DE10005484A1 - Verfahren zum Ausbilden einer dünnen Schicht - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ausbilden einer dünnen Schicht mit einkristallinen Bereichen oder einer dünnen Schicht aus polykristallinem Material mit einer Korngröße als die Schicht in ihrer Dicke, wobei zunächst Schichtmaterial zur Ausbildung einer Schicht auf einen Träger aufgebracht wie abgeschieden und sodann die Schicht aufgeschmolzen und zum Kristallisieren abgekühlt wird. Um mit einfachen Maßnahmen Schichten mit großen einkristallinen Bereichen auszubilden, wird vorgeschlagen, dass auf die Schicht vor dem Aufschmelzen eine beim Aufschmelzen temperaturbeständige Abdeckung oder die Schicht auf eine solche angeordnet wird, wobei die Abdeckung gegenüber dem Schichtmaterial chemisch inert ist und/oder wobei zumindest während des Kristallisierens zwischen der Schicht und der Abdeckung eine Oxidzwischenschicht ausgebildet wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ausbilden einer dünnen Schicht mit einkristallinen Bereichen oder einer dünnen Schicht aus polykristallinem Material mit einer Korngröße größer als die Schicht in ihrer Dicke, wobei zunächst Schichtmaterial zum Aus­ bilden einer Schicht auf einen Träger aufgebracht wie abgeschieden und sodann die Schicht aufgeschmolzen und zum Kristallisieren abgekühlt wird. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Aufschmelzen und Kristallisieren einer auf einen Träger aufgebrachten dünnen Schicht, vorzugsweise einer Siliziumschicht wie hochdotierten Silizi­ umschicht, insbesondere bestimmt für ein Halbleiter-Bauelement wie Dünnschicht-Solarzelle.

Um kostengünstig großflächige Halbleiter-Bauelemente wie Solarzellen oder Dünnschicht- Transistoranordnungen herzustellen, wurde versucht, halbleitende Substanzen in Form von dünnen Schichten auf billige Träger (Substrate) abzuscheiden. Bei der Verwendung von amorphem Silizium als Halbleiterschicht hat sich dabei der Nachteil gezeigt, dass die Bauelemente die erforderliche Langzeitstabilität des Wirkungsgrades nicht aufweisen. Auch sind Vorschläge unterbreitet worden, polykristallines Silizium in Form dünner Schichten auf einen Träger aufzubringen.

Für den Wirkungsgrad eines polykristallinen Halbleiter-Bauelementes ist es wesentlich, dass in Abhängigkeit von dem Ausgangsmaterial große kristalline Bereiche oder polykristalline Schichten ausgebildet werden, deren Korngröße größer als die Schichtdicke selbst ist.

Größere Kristalle werden erhalten, wenn man Siliziumschichten epitaktisch auf multikristalli­ nen Silizium-Wafern mit Korngrößen oberhalb von Millimetern abscheidet, T. Warabisako, T. Saitoh, H. Itoh, N. Nakamura, T. Tokuyama, Jpn. J. Appl. Phys., 17 Suppl. (1978) 309; P. H. Robinson, R. V. D'Aiello, D. Richman, B. W. Faughnan, Proc. 13^th IEEE Photovolt. Spec. Conf 1978, Washington, DC, p. 1111.

T. Warabisako et al., Jpn. J. Appl. Phys., 17 Suppl. (1978) 309, verwenden Substrate aus polykristallinem Silicium von metallurgischem Reinheitsgrad, die nach Czochralski gezogen und in 0,4 mm dicke Scheiben gesägt wurden. Auf solchen Scheiben wird eine 20-30 µm dicke p-Si-Schicht durch Reduktion von SiH₂Cl₂ mit H₂ bei 1100-1150°C und eine 0,5 µm dicke n⁺-dotierte Si-Schicht bei 1000-1050°C abgeschieden. Ähnlich verfahren P. H. Robinson et al., Proc. 13^th IEEE Photovolt. Spec. Conf. 1978, Washington, DC, p. 1111. Bei diesem Prozeß entfällt allerdings der wirtschaftliche Vorteil, da die Siliziumscheiben geson­ dert hergestellt werden müssen.

T. L. Chu, S. S. Chu, K. Y. Duh, H. C. Mollenkopf, J. Appl. Phys. 48 (1977) 3576, benutzen als Grundlage für die epitaktische Silizium-Abscheidung eine ca. 200-500 µm dicke Silizium-Schicht (p-dotiert, 0,002-0,004 Ωcm) auf einem Graphit-Substrat. Diese Schicht wird durch Reduktion von SiHCl₃ mit H₂ erzeugt.

