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MA TERIALIEN F UR DIE PV-INDUSTRIE 13

Im Dokument Si In (Seite 21-31)

kommt. Die Verunreinigungen liegen dann frei und konnen hinterher durch

ent-sprechende Chemikalien ausgewaschen werden. Das soerhaltene UMG-Material,

wie imlinken Flussdiagrammbeschrieben ist,wird erstarrtund in Wafergesagt.

Abbildung 1.4: Konzentration der Verunreinigungen im UMG-Wafer [17].

Abbildung1.4zeigtdieverbleibenden VerunreinigungenimUMG-Material nach

der gerichteten Erstarrung (gemessen mit Glow Discharge Mass Spectroscopy,

GDMS)[17].DasProblemdiesesMaterialsistderfurPV-Anwendungenzu hohe

B-Gehalt.Ansonsten liegenallemetallischenVerunreinigungen(auerAl)

unter-halb der Nachweisgrenze von ca. 0,03ppma. Weiterhin fallt auf,dass die V

erun-reinigungenzwischen top, middle und bottom 5

sehr homogen verteilt sind.

NachderWaferprozessierung(linkeSeiteinAbbildung1.3)folgtdieAbscheidung

der dunnenSchicht und Zellenherstellung. DieseAufgabenstellungen wurden im

RahmeneinesEU-Projektsmitdem AkronymSCARF vonder Universitat

Kon-stanz(UKON)bearbeitet.BeidergroenAnzahlvonDunnschichttechnikenmuss

zuerstdiegeeignetsteMethodeausgewahlt werden.Einen breiten



Uberblick

 uber

verschiedene Si-Dunnschichttechnologien aufEigensubstraten liefert[18] undauf

Fremdsubstraten [19]. Zusatzlich werden die bislang erreichten Wirkungsgrade

zusammengefasst.

WegendervielenVorteilederLPE-Technologie,wiez.B.derMoglichkeitdermelt

back-Anwendung oder der Epitaxie von qualitativ hochwertigen Schichten, hat

sichdieElkemASAfurdiese Abscheidungsmethode entschieden.Diewichtigsten

Grundlagender LPE-Abscheidung werden imfolgenden Abschnitt behandelt.

5

1.2 Grundlagen der LPE-Abscheidung

IndiesemAbschnittwirddieTheoriezumVerstandnisderepitaktischen

Abschei-dung aus der ussigenPhase lediglichkurz angeschnitten. Furgenauere

Diskus-sion wird auf Fachliteratur verwiesen [20, 21, 22, 23].

Das WachstumerfolgtdurchMassentransport undkann imWesentlichen indrei

Schritte unterteilt werden [20]:

Transportdurchdie Schmelze

Diusion durch eine dunne Grenzschicht nahe der Kristallebene

Oberachendiusion

Dabei wird nur die Diusion in der Schmelze berucksichtigt. Die Diusion im

festen Silizium wird hingegen vernachlassigt. Die Oberachendiusion lasst sich

wiederum zusammensetzen aus der Adsorption an der Kristalloberache,

Ober-achendiusion entlang des Substrates bis zu einer Stufe an der

Kristallober-ache, Diusionentlang dieser Stufe und Einbau des Atoms in eineLucke dieser

Stufe.

Abbildung1.5:TreibendeKraftefurdieDiusionundOberachenkinetikdurch

das Gefalle der Losungskonzentration [24].

In den meisten Fallen wird das Wachstum durch den Diusionsstrom durch die

Schmelzebestimmt.Abbildung1.5stelltdieSituationimEindimensionalen

sche-matischdarundzeigtdenKonzentrationsverlaufinAbhangigkeitvonder

Entfer-nungzurGrenzache[24].ZuBeginnherrschtdieKonzentrationC .Infolgeeiner

Temperaturanderung kommt es zu einer neuen Gleichgewichtskonzentration C

e .

Wird die Wachstumsrate ausschlielich durch die Diusion in der Losung

kon-trolliert,istdieKonzentrationC

i

ander GrenzachegleichC

e

;mansprichtdann

vom diusionslimitierten Wachstum. Ansonsten gilt C

e 6= C

i

, falls der Einbau

der Atome an der Oberache eine gewisse Zeit benotigt.

DieDiusionsgleichungfurLosungenistimEindimensionalen gegeben

(verallge-meinertes 2.Fick'sches Gesetz)durch

@C

Dabei ist C die Konzentration der Atomspezies in der Losung, D die

Diu-sionskonstante, x die Entfernung von der Grenzache und t die Zeit.

