DE102009026249B4

DE102009026249B4 - Plasma unterstütztes Abscheideverfahren, Halbleitervorrichtung und Abscheidevorrichtung

Info

Publication number: DE102009026249B4
Application number: DE102009026249A
Authority: DE
Inventors: Robert Seguin; Wilhelmus Mathijs Marie Kessels; Gijs Dingemans; Peter Engelhart; Bernd Hintze; Mauritius Cornelius Maria van de Sanden
Original assignee: Q Cells SE
Current assignee: Hanwha Q Cells GmbH
Priority date: 2009-07-24
Filing date: 2009-07-24
Publication date: 2012-11-15
Anticipated expiration: 2029-07-25
Also published as: DE102009026249A1; WO2011009681A1

Abstract

Plasma unterstütztes Abscheideverfahren einer Materialschicht (5), bei dem ein erster Ausgangsstoff (7) und ein zweiter Ausgangsstoff (8) gasförmig in eine Reaktionskammer (1) eingeleitet werden und an einer chemischen Abscheidereaktion teilnehmen, durch die auf einem Oberflächenbereich (4) eines in der Reaktionskammer (1) angeordneten Substrates (3) die Materialschicht (5) abgeschieden wird, wobei die Einleitung (12) des ersten Ausgangsstoffes (7) und/oder eine Bewegung (22) des Substrates (3) derart vorgenommen wird, dass die Konzentration des ersten Ausgangstoffes (7) in einem Raum (6) oberhalb des Oberflächenbereiches (4) impulsförmig variiert wird und in dem Raum (6) zumindest teilweise eine chemische Gasphasenreaktion des ersten Ausgangsstoffes (7) mit einem Reaktionspartner abläuft, und wobei der zweite Ausgangsstoff (8) derart eingeleitet wird, dass dessen Konzentration im Raum (6) oberhalb des Oberflächenbereiches (4) konstant ist, und der zweite Ausgangsstoff (8) mittels einer Plasmaentladung für eine chemische Reaktion mit dem ersten Ausgangsstoff (7) aktiviert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Plasma unterstütztes Abscheideverfahren, eine Halbleitervorrichtung und eine Abscheidevorrichtung.
Die Effizienz von Solarzellen kann aufgrund der Rekombination von Ladungsträgern an der Solarzellenoberfläche wesentlich vermindert werden, die dann nicht mehr für die Stromerzeugung zur Verfügung stehen. Um die Solarzelleneffizienz zu steigern, muss die Rekombination an der Solarzellenoberfläche daher vermindert werden. Dies wird üblicherweise durch eine so genannte Oberflächenpassivierung realisiert.
Eine Möglichkeit der Oberflächenpassivierung besteht darin, eine dielektrische Passivierungsschicht auf die Solarzellenoberfläche aufzubringen. Eine derartige Schicht kann beispielsweise gebildet sein aus SiO₂, SiN_x, Al₂O₃ oder SiC. Vor allem Aluminiumoxid (Al₂O₃) hat sich als ein vielversprechender Kandidat für den Einsatz in industriell gefertigten Solarzellen erwiesen. Zu dessen positiven Eigenschaften gehört neben einer guten Passivierwirkung aufgrund sehr hoher negativer Flächenladungsdichten auch eine hohe Stabilität, beispielsweise gegenüber einer nachfolgenden Temperaturbehandlung in Form eines so genannten Feuerschritts, der für das Einbrennen metallischer Elektroden der Solarzelle mittels Siebdruckpasten bei der industriellen Herstellung notwendig ist.
Ein Verfahren zur zeit- und kosteneffizienten Abscheidung von Materialschichten ist die Plasma unterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD – plasma enhanced chemical vapor deposition). Hierbei werden Ausgangsstoffe kontinuierlich in eine Reaktionskammer eingeleitet, in welcher ein Substrat angeordnet ist. Dort reagieren die Ausgangsstoffe unter Einfluss einer Plasmaentladung in der Gasphase und auf der Oberfläche des Substrates miteinander, so dass letztlich auf einer Substratoberfläche eine Materialschicht in Form einer Dünnschicht abgeschieden wird. Da dieses Abscheideverfahren kontinuierlich abläuft und die Reaktionen durch die Energie des Plasmas unterstützt werden, sind sehr hohe Abscheideraten und somit auch hohe Schichtwachstumsraten erzielbar. Allerdings genügen die so hergestellten Materialschichten nicht den hohen Qualitätsanforderungen insbesondere an Al₂O₃-Passivierungsschichten, so dass PECVD-Verfahren hierfür üblicherweise nicht eingesetzt werden.
Das Verfahren, mit dem bisher qualitativ hochwertige Materialschichten, insbesondere Al₂O₃-Passivierschichten auf Solarzellenoberflächen, hergestellt werden, ist die sogenannte Atomlagenabscheidung (ALD-Verfahren, ALD – atomic layer deposition). Das ALD-Verfahren kann ebenfalls Plasma unterstützt gefahren werden. Bei diesem Verfahren werden die Ausgangsstoffe, beispielsweise Trimethylaluminium (TMA) und Sauerstoff für die Bildung von Al₂O₃, sequentiell in eine Reaktorkammer geleitet, in der das Substrat, beispielsweise ein Solarzellenwafer, angeordnet ist. Die chemische Reaktion findet dann anders als beim PECVD-Verfahren nicht auch schon in der Gasphase sondern ausschließlich auf der Oberfläche des Substrates statt. Darüber hinaus läuft die chemische Reaktion beim ALD-Verfahren in zwei Teilreaktionen auf der Substratoberfläche ab. Nur wenn diese Aufteilung möglich ist, kann das ALD-Verfahren mit einer strikten Trennung der Ausgangstoffe in der Gasphase auch funktionieren.
Bei der Plasma unterstützten ALD wird ein Reaktionspartner durch die Plasmaenergie aktiviert, so dass die Oberflächenreaktion auch stattfindet, wobei wie auch bei nicht Plasma unterstützten, thermischen ALD-Verfahren jeweils eine Monolage der Materialschicht pro Abscheidezyklus gebildet wird. Die so abgeschiedene Materialschicht ist sehr homogen. Zudem ist ihre Schichtdicke über die Zyklusanzahl quasi digital einstellbar und ihre Passiviereigenschaften sind auch auf Solarzellenniveau sehr gut, insbesondere gegenüber mit einem PECVD-Verfahren hergestellten Materialschichten. Beim ALD-Verfahren handelt es sich jedoch inhärent um ein sehr langsames Abscheideverfahren, da die Materialschicht Monolage für Monolage abgeschieden wird. Die Wirtschaftlichkeit dieser Technologie für die industrielle Fertigung ist daher trotz der sehr guten Schichteigenschaften eher zweifelhaft.
Ein weiteres Abscheideverfahren wird in WO 2005104634 A2 vorgeschlagen und in einer dort erläuterten Ausführungsform für die Abscheidung einer Al₂O₃-Schicht verwendet wird. Es handelt sich hierbei ebenfalls um ein Plasma unterstütztes Abscheideverfahren, welches in den dort aufgeführten Ausführungsformen ähnlich wie beim ALD-Verfahren in einem selbstlimitierenden Prozess abläuft und somit ebenfalls sehr geringe Schichtwachstumsraten erreichen kann. Anders als beim ALD-Verfahren wird einer der Ausgangsstoffe (Präkursoren), nämlich der aus einer Metall- oder Halbleiterverbindung bestehende Ausgangsstoff, kontinuierlich in die Reaktionskammer eingeleitet und reagiert in der Gasphase mit einem durch die Plasmaentladung aktivierten weiteren Ausgangsstoff, bei dem es sich beispielsweise um Sauerstoff handeln kann. Aufgrund der kontinuierlichen Einleitung des teuren metallischen Präkursors ist dieses Verfahren jedoch sehr kostenintensiv.
US 2008/0241382 A1 offenbart ein Verfahren zur Abscheidung einer Metallnitridschicht auf eine Halbleitervorrichtung. Dabei wird zunächst ein Substrat in einer Abscheidungskammer angeordnet. In die Kammer werden impulsförmig abwechselnd ein Metallpräkursor und ein Stickstoffpräkursor eingeleitet, wobei eine zeitliche Überschneidung der Impulse der beiden Präkursoren stattfinden kann oder vermieden wird. In jedem Fall wird der Stickstoffpräkursor mittels einer Plasmaentladung aktiviert.