Zur Herstellung großer Körner werden die Schichten in einem zweiten Prozess aufgeschmol­ zen und kristallisiert. Hinderlich dabei ist die hohe Oberflächenspannung von Silizium, die zur Folge hat, dass sich die Schmelze auf dem Substrat zu Tropfen zusammenzieht, so dass die Schmelzzone und die Schicht dadurch unterbrochen wird. Durch Aufschmelzen einer sehr schmalen Zone ergibt sich jedoch eine Möglichkeit, diesen Effekt zu umgehen. Der Reaktor besteht aus einem Quarzrohr, das mit Wasserstoff gespült wird und mit einer Hochfrequenz- Spule beheizt wird. Das Si-beschichtete Substrat wird unter einem induktiv beheizten, im Reaktor befindlichen SiC-beschichteten Graphit-Stab (Heizer) hindurchgefahren. Der heiße Graphit-Stab strahlt Wärme ab und sorgt für eine Schmelzzone, die in der Mitte 2 cm breiter ist als am Rand des Substrates. Nach Kristallisation solcher Si-Schichten wird zur Herstellung einer Solarzelle zunächst eine 20-30 µm dicke p-leitende Siliziumschicht auf der kristalli­ sierten Unterlage und darauf anschließend eine 0,2-0,4 µm dicke n-leitende Emitterschicht epitaktisch abgeschieden.

Nach M. Kerber, M. Bettini, E. Gornick, Proc. 17^th IEEE Photovolt. Spec. Conf. 1984, Kissimee, p. 275, wird auf einem Graphitsubstrat zuerst eine hochdotierte n-leitende Si- Schicht abgeschieden, die danach mittels eines darübergeführten Wolfram-Drahtes als Strah­ lungsheizer aufgeschmolzen und rekristallisiert wird. Die optimale Dicke dieser Schicht wird mit 20-30 µm angegeben. Darüber wird nun die photovoltaische aktive n-leitende Schicht mit 60-100 µm Schichtdicke epitaxiert. Durch anschließende Spray-Pyrolyse von SnO₂ wird eine SIS-Solarzelle mit 9% Wirkungsgrad hergestellt.

Den Verfahren ist gemeinsam, dass sich der Heizer für die Schmelzzone im Reaktionsraum unter Schutzgas (H₂) befindet. Es ist daher notwendig, während des Aufschmelzens die Beschichtung zu unterbrechen. Andernfalls würde eine Si-Beschichtung der Heizer im Reaktor erfolgen.

Die in beiden Verfahren beschriebenen rekristallisierenden Siliziumschichten sind für die Herstellung der eingangs erwähnten Dünnschichtsolarzelle aus polykristallinem Silizium von insgesamt nur 20-50 µm Dicke zu dick. Auch besitzen die Schichten nicht die erforderliche Gitterperfektion für ein photovoltaisch einsetzbares Material, so dass darüber eine Epitaxie- Schicht von großer Dicke mit den geforderten photoelektrischen Eigenschaften aufgebracht werden muss.

Ganz allgemein wird in der Dünnschicht-Technologie das gewünschte Material in Form einer dünnen Schicht auf einem Trägermaterial aufgebracht, das aus einem anderen Material als die Schicht selbst bestehen kann oder dann, wenn gleiches Material gewählt wird, dieses mit einer dünnen Schicht aus einem anderen Material abgedeckt wird. Bei der Herstellung von Halbleiterschichten ist es dabei erforderlich, die auf einem Träger aufgebrachten dünnen Schichten aufzuschmelzen und sodann wieder abzukühlen, wodurch eine Kristallisation derart erfolgt, dass hinreichend große einkristalline Bereiche bzw. polykristalline Schichten hinrei­ chender Korngröße hergestellt werden.

Einkristalline Schichten oder zumindest solche mit großen einkristallinen Bereichen kann man in der sogenannten SOI (silicon-on-insulator)-Technologie herstellen. Dabei können als Träger ein Saphirsubstrat oder zum Beispiel eine mit SiO₂ beschichtete Siliziumscheibe benutzt werden. Typische Dicken der die Siliziumscheibe abdeckenden SiO₂-Schicht betragen in etwa 0,5 µm. Anschließend wird auf das Substrat eine weitere dünne Schicht aus Silizium abge­ schieden, die sodann aufgeschmolzen wird und während des Abkühlens lateral kristallisiert, um gewünschte große einkristalline Bereiche zu erzielen.

Bei dem Aufschmelzen zieht sich die Silizium-Schmelzschicht wegen ihrer hohen Ober­ flächenspannung zu Tropfen zusammen bzw. es bilden sich Bereiche unterschiedlicher Schichtdicken aus, so dass insgesamt eine zusammenhängende gleichmäßige Schicht mit der Folge zerstört wird, dass die gewünschten großen einkristallinen Bereiche nicht im erforder­ lichen Umfang erreichbar sind. Um diese durch die Kohäsionskräfte der Si-Schmelzschicht bedingten Nachteile zu vermeiden, ist es bekannt, die Schmelzschicht sehr schnell in einer schmalen aufgeheizten Zone kristallisieren zu lassen. Dabei ergeben sich Korngrößen zwischen 5 und 10 µm, wobei das Aufschmelzen mittels eines geeigneten Lasers erfolgen kann (s. zum Beispiel Appl. Surf. Sci. (1989) 36 (1989) 605).