Norma-lerweise kann der Konvektionsterm v(@C=@x) vernachlassigt werden. v stellt

dabei die Geschwindigkeit dar, die aus der freien und erzwungenen

Konvekti-on sowie der Wachstumsrate resultiert. Er kann vernachlassigt werden, solange

D(@

2

C=@x 2

)v(@C=@x)gilt.Gleichung1.4beschreibtdieSituation,indersich

das Koordinatensystem mitder Grenzache mitbewegt. Fallsdiese weiterhin als

planar und konstant in der Groe angenommen wird, ergibt sich aus Gleichung

1.4infolgeder Massenerhaltung furdie Wachstumsrate w(t) dieBeziehung

w(t)=

isthierbeidieKonzentration der Atomspezies imKristall. Integriert man die

Wachstumsrate von 0 bis t, so erhalt man fur die Dicke d(t) der Schicht, die

epitaktisch gewachsen ist,

Mit Hilfe dieser Gleichungen und den entsprechenden Randbedingungen der im

Folgenden besprochenen Wachstumsmodiist eine vollstandige Beschreibung des

Wachstums imdiusionslimitiertenFallfur,,unendliche" Losungen moglich.

DasWachstumhangtentscheidendvonderArtundWeiseab,wieeszur



Ubers

atti-gung in der Schmelze kommt. Dabei gibt es verschiedene Wachstumsmodi, wie

z.B.das Wachstum

aus der unterkuhltenSchmelze,

durch kontinuierliche Abkuhlung und

bedingtdurch einenTemperaturgradienten.

Durch die Annahme geeigneter Randbedingungen und Naherungen lassen sich

unserenAbscheideexperimentenausschlielichdiekontinuierlicheAbkuhlung

ver-wendet wurde, wird auf ihre Losung imFolgenden naher eingegangen.

Wachstum durch kontinuierliche Abkuhlung

DieBeschreibung desLPE-AbscheideprozesseslasstsichdurchdieAnnahme

ver-einfachen, dass die Losung in eine Richtung unendlich ausgedehnt ist, was bei

groenMetallbadern,wiebeiunsinvielenFallenverwendetwird,eineguteN

ahe-rung ist. Des Weiteren kann im diusionslimitierten Fall C

e

= C

i

angenommen

werden.

BeiAbkuhlungeinergesattigtenSchmelzedurcheineTemperaturrampewirddie

Loslichkeitherabgesetzt, undeskommtzurKristallisation.Dabei



andertsichder

Wert fur C

e

an der Grenzache ussig-fest kontinuierlich. Normalerweise wahlt

maneine lineareTemperaturrampemitderAbkuhlrate.Die Randbedingungen

furdiesen Wachstumsmodus lauten:

t=0; T =T

Das Wachstum halt so lange an, wie lange durch die Temperaturrampe eine

Konzentrationsanderungverursachtwird.DieWachstumsratesteigtproportional

zu t 1=2

, die Schichtdicke proportional zu t 3=2

[25, 26]. Wegen des anhaltenden

Wachstums istdiese Methode geeignet, um dickere Schichten von 10 bis100m

herzustellen.

1.3 Zusammenfassung

Die Schere zwischen dem weltweiten Angebotan Siliziumabfallenund dem

Roh-stobedarf der Photovoltaikindustrie onet sich immer weiter [7, 8]. Viele

Si-Lieferanten haben diesesFeedstockproblemerkanntund testenverschiedene

Me-thoden, um dieses zu umgehen.

EinevondiesenMethodenistdieTechnologiedesweltweitgrotenSi-Lieferanten,

der norwegischen FirmaElkem. Elkemerprobt, inZusammenarbeitmitder

Uni-versitatKonstanz,dieMethodederDunnschichtabscheidungaufkostengunstigen,

sogenannten Upgraded MetallurGical (UMG)-Si Substraten. Mit Hilfe der melt

back Technik wird es ermoglicht, die Abscheidung ohne zusatzliches Si

durch-zufuhren. ImRahmen eines EU-Projektes solldiese Technik auf ihre industrielle

Die LPE-Anlage

Die LPE-Technologie bietet ideale Abscheidungsbedingungen auf kosteng

unsti-gem Si-Material, da durch den Einsatz des melt back-Verfahrens kein zus

atzli-ches Si zur epitaktischen Abscheidung benotigt wird. Heute werden

kommerziel-le LPE-Anlagen lediglich zur Abscheidung von qualitativ hochwertigen V

erbin-dungshalbleiterkristallen wie z.B. GaAs oder InP auf kleinen Flachen benutzt.

