DE112009004253T5

DE112009004253T5 - Trockenreinigung einer Siliziumoberfläche für Solarzellenanwendungen

Info

Publication number: DE112009004253T5
Application number: DE112009004253T
Authority: DE
Inventors: Virendra V. S. Rana; Michael P. Stewart
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 2008-12-31
Filing date: 2009-12-22
Publication date: 2013-05-02
Also published as: CN102224599A; WO2010078160A3; KR20110101227A; WO2010078160A2; US7749917B1; US8372753B2; JP2012514337A; US20100167461A1; US20100261302A1

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reinigen von Schichten von Solarzellensubstraten offenbart. Das Substrat wird gegenüber einem reaktiven Gas exponiert, welches neutrale Radikale umfassen kann, die Stickstoff und Fluor umfassen, oder welches wasserfreies HF und Wasser, Alkohol oder ein Gemisch von Wasser und Alkohol umfassen kann. Das reaktive Gas kann ferner ein Trägergas umfassen. Das reaktive Gas ätzt die Oberfläche des Solarzellensubstrats, wobei es Sauerstoff und andere Verunreinigungen entfernt. Wenn das Substrat gegenüber den neutralen Radikalen exponiert wird, bildet sich auf ihm ein Ammoniumhexafluorosilikat enthaltender dünner Film, welcher anschließend durch Wärmebehandlung entfernt wird.

Description

GEBIET
Ausführungsformen der Erfindung betreffen Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung von Solarzellen. Insbesondere stellen Ausführungsformen der Erfindung Verfahren und Vorrichtungen zur Reinigung von Schichten von Solarzellensubstraten bereit.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Photovoltaik- (PV-) oder Solarzellen sind Vorrichtungen, welche Sonnenlicht in elektrische Gleichstromleistung (DC-Leistung) umwandeln. Eine typische PV-Zelle enthält einen Siliziumwafer, ein Siliziumsubstrat oder eine Siliziumfolie vom p-Typ, typischerweise weniger als etwa 0,3 mm dick, mit einer dünnen Schicht eines Siliziummaterials vom n-Typ, die auf der Oberseite des p-Typ-Substrats angeordnet ist. Die erzeugte Spannung, oder Photospannung, und der von der Photovoltaik-Vorrichtung erzeugte Strom sind von den Materialeigenschaften des p-n-Übergangs, den Grenzflächeneigenschaften zwischen aufgebrachten Schichten und der Oberflächengröße der Vorrichtung abhängig. Bei einer Exposition gegenüber Sonnenlicht (das aus der Energie von Photonen besteht) erzeugt der p-n-Übergang der PV-Zelle Paare von freien Elektronen und Löchern. Das elektrische Feld, das über der Raumladungszone des p-n-Übergangs gebildet wird, trennt die freien Elektronen und Löcher, wobei es eine Spannung erzeugt. Ein Strompfad von der n-Seite zur p-Seite ermöglicht den Fluss von Elektronen, wenn die PV-Zelle an eine elektrische Last angeschlossen ist. Die elektrische Leistung ist das Produkt der Spannung und des Stroms, der erzeugt wird, wenn sich die Elektronen und Löcher durch eine externe Last bewegen und schließlich wieder vereinigt werden. Solarzellen erzeugen eine spezifische Menge an Leistung, und Zellen werden zu Modulen zusammengebaut, die so bemessen sind, dass sie die gewünschte Systemleistung liefern. Solarmodule werden hergestellt, indem eine Anzahl von Solarzellen verbunden wird und die Zeilen dann in Panels mit speziellen Rahmen und Verbindern zusammengefasst werden.
Der Photovoltaik-(PV-)Markt hatte in den letzten zehn Jahren jährliche Wachstumsraten von über 30% zu verzeichnen. In einigen Beiträgen wurde die Vermutung geäußert, dass die Produktion von Solarzellenleistung weltweit in naher Zukunft 10 GWp übersteigen könnte. Schätzungen besagen, dass mehr als 90% aller Photovoltaik-Module auf Siliziumwafern basieren. Die hohe Wachstumsrate des Marktes führte in Verbindung mit der Notwendigkeit, die Kosten der Solarenergie wesentlich zu senken, zu einer Reihe ernster Herausforderungen für die Entwicklung der Produktion von Siliziumwafern für die Photovoltaik.
Im Allgemeinen werden in der auf Siliziumsubstrat basierenden Solarenergietechnik zwei Hauptstrategien verfolgt, um die Kosten von Solarstrom durch Verwendung von PV-Solarzellen zu senken. Der eine Ansatz besteht in der Erhöhung des Umwandlungswirkungsgrades von Solarzellen mit einem Übergang (d. h. der abgegebenen Leistung pro Flächeneinheit), und der andere ist die Senkung der Kosten, die mit der Herstellung der Solarzellen verbunden sind. Da die effektive Kostensenkung durch Erhöhung des Umwandlungswirkungsgrades durch fundamentale thermodynamische und physikalische Gesetzmäßigkeiten begrenzt ist, sind weitere Verbesserungen von grundlegenden technologischen Fortschritten abhängig, wie etwa Aspekten der hier offenbarten Erfindung, um effiziente Fertigungsprozesse zu ermöglichen.
In einem typischen Fertigungsprozess für Solarzellen werden Substrate von Zeit zu Zeit gereinigt, um Oxidation und andere Verunreinigungen zu entfernen. Prozesse zur Reinigung von Solarsubstraten sollten, wie alle solartechnischen Fertigungsprozesse, vorzugsweise effizient sein, und es besteht Bedarf an effizienten Reinigungsprozessen, welche sich gut in ein effizientes Gesamtproduktionssystem integrieren lassen.
KURZDARSTELLUNG
Ausführungsformen der Erfindung stellen ein Verfahren zur Bearbeitung einer Schicht eines Solarzellensubstrats bereit, welches umfasst: Anordnen des Solarzellensubstrats auf einem Substratträger in einer Prozesskammer, die Wände aufweist; Einleiten eines reaktiven Gasgemisches, das neutrale Radikale umfasst, in die Prozesskammer; Lenken des reaktiven Gasgemisches in Richtung des Substrats; Umsetzen der neutralen Radikale mit Sauerstoff aus dem Substrat, um einen dünnen Film auf dem Substrat zu bilden; Aufrechterhalten einer Temperatur des Substrats unterhalb einer Temperatur der Kammerwände während der Bildung des dünnen Films; und Entfernen des dünnen Films.
Andere Ausführungsformen der Erfindung stellen ein Verfahren zur Bearbeitung eines Solarzellensubstrats bereit, welches umfasst: Anordnen des Substrats auf einem Substratträger in einer Prozesskammer; Einleiten eines Vorläufer-Gasgemisches in eine Aktivierungskammer; Aktivieren des Vorläufer-Gasgemisches durch Zuführen dissoziativer Energie zu dem Vorläufer-Gasgemisch, um ein reaktives Gasgemisch zu bilden; Einleiten des reaktiven Gasgemisches in die Prozesskammer während eines Zeitintervalls, das ausreichend ist, um mindestens 90% der geladenen aktiven Spezies in dem reaktiven Gas zu neutralisieren; Exponieren des Substrats gegenüber dem reaktiven Gas, um während der Bildung eines dünnen Films auf dem Substrat Sauerstoffgas freizusetzen; Kühlen des Substrats während des Exponierens des Substrats gegenüber dem reaktiven Gas; Entfernen des dünnen Films, um eine freiliegende Halbleiteroberfläche zu bilden, und Abscheiden von Wasserstoff, Fluor oder beidem auf der freiliegenden Halbleiteroberfläche durch Erwärmen des dünnen Films.
Andere Ausführungsformen der Erfindung stellen ein Verfahren zur Bearbeitung eines Solarzellensubstrats bereit, welches umfasst: Bilden einer ersten Schicht auf dem Substrat; Anordnen des Solarzellensubstrats in einer Trockenreinigungskammer; Lenken neutraler Radikale, die Stickstoff und Fluor umfassen, in Richtung des in der Trockenreinigungskammer angeordneten Solarzellensubstrats, um auf der ersten Schicht einen dünnen Film zu bilden; ohne das Vakuum zu unterbrechen, Bewegen des Substrats aus der Trockenreinigungskammer in eine Glühkammer; Entfernen des dünnen Films in der Glühkammer durch Zuführen von Wärme zu dem dünnen Film; und Bilden einer zweiten Schicht auf dem Substrat.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Zum detaillierten Verständnis der Art und Weise, wie die oben aufgeführten Merkmale der vorliegenden Erfindung erzielt werden, wird eine ausführlichere Beschreibung der oben kurz zusammengefassten Erfindung unter Bezugnahme auf Ausführungsformen gegeben, von denen einige in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die beigefügten Zeichnungen nur typische Ausführungsformen dieser Erfindung zeigen und daher nicht als Einschränkung von deren Umfang anzusehen sind, da die Erfindung weitere, ebenso wirksame Ausführungsformen zulässt.
1A ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zusammenfasst.
Die 1B–1D sind schematische Seitenansichten eines Substrats während verschiedener Stufen des Verfahrens von 1A.
2 ist eine Schnittdarstellung einer Kammer zur Bearbeitung von Solarzellensubstraten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
3 ist eine Draufsicht eines Systems zur Bearbeitung von Solarzellensubstraten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Um das Verständnis zu erleichtern, wurden dort, wo dies möglich war, identische Bezugszeichen verwendet, um identische Elemente zu bezeichnen, welche den Figuren gemeinsam sind. Es ist vorgesehen, dass Elemente, die bei einer Ausführungsform offenbart wurden, bei anderen Ausführungsformen vorteilhaft verwendet werden können, ohne dass dies ausdrücklich erwähnt wird.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ausführugsformen der Erfindung stellen allgemein Verfahren und Vorrichtungen zum Reinigen von Abschnitten einer Solarzellenvorrichtung während verschiedener Phasen des Herstellungsprozesses von Solarzellen bereit. Während der Herstellungsprozesse von Solarzellen können Substrate von Zeit zu Zeit der Einwirkung von Luft oder Sauerstoff ausgesetzt sein. Bei Exposition kann sich auf der Substratoberfläche eine dünne Oxidschicht bilden. Ausführungsformen der Erfindung können verwendet werden, um Oxidschichten, zusammen mit anderen Verunreinigungen, von einer Substratoberfläche einer Solarzelle zu entfernen. Zum Beispiel können Ausführungsformen der Erfindung vorteilhaft sein, um Oxide von einem Siliziumsubstrat zu entfernen, bevor eine oder mehrere Schichten darauf gebildet werden, wie etwa eine Schicht aus amorphem Silizium, eine Schicht aus kristallinem Silizium, eine qualitativ hochwertige Passivierungsschicht oder eine Antireflexionsüberzugsschicht. Ausführungsformen der Erfindung können auch von Nutzen sein, um native Oxide von der Oberfläche aufgebrachter Schichten zu entfernen, die verwendet werden, um Teile einer Dünnfilm- oder einer kristallinen Solarzellenvorrichtung zu bilden. Ausführungsformen der Erfindung können außerdem die Passivierung einer Solarzelle verbessern, indem sie die Kristallstruktur der Solarzelle an der Grenzfläche mit der Passivierungsschicht verbessern.
Bei einer Ausführungsform wird ein Solarzellensubstrat in einer Bearbeitungskammer auf einem Träger positioniert. Stickstoff und Fluor enthaltende Radikale werden der Bearbeitungskammer zugeführt und mit der Oberfläche des Substrats reagieren gelassen, um eine dünne Schicht auf dem Substrat zu erzeugen. Anschließend wird der Schicht Wärme zugeführt, um sie von der Oberfläche zu entfernen. Das Entfernen der Schicht entfernt Oxid und darin enthaltene Verunreinigungen von dem Substrat und hinterlässt bei einigen Ausführungsformen die Oberfläche des Substrats abgeschlossen mit Fluoratomen, Wasserstoffatomen oder beidem.
Bei einer anderen Ausführungsform kann ein Solarzellensubstrat einem Trockenreinigungsprozess unterzogen werden, der eine Exposition gegenüber Fluorwasserstoffdampf (HF-Dampf) umfasst. Ein Prozessgas, welches wasserfreien HF und Wasserdampf umfasst und möglicherweise Alkohole und Trägergase enthält, wird der das Substrat enthaltenden Kammer zugeführt. Der HF-Dampf ätzt die Oxide von der Substratoberfläche ab, wobei er die Oberfläche mit Wasserstoffatomen abgeschlossen hinterlässt.
IN SOLARZELLEN VERWENDETE FILME
Typischerweise umfassen die meisten Solarzellenschichten im Allgemeinen ein Halbleitermaterial wie etwa Silizium. Die Ladungserzeugung in Solarzellen wird im Allgemeinen durch eine Volumenhalbleiterschicht wie etwa eine Siliziumschicht gewährleistet. Bei Solarzellen-Übergängen vom Typ p-i-n wird die Volumenschicht manchmal auch als eine intrinsische Schicht bezeichnet, um die von den verschiedenen dotierten Schichten zu unterscheiden, die in der gebildeten Solarzelle vorhanden sind. Die intrinsische Schicht kann einen beliebigen gewünschten Kristallinitätsgrad aufweisen, welcher dann ihre lichtabsorbierenden Eigenschaften beeinflusst. Zum Beispiel wird eine amorphe intrinsische Schicht, wie etwa amorphes Silizium, Licht im Allgemeinen bei anderen Wellenlängen absorbieren als intrinsische Schichten mit anderen Kristallinitätsgraden, wie etwa mikrokristallines Silizium. Aus diesem Grunde verwenden die meisten Solarzellen beide Typen von Schichten, um möglichst breite Absorptionscharakteristiken zu erzeugen. In manchen Fällen kann eine intrinsische Schicht als eine Pufferschicht zwischen zwei unterschiedlichen Schichttypen verwendet werden, um bei den optischen oder elektrischen Eigenschaften einen sanfteren Übergang zwischen den zwei Schichten zu bewirken.
Silizium und andere Halbleiter können zu Feststoffen mit anderen Morphologien geformt werden. Einige häufige allotrope Formen von festem Silizium sind amorphes, parakristallines und kristallines Silizium. Diese Formen von Silizium unterscheiden sich in der Länge der Strecke, auf welcher ein geordnetes Kristallgitter existiert. Falls sich ein gleichförmiges Gitter über eine lange Distanz erstreckt, ist das Material kristallin. Falls nur eine Ordnung in einem sehr kleinen Bereich oder keine Ordnung vorhanden ist, ist das Material amorph. Zwischen diesen beiden Extremen ist das Material parakristallin.
Bei den parakristallinen Materialien kann ein gegebenes Muster nanokristallin, mikrokristallin oder polykristallin sein. Nanokristalline und mikrokristalline Feststoffe umfassen Kristallkörner, die in einer amorphen Matrix suspendiert sind. Obwohl die Unterscheidung zwischen den beiden Typen auf der Größe der Kristallkörner beruht, wird für die meisten Zwecke der Begriff ”mikrokristallin” verwendet, da die meisten parakristallinen Materialien mit Kristallkörnern, die sich in den Mikrometerbereich hinein erstrecken, in Wirklichkeit feinkörniges polykristallines Material darstellen. Polykristallines Material besteht aus nur durch Korngrenzen getrennten Kristallkörnern ohne eine amorphe Matrix.