Um ein Zusammenziehen des flüssigen Siliziums zu Tropfen zu verhindern, ist es auch bekannt, vor dem Aufschmelzen auf der Silizium-Schicht eine Deckschicht aufzubringen. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um eine 1 bis 2 µm dicke SiO₂-Deckschicht, die auch als "capping-layer" bezeichnet wird. Eine entsprechende Deckschicht kompensiert während der Kristallisation die Oberflächenspannung der darunterliegenden Si-Schicht und führt dazu, dass die Schichtform im Wesentlichen erhalten bleibt. Anstelle einer SiO₂-Deckschicht können auch SiN_x-Schichten oder Kombinationen der entsprechenden Schichten verwendet werden (s. zum Beispiel Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 53 (1986), 53). Durch die Verwen­ dung entsprechender Deckschichten kann die Tropfenbildung in einem Umfang unterdrückt werden, dass großflächige einkristalline Schichtbereiche mit Korngrößen bis in den Zentimeterbereich hergestellt werden.

Bei der Herstellung von Dünnschicht-Solarzellen aus kristallinem Silizium wird eine Silizi­ umschicht mit möglichst großen einkristallinen Bereichen benötigt. Als Substrate selbst werden häufig einkristalline Siliziumscheiben verwendet, die entsprechend der SOI-Technolo­ gie mit einer dünnen Silizium-Dioxidschicht als Isolator abgedeckt werden. Darauf scheidet man eine mehrere Mikrometer dicke Siliziumschicht zum Beispiel in einem CVD-Verfahren oder Plasma-CVD-Verfahren ab. Sodann wird auf die entsprechende Si-Schicht eine Deck­ schicht aus Siliziumdioxid abgeschieden. Anschließend erfolgt das Aufschmelzen und Kristallisieren.

Nach einem anderen Vorschlag wird eine multikristalline Siliziumscheibe mit einer Silizium- Dioxidschicht abgedeckt, in die sodann in regelmäßigen Abständen, und zwar im Millimeter­ bereich Löcher geätzt werden. Auf die entsprechende geätzte Silizium-Dioxidschicht wird im CVD-Verfahren oder Plasma-CVD-Verfahren eine mehrere Mikrometer dicke Siliziumschicht abgeschieden, auf der ihrerseits eine Deckschicht aus Siliziumdioxid durch Abscheiden aufgebracht wird. Sodann erfolgt ein Aufschmelzen und Kristallisieren der Siliziumschicht, wobei die Löcher der unteren Silizium-Dioxidschicht zusätzliche Keimlöcher bilden. (I. Reis, A. Eyer, A. Räuber, Proc. 20th IEEE - Photovoltaic Specialists Conf., Las Vegas (1991) 986, und B. F. Wagner, F. Friedrich, N. Schillinger, A. Eyer, Proc. 11th EC Photovoltaic Solar Energy Conf., Montreux (1992), 397).

Ein weiterer Verfahrensvorschlag zur Herstellung einkristalliner Siliziumschichten bzw. Schichten mit großen einkristallinen Bereichen sieht das Abscheiden einer dicken Silizi­ umschicht auf ein mit Siliziumcarbid beschichtetes Graphit- oder Keramiksubstrat im CVD- Verfahren vor. Hierauf wird eine Deckschicht aus Silizium-Dioxid abgeschieden. Das Aufbringen der Siliziumdioxidschichten erfolgt grundsätzlich in einer speziellen Beschich­ tungsanlage wie Aufdampfanlage oder PECVD-Anlage, wobei die Prozessdauer bis zu einige Stunden betragen kann. Die mit der Deckschicht bedampfte Siliziumschicht wird sodann in einer Zonenschmelz-Apparatur aufgeschmolzen und kristallisiert.

Unter der Deckschicht liegt nach der Kristallisation die Siliziumschicht in einer Struktur mit gewünschten großen einkristallinen Bereichen vor. Zur weiteren Verarbeitung des so ausge­ bildeten Schichtsystems zur Herstellung von Halbleiter-Bauelementen, insbesondere Dünn­ schicht-Solarzellen ist es sodann erforderlich, dass die Deckschicht entfernt wird. Dies erfolgt üblicherweise durch chemisches Abätzen in verdünnter Flusssäure oder durch Plasmaätzen.

Durch das Wegätzen der Oxidschicht nach Kristallisation liegt die große einkristalline Bereiche aufweisende Siliziumschicht frei. Sie steht nun als sogenannte Keimbildungsschicht für die nachfolgende epitaktische Verdickung zur Verfügung.