US 2003/0108674 A1 offenbart ein Abscheideverfahren zur zyklischen Schichtabscheidung. Hierdurch wird eine Refraktärmetallschicht aus drei unterschiedlichen Ausgangsstoffen erzeugt. Gemäß einer Ausführungsform werden die drei Ausgangsstoffe nacheinander impulsförmig in eine Reaktionskammer geleitet, in der ein Substrat angeordnet ist. Optional kann bei dem Verfahren eine Plasmabehandlung vorgesehen sein. Diese Plasmabehandlung dient der Reinigung von Innenoberflächen der Reaktionskammer von Abscheidungen und reaktiven Ausgangsstoffen.
Aus EP 0 526 779 A1 ist ein Abscheideverfahren zur Abscheidung von Siliziumschichten auf einer Molybdän- oder Indiumzinnoxid-Oberfläche zur Herstellung von Dünnschichttransistor-Bauelementen bekannt. Bei dem bekannten Verfahren wird ein Substrat in einer Reaktionskammer angeordnet, in die Monosilan (SiH₄) impulsförmig eingeleitet wird. In der Reaktionskammer liegt hierbei ein Plasma vor, welches mithilfe einer Plasmaentladung innerhalb einer Wasserstoffumgebung erzeugt wird. Das Plasma dient zum einen zur Aktivierung des Monosilans um elementares Silizium für die Abscheidung zu erhalten. Außerdem soll mit dem Wasserstoff bei Abwesenheitsperioden des Silans eine Oberflächenmodifizierung des Substrates erreicht werden.
DE 10 2005 003 336 B3 offenbart ein Abscheideverfahren, bei dem die Ausgangsstoffe impulsförmig an die Substratoberfläche geleitet und mittels eines Plasmas aktiviert werden. Das Plasma wird hierbei nur in den Pausen zwischen den Zufuhrimpulsen eingeschaltet. Wenngleich darin betont wird, dass das Schichtwachstum vorwiegend durch Oberflächenreaktion erfolgt, wird auch in Kauf genommen, dass zusätzlich hierzu eine Gasphasenabscheidung aufgrund einer Gasphasenreaktion erfolgen kann.
WO 2008/104059 A1 betrifft ein Abscheideverfahren, welches auch bei Solarzellen verwendet werden kann, insbesondere zur Oberflächenpassivierung. Hierbei wird ein erster Ausgangsstoff impulsförmig in die Reaktionskammer geleitet. In einer Ausführungsform wird ein weiteres Reaktionsgas in die Kammer geleitet, beispielsweise Sauerstoff oder eine Sauerstoffverbindung.
US 2004/0224504 A1 offenbart ein Plasma unterstütztes Verfahren zur Behandlung einer Monolage. Dabei wird ein Ausgangsmaterial mittels einer Plasmaentladung aktiviert und, reagiert mit einer auf einer Substratoberfläche adsorbierten Schicht. Die hierin beschriebene Reaktion läuft somit ausschließlich als Oberflächenreaktion auf der Substratoberfläche ab.
Aus WO 2009/042713 A1 ist ein weiteres Abscheideverfahren bekannt, mit dem eine wolframhaltige Schicht erzeugt wird. Hierzu wird das zu beschichtende Substrat einem kontinuierlichen Strom eines Silizium-Ausgangsstoffes und einem impulsförmigen Strom eines Wolfram-Ausgangsstoffes ausgesetzt. Ferner wird bei dem bekanten Verfahren ein Plasma unterstütztes Vorsäubern der Substratoberfläche eingesetzt.
Ferner offenbart DE 10 2008 028 537 A1 ein Abscheideverfahren für eine Kratzschutzbeschichtung auf einem Kunststoffsubstrat. Bei dem in DE 10 2008 028 537 A1 beschriebenen Abscheideverfahren wird die Zufuhr der dazu verwendeten Ausgangsmaterialien periodisch erhöht und gedrosselt, um eine abgeschiedene Schicht mit periodisch variierender Dichte zu erhalten.
Schließlich wird in US 2003/0089308 A1 ein Abscheideverfahren offenbart, bei dem die Reaktanten impulsförmig sequenziell eingeleitet werden. Einer der Reaktanten kann hierbei mittels eines Plasmas aktiviert sein.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Abscheideverfahren, eine Halbleitervorrichtung und eine Abscheidevorrichtung bereitzustellen mit denen beziehungsweise bei denen eine qualitativ hochwertige Materialschicht zeit- und kosteneffektiv verwirklicht werden kann.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Plasma unterstütztes Abscheideverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Halbleitervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 14 und durch eine Abscheidevorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
Die Erfindung beruht einerseits auf den Gedanken, dass das Ablaufen einer Gasphasenreaktion zu einer beschleunigteren Schichtabscheidung führt, als eine ausschließlich auf selbstlimitierend ablaufenden chemischen Reaktionen auf der Substratoberfläche beruhende Schichtabscheidung. Zum Anderen beruht sie auf der Überlegung, den ersten Ausgangsstoff mit einer impulsförmigen Konzentrationsvariierung in einen Raum oberhalb eines Oberflächenbereiches des Substrates zu geben, bei dem es sich wie nachfolgend erläutert wird, um einen für die Materialschichtabscheidung auf dem Oberflächenbereich maßgeblichen Reaktionsraum handelt. Hierbei wird der durch Plasmaentladung aktivierte zweite Ausgangsstoff entweder ebenfalls impulsförmig in seiner Konzentration im Raum variiert, oder er kann dort kontinuierlich hinzugefügt werden. Aufgrund einer impulsförmigen Einleitung des ersten Ausgangsstoffes kann eine effizientere Nutzung hiervon stattfinden.
Bei der chemischen Abscheidereaktion handelt es sich um die Gesamtheit von Teilreaktionen, die in der Gasphase beginnen, dabei zumindest teilweise im Raum oberhalb der Substratoberfläche ablaufen, und in der festen Phase in Form der Materialschicht auf der Substratoberfläche enden. Es sind von der Abscheidereaktion ebenfalls eventuelle chemische Reaktionen auf der Substratoberfläche umfasst, wie beispielsweise eine Konditionierung der Substratoberfläche mittels Plasma aktivierter Reaktanten. Hierbei bedeutet die Teilnahme der beiden Ausgangsstoffe an der chemischen Abscheidereaktion, dass auch weitere Ausgangsstoffe hieran beteiligt sein können, vorzugsweise sind jedoch nur der erste und der zweite Ausgangsstoff hieran beteiligt.
Bei dem Oberflächenbereich kann es sich um im Wesentlichen die gesamte Substratoberfläche handeln. Der Raum oberhalb des Oberflächenbereiches ist jener diesen Oberflächenbereich innerhalb der Reaktionskammer benachbart umgebende Raum, in dem sich Reaktionsprodukte aufgrund von Gasphasenreaktionen bilden, die als Teil der gesamten Abscheidereaktion zur Abscheidung der festen Dünnschicht auf dem Oberflächenbereich führen. Mit anderen Worten, es handelt sich bei dem Raum um den für die Abscheidung auf dem zugeordneten Oberflächenbereich maßgeblichen Raumbereich.
Die vorangehende sowie nachfolgende Erwähnung der impulsförmigen Konzentrationsvariierung ebenso wie jeglicher impulsförmiger Verlauf sich zeitlich verändernder Variablen oder Parameter bezieht sich nicht nur auf den Fall, dass ein im Wesentlichen rechteckiger Verlauf vorliegt, sondern schließt zeitlich betrachtet wiederholt impulsförmige Variierungen mit ein. Da streng rechteckförmige Verläufe physikalisch nicht möglich sind, werden die Flanken derartiger Impulse zwangsläufig einen mehr oder minder steilen Verlauf aufweisen. Das impulsförmige Variieren der Konzentration eines Ausgangstoffes in dem Raum kann beispielsweise mittels einer impulsförmigen Strömung des Ausgangsstoffes in den Raum erzielt werden.