Massivsilizium-Schichten werden im Allgemeinen hergestellt, indem eine als Siliziumquelle dienende Verbindung einer Bearbeitungskammer zugeführt wird, die ein Substrat enthält. Das Substrat ist im Allgemeinen auf einem Träger in der Bearbeitungskammer angeordnet, zur Exposition gegenüber der als Siliziumquelle dienenden Verbindung. Ein Gasgemisch, das die als Siliziumquelle dienende Verbindung umfasst, wird in die Kammer eingeleitet. In vielen Fällen ist die als Siliziumquelle dienende Verbindung Silan, es können jedoch ebenso andere Verbindungen verwendet werden, wie etwa substituierte Silane, Oligo- oder Polysilane und cyclische Silane. Einige geeignete, als Siliziumquelle dienende Verbindungen sind Silan (SiH₄), Disilan (Si₂H₆), Siliziumtetrafluorid (SiF₄), Siliziumtetrachlorid (SiCl₄) und Dichlorosilan (SiH₂Cl₂). Wasserstoffgas kann ebenfalls zugeführt werden, um den Kristallinitätsgrad zu steuern, welcher im Allgemeinen mit dem Verhältnis von Wasserstoff zu Silizium in dem Gasgemisch zunimmt oder abnimmt. Inertgase können gleichfalls zur Steuerung der Gesamtreaktion verwendet werden, indem sie die reagierenden Stoffe verdünnen oder deren Konzentration erhöhen. Die reagierenden Stoffe können auch durch Ionisation aktiviert werden, um die Reaktionsrate zu erhöhen und die für eine Filmbildung erforderliche Temperatur zu senken. Massivsilizium oder Volumenhalbleiter wird oft als ”intrinsisch” bezeichnet, zwecks Unterscheidung von einem ”extrinsischen” Halbleiter, welcher dotiert wurde und Eigenschaften aufweist, die von denjenigen eines intrinsischen Halbleiters verschieden sind.
Eine intrinsische Siliziumschicht kann bei einigen Ausführungsformen gebildet werden, indem ein Silan und Wasserstoffgas umfassendes Gasgemisch in eine ein Substrat enthaltende Bearbeitungskammer eingeleitet wird. Das Gasgemisch kann mit einer Durchflussgeschwindigkeit zwischen etwa 0,5 Standardkubikzentimeter pro Minute pro Liter Reaktionsvolumen (sccm/l) und etwa 1000 sccm/l eingeleitet werden, wobei das Verhältnis von Wasserstoff zu Silan zwischen etwa 5:1 und etwa 500:1 oder mehr liegt. Das Reaktionsvolumen ist im Allgemeinen durch die Bearbeitungskammer definiert, in welcher die Reaktion durchgeführt wird. Bei vielen Ausführungsformen ist das Reaktionsvolumen durch die Wände der Kammer, den Substratträger und den Gasverteiler, welcher im Allgemeinen über dem Substratträger angeordnet ist, definiert. Das Verhältnis von Wasserstoffgas zu Silan ist theoretisch unbegrenzt; da sich jedoch das Verhältnis bei einer gegebenen Reaktion vergrößert, verringert sich die Abscheidungsgeschwindigkeit, da die Verfügbarkeit von Silizium die Reaktionsgeschwindigkeit begrenzt. Eine Abscheidung, die mit einem Verhältnis von Wasserstoff zu Silan von etwa 12:1 oder weniger durchgeführt wird, kann die Abscheidung einer amorphen Siliziumschicht zur Folge haben. Eine Abscheidung, die mit einem Verhältnis von Wasserstoff zu Silan von etwa 100:1 oder mehr durchgeführt wird, hat im Allgemeinen einen abgeschiedenen mikrokristallinen Film zur Folge, der einen Kristallinitätsanteil von etwa 60% oder mehr aufweist. Die genauen Übergangspunkte hängen natürlich auch von anderen Reaktionsbedingungen ab, wie Temperatur und Druck. Bei einigen Ausführungsformen kann es vorteilhaft sein, das Verhältnis während der Abscheidung zu variieren, um den Kristallinitätsanteil in verschiedenen Teilen des abgeschiedenen Films anzupassen. Zum Beispiel kann es wünschenswert sein, eine Schicht aus massivem Silizium und eine Pufferschicht in einem Abscheidungsvorgang aufzubringen, indem die Reaktionsbedingungen während der Abscheidung geändert werden.
Der Kammerdruck kann zwischen etwa 0,1 Torr und etwa 100 Torr gehalten werden. Höhere Drücke wirken sich im Allgemeinen günstig auf die Abscheidungsgeschwindigkeit und die Kristallinität aus, doch es wir mehr Energie benötigt, um einen bestimmten Ionisationsgrad der reagierenden Stoffe aufrechtzuerhalten. Daher wird ein Druck zwischen etwa 4 Torr und etwa 12 Torr für die meisten Ausführungsformen bevorzugt. Die Anwendung von Hochfrequenzenergie (HF-Energie) zwischen etwa 15 Milliwatt pro Quadratzentimeter Substratfläche (mW/cm²) und etwa 500 mW/cm² führt im Allgemeinen zu einer Abscheidung von intrinsischem Silizium mit einer Geschwindigkeit von 100 Ångström pro Minute (Å/min) oder mehr.
Eine Schicht aus intrinsischem amorphem Silizium kann abgeschieden werden, indem ein Gasgemisch mit Wasserstoffgas und Silangas in einem Verhältnis von etwa 12:1 oder weniger eingeleitet wird. Silangas kann mit einer Durchflussgeschwindigkeit zwischen etwa 0,5 sccm/l und etwa 7 sccm/l eingeleitet werden. Wasserstoffgas kann mit einer Durchflussgeschwindigkeit zwischen etwa 5 sccm/l und 60 sccm/l eingeleitet werden. Dem Brausekopf kann HF-Energie zwischen 15 mW/cm² und etwa 250 mW/cm² zugeführt werden. Der Druck der Kammer kann zwischen etwa 0,1 Torr und 20 Torr gehalten werden, vorzugsweise zwischen etwa 0,5 Torr und etwa 5 Torr. Die Abscheidungsgeschwindigkeit der Schicht von amorphem Silizium vom intrinsischen Typ beträgt dann etwa 100 Å/min oder mehr. Bei einer beispielhaften Ausführungsform wird die Schicht von amorphem Silizium vom intrinsischen Typ bei einem Verhältnis von Wasserstoff zu Silan von etwa 2:1 aufgebracht.
Eine Schicht aus amorphem Silizium vom Typ eines p-i-Puffers (PIB) kann abgeschieden werden, indem ein Gasgemisch mit Wasserstoffgas und Silangas in einem Verhältnis von etwa 50:1 oder weniger, zum Beispiel von weniger als etwa 30:1, zum Beispiel zwischen etwa 20:1 und etwa 30:1, wie 25:1, eingeleitet wird. Silangas kann mit einer Durchflussgeschwindigkeit zwischen etwa 0,5 sccm/l und etwa 5 sccm/l, wie von etwa 2,3 sccm/l, eingeleitet werden. Wasserstoffgas kann mit einer Durchflussgeschwindigkeit zwischen etwa 5 sccm/l und etwa 80 sccm/l, wie zwischen etwa 20 sccm/l und etwa 65 sccm/l, zum Beispiel von etwa 57 sccm/l, eingeleitet werden. Dem Brausekopf kann HF-Energie zwischen etwa 15 mW/cm² und etwa 250 mW/cm², wie von etwa 30 mW/cm², zugeführt werden. Der Druck der Kammer kann zwischen etwa 0,1 Torr und etwa 20 Torr gehalten werden, vorzugsweise zwischen etwa 0,5 Torr und etwa 5 Torr, wie bei etwa 3 Torr. Die Abscheidungsgeschwindigkeit der PIB-Schicht beträgt dann etwa 100 Å/min oder mehr.
Eine Schicht aus mikrokristallinem Silizium vom intrinsischen Typ kann abgeschieden werden, indem ein Gasgemisch von Silangas und Wasserstoffgas mit einem Verhältnis von Wasserstoff zu Silan zwischen etwa 20:1 und etwa 200:1 eingeleitet wird. Silangas kann mit einer Durchflussgeschwindigkeit zwischen etwa 0,5 sccm/l und etwa 5 sccm/l eingeleitet werden. Wasserstoffgas kann mit einer Durchflussgeschwindigkeit zwischen etwa 40 sccm/l und etwa 400 sccm/l eingeleitet werden. Bei gewissen Ausführungsformen kann die Durchflussgeschwindigkeit von Silan während der Abscheidung rampenartig von einer ersten Durchflussgeschwindigkeit auf eine zweite Durchflussgeschwindigkeit erhöht werden. Bei gewissen Ausführungsformen kann die Durchflussgeschwindigkeit von Wasserstoff während der Abscheidung rampenartig von einer ersten Durchflussgeschwindigkeit auf eine zweite Durchflussgeschwindigkeit verringert werden. Die Zuführung von HF-Energie von etwa 300 mW/cm² oder mehr, vorzugsweise 600 mW/cm² oder mehr, bei einem Kammerdruck zwischen etwa 1 Torr und etwa 100 Torr, vorzugsweise zwischen etwa 3 Torr und etwa 20 Torr, stärker bevorzugt zwischen etwa 4 Torr und etwa 12 Torr, bewirkt im Allgemeinen die Abscheidung einer Schicht aus mikrokristallinem Silizium vom intrinsischen Typ, die einen kristallinen Anteil zwischen etwa 20 Prozent und etwa 80 Prozent, vorzugsweise zwischen etwa 55 Prozent und etwa 75 Prozent, aufweist, mit einer Geschwindigkeit von etwa 200 Å/min oder mehr, vorzugsweise von etwa 500 Å/min. Bei einigen Ausführungsformen kann es vorteilhaft sein, die Leistungsdichte der zugeführten HF-Energie während der Abscheidung rampenartig von einer ersten Leistungsdichte auf eine zweite Leistungsdichte zu erhöhen.
Eine Schicht aus mikrokristallinem Silizium vom intrinsischen Typ kann in mehreren Schritten abgeschieden werden, die unterschiedliche Kristallanteile aufweisen. Bei einer Ausführungsform kann zum Beispiel das Verhältnis von Wasserstoff zu Silan in vier Schritten von 100:1 auf 95:1, auf 90:1 und dann auf 85:1 reduziert werden. Bei einer Ausführungsform kann Silangas mit einer Durchflussgeschwindigkeit zwischen etwa 0,1 sccm/l und etwa 5 sccm/l, wie von ungefähr 0,97 sccm/l, eingeleitet werden. Wasserstoffgas kann mit einer Durchflussgeschwindigkeit zwischen etwa 10 sccm/l und etwa 200 sccm/l, wie zwischen etwa 80 sccm/l und etwa 105 sccm/l, eingeleitet werden. Bei einer beispielhaften Ausführungsform, bei der die Abscheidung mehrere Schritte aufweist, wie etwa vier Schritte, kann die Durchflussgeschwindigkeit des Wasserstoffgases bei etwa 97 sccm/l im ersten Schritt beginnen und in den nachfolgenden Prozessschritten auf etwa 92 sccm/l, 88 sccm/l bzw. 83 sccm/l reduziert werden. Die Zuführung von HF-Energie von etwa 300 mW/cm² oder mehr, wie von etwa 490 mW/cm², bei einem Kammerdruck zwischen etwa 1 Torr und etwa 100 Torr, zum Beispiel zwischen etwa 3 Torr und etwa 20 Torr, wie zwischen etwa 4 Torr und etwa 12 Torr, wie von etwa 9 Torr, bewirkt die Abscheidung einer Schicht aus mikrokristallinem Silizium vom intrinsischen Typ mit einer Geschwindigkeit von etwa 200 Å/min oder mehr, wie von 400 Å/min.
Die Ladungsspeicherung erfolgt im Allgemeinen durch dotierte Hableiterschichten, wie etwa Siliziumschichten, die mit Dotierungsmitteln vom p-Typ oder n-Typ dotiert sind. Dotierungsmittel vom p-Typ sind im Allgemeinen Elemente der Gruppe III, wie Bor oder Aluminium. Dotierungsmittel vom n-Typ sind im Allgemeinen Elemente der Gruppe V, wie Phosphor, Arsen oder Antimon. Bei den meisten Ausführungsformen wird Bor als das Dotierungsmittel vom p-Typ und Phosphor als das Dotierungsmittel vom n-Typ verwendet. Diese Dotierungsmittel können zu den oben beschriebenen Schichten hinzugefügt werden, indem borhaltige bzw. phosphorhaltige Verbindungen zu dem Reaktionsgemisch zugegeben werden. Geeignete Bor- und Phosphorverbindungen umfassen im Allgemeinen substituierte und unsubstituierte niedere Boran- und Phosphin-Oligomere. Einige geeignete Borverbindungen sind Trimethylbor (B(CH₃)₃ oder TMB), Diboran (B₂H₆), Bortrifluorid (BF₃) und Triethylbor (B(C₂H₅)₃ oder TEB). Phosphin ist die gebräuchlichste Phosphorverbindung. Die Dotierungsmittel werden im Allgemeinen mit Trägergasen zugeführt, wie Wasserstoff, Helium, Argon und andere geeignete Gase. Wenn Wasserstoff als Trägergas verwendet wird, erhöht es den Gesamtgehalt an Wasserstoff im Reaktionsgemisch. Die Wasserstoffanteile enthalten daher auch den Wasserstoff, der als Trägergas für Dotierungsmittel verwendet wird.
Dotierungsmittel werden im Allgemeinen als verdünnte Gasgemische in einem Inertgas zugeführt. Zum Beispiel können Dotierungsmittel mit molaren Konzentrationen oder Volumenkonzentrationen von etwa 0,5% in einem Trägergas zugeführt werden. Wenn ein Dotierungsmittel mit einer Volumenkonzentration von etwa 0,5% in einem Trägergas zugeführt wird, das mit 1,0 sccm/l fließt, beträgt die resultierende Durchflussgeschwindigkeit des Dotierungsmittels 0,005 sccm/l. Dotierungsmittel können einer Reaktionskammer mit Durchflussgeschwindigkeiten zwischen etwa 0,0002 sccm/l und etwa 0,1 sccm/l zugeführt werden, in Abhängigkeit vom gewünschten Dotierungsgrad. Im Allgemeinen wird die Konzentration des Dotierungsmittels zwischen etwa 10¹⁸ Atomen/cm² und etwa 10²⁰ Atomen/cm² gehalten.
Eine Schicht aus mikrokristallinem Silizium vom p-Typ kann abgeschieden werden, indem ein Gasgemisch aus Wasserstoffgas und Silangas mit einem Verhältnis von Wasserstoff zu Silan von etwa 200:1 oder größer, wie 1000:1 oder weniger, zum Beispiel zwischen etwa 250:1 und etwa 800:1, und in einem weiteren Beispiel von etwa 601:1 oder etwa 401:1, zugeführt wird. Silangas kann mit einer Durchflussgeschwindigkeit zwischen etwa 0,1 sccm/l und etwa 0,8 sccm/l, wie zwischen etwa 0,2 sccm/l und etwa 0,38 sccm/l, zugeführt werden. Wasserstoffgas kann mit einer Durchflussgeschwindigkeit zwischen etwa 60 sccm/l und etwa 500 sccm/l, zum Beispiel von etwa 143 sccm/l, zugeführt werden. TMB kann mit einer Durchflussgeschwindigkeit zwischen etwa 0,0002 sccm/l und etwa 0,0016 sccm/l, zum Beispiel von etwa 0,00115 sccm/l, zugeführt werden. Falls TMB mit einer molaren Konzentration oder Volumenkonzentration von 0,5% in einem Trägergas zugeführt wird, kann das Dotierungsmittel-Trägergas-Gemisch mit einer Durchflussgeschwindigkeit zwischen etwa 0,04 sccm/l und etwa 0,32 sccm/l, zum Beispiel von etwa 0,23 sccm/l, zugeführt werden. Die Zuführung von HF-Energie zwischen etwa 50 mW/cm² und etwa 700 mW/cm², wie zwischen etwa 290 mW/cm² und etwa 440 mW/cm², bei einem Kammerdruck zwischen etwa 1 Torr und etwa 100 Torr, vorzugsweise zwischen etwa 3 Torr und etwa 20 Torr, stärker bevorzugt zwischen 4 Torr und etwa 12 Torr, wie von etwa 7 Torr oder etwa 9 Torr, bewirkt die Abscheidung einer mikrokristallinen Schicht vom p-Typ mit einem kristallinen Anteil zwischen etwa 20 Prozent und etwa 80 Prozent, vorzugsweise zwischen 50 Prozent und etwa 70 Prozent für eine mirokristalline Schicht mit einer Geschwindigkeit von etwa 100 Å/min oder mehr, wie von etwa 143 Å/min oder mehr.