Ist die Verwendung einer Deckschicht erforderlich, um die Tropfenbildung während der Aufschmelzphase der Siliziumschicht zu verhindern, ergeben sich hierdurch jedoch wirt­ schaftliche Nachteile, da eine für die Funktion des Halbleiter-Bauelementes nicht erforderliche Schicht aufgebracht und diese sodann wieder entfernt werden muss. Somit sind zwei zusätzli­ che Prozessschritte für die Herstellung kristalliner Solarzellen erforderlich, die zu einer erheblichen Verteuerung führen. Eine solche soll jedoch bei der wirtschaftlichen Herstellung von Solarzellen in Dünnschicht-Technologie vermieden werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher das Problem zu Grunde, ein Verfahren der zuvor beschriebenen Art so weiterzubilden, dass mit einfachen Maßnahmen Schichten ausgebildet werden können, die durch Aufschmelzen und Kristallisieren in eine Schicht mit großen einkristallinen Bereichen umgewandelt werden sollen.

Das Problem wird im Wesentlichen dadurch gelöst, dass auf die Schicht vor dem Auf­ schmelzen eine beim Aufschmelzen temperaturbeständige Abdeckung aufgebracht wird, wobei die Abdeckung gegenüber dem Schichtmaterial chemisch inert ist, und/oder zumindest während des Kristallisierens zwischen der Schicht und der Abdeckung eine Oxidzwischen­ schicht ausgebildet wird. Dabei handelt es sich bei der Abdeckung insbesondere um ein eigensteifes Element wie Platte, das gegenüber Wärmestrahlung durchlässig ist. Insbesondere wird eine transparente und translucente Abdeckung verwendet.

Auch kann als Abdeckung eine translucente Platte aus Keramikmaterial verwendet werden.

Bevorzugterweise wird bei dem Aufschmelzen und Kristallisieren einer Siliziumschicht als Abdeckung eine Quarzplatte verwendet.

Nach einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass als Abdeckung ein Walzenkörper mit einem Radius verwendet wird, der im Vergleich zur Fläche der momentan aufgeschmolzenen und von dem Walzenkörper abgedeckten Schicht groß ist. Dabei kann in dem Walzenkörper eine die Wärmestrahlung emittierende Wärmequelle wie Lampe angeordnet werden.

Sofern beim Aufschmelzen bzw. Kristallisieren zwischen der Abdeckung und der zu kristalli­ sierenden Schicht eine Zwischenoxidschicht ausgebildet wird, wird der Prozess derart gesteuert, dass die Dicke zwischen 50 und 200 nm, insbesondere in etwa 100 nm beträgt.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Lehre wird ein Zusammenziehen von zu Tropfenbildung neigendem Schichtmaterial durch Auflegen einer Abdeckung wie Abdeckplatte auf die Schicht vermieden, wobei die Abdeckung nach erfolgter Kristallisation wieder entfernt wird. Da zwischen der Abdeckung und der Schicht eine chemische Reaktion nicht erfolgt, ist die Abdeckung wieder verwendbar.

Die Verwendung einer transparenten oder translucenten Abdeckung wie Abdeckplatte oder Walzenkörper hat den Vorteil, dass die Erwärmung der aufzuschmelzenden Schicht mittels optischer Einstrahlung nicht behindert wird. Des Weiteren sollte die Abdeckung gegenüber dem aufzuschmelzenden Schichtmaterial auch bei hohen Temperaturen chemisch inert sein, und zwar bei Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes bis zu 1450°C im Falle von Silizium. Dies bedeutet, dass die Abdeckung das Schichtmaterial weder benetzen noch mit diesem reagieren darf.

Sofern eine aufzuschmelzende und zu kristallisierende Siliziumschicht durch eine hochtrans­ parente Quarzplatte abgedeckt wird, kann diese ohne zu hohe Erwärmung eingesetzt werden. Des Weiteren kann sich unter der Quarzplatte auf der Oberfläche der Siliziumschicht während des Kristallisationsprozesses eine ungefähr 100 nm thermische SiO₂-Schicht bilden. Durch diese Schicht wird ein Kontakt mit der Quarzscheibe verhindert, so dass auf jeden Fall eine Reaktion der Quarzplatte mit der Schicht unterbunden wird. Die thermische Oxidationsschicht ist so gering, dass ein leichtes Entfernen nach der Herstellung möglich ist.

Die Verwendung der Abdeckung bietet die gleichen Vorteile wie die einer Deckschicht. Dies bedeutet, dass die gewünschte Kristallisation zur Ausbildung großer einkristaller Bereiche sichergestellt ist. Gleichzeitig stellt die Abdeckung sicher, dass die kristallisierte Schicht eine überaus glatte Oberfläche aufweist, so dass bei den nachfolgenden Verfahrensschritten, insbesondere der Epitaxie unter Verwendung der Siliziumschicht als Keimschicht erhebliche Vorteile gegeben sind. Ferner ist hervorzuheben, dass die Abdeckung mehrfach wieder ver­ wendet werden kann.