Eine auf diese Weise erzeugte Materialschicht kann neben der bereits erwähnten zeit- und kosteneffizienten Herstellung auch weitere Vorteile bieten, wie beispielsweise eine bessere Schichtqualität. Insbesondere weist eine mit diesem Verfahren erzeugte Passivierungsschicht für eine Wafersolarzelle eine zum Teil bessere Passivierqualität auf, als mittels ALD-Verfahren hergestellte Passivierungsschichten, was zu einer geringeren Oberflächenrekombinationsrate auf der so passivierten Solarzellenoberfläche und somit zu Solarzellen mit einem höheren Wirkungsgrad führt.
Bei einem beidseitig mittels derart abgeschiedenen Al₂O₃-Passivierungsschichten passivierten Siliziumwafer können bei in den Halbleiter mittels geeigneter Belichtung injizierten Minoritätsladungsträgerdichten von etwa 10¹³ cm^–3 bis etwa 3 × 10¹⁵ cm^–3 effektive Ladungsträgerlebensdauern im Bereich von etwa 10 bis 20 Millisekunden erreicht werden. Hierbei hängt die gemessene Lebensdauer neben der Rekombinationseigenschaften an der Substratoberfläche auch von der Güte und der Dotierung des Halbleitermaterials. Die vorangehend aufgeführten Wertebereiche gelten insbesondere für einen n-Typ Siliziumwafer mit einem spezifischen Widerstand von etwa 3 Ohm cm, welcher aus einem Zonenschmelzverfahren hervorgegangen ist (sogenanntes FZ-Material, FZ – float-zone).
Der vorliegend verwendete Begriff der Konzentration bezieht sich bei allen her aufgeführten Ausgangsstoffen und Reaktanten in der Regel auf eine Stoffmenge oder eine Teilchenzahl pro Volumen. Als zweiter Ausgangsstoff kann beispielsweise molekularer Sauerstoff verwendet werden. Es sind jedoch auch weitere mittels Plasmaentladung aktivierbare Stoffe oder Stoffverbindungen denkbar. Dies schließt Stoffe und Stoffverbindungen ein, die auch ohne eine Plasmaentladung aktiv sind, deren Aktivität jedoch mittels Plasmaentladung gesteigert wird.
Die Abscheidevorrichtung zumindest umfassend eine Reaktionskammer, eine Transportvorrichtung, eine Mehrzahl von Einleitungseinheiten, beispielsweise Einleitungsdüsen, eine Steuerungsvorrichtung und eine Plasmaentladevorrichtung ist vorzugsweise als eine Inline-Vorrichtung konzipiert. Sie kann somit in einer Solarzellen-Fertigungslinie integriert werden. Mittels der Transportvorrichtung, welche durch die Steuerungsvorrichtung gesteuert wird, wird hierbei das Substrat entlang einer Substratbewegungsrichtung durch die Reaktionskammer von einem Startabschnitt zu einem Endabschnitt fortbewegt, bei denen es sich bevorzugt um einen Eingang beziehungsweise einen Ausgang der Reaktionskammer handelt.
Gleichwohl können die vorangehend erläuterten Ausführungsformen des Plasma unterstützten Abscheideverfahrens auch mit einfacheren Abscheidevorrichtungen durchgeführt werden. Insbesondere kann mittels ausschließlich einer zeitabhängigen Ansteuerung einer einzelnen oder mehrerer Einleitungseinheiten das impulsförmige Variieren der Ausgangsstoff-Konzentrationen innerhalb des Raumes oberhalb des Oberflächenbereichs erreicht werden. Ein Bewegen oder Transportieren des Substrates mittels einer Transportvorrichtung könnte dann entfallen.
Die Plasmaentladevorrichtung, welche zum Aktivieren des zweiten Ausgangsstoffes die Plasmaentladung erzeugt, kann eine hierfür geeignete Methode der Energiezufuhr verwenden. Üblicherweise wird jedoch für diesen Zweck eine Ansteuerung mittels einer Hochfrequenz-Spannung beziehungsweise mittels Hochfrequenz-Strömen bevorzugt, wenngleich auch eine Plasmaerzeugung mittels Zufuhr elektromagnetischer Strahlung möglich ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Konzentration des ersten Ausgangsstoffes in dem Raum oberhalb des Oberflächenbereichs impulsförmig derart reduziert wird, dass die Abscheidung der Materialschicht im Wesentlichen unterbunden wird. Hierzu wird die Konzentration des ersten Ausgangsstoffes derart reduziert, dass sie beispielsweise unterhalb eines für die Aufrechterhaltung der chemischen Abscheidungsreaktion notwendigen Konzentrationsschwellwertes fällt. Üblicherweise wird die Konzentration auf null reduziert, so dass im Wesentlichen kein Ausgangsstoff mehr in dem Raum vorhanden ist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass der zweite Ausgangsstoff mittels der Plasmaentladung für die chemische Gasphasenreaktion mit dem ersten Ausgangsstoff aktiviert wird. In diesem Fall fungiert der zweite Ausgangsstoff also als Reaktionspartner für die chemische Gasphasenreaktion mit dem ersten Ausgangsstoff.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass als Reaktionspartner für die chemische Gasphasenreaktion mit dem ersten Ausgangsstoff ein dritter Ausgangsstoff gasförmig in die Reaktionskammer eingeleitet wird. Auch dieser dritte Ausgangsstoff kann mittels einer Plasmaentladung, beispielsweise erzeugt durch die Plasmaentladevorrichtung oder durch eine weitere hiervon unabhängige Plasmaentladevorrichtung, für die chemische Gasphasenreaktion mit dem ersten Ausgangsstoff aktiviert werden. Vorzugsweise wird jedoch als dritter Ausgangsstoff ein Stoff oder eine Verbindung verwendet, welche auch ohne die Mithilfe einer Plasmaentladung reaktiv ist. Beispielsweise kann anstelle von molekularem Sauerstoff (O₂) Wasser (H₂O) oder Ozon (O₃) eingesetzt werden.
Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass der dritte Ausgangsstoff derart eingeleitet wird, dass dessen Konzentration im Raum oberhalb des Oberflächenbereiches ebenfalls impulsförmig variiert wird. Das Variieren der Konzentrationen des dritten Ausgangsstoffes kann in dieser wie in der nachfolgenden Ausführungsform zusätzlich oder ausschließlich mithilfe einer Bewegung des Substrates in der Reaktionskammer gesteuert werden.
Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der dritte Ausgangsstoff derart eingeleitet wird, dass dessen Konzentration im Raum oberhalb des Oberflächenbereiches alternierend impulsförmig variiert wird.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der zweite Ausgangsstoff derart eingeleitet wird, dass dessen Konzentration im Raum oberhalb des Oberflächenbereiches im Wesentlichen konstant ist. Bei einem derartig konstant vorliegenden zweiten Ausgangsstoff kann die Reaktionsfähigkeit gesteuert werden, indem der zweite Ausgangsstoff mittels Steuerung der Plasmaentladung zeitlich variiert aktiviert wird.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Plasmaentladung für die Aktivierung des zweiten Ausgangsstoffes auf einen Plasmaraum beschränkt ist, welcher einen Abstand zum Oberflächenbereich des Substrates aufweist. Es handelt sich also hierbei um ein indirektes Plasma, welches nicht bis zur Oberfläche des Substrates reicht. Auf diese Weise erreicht man, dass zwar die Aktivierung des zweiten Ausgangsstoffes für die chemische Reaktion mit dem ersten Ausgangsstoff stattfindet, dass jedoch der Oberflächenbereich des Substrates nicht unter dem direkten Einfluss der eingesetzten Plasmaentladung steht. Alternativ hierzu kann die für die Aktivierung des zweiten Ausgangsstoffes verwendete Plasmaentladung bis zum Oberflächenbereich des Substrates reichen. In diesem Fall ist die Rede von einem direkten Plasma.
Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass die Plasmaentladung derart angesteuert wird, dass der Oberflächenbereich zumindest zeitweise konditioniert wird. Bei der Konditionierung des Oberflächenbereiches handelt es sich um eine Wechselwirkung zwischen Teilchen auf der Substratoberfläche und dem darüber liegenden Plasma zur Beeinflussung physikalischer und/oder chemischer Eigenschaften der erzeugten Materialschicht. Eine derartige Konditionierung des Oberflächenbereiches findet vorzugsweise vor jedem impulsförmigen Auftreten des ersten Ausgangsstoffes in dem Raum oberhalb der Substratoberfläche statt. Hierbei kann weiterhin für die Aktivierung des zweiten Ausgangsstoffes ein indirektes Plasma verwendet werden, das zum Oberflächenbereich der Substratoberfläche einen Abstand bildet, während für die Konditionierung des Oberflächenbereiches zwischen den Impulsen des ersten Ausgangsstoffes auf ein direktes Plasma umgeschaltet wird.
Alternativ kann das gleiche direkte Plasma für die Aktivierung des zweiten Ausgangsstoffes und gleichzeitig für die Konditionierung des Oberflächenbereiches verwendet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass ein Inertgas in die Reaktionskammer derart eingeleitet wird, dass es den Raum oberhalb des Oberflächenbereiches kontinuierlich oder impulsförmig erreicht. Vorzugsweise wird der Raum mittels des Inertgases impulsförmig von den sich dort befindenden Ausgangsstoffen frei gespült. Zumindest kann jedoch das impulsförmige Reduzieren der Konzentration eines oder mehrerer der Ausgangsstoffe mittels des Inertgases derart erreicht werden, dass die Abscheidung der Materialschicht im Wesentlichen unterbunden wird. Alternativ kann es sich bei dem Inertgas lediglich um einen Puffer oder ein Trägergas handeln, mit dem der Ablauf der chemischen Gasphasenreaktion gesteuert wird, oder das zur Dosierung eines oder mehrerer der Ausgangsstoffe verwendet wird.
Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass der erste Ausgangsstoff eine Metall- oder Halbleiterverbindung umfasst, bevorzugt Trimethylaluminium (Al(CH₃)₃) oder Aluminiumchlorid (AlCl₃). Es können jedoch auch andere für die Dünnschichtabscheidung geeignete Präkursoren verwendet werden, insbesondere organometallische Präkursoren. Weitere Beispiele für den erste Ausgangsstoff bilden beispielsweise Trimethylamin-Alan (TMAA ((CH₃)₃NAlH₃) oder Aluminium-Acetylacetonat (Al(C₅H₇O₂)_n, wobei vorzugsweise n = 3 ist, dieses Material wird auch kurz als Al(acac)₃ bezeichnet). Als mögliche Kandidaten für den zweiten Ausgangsstoff kommen beispielsweise Sauerstoff (O₂) oder Distickstoffmonoxid (N₂O) in Frage.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass als Substrat eine Wafer-Solarzelle bereitgestellt wird und als Materialschicht eine Passivierungsschicht zur Oberflächenpassivierung der Solarzelle erzeugt wird.
Zweckmäßigerweise ist vorgesehen, dass die Einleitung des zweiten und/oder des dritten Ausgangsstoffes und/oder eine Bewegung des Substrates derart vorgenommen wird, dass die Konzentration des dritten Ausgangstoffes in einem Raum oberhalb des Oberflächenbereiches impulsförmig variiert wird. Wie das Variieren der Konzentration des ersten Ausgangsstoffes, wird die impulsförmige Konzentrationsvariierung des dritten Ausgangstoffes in dem Raum oberhalb des Oberflächenbereiches vorzugsweise ausschließlich mittels Steuerung der Einleitung des jeweiligen Ausgangsstoffes in die Reaktionskammer oder ausschließlich mittels der Bewegung des Substrates durch ein räumlich variierendes Konzentrationsprofils in der Reaktionskammer erzielt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das impulsförmige Variieren der Konzentration des ersten Ausgangstoffes in dem Raum oberhalb des Oberflächenbereiches mit einer Impulsdauer von zwischen etwa 0,5 Sekunden bis etwa 2 Sekunden erfolgt, vorzugsweise mit einer Impulsdauer von etwa 1 Sekunde. Diese Werte können bei einer rein zeitlichen Steuerung der Einleitungseinheiten mittels impulsförmigem Einleiten des ersten Ausgangsstoffes mit einer Impulsdauer von etwa 5 Millisekunden bis etwa 50 Millisekunden erreicht werde, vorzugsweise mit einer Impulsdauer von etwa 20 Millisekunden. Bei letzteren Werten kann es sich also beispielsweise um Ventilöffnungszeiten handeln. Sämtliche Impulsdauer-Werte können beispielsweise als Halbwertsbreite gemessen werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das impulsförmige Variieren der Konzentration des ersten Ausgangstoffes in dem Raum oberhalb des Oberflächenbereiches mit einem Impulsabstand von zwischen etwa 0,1 Sekunden und etwa 5 Sekunden erfolgt, vorzugsweise mit einem Impulsabstand von etwa 3,5 Sekunden. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um den Abstand zwischen zwei Impuls-Spitzenwerten.
Die für die Materialschicht-Herstellung optimalen Impulsdauern und Impulsabstände können unter anderem abhängig sein von der gewählten Reaktorgeometrie, aber auch von Ventilschaltzeiten der Einleitungseinheiten. Die vorangehend genannten Werte gelten insbesondere aber nicht ausschließlich für Einzelwafer-Reaktorkammern, welche verhältnismäßig klein ausgebildet sind. Bei produktionstechnischen Abscheidevorrichtungen mit großvolumigeren Reaktionskammern können sowohl die Impulsdauern als auch die Impulsabstände deutlich länger gewählt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass bei jedem Impuls der impulsförmigen Variierung der Konzentration des ersten Ausgangstoffes eine Materialteilschicht der Materialschicht mit einer Schichtdicke von zwischen etwa 0,1 nm und etwa 5 nm erzeugt wird, bevorzugterweise zwischen etwa 0,2 nm und etwa 0,5 nm, eher bevorzugt mit einer Schichtdicke von etwa 0,35 nm.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Abscheidevorrichtung ist vorgesehen, dass die Plasmaentladung in Richtung der Substratbewegungsrichtung betrachtet vor und hinter mindestens einer der Einleitungseinheiten angeordnet ist. Hierbei kann die Plasmaentladung räumlich gesehen oberhalb der Einleitungseinheiten angeordnet sein, somit auf einer dem Substrat abgewandten Seite der Einleitungseinheiten. In einem solchen Fall handelt es sich also um ein indirektes Plasma, welches keinen direkten Einfluss in Form einer Konditionierung der Solarzellenoberfläche nimmt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Abscheidevorrichtung ist vorgesehen, dass die Plasmaentladevorrichtung einen Plasmaentladeraum erzeugt, der eine Mehrzahl von Einleitungseinheiten überspannt oder umfasst. Im letzteren Fall sind somit die Einleitungseinheiten innerhalb des Plasmaentladeraumes angeordnet.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Plasmaentladevorrichtung eine Mehrzahl von Plasmaentladeeinheiten umfasst, die entlang der Substrattransportrichtung betrachtet jeweils räumlich voneinander getrennte Plasmaentladeräume aufweisen. Bei dieser Ausführungsform können die Plasmaentladeräume jeweils unterschiedliche Plasmaparameter aufweisen. Hierdurch steigt die Flexibilität in der Anwendung der Abscheidevorrichtung. Ein weiterer Grund für erhöhte Flexibilität gegenüber beispielsweise einer als Inline-Vorrichtung konzipierten PEALD-Abscheidevorrichtung ist die, dass die Schichtdicke der abgeschiedenen Materialschicht bei der PEALD-Abscheidevorrichtung nach einmal bei der Anlagenkonzeption vorbestimmter Vorrichtungslänge (und damit Anzahl der Abscheidezyklen) feststeht. In der vorliegenden Ausführung besteht die Möglichkeit, mittels Variation von Prozessparametern (beispielsweise TMA-Menge oder Plasmaintensität), unterschiedlich dicke Materialschichten abzuscheiden.
Mit den vorangehend und nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen des Abscheideverfahrens und der Abscheidevorrichtung lassen sich neben Materialschichten aus Al₂O₃ mit sehr guten Schichtqualitäten bei geeigneter Auswahl der Ausgangsstoffe unter anderem Materialschichten aus folgenden Materialien abscheiden:
Aluminiumoxynitrid (Al_xO_yN_z) oder Aluminumnitrid, wobei als Ausgangsstoffe Aluminum-Präkursoren sowie N₂, H₂, NH₃, N₂O und/oder O₂ eingesetzt werden können. Derartige Materialschichten können beispielsweise für Antireflexions- und/oder Passivierungsanwendungen verwendet werden.
