Abschlussbericht - ISC Konstanz

Verbundforschungsauftrag des Wirtschaftsministeriums Baden-
Württemberg, finanziert mit Mitteln der Baden-Württemberg Stiftung
(ehemals Landesstiftung Baden-Württemberg)
Projektabschlussbericht Projekt PlasSol für den Projektzeitraum
01.09.2007 – 31.12.2010
Verbundforschungsauftrag Verfahrenstechnische Grundlagen von Hochleistungs-
Hybridplasmaverfahren zur Erzeugung von siliziumbasierten solaraktiven Schichten
und Schichtsystemen
ISC Konstanz
Rudolf-Diesel-Str.15
D-78467 Konstanz
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Dr. Joachim Glatz-Reichenbach
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Förderkennzeichen: >> PlasSol

Inhaltsverzeichnis:
0. Zusammenfassung 2
1.0 Einleitung und Zielsetzung 2
1.1 Wissenschaftliche und technische Ziele 2
1.2 Zielsetzung in Hinblick auf die Programmziele 3
2.0 Wissenschaftlich-technische Ergebnisse aus den Arbeiten 3
2.1 Aufbau der Versuchsanlage bei Dr. Laure Plasma Technologie GmbH 5
2.2 Aufbau der Versuchsanlage zur Durchführung am IPF 10
2.3 Aktivitäten am ISC 28
2.4 Methodik bei den Versuchen 29
2.5 Charakterisierungen 30
2.6 Unerwartete Probleme und deren Lösungen 30
3. Zusammenarbeit der Verbundpartner 31
3.1 Verbundkoordinator ISC Konstanz 31
3.2 Verbundpartner IPF Universität Stuttgart 31
3.3 Verbundpartner Dr. Laure Plasma Technologie GmbH 32
3.4 Verbundpartner Muegge Electronic GmbH 32
3.5 Verbundpartner Paradigma Energie- und Umwelttechnik GmbH & Co. KG 32
3.6 Verbundpartner Ritter Solar GmbH & Co. KG 32
3.7 Verbundpartner EADS Deutschland GmbH 33
4. Arbeitsplan und Meilensteine des Projekts 33
5. Veröffentlichungen 35
6. F&E Ergebnisse von außerhalb 45
7. Fazit und Ausblick 45
8. Anhänge 46
0. Zusammenfassung
Das Projekt PlasSol hatte zum Ziel mittels Hochleistungsplasmaverfahren große Flächen mit
hohen Abscheideraten schnell und kostengünstig mit solaraktivem Silizium zu beschichten
und dadurch die Herstellungskosten von photovoltaisch tauglichen Siliziumschichten
erheblich zu senken. Ausgehend von der Gleichstrom- wurde die Mikrowellen -
Plasmatechnologie bei einer Frequenz von 915 MHz in einer resonanten Anordnung
erstmals eingesetzt. Dadurch konnten freistehende Plasmen ohne direkten
Elektrodenkontakt erzeugt werden. Für genügend hohe Plasma - Energiedichten wurden
solaraktive Schichten aus Si-Pulver alternativ zu Silan als Ausgangsmaterial erzeugt. Si-
Schichten bis 1 µm Dicke und Flächen bis 20 x 20 cm 2 mit Defektdichten < 10 16 /cm 3 und
einer optischen Aktivierungsenergie (Bandlücke) von ca. 1.7 eV konnten so mit
Abscheideraten bis über 10 nm/s erzeugt werden und die Leistungsfähigkeit dieser
Technologien zur Herstellung von solaraktiven Si-Schichten demonstriert werden.
1.0 Einleitung und Zielsetzung
1.1 Wissenschaftliche und technische Ziele
Ein Schlüssel für die Anwendung von Dünnschicht-Technologien für Photovoltaikanwendungen
ist die Verfügbarkeit von geeigneten Beschichtungstechnologien, die den Anforderungen
hinsichtlich Funktion und Wirtschaftlichkeit genügen.