Bei der Verwendung einer Quarzplatte als Abdeckung kann diese ein relativ geringes Gewicht aufweisen, da bereits die Adhäsionskräfte zwischen der Abdeckplatte und der aufzuschmel­ zenden Schicht ausreichen, die Kohäsionskräfte des aufgeschmolzenen Materials zu kom­ pensieren. Es reicht folglich eine Quarzplatte eines Gewichtes aus, die auf der aufgeschmolze­ nen Schicht schwimmt, ohne dass eine Verdrängung derart erfolgt, dass das geschmolzene Material weggedrückt wird.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden Aus­ führungsbeispielen.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Dünnschicht-Solarzelle mit pn-Übergang,

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung zum Verdeutlichen des Aufschmelzens und Wieder­ starrens einer auf einem Träger aufgebrachten Schicht,

Fig. 3 ein Oberflächenbild einer Keim- oder Nukleationsschicht,

Fig. 4a-c Ausbilden einer Siliziumschicht nach dem Stand der Technik,

Fig. 4d-f Ausbilden einer Siliziumschicht nach der Erfindung,

Fig. 5 eine Prinzipdarstellung einer Vorrichtung zum Aufschmelzen und Kristallisie­ ren einer Schicht und

Fig. 6 eine Prinzipdarstellung einer weiteren Ausführungsform einer Vorrichtung zum Aufschmelzen und Kristallisieren einer Schicht.

Die erfindungsgemäße Lehre zum Ausbilden einer dünnen Schicht mit einkristallinen Bereichen oder einer dünnen Schicht aus polykristallinem Material mit einer Korngröße größer als die Schicht in ihrer Dicke wird nachstehend anhand eines kristallinen Si-Dünn­ schichtsystems erläutert, ohne dass hierdurch eine Beschränkung der Erfindung erfolgen soll. Dabei wird das kristalline Si-Dünnschichtsystem mittels einer Folge von CVD-Abscheide­ prozessen ausgebildet. Mit einem entsprechenden Verfahren können die aus der kristallinen Silizium-Technologie bekannten Solarzellentypen, die entweder mit pn-Übergang oder mit einer Inversionsschicht arbeiten, hergestellt werden.

In Fig. 1 wird der prinzipielle Aufbau einer kristallinen Dünnschicht-Solarzelle mit pn- Übergang wiedergegeben. Dabei wird auf einem z. B. aus Graphit oder einem anderen low- cost-Material bestehenden Substrat 1 im CVD-Verfahren eine vorzugsweise elektrisch leitende SiC-Schicht 2 aufgetragen, die einerseits zur Versiegelung des Substrats 1 und andererseits als Rückkontakt dient. Auf die SiC-Schicht 2 wird sodann eine mit Bor hoch dotierte p⁺-Si- Schicht 3 ebenfalls im CVD-Verfahren abgeschieden.

Das CVD-Verfahren liefert bei direkter Abscheidung auf einem Fremdsubstrat bei einer Substrattemperatur von etwa 1000°C Korngrößen von 2 µm bis 20 µm bei einer Substrattem­ peratur von in etwa 1300°C. Die entsprechenden Korngrößen, d. h. die Kornstruktur genügt dabei nicht den physikalischen Anforderungen, um ein Schichtsystem hohen Wirkungsgrades zur Verfügung zu stellen. Daher ist es erforderlich, die Korngrößen so auszubilden, dass diese erheblich größer als die Dicke der Schicht selbst sind. Als Faustregel gilt, dass die Korngröße zumindest 4 × größer als die Schichtdicke ist, um den physikalischen Anforderungen zu genügen. Es ist daher notwendig, dass die p⁺-Si-Schicht 3 aufgeschmolzen und beim Abkühlen derart kristallisiert wird, dass Korngrößen ausgebildet werden, die erheblich größer als die der Schichtdicke sind. Auf die die erforderliche physikalische Struktur aufweisende Schicht 3 wird eine photoempfindliche p-Si-Schicht 4 epitaxiert, um sodann eine n-leitende Emitterschicht 5 durch z. B. Eindiffusion von Phosphor oder durch Epitaxie einer Phosphor- dotierten Si-Schicht aufzubringen. Schließlich wird auf die Emitterschicht 5 ein metallisches Frontgitter 7 in gewohnter Technik z. B. Aufdampfprozess, Siebdruck von Leitpasten etc. hergestellt. Eine gegebenenfalls erforderliche Antireflexionsschicht 6 kann mit einem geeigneten Plasmaverfahren ausgebildet werden.

Um ein funktionstüchtiges, einen gewünschten Wirkungsgrad aufweisendes Si-Dünschicht­ system zur Verfügung zu stellen, ist der Aufschmelz-/Kristallisationsschritt der im Aus­ führungsbeispiel p⁺-Si-Schicht 3 ausschlaggebend. Hierzu kann nach dem Stand der Technik auf die aufzuschmelzende Schicht eine sogenannte capping-layer aufgebracht werden, die sicherstellt, dass sich die geschmolzene Schicht, d. h. die Si-Schmelze nicht zu Tropfen zu­ sammenzieht, da die Kohäsionskräfte der Schmelze durch die Adhäsion zwischen der Si- Schmelzschicht und der capping-layer oder Deckschicht kompensiert werden.

