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Verfahren zum Herstellen von Halbleiterdünnschichten auf Fremdsubstraten

IP.com Disclosure Number: IPCOM000222165D
Publication Date: 2012-Sep-21

Publishing Venue

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Jean-Paul Theis: INVENTOR

Abstract

Durch die Erfindung wird ein Verfahren vorgeschlagen, mit dem die durchschnittliche Einkristallgröße, insbesondere der Durchmesser der Einkristalle, in einer auf einem Fremdsubstrat aufgetragenen Halbleiterdünnschicht um eine Größenordnung gegenüber bisherigen Verfahren erhöht werden kann. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß in einem ersten Schritt eine dünne Halbleiterschicht auf das Fremdsubstrat aufgetragen wird. Dann wird das Fremdsubstrat wird so stark beheizt, dass die Halbleiterdünnschicht schmilzt. Anschließend wird die Temperatur langsam bis unter die Schmelztemperatur des Halbleitermaterials gesenkt, wobei während des Abkühlvorgangs das Fremdsubstrat derart beheizt, dass die Temperatur, ausgehend von der Oberfläche des Fremdsubstrats, in vertikaler Richtung quer durch die Halbleiterdünnschicht bis zur Oberfläche der Dünnschicht stetig abnimmt. Dadurch wird gewährleistet, dass die Dünnschicht beim langsamen Senken der Temperatur bis unter die Schmelztemperatur der Halbleiterdünnschicht in entgegengesetzter Richtung kristallisiert bzw. erstarrt. D.h. zuerst kristallisieren die Atomlagen unmittelbar an der freiliegenden Oberfläche der Dünnschicht, dann die nächst tiefer gelegen Atomlagen, usw. , bis dass zu allerletzt die Atomlagen in direkter Nähe zur Oberfläche des Fremdsubstrats kristallisieren. Dabei können die Atomlagen unmittelbar an der freiliegenden Oberfläche der Dünnschicht sich beim Kristallisieren ungestört frei ausrichten, wodurch die Bildung großflächiger und einige Atomlagen dicker Einkristalle gefördert wird. Diese dienen dann als Wachstumskeime für die nächst tiefer gelegenen Atomlagen derart, dass diese großflächigen Einkristalle in der Dicke in Richtung zur Oberfläche des Fremdsubstrats wachsen. Lediglich die Atomlagen in unmittelbarer Nähe zur Oberfläche des Fremdsubstrats werden beim Kristallisieren gestört und entarten zu einer amorphen oder polykristallinen Grenzschicht. Um den oben erwähnten Temperaturverlauf quer durch die Dünnschicht zu gewährleisten, muss als Heizart zwingend entweder eine planar an der Unterseite des Fremdsubstrats angebrachte Heizquelle oder eine Erhitzung des Fremdsubstrats durch elektrischen Stromdurchgang gewählt werden. Das Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung von hocheffizienten Dünnschichtsolarzellen. Das Verfahren ist ebenfalls für ein hochqualitatives Tempern von Hochtemperaturhalbleiterdünnschichten geeignet.

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Verfahren zum Herstellen von Halbleiterdünnschichten auf Fremdsubstraten.

Das Hauptziel bei der Herstellung von Halbleiterdünnschichten auf Fremdsubstraten wie z.B. Metall, Glas, Keramik oder Graphit, besteht darin, eine Dünnschicht mit möglichst großen Halbleitereinkristallen herzustellen. Die Größe, d.h. der Durchmesser und die Dicke, der Halbleitereinkristalle bestimmt maßgeblich die Qualität der Dünnschicht, insbesondere bei Dünnschichtsolarzellen, wo die Einkristallgröße einen direkten Einfluß auf den Wirkungsgrad der Solarzellen hat.

Die unterschiedliche Kristallstruktur von Fremdsubstrat und Halbleiter hat die Tendenz, die Bildung bzw. das Wachstum möglichst großer Halbleitereinkristalle in der Dünnschicht zu stören. Ein geeignetes Herstellungsverfahren muß daher diesen negativen Einfluß möglichst gering halten.

Bisherige Verfahren bestehen meist darin, durch ein PVD- (Physical Vapor Deposition), CVD- (Chemical Vapor Deposition) oder PECVD (Physically Enhanced CVD) Verfahren polykristallines Halbleitermaterial auf das Fremdsubstrat aufzutragen und anschließend durch ein Zonenschmelzverfahren oder durch ein Ausheilen (Tempern) der Dünnschicht bei erhöhter Temperatur, die durchschnittliche Einkristallgröße der Dünnschicht zu verbesssern. Trotz intensiver Forschung konnte keines dieser Verfahren bisher eine durchschnittliche Einkristallgröße erreichen, die über einige mm Durchmesser und ca. 50 µm Dicke hinausgeht.

Durch die Erfindung wird ein Verfahren vorgeschlagen, mit dem die durchschnittliche Einkristallgröße, insbesondere der Durchmesser der Einkristalle, in der Dünnschicht auf wirtschaftliche Weise um eine Größenordnung erhöht werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist gekennzeichnet durch die Kombinationn folgender Maßnahmen :

a) auf ein Fremdsubstrat wird eine dünne Schicht polykristallinen Halbleitermaterials aufgebracht;

b) das Fremdsubstrat wird so stark beheizt, dass die Halbleiterdünnschicht schmilzt bei einer Temperatur, die über der Schmelztemperatur der Halbleiterdünnschicht liegt, woraufhin die


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Temperatur langsam bis unter die Schmelztemperatur der Halbleiterdünnschicht und bis zum Erstarren der Halbleiterdünnschicht gesenkt wird, und anschließend weiter bis auf Normaltemperatur gesenkt wird;

c) während des Absenkens der Temperatur bis unter die Schmelztemperatur der Halbleiterdünnschicht wird das Fremdsubstrat derart beheizt, dass die Temperatur, ausgehend von der Kontaktfläche des Fremdsubstrats mit der Dünnschicht, in vertikaler Richtung quer durch die Halbleiterdünnschicht bis zur Oberfläche der Dünnschicht stetig abnimmt.

Maßnahme c) ist für die Bildung möglichst großer Einkristalle ausschlaggebend. Dadurch, dass die Temperatur, ausgehend von der Kontaktfläche des Fremdsubstrats mit der Dünnschicht, in vertikaler Richtung quer durch die Halbleiterdünnschicht bis zu Oberfläche der Dünnschicht stetig abnimmt, wird gewäh...