In dem beantragten Vorhaben werden Hochleistungsplasmaverfahren eingesetzt, die das
Potenzial besitzen große Flächen zu beschichten und die Kosten von Silizium (Si)- und
Siliziumkarbid (SiC)- Schichten erheblich zu senken. Dabei erstreckt sich das Anwendungsgebiet
des neuen Forschungsvorhabens von der Entwicklung und Diagnostik neuer Hybrid-
Plasmaverfahren bis hin zu der Erzeugung von amorphen Si-Dünnschichtsystemen und
Mischschichten aus amorphem und mikrokristallinem Silizium.
2

Für den Nachweis der Anwendbarkeit der zu untersuchenden Plasmaverfahren für die
Erzeugung von großflächigen Photovoltaik-Modulen wurde zunächst untersucht, in wieweit
sich die relevanten Si-Schichten in den verschiedenen Konfigurationen auf Substrate mit 0,2
x 0,2 m 2 Ausdehnung abscheiden lassen. Dabei werden verschiedene Ziele verfolgt:
1. Die Herstellung von kostengünstigen Solarzellen aus amorphem Si (α-Si:H) aus
Si-Pulver mit zukunftsweisenden plasmagestützten Technologien.
2. Aufbauend auf den Erfahrungen, die bei der Beschichtung von Bauteilen mit
amorphem Si gemacht wurden, soll die Abscheidung von µc-Si, kristallinem Si und
evtl. SiC untersucht werden.
3. Die Beimengung verschiedener Bestandteile zur p- und n-Dotierung der Si-
Schichten und zur Herstellung von SiC ist ebenfalls ein Untersuchungsgegenstand.
Es wurden Gleichstromplasmen, induktiv beheizte Plasmen und durch Mikrowellen erzeugte
Plasmen untersucht. Zudem ermöglicht die Kombination dieser Plasmen in sogenannten
Hybridanlagen eine Synergie der jeweiligen spezifischen Plasmaeigenschaften, wie z. B.
hohe Elektronen-, Ionen- und Radikaldichten, kombiniert mit hohen Teilchenenergien.
Die wesentlichen Merkmale dieser für die Erzeugung von Si-Dünnschichten neuen
Technologie sind:
1. Die hohe im Plasma umgesetzte Energie erlaubt ein Verdampfen von Si und die
Erzeugung eines Plasmas mit hohen Teilchendichten. Dies ist vorteilhaft sowohl für die
Schichteigenschaften als auch für die Schichtqualität.
2. Es können hohe Massenströme (bis zu 20 g/s) realisiert werden. Dies gewährleistet hohe
Beschichtungsraten.
3. Der Druck kann zwischen 1 Pa und 200 kPa eingestellt werden. Damit können die
Schichteigenschaften über einen großen Bereich variiert werden.
4. Es kann eine große Bandbreite von Ausgangsstoffen dem Plasmastrahl zugeführt werden,
so dass z. B. ein gradierter Schichtaufbau von Si zu SiC möglich ist.
Durch die grundlegende Erforschung der Hochleistungsplasmaverfahren zur Herstellung von
Si-Schichten kann ein neuer Zugang zu solaraktiven Materialien für die nachhaltige
Energieerzeugung bereitet werden.
1.2 Zielsetzung in Hinblick auf die Programmziele
Das Verbundvorhaben ist schwerpunktmäßig dem Themenfeld Energieforschung/-technik
der Ausschreibung zugeordnet. Die gewonnen Erkenntnisse können aber auch für das
Themenfeld Neue Materialien/Oberflächentechnik von Nutzen sein und sollen außerdem
zum Ziel haben, diese innovativen plasmagestützten Beschichtungstechnologien für
Photovoltaikanwendungen nutzbar zu machen.
Weiterhin dient dieses Vorhaben der Stärkung der Zusammenarbeit zwischen den fünf
beteiligten Partnerunternehmen aus der Beschichtungstechnologie Dr. Laure Plasma
Technologie GmbH, der Mikrowellentechnologie Muegge Electronic GmbH und den Firmen
Ritter Energie- und Umwelttechnik GmbH & Co. KG (ex Paradigma), Ritter Solar GmbH &
Co. KG und EADS Deutschland GmbH als Anwender für solaraktive Schichten und den
beiden beteiligten Forschungsinstituten International SoIar Energy Research Center
Konstanz e.V. (ISC KN) und dem Institut für Plasmaforschung der Universität Stuttgart (iPF))
und somit der Schaffung eines innovativen, bedarfs- und anwendungsorientierten FuE-
Netzwerks auf international wettbewerbsfähigem Niveau.