Ein Verfahrensablauf zur Ausbildung einer entsprechenden Siliziumschicht gewünschter Korngröße wird anhand der Fig. 2 verdeutlicht. So wird ein nicht näher bezeichnetes Graphit- Substrat als Träger mit einer ca 40 µm-dicken SiC-Schicht 11 versiegelt, die gleichzeitig den Rückkontakt bilden kann. Auf die SiC-Schicht 11 wird sodann im CVD-Verfahren eine ca. 10 bis 30 µm dicke mit Bor hoch dotierte Siliziumschicht 3 aus der Gasphase abgeschieden. Die so ausgebildete Siliziumschicht 3 setzt sich aus Körnern einer Größe im µm-Bereich zusammen, die klein gegenüber der Schichtdicke und somit für die Nutzung als Solarzelle ungeeignet ist. Daher wird die Siliziumschicht aufgeschmolzen und lateral kristallisiert, um gewünschte Korngrößen von in etwa zumindest der vierfachen Dicke der Schicht 3 selbst zu erhalten. Bei einer entsprechenden lateralen Kristallisation ergeben sich hoch dotierte Siliziumschichten mit Korngrößen im Millimeter-Bereich. Die entsprechende Schicht dient sodann als Nukleations- oder Keimschicht 42 für das Wachstum einer photoempfindlichen Siliziumschicht, die in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 4 versehen ist.

Um eine entsprechende Kristallisation zu erzielen, kann nach dem Stand der Technik die Schicht 3 vor der Kristallisation mit einer Deckschicht 43 abgedeckt werden. Die aus vorzugsweise Siliziumoxid bestehenden etwa 2 µm dicke Deckschicht 43 wird dabei mittels reaktiver Vakuumverdampfung von Siliziummonoxid oder Hochfrequenzsputtern oder in einem plasmaunterstützten CVD-Verfahren in einem thermischen CVD-Verfahren oder mittels oxidbildender Flüssigkeit auf die Si-Schicht 3 aufgetragen. Alternativ können auch SiO- Schichten in Verbindung mit SiN-Schichten aufgetragen werden. Die mit einer entsprechen­ den Deckschicht 43 abgedeckte Siliziumschicht 3 wird sodann mit einer der Fig. 2 prinzipiell zu entnehmenden Vorrichtung aufgeschmolzen und kristallisiert. Hierzu sind substratrückseitig Strahler 80 wie Quarzlampen vorgesehen, die das Substrat auf eine gleichmäßige Grundtem­ peratur im Bereich zwischen 800 bis 1400°C aufwärmen. Auf der gegenüberliegenden Seite, also deckschichtseitig ist ein optischer Zonenheizer 81 vorgesehen, der einen elliptisch geformten, hochspiegelnden Aluminiumkörper umfasst, der wassergekühlt ist. In einer Brennlinie der von dem Aluminiumkörper umgebenden Ellipse ist sodann ein Quarzstrahler 82 mit z. B. Wolframwendel angeordnet. Der Zonenheizer 81 ist mit seiner zweiten Ellipsen­ brennlinie auf die Oberfläche der aufzuschmelzenden und zu kristallisierenden Schicht 3 ausgerichtet, um die maximale Wärmeleistung in die Schicht 3 einzukoppeln. Hierdurch bedingt schmilzt die Siliziumschicht 3 in einer nur wenige Millimeter breiten Zone 41 vollständig auf, wohingegen die angrenzenden Bereiche weiterhin starr sind. Durch Vorschub des Zonenheizers 81 wird folglich die flüssige Zone 41 durch die Schicht 3 bewegt. An der in Bezug auf die Vorschubrichtung hinteren Phasengrenze der Schmelzzone kristallisiert das Silizium lateral und bildet Korngrößen aus, die erheblich größer als die Dicke der Schicht 3 sind.

Die Kristallisationsgeschwindigkeit wird über die Vorschubgeschwindigkeit des Zonenheizers 81, der auch durch eine andere geeignete bzw. dem Stand der Technik zu entnehmende Heizvorrichtung ersetzt werden kann, eingestellt. Übliche Geschwindigkeiten liegen zwischen 0,1 mm/min bis 100 mm/min, wobei der Bereich 5 bis 10 mm/min bevorzugt anzugeben ist.

Nach dem Herausbilden der kristallisierten Schicht 42 gewünschter Korngröße muss sodann die Deckschicht wieder entfernt werden, wodurch nicht nur der Herstellungsprozess auf­ wendiger und verteuert wird, sondern die Gefahr besteht, dass unerwünschte Dickenänderun­ gen der Keim- bzw. Nukleationsschicht 42 oder Verschmutzungen dieser auftreten.

Würde man den zuvor beschriebenen und anhand der Fig. 2 erläuterten Kristallisationsprozess ohne eine Deckschicht 43 durchführen, so ergäbe sich folgender Ablauf, der anhand der Fig. 4a bis c erläutert wird.

