Strahls erfolgen.
In einem dem Schritt 306 bzw. dem Schritt 308 folgenden
Schritt 309 werden vom Glasband 11 einzelne Module bzw. Pane- le abgetrennt, gestapelt und zur weiteren Bearbeitung oder zu einem Warenausgang transportiert.
In einem Schritt 310 wird das Verfahren für den betrachteten Abschnitt des Glasbandes 11 dann beendet, wobei ein Halbfab¬ rikat eines Solarmodul oder eines anderen Halbleitermoduls erzeugt worden ist. Alternativ werden weitere Prozessschritte ebenfalls auf der Floatglasanlage 10 vor dem Trennen durchge¬ führt .
Es kann zwischen den dargestellten Schritten 300 bis 310 auch weitere Schritte geben, bspw. Qualitätskontrollschritte und/oder Einprägen einer Textur usw. Die Figur 5 zeigt eine Walzglaslinie bzw. Walzstraße 400 für Solarmodule . Ein Schmelzofen enthält einen Auslaufstein 402 und ein Ofengewölbe 404. Eine optionale Blende 406 reguliert die ausflie¬ ßende Menge eines noch ungewalzten Glasbandes 408. Das ungewalzte Glasband 408 bildet eine Wulst 410 an einer Oberwalze 416, zu der es über einen Maschinenstein 412 gezogen wird.
Eine Unterwalze 414 und die Oberwalze 416 bilden einen Spalt, der die Dicke des Glases verringert.
Danach gelangt das gewalzte Glasband 430 auf Transportwalzen 420 bis 428, die es an Bearbeitungsorten Blb, B2b vorbei¬ transportieren. Der Bearbeitungsort Blb entspricht dem Bear- beitungsort Bl, d.h. Aufbringen einer optionalen Barriereschicht 452 bzw. mehrerer Barriereschichten. Der Bearbeitungsort B2b entspricht dem Bearbeitungsort B2, d.h. Aufbringen einer Halbleitermaterialschicht 454 bzw. mehrerer Halbleitermaterialschichten. Es können den Bearbeitungsorten B3
(Strahlkristallisation), B4 (Kontrolle), B5 (Trennen) entsprechende Bearbeitungsorte in der Walzstraße 400 folgen.
Eine Transportrichtung 462 des Glasbandes 430 ist in der Figur 5 ebenfalls dargestellt und verläuft im Ausführungsbei- spiel von links nach rechts.
An Stelle eines einstufigen Walzprozesses kann auch ein mehrstufiger Walzprozess verwendet werden. Zur Herstellung des Glases können auch andere Verfahren verwendet werden, z.B. Fourcault Verfahren, Pittsburg Verfahren, Ziehen des Glases nach unten, usw. In allen Fällen kann Halbleitermaterial auf das noch heiße Glasband aufgebracht wer¬ den .
Die gleichen Verfahren sind auch für andere Substratmateria¬ lien an Stelle von Glas möglich. Die Ausführungsbeispiele sind nicht maßstabsgetreu und nicht beschränkend. Abwandlungen im Rahmen des fachmännischen Handelns sind möglich. Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und be¬ schrieben worden ist, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den
Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Die in der Einlei- tung genannten Weiterbildungen und Ausgestaltungen können untereinander kombiniert werden. Die in der Figurenbeschrei¬ bung genannten Ausführungsbeispiele können ebenfalls unter¬ einander kombiniert werden. Weiterhin können die in der Einleitung genannten Weiterbildungen und Ausgestaltungen mit den in der Figurenbeschreibung genannten Ausführungsbeispielen kombiniert werden.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Aufbringen von Halbleitermaterial (254, 454) auf ein Substratband (11, 430), enthaltend
Schmelzen (302) eines Substratmaterials (IIa, 408),
Formen (303) des Substratmaterials (IIa, 408) zu einem Sub¬ stratband (11, 430),
Aufbringen (306) eines Halbleitermaterials (254, 454) auf das Substratband (11, 430) vor dem Abkühlen des Substratbandes (11, 430) auf eine Temperatur unter 200 Grad Celsius oder unter 500 Grad Celsius oder unter 600 Grad Celsius oder unter 800 Grad Celsius.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
wobei die Bandlücke des Halbleitermaterials kleiner als 2,5
Elektronenvolt oder kleiner als 2 Elektronenvolt bei 300 Grad Kelvin ist,
oder wobei aus dem Substratband (11, 430) durch Trennen (309) mehrere Solarmodule hergestellt werden,