2.0 Wissenschaftlich-technische Ergebnisse aus den Arbeiten
Der wesentliche Schwerpunkt des Vorhabens war einerseits Gleichstrom- und induktiv
beheizte Plasmen und Mikrowellen (MW) erzeugte Plasmen zu entwickelt bzw. anzupassen
3

für die Erzeugung von Siliziumschichten für Photovoltaikanwendungen, um diese Schichten
wirtschaftlich, d. h. mit hohen Abscheideraten und der notwendigen Qualität zu erzeugen.
Die Vereinigung dieser alternativen Plasmatechnologien in einer sogenannten
Hybridplasmaanlage würde zusätzlich die synergetische Nutzung spezifischer
Plasmaeigenschaften, wie z. B. hohe Plasmadichte und Teilchenenergien der DC-Plasmen
mit einer geringe Kontamination mit z. B. Elektroden- und Plasmawandmaterial für die MW-
Plasmen nutzen.
Figur 2.1: Graphik zur Flexibilität von Plasma Beschichtungsverfahren.
Die Flexibilität des Verfahrens ist anhand der oben gezeigten Grafik Figur 2.1 ersichtlich und
ist verwandt mit den bekannten Beschichtungsverfahren, dem PVD, dem CVD bzw. dem
Plasmaspritzen und kann über die Wahl der Prozessparameter gesteuert werden.
1. Wird die Energie pro Masseneinheit im Plasma bei kleinen Drücken sehr hoch gehalten,
so nähert man sich den PVD - Verfahren an.
2. Wird die durchgesetzte Masse bei konstant gehaltener Energie erhöht, so wird das
Verfahren dem Plasmaspritzen ähnlicher.
3. Durch Zumischung von zusätzlichen Stoffen können die jeweiligen Schichteigenschaften
in weiten Bereichen verändert werden (CVD). Die Zumischung kann in festem, flüssigem
oder gasförmigem Zustand erfolgen. So können durch Zugabe von z. B. Bor und Phosphor
positiv und negativ dotierte Si-Schichten erzeugt werden und deren Eigenschaften in
Schichtdicke variieren.
Verarbeitet werden können nahezu sämtliche Stoffe, alle Elemente des Periodensystems
können im Plasma umgesetzt werden. Diese Eigenschaft kann z. B. für die Erzeugung von
hochwertigen Si-Schichten aus preiswerten Ausgangsstoffen wie z. B. Sand eingesetzt
werden.
Auch der gezielte Aufbau gradierter Schichten, deren chemische Zusammensetzung über
die Schichtdicke variiert, ist möglich. Damit wäre eine Technologie verfügbar, die in der Lage
ist komplexe Schichtaufbauten wie zum Beispiel den kontinuierliche Übergang von a-Si nach
a-SiC zu realisieren, genauso wie die Integration von Dotierungsprofilen und TCO- Schichten
in den Schichtaufbau.
Basierend auf Gleichstromlichtbogenplasmen, die es ermöglichen, Si oder Si-haltige
Verbindungen in jeder Ausgangsform zu verdampfen und in ein Si-haltiges Plasma
umzuwandeln, sollen neue Beschichtungsverfahren entwickelt und untersucht werden. Die
Abscheidung der Si-Schicht erfolgt dabei aus dem Si-haltigen Plasma, wenn dieses mit dem
zu beschichtenden Substrat in Wechselwirkung tritt. Die Gleichstromplasmageneratoren
zeichnen sich durch sehr große Energiedichte im Plasmastrahl aus. Außerdem können bei
geeigneter Wahl der Betriebsparameter sehr große Mengen an Beschichtungswerkstoff
4

umgesetzt werden. Die Kombination großer Energie mit großen Massenflüssen stellt den
Schlüssel zur Wirtschaftlichkeit solcher Verfahren dar. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der
Tatsache, dass die Zusammensetzung des DC-Plasmastrahls über weite Bereiche frei
wählbar ist.