Entsprechend der Fig. 4a befindet sich vor der Kristallisation eine geschlossene gasphasen- abgeschiedene Siliziumschicht 3 mit einer vorzugsweise einen Rückkontakt bildenden Versiegelungsschicht 11. Erfolgt sodann das Aufschmelzen, bilden sich aufgrund der Kohä­ sionskräfte des Siliziums Tropfen 41, die von der Schicht 11 "abperlen". Ursächlich hierfür ist, dass die Adhäsionskräfte zwischen der SiC-Schicht 11 und der Si-Schmelze kleiner als die Kohäsionskräfte der metallischen Si-Schmelze 41 sind. Beim Abkühlen (Fig. 4c) erstarrt der Tropfen, dessen Form von dem jeweils zufälligen Verlauf der Erstarrung abhängig ist. Am Ende des Abkühlens verbleibt auf der Oberfläche des teilerstarrten Siliziums ein Rest Schmelze zurück. Da Silizium beim Erstarren eine Volumenzunahme von in etwa 10% zeigt, formt sich der letzte Rest des erstarrten Tropfens zu einem kleinen Berg, der in Fig. 4c mit dem Bezugszeichen 42 versehen ist. Nach erfolgter Kristallisation ergeben sich demzufolge aus der ursprünglichen Schicht 4 eine Ansammlung kleiner Siliziumberge 42, die nicht den Anforderungen einer zusammenhängenden Keimschicht genügen.

Um eine zusammenhängende Keimschicht ohne Aufbringen und Entfernen der in Fig. 2 mit dem Bezugszeichen 43 versehenen Deckschicht oder capping-layer 43 zur Verfügung stellen zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Deckschicht 43 durch eine eigensteife abnehmbare Abdeckung wie insbesondere Quarzplatte 44 ersetzt wird, die nach der Kristalli­ sation wieder entfernt werden kann und somit für einen weiteren Herstellungsprozess eines Silizium-Dünnschichtsystems verwendet werden kann.

Wie anhand der Fig. 4d) bis f) erläutert wird, wird vor dem Aufschmelzen auf die ge­ schlossene gasphasen-abgeschiedene Siliziumschicht 3 die Quarzplatte 44 aufgelegt. Wird nun die Schicht 3 mit einer der Fig. 2 zu entnehmenden Vorrichtung und entsprechend der erläuterten Verfahrensparameter aufgeschmolzen, so wird eine Tropfenbildung vermieden. Die Schmelze 41 nimmt die Fläche der zugewandten Oberfläche der Quarzplatte 44 an. Bei glatter Oberfläche der Quarzplatte 44 ergibt sich folglich eine besonders glatte Oberfläche der Keimschicht 42. Sofern die Oberfläche der Keimschicht 42 eine gewünschte Struktur aufweisen soll, kann diese durch entsprechende Strukturierung der Quarzplatte 44 vorgegeben werden.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren entfallen die nach dem Stand der Technik erforder­ lichen Schritte Aufbringen einer Deckschicht oder capping-layer und anschließendes Entfer­ nen dieser. Einzig und allein eine wiederverwendbare Abdeckplatte wie Quarzplatte 44 ist erforderlich. Die Quarzplatte 44 kann dabei beliebig dünn gewählt werden, wobei die Neben­ bedingung erfüllt sein muss, dass die erforderliche Eigensteifigkeit gegeben ist. Als typische Dicken der Quarzplatte 44 sind Werte zwischen 100 µm und 2 mm anzugeben. Die Dicke der Quarzplatte 44 wird unter dem Gesichtspunkt der Handhabbarkeit in Relation zur Fläche der aufzuschmelzenden Schicht 3 und der Prozessführung gewählt.

Sofern das Kristallisieren, d. h. das Erstarren der aufgeschmolzenen Schicht an Luft erfolgt, bietet die Abdeckung 44 zusätzlich einen Schutz gegen Staubkörner und Verunreinigungen aus der Atmosphäre.

Eine typische nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Keim- oder Nukleations­ schicht 42 ist in der Fig. 3 dargestellt.

Ergänzend zu der Verwendung einer Abdeckplatte wie Quarzplatte kann zwischen dieser und der aufzuschmelzenden Schicht 3 eine ca. 100 nm dicke thermische SiO₂-Schicht auf der Siliziumschicht 3 beim Aufschmelzen und Kristallisieren an Luft aufgebracht sein, die bei einer Temperatur über 1100°C ausgebildet wird. Allerdings reicht diese Schicht nicht aus, die Kristallisation der Schicht 3 ohne Tropfenbildung durchzuführen. Sofern eine entsprechen­ de SiO₂-Schicht ausgebildet sein sollte, würde diese vor dem Aufbringen der weiteren photo­ empfindlichen Siliziumschicht 4 durch thermische Reaktion mit Wasserstoff bei Temperautren von ca. 1000°C bis 1250°C, insbesondere bei 1200°C entfernt werden können.

Wird eine entsprechende SiO₂-Schicht ausgebildet, ergibt sich der Vorteil, dass die Abdeck­ platte 44 gegen eine Benetzung durch die Siliziumschmelze geschützt ist.