Eine Schicht aus amorphem Silizium vom p-Typ kann abgeschieden werden, indem ein Gasgemisch aus Wasserstoffgas und Silangas mit einem Verhältnis von etwa 20:1 oder weniger zugeführt wird. Silangas kann mit einer Durchflussgeschwindigkeit zwischen etwa 1 sccm/l und etwa 10 sccm/l zugeführt werden. Wasserstoffgas kann mit einer Durchflussgeschwindigkeit zwischen etwa 5 sccm/l und etwa 60 sccm/l zugeführt werden. Trimethylbor kann mit einer Durchflussgeschwindigkeit zwischen etwa 0,005 sccm/l und etwa 0,05 sccm/l zugeführt werden. Falls Trimethylbor mit einer molaren Konzentration oder Volumenkonzentration von 0,5% in einem Trägergas zugeführt wird, kann das Dotierungsmittel-Trägergas-Gemisch mit einer Durchflussgeschwindigkeit zwischen etwa 1 sccm/l und etwa 10 sccm/l zugeführt werden. Die Zuführung von HF-Energie zwischen etwa 15 mW/cm² und etwa 200 mW/cm² bei einem Kammerdruck zwischen etwa 0,1 Torr und 20 Torr, vorzugsweise zwischen etwa 1 Torr und etwa 4 Torr, bewirkt die Abscheidung einer Schicht aus amorphem Silizium vom p-Typ mit einer Geschwindigkeit von etwa 100 Å/min oder mehr.
Eine Schicht aus mikrokristallinem Silizium vom n-Typ kann abgeschieden werden, indem ein Gasgemisch aus Wasserstoffgas und Silangas mit einem Verhältnis von etwa 100:1 oder mehr, wie von etwa 500:1 oder weniger, wie zwischen etwa 150:1 und etwa 400:1, zum Beispiel von etwa 304:1 oder etwa 203:1, zugeführt wird. Silangas kann mit einer Durchflussgeschwindigkeit zwischen etwa 0,1 sccm/l und etwa 0,8 sccm/l, wie zwischen etwa 0,32 sccm/l und etwa 0,45 sccm/l, zum Beispiel von etwa 0,35 sccm/l, zugeführt werden. Wasserstoffgas kann mit einer Durchflussgeschwindigkeit zwischen etwa 30 sccm/l und etwa 250 sccm/l, wie zwischen etwa 68 sccm/l und etwa 143 sccm/l, zum Beispiel von etwa 71,43 sccm/l, zugeführt werden. Phosphin kann mit einer Durchflussgeschwindigkeit zwischen etwa 0,0005 sccm/l und etwa 0,006 sccm/l, wie zwischen etwa 0,0025 sccm/l und etwa 0,015 sccm/l, zum Beispiel von etwa 0,005 sccm/l, zugeführt werden. Anders ausgedrückt, falls Phosphin mit einer molaren Konzentration oder Volumenkonzentration von 0,5% in einem Trägergas zugeführt wird, kann das Dotierungsmittel-Trägergas-Gemisch mit einer Durchflussgeschwindigkeit zwischen etwa 0,1 sccm/l und etwa 5 sccm/l, wie zwischen etwa 0,5 sccm/l und etwa 3 sccm/l, zum Beispiel zwischen etwa 0,9 sccm/l und etwa 1,088 sccm/l, zugeführt werden. Die Zuführung von HF-Energie zwischen etwa 100 mW/cm² und etwa 900 mW/cm², wie von etwa 370 mW/cm², bei einem Kammerdruck zwischen etwa 1 Torr und etwa 100 Torr, vorzugsweise zwischen etwa 3 Torr und etwa 20 Torr, stärker bevorzugt zwischen 4 Torr und etwa 12 Torr, zum Beispiel von etwa 6 Torr oder etwa 9 Torr, bewirkt die Abscheidung einer mikrokristallinen Siliziumschicht vom n-Typ mit einem kristallinen Anteil zwischen etwa 20 Prozent und etwa 80 Prozent, vorzugsweise zwischen 50 Prozent und etwa 70 Prozent, mit einer Geschwindigkeit von etwa 50 Å/min oder mehr, wie von etwa 150 Å/min oder mehr.
Eine Schicht aus amorphem Silizium vom n-Typ kann abgeschieden werden, indem ein Gasgemisch aus Wasserstoffgas und Silangas mit einem Verhältnis von etwa 20:1 oder weniger, wie von etwa 5,5:1 oder 7,8:1, zugeführt wird. Silangas kann mit einer Durchflussgeschwindigkeit zwischen etwa 0,1 sccm/l und etwa 10 sccm/l, wie zwischen etwa 1 sccm/l und etwa 10 sccm/l, zwischen etwa 0,1 sccm/l und etwa 5 sccm/l, oder zwischen etwa 0,5 sccm/l und etwa 3 sccm/l, zum Beispiel von etwa 1,42 sccm/l oder etwa 5,5 sccm/l, zugeführt werden. Wasserstoffgas kann mit einer Durchflussgeschwindigkeit zwischen etwa 1 sccm/l und etwa 40 sccm/l, wie zwischen etwa 4 sccm/l und etwa 40 sccm/l oder zwischen etwa 1 sccm/l und etwa 10 sccm/l, zum Beispiel von etwa 6,42 sccm/l oder etwa 27 sccm/l, zugeführt werden. Phosphin kann mit einer Durchflussgeschwindigkeit zwischen etwa 0,0005 sccm/l und etwa 0,075 sccm/l, wie zwischen etwa 0,0005 sccm/l und etwa 0,0015 sccm/l oder zwischen etwa 0,015 sccm/l und etwa 0,03 sccm/l, zum Beispiel von etwa 0,0095 sccm/l oder etwa 0,023 sccm/l, zugeführt werden. Falls Phosphin mit einer molaren Konzentration oder Volumenkonzentration von 0,5% in einem Trägergas zugeführt wird, kann das Dotierungsmittel-Trägergas-Gemisch mit einer Durchflussgeschwindigkeit zwischen etwa 0,1 sccm/l und etwa 15 sccm/l, wie zwischen etwa 0,1 sccm/l und etwa 3 sccm/l, zwischen etwa 2 sccm/l und etwa 15 sccm/l oder zwischen etwa 3 sccm/l und etwa 6 sccm/l, zum Beispiel von etwa 1,9 sccm/l oder etwa 4,71 sccm/l, zugeführt werden. Die Zuführung von HF-Energie zwischen etwa 25 mW/cm² und etwa 250 mW/cm², wie von etwa 60 mW/cm² oder etwa 80 mW/cm², bei einem Kammerdruck zwischen etwa 0,1 Torr und etwa 20 Torr, vorzugsweise zwischen etwa 0,5 Torr und etwa 4 Torr, wie von etwa 1,5 Torr, bewirkt die Abscheidung einer amorphen Siliziumschicht vom n-Typ mit einer Geschwindigkeit von etwa 100 Å/min oder mehr, wie von etwa 200 Å/min oder mehr, wie von etwa 300 Å/min oder etwa 600 Å/min.
Bei einigen Ausführungsformen können Schichten stark dotiert oder degenerativ dotiert werden, indem Dotierungsverbindungen mit hohen Durchflussgeschwindigkeiten zugeführt werden, zum Beispiel mit Durchflussgeschwindigkeiten im oberen Teil der oben angegebenen Bereiche. Es ist anzunehmen, dass degeneratives Dotieren die Ladungsspeicherung verbessert, indem Kontaktübergänge mit niedrigem Widerstand erzeugt werden. Es ist außerdem anzunehmen, dass degeneratives Dotieren die Leitfähigkeit mancher Schichten, wie etwa von amorphen Schichten, verbessert.
Bei einigen Ausführungsformen können Legierungen von Silizium mit anderen Elementen, wie Sauerstoff, Kohlenstoff, Stickstoff und Germanium, von Nutzen sein. Diese anderen Elemente können zu Siliziumfilmen hinzugefügt werden, indem dem Gemisch der Reaktionsgase zusätzlich Quellen der jeweiligen Elemente zugeführt werden. Zum Beispiel kann Kohlenstoff zu dem Film hinzugefügt werden, indem eine Kohlenstoffquelle wie etwa Methan (CH₄) zu dem Gasgemisch hinzugefügt wird. Im Allgemeinen können die meisten C₁-C₄-Kohlenwasserstoffe als Kohlenstoffquellen verwendet werden. Alternativ dazu können Organosiliziumverbindungen, die in der Technik bekannt sind, wie Organosilane, Organosiloxane, Organosilanole und Ähnliches, sowohl als Silizium- als auch als Kohlenstoffquellen dienen. Germaniumverbindungen, wie Germane und Organogermane, können neben Silizium und Germanium enthaltenden Verbindungen, wie Silylgermanen oder Germylsilanen, als Germaniumquellen dienen. Sauerstoffgas (O₂) kann als Sauerstoffquelle dienen. Andere Sauerstoffquellen sind unter anderem Oxide von Stickstoff (Distickstoffmonoxid – N₂O, Stickstoffmonoxid – NO, Distickstofftrioxid – N₂O₃, Stickstoffdioxid – NO₂, Distickstofftetroxid – N₂O₄, Distickstoffpentoxid – N₂O₅ und Stickstofftrioxide – NO₃), Wasserstoffperoxid (H₂O₂), Kohlenmonoxid oder -dioxid (CO oder CO₂), Ozon (O₃), Sauerstoffatome, Sauerstoffradikale und Alkohole (ROH, wobei R eine beliebige organische oder heteroorganische Radikalgruppe ist). Stickstoffquellen können etwa Stickstoffgas (N₂), Ammoniak (NH₃), Hydrazin (N₂H₂), Amine (R_xNR'_3-x, wobei x 0 bis 3 ist und R und R' unabhängig voneinander jeweils eine beliebige organische oder heteroorganische Radikalgruppe sind), Amide ((RCO)_xNR'_3-x, wobei x 0 bis 3 ist und R und R' unabhängig voneinander jeweils eine beliebige organische oder heteroorganische Radikalgruppe sind), Imide (RCONCOR', wobei R und R' unabhängig voneinander jeweils eine beliebige organische oder heteroorganische Radikalgruppe sind), Enamine (R₁R₂C=CR₃NR₄R₅, wobei R₁-R₅ unabhängig voneinander jeweils eine beliebige organische oder heteroorganische Radikalgruppe sind) sowie Stickstoffatome und –radikale sein.
Ausführungsformen der Erfindung stellen außerdem ein Verfahren zur Herstellung von Solarzellen auf der Basis von kristallinem Silizium bereit, welche typischerweise hergestellt werden, indem eine oder mehrere dotierte Siliziumschicht(en), Passivierungsschichten, Antireflexionsüberzugs-(Anti-Reflection Coating, ARC-)Schichten und/oder Metallisierungsschichten auf einem Substrat aus kristallinem Silizium abgeschieden werden. Daher können Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden, um während verschiedener Phasen des Herstellungsprozesses kristalliner Solarzellen Oxidschichten, zusammen mit anderen Verunreinigungen, von einer Oberfläche eines kristallinen Solarzellensubstrats zu entfernen. Zum Beispiel können Ausführungsformen der Erfindung von Nutzen sein, um Oxide von einem kristallinen Siliziumsubstrat zu entfernen, bevor eine oder mehrere Schichten darauf hergestellt werden, wie etwa eine amorphe Siliziumschicht, eine kristalline Siliziumschicht, eine Passivierungsschicht von hoher Qualität oder eine Antireflexionsüberzugsschicht. In einem anderen Beispiel kann es wünschenswert sein, die Oberfläche des kristallinen Siliziumsubstrats zu reinigen, bevor eine oder mehrere der Schichten hergestellt werden, die verwendet werden, um Abschnitte einer Heterojunction-Solarzellenvorrichtung darauf zu bilden. Die Schichtbildungsprozesse, die angewendet werden, um Schichten auf einem kristallinen Siliziumsubstrat herzustellen, sind im Allgemeinen den oben beschriebenen Prozessen ähnlich. Zu den kristallinen Solarzellensubstraten, welche von der Erfindung profitieren können, gehören unter anderem Substrate, welche einen Abschnitt des aktiven Bereiches der Solarzellenvorrichtung aufweisen, der von einkristallinem Silizium, multikristallinem Silizium, polykristallinem Silizium oder anderen ähnlichen Substratmaterialien gebildet wird, welche verwendet werden können, um Sonnenlicht in elektrische Energie umzuwandeln.
Es ist anzumerken, dass bei vielen Ausführungsformen Vorreinigungsprozesse angewendet werden können, um Substrate und/oder Reaktionskammern für die Abscheidung der obigen Schichten vorzubereiten. Es kann ein Prozess der Vorbehandlung mit Wasserstoff- oder Argonplasma durchgeführt werden, um Verunreinigungen von Substraten und/oder Kammerwänden zu entfernen, indem der Bearbeitungskammer Wasserstoffgas oder Argongas mit einer Durchflussgeschwindigkeit zwischen etwa 10 sccm/l und etwa 45 sccm/l, wie zwischen etwa 15 sccm/l und etwa 40 sccm/l, zum Beispiel etwa 20 sccm/l und etwa 36 sccm/l, zugeführt werden. In einem Beispiel kann das Wasserstoffgas mit etwa 21 sccm/l zugeführt werden, oder das Argongas kann mit etwa 36 sccm/l zugeführt werden. Die Behandlung wird durchgeführt, indem HF-Energie zwischen etwa 10 mW/cm² und etwa 250 mW/cm², wie zwischen etwa 25 mW/cm² und etwa 250 mW/cm², zum Beispiel von etwa 60 mW/cm² oder etwa 80 mW/cm² für eine Behandlung mit Wasserstoff und etwa 25 mW/cm² für eine Behandlung mit Argon, zugeführt wird. Bei vielen Ausführungsformen kann es vorteilhaft sein, einen Prozess der Vorbehandlung mit Argonplasma vor dem Abscheiden einer Schicht aus amorphem Silizium vom p-Typ und einen Prozess der Vorbehandlung mit Wasserstoffplasma vor dem Abscheiden von Schichten anderer Typen durchzuführen.
TROCKENREINIGUNG VON SOLARZELLENSCHICHTEN
Eine Solarzellenschicht mit einer darauf ausgebildeten nativen Schicht kann unter Anwendung eines Trockenreinigungsprozesses gereinigt werden. Im Allgemeinen wird ein Stickstoff und Fluor enthaltendes Gas an einem von dem Substrat entfernten Ort der Einwirkung dissoziativer Energie ausgesetzt, um neutral geladene aktive Spezies zu bilden, wie etwa Radikale. Die neutral geladenen aktiven Spezies werden zu dem Substrat geleitet, mit der Substratoberfläche umgesetzt, um einen Film zu bilden, und das Substrat wird wärmebehandelt, um den Film zu entfernen.
1A ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zusammenfasst. Die 1B–1D sind schematische Schnittansichten eines Solarzellensubstrats 150 während verschiedener Stufen des Verfahrens 100. Im Schritt 110 eine Schicht 170 eines Solarzellen-Übergangs (Solar Cell Junction) wird auf einem Salarzellensubstrat 160 gebildet. Die Schicht 170 kann eine beliebige von den oben beschriebenen Schichten sein. Bei vielen Ausführungsformen erwirbt eine abgeschiedene Schicht in einem Solarzellensubstrat während des Transports von einem Bearbeitungsort zu einem anderen eine native Schicht 175, wie etwa eine native Oxidschicht. Bei vielen Ausführungsformen geschieht dies nach Bildung der letzten Schicht eines Solarzellen-Übergangs, wie etwa einer dotierten Schicht vom p-Typ oder n-Typ. Bei anderen Ausführungsformen geschieht dies vor der Bildung einer oder mehrerer Leiterschichten, wie etwa nachdem eine stark, oder degenerativ, dotierte Schicht vom p-Typ gebildet worden ist. Es ist anzumerken, dass, obwohl die hier beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung im Zusammenhang mit der Reinigung einer Oberfläche einer abgeschiedenen Schicht, wie etwa einer Schicht 170, erörtert werden, diese Konfiguration den Umfang der Erfindung nicht einschränken soll, da die Vorrichtung und der (die) Reinigungsprozess(e), die hier beschrieben sind, während einer beliebigen Phase des Herstellungsprozesses der Solarzellen angewendet werden können, ohne von der Grundidee der hier beschriebenen Erfindung abzuweichen. In einem Beispiel können die hier beschriebenen Prozesse angewendet werden, um die Oberfläche des Substrats 160, wie etwa eines kristallinen Siliziumsubstrats, vor dem Abscheiden der Schicht 170 darauf vorzubereiten.