oder wobei das Halbleitermaterial (254, 454) eine Absorber¬ schicht einer Solarzelle bildet, vorzugsweise mit einer zwi¬ schen dem Halbleitermaterial (254, 454) und dem Substratband (11, 430) angeordneten Barriereschicht (252, 452).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Halbleitermaterial (254, 454) vor dem Abkühlen auf die Temperatur eine Schichtdicke größer als 1 Mikrometer oder größer als 5 Mikro¬ meter hat.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substratmaterial (IIa, 408) und/oder das Substratband (11, 430) Glas ist oder Glas enthält.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleitermaterial (254, 454) Silizium ist oder mindes¬ tens 80 Masseprozent oder 80 Atomprozent Silizium enthält.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleitermaterial (254, 454) mittels chemischer Dampf¬ phasen Abscheidung (102, 104, 222) abgeschieden wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das chemische Dampfphasen Abscheideverfahren gemäß mindestens einem oder gemäß mindestens zweier oder gemäß aller der folgenden Prozessparameter durchgeführt wird:
- der Druck liegt im Bereich von minus 10 Prozent des Atmo- sphärendrucks bis zu plus 10 Prozent des Atmosphärendrucks, insbesondere bei Atmosphärendruck,
- die Temperatur in einem Abschnitt des Substratbandes (11, 430), auf dem das Halbleitermaterial (254, 454) abgeschieden wird, liegt im Bereich von 500 Grad Celsius bis 1100 Grad Celsius, insbesondere im Bereich von 800 Grad Celsius bis 1050 Grad Celsius,
- das Prozessgas (102, 104) enthält ein silanhaltiges Gas oder ein Silangas, insbesondere Monosilan und/oder Dichlorsi- lan und/oder Trichlorsilan, vorzugsweise auch Phosphin oder Diboran oder Trimethylboran oder ein anderes Dotiergas.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vor dem Aufbringen des Halbleitermaterials (254, 454) mindes¬ tens eine Barriereschicht (252, 452) auf das Substratband (11, 430) aufgebracht wird, insbesondere mit einem chemischen Dampfphasen Abscheideverfahren (100),
wobei vorzugsweise mindestens eine oder mehrere der folgenden Barriereschichten aufgebracht werden: Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumkarbid, insbesondere stöchiometrisch oder nicht stöchiometrisch, oder mindestens eine Barriereschicht aus einer Mischung dieser Materialien,
wobei vorzugsweise die Temperatur des Substratbandes (11, 430) im Bereich von 1100 Grad Celsius bis 900 Grad Celsius oder im Bereich von 1050 Grad Celsius bis 950 Grad Celsius liegt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Abschnitt des Substratbandes (11, 430), auf den das Halb¬ leitermaterial (254, 454) aufgebracht wird, auf einem flüssi¬ gen Metallbad (205) schwimmt, insbesondere auf einem Zinnbad (40) oder einem Zinnlegierungsbad.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleitermaterial (254, 454) vor dem Abkühlen des Sub¬ stratbandes (11, 430) auf die Temperatur von unter 200, 500, 600 oder unter 800 Grad Celsius oder nach dem Abkühlen mit einem elektromagnetischen Strahl (110), insbesondere einem Laserstrahl (110), einem Lichtstrahl oder einem Wärmestrahl, oder mit einem Elektronenstrahl aufgeschmolzen wird,
wobei vorzugsweise die Größe von Kristallkörnern im Halblei- termaterial (254, 454) vergrößert wird, insbesondere um mehr als 10 Mal, 100 Mal oder um mehr als 1000 Mal bezogen auf einen durchschnittlichen Korndurchmesser oder auf eine durchschnittliche Kornlänge des Halbleitermaterial (254, 454), und wobei vorzugsweise die Temperatur des Substratbandes (11, 430) im Bereich von 400 Grad Celsius bis 800 Grad Celsius, insbesondere im Bereich von 400 Grad Celsius bis 600 Grad Celsius oder im Bereich von 600 bis 800 Grad Celsius, liegt.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens zwei, mindestens drei oder mindestens vier Vor¬ richtungen (222) zum Abscheiden des Halbleitermaterials (254, 454) verwendet werden.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gase zum Abscheiden des Halbleitermaterials (254, 454) in
Transportrichtung (262, 462) des Substratbandes (11, 430) und/oder entgegen der Transportrichtung (262, 462) des Substratbandes (11, 430) über eine Gesamtstrecke (S2) im Bereich von 2 Metern bis 100 Metern oder im Bereich von 5 bis 50 Meter oder im Bereich von 10 bis 20 Metern geführt werden.