Den Fig. 5 und 6 sind Prinzipdarstellungen von Anordnungen zu entnehmen, mit Hilfe derer eine Schicht 3 wie Siliziumschicht aufgeschmolzen und beim Abkühlen derart kristallisiert wird, dass sich Korngrößen bilden, die erheblich größer als die der Schichtdicke selbst sind. Dabei wird nach der erfindungsgemäßen Lehre sichergestellt, dass beim Aufschmelzen ein Zusammenziehen von zu Tropfenbildung neigendem Schichtmaterial durch Anordnen einer eigensteifen Abdeckung in Form eines Walzenkörpers 47 unterbleibt, der als Quarzrohr ausgebildet und einen Durchmesser von zum Beispiel 15 bis 30 cm aufweisen kann.

Entsprechend der Fig. 5 ist der Walzenkörper 47 mit der Schicht 3 in einer Zone 41 in Kontakt, die aufgeschmolzen ist. Vor und hinter der Zone 41 ist die Schicht starr, wobei die aufgeschmolzene und sodann wieder kristallisierte Schicht 42 Korngrößen gewünschter Größe aufweist.

Die Schicht 3 selbst ist auf einem mit z. B. einer 40 µm dicken SiC-Schicht 11 versiegelten Träger angeordnet, unterhalb von dem Heizstrahler 80 vorgesehen sind. Innerhalb des Walzenkörpers 47 und unmittelbar oberhalb der Schmelzzone 41 befindet sich entsprechend dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ein Zonenheizer 81 mit Quarzstrahler 82. Der Kon­ taktbereich zwischen dem Walzenkörper 47 und der Zone 41 ist mit dem Bezugszeichen 83 gekennzeichnet. Der Quarzstrahler 82 ist im Brennlinienbereich des elliptischen Reflektors des Zonenheizers derart angeordnet, dass die Schicht 3 in der Zone 41 schmilzt.

Wie die Darstellung der Fig. 5 verdeutlicht, wird der Träger mit der Schicht 3 unter dem Walzenkörper 47 hindurchbewegt. Synchron dreht sich der Walzenkörper 47 mit.

In Fig. 6 ist eine der Fig. 5 entsprechende Anordnung derart weitergebildet, dass ein Durch­ laufverfahren realisierbar ist. Dabei ist die Schicht 30 oberhalb des Walzenkörpers 47 angeordnet und wird in Pfeilrichtung bewegt. Entsprechend erfolgt eine Drehung bzw. Bewegung des Walzenkörpers 47. Die entsprechende Anordnung nach Fig. 6 hat den Vorteil, dass ein Einstellen der von dem Walzenkörper 47 auf die Zone 41 einwirkenden Kraft einfach regulierbar ist.

Claims (12)

1. Verfahren zum Ausbilden einer dünnen Schicht mit einkristallinen Bereichen oder einer dünnen Schicht aus polykristallinem Material mit einer Korngröße größer als die Schicht in ihrer Dicke, wobei zunächst Schichtmaterial zur Ausbildung einer Schicht auf einen Träger aufgebracht wie abgeschieden und sodann die Schicht aufge­ schmolzen und zum Kristallisieren abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Schicht vor dem Aufschmelzen eine beim Aufschmelzen temperaturbe­ ständige Abdeckung oder die Schicht auf eine solche angeordnet wird, wobei die Abdeckung gegenüber dem Schichtmaterial chemisch inert ist und/oder wobei zumindest während des Kristallisierens zwischen der Schicht und der Abdeckung eine Oxidzwischenschicht ausgebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass auf die Schicht eine eigensteife Abdeckung aufgebracht wie aufgelegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht vor dem Aufschmelzen mit einer beim Aufschmelzen temperaturbe­ ständigen Quarzplatte oder gegenüber Wärmestrahlung durchlässigen Keramikplatte abgedeckt wird, wobei die Abdeckung gegenüber der Schicht chemisch inert ist und/- oder zwischen der Schicht und der Abdeckung während des Kristallisierens der Schicht eine Oxidzwischenschicht ausgebildet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Abdeckung eine Platte verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Abdeckung eine Platte verwendet wird, die gegenüber Wärmestrahlung durch­ lässig ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Abdeckung ein Walzenkörper mit einem Radius verwendet wird, der im Vergleich zur Fläche der momentan aufgeschmolzenen und von dem Walzenkörper abgedeckten Schicht groß ist.

7. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine transparente oder translucente Abdeckung verwendet wird.

8. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Abdeckung eine Platte aus Keramikmaterial verwendet wird.

9. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Abdeckung eine Quarzplatte verwendet wird.

10. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenoxidschicht mit einer Dicke zwischen 50 und 200 nm, insbesondere von in etwa 100 nm ausgebildet wird.

11. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aufzuschmelzende Schicht eine Dicke von in etwa bis 100 µm, insbesondere von in etwa 10 µm bis 30 µm aufweist.

12. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Walzenkörper eine die Wärmestrahlung emittierende Wärmequelle wie Lampe angeordnet wird.