Institut Silizium-Photovoltaik

Kobus Depositionscluster

Silizium Depositionscluster

Die Deposition von siliziumbasierten Materialien bei EMIL wird in einer Mehrkammerdepositionsanlage durchgeführt, die von der Firma Kobus (Frankreich) hergestellt wurde. In einem solchen Clustertool sind verschiedene Depositionskammern um eine Zentralkammer angeordnet, über die ein Roboterarm Proben von einer Schleuse zu den verschiedenen Prozesskammern und zurück transportiert. Die Schleusenkammer fasst bis zu zehn Substrate, entweder runde Wafer mit einem Durchmesser von bis zu 150 mm oder quadratische Substrate, z.B. Glas, mit einer Größe von bis zu 10x10 cm². Um einen sauberen Transport von Proben vom benachbarten Reinraum in die Schleuse zu gewährleisten werden die Proben über eine flow box in die Schleuse geladen.

Anlagenaufbau

Die Anlage verfügt über vier Depositionskammern: zwei PECVD-Kammern, eine ALD-Kammer und eine Sputterkammer (PVD). Die Kammern können parallel betrieben werden und das System wurde daraufhin ausgelegt, für jedes Substrat individuell festgelegte Beschichtungssequenzen automatisiert durchzuführen. Dies kann dazu genutzt werden z.B. mehrere identische Proben herzustellen oder Versuchsreihen durchzuführen, in denen gezielt einzelne Beschichtungsparameter wie Dotierung oder Schichtdicken bei minimalem Bedienaufwand systematisch variiert werden.

Eine weitere Kammer des Clustertools ist über eine spezielle Transferkammer mit dem Ultrahochvakuum-Transportsystem im SISSY-Labor verbunden. Proben oder Probenhalter mit mehreren Substraten können in diese Transferkammer angehoben werden, in der ein manueller Transfer auf Probenhalter des UHV-Systems unter UHV-Bedingungen durchgeführt werden kann.

PECVD Kammern

Die Mehrkammerdepositionsanlage verfügt über zwei identische Kammern zur plasmaunterstützten, chemischen Gasphasenabscheidung (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition - PECVD) in Parallelplattengeometrie. In diesen Kammern werden Precursoren (gasförmige Ausgangsstoffe) zwischen zwei Elektroden geleitet und ein Plasma wird zur Aktivierung der Gasmoleküle gezündet. Durch die Aktivierung werden Reaktionen der Gasmoleküle mit einem Substrat und den Kammerwänden initiiert. Durch die Bereitstellung einer breiten Palette von Ausgangsgasen in beiden Kammern, kann eine Vielzahl von siliziumbasierten Materialien abgeschieden werden, darunter amorphes Silizium (a-Si:H), mikrokristallines Silizium (µc-Si:H), Siliziumnitrid, Siliziumoxid oder Siliziumkarbid. PH₃, TMB and B₂H₆ stehen für die Dotierung der Schichten zur Verfügung. PECVD wird für die Abscheidung von Schichten mit typischen Schichtdicken zwischen einigen wenigen Nanometern bis zu einigen hundert nm verwendet.

Speziell konstruierte keramische Heizer mit eingebetteten Elektroden erlauben Deposition und Kammerreinigung bei Temperaturen von bis zu 600 °C. Der Elektrodenabstand kann von 5 bis 50 mm variiert werden. Zur Reinigung der Kammer kann eine Remoteanregung der Reinigungsgase vorgenommen werden. Die Dauer der Reinigungsschritte wird über optische Emissionsspektroskopie überwacht.

Zu den Anwendungen der Kammern zählen Passivierschichten aus amorphem Silizium, Siliziumnitrid oder Siliziumoxid, hochdotierte Schichten für die Nutzung als Emitter oder Back Surface Field (BSF) in a-Si:H/c-Si Heterokontakt Solarzellen, dielektrische Beschichtungen, Diffusionsbarrieren und optische Schichten. Eine Kammer ist zusätzlich für den Einsatz von German (GeH₄) vorbereitet, wodurch die Herstellung von germaniumbasierten Materialein und Legierungen aus Silizium und Germanium möglich ist.

ALD Kammer

ALD (Atomic Layer Deposition) ist ein Prozess, in dem Schichten durch eine Reihe von aufeinanderfolgenden Einzelschritten abgeschieden werden. Dabei werden ein Ausgangsstoff (Precursor) und ein Reaktivgas (Oxidizer) abwechselnd in die Kammer geleitet, wobei jeweils ein Spülschritt dazwischen geschaltet ist. Beim Einlass des Ausgangsgases wird bei den richtigen Prozessbedingungen die Substratoberfläche mit einer Monolage Molekülen belegt. Die Reaktion ist dabei selbst-limitierend, d.h. sie bricht nach dem Erreichen einer vollständigen Bedeckung selbstständig ab. Bei Einleitung des Reaktivgases reagiert die abgeschiedene Monolage vollständig zum gewünschten Schichtmaterial, z.B. einem Metalloxid. Die Kombination der beiden Prozessschritte liefert eine Sub-Monolage der gewünschten Verbindung auf dem Substrat und es kann ein weiterer Depositionszyklus angeschlossen werden.