Da jedoch die Si-Abscheidung auf groachigen (1010)cm 2

Substraten noch

nicht der jetzige Standder Technikist, muss die Geometrieder LPE-Anlageauf

diese Aufgabe angepasst werden, so dass die Abscheidungsdauer minimiert und

dieSchichtqualitat auf groenFlachen maximiertwerden kann.

2.1



Ubersicht verschiedener Geometrien

kom-merzieller LPE-Anlagen

Im Grundaufbau sind sich alle LPE-Anlagen prinzipiell sehr



ahnlich. Sie

beste-hen aus einem Tiegel, der mit einer Wachstumslosung gefullt werden kann. Der

Tiegel bendet sich in einem Hohlraum, der von Schutzgas (meistens

Wasser-sto) durchstromt wird. Das Substrat bendet sich entweder bereits im Tiegel

oder kann durch eine Schleuseneinrichtung hineingefahren werden. Im F

olgen-den werden die Geometrien der drei meist verwendeten LPE-Techniken naher

beschrieben. Diese sindin Abbildung2.1skizziert. SiebeschreibtdieAnordnung

der Wachstumslosung und des Substrates vor, wahrend und nach der

epitakti-schen Abscheidung.

a) Tipping Boat-Technik

Eine der ersten LPE-Abscheidungen wurde 1963 von Nelson [27] zur

Herstel-lung von GaAs Dioden mittels der Kipptiegel-Technologie durchgefuhrt. Diese

in Abbildung 2.1 a) dargestellte Methode basiert auf dem Neigen eines Tiegels,

wobei die Losung beim Erreichen der Wachstumstemperatur uber das Substrat

Abbildung 2.1: Geometrien der drei wichtigsten LPE-Techniken. Bildfolge

a) beschreibt schematisch die LPE Abscheidung mittels der Kipptiegel- b) der

Eintauch- und c) der Gleittiegel-Technologie.

gegossen wird. Das epitaktische Wachstum wird durch das Kippen des Tiegels

in die Ausgangslage unterbrochen. Der Vorteil dieser Geometrie ist, dass keine

mechanische Durchfuhrung erforderlichist.

b) Dipping Substrate-Technik

DieEintauchtechnik(Abbildung2.1b))wurde1967vonRupprecht[28]ebenfalls

zur HerstellungvonGaAseingefuhrt.DasSubstrat wirdindieWachstumslosung

eingetaucht und nach einer bestimmten Zeit aus der Losung entfernt, wobeidas

Wachstum abbricht. Das Substrat ist bei dieser Geometrie sehr einfach

heraus-nehmbar.

c) Sliding Boat-Technik

Hyashi [29] berichtet 1969 erstmals von der Gleittiegel-Technologie, die in

Ab-bildung 2.1 c) schematisch dargestellt ist. Das Substrat bendet sich in einem

Graphithalter und kann unterhalb von mehreren Tiegelnhindurchgleiten, wobei

die Tiegel mit unterschiedlichen Wachstumslosungen gefullt sein konnen. Somit

lassen sich mitdieser Methode mehrere Schichten aus unterschiedlichen

Schmel-2.2 Die horizontale LPE-Anlage

Keine der im vorangegangenem Abschnitt erlauterte LPE-Techniken eignet sich

zur industriellen Fertigung von groachigen, dunnen Si-Schichten fur die

PV-Anwendung. Die Kipptiegel-Technologie benotigt zu lange Ladezeiten, mit der

Gleittiegel-Technologieistesnichtmoglichmehrere Schichten aufeinmalzu

pro-zessieren. Amgeeignetesten ist dieEintauchmethode, wobeisieden Nachteilder

beidseitigeBeschichtung des Substrats besitzt.

EineIdeevonPeter[20]wardeshalb,dasschnelleLPE-WachstumaufSubstraten

auf der Oberache einer lang ausgedehnten Wachstumslosung zu untersuchen.

Mit einer solchen Anordnung konnte man daran denken, dass im industriellen

Mastab die zu beschichtenden Wafer auf einer Seite beladen und entlang der

Oberache bewegt werden,bis eine hinreichend dicke epitaktische Si-Schicht

ab-geschieden ist. Hinterher werden sie auf der anderen Seite der Anlage zur

Wei-terprozessierung entladen, wie es bei einemDurchlaufofen



ublich ist.