Bei DC- und induktiv geheizten Plasmen handelt es sich um bewährte Verfahren in Technik
und Industrie, deren Plasma-Freistrahl jedoch gradientenbehaftet sein kann. Um eine
gleichmäßige Plasma-Abscheidung über große Flächen zu erreichen, wird dem DC-
Plasmagenerator eine weitere Plasmaquelle nachgeschaltet, die für eine homogene
Beschichtung großer Flächen sorgt.
Dafür wurde die Mikrowellen Plasma Technologie der Frequenz 915 MHz in einer
resonanten Anordnung gewählt. Bei dieser Frequenz stehen leistungsstarke Generatoren bis
30 kW Leistung zur Verfügung, so dass die nötigen hohen Strahlleistungen erzeugt werden
können. Durch die Verwendung einer resonanten Anordnung werden keine Elektroden
benötigt um einen freistehenden Plasmastrahl zu erzeugen, was den Abtrag von
unerwünschtem Wand- oder Düsenmaterial minimiert.
2.1 Aufbau der Versuchsanlage zur Durchführung bei Dr. Laure Plasma Technologie GmbH
Parallel dazu wurden bei Dr. Laure Plasma Technologie GmbH weiterführende Plasma-
Abscheidungen speziell mit Silizium-Pulvern und auch Quarzsänden (SiO 2 ) als Siliziumquelle
durchgeführt. Kontinuierliche Modifikationen am Plasmabrenner, Pumpsystem und an der
Pulvereinspeisung gewährleisteten verbesserte und reproduzierbare Bedingungen für die Si-
Abscheidung. Der DC-Plasma Beschichtungsprozess mit µm/s-Wachstumsraten bei
Leistungsdichten von 100 kW/zig-cm 3 und der weitere Leistungsausbau des DC-
Plasmabrenners wurden weiterentwickelt
Ein neuer wassergekühlter Probenschlitten gewährleistete zudem definiert einstellbare
Bedingungen am Substart für die Si-Schichtabscheidung; die DC-Plasma Niederdruck
Anlage für eine verstärkte Leistungs-Einkopplung von bis zu 100 kW Plasmaleistung wurde
umzurüsten begonnen. Die Ende 2008 beherrschbare Plasma-Leistungen von ca. 45 kW am
DC-Plasma Niederdruck System wurde durch eine verstärkte Leistungs-Einkopplung für
Plasma-Leistungen auf bis zu 65 - 100 kW ausgebaut.
Der experimentelle Si-Materialfluss lag typischerweise bei ca. 10 g/Minute Fördermenge.
d.h. bei einem Schichtwachstum von ca. 0.1 µm/s konnte man bei einem Ertrag von 50 %
eine Fläche von ca. 0.5 m 2 mit ca. 0.5 g Si in 5 s ( Schichtdicke ca. 500 nm) beschichten.
Spektroskopische Messungen belegten, dass das Silizium in die Gasphase gebracht und
dann auf Substraten, d. h. auf bis zu 0.2 m x 0.2 m Glasplatten und wahlweise auch 156-er
Si-Wafer, abgeschieden werden konnten. Dadurch wurde erstmals gezeigt, dass kein
aufwändiges Silizium-Prozessgas Silan für diese Art der Dünnschichtabscheidung notwendig
ist. Somit wurde die „Idee von PlasSol“ bestätigt, Si-Pulver statt Silan für die Dünnschicht-
Photovoltaik einzusetzen.
Die Anpassungen zur Optimierung am Hochleistungs-Gleichstrom-Plasmabeschichter der
Dr. Laure Plasma Technologie GmbH ging weiter. Es konnten so im Laufe des Jahres 2009
verschiedene aSi-Beschichtungen für mindestens 20 unterschiedliche DC-
Plasmaabscheidungen durchgeführt und die daraus resultiertenmodifizierten i Si-Schichten
am ISC charakterisiert werden.