Da die pro Zyklus abgeschiedene Materialmenge sehr gering ist, ist bei der ALD durch die Wahl der Anzahl von Depositionszyklen eine sehr exakte Kontrolle der Schichtdicke im sub-nm Bereich möglich. Der Prozess eignet sich ebenfalls zur konformalen Beschichtung von strukturierten Substraten, bis hin zur Innenbeschichtung von Löchern oder Gräben.

Die ALD Kammer an der Beschichtungsanlage bei EMIL verfügt über vier Anschlüsse für Precursorstoffe, wobei zwei über Bubbler und zwei über Direkteinspritzung (Direct Liquid Injection) in die Gasphase überführt werden können. Als Reaktivgase stehen Stickstoff, Sauerstoff, Ammoniak, Wasserstoff und Ozon zur Verfügung. Die Reaktivgase können über eine Remote-Plasmaquelle aktiviert werden. Die gleiche Plasmaquelle kann auch zur Kammerreinigung verwendet werden.

Ein keramischer Heizer erlaubt Substrattemperaturen von bis zu 500 °C. Das Wachstum der Schicht kann über ein In-Situ Spektralellipsometer überwacht werden. Typische mit ALD abgeschiedene Materialien sind z.B. SnO₂, Al₂O₃, ZnO, TiO₂, SiO₂, Si₃N₄ und Metalle.

Die Forschung an der ALD Kammer fokussiert sich auf Tunneloxide, selektive Kontakte, Passivierungsschichten und Barrieren.

Sputterkammer

Die Sputterkammer (auch PVD - Physical Vapor Deposition) der Depositionsanlage verfügt über eine zirkulare Sputterquelle mit einem Durchmesser von 250 mm. Eine Cryopumpe sorgt für minimalen Hintergrunddruck. Die Substratheizer erlauben Substrattemperaturen von bis zu 500 °C.

Das Magnetron kann mittels Radiofrequenz (RF, Gleichspannung (DC) oder gepulst (pulsed DC) betrieben werden. Ein optisches Spektrometer kann zur Überwachung von Reaktivprozessen verwendet werden.

Prinzipiell kann Magnetronsputtern für die Deposition einer Vielzahl von Materialien verwendet werden. Die Kammer an der Depositionsanlage bei EMIL wird für die Abscheidung von transparenten, leitfähigen Oxidschichten verwendet. Diese Schichten werden als Kontaktschichten in nahezu allen hocheffizienten Solarzellenarchitekturen benötigt. Typische Materialien sind Indium-Zinn-Oxid (ITO), dotiertes Zinkoxid oder Indium-Zink-Oxid (IZO).

Probentransfer zum Strahlrohr

Die Besonderheit des SISSY Labores ist die direkte Anknüpfung von modernster Depositionstechnologie an das UHV-System mit Anschluss zur Beamline und weitergehenden Charakterisierungsstationen. Hierdurch wird die Lagerung von Proben unter UHV-Bedingungen sowie ein automatisierter Transfer zu den diversen Messplätzen im UHV ermöglicht. Solch ein Transfer unter Vakuumbedingungen ist eine Voraussetzung für saubere, fortgeschrittene Untersuchungen von Oberflächen und Grenzflächen.

Im Clustertool hergestellte Proben können über die Zentralkammer in eine spezielle Transferkammer transferiert werden. Das auf einer Kryopumpe basierende Pumpsystem der Transferkammer ist in der Lage einen Druck im Bereich einiger 10^-9 mbar zu erzeugen, wodurch die Druckdifferenz einer typischen Hochvakuumdepositionsanlage (Basisdruck zwischen 10^-7 mbar und 10^-6 mbar) und UHV-Bedingungen (einige 10^-10 mbar) überbrückt werden kann.

Ein vertikaler Hebearm erlaubt den Transfer von Wafern oder Probenhaltern aus der Transferkammer in eine Kammer des UHV Systems. Der Transferprozess wurde von den Herstellerfirmen Prevac und Kobus gemeinsam entwickelt und benötigt minimalen Bedieneraufwand.

Innerhalb des UHV-Systems können einzelne Proben von einem Probenhalter mit einem manuellen Manipulatorsystem in spezielle Probenhalter des UHV-Systems transferiert werden. Verschiedene Probengrößen, von kleinen 11x11 mm² Glas- oder Siliziumstücken bis hin zu 150 mm Wafern oder Gassubstraten ähnlicher Größe, können umgeladen werden. Mehrere Probenhalter mit einer Vielzahl von Proben können unter UHV-Bedingungen gelagert werden.

Die Kombination von UHV-basierter Analytik mit Vakuumdepositionsmethoden innerhalb eines Anlagekomplexes ermöglicht eingehende Oberflächenuntersuchungen und insbesondere die Analyse von Wachstumsprozessen, weil Depositionsprozesse zu jedem gewünschten Zeitpunkt gestoppt werden können und hierdurch die Untersuchung einer aufwachsenden Schicht zu jedem Zeitpunkt innerhalb des Wachstums analysiert werden kann.