Aus diesem Grund hat Peter [20] eine Anlage aufgebaut, mit dem Si-Wafer auf

der Oberache einer Wachstumslosung beschichtet werden konnen. Abbildung

2.2a) zeigt den schematischen Aufbau der von Peter konstruierten LPE-Anlage

und b)das Prinzipder Abscheidungsmethode.

Abbildung2.2: SchematischeDarstellung a)der verwendetenLPE-Anlageund

b) der Abscheidung auf der Oberache einer Wachstumslosung.

Diewesentliche IdeedieserAnlagebasiertaufdem horizontalenEinbringeneines

Si-Substrats,dasaufeinemQuarzstabbefestigtistundaufeinelangausgedehnte

OberacheeinerWachstumslosungpositioniertwerdenkann,wobeinureineSeite

desSubstratesbeschichtet wird(Abb.2.2b)).ImfolgendenAbschnittwerdendie

2.2.1 Aufbau und Funktionsweise des Zwei-Zonen-Ofens

Abbildung 2.3gibt diewichtigsten Komponenten der LPE-Anlage 1

wieder.

Abbildung 2.3: Schematische Darstellung der wichtigsten Komponenten des

LPE-Ofens.

Sie besteht aus einem zylindrischen, ca. 80cmlangem Quarzglasrohr mit einem

Durchmesser von55-60mm, das von zwei separatansteuerbaren Heizspulen

um-geben ist.DasRohr ist



uberzweiO-RingeaufEdelstahladaptern gelagert,diein

wassergekuhlte Kupferblocke eingespannt sind. Die beiden Heizspulen bestehen

aus einem Kantaldraht mit einem Durchmesser von 0,75mm und einem

Wider-stand vonetwa = 25cm. Die Anzahlder Windungen betragt ca. n = 40. Die

beiden Spulen sind in einemmitQuarzwolle gefutterten Ofenintegriert.

Mit dieser Anordnung wird eine Temperatur von bis zu 1050 Æ

C erreicht. Die

Temperatur wird



uber einen PC geregelt und mitzwei NiCr/Ni

Thermoelemen-ten gemessen, die zwischen dem Quarzzylinder und dem Ofen montiert sind.

In der Mitte des Ofens bendet sich ein Sichtfenster, mit dem einerseits in das

Innere des Ofens geschaut und andererseits ein Temperaturgradient eingestellt

werden kann. Die ganze Konstruktion bendet sich auf Rollen, damit die

Heiz-zonen bewegt werden konnen. Der Tiegelim Inneren des Quarzzylinders ist mit

einer metallischen Losung(In/Ga, Sn/Ga) gefullt,die mitdemabzuscheidenden

Material (Si) gesattigtist.

Auf der rechten Seite des Ofens werden die Substrate durch eine Schleuse

gela-den.DiesekannevakuiertundmitWasserstogeutetwerden.DasSubstratwird

mittels eines Quarzstabes indas Innere des Ofens gefahrenund so aufdie

Ober-1

MitdieserAnlagewurden alleSchichtenfurdie Materialcharakterisierunggewachsenund

ache der Losung gedreht, dass nur die Unterseite eingetaucht wird 2

. Wahrend

dieses Prozesses wird durch das Quarzrohr kontinuierlich Wassersto (Reinheit

>7N)durchgefuhrt, derdurcheinenPd-Filternachgereinigt wurde.Der

Wasser-stoverhindert die Oxidation des Substrats und der Losung.

Wahrenddieser Arbeitstanden zwei LPE-AnlagenmitdiesemGrundaufbau zur

Verfugung, die sich lediglich in der Groe des Ofens und damit in der

Maxi-malache der zu beschichtenden Si-Substrate unterschieden. Die kleinere

Anla-ge(2,55cm 2

maximale Substratache) wurde zur Optimierungder Parameter

verwendet,diedann aufdiegroeAnlage (1010cm 2

maximaleSubstratache)



ubertragen wurden.

Abbildung2.4: Temperaturprol des Zwei-ZonenLPE-Ofens. TE L und TE R

gibt die Position der Thermoelemente wieder.