Im Folgenden werden wesentliche Details des Partners Dr. Laure Plasma Technologie
GmbH zusammengefasst, der sich mit der Verwendbarkeit der DC-
Plasmabrennertechnologie für solaraktive Si-Schichten beschäftigt.
Für die Erzeugung von großflächigen Photovoltaik-Modulen wurde zuerst untersucht, in wie
weit sich die relevanten Si-Schichten in den verschiedenen Konfigurationen auf Substrate mit
0,2 m x 0,2 m Ausdehnung abscheiden lassen.
Gemäß Projektplan wurde im ersten Jahr des Projekts, auf Basis der bei Dr. Laure Plasma
Technologie GmbH vorhandenen Plasmabrennertechnologien, die für die Herstellung von
solarfähigen Siliziumschichten relevanten Mechanismen zu identifizieren und zu
5

untersuchen, Hierzu wurde zunächst ein einstufiger Plasmabrenner konstruiert, gebaut um
im weiteren Projektverlauf den Plasmabrenner auf eine zweistufige Technologie zu erweitern
und erste Untersuchungen an einem Hybridbrenner, einer Mischtechnologie aus DC- und
MW-Technik mit folgenden Zielen zu realisieren.
1. Erzeugung eines Wasserstoffplasmas mit möglichst großem Energieinhalt und
möglichst hoher Temperatur
2. Vorrichtungen zum Einblasen von Pulver und ev. einem Reaktionspartner in den
Kernstrahl der Bogenentladung, wo Temperaturen größer als 15000 K herrschen
Mit der einstufigen Technologie wurden grundlegende Verfahrensparameter hinsichtlich der
Eigenschaften des Plasmabrenners untersucht, Diagnostikmethoden entwickelt und erste
experimentelle Schritte in Richtung gezielter Steuerung der Vorgänge im Plasmastrahl unter
spezieller Berücksichtigung der Erzeugung solaraktiver Silizium-Schichten unternommen. Es
wurden dabei spezielles Augenmerk auf folgende Punkte gelegt:
1. Untersuchung des Einflusses der Pulverzufuhr, wobei zunächst die Einblasrichtung
der Pulverzufuhr im Vordergrund stand. Es sollte untersucht werden, ob
durch eine Variation der Einblasrichtung (senkrecht zum Plasmastrahl oder mit
axialer Komponente) günstiger für den Betrieb der Plasmageneratoren ist.
2. Beschichtung von Materialproben, die dann zunächst auf ihre Zusammensetzung
hin untersucht werden, im zweiten Schritt sollte dann ihre Verwendbarkeit in der
Photovoltaik untersucht werden.
3. Erweiterung der Plasmaanlage hinsichtlich ihrer elektrischen Leistung.
4. Vorbereitung des Aufbaus einer Pilotanlage für die Erprobung des Verfahrens an
produktionsrelevanten Bauteilen.
Abbildung 2.2 zeigt eine Schnittdarstellung des von der Dr. Laure Plasma Technologie
GmbH speziell für die Erzeugung verschiedenster Metallschichten entwickelten Lichtbogen-
Plasmagenerators. Er besteht aus einer wassergekühlten Anode in Form eines
Hohlzylinders, in die die stabförmige Kathode ragt.
Zwischen Anode und Kathode wird ein Lichtbogen gezündet, der das im Ringspalt zwischen
Kathode und Anode strömende Gas aufheizt. Im Bereich der Kathodenspitze kann das zu
verarbeitende Pulver zugeführt werden. Eine spezielle Strömungsführung im Generator sorgt
dafür, dass das Metallpulver direkt in den heißen Kernstrahl der Bogenentladung
eingeblasen werden kann, ohne mit der Kathode in Wechselwirkung zu treten. Im Kernstrahl
des Lichtbogens herrschen Temperaturen, die im Extremfall 15000 K und mehr erreichen.