13. Halbleitermodul (82, 84), insbesondere Solarmodul (82, 84) ,
wobei das Halbleitermodul (82, 84) mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt worden ist, wobei vorzugsweise das Halbleitermodul (82, 84) größer als ein halber Quadratmeter, größer als ein Quadratmeter oder größer als vier Quadratmeter ist,
wobei das Halbleitermodul (82, 84) insbesondere ein Halbfab¬ rikat für ein Solarmodul (82, 84) oder ein Solarmodul (82, 84) ist.
14. Substratherstellungsanlage (10, 400), insbesondere Float¬ glasanlage (10), insbesondere zum Durchführen eines Verfah¬ rens nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
mit einer Schmelzvorrichtung (12),
mit einer Formvorrichtung (14, 416),
mit mindestens einer Vorrichtung (222) zum Abscheiden von Halbleitermaterial (254, 454) in einer Schichtdicke von mehr als 100 Nanometern oder mehr als einem Mikrometer oder mehr als 5 Mikrometern.
15. Substratherstellungsanlage (10, 400) nach Anspruch 14, wobei mindestens zwei, mindestens drei oder mindestens vier Vorrichtungen (222) zum Abscheiden von Halbleitermaterial (254, 454) vorhanden sind, insbesondere CVD oder APCVD- Vorrichtungen,
und/oder wobei Gase zum Abscheiden des Halbleitermaterials (254, 454) in Transportrichtung (262, 462) eines Substratbandes (11, 430) oder entgegen der Transportrichtung (262, 462) des Substratbandes (11, 430) über eine Gesamtstrecke (S2) im Bereich von 2 Metern bis 100 Metern oder im Bereich von 5 bis 50 Meter oder im Bereich von 10 bis 20 Metern geführt werden.
16. Substratherstellungsanlage (10, 400) nach Anspruch 14 oder 15, wobei eine Vorrichtung (100) zum Abscheiden einer
Barriereschicht (252, 452) vorhanden ist, vorzugsweise bezo¬ gen auf den Materialfluss angeordnet zwischen der Formvor- richtung (14, 416) und der Vorrichtung (222) zum Abscheiden von Halbleitermaterial (254, 454).
17. Substratherstellungsanlage (10, 400) nach einem der An- sprüche 14 bis 16, mit einer Bestrahlvorrichtung (110), ins¬ besondere mit einer Bestrahlvorrichtung (110), die eine Be- strahlungsleistung im Bereich von 30 bis 300 Joule pro Quadratzentimeter in das Halbleitermaterial (254, 454) einstrahlt, vorzugsweise einer Laserbestrahlvorrichtung (110).
18. Substratherstellungsanlage (10, 400) nach einem der An¬ sprüche 14 bis 17, mit einer Trennanlage (B5) , wobei ein Abschnitt eines Substratbandes (11, 430) oder des Substrat¬ bandes (11, 430) erst an den anderen Vorrichtungen und dann an der Trennanlage (B5) vorbei transportiert wird,
wobei vorzugsweise die Trennanlage (B5) Module (82, 84) er¬ zeugt, die größer als ein halber Quadratmeter, größer als ein Quadratmeter oder größer als vier Quadratmeter sind, insbesondere Halbfabrikate für Solarmodule (82, 84) oder Solarmo- dule (82, 84) .
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