2

In Abbildung 2.4 ist der Temperaturverlauf innerhalb des Zwei-Zonen-Ofens

(2ZO) dargestellt. Das Temperaturprol wurde mittels eines Thermoelements

auerhalb des Quarzrohres gemessen, wobei die Temperatur beider Heizspulen

auf 950 Æ

C gesetztwurde. Manerkennt deutlich einlokales Temperaturminimum

in der Mitte des Ofens, obwohl das Sichtfenster beider Temperaturmessung

ge-schlossen war.

MiteinemsolchenAufbauder ausgedehnten SchmelzeundeinemgroenT

empe-raturgradienten durchdas geonete Sichtfenster konnten vonPeter sehr schnelle

Wachstumsgeschwindigkeiten von biszu 2-4m/minerzielt werden [30]. Mittels

diesersogenannten Rapid LiquidPhase Epitaxy(RLPE)wurdeeinWirkungsgrad

von 4,5% auf 20-30m dicken Si LPE-Schichten auf hochdotierten Substraten

erreicht [30]. Da diese Zelle keine Antireexbeschichtung besa, kann man ihr

Potential auf ca. 6-6,5% abschatzen. Auallend war jedoch die niedrige oene

KlemmenspannungV

oc

,diewegeneinernichtganzlichgeschlossenen Schichtbzw.

zuhoherDefektdichtenundentsprechender Rekombinationzuniedrigausgefallen

ist.

Bei den Untersuchungen wahrend dieser Arbeit hat sich die Beschichtung der

Substrate ander Oberache der Wachstumslosung alseher problematisch

erwie-sen. Diese Schwierigkeiten basieren hauptsachlich auf dem zu groen Verhaltnis

des Volumens der Wachstumslosung V

Losung

zur Oberache des zu

beschichten-den SubstratesO

Substrat

.AusdiesemGrundwirken sichgeringeInhomogenitaten

in der Temperatur von einigen zehntel Æ

C stark auf das epitaktische Wachstum

aus 3

. Eine weitere Schwierigkeit bringt die Abscheidung auf der Oberache der

Wachstumslosung mit sich, da auf dieser Grenzache eine verstarkte

Konvekti-on vorherrscht. Auerdem istdurch diestarke Oberachenspannung der Losung

nicht sichergestellt, dass das Substrat vollig benetzt wird (vgl. Kapitel 7). W

ei-terhin verhindert der Temperaturgradient auch bei geschlossenem Zustand des

Sichtfensters bei groeren Substraten eine homogen abgeschiedene Schichtdicke.

Da dieses Sichtfenster aberin manchen Fallen notwendig war 4

, wurde die

LPE-Anlage erst zum Ende dieser Arbeit mit einem homogeneren Drei-Zonen-Ofen

(3ZO) ausgerustet.

2.2.2 Erweiterung auf Drei-Zonen-Ofen

Die schematische Darstellung des 3ZOs ist in Abbildung 2.5 zu sehen. Der

we-sentliche Unterschied dieser Anlage zum 2ZO ist diedritte Heizzone, die sich in

3

BeiderGeometriedesneuenTiegelsistdasVerhaltnisV

Losung /O

Substrat

wesentlich

gerin-ger,waszueinemkontrollierterenWachstumfuhrt.HierbeiwurdensichlediglichSchwankungen

voneinigen10 Æ

Causwirken.

4

BeidenimKapitel7beschriebenenMetallisierungsexperimentenwirdwegeneinem

schnel-lenEintauchendesSubstratsindieSn-LosungbeimanuellerBedienungderAnlageein

Sicht-Abbildung 2.5: Schematische Darstellung der wichtigsten Komponenten des

Drei-Zonen LPE-Ofens.

derMittedesOfensbendet. DieTemperaturverteilunginnerhalbdesOfenswird

mittels dreier Heizspulen von jeweils 12cm Lange gesteuert. In der Mitte jeder

HeizspulebendetsicheinThermoelement,dasdieTemperaturaneinenRechner

weitergibt, der diese auf einen konstanten Wert regelt. Da beidieser Anordnung

das Sichtfenster entfallt und beim manuellen Eintauchvorgang die Position des

Substrates



uberpruftwerdenmuss,bautemaneinenSpiegelseitlichindas

Quarz-rohrein. Umeiner Kontamination vorzubeugen,wurdeeinpolierterCz-Si Wafer

verwendet. Dieserdient einerseits als Spiegelund andererseits alsHitzeschild.

Abbildung2.6stellt dieTemperaturverteilungdes 2- und 3ZO gegenuber.

0 10 20 30 40 50

0 200 400 600 800 1000

Spule R

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