iPorSi – Entwicklung von nanoporösen Siliciumschichten mit einem in-line Verfahren

Laufzeit: April 2014 - März 2015
Auftraggeber / Zuwendungsgeber:
Eigenforschungsprojekt
Projektfokus:
© Fraunhofer ISE

Abb. 1: Strukturuntersuchungen von Querschnitten mit Raster­elektronenmikroskop nach dem Ätzprozess (links) und nach dem Reorganisationsprozess (rechts).

© Fraunhofer ISE

Abb. 2: Direkt abgelöste < 10 µm dünne makroporöse Si-Folie (semi-transparent), aufgeklebt auf einer Metallfolie mit einer Fläche von 45x45 mm2.

Epitaktisch gewachsene und abgelöste dünne Siliciumschichten für die Photovoltaik haben ein Kostensenkungspotenzial von über 50 % und und sind daher sehr interessant. Neben der Abscheidung des Siliciumabsorbers, ist die aus porösem Silicium bestehende Nukleations- und Ablöseschicht der wichtigste dafür notwendige neuartige Prozess. Bisher wird dieser, auf elektro-chemischen Ätzen in Flusssäure / Ethanol basierende Prozess nur auf Einzelwafern durchgeführt. Apparaturen für einen Durchsatz von einigen 1000 Wafern pro Stunde gibt es derzeit nicht, was die industrielle Einführung des Epitaktischen Wafers extrem behindert. Daher war Ziel des Projekts »iPorSi«, Porosifikationsprozesse für dieses Si-Ablösekonzept auf einer Prototyp-Inline-Anlage zu etablieren.

Der notwendige Porosifikationsprozess für die Herstellung epitaktisch gewachsener und abgelöster dünner Schichten und die Entwicklung einer industriellen Hochdurchsatz-Technologie dafür wurde vom Fraunhofer ISE im Rahmen des Projekts »iPorSi«auf einer Prototyp-Ätzanlage erfolgreich durchgeführt. Nach Anpassung und Inbetriebnahme der Ätzanlage und der Identifizierung von geeigneten Benetzungsmitteln haben wir auf 500 µm dicken monokristallinen Siliciumwafern mehrlagige Porosifikationsschichten so modifiziert, dass nach Reorganisation in Wasserstoff und anschließender Si-Epitaxie ein kontrollierter Ablösungsprozess erfolgt. Neben der Anpassung der Prozessparameter für die Bereitstellung einer optimalen Epitaxie-Vorlage und der kontrollierten Ablösbarkeit haben wir die Wiederverwendbarkeit der Substrate untersucht und die Prozessstabilität verbessert.

In einem weiteren Entwicklungsschritt haben wir wenige µm dünne (< 10 µm) makroporöse Si-Folien hergestellt, die ohne weitere Prozessschritte, also auch ohne Reorganisation, direkt abgelöst werden konnten (45x45 mm²). Diese makroporösen Folien wurden anschließend mit einem von uns entwickelten oxidischen SolGel-Klebeprozess auf Trägersubstrate geklebt und danach reorganisiert und eptaktisch verdickt. Das Projekt »iPorSi« hat außerdem zu einem umfassenden Verständnis der Interaktion zwischen Porosifikation, Reorganisation und Epitaxie geführt. Dadurch sind wir in der Lage, eine qualitativ hochwertige Ablöseschicht auf einer Fläche von 152 x 152 mm² (fast vollständige Waferfläche) zu erzeugen und deren Eignung für den Epitaxie-Prozess nachzuweisen.