TiO₂, wobei als Ausgangsstoffe Titantetrachlorid (TiCl₄), Tetraisopropyltitanat (TIPT, Ti(OC₃H₇)₄) und/oder Tetraethoxytitanat (TEOT, Ti(C₂H₅)₄) eingesetzt werden können. TiO₂-Materialschichten eignen sich beispielsweise als Antireflexionsbeschichtung. Tantaloxid (Ta₂O₅), wobei als Ausgangsstoffe Tantalpentaethoxid (Ta(OC₂H₅)₅ oder Ta(OCH₃)₅) eingesetzt werden können. Tantaloxid-Materialschichten eignen sich beispielsweise als Korrosionsschutzschichten.
SiO₂, wobei als Ausgangsstoffe Tetraethoxysilan (TEOS, Si(OC₂H₅)₄), Hexamethyldisiloxan (HMDSO) und/oder Tetramethyldisiloxan (TMDSO) eingesetzt werden können. SiO₂-Materialschichten eignen sich für unterschiedliche Zwecke, wie beispielsweise Oberflächenpassivierung.
SiN, wobei als Ausgangsstoffe Hexamethyldisilazan (HMDSN) und/oder Hexamethylcyclotrisilazan (HMCTSZN) eingesetzt werden können. SiN-Materialschichten eignen sich beispielsweise für Passivierungs- und/oder Antireflexionsanwendungen.
Ebenso können Schichtsysteme aus unterschiedlichen Materialien abgeschieden werden, indem beispielsweise in einem kontinuierlich ablaufenden Abscheideverfahren die Ausgangsstoffe und/oder ihre Kombinationen gewechselt werden. Ein Beispiel hierfür bilden Schichtsysteme, die Al₂O₃-Materialschichten und Al_xO_yN_z-Materialschichten umfassen. Als ein weiteres Beispiel sei ein Schichtsystem umfassend Al₂O₃-Materialschichten und TiO₂-Materialschichten genannt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine schematische Querschnittsansicht einer Abscheidevorrichtung;
2a und 2b Zeitdiagramme für bekannte PEALD-Abscheideverfahren;
3 ein Zeitdiagramm für ein bekanntes PECVD-Abscheideverfahren;
4a bis 4i Zeitdiagramme von Abscheideverfahren gemäß bevorzugten Ausführungsformen;
5 eine Anordnung für ein Inline-Abscheideverfahren gemäß einer Ausführungsform; und
6 eine Anordnung für ein Inline-Abscheideverfahren gemäß einer weiteren Ausführungsform.
Die 1 zeigt die Anordnung eines Substrates 3 in einer Reaktionskammer 1 der Abscheidevorrichtung 10 in einer schematischen Querschnittsansicht. Das Substrat 3 ist auf einem Substrathalter 2 angeordnet, mittels dessen das Substrat 3 beispielsweise auf eine optimale Abscheidetemperatur erwärmt oder abgekühlt werden kann. Über einen Oberflächenbereich 4, welcher sich im vorliegenden Fall über eine gesamte Oberfläche des Substrates in Form einer Solarzelle 3 ausbreitet, erstreckt sich ein Raum 6, der mit einer gestrichelten Linie kenntlich gemacht ist. Wie in der 1 angedeutet, befinden sich in der Reaktionskammer 1 in einem Gasgemisch ein erster Ausgangsstoff 7 und ein zweiter Ausgangsstoff 8. Durch eine chemische Abscheidereaktion, an der die beiden Ausgangsstoffe 7, 8 teilnehmen, wird auf dem Oberflächenbereich 4 des Substrates 3 die Materialschicht 5 abgeschieden.
Als Raum 6 oberhalb des Oberflächenbereiches 4 soll vorliegend nur jener räumliche Bereich in der Reaktionskammer 1 angesehen werden, bei dem die sich darin befindenden Ausgangsstoffe und die darin ablaufenden Vorgänge, insbesondere chemischen Gasphasenreaktionen, einen direkten Einfluss auf den darunterliegenden Oberflächenbereich 4 haben. Insbesondere sind die Vorgänge und Ausgangsstoffe in dem Raum 6 sowie ihre zeitliche Abfolge für die Abscheidung und gegebenenfalls für die Konditionierung der Materialschicht 5 auf dem Oberflächenbereich 4 durch ein hier nicht dargestelltes Plasma maßgeblich.
Die Abscheidevorrichtung 10 umfasst ferner eine Einleitungseinheit 9, beispielsweise ausgestaltet als eine Einleitungsdüse. Mittels der Einleitungseinheit 9 werden der erste Ausgangsstoff 7 und der zweite Ausgangsstoff 8 und gegebenenfalls weitere Ausgangsstoffe, Reaktanten und/oder inerte Stoffe in die Reaktionskammer 1 eingeleitet. In alternativen Ausführungsformen können weitere Einleitungseinheiten 9 vorgesehen sein, durch welche jeweils unterschiedliche Stoffe in die Reaktionskammer 1 eingeleitet werden. Bevorzugt werden sogar mehrere Einleitungseinheiten 9 verwendet, um einen der Ausgangsstoffe in die Reaktionskammer 1 einzuleiten.
In den folgenden 2a, 2b, 3 und 4 werden mittels Zeitablaufdiagrammen schematisch die zeitlichen Ansteuerungen der Einleitungseinheiten 9 für die Einleitung der unterschiedlichen Gase in die Reaktionskammer, sowie die Energiezufuhr für die Plasmaentladung veranschaulicht. Im Folgenden wird von einer Hochfrequenzansteuerung zur Plasmaerzeugung gesprochen, wobei jedoch auch andere geeignete Arten der Energiezufuhr angewendet werden können. Wenngleich im Folgenden davon ausgegangen wird, dass in den folgenden Figuren die zeitliche Ansteuerung der Einleitungseinheiten 9 dargestellt sind, kann es sich bei den darin gezeigten Diagrammen auch um eine schematische Darstellung der Konzentrationen der jeweiligen Gase in dem Raum 6 oberhalb des Oberflächenbereiches 4 handeln. In Abhängigkeit von der räumlichen Anordnung der Einleitungseinheiten 9 und des Substrates 3 in der Reaktionskammer 1 ist mit einem Zeitversatz zwischen der Einleitung eines Stoffes in die Reaktionskammer 1 (beziehungsweise der Ein leitungsansteuerung) und einer korrespondierenden Änderung der Konzentration dieses Stoffes in dem Raum 6 zu rechnen.
In allen nun folgenden Zeitdiagrammen wird folgendes dargestellt: Die erste (oberste) Zeile zeigt die zeitliche Einleitungseinheitsansteuerung 11 für das Einleiten eines Inertgases, die zweite Zeile zeigt die zeitliche Einleitungseinheitsansteuerung 12 für den ersten Ausgangsstoff 7, die dritte Zeile zeigt die zeitliche Einleitungseinheitsansteuerung 13 für den zweiten Ausgangsstoff 8 und die vierte Zeile zeigt die zeitliche Hochfrequenzansteuerung 14 zur Plasmaerzeugung. In den Zeitdiagrammen wird angenommen, dass die jeweiligen Ansteuerungen digital erfolgen. Anders ausgedrückt, die Ansteuerung ist entweder aktiviert oder deaktiviert. In jedem Zeitdiagramm sind eineinhalb Abscheidungszyklen dargestellt. Eine Abscheidung umfasst in der Regel eine Vielzahl von Abscheidungszyklen um eine ausreichende Schichtdicke zu erzielen, so dass die hier dargestellten Zeitdiagramme sich periodisch fortsetzen würden.
Im aktivierten Zustand wird durch die jeweilige Einleitungseinheit das zugehörige Gas oder der zugehörige Ausgangsstoff mit einem vorbestimmten Druck eingeleitet, während die Hochfrequenzquelle zur Plasmaerzeugung im aktivierten Zustand eingeschaltet ist. In Wirklichkeit wird jede Ansteuerung eine Anstiegs- und eine Abfallzeit aufweisen, welche je nach Bauart der hier verwendeten mechanischen und elektronischen Komponenten mehr oder weniger kurz sein können.