Nach dem Anordnen des Substrats auf einem Substratträger in einer Prozesskammer wird die native Schicht 175 in 120 gegenüber einem reaktiven Gas exponiert, um auf der nativen Schicht 175 einen dünnen Film 180 zu bilden. Das reaktive Gas umfasst Stickstoff, Fluor und Wasserstoff. Bei einigen Ausführungsformen umfasst das reaktive Gas neutrale Radikale, die Stickstoff, Fluor oder beides enthalten, und wird in die Prozesskammer mit dem darin angeordneten Substrat eingeleitet und in Richtung des Substrats gelenkt. Der dünne Film umfasst im Allgemeinen eine feste Verbindung, die durch Reaktion der neutralen Radikale mit Sauerstoff aus der nativen Schicht 175 gebildet wird.
In 130 wird der dünne Film 180 wärmebehandelt, um ihn von der Schicht 170 zu entfernen. Bei einigen Ausführungsformen kann die Wärmebehandlung ein Glühprozess sein. Der dünne Film sublimiert von der Schicht 170 weg, wobei er Sauerstoff und andere Verunreinigungen mitnimmt und eine mit Wasserstoff abgeschlossene Schicht 190 zurücklässt. Bei einigen Ausführungsformen kann die Schicht 190 nach der Wärmebehandlung von 130 auch Fluor aufweisen, wie etwa Spuren von Fluoratomen.
Im Folgenden wird ein beispielhafter reaktiver Reinigungsprozess zum Entfernen nativer Oxide auf einer Oberfläche des Substrats unter Verwendung eines Gasgemisches aus Ammoniak (NH₃) und Stickstofftrifluorid (NF₃) beschrieben, der in einer Bearbeitungskammer durchgeführt wird. Der reaktive Reinigungsprozess beginnt mit dem Anordnen eines Substrats in einer Bearbeitungskammer. Während der Bearbeitung kann das Substrat auf unter etwa 65°C abgekühlt werden, wie auf eine Temperatur zwischen etwa 15°C und etwa 50°C. In einem anderen Beispiel wird das Substrat auf einer Temperatur zwischen etwa 22°C und etwa 40°C, wie etwa 35°C, gehalten. Typischerweise wird der Substratträger unter etwa 22°C gehalten, um die gewünschten Substrattemperaturen zu erreichen. Bei einigen Ausführungsformen ist es nützlich, während der Bildung des dünnen Films eine Temperatur des Substrats unter einer Temperatur der Kammerwände aufrechtzuerhalten, um eine Kondensation reaktiver Spezies aus dem reaktiven Gas an den Kammerwänden zu verhindern.
Ein Vorläufer-Gasgemisch, welches Ammoniakgas und Stickstofftrifluoridgas umfasst, wird in die Trockenätzkammer eingeleitet, um ein Reinigungsgasgemisch zu bilden. Die Menge jedes Gases, das in die Kammer eingeleitet wird, ist variabel und kann so angepasst werden, dass zum Beispiel die Dicke der zu entfernenden Oxidschicht, die Geometrie des Substrats, welches gereinigt wird, das Volumen des reaktiven Gasgemisches und das Fassungsvermögen des Kammergehäuses berücksichtigt werden. In einem Aspekt werden die Gase so zugeführt, dass sie ein Vorläufer-Gasgemisch ergeben, das ein Molverhältnis von Ammoniak zu Stickstofftrifluorid von mindestens 1:1 aufweist. In einem anderen Aspekt beträgt das Molverhältnis des Gasgemisches mindestens etwa 3 zu etwa 1 (Ammoniak zu Stickstofftrifluorid). Vorzugsweise werden die Gase in die Trockenätzkammer in einem Molverhältnis zwischen etwa 1:1 (Ammoniak zu Stickstofftrifluorid) und etwa 30:1, stärker bevorzugt zwischen etwa 5:1 (Ammoniak zu Stickstofftrifluorid) und etwa 30:1 eingeleitet. Stärker bevorzugt beträgt das Molverhältnis des Gasgemisches zwischen etwa 5:1 (Ammoniak zu Stickstofftrifluorid) und etwa 10:1. Das Molverhältnis des Gasgemisches kann auch einen Wert zwischen etwa 10:1 (Ammoniak zu Stickstofftrifluorid) und etwa 20:1 haben. Bei einer beispielhaften Ausführungsform werden Ammoniak und Stickstofftrifluorid in einem Volumenverhältnis von etwa 5:1 einer Kammer zugeführt. Alternativ dazu kann ein vorgemischtes Vorläufer-Gasgemisch mit dem bevorzugten Molverhältnis während des reaktiven Reinigungsprozesses verwendet werden.
Ein Spülgas oder Trägergas kann ebenfalls dem Vorläufer-Gasgemisch beigemischt werden. Es kann ein beliebiges geeignetes Spül-/Trägergas verwendet werden, wie Argon, Helium, Wasserstoff, Stickstoff, Formiergas oder Gemische davon. Typischerweise liegt der Volumenanteil von Ammoniak und Stickstofffluorid in dem Vorläufer-Gasgemisch im Bereich von etwa 0,05% bis etwa 20%. Der restliche Teil des Vorläufer-Gasgemisches kann das Trägergas sein. Bei einer Ausführungsform wird das Spül- oder Trägergas zuerst in das Kammergehäuse eingeleitet, vor den reaktiven Gasen, um den Druck innerhalb des Kammergehäuses zu stabilisieren.
Der Betriebsdruck innerhalb des Kammergehäuses kann variieren. Der Druck kann innerhalb eines Bereiches von etwa 500 mTorr bis etwa 30 Torr, vorzugsweise von etwa 1 bis etwa 10 Torr, und stärker bevorzugt von etwa 3 Torr bis etwa 6 Torr, wie bei etwa 3 Torr, gehalten werden. Dem Vorläufer-Gasgemisch wird dissoziative Energie zugeführt, um ein reaktives Gasgemisch zu bilden. Es kann HF-Energie innerhalb eines Bereiches von etwa 5 Watt bis etwa 600 Watt zugeführt werden, um ein Plasma des Vorläufer-Gasgemisches innerhalb des Plasma-Hohlraums zu zünden. Vorzugsweise beträgt die HF-Energie weniger als etwa 100 Watt. Stärker bevorzugt ist, dass die Frequenz, mit welcher die Energie zugeführt wird, sehr niedrig ist, wie etwa niedriger als etwa 100 kHz, und stärker bevorzugt innerhalb eines Bereiches von etwa 50 kHz bis etwa 90 kHz liegt. Bei den meisten Ausführungsformen wird die Oberfläche des Substrats mit einer Geschwindigkeit zwischen etwa 3 Å/s und etwa 10 Å/s, wie von etwa 5 Å/s, geätzt (d. h. in einen dünnen Film eines Glüh-Vorläufers umgewandelt).
Die Plasmaenergie dissoziiert das Ammoniak- und das Stickstofftrifluoridgas zu reaktiven Spezies, welche sich vereinigen, um eine hochreaktive Ammoniumfluorid-(NH₄F)Verbindung und/oder Ammoniumhydrogenfluorid (NH₄F-HF) zu bilden, welches mit der Substratoberfläche reagiert. Die Gase dissoziieren, um geladene und ungeladene reaktive Spezies zu bilden, und die geladenen Spezies vereinigen sich wieder, um ungeladene reaktive Spezies zu erzeugen. Bei einer Ausführungsform umfasst das reaktive Gasgemisch Stickstoff, Fluor und Wasserstoff und ist frei von elektrischen Ladungen. Bei einer Ausführungsform wird das reaktive Gasgemisch, das durch Zuführung dissoziativer Energie zu dem Vorläufer-Gasgemisch gebildet wurde, in die Prozesskammer während einer Zeitdauer eingeleitet, die ausreichend ist, um mindestens etwa 90% der geladenen aktiven Spezies in dem reaktiven Gas zu neutralisieren. Bei anderen Ausführungsformen werden mindestens etwa 99% der geladenen aktiven Spezies neutralisiert. Bei einer Ausführungsform wird das Trägergas zuerst in die Trockenätzkammer eingeleitet, es wird ein Plasma des Trägergases erzeugt, und danach werden die reaktiven Gase, Ammoniak und Stickstofftrifluorid, zu dem Plasma zugegeben.
Unabhängig von theoretischen Betrachtungen ist anzunehmen, dass das Ätzgas, NH₄F und/oder NH₄F-HF, mit der nativen Oxidoberfläche reagiert, um Ammoniumhexafluorosilikat ((NH₄)₂SiF₆), Ammoniak und Wasser zu bilden, wobei Sauerstoffgas freigesetzt wird. Ammoniak und Wasser sind unter Prozessbedingungen Dämpfe und werden mittels einer an der Kammer angebrachten Vakuumpumpe aus der Kammer entfernt. Ein dünner Film aus Ammoniumhexafluorosilikat bleibt auf der Substratoberfläche zurück.
Der dünne Film aus Ammoniumhexafluorosilikat auf der Substratoberfläche kann entfernt werden, um die darunter befindliche Substratoberfläche während eines Glühprozesses freizulegen. Die Bearbeitungskammer strahlt Wärme aus, um den dünnen Film aus Ammoniumhexafluorosilikat zu flüchtigen Produkten SiF₄, NH₃ und HF zu dissoziieren oder zu sublimieren. Diese flüchtigen Produkte werden anschließend mittels derer an der Anlage angebrachten Vakuumpumpe aus der Kammer entfernt. In einem Beispiel wird eine Substrattemperatur von etwa 75°C oder mehr angewendet, um den dünnen Film wirksam zu sublimieren und von dem Substrat zu entfernen. Vorzugsweise wird eine Temperatur von etwa 100°C oder mehr angewendet, wie eine Temperatur in einem Bereich von etwa 115°C bis etwa 300°C, wie von etwa 120°C. Eine höhere Temperatur begünstigt eine schnellere Sublimation. Bei einer Ausführungsform wird die Gasverteilungsplatte auf eine Temperatur von etwa 180°C erwärmt und in einem Abstand von etwa 100 Milli-Inch von dem Substrat angeordnet, um das Substrat zu glühen. Nachdem der Film von dem Substrat entfernt worden ist, wird die Kammer gespült und evakuiert, bevor das gereinigte Substrat entnommen wird. Während des Glühprozesses kann das Substrat, in Abhängigkeit von der Ausführungsform, unter Vakuum gehalten werden oder gegenüber Wasserstoffgas exponiert werden. Die Entfernung des dünnen Films entfernt Sauerstoff von der Substratoberfläche und bewirkt die Abscheidung von Wasserstoff, Fluor oder beidem auf der Substratoberfläche.
Bei einigen Ausführungsformen kann der Glühprozess auf einer Seite des Substrats durchgeführt werden, die der Seite gegenüberliegt, auf welcher der Reinigungsfilm abgeschieden wird. Zum Beispiel kann, wenn eine erste Seite des Substrats dem oben beschriebenen Trockenreinigungsprozess mit neutralen Radikalen unterzogen wird, wobei ein dünner Film auf der ersten Seite gebildet wird, eine zweite Seite des Substrats, welche der ersten Seite gegenüberliegt, erwärmt werden, um den Glühprozess durchzuführen. Das Glühen von der zweiten Seite aus kann die Kristallisation der Schicht, die der Reinigung unterzogen wird, verbessern, indem es die Diffusion und Kristallgitterordnung in der Schicht fördert, wenn der dünne Film auf der ersten Seite sublimiert wird.
Bei einigen Ausführungsformen kann es vorteilhaft sein, das Prozessgas mit Wasserstoff (H₂) zu ergänzen. Die Hinzufügung von Wasserstoff zu dem Prozessgas bewirkt eine Erhöhung der Konzentration von Wasserstoffradikalen und Wasserstofffluorid in dem reaktiven Gas. Das Vorhandensein dieser zwei Spezies in dem Reaktionsgemisch bewirkt das Ätzen von Abschnitten dotierter Siliziumschichten, während die Spezies von Ammoniumfluorid Hexafluorosilikat auf der Oberfläche des Substrats bilden. Dies kann die Reinigung verbessern und kann außerdem die Entfernung von Dotierungsmitteln von einer Oberflächen-Monoschicht des Substrats bewirken, falls dies bei der betreffenden Ausführungsform erforderlich ist. Das Entfernen von Dotierungsmitteln von einer Oberflächen-Monoschicht des Substrats kann bei einigen Ausführungsformen vorteilhaft sein, indem es einen sanften Übergang elektrischer Eigenschaften an der Grenzfläche zwischen den zwei Schichten fördert. Bei einigen Ausführungsformen kann ein Molverhältnis von H₂:NH₃ zwischen etwa 0,1 und etwa 1,0 verwendet werden, um eine mäßige Ätzung der Oberfläche während eines Trockenreinigungsprozesses zu fördern, wobei ein höheres Verhältnis eine stärkere oder schnellere Ätzung zur Folge hat. Das Molverhältnis von Wasserstoff zu Ammoniak in dem reaktiven Gasgemisch steuert die Selektivität des Gases für das Ätzen dotierter Siliziumschichten gegenüber Siliziumoxidschichten. Eine Erhöhung des Molverhältnisses von Wasserstoff zu Ammoniak hat ein schnelleres Ätzen der dotierten Schicht relativ zu der Oxidschicht zur Folge, und umgekehrt. Die Hinzufügung von Wasserstoff kann auch eine selektive Ätzung undotierter Siliziumschichten gegenüber Oxid ermöglichen, da der Wasserstoff in dem reaktiven Gasgemisch HF bildet, welches undotierte Siliziumschichten ätzt.
Bei einigen Ausführungsformen können Stickstoff- und Wasserstoffgas anstelle von Ammoniak verwendet werden. Wenn sie dissoziiert sind, können Stickstoff und Wasserstoff sich vereinigen, um die oben erörterten Ammoniumradikale zu bilden. Das Zuführen von Wasserstoff und Stickstoff in einem Molverhältnis von etwa 3:1 hat bei gewissen Drücken und Energieniveaus dann annähernd die Wirkung von Ammoniak. Ein Variieren des Verhältnisses kann, in Abhängigkeit von der Ausführungsform, vorteilhafte Nebenwirkungen haben. Zum Beispiel kann, wenn eine dotierte oder stark dotierte Oberfläche gereinigt wird, ein höherer Anteil von Wasserstoff die Ätzgeschwindigkeit der dotierten Oberfläche dadurch erhöhen, dass mehr Wasserstoffradikale zum Entfernen von Dotierungsmitteln zur Verfügung gestellt werden.
Die hier beschriebenen Prozesse können für das Reinigen von Oberflächen von kristallinen oder Dünnfilm-Salarzellen in verschiedenen Stadien der Fertigung von Nutzen sein. Bei einigen Ausführungsformen kann die zu reinigende Schicht eine Schicht eines p-i-n-Übergangs sein, welcher einen Teil der Solarzelle bildet, wie etwa eine p-dotierte Siliziumschicht, eine intrinsische Siliziumschicht oder eine n-dotierte Siliziumschicht. Zum Beispiel kann die letzte Schicht eines ersten p-i-n-Übergangs gemäß den hier beschriebenen Ausführungsformen bearbeitet werden, bevor ein zweiter p-i-n-Übergang in einer Tandem-Dünnschicht-Solarzellenvorrichtung gebildet wird. Außerdem kann eine stark p-dotierte Schicht oder eine degenerativ p-dotierte Schicht gereinigt werden, bevor eine Passivierungsschicht gebildet wird. Es ist anzunehmen, dass ein Abschließen der stark p-dotierten Schicht mit Wasserstoff und Spuren von Fluor nach dem Reinigen die Bildung der Passivierungsschicht unterstützt.
