Kontinuierliche Prozessierung von kristallinen Si-Solarwafern durch plasmachemisches Ätzen und Beschichten bei Atmosphärendruck

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1 Kontinuierliche Prozessierung von kristallinen Si-Solarwafern durch plasmachemisches Ätzen und Beschichten bei Atmosphärendruck Ines Dani Elena Lopez, Birte Dresler, Julius Roch, Gerrit Mäder, Patrick Grabau, Volkmar Hopfe Fraunhofer Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) Dresden Abt. CVD-Dünnschichttechnologie Mühlleithen,

2 Gliederung Atmosphärendruck-Plasmatechnologie Bogenentladung Mikrowellenplasma Potentielle Anwendungen in der c-si PV Si-Ätzen Siliziumnitrid-Beschichtung Zusammenfassung Mühlleithen,

3 Vorteile der Atmosphärendruck-Plasmatechnologie kontinuierliche in-line-prozesse reduzierte Substrathandhabeschritte geringe Anlagengröße kostengünstig (Invest- und Betriebskosten) neue Anwendungsfelder in Ergänzung zu konventioneller thermischer CVD durch Substrattemperaturen < 400 C Beschichtung/Behandlung von Stahl, Leichtmetall Plastik Glas erweiterte Schichtmaterialvielfalt Nutzung kostengünstiger Precursoren Vermeidung von Nasschemie beim Ätzen Mühlleithen,

4 Atmosphärendruck-Plasmaverfahren für die c-si Photovoltaik Atmosphärendruck-Plasmatechnologie linear ausgedehnter Gleichspannungsbogen skalierbare thermische Plasmaquelle remote-prozesse für Beschichtung und Ätzen Plasmagase: Ar + N2 / O2 / NH3 / H2 /... seit 2007 Fertigung am IWS Lichtbogen Remote-Plasma Bogenlänge 150 mm Mühlleithen, Bogenlänge 250 mm 4

5 Verfahren LongArc-PECVD und plasmachemisches Ätzen o o o schichtbildender Precursor wird in Substratnähe (remote) zugegeben Vermeidung von Streubeschichtungen der Plasmaquelle oder des CVD-Reaktors Langzeitstabilität Mühlleithen,

6 Mikrowellenplasmaquellen bei Atmosphärendruck CYRANNUS I - 6" Substrat CYRANNUS I - 11" Beschichtung Remote-Plasma Precursor Plasmagas Mikrowellenleistung: 5 kw Gasfluss: ca. 50 slm Plasmagase: Ar + N 2 / O 2 / NH 3 / H 2 /... Arbeitsbreite: 100 mm Mikrowellenleistung: 10 kw Gasfluss: slm Plasmagase: Ar + N 2 / O 2 / NH 3 / H 2 /... Arbeitsbreite: 160 mm Mühlleithen,

7 Potentielle Einsatzmöglichkeiten der IWS-Atmosphärendruck- Plasmatechnologien in der c-si Photovoltaik Texturierung Phosphor diffusion Sägeschadenätzen Phosphorglasabtrag Kantenisolation Passivierung/ AR-Schicht Kontaktierung Ziel: Abdeckung mehrer Prozessschritte mit einem einheitlichen flexiblen Verfahren Mühlleithen,

8 Plasmachemisches Ätzen - Anlagenbau Abgas Plasmagas Abgas Spülgas Spülgas Precursor Transport Heizung Wafer Spülgas Spülgas kontinuierliche Anlage zum plasmachemischen Ätzen bei Atmosphärendruck Seit 01/2007: 5 -Wafer Ab 04/2008: 6 -Wafer Mühlleithen,

9 Anwendung 1: Sägeschadenätzen Durch das Sägen verursachte Oberflächendefekte müssen entfernt werden Stand der Technik: NaOH-Ätzen (Ätzzeiten: 1-2 Min) Ätzgas: SF 6 Sägeschaden ca. 5.5 μm tief Plasmachemisch geätzter Wafer (ca. 6 μm Ätzabtrag) Mühlleithen,

10 Anwendung 2: Oberflächentexturierung Reduktion der Lichtreflexion von der Wafer-Vorderseite Steigerung des Wirkungsgrades Stand der Technik: nasschemische und mechanische Verfahren nasschemisch geätzt Oberflächenstrukturen nm Rauheit inverse Pyramiden Lochstrukturen Abhängig von Ätzrate Ätzgas Mühlleithen,

11 Anwendung 3: Kantenisolation p-si n-si Auftrennen des Kurzschlusses zwischen Wafervorder- und Rückseite Stand der Technik: nasschemisches Ätzen durch Aufschwimmen Stapelätzen im Unterdruck Lasertrennen p-si p-si Nachweis: hochauflösende Thermographie Kantenätzen ungenügend Kantenätzen erfolgreich Mühlleithen,

12 Anwendung 3: Kantenisolation industrielle Tests der IWS- Technologie Industrieller Standardprozess entspricht 100% Wirkungsgrad Prozentuale Änderung Kurzschlussstrom Leerlaufspannung Füllfaktor IWS-prozessierte Zelle +1.6% +1.83% +0.05% -1.02% Fazit: Solarzellen aus IWS-Plasmaprozess sind vergleichbar mit Zellen aus dem industriellen Standardprozess Mühlleithen,

13 Anwendung 4: SiN x :H-Schichtabscheidung Abscheidung nichtoxidischer Schichten möglich kontrollierte Beschichtungsatmosphäre durch Gasschleusen Atmsophärendruck-Mikrowellen-PECVD- Anlage für 156 mm-solarwafer Brechungsindex (550 nm) überstöchimetrisches Si 3 N 4 mit 10 at.% H entspricht Zusammensetzung von Niederdruck- PECVD-Schichten Abscheiderate ca. 15 nm/s Fraunhofer Patent: DE Mühlleithen,

14 Anwendung 4: Siliziumnitrid-Abscheidung Ladungsträgerlebensdauern vergleichbar mit mittels Niederdruck-PECVD abgeschiedenen Schichten Carrier lifetime by μw mapping vor SiN x :H-Beschichtung nach SiN x :H-Beschichtung Mühlleithen,

15 Zusammenfassung Atmosphärendruck-Plasmaprozessieren von Solarwafern bietet großes Anwendungspotential bei der Solarzellenherstellung: On-line Prozessierung; Reduzierung Handlingschritte Kostenvorteile, CoO Massenproduktion: Platzbedarf, Wartungsaufwand Effizienzsteigerung der Zellen? Ätzprozesse: Machbarkeit mittels AP-Plasmaätzen nachgewiesen oder bereits industriell getestet SiN x :H: Machbarkeit mittels AP-PECVD nachgewiesen; Industrietests sind in Arbeit Mühlleithen,

16 Vielen Dank und für Ihre Aufmerksamkeit! an Julius Roch Gerrit Mäder Patrick Grabau Felix Kaphengst Sebastian Tschöcke Liliana Kotte Birte Dresler Elena Lopez Dorit Linaschke Wulf Grählert Beate Leupolt Harald Beese Susann Schulz Volkmar Hopfe Stefan Kaskel Mühlleithen,

17 Finanzierung über SAB: Projekt Entwicklung einer industriell einsetzbaren Plasmaquelle für Atmosphärendruck Das Vorhaben wird / wurde im Rahmen der Technologieförderung mit Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) und mit Mitteln des Freistaates Sachsen gefördert. EU: CRAFT-Projekt SOLARPLAS (Coop 17586) BMBF-Projekt PLASMACELL Fraunhofer Gesellschaft Mühlleithen,