Unter diesen Bedingungen wird jedes bekannte Material über seinen Siedepunkt hinaus
erhitzt und gasförmig als Bestandteil des Plasmas mit der Strömung zum Werkstück
transportiert. Aufgrund der, relativ zum Plasma, geringen Werkstücktemperatur kühlt sich der
Beschichtungswerkstoff ab und lagert sich auf dem Werkstück als Schicht ab. Da die
Verdampfung von festen Siliziumpartikeln eine möglichst lange Verweilzeit der zu
verarbeitenden Stoffe im heißen Kernstrahlbereich, verlangt, wird für die Siliziumproduktion
zunächst eine alternative Version eines Plasmabrenners eingesetzt.
Abbildung 2.3 zeigt den Plasmagenerator, der momentan für die Erzeugung von
Siliziumschichten eingesetzt wird.
6

Abbildung 2.2:Plasmagenerator mit axialer
Gasbeschleunigung
Abbildung 2.3:Plasmagenerator mit
Wirbeldüse
Um die Verweilzeit der Pulverteilchen im Plasma, speziell im heißen Kernstrahl, zu erhöhen
und die nötige Aufheizung der Pulverteilchen zu gewährleisten, ist dieser Plasmabrenner mit
einer Vortex-Düse ausgestattet, die die Pulverteilchen auf eine Spiralbahn entlang der
Strömungsrichtung und Brennerachse zwingt. Zusätzlich besitzt dieser Plasmagenerator
einen zweiten Zugang zum Kernstrahl, der es ermöglicht, dass neben dem Ausgangstoff Si-
Pulver außerdem auch Dotierstoffe zugeführt werden können.
Prinzipiell arbeitet dieser Brenner analog zu dem in Abbildung 2.2 dargestellten
Plasmabrenner mit axialer Beschleunigung. Die Abbildungen 2.4 und 2.5 zeigen ihn in
Betrieb mit gezündetem Plasma.
Abbildung 2.4:Wasserstoff-Plasmafreistrahl
Abbildung 2.5:Wasserstoff-Silizium-Plasmafreistrahl
7

Int. [Counts]
4000
3000
2000
1000
20 sccm H 2
30 sccm Ar
80 Pa
Hδ
H β
H α
Int. [Counts]
4000
3000
2000
1000
221.667
Si I
243.515
251.6113
288.1579
390.5523
20 sccm H 2
30 sccm Ar
80 Pa
H β
H α
H ε
0
200 300 400 500 600 700
Wellenlänge [nm]
Abbildung 2.6: Übersichtsspektrum
Wasserstoff-Plasma
0
200 300 400 500 600 700
H γ
Wellenlänge [nm]
Abbildung 2.7: Übersichtsspektrum
Wasserstoff-Silizium-Plasma
Eine wichtige „on-line“ Methode zur Plasmacharakterisierung ist die optische
Emissionsspektroskopie. die im Berichtszeitraum aufgebaut und zum Einsatz gebracht
wurde. Die Abbildungen 2.6 und 2.7 zeigen typische Emissionsspektren von
Wasserstoffplasmen mit und ohne Si-Anteile. Die Unterschiede der beiden Plasmen sind
offensichtlich. Die Si-Emissionslinien belegen, dass das Si in der Dampfphase im Plasma
vorliegt.
Diese Meßmethode dient als Online-Prozesskontrolle sowohl hier als auch am IPF.
Weiterhin wurde die Frage bearbeitet, inwieweit diese Emissionsspektren Rückschlüsse auf
die Qualität der abgeschiedenen Siliziumschichten zulassen.
Da die Plasmadiagnostik im Projekts für die Schichtoptimierung eine entscheidende Rolle
spielte, wurde in Zusammenarbeit mit Paradigma und Ritter Solar ein Massenspektrometer
aufgebaut, der ab 2009 für die Charakterisierung der Si-Plasmen eingesetzt wurde.
Zunächst wurde der einstufige DC Plasmagenerator, hinsichtlich seiner Leistungsfähigkeit,
optimiert, um die vorhandenen Ressourcen optimal auszunutzen, d. h. bei hohen
Abscheideraten eine möglichst guter Schichtqualität zu erzielen. Der Generator musste im
ersten Schritt auf maximale Leistungsabfrage aus dem Stromnetz optimiert werden.