VORRICHTUNG
Ein selektiver Ätzprozess kann unter Verwendung einer Vakuumkammer durchgeführt werden, wie etwa einer Kammer SICONI^TM, die von Applied Materials, Inc. mit Sitz in Santa Clara, California, erhältlich ist. 2 ist eine Teilschnittansicht einer Bearbeitungskammer 200 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform weist die Bearbeitungskammer 200 eine Abdeckungsanordnung 250, die an einem oberen Ende des Kammergehäuses 209 angeordnet ist, und eine Trägeranordnung 211, die mindestens teilweise innerhalb des Kammergehäuses 209 angeordnet ist, auf. Die Bearbeitungskammer 200 und die zugehörige Ausrüstung sind vorzugsweise aus einem oder mehreren prozessverträglichen Materialien ausgebildet, wie zum Beispiel Aluminium, eloxiertes Aluminium, vernickeltes Aluminium, vernickeltes Aluminium 6061-T6, nichtrostender Stahl sowie Kombinationen und Legierungen davon.
Das Kammergehäuse 209 weist eine Schlitzventilöffnung 205 auf, die in einer ihrer Seitenwände ausgebildet ist, um einen Zugang zum Inneren der Bearbeitungskammer 200 zu gewährleisten. Die Schlitzventilöffnung 205 wird selektiv geöffnet und geschlossen, um einen Zugang zum Inneren des Kammergehäuses 209 mittels eines geeigneten Substrathandhabungs-Roboters (nicht dargestellt) zu ermöglichen. Bei einer Ausführungsform kann ein Substrat durch die Schlitzventilöffnung 205 in die Bearbeitungskammer 200 hinein und aus ihr hinaus in eine benachbarte Transferkammer und/oder Schleusenkammer oder eine andere Kammer innerhalb einer Clusteranlage transportiert werden.
Bei einer oder mehreren Ausführungsformen weist das Kammergehäuse 209 einen darin ausgebildeten Kanal 216 zum Hindurchleiten eines Wärmeübertragungsfluids durch das Gehäuse auf. Das Wärmeübertragungsfluid kann ein Heizfluid oder ein Kühlmittel sein und wird verwendet, um die Temperatur des Kammergehäuses 209 während der Bearbeitung und des Substrattransfers zu steuern. Die Temperatur des Kammergehäuses 209 wird so gewählt, dass eine unerwünschte Kondensation der Gase oder Nebenprodukte an den Kammerwänden verhindert wird. Zu den Beispielen von Wärmeübertragungsfluids gehören Wasser, Ethylenglycol oder ein Gemisch davon. Ein beispielhaftes Wärmeübertragungsfluid kann auch Stickstoffgas enthalten.
Das Kammergehäuse 209 kann ferner eine Auskleidung 204 aufweisen, welche die Trägeranordnung 211 umgibt. Die Auskleidung 204 ist vorzugsweise zwecks Wartung und Reinigung demontierbar. Die Auskleidung 204 kann aus einem Metall wie Aluminium oder einem keramischen Material hergestellt sein. Die Auskleidung 204 kann jedoch aus einem beliebigen prozessverträglichen Material bestehen. Die Auskleidung 204 kann glasperlengestrahlt sein, um die Haftung irgendeines darauf aufgebrachten Materials zu erhöhen und dadurch ein Abplatzen von Material, welches eine Verunreinigung der Bearbeitungskammer 200 zur Folge hat, zu verhindern. Bei einer oder mehreren Ausführungsformen weist die Auskleidung 204 eine oder mehrere Öffnungen 201 und einen in ihr ausgebildeten Pumpkanal 202, welcher mit einem Vakuumsystem in Fluidverbindung steht, auf. Die Öffnungen 201 stellen einen Durchflussweg für Gase in den Pumpkanal 202 zur Verfügung, welcher einen Austritt für die Gase innerhalb der Bearbeitungskammer 200 ermöglicht.
Das Vakuumsystem kann eine Vakuumpumpe 226 und ein Drosselventil 223, um den Durchfluss von Gasen durch die Bearbeitungskammer 200 zu regeln, aufweisen. Die Vakuumpumpe 226 ist mit einem Vakuumanschluss 218 gekoppelt, der an dem Kammergehäuse 209 angeordnet ist, und steht daher in Fluidverbindung mit dem Pumpkanal 202, der innerhalb der Auskleidung 204 ausgebildet ist. Die Begriffe ”Gas” und ”Gase” werden, sofern nicht anders vermerkt, austauschbar verwendet und beziehen sich auf ein(en) oder mehrere Vorläufer, reagierende Stoffe, Katalysatoren, Träger, Spülmittel, Reinigungsmittel, Kombinationen davon sowie jedes beliebige andere Fluid, das in das Kammergehäuse 209 eingeleitet wird.
Bei der Ausführungsform von 2 weist die Auskleidung 204 einen oberen Abschnitt 228 und einen unteren Abschnitt 229 auf. Innerhalb der Auskleidung 204 ist eine Öffnung 206 ausgebildet, welche mit der Schlitzventilöffnung 205 fluchtet, die an einer Seitenwand des Kammergehäuses 209 angeordnet ist, um die Einführung und Entnahme von Substraten in das bzw. aus dem Kammergehäuse 209 zu ermöglichen. Typischerweise ist der Pumpkanal 202 innerhalb des oberen Abschnitts 228 ausgebildet. Der obere Abschnitt 228 weist auch die eine oder die mehreren Öffnungen 201 auf, die durch ihn hindurch ausgebildet sind, um Durchlässe oder Durchflusswege für Gase in den Pumpkanal 202 zur Verfügung zu stellen.
Die Öffnungen 201 ermöglichen, dass der Pumpkanal 202 mit einem Bearbeitungsbereich 203 innerhalb des Kammergehäuses 209 in Fluidverbindung steht. Der Bearbeitungsbereich 203 ist durch eine untere Fläche der Abdeckungsanordnung 250 und eine obere Fläche der Trägeranordnung 211 definiert und ist von der Auskleidung 204 umgeben. Die Öffnungen 201 können eine einheitliche Größe haben und in gleichen Abständen um die Auskleidung verteilt sein. Jedoch kann eine beliebige Anzahl, Position, Größe oder Form von Öffnungen verwendet werden, und jeder dieser Auslegungsparameter kann in Abhängigkeit von dem gewünschten Strömungsbild des Gases über die Substrataufnahmefläche variieren, wie unten ausführlicher erörtert wird. Außerdem sind die Größe, Anzahl und Position der Öffnungen 201 so festgelegt, dass ein gleichmäßiger Durchfluss von aus der Bearbeitungskammer 200 austretenden Gasen erzielt wird. Ferner können die Größe und Position der Öffnungen so festgelegt werden, dass ein schnelles Pumpen oder ein Pumpen mit hohem Fördervolumen gewährleistet wird, um ein schnelles Ausströmen von Gas aus der Kammer 200 zu erleichtern. Zum Beispiel können die Anzahl und Größe der Öffnungen, die sich sehr nahe bei dem Vakuumanschluss 218 befinden, kleiner sein als die Größe der Öffnungen 201, die weiter entfernt von dem Vakuumanschluss 218 angeordnet sind.
Der untere Abschnitt 229 der Auskleidung 204 weist einen in ihm angeordneten Durchflussweg oder Vakuumkanal 231 auf. Der Vakuumkanal 231 steht in Fluidverbindung mit dem oben beschriebenen Vakuumsystem. Der Vakuumkanal 231 steht außerdem mit dem Pumpkanal 202 über eine Aussparung oder einen Anschluss (in der Schnittansicht von 2 nicht dargestellt) in Verbindung, der in einem Außendurchmesser der Auskleidung 204 ausgebildet ist und den Vakuumkanal 231 und den Pumpkanal 202 verbindet. Im Allgemeinen sind zwei solche Portale in einem Außendurchmesser der Auskleidung 204 zwischen dem oberen Abschnitt 228 und dem unteren Abschnitt 229 ausgebildet. Die Portale stellen einen Durchflussweg zwischen dem Pumpkanal 202 und dem Vakuumkanal 231 zur Verfügung. Die Größe und Position jedes Portals hängen von der Auslegung ab und werden durch die Stöchiometrie eines gewünschten Films, die Geometrie der herzustellenden Vorrichtung, das Fassungsvermögen der Bearbeitungskammer 200 sowie die Leistungsmerkmale des daran angeschlossenen Vakuumsystems bestimmt. Typischerweise sind die Portale einander gegenüberliegend oder in einem Abstand von 180 Grad am Außendurchmesser der Auskleidung 204 angeordnet.
In Betrieb strömen ein oder mehrere Gase, die aus der Bearbeitungskammer 200 austreten, durch die durch den oberen Abschnitt 228 der Auskleidung 204 hindurch ausgebildeten Öffnungen 201 in den Pumpkanal 202. Das Gas strömt anschließend durch den Pumpkanal 202 und in den Vakuumkanal 231 hinein. Das Gas tritt durch den Vakuumanschluss 218 aus dem Vakuumkanal 231 aus und strömt in die Vakuumpumpe 226.
Die Trägeranordnung 211 ist teilweise innerhalb des Kammergehäuses 209 angeordnet und positioniert ein Substrat für die Bearbeitung. Die Trägeranordnung 211, die ein Trägerelement 217 umfasst, wird durch eine Welle 22 gehoben und gesenkt, welche von einem Faltenbalg 224 umschlossen ist. Das Kammergehäuse 209 weist eine Schlitzventilöffnung 205 auf, die in einer ihrer Seitenwände ausgebildet ist, um einen Zugang zum Inneren der Bearbeitungskammer 200 zu gewährleisten. Die Schlitzventilöffnung 205 wird selektiv geöffnet und geschlossen, um einen Zugang zum Inneren des Kammergehäuses 209 mittels eines geeigneten Substrathandhabungs-Roboters (nicht dargestellt) zu ermöglichen. Bei einer Ausführungsform kann ein Substrat durch die Schlitzventilöffnung 205 in die Bearbeitungskammer 200 hinein und aus ihr hinaus in eine benachbarte Transferkammer und/oder Schleusenkammer (nicht dargestellt) oder eine andere Kammer innerhalb einer Clusteranlage transportiert werden. Beispiele von Clusteranlagen sind unter anderem die Plattformen PRODUCER^®, CENTURA^®, ENDURA^® und ENDURA SL^TM, die von Applied Materials, Inc. mit Sitz in Santa Clara, California, erhältlich sind.
Das Kammergehäuse 209 weist außerdem einen darin ausgebildeten Kanal 216 zum Hindurchleiten eines Wärmeübertragungsfluids auf. Das Wärmeübertragungsfluid kann ein Heizfluid oder ein Kühlmittel sein und wird verwendet, um die Temperatur des Kammergehäuses 209 während der Bearbeitung und des Substrattransfers zu steuern. Die Temperatur des Kammergehäuses 209 wird so gewählt, dass eine unerwünschte Kondensation der Gase oder Nebenprodukte an den Kammerwänden verhindert wird. Zu den Beispielen von Wärmeübertragungsfluids gehören Wasser, Ethylenglycol oder ein Gemisch davon. Ein beispielhaftes Wärmeübertragungsfluid kann auch Stickstoffgas enthalten.
Das Kammergehäuse 209 weist ferner eine Auskleidung 204 auf, welche die Trägeranordnung 211 umgibt und zwecks Wartung und Reinigung demontierbar ist. Die Auskleidung 204 ist vorzugsweise aus einem Metall wie Aluminium oder einem keramischen Material hergestellt. Es können jedoch auch andere Materialien, welche prozessverträglich sind, während des Prozesses verwendet werden. Die Auskleidung 204 kann glasperlengestrahlt sein, um die Haftung irgendeines darauf aufgebrachten Materials zu erhöhen und dadurch ein Abplatzen von Material, welches eine Verunreinigung der Bearbeitungskammer 200 zur Folge hat, zu verhindern. Die Auskleidung 204 weist typischerweise eine oder mehrere Öffnungen 201 und einen in ihr ausgebildeten Pumpkanal 202, welcher mit einem Vakuumsystem in Fluidverbindung steht, auf. Die Öffnungen 201 stellen einen Durchflussweg für Gase in den Pumpkanal 202 zur Verfügung, und der Pumpkanal stellt einen Durchflussweg durch die Auskleidung 204 zur Verfügung, so dass die Gase aus der Bearbeitungskammer 200 ausströmen können.
Das Vakuumsystem kann eine Vakuumpumpe 226 und ein Drosselventil 223, um den Durchfluss von Gasen innerhalb der Bearbeitungskammer 200 zu regeln, umfassen. Die Vakuumpumpe 226 ist mit einem Vakuumanschluss 218 gekoppelt, der an dem Kammergehäuse 209 angeordnet ist, und steht in Fluidverbindung mit dem Pumpkanal 202, der innerhalb der Auskleidung 204 ausgebildet ist. Die Vakuumpumpe 226 und das Kammergehäuse 209 werden durch das Drosselventil 223 selektiv isoliert, um den Durchfluss der Gase innerhalb der Bearbeitungskammer 200 zu regeln. Die Begriffe ”Gas” und ”Gase” können, sofern nicht anders vermerkt, austauschbar verwendet werden und beziehen sich auf ein(en) oder mehrere Vorläufer, reagierende Stoffe, Katalysatoren, Träger, Spülmittel, Reinigungsmittel, Kombinationen davon sowie jedes beliebige andere Fluid, das in das Kammergehäuse 209 eingeleitet wird.
Die Abdeckungsanordnung 250 weist mindestens zwei gestapelte Komponenten auf, die so gestaltet sind, dass sie ein Plasmavolumen oder einen Plasmahohlraum zwischen sich bilden. Bei einer oder mehreren Ausführungsformen weist die Abdeckungsanordnung 250 eine erste Elektrode 210 (”obere Elektrode”) auf, die vertikal über einer zweiten Elektrode 232 (”untere Elektrode”) angeordnet ist, wobei ein Plasmavolumen oder Plasmahohlraum 225 dazwischen eingeschlossen wird. Die erste Elektrode 210 ist an eine Energiequelle 215 eingeschlossen, wie etwa eine HF-Energiequelle, und die zweite Elektrode 232 ist mit Masse verbunden, wobei zwischen den zwei Elektroden 210, 232 ein Kondensator gebildet wird.
Bei einer oder mehreren Ausführungsformen weist die Abdeckungsanordnung 250 einen oder mehrere Gaseinlässe 212 auf (es ist nur einer dargestellt), welche mindestens teilweise innerhalb eines oberen Abschnitts 213 der ersten Elektrode 210 ausgebildet sind. Das eine oder die mehreren Prozessgase strömen über den einen oder die mehreren Gaseinlässe 212 in die Abdeckungsanordnung 250 ein. Der eine oder die mehreren Gaseinlässe 212 stehen an einem ersten Ende von ihnen mit dem Plasmahohlraum 225 in Fluidverbindung und sind an einem zweiten Ende von ihnen mit einer oder mehreren stromaufwärtigen Gasquellen und/oder anderen Gaszuführungskomponenten, wie etwa Gasmischern, verbunden. Das erste Ende des einen oder der mehreren Gaseinlässe 212 kann sich am höchsten Punkt des Innendurchmessers 230 des sich erweiternden Abschnitts 220 in den Plasmahohlraum 225 öffnen. In ähnlicher Weise kann sich das erste Ende des einen oder der mehreren Gaseinlässe 212 an einem beliebigen Höhenintervall entlang des Innendurchmessers 230 des sich erweiternden Abschnitts 220 in den Plasmahohlraum 225 öffnen. Obwohl dies nicht dargestellt ist, können zwei Gaseinlässe 212 an gegenüberliegenden Seiten des sich erweiternden Abschnitts 220 angeordnet sein, um ein verwirbeltes Strömungsbild oder eine ”Wirbelströmung” in den sich erweiternden Abschnitt 220 zu erzeugen, welche hilft, die Gase im Inneren des Plasmahohlraums 225 zu mischen.