Die 2a, 2b und 3 stellen die Situation für den bekannten Stand der Technik dar. Während sich die 2a und 2b auf zwei unterschiedliche Plasma unterstützte Atom lagenabscheidungsverfahren (PEALD-Verfahren) beziehen, ist in der 3 das Zeitdiagramm für ein Plasma unterstütztes chemisches Gasphasenabscheideverfahren (PECVD-Verfahren) dargestellt. Bei dem bekannten PEALD-Verfahren gemäß der 2a werden im ständigen Wechsel die beiden Ausgangsstoffe 7 und 8 in die Reaktionskammer 1 eingeleitet, wobei im zweiten Ausgangsstoff 8 mittels der Hochfrequenzansteuerung 14 ein Plasma gezündet wird, welches ihn für eine chemische Reaktion aktiviert. Zwischen Phasen der Einleitung der beiden Ausgangsstoffe 7 und 8 wird die Reaktionskammer 1 mittels Inertgas gespült, was durch die zugehörige Einleitungseinheitsansteuerung 11 verdeutlicht ist. Dies geschieht, damit die beiden Ausgangsstoffe 7 und 8 nicht gleichzeitig in der Gasphase in der Reaktionskammer 1 vorliegen, sondern ausschließlich auf der Oberfläche ideal in einem Monolayer miteinander reagieren, so dass keine Gasphasenreaktion stattfinden kann.
Das in 2b dargestellte Zeitdiagramm unterscheidet sich lediglich dadurch von der 2a, dass der zweite Ausgangsstoff kontinuierlich in die Reaktionskammer 1 eingeleitet wird. Da die Hochfrequenzansteuerung 14 zur Plasmaerzeugung weiterhin impulsförmig erfolgt, findet die Plasmaerzeugung und somit die Aktivierung des zweiten Ausgangsstoffes 8 ebenfalls impulsförmig statt. In diesem Fall ist es im Wesentlichen unschädlich, dass die beiden Ausgangsstoffe 7 und 8 zeitweise gleichzeitig in der Reaktionskammer 1 sind, da eine chemische Gasphasenreaktion auch dann nicht stattfinden kann.
Die 3 zeigt den entsprechenden zeitlichen Verlauf beim PECVD-Verfahren. Wie bereits einleitend erläutert, handelt es sich hierbei um ein kontinuierliches Abscheideverfahren, bei dem die Ansteuerungen 12 und 13 der Einleitungseinheiten 9 für die beiden Ausgangsstoffe 7 und 8 und auch die Hochfrequenzansteuerung 14 gleichzeitig und kontinuierlich erfolgen. Somit koexistieren in der Reaktionskammer 1 der erste Ausgangsstoff 7 und ein mittels Plasmaentladung aktivierter zweiter Ausgangsstoff 8. Die Einleitungseinheitsansteuerung 11 für das Inertgas ist dementsprechend deaktiviert.
Die 4a bis 4i zeigen in Diagrammform die zeitlichen Verläufe der Ansteuerungen 11, 12, 13 für die Einleitungseinheiten 9 zum Einleiten von Inertgas, erstem Ausgangsstoff 7 und zweitem Ausgangsstoff 8 sowie für die Hochfrequenzansteuerung 14 in beispielhaften Ausführungsformen eines Plasma unterstützten Abscheideverfahrens. Während in den in 4a bis 4c dargestellten Fällen die Ansteuerung 13 für die Einleitung des zweiten Ausgangsstoffes 8 kontinuierlich aktiviert ist und somit die Konzentration des zweiten Ausgangsstoffes 8 in dem Raum 6 oberhalb des Oberflächenbereiches 4 konstant ist beziehungsweise gehalten wird, erfolgt die Zufuhr des zweiten Ausgangsstoffes 8 in den Ausführungsformen gemäß 4d bis 4f impulsförmig. In allen Ausführungsformen findet jedoch die Einleitung des ersten Ausgangsstoffes 7 ausschließlich impulsförmig statt. Hierbei ist vorteilhafterweise eine Impulsdauer für die Ansteuerung 12 wesentlich kürzer, als ein Impulsabstand zwischen zwei Impulsen, wenngleich diese beiden Parameter zumindest in den 4a bis 4c gleich lang zu sein scheinen. Bevorzugterweise ist die Impulsdauer um etwa zwei Größenordnungen kürzer als der Impulsabstand.
Gemäß der 4a findet abwechselnd eine Einspeisung des ersten Ausgangsstoffes 7 und eine Einspeisung des Inertgases statt, wobei die Einspeisung des zweiten Ausgangsstoffes 8 und seine Aktivierung mittels Plasmaentladung kontinuierlich erfolgt. Gegenüber diesem Fall wird bei der Ausführungsform gemäß der 4b das Inertgas kontinuierlich eingeleitet, während es bei der Ausführungsform gemäß der 4c gänzlich vermieden wird. Im letzteren Fall kann der kontinuierlich eingeleitete zweite Ausgangsstoff die Spülfunktion übernehmen.
In der Ausführungsform des Plasma unterstützten Abscheideverfahrens gemäß der 4f werden, wie in dem Fall gemäß 4a, der erste Ausgangsstoff 7 und das Inertgas abwechselnd eingeleitet. Anders als in der Ausführungsform gemäß 4a wird jedoch auch der zweite Ausgangsstoff 8 im Wesentlichen gleichzeitig mit dem ersten Ausgangsstoff 7 impulsförmig eingeleitet und auch mittels impulsförmiger Hochfrequenzansteuerung 14 eine Plasmaentladung erzeugt. Hiervon unterscheiden sich die Ausführungsformen gemäß den 4d und 4e dadurch, dass das impulsförmige Einleiten des ersten Ausgangsstoffes 7 mit einer halben Wiederholfrequenz gegenüber dem impulsförmigen Einleiten des zweiten Ausgangsstoffes 8 erfolgt. Ferner unterscheiden sich die Ausführungsformen gemäß den 4d und 4e durch eine unterschiedliche Hochfrequenzansteuerung 14 für die Plasmaerzeugung, die im ersteren Fall impulsförmig und im letzteren Fall im Wesentlichen kontinuierlich erfolgt.
Die 4a bis 4f weisen jeweils die gleichen vier Zeilen auf, so dass in den übrigen dieser Figuren die Bezugszeichen weggelassen wurden. Im Gegensatz dazu wird in den 4g, 4h und 4i eine weitere zeitliche Ansteuerung mittels einer zusätzlichen Zeile dargestellt. Es handelt sich hierbei um die zeitliche Einleitungsansteuerung 15 für das Einleiten eines dritten Ausgangsstoffes. Dieser ersetzt zeitweise den zweiten Ausgangsstoff 8 in der chemischen Gasphasenreaktion mit dem ersten Ausgangsstoff 7. Während der zweite Ausgangsstoff 8 für die chemische Reaktion mit dem ersten Ausgangsstoff 7 mittels der Plasmaentladung zunächst aktiviert werden muss, ist der dritte Ausgangsstoff vorzugsweise von sich aus aktiv und benötigt hierfür kein Plasma. Hierbei handelt es sich beispielsweise um Ozon oder Wasser, die den molekularen Sauerstoff als zweiten Ausgangsstoff 8 ersetzen können.
Bei Ausführungsformen gemäß den 4g bis 4i erfolgt das Einleiten des zweiten Ausgangsstoffes 8 in Wechsel mit dem Einleiten des dritten Ausgangsstoffes. Die Hochfrequenzansteuerung 14 entspricht der Einleitungseinheitsansteuerung 13 für den zweiten Ausgangsstoff 8, und erfolgt vorzugsweise im Wesentlichen zeitgleich mit ihr. Die Spülung des Raumes 6 oberhalb des Oberflächenbereiches 4 beziehungsweise der gesamten Reaktionskammer 1 erfolgt in einem Zeitabstand oder Zeitfenster zwischen dem alternierenden Einleiten des zweiten und des dritten Ausgangsstoffes.