Die erzielten Maximalwerten der eingesetzten Hochstromanlage waren für den elektrischen
Strom (DC) 530 A und ca. 80- 90 V für die Spannung, was einer maximalen elektrischen
Leistung von 42 -48 kW entsprach.
Über die stromgeregelte Hochstromanlage regelte sich die Bogenspannung im
Plasmabrenner entsprechend dem Widerstand der Bogenentladung ein. Die Bogenspannung
ist ein Maß der Güte der Lichtbogenentladung. Je höher die Spannung, desto höher und
effektiver die Leistungsübertragung zum Plasma und desto höher der Wirkungsgrad des
Plasmabrenners.
Es zeigte sich prinzipiell, dass mit den o. g. Leistungsdaten die Erzeugung von
siliziumbasierten Schichten für die Photovoltaik möglich waren, doch für die technische
Umsetzung des Verfahrens zur Produktion eine weiter Leistungssteigerung nötig war.
Es wurde eine weiter elektrische Leistungsverstärkung der Hochstromanlage angestrebt, um
damit die spezifische Enthalpie des Plasmas um mindestens einen Faktor 2 zu erhöhen, um
folgendes zu erreichen:
1. Vollständiges Verdampfen des eingebrachten Si-Pulvers
2. Optimierung des Strömungsfeldes, um eine homogene Schichtdicke auf einer
möglichst großen Fläche zu erreichen
3. Gezielte Steuerung des Schichtaufbaus, d.h. der Dotierung und der Kristallinität.
Versuche zur Siliziumerzeugung und Probenuntersuchungen
Für den Einsatz des Hochleistungsplasmaverfahrens für die Herstellung von Solarzellen ist
die Reinheit der erzeugten Si-Schichten entscheidend.
8

In Abbildung 2.8 wurden die Oberflächenzusammensetzung eines Si-Wafers und einer
Siliziumschicht verglichen, die mittels Plasma aus Sand (SiO 2 ) abgeschieden wurde. Es zeigt
sich, dass die beiden Oberflächen aus den gleichen Materialien bestehen. Außer Argon,
Sauerstoff und Silizium sind mittels XPS-Messung keine weiteren Stoffe nachweisbar. Auf
beiden Oberflächen ist Ar angelagert. Dieses stammt aus dem Sputterprozess, der zum
Abtragen der zu untersuchenden Schichten eingesetzt wurde.
Si-Wafer, 10.12.2007 / Silizium aus Sand, 31.08.2008
Spektrum nach 90min bzw. 240min Sputterzeit
Si-Wafer, 10.12.2007 / Silizium aus Sand, 31.08.2008
Spektrum nach 90min bzw. 240min Sputterzeit
80000
80000
10000
12000
70000
60000
Ar LMM
Si-Referenzwafer (Messung mit Mg-Anode)
Silizium aus Sand (Messung mit Al-Anode)
70000
60000
9000
Si-Referenzwafer
Silizium aus Sand
Si 2s
11000
10000
Intensity, cps
50000
40000
30000
O KLL
O KLL
O 1s
Ar 2s
Ar 2p
Si 2s
Si 2p
50000
40000
30000
Intensity, cps
8000
7000
B 1s
9000
8000
7000
6000
20000
20000
6000
5000
10000
10000
5000
0
0
4000
4000
1000
800
600
400
200
0
200
190
180
170
160
150
140
Binding Energy, eV
Binding Energy, eV
Abbildung 2.8: Vergleich der chemischen
Zusammensetzung der Oberflächen von
einem Silizium-Wafer und einer aus Sand
abgeschiedenen Siliziumschicht.
Abbildung 2.9: Detailansicht der Si-Peaks zum
Vergleich der chemischen Oberflächenzusammensetzung
eines Si-Wafers und einer
aus Sand abgeschiedenen Si-Schicht.
Es sind keine Fremdstoffe in der Oberfläche nachweisbar, Detailansichten der nahezu
deckungsgleichen Siliziumpeaks sind in Abbildung 2.9 so