Bei einer oder mehreren Ausführungsformen weist die erste Elektrode 210 einen sich erweiternden Abschnitt 220 auf, in welchem der Plasmahohlraum 225 angeordnet ist. Der sich erweiternde Abschnitt 220 steht in Fluidverbindung mit dem Gaseinlass 212, wie oben beschrieben. Bei einer oder mehreren Ausführungsformen ist der sich erweiternde Abschnitt 220 ein ringförmiges Element, welches eine Innenfläche oder einen Innendurchmesser 230 aufweist, der sich von einem oberen Bereich 220A des Abschnitts zu einem unteren Bereich 220E desselben allmählich vergrößert. Insofern ist der Abstand zwischen der ersten Elektrode 210 und der zweiten Elektrode 232 variabel. Dieser variierende Abstand hilft, die Bildung und Stabilität des Plasmas zu steuern, das innerhalb des Plasmahohlraums 225 erzeugt wird.
Bei einer oder mehreren Ausführungsformen ähnelt der sich erweiternde Abschnitt 220 einem Kegel oder ”Tunnel”. Bei einer oder mehreren Ausführungsformen ist die Innenfläche 230 des sich erweiternden Abschnitts 220 vom oberen Bereich 220A zum unteren Bereich 220E des sich erweiternden Abschnitts 220 geneigt. Die Neigung oder der Winkel des Innendurchmessers 230 kann in Abhängigkeit von den Prozessanforderungen und/oder Prozesseinschränkungen variieren. Die Länge oder Höhe des sich erweiternden Abschnitts 220 kann ebenfalls in Abhängigkeit von spezifischen Prozessanforderungen und/oder -einschränkungen variieren. Bei einer oder mehreren Ausführungsformen kann die Neigung des Innendurchmessers 230 oder die Höhe des sich erweiternden Abschnitts 220 oder können beide in Abhängigkeit von der Menge an Plasma, die für die Bearbeitung benötigt wird, variieren. Zum Beispiel kann die Neigung des Innendurchmessers 230 mindestens 1:1 oder mindestens 1,5:1 oder mindestens 2:1 oder mindestens 3:1 oder mindestens 4:1 oder mindestens 5:1 oder mindestens 10:1 betragen. Bei einer oder mehreren Ausführungsformen kann die Neigung des Innendurchmessers 230 in einem Bereich von einem unteren Wert von 2:1 bis zu einem oberen Wert von 20:1 liegen.
Bei einer oder mehreren Ausführungsformen kann der sich erweiternde Abschnitt 220 gekrümmt oder bogenförmig sein, obwohl dies in den Figuren nicht dargestellt ist. Zum Beispiel kann die Innenfläche 230 des sich erweiternden Abschnitts 220 gekrümmt oder bogenförmig sein, so dass sie entweder konvex oder konkav geformt ist. Bei einer oder mehreren Ausführungsformen kann die Innenfläche 230 des sich erweiternden Abschnitts 220 mehrere Bereiche aufweisen, welche jeweils schräg, konisch, konvex oder konkav geformt sind.
Wie oben erwähnt, bewirkt der sich erweiternde Abschnitt 220 der ersten Elektrode 210 eine Änderung des vertikalen Abstands zwischen der ersten Elektrode 210 und der zweiten Elektrode 232 aufgrund des sich allmählich vergrößernden Innendurchmessers 230 der ersten Elektrode 210. Dieser variable Abstand steht in direktem Zusammenhang mit dem Energieniveau innerhalb des Plasmahohlraums 225. Unabhängig von theoretischen Betrachtungen ermöglicht die Änderung des Abstands zwischen den zwei Elektroden 210, 232 dem Plasma, das erforderliche Energieniveau zu finden, um sich innerhalb eines gewissen Abschnitts des Plasmahohlraums 225, wenn nicht überall im gesamten Plasmahohlraum 225, zu erhalten. Das Plasma innerhalb des Plasmahohlraums 225 ist daher weniger von Druck abhängig, was es ermöglicht, das Plasma innerhalb eines größeren Betriebsfensters zu erzeugen und aufrechtzuerhalten. Dadurch kann ein besser reproduzierbares und zuverlässigeres Plasma innerhalb der Abdeckungsanordnung 250 gebildet werden.
Die erste Elektrode 210 kann aus beliebigen prozessverträglichen Materialien hergestellt sein, wie zum Beispiel Aluminium, eloxiertes Aluminium, vernickeltes Aluminium, vernickeltes Aluminium 6061-T6, nichtrostender Stahl sowie Kombinationen und Legierungen davon. Bei einer oder mehreren Ausführungsformen ist die gesamte erste Elektrode 210 oder sind Abschnitte davon vernickelt, um eine unerwünschte Partikelbildung zu reduzieren. Vorzugsweise ist mindestens die Innenfläche 230 des sich erweiternden Abschnitts 220 vernickelt.
Die zweite Elektrode 232 kann eine oder mehrere gestapelte Platten aufweisen. Wenn zwei oder mehr Platten gewünscht werden, sollten die Platten elektrisch miteinander in Verbindung stehen. Jede der Platten sollte mehrere Öffnungen oder Gasdurchlässe aufweisen, um den Durchfluss des einen oder der mehreren Gase aus dem Plasmahohlraum 225 zu ermöglichen.
Die Abdeckungsanordnung 250 kann ferner einen Isolatorring 240 aufweisen, um die erste Elektrode 210 von der zweiten Elektrode 232 elektrisch zu isolieren. Der Isolatorring 240 kann aus Aluminiumoxid oder einem beliebigen anderen isolierende, prozessverträglichen Material hergestellt sein. Vorzugsweise umgibt der Isolatorring 240 mindestens den sich erweiternden Abschnitt 220, oder umgibt ihn im Wesentlichen.
Die zweite Elektrode 232 weist eine obere Platte 260, eine Verteilungsplatte 270 und eine Blockierplatte 280 auf. Die obere Platte 260, die Verteilungsplatte 270 und die Blockierplatte 280 sind gestapelt und auf einem Abdeckungsrand 290 angeordnet, welcher mit dem Kammergehäuse 209 verbunden ist. Eine Scharnieranordnung (nicht dargestellt) kann verwendet werden, um den Abdeckungsrand 290 mit dem Kammergehäuse 209 zu verbinden. Der Abdeckungsrand 290 kann einen eingebetteten Kanal oder Durchlass 292 zur Aufnahme eines Wärmeübertragungsmediums aufweisen. Das Wärmeübertragungsmedium kann, in Abhängigkeit von den Prozessanforderungen, zum Erwärmen, Kühlen oder beidem verwendet werden. Beispiele von Wärmeübertragungsmedien sind weiter oben aufgelistet.
Bei einer oder mehreren Ausführungsformen weist die obere Platte 260 mehrere Gasdurchlässe oder Öffnungen 265 auf, die unterhalb des Plasmahohlraums 225 ausgebildet sind, um das Hindurchströmen von Gas aus dem Plasmahohlraum 225 zu ermöglichen. Bei einer oder mehreren Ausführungsformen kann die obere Platte 260 einen Vertiefungsabschnitt 262 aufweisen, welcher dazu eingerichtet ist, wenigstens einen Abschnitt der ersten Elektrode 210 aufzunehmen. Bei einer oder mehreren Ausführungsformen sind die Öffnungen 265 unter dem Vertiefungsabschnitt 262 durch den Querschnitt der oberen Platte 260 hindurch ausgebildet. Der Vertiefungsabschnitt 262 der oberen Platte 260 kann stufenartig gestaltet sein, um eine besser abgedichtete Passung dazwischen zu gewährleisten. Ferner kann der Außendurchmesser der oberen Platte 260 dazu ausgebildet sein, auf einem Außendurchmesser der Verteilungsplatte 270 zu lagern oder zu ruhen. Eine O-Ring-Dichtung, wie etwa ein elastischer O-Ring 263, kann mindestens teilweise innerhalb des Vertiefungsabschnitts 262 der oberen Platte 260 angeordnet sein, um einen fluiddichten Kontakt mit der ersten Elektrode 210 sicherzustellen. Ebenso kann eine O-Ring-Dichtung 266 verwendet werden, um für einen fluiddichten Kontakt zwischen den Außenumfängen der oberen Platte 260 und der Verteilungsplatte 270 zu sorgen.
Bei einer oder mehreren Ausführungsformen ist die Verteilungsplatte 270 im Wesentlichen scheibenförmig und weist mehrere Öffnungen 275 oder Durchlässe auf, um den Strom von durch sie hindurchströmenden Gasen zu verteilen. Die Öffnungen 275 können so bemessen und um die Verteilungsplatte 270 positioniert sein, dass sie eine gesteuerte und gleichmäßige Strömungsverteilung zu dem Kammergehäuse 209 gewährleisten, wo sich das zu bearbeitende Substrat befindet. Ferner verhindern die Öffnungen 275, dass das Gas (die Gase) direkt auf die Substratoberfläche auftrifft (auftreffen), indem sie das Geschwindigkeitsprofil der strömenden Gase verlangsamen und umlenken, sowie indem sie den Gasstrom gleichmäßig verteilen, um für eine gleichmäßige Verteilung von Gas auf der gesamten Oberfläche des Substrats zu sorgen.
Die Verteilungsplatte 270 kann außerdem einen ringförmigen Befestigungsflansch 272 aufweisen, der an ihrem Außenumfang ausgebildet ist. Der Befestigungsflansch 272 kann so messen sein, dass er auf einer oberen Fläche des Abdeckungsrandes 290 ruht. Eine O-Ring-Dichtung, wie etwa eine elastische O-Dichtung, kann mindestens teilweise innerhalb des ringförmigen Befestigungsflansches 272 angeordnet sein, um einen fluiddichten Kontakt mit dem Abdeckungsrand 290 sicherzustellen.
Bei einer oder mehreren Ausführungsformen weist die Verteilungsplatte 270 einen oder mehrere eingebettete Kanäle oder Durchlässe 274 zur Aufnahme eines Heizapparates oder Heizfluids auf, um eine Temperatursteuerung der Abdeckungsanordnung 250 zu gewährleisten. Ähnlich wie bei der oben beschriebenen Abdeckungsanordnung 250 kann ein Widerstandsheizelement in den Durchlass 274 eingesetzt sein, um die Verteilungsplatte 270 zu erwärmen. Ein Thermoelement kann an die Verteilungsplatte 270 angeschlossen sein, um deren Temperatur zu regeln. Das Thermoelement kann in einer Rückkopplungsschleife verwendet werden, um den elektrischen Strom zu regeln, der dem Heizelement zugeführt wird, wie oben beschrieben.
Alternativ dazu kann ein Wärmeübertragungsmedium durch den Durchlass 274 geleitet werden. Der eine oder die mehreren Durchlässe 274 können, falls erforderlich, ein Kühlmedium enthalten, um die Temperatur der Verteilungsplatte 270 in Abhängigkeit von den Prozessanforderungen innerhalb des Kammergehäuses 209 besser zu steuern. Wie oben erwähnt, kann ein beliebiges Wärmeübertragungsmedium verwendet werden, wie zum Beispiel Stickstoff, Wasser, Ethylenglycol oder Gemische davon.
Bei einer oder mehreren Ausführungsformen kann die Abdeckungsanordnung 250 unter Verwendung einer oder mehrerer Heizlampen (nicht dargestellt) erwärmt werden. Typischerweise sind die Heizlampen an einer oberen Fläche der Verteilungsplatte 270 angeordnet, um die Komponenten der Abdeckungsanordnung 250 einschließlich der Verteilungsplatte 270 durch Strahlung zu erwärmen.
Die Blockierplatte 280 ist optional und wird gegebenenfalls zwischen der oberen Platte 260 und der Verteilungsplatte 270 angeordnet. Vorzugsweise ist die Blockierplatte 280 demontierbar an einer unteren Fläche der oberen Platte 260 angebracht. Die Blockierplatte 280 sollte in gutem thermischem und elektrischem Kontakt mit der oberen Platte 260 stehen. Bei einer oder mehreren Ausführungsformen kann die Blockierplatte 280 mittels eines Bolzens oder eines ähnlichen Befestigungselements mit der oberen Platte 260 verbunden sein. Die Blockierplatte 280 kann auch auf einen Außendurchmesser der oberen Platte 260 aufgeschraubt sein.
Die Blockierplatte 280 weist mehrere Öffnungen 285 auf, um mehrere Gasdurchlässe von der oberen Platte 260 zu der Verteilungsplatte 270 bereitzustellen. Die Öffnungen 285 können so bemessen und an der Blockierplatte 280 positioniert sein, dass eine gesteuerte und gleichmäßige Strömungsverteilung zu der Verteilungsplatte 270 gewährleistet ist.
Der Einschluss des Plasmas innerhalb des Plasmahohlraums 225 und die zentrale Anordnung des eingeschlossenen Plasmas ermöglichen eine gleichmäßige und reproduzierbare Verteilung der (des) dissoziierten Gase(s) in dem Kammergehäuse 209. insbesondere strömt das den Plasmahohlraum 225 verlassende Gas durch die Öffnungen 265 der oberen Platte 260 zur Oberseite der Blockierplatte 280. Die Öffnungen 285 der Blockierplatte 280 verteilen das Gas zur Rückseite der Verteilungsplatte 270, wo das Gas durch die Öffnungen 275 der Verteilungsplatte 270 weiter verteilt wird, bevor es mit dem Substrat (nicht dargestellt) innerhalb des Kammergehäuses 209 in Kontakt kommt. Es ist anzunehmen, dass der Einschluss des Plasmas innerhalb des zentral angeordneten Plasmahohlraums 225 und der variable Abstand zwischen der ersten Elektrode 210 und der zweiten Elektrode 232 ein stabiles und zuverlässiges Plasma innerhalb der Abdeckungsanordnung 250 erzeugen.
Die Trägeranordnung 211 kann mindestens teilweise innerhalb des Kammergehäuses 209 angeordnet sein. Die Trägeranordnung 211 kann ein Trägerelement 217 aufweisen, um ein Substrat (in dieser Ansicht nicht dargestellt) für die Bearbeitung innerhalb des Kammergehäuses 209 abzustützen. Das Trägerelement 217 kann über eine Welle 222, welche sich durch eine in einer Unterseite des Kammergehäuses 209 ausgebildete, mittig angeordnete Öffnung 221 erstreckt, mit einem Hubmechanismus 227 gekoppelt sein. Der Hubmechanismus 227 kann bezüglich des Kammergehäuses 209 durch einen Faltenbalg 224 flexibel abgedichtet sein, welcher ein Vakuumleck im Bereich um die Welle 222 herum verhindert. Der Hubmechanismus 227 ermöglicht es, das Trägerelement 217 innerhalb des Kammergehäuses 209 vertikal zwischen einer Bearbeitungsposition und einer unteren, für den Transfer bestimmten Position zu bewegen. Die Transferposition befindet sich etwas unterhalb der Öffnung des Schlitzventils 205, die in einer Seitenwand des Kammergehäuses 209 ausgebildet ist.
Bei einer oder mehreren Ausführungsformen weist das Trägerelement 217 eine flache, kreisförmige Fläche oder eine im Wesentlichen flache, kreisförmige Fläche zur Abstützung eines darauf zu bearbeitenden Substrats auf. Das Trägerelement 217 ist vorzugsweise aus Aluminium hergestellt. Das Trägerelement 217 kann eine abnehmbare obere Platte 233 aufweisen, die aus irgendeinem anderen Material hergestellt ist, wie zum Beispiel Silizium oder Keramikmaterial, um die Verunreinigung der Rückseite des Substrats zu reduzieren.
Bei einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Trägerelement 217 oder die obere Platte 233 mehrere Ansatzstücke oder Vertiefungen (nicht dargestellt) aufweisen, die auf seiner bzw. ihrer Oberseite angeordnet sind. Die Vertiefungen können an der Oberseite des Trägerelements 217 angeordnet seine, falls eine obere Platte 233 nicht gewünscht wird. Die Vertiefungen gewährleisten einen minimalen Kontakt zwischen der Unterseite des Substrats und der Stützfläche der Trägeranordnung 211 (d. h. entweder des Trägerelements 217 oder der oberen Platte 233), falls ein minimaler Kontakt gewünscht wird.