Die in 4g bis 4i veranschaulichten Ausführungsformen unterscheiden sich in einer Frequenz, mit der die Einleitungseinheitsansteuerung 12 für den ersten Ausgangsstoff 7 erfolgt. Während die Einleitungseinheitsansteuerung 12 nach
4h gleichzeitig mit der Ansteuerung 13 für den zweiten Ausgangsstoff 8 erfolgt, erfolgt sie nach 4g mit einer doppelten Wiederholfrequenz. Schließlich gleichen sich die Wiederholfrequenzen der Einspeisungsansteuerungen 12 und 13 für den ersten und den zweiten Ausgangsstoff 7, 8 in den Ausführungsformen gemäß den 4h und 4i, wobei die beiden Einspeisungsansteuerungen 12 und 13 jedoch um eine halbe Periodenlänge gegeneinander verschoben sind und somit die Einspeisung des ersten Ausgangsstoffes 7 und des zweiten Ausgangsstoffes 8 alternierend erfolgen.
Für die Herstellung von Materialschichten aus Al₂O₃, die als Passivierungsschichten auf Wafersolarzellen dienen sollen, eignen sich insbesondere Trimethylaluminium (TMA) als erstes Ausgangsmaterial 7 und molekularer Sauerstoff (O₂), welcher mittels einer Plasmaentladung aktiviert ist, als zweites Ausgangsmaterial 8. Als Inertgas ist Argon (Ar) gut geeignet. Eine sehr lange Ladungsträgerlebensdauer und somit eine gute Oberflächenpassivierung wird in diesem Fall beispielsweise erreicht mittels einer kontinuierlichen Plasmaentladung, bei einer Impulsdauer der Einleitung von TMA von etwa 20 Millisekunden und einem Zeitabstand zwischen Einleitungsimpulsen des TMA beziehungsweise einem Impulsabstand von etwa 3,5 Sekunden (s).
Die Temperatur des Substrates 3 sollte in diesem Fall bei etwa 200°C liegen, während das 0₂-Gas mit einem Gasfluss von etwa 50 Standardkubikzentimeter pro Minute (sccm – standard cubic centimeter per minute) und das Ar-Gas mit einem Gasfluss von etwa 20 sccm eingeleitet werden. Die Plasma-Frequenz, also die Frequenz der Hochfrequenzansteuerung für die Plasmaentladung, liegt vorzugsweise bei 13,56 MHz, wobei das Plasma eine Plasma-Leistung von etwa 150 Watt aufweist. Schließlich sollte der Druck in der Reaktionskammer 1 bevorzugt bei einem Wert von etwa 0,2 mbar (150 Millitorr) liegen.
Mit diesen Parametern ergibt sich eine Wachstumsgeschwindigkeit der Dicke der Materialschicht 5 von etwa 0,35 nm pro TMA-Impuls beziehungsweise pro Abscheidungszyklus, was einer Schichtabscheidegeschwindigkeit von etwa 0,1 nm pro Sekunde (nm/s) entspricht. Bei Änderung des TMA-Impulsabstandes zu Werten von 2,5 s, 1,5 s und 0,5 s ergeben sich Wachstumsgeschwindigkeiten für die Dicke der Materialschicht 5 von 0,375 nm, 0,45 nm und 0,5 nm pro TMA-Impuls beziehungsweise pro Abscheidungszyklus sowie entsprechend Schichtabscheidegeschwindigkeiten von 0,15 nm/s, 0,3 nm/s und 1 nm/s. Dies unter Vernachlässigung der sehr kurzen TMA-Impulsdauer. Das Wachstum pro Impuls ist unterschiedlich, da die Materialteilschichten 51, aus denen sich die Materialschicht 5 zusammensetzt, unterschiedlich dicht aufwachsen.
Bei dem vorliegenden Abscheideverfahren kann die Materialschichtdicke pro Abscheidezyklus beziehungsweise pro Impuls des ersten Ausgangsstoffes über die pro Abscheidezyklus eingeleitete Menge des ersten Ausgangsstoffes eingestellt werden. Für die Passivierung einer Solarzellenoberfläche wird vorzugsweise eine geeignete Materialschicht mit einer Schichtdicke von mindestens 5 Nanometern abgeschieden; abhängig von den konkreten Materialeigenschaften liegt die Schichtdicke bevorzugterweise deutlich über diesem Wert. Wenn die Materialschicht zusätzlich oder ausschließlich die Funktion einer Rückseitenverspiegelung der Solarzelle übernimmt, ist eine Schichtdicke von etwa 100 Nanometern oder mehr vorteilhaft.
5 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Anordnung in einer Reaktionskammer 1 gemäß einer Inline-Ausführungsform der Abscheidevorrichtung 10. Die Abscheidevorrichtung 10 weist mehrere äquidistant nebeneinander entlang der Substratbewegungsrichtung 22 verteilt angeordnete Einleitungseinheiten 9 auf. Diese werden von einem Plasmaentladeraum 21 umspannt, welcher mittels einer Plasmaentladevorrichtung (in 5 nicht dargestellt) erzeugt wird. Unterhalb der Einleitungseinheiten 9 ist ein Substrat 3 angeordnet, welches mittels einer Transportvorrichtung (ebenfalls nicht dargestellt) entlang einer Substratbewegungsrichtung 22 bewegt wird, vorzugsweise mit einer konstanten Transportgeschwindigkeit.
Am unteren Ende der 5 ist eine schematische und gegenüber den Abmessungen des Substrats 3 extrem vergrößerte Darstellung der Materialschicht 5 abgebildet, um dessen Wachstum entlang der Substratbewegungsrichtung 22 zu veranschaulichen. Mittels der gestrichelt eingezeichneten senkrechten und waagerechten Hilfslinien ist in der 5 deutlich gemacht, dass sich die Materialschicht 5 aus Materialteilschichten 51 zusammensetzt, welche jeweils aufgrund des mittels einer zugehörigen Einleitungseinheit 9 eingeleiteten ersten Ausgangsmaterials 7 erzeugt sind. Die Schichtdicke der Materialschicht 5 steigt somit im Wesentlichen stufenförmig in Substratbewegungsrichtung 22 an.
Bei einer rein zeitlichen Steuerung einer einzelnen Einleitungseinheit 9 für die Einleitung des ersten Ausgangsstoffes 7 bei stationär gehaltenem Substrat 3 entspräche eine Materialteilschicht 51 dem Abscheideergebnis nach einem Abscheidungszyklus.
Schließlich zeigt die 6 eine Anordnung in einer Reaktionskammer 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Abscheidevorrichtung 10. Hierbei sind auf einem Substrathalter 2 mehrere Substrate 3 hintereinander angeordnet. Wie in dem in 5 dargestellten Fall, werden mittels einer in der 6 nicht dargestellten Transportvorrichtung die Substrate 6 entlang einer Transportrichtung 22 durch die Reaktionskammer 1 bewegt. Beispielsweise kann es sich bei dem Substrathalter 2 um ein Transportband handeln, welches mittels außerhalb der Reaktionskammer 1 angeordneter Rollen bewegt wird.
Oberhalb des Substrathalters 2 mit den Substraten 3 ist eine Einleitungseinheit 9 angeordnet, mit dessen Hilfe entlang der Transportrichtung 22 abwechselnd der erste Ausgangsstoff 7 (gestrichelte Pfeile) und der zweite Ausgangsstoff 8 (durchgehende Pfeile) in Richtung des Substrates 3 eingeleitet werden. Eine in der 6 dargestellte Energiequelle 25 kann sowohl zur Versorgung der Einleitungseinheit 9 als auch zur Versorgung einer Plasmaentladevorrichtung für die Erzeugung von Plasmaentladungen in Plasmaentladeräumen 21 dienen, welche entlang der Transportrichtung 22 angeordnet sind. Die Substrate 3 durchlaufen somit während der Bewegung entlang der Transportrichtung 22 abwechselnd Bereiche, in welche ausschließlich der erste Ausgangsstoff 7 vorhanden ist, und Plasmaentladeräume 21 in denen der zweite Ausgangsstoff 8 vorliegt. Die entlang der Substratbewegungsrichtung 22 verteilt angeordneten Plasmaentladeräume 21 können mittels einer oder mittels mehrerer Plasmaentladeeinheiten erzeugt werden.
Bezugszeichenliste

1: Reaktionskammer
2: Substrathalter
3: Substrat
4: Oberflächenbereich
5: Materialschicht
51: Materialteilschichten
6: Raum oberhalb des Oberflächenbereichs
7: erster Ausgangsstoff
8: zweiter Ausgangsstoff
9: Einleitungseinheit(en)
10: Abscheidevorrichtung
11: zeitliche Einleitungseinheitansteuerung für Inertgas
12: zeitliche Einleitungseinheitansteuerung für ersten Ausgangsstoff
13: zeitliche Einleitungseinheitansteuerung für zweiten Ausgangsstoff
14: zeitliche Hochfrequenzansteuerung zur Plasmaerzeugung
15: zeitliche Einleitungseinheitansteuerung für dritten Ausgangsstoff
21: Plasmaentladeraum
22: Substratbewegungsrichtung
25: Energiequelle

Claims

Plasma unterstütztes Abscheideverfahren einer Materialschicht (5), bei dem ein erster Ausgangsstoff (7) und ein zweiter Ausgangsstoff (8) gasförmig in eine Reaktionskammer (1) eingeleitet werden und an einer chemischen Abscheidereaktion teilnehmen, durch die auf einem Oberflächenbereich (4) eines in der Reaktionskammer (1) angeordneten Substrates (3) die Materialschicht (5) abgeschieden wird, wobei die Einleitung (12) des ersten Ausgangsstoffes (7) und/oder eine Bewegung (22) des Substrates (3) derart vorgenommen wird, dass die Konzentration des ersten Ausgangstoffes (7) in einem Raum (6) oberhalb des Oberflächenbereiches (4) impulsförmig variiert wird und in dem Raum (6) zumindest teilweise eine chemische Gasphasenreaktion des ersten Ausgangsstoffes (7) mit einem Reaktionspartner abläuft, und wobei der zweite Ausgangsstoff (8) derart eingeleitet wird, dass dessen Konzentration im Raum (6) oberhalb des Oberflächenbereiches (4) konstant ist, und der zweite Ausgangsstoff (8) mittels einer Plasmaentladung für eine chemische Reaktion mit dem ersten Ausgangsstoff (7) aktiviert wird.
Plasma unterstütztes Abscheideverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration des ersten Ausgangsstoffes (7) in dem Raum (6) oberhalb des Oberflächenbereichs (4) impulsförmig derart reduziert wird, dass die Abscheidung der Materialschicht (5) unterbunden wird.
Plasma unterstütztes Abscheideverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Ausgangsstoff (8) mittels der Plasmaentladung für die chemische Gasphasenreaktion mit dem ersten Ausgangsstoff (7) aktiviert wird.
Plasma unterstütztes Abscheideverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Reaktionspartner für die chemische Gasphasenreaktion mit dem ersten Ausgangsstoff (7) ein dritter Ausgangsstoff gasförmig in die Reaktionskammer (1) eingeleitet wird.
Plasma unterstütztes Abscheideverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Ausgangsstoff derart eingeleitet wird, dass dessen Konzentration im Raum (6) oberhalb des Oberflächenbereiches (4) impulsförmig variiert wird.
Plasma unterstütztes Abscheideverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmaentladung für die Aktivierung des zweiten Ausgangsstoffes (8) auf einen Plasmaraum (21) beschränkt ist, welcher einen Abstand zum Oberflächenbereich des Substrates aufweist.
Plasma unterstütztes Abscheideverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Inertgas in die Reaktionskammer (1) derart eingeleitet wird, dass es den Raum (6) oberhalb des Oberflächenbereiches (4) kontinuierlich oder impulsförmig erreicht.
Plasma unterstütztes Abscheideverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ausgangsstoff (7) eine Metall- oder Halbleiterverbindung umfasst, bevorzugt Trimethylaluminium (Al(CH₃)₃) oder Aluminiumchlorid (AlCI₃).
Plasma unterstütztes Abscheideverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Substrat (3) eine Wafer-Solarzelle bereitgestellt wird und als Materialschicht (5) eine Passivierungsschicht zur Oberflächenpassivierung der Solarzelle erzeugt wird.
Plasma unterstütztes Abscheideverfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einleitung des dritten Ausgangsstoffes und/oder eine Bewegung des Substrates (3) derart vorgenommen wird, dass die Konzentration des dritten Ausgangstoffes in einem Raum (6) oberhalb des Oberflächenbereiches (4) impulsförmig variiert wird.
Plasma unterstütztes Abscheideverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das impulsförmige Variieren der Konzentration des ersten Ausgangstoffes (7) in dem Raum (6) oberhalb des Oberflächenbereiches (4) mit einer Impulsdauer von zwischen 0,5 Sekunden bis 2 Sekunden erfolgt, vorzugsweise mit einer Impulsdauer von 1 Sekunde.
Plasma unterstütztes Abscheideverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das impulsförmige Variieren der Konzentration des ersten Ausgangstoffes (7) in dem Raum (6) oberhalb des Oberflächenbereiches (4) mit einem Impulsabstand von zwischen 0,1 Sekunden und 5 Sekunden erfolgt, vorzugsweise mit einem Impulsabstand von 3,5 Sekunden.
Plasma unterstütztes Abscheideverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei jedem Impuls der impulsförmigen Variierung der Konzentration des ersten Ausgangstoffes (7) eine Materialteilschicht (51) der Materialschicht (5) mit einer Schichtdicke von zwischen etwa 0,1 nm und etwa 5 nm erzeugt wird, bevorzugterweise zwischen 0,2 nm und 0,5 nm, eher bevorzugt mit einer Schichtdicke von 0,35 nm.
Halbleitervorrichtung, insbesondere Wafersolarzelle, mit einer Materialschicht (5), welche mittels eines Plasma unterstützten Abscheideverfahrens gemäß einem der vorangehenden Ansprüche abgeschieden ist.
Abscheidevorrichtung (10) zum Plasma unterstützten Abscheiden einer Materialschicht (5), umfassend: – eine entlang einer Substratbewegungsrichtung (22) erstreckte Reaktionskammer (1), in die ein erster Ausgangsstoff (7) und ein zweiter Ausgangsstoff (8) gasförmig eingeleitet werden können, um an einer chemischen Abscheidereaktion teilzunehmen, durch die auf einem Oberflächenbereich (4) eines in der Reaktionskammer (1) befindlichen Substrates (3) die Materialschicht (5) abgeschieden wird; – eine Transportvorrichtung zum Transportieren des Substrates entlang der Substratbewegungsrichtung (22) von einem Startabschnitt zu einem Endabschnitt der Reaktionskammer (1); – eine Mehrzahl von Einleitungseinheiten (9) zum Einleiten des ersten Ausgangsstoffes (7) in die Reaktionskammer (1), wobei die Einleitungseinheiten (9) entlang der Substratbewegungsrichtung (22) verteilt angeordnet sind; – eine Steuerungsvorrichtung zum Steuern der Einleitungseinheiten (9) und der Transportvorrichtung derart, dass die Konzentration des ersten Ausgangstoffes (7) in einem Raum (6) oberhalb des Oberflächenbereiches (4) impulsförmig variiert wird und die Konzentration des zweite Ausgangsstoffes (8) im Raum (6) oberhalb des Oberflächenbereiches (4) konstant ist; und – eine Plasmaentladevorrichtung, welche ausgebildet ist, den zweiten Ausgangsstoff (8) mittels einer Plasmaentladung für eine chemische Reaktion mit dem ersten Ausgangsstoff (7) zu aktivieren.
Abscheidevorrichtung (10) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmaentladung in Richtung der Substratbewegungsrichtung (22) betrachtet vor und hinter mindestens einer der Einleitungseinheiten (9) angeordnet ist.
Abscheidevorrichtung (10) nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmaentladevorrichtung einen Plasmaentladeraum (21) erzeugt, der eine Mehrzahl von Einleitungseinheiten (9) überspannt oder umfasst.
Abscheidevorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmaentladevorrichtung eine Mehrzahl von Plasmaentladeeinheiten umfasst, die entlang der Substrattransportrichtung (22) betrachtet jeweils räumlich voneinander getrennte Plasmaentladeräume (21) aufweisen.