Bei einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Substrat (nicht dargestellt) mittels eines Vakuumansaugkopfes an der Trägeranordnung 211 befestigt sein. Die obere Platte 233 kann mehrere Löcher 234 aufweisen, die mit einer oder mehreren in dem Trägerelement 217 ausgebildeten Nuten 235 in Fluidverbindung stehen. Die Nuten 235 stehen über eine Vakuumleitung 236, die innerhalb der Welle 222 und des Trägerelements 217 angeordnet ist, mit einer Vakuumpumpe (nicht dargestellt) in Fluidverbindung. Unter gewissen Bedingungen kann die Vakuumleitung 236 verwendet werden, um der Oberfläche des Trägerelements 217 eine Spülgas zuzuführen, um eine Ablagerung zu verhindern, wenn auf dem Trägerelement 217 kein Substrat angeordnet ist. Die Vakuumleitung 236 kann auch während der Bearbeitung ein Spülgas zuführen, um zu verhindern, dass ein reaktives Gas oder Nebenprodukt mit der Rückseite des Substrats in Kontakt kommt.
Bei einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Substrat (nicht dargestellt) mittels einer elektrostatischen Haltevorrichtung an dem Trägerelement 217 befestigt sein. Bei einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Substrat durch eine mechanische Spannvorrichtung (nicht dargestellt), wie etwa einen herkömmlichen Spannring, in seiner Position auf dem Trägerelement 217 gehalten werden.
Vorzugsweise ist das Substrat mittels einer elektrostatischen Haltevorrichtung befestigt. Eine elektrostatische Haltevorrichtung weist typischerweise mindestens ein dielektrisches Material auf, das eine Elektrode (nicht dargestellt) umgibt, welche auf einer oberen Fläche des Trägerelements 217 angeordnet oder als ein Bestandteil des Trägerelements 217 ausgebildet sein kann. Der dielektrische Abschnitt der Haltevorrichtung isoliert die Elektrode der Haltevorrichtung elektrisch von dem Substrat und von dem restlichen Teil der Trägeranordnung 211.
Bei einer oder mehreren Ausführungsformen kann der Umfang des Dielektrikums der Haltevorrichtung etwas kleiner sein als der Umfang des Substrats. Anders ausgedrückt, das Substrat ist bezüglich des Umfangs des Dielektrikums der Haltevorrichtung etwas überhängend, so dass das Dielektrikum der Haltevorrichtung selbst dann vollständig von dem Substrat bedeckt bleibt, wenn das Substrat bezüglich des Mittelpunktes versetzt ist, wenn es auf der Haltevorrichtung positioniert wird. Dadurch, dass sichergestellt wird, dass das Substrat das Dielektrikum der Haltevorrichtung vollständig bedeckt, wird gewährleistet, dass das Substrat die Haltevorrichtung gegenüber potentiell korrosiven oder schädlichen Stoffen innerhalb des Kammergehäuses 209 abschirmt.
Die Spannung zum Betreiben der elektrostatischen Haltevorrichtung kann durch eine separate ”Haltevorrichtungs”-Stromversorgungsbaugruppe (nicht dargestellt) geliefert werden. Eine Ausgangsklemme der Haltevorrichtungs-Stromversorgungsbaugruppe ist mit der Elektrode der Haltevorrichtung verbunden. Die andere Ausgangsklemme ist typischerweise mit der elektrischen Masse verbunden, kann jedoch alternativ dazu mit einem metallischen Gehäuseteil der Trägeranordnung 211 verbunden sein. In Betrieb wird das Substrat in Kontakt mit dem dielektrischen Abschnitt angeordnet, und es wird eine Gleichspannung an die Elektrode angelegt, um die elektrostatische Anziehungskraft oder Vorspannung zu erzeugen, durch welche die Haftung des Substrats auf der oberen Fläche des Trägerelements 217 bewirkt wird.
Das Trägerelement 217 kann eine oder mehrere Bohrungen 208 aufweisen, die durch es hindurch ausgebildet sind, um einen Hubbolzen 207 aufzunehmen. Jeder Hubbolzen 207 ist typischerweise aus keramischen oder keramikhaltigen Materialien hergestellt und wird zur Handhabung und zum Transport des Substrats verwendet. Jeder Hubbolzen 207 ist innerhalb der Bohrung 208 gleitend angebracht. Gemäß einem Aspekt ist die Bohrung 208 mit einer Keramikhülse ausgekleidet, um ein freies Gleiten das Hubbolzens 207 zu erleichtern. Der Hubbolzen 207 ist innerhalb seiner jeweiligen Bohrung 208 dadurch beweglich, dass er mit einem ringförmigen Hubring 219 in Eingriff steht, der innerhalb des Kammergehäuses 209 angeordnet ist. Der Hubring 219 ist derart beweglich, dass die Oberseite des Hubbolzens 207 über der Substratstützfläche des Trägerelements 217 positioniert werden kann, wenn sich der Hubring 219 in einer oberen Position befindet. Umgekehrt befindet sich die Oberseite der Hubbolzen 207 unterhalb der Substratstützfläche des Trägerelements 217, wenn sich der Hubring 219 in einer unteren Position befindet. Somit bewegt sich ein Teil jedes Hubbolzens 207 aus seiner jeweiligen Bohrung 208 in dem Trägerelement 217 hinaus, wenn sich der Hubring 219 von der unteren Position zur oberen Position bewegt.
Die Hubbolzen 207 drücken, wenn sie betätigt werden, gegen eine untere Fläche des Substrats, wodurch sie das Substrat von dem Trägerelement 217 abheben. Umgekehrt können die Hubbolzen 207 deaktiviert werden, um das Substrat abzusenken, wodurch bewirkt wird, dass das Substrat auf dem Trägerelement 217 ruht. Die Hubbolzen 207 können verbreiterte obere Enden oder konische Köpfe aufweisen, um zu verhindern, dass die Bolzen 207 aus dem Trägerelement 217 herausfallen. Es können auch andere Formen von Bolzen verwendet werden, die den Fachleuten wohlbekannt sind.
Bei einer Ausführungsform weist ein oder weisen mehrere der Hubbolzen 207 eine Beschichtung oder einen darauf angeordneten Ansatz auf, welche(r) aus einem rutschfesten oder einen hohe Reibung aufweisenden Material hergestellt ist, um ein Gleiten des Substrats, wenn es darauf abgestützt ist, zu verhindern. Ein bevorzugtes Material ist ein hochtemperaturbeständiges Polymermaterial, welches die Rückseite des Substrats nicht kratzt oder auf andere Weise beschädigt, wodurch Kontaminanten im Inneren der Bearbeitungskammer 200 erzeugt würden. Vorzugsweise ist die Beschichtung oder der Ansatz eine Beschichtung vom Typ KALREZ^TM, die von DuPont erhältlich ist.
Um den Hubring 219 anzutreiben, wird im Allgemeinen ein Aktor, wie etwa ein herkömmlicher Pneumatikzylinder oder ein Schrittmotor (nicht dargestellt), verwendet. Der Schrittmotor oder Zylinder bewegt den Hubring 219 in die obere oder untere Position, wodurch wiederum die Hubbolzen 207 bewegt werden, welche das Substrat heben oder absenken. Bei einer spezifischen Ausführungsform wird ein Substrat (nicht dargestellt) auf dem Trägerelement 217 von drei Hubbolzen 207 (in dieser Ansicht nicht dargestellt) getragen, die in Abständen von ungefähr 120 Grad angeordnet sind und von dem Hubring 219 vorstehen.
Die Trägeranordnung 211 kann einen Randring 237 aufweisen, der um das Trägerelement 217 herum angeordnet ist. Der Randring 237 kann aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt sein, wie unter anderem Keramik, Quarz, Aluminium und Stahl. Bei einer oder mehreren Ausführungsformen ist der Randring 237 ein ringförmiges Element, welches dazu eingerichtet ist, einen Außenumfang des Trägerelements 217 zu bedecken und das Trägerelement 217 vor Ablagerung zu schützen. Der Randring 237 kann auf oder neben dem Trägerelement 217 positioniert sein, um einen ringförmigen Spülgaskanal 238 zwischen dem Außendurchmesser des Trägerelements 217 und dem Innendurchmesser des Randrings 237 zu bilden. Der ringförmige Spülgaskanal 238 kann in Fluidverbindung mit einer Spülgasleitung 239 stehen, die durch das Trägerelement 217 und die Welle 222 hindurch ausgebildet ist. Vorzugsweise steht die Spülgasleitung 239 in Fluidverbindung mit einer Spülgasquelle (nicht dargestellt), um dem Spülgaskanal 238 ein Spülgas zuzuführen. Es kann ein beliebiges geeignetes Spülgas, wie Stickstoff, Argon oder Helium, allein oder in einer Kombination verwendet werden. in Betrieb strömt das Spülgas durch die Leitung 239 in den Spülgaskanal 238 und um einen Rand des Substrats, das auf dem Trägerelement 217 angeordnet ist. Dementsprechend verhindert das Spülgas in Zusammenwirken mit dem Randring 237 eine Ablagerung am Rand und/oder auf der Rückseite des Substrats.
Die Temperatur der Trägeranordnung 211 wird mittels eines Fluids gesteuert, das durch einen Fluidkanal 214 zirkulieren gelassen wird, der in den Körper des Trägerelements 217 eingebettet ist. Bei einer oder mehreren Ausführungsformen steht der Fluidkanal 214 in Fluidverbindung mit einer Wärmeübertragungsleitung 241, die durch die Welle 222 der Trägeranordnung 211 verläuft. Vorzugsweise ist der Fluidkanal 214 um das Trägerelement 217 herum positioniert, um eine gleichmäßige Wärmeübertragung auf die das Substrat aufnehmende Fläche des Trägerelements 217 zu gewährleisten. Der Fluidkanal 214 und die Wärmeübertragungsleitung 241 können von Wärmeübertragungsfluids durchströmt werden, um das Trägerelement 217 entweder zu erwärmen oder zu kühlen. Es kann ein beliebiges geeignetes Wärmeübertragungsfluid verwendet werden, wie Wasser, Stickstoff, Ethylenglycol oder Gemische davon. Die Trägeranordnung 211 kann ferner ein eingebettetes Thermoelement (nicht dargestellt) zur Überwachung der Temperatur der Stützfläche des Trägerelements 217 aufweisen. Zum Beispiel kann ein Signal von dem Thermoelement in einer Rückkopplungsschleife verwendet werden, um die Temperatur oder Durchflussmenge des durch den Fluidkanal 214 zirkulierenden Fluids zu steuern.
Das Trägerelement 217 kann vertikal innerhalb des Kammergehäuses 209 bewegt werden, so dass ein Abstand zwischen dem Trägerelement 217 und der Abdeckungsanordnung 250 gesteuert werden kann. Ein Sensor (nicht dargestellt) kann Informationen liefern, welche die Position des Trägerelements 217 innerhalb der Kammer 200 betreffen.
In Betrieb kann das Trägerelement 217 bis in eine unmittelbare Nähe der Abdeckungsanordnung 250 nach oben bewegt werden, um die Temperatur des Substrats, das bearbeitet wird, zu steuern. Das Substrat an sich kann durch Strahlung erwärmt werden, die von der Verteilungsplatte 270 ausgesendet wird, welche von dem in dem Kanal 274 angeordneten Fluidheizelement gesteuert wird. Alternativ dazu kann das Substrat mittels der durch den Hubring 219 aktivierten Hubbolzen 207 von dem Trägerelement 217 abgehoben und bis in die unmittelbare Nähe der beheizten Abdeckungsanordnung 250 bewegt werden.
INTEGRATION
3 ist eine Draufsicht eines Substratbearbeitungssystems 300, das geeignet ist, Ausführungsformen der Erfindung auszuführen. Ein geeignetes Bearbeitungssystem, welches dafür eingerichtet werden kann, einen oder mehrere der hier erörterten Bearbeitungsschritte und/oder Transferschritte auszuführen, ist eine Bearbeitungsplattform, wie etwa eine Gen. 5, Gen. 6 oder Gen. 8.5 Bearbeitungsplattform, die von der Abteilung AKT von Applied Materials, Inc. mit Sitz in Santa Clara, CA, erhältlich ist. Das Substratbearbeitungssystem 300 weist typischerweise eine Transferkammer 310 auf, welche mit einer Substrattransport-Schnittstelle 325 über eine Schleusenkammer 302 gekoppelt ist. Bei einigen Ausführungsformen kann ein Substratbearbeitungssystem eine Konfiguration mit mehreren Transferkammern aufweisen, wobei zwei oder mehr Transferkammern verwendet werden, um mehrere Bearbeitungskammern und Substrattransfer-Schnittstellen zu verbinden. Die Transferkammer 310 enthält im Allgemeinen einen Roboter 311, welcher dazu eingerichtet ist, Substrate zwischen mehreren Bearbeitungskammern (z. B. 303–308) und den Schleusenkammern (z. B. 302), welche im Allgemeinen mittels eines Schlitzventils (nicht dargestellt) selektiv abdichtbar mit dem Transferbereich 310C der Transferkammer 310 gekoppelt sind, zu transportieren. Jedes Schlitzventil ist im Allgemeinen dafür ausgebildet, selektiv den Bearbeitungsbereich in jeder der Bearbeitungskammern 303–308 von dem Transferbereich 310C zu trennen, und ist im Allgemeinen der Schnittstelle zwischen den Bearbeitungskammern 303–308 und der Transferkammer 310 benachbart angeordnet. Bei einer Ausführungsform wird die Transferkammer 310 in einem Vakuumzustand gehalten, um Druckunterschiede zwischen der Transferkammer 310 und den einzelnen Bearbeitungskammern 303–308, welche typischerweise verwendet werden, um die Substrate in einer Vakuumumgebung zu bearbeiten, zu beseitigen oder auf ein Minimum zu begrenzen. Bei einer alternativen Ausführungsform werden die Transferkammer 310 und die einzelnen Bearbeitungskammern 303–308 verwendet, um die Substrate in einer sauberen und inerten Umgebung unter atmosphärischem Druck zu bearbeiten. Es ist anzumerken, dass die Anzahl und die Orientierung von Bearbeitungskammern (z. B. Bezugszeichen 303–308) keine Einschränkung in Bezug auf den Rahmen der Erfindung darstellen sollen, die diese Einzelheiten der Gestaltung angepasst werden könnten, ohne von der Grundidee der hier beschriebenen Erfindung abzuweichen.
Die Ausführungsform von 3 umfasst ein Substratbearbeitungssystem 300, welches sechs Bearbeitungskammern (z. B. Bezugszeichen 303–308), eine Schleusenkammer 302 und einen Roboter 311, der innerhalb des Transferbereiches 310C der Transferkammer 310 angeordnet ist, enthält. Bei einer Konfiguration sind die Bearbeitungskammern 303–308 aus der Gruppe ausgewählt, die aus einer Kammer für physikalische Dampfphasenabscheidung (Physical Vapor Deposition, PVD), einer Kammer für plasmaunterstützte chemische Dampfphasenabscheidung (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD), einer Kammer für Heißdraht-CVD (Hot Wire Chemical Vapor Deposition, HWCVD), einer Kammer für Plasmanitridierung (Decoupled Plasma Nitridation, DPN), einer Kammer für Zonenimplantation/Ionendotierung, einer Kammer für Atomlagenabscheidung (Atomic Layer Deposition, ALD), einer Kammer für Plasmaätzen, einer Kammer für Laserglühen, einer Kammer für schnelle thermische Oxidation/Nitridierung (Rapid Thermal Oxidation/Nitridation, RTO/N), einer Kammer für schnelles thermisches Glühen (Rapid Thermal Annealing, RTA), einer Kammer für Substrat-Umorientierung (z. B. Umdreh-Kammer), einer Kammer für Dampfätzen, einer Formiergas- oder Wasserstoff-Glühvorrichtung und/oder einer Kammer für Plasmareinigung besteht. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das Substratbearbeitungssystem 300 eine erste Prozesskammer 303 und ein zweites Prozessmodul 308 auf. Bei einer Ausführungsform ist die erste Prozesskammer 303 dafür ausgebildet, einen speziellen Typ von Film abzuscheiden, und das zweite Prozessmodul 308 ist dafür ausgebildet, einen anderen Typ von Film(en) auf einer Substratoberfläche zu bilden. Zum Beispiel kann die erste Prozesskammer 303 verwendet werden, um eine oder mehrere siliziumhaltige Filme zu bearbeiten, und das zweite Prozessmodul 308 kann verwendet werden, um einen oder mehrere metallhaltige Filme zu bearbeiten, um einen Solarzellenübergang von hoher Qualität zu bilden. Bei einer Ausführungsform kann ein oder können mehrere Prozessmodule 303–308 Niedertemperatur-Prozessmodule sein. Zum Beispiel kann die Siliziumoberfläche durch einen Prozess mit Anwendung neutraler Radikale bei einer niedrigen Temperatur in einem ersten Prozessmodul gereinigt und anschließend in einem zweiten Prozessmodul wärmebehandelt werden, oder es kann eine amorphe Siliziumschicht abgeschieden werden, gefolgt von einer Siliziumnitridschicht (die Erstere durch thermische oder Plasmazersetzung von Silan und die Letztere durch thermische oder Plasmazersetzung von Silan mit Zusatz von Ammoniak).
3 zeigt eine Ausführungsform eines Substratbearbeitungssystems 300, welches dazu eingerichtet ist, eine Vielzahl von Solarzellensubstraten, im Weiteren ”S-Substrate” genannt, in Gruppen oder Chargen (Batches) innerhalb des Bearbeitungssystems 300 zu transportieren und zu bearbeiten. 3 ist eine Draufsicht eines Bearbeitungssystems des Typs mit einer einzigen Transferkammer, welches dazu eingerichtet ist, eine Charge von Substraten, welche auf einem Träger 301 positioniert sind, zu transportieren und zu bearbeiten. Bei einer Ausführungsform ist der Träger 301 dazu eingerichtet, die Substrate während der verschiedenen Transport- und Bearbeitungsschritte, die innerhalb des Bearbeitungssystems 300 mit den Substraten durchgeführt werden, zu halten und festzuhalten. Bei dieser Konfiguration können mehrere Substrate gleichzeitig transportiert, gestützt und bearbeitet werden, um den Durchsatz des Systems zu erhöhen, die Anzahl der erforderlichen Transferschritte zu verringern und die Gesamtbetriebskosten im Zusammenhang mit der Bearbeitung und Herstellung einer Solarzellenvorrichtung zu senken.
Bei einer Ausführungsform des Bearbeitungssystems 300 ist die Schleusenkammer 302 mit der Transferkammer 310 und einer Substrattransport-Schnittstelle 325 durch Kupplungen 302A und 302B gekuppelt. Im Allgemeinen enthält die Substrattransport-Schnittstelle 325 einen oder mehrere Roboter, wie etwa Roboter 322A, 322B, welche dazu eingerichtet sind, Substrate von dem modularen Förderer 323 aufzunehmen und die Substrate einzeln nacheinander oder in Gruppen zu einer gewünschten Position innerhalb der Übergabeposition 321 zu transportieren, so dass die Laderobotik-Vorrichtung 309 die Substrate in die Schleusenkammer 302 bewegen kann. Bei einer Ausführungsform ist die Laderobotik-Vorrichtung 309 dazu eingerichtet, eine Charge von Substraten, welche auf einem Träger 301 positioniert worden sind, mittels der Roboter 322A, 322B innerhalb der Schleusenkammer 302 zu positionieren. In einem Beispiel umfasst die Schleusenkammer 302 mehrere isolierbare Bereiche (nicht dargestellt), welche eine ungehinderte Bewegung mehrerer Träger 301 von der Transferkammer oder der Substrattransport-Schnittstelle 325 in die Schleusenkammer 302 hinein und aus dieser hinaus ermöglichen. Die Kupplungen 302A und 302B können bei einigen Ausführungsformen Schlitzventile sein.
Die Substrattransport-Schnittstelle 325 enthält im Allgemeinen außerdem einen modularen Förderer 323, welcher dazu eingerichtet ist, Substrate S von den verschiedenen Fördersystemen aufzunehmen, die in der Fabrik für die Produktion von Solarzellen vorhanden sind. Im Allgemeinen ist der modulare Förderer 323 ein für den Transport zwischen Werkzeugen vorgesehenes Fördersystem, welches verwendet wird, um Solarzellensubstrate S zwischen den verschiedenen Bearbeitungssystemen 300 zu transportieren, die in der Solarzellenfabrik angeordnet sind, um verschiedene Teile der Solarzellenvorrichtung herzustellen, oder um sie aus einer Wafer-Kassette oder von einem Stapel von Wafern, die bzw. der in dem System angeordnet ist, abzutransportieren. In einem Beispiel ist der modulare Förderer 323 dazu eingerichtet, Stapel von Solarzellensubstraten S zu einem Aufnahmebereich 324 zu transportieren, welcher so angeordnet ist, dass er den Transfer von Substraten S zwischen den Robotern 322A, 322B und dem modularen Förderer 323 ermöglicht.
In einem integrierten System des oben beschriebenen Typs können die Abscheidungs- und Glühbehandlungen des oben beschriebenen Trockenreinigungsprozesses in derselben Kammer oder in verschiedenen Kammern durchgeführt werden. Zum Beispiel kann der Film aus Ammoniumhexafluorosilikat in einer Reinigungskammer bei einer niedrigen Temperatur im Bereich von etwa 10°C bis etwa 50°C erzeugt werden und das Substrat zu einer Glüh- oder Abscheidungskammer mit einer höheren Temperatur im Bereich von etwa 200°C bis etwa 300°C bewegt werden, um das Glühen durchzuführen. Danach kann in derselben Abscheidungskammer ein Abscheidungsprozess auf der gereinigten Substratoberfläche durchgeführt werden, ohne das Substrat zu bewegen. Durch einen solchen integrierten Prozess werden Probleme im Zusammenhang mit der Erwärmung und Kühlung vermieden, welche bei der Bearbeitung großer Substrate auftreten können.
Bei einer Ausführungsform kann eine erste Schicht auf einem Substrat in einer Kammer einer integrierten Bearbeitungsplattform gebildet werden. Das Substrat kann anschließend in eine Trockenreinigungskammer bewegt werden, in welcher Stickstoff und Fluor enthaltende neutrale Radikale, die wie oben beschrieben gebildet wurden, in Richtung des Substrats gelenkt werden, um auf der ersten Schicht einen dünnen Film zu bilden. Die Bildung des dünnen Films läuft, wie oben beschrieben, bei einer niedrigen Temperatur ab und bewirkt die Freisetzung von Sauerstoff aus dem Substrat. Das Substrat kann anschließend zum Glühen zu einer Hochtemperaturkammer bewegt werden, ohne das Vakuum zu unterbrechen. In der Glühkammer wird dem Substrat Wärme zugeführt, um den dünnen Film zu entfernen. Das Substrat kann dann, ohne das Vakuum zu unterbrechen, zu einer Abscheidungskammer bewegt werden, um eine zweite Schicht zu bilden.
Ein solcher Prozessablauf kann bei Ausführungsformen von Nutzen sein, bei denen die erste Schicht eine Schicht eines Solarzellenübergangs ist, die einen ersten Dotierungstyp aufweist, und die zweite Schicht eine Schicht eines Solarzellenübergangs ist, die einen zweiten Dotierungstyp aufweist, welcher vom ersten Dotierungstyp verschieden ist. Zum Beispiel kann die erste Schicht eine Emitterschicht und die zweite Schicht eine Kollektorschicht sein, oder umgekehrt. Bei einer anderen Ausführungsform kann die erste Schicht eine p-dotierte Halbleiterschicht und die zweite Schicht eine undotierte Halbleiterschicht sein. Bei einer anderen Ausführungsform kann die erste Schicht eine n-dotierte Halbleiterschicht und die zweite Schicht eine p-dotierte Halbleiterschicht sein. Bei einer anderen Ausführungsform kann die erste Schicht eine stark p-dotierte Halbleiterschicht und die zweite Schicht eine Passivierungsschicht sein.
Bei einer anderen Ausführungsform des Prozessablaufs wird eine Oberfläche eines dotierten kristallinen Siliziumsubstrats unter Anwendung der hier erörterten Schritte gereinigt, bevor eine Halbleiterschicht anderer Dotierung darauf abgeschieden wird. In einem Beispiel wird eine Oberfläche eines p-dotierten kristallinen Siliziumsubstrats gereinigt, bevor eine n-dotierte Halbleiterschicht darauf abgeschieden wird. Bei noch einer anderen Ausführungsform wird eine Oberfläche eines dotierten kristallinen Siliziumsubstrats unter Anwendung der hier erörterten Schritte gereinigt, bevor eine Siliziumoxid umfassende Passivierungsschicht auf einer Oberfläche eines kristallinen Siliziumsubstrats gebildet oder abgeschieden wird. Bei noch einer anderen Ausführungsform wird eine Oberfläche eines dotierten kristallinen Siliziumsubstrats unter Anwendung der hier erörterten Schritte gereinigt, bevor eine Siliziumnitrid enthaltende Antireflexionsüberzugsschicht auf einer Oberfläche eines kristallinen Siliziumsubstrats abgeschieden wird. Bei noch einer anderen Ausführungsform wird eine Oberfläche eines dotierten kristallinen Siliziumsubstrats unter Anwendung der hier erörterten Schritte gereinigt, bevor eine transparente leitfähige Metalloxidschicht, welche Zinnoxid (SnO_x), Zinkoxid (ZnO_x) umfasst, oder eine Schicht aus aluminiumdotiertem Zinkoxid (AZO) auf einer Oberfläche eines kristallinen Siliziumsubstrats abgeschieden wird.
PROZESS UNTERVERWENDUNG VON HF-DAMPF
Bei einer anderen Ausführungsform des Trockenreinigungsprozesses kann ein Substrat, das eine native Oxidschicht oder eine abgeschiedene Oxidschicht aufweist, mittels eines Prozesses unter Verwendung von HF-Dampf gereinigt werden. Das Substrat wird in einer Kammer angeordnet, und es wird ein Prozessgas in die Kammer eingeleitet. Das Prozessgas umfasst im Allgemeinen dampfförmiges wasserfreies HF und Wasserdampf. Bei einigen Ausführungsformen können Alkohole als Ergänzung zu Wasserdampf oder anstelle desselben verwendet werden. Bei einigen Ausführungsformen kann auch ein Trägergas vorgesehen werden.
Ein Prozessgasgemisch für einen Reinigungsprozess unter Verwendung von HF-Dampf weist im Allgemeinen ein Molverhältnis von HF zu Hydroxidgruppen (OH) im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 10, wie zwischen etwa 1,0 und etwa 3,0, zum Beispiel von etwa 2,0 auf. Das OH kann durch Wasserdampf zur Verfügung gestellt werden, oder durch Alkohole wie Methanol, Ethanol oder niedere Diole und Silanole. Die polaren OH-Gruppen katalysieren die Säure-Basen-Reaktion zwischen HF und SiO₂, welche SiF₄ und Wasser erzeugt. Das Wasser und SiF₄ werden als Gase entfernt, doch das Wasser verweilt an der Oberfläche des Substrats, bevor es verdampft. Dieses noch vorhandene Wasser katalysiert eine weitere HF/SiO₂-Reaktion.
Ein Reinigungsprozess unter Verwendung von HF-Dampf wird im Allgemeinen in einer Prozesskammer bei einer Temperatur zwischen etwa 10°C und etwa 100°C, wie von etwa 25°C, und bei einem Druck zwischen etwa 3 Torr und etwa 760 Torr (1 Atmosphäre) durchgeführt. Bei dem Reinigungsprozess unter Verwendung von HF-Dampf bleibt die gereinigte Siliziumoberfläche in einem mit Wasserstoff abgeschlossenen Zustand zurück, und eine Beschädigung durch Plasma, welche durch Verwendung von HF-Plasmen hervorgerufen werden kann, wird vermieden. Eine Kammer, in der eine derartige Dampfreinigung durchgeführt wird, kann in eine Gruppe von Kammern integriert sein, die an eine Transferkammer angeschlossen sind, oder kann eine selbstständige Kammer sein.
Obwohl oben bestimmte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurden, können andere und weitere Ausführungsformen der Erfindung entwickelt werden, ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen.

Claims

Verfahren zur Bearbeitung einer Schicht eines Solarzellensubstrats, welches umfasst: Anordnen des Solarzellensubstrats auf einem Substratträger in einer Prozesskammer, die Wände aufweist; Einleiten eines reaktiven Gasgemisches, das neutrale Radikale umfasst, in die Prozesskammer; Lenken des reaktiven Gasgemisches in Richtung des Substrats; Umsetzen der neutralen Radikale mit Sauerstoff aus dem Substrat, um einen dünnen Film auf dem Substrat zu bilden; Aufrechterhalten einer Temperatur des Substrats unterhalb einer Temperatur der Kammerwände während der Bildung des dünnen Films; und Entfernen des dünnen Films.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das reaktive Gasgemisch Stickstoff, Fluor und Wasserstoff umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das reaktive Gasgemisch Stickstoff, Fluor und Wasserstoff umfasst und frei von elektrischen Ladungen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Solarzellensubstrat einkristallines Silizium, multikristallines Silizium oder polykristallines Silizium umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Entfernen des dünnen Films ein Entfernen von Sauerstoff von der Substratoberfläche und Abscheiden von Wasserstoff, Fluor oder beidem auf der Substratoberfläche umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Einleiten des reaktiven Gasgemisches das Bilden geladener und ungeladener reaktiver Spezies und Kombinieren der geladenen reaktiven Spezies, um ungeladene reaktive Spezies zu bilden, umfasst.
Verfahren zur Bearbeitung eines Solarzellensubstrats, welches umfasst: Anordnen des Substrats auf einem Substratträger in einer Prozesskammer; Einleiten eines Vorläufer-Gasgemisches in eine Aktivierungskammer; Aktivieren des Vorläufer-Gasgemisches durch Zuführen dissoziativer Energie zu dem Vorläufer-Gasgemisch, um ein reaktives Gasgemisch zu bilden; Einleiten des reaktiven Gasgemisches in die Prozesskammer während eines Zeitintervalls, das ausreichend ist, um mindestens 90% der geladenen aktiven Spezies in dem reaktiven Gas zu neutralisieren; Exponieren des Substrats gegenüber dem reaktiven Gas, um während der Bildung eines dünnen Films auf dem Substrat Sauerstoffgas freizusetzen; Kühlen des Substrats während des Exponierens des Substrats gegenüber dem reaktiven Gas; und Entfernen des dünnen Films, um eine freiliegende Substratoberfläche zu bilden, und Abscheiden von Wasserstoff, Fluor oder beidem auf der freiliegenden Substratoberfläche, wobei sowohl das Entfernen als auch das Abscheiden durch Erwärmen des dünnen Films durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Oberfläche des Substrats eine Schicht eines p-i-n-Übergangs ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Oberfläche des Substrats ein Dotierungsmittel vom p-Typ umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Oberfläche des Substrats eine erste Zelle einer Heterojunction-Solarzelle umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Oberfläche des Substrats eine stark p-dotierte Schicht umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, welches ferner das Abscheiden einer Passivierungsschicht über der fluorierten freiliegenden Substratoberfläche umfasst.
Verfahren zur Bearbeitung eines Solarzellensubstrats bereit, welches umfasst: Bilden einer ersten Schicht auf dem Substrat; Anordnen des Solarzellensubstrats in einer Trockenreinigungskammer; Lenken neutraler Radikale, die Stickstoff und Fluor umfassen, in Richtung des in der Trockenreinigungskammer angeordneten Substrats, um auf der ersten Schicht einen dünnen Film zu bilden; ohne das Vakuum zu unterbrechen, Bewegen des Substrats aus der Trockenreinigungskammer in eine Glühkammer; Entfernen des dünnen Films in der Glühkammer durch Zuführen von Wärme zu dem dünnen Film; und Bilden einer zweiten Schicht auf dem Substrat.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die erste Schicht eine n-dotierte Halbleiterschicht und die zweite Schicht eine p-dotierte Halbleiterschicht ist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die erste Schicht eine Schicht eines p-i-n-Übergangs ist, die einen ersten Dotierungstyp aufweist, und die zweite Schicht eine Schicht eines p-i-n-Übergangs ist, die einen zweiten Dotierungstyp aufweist, welcher von dem ersten Dotierungstyp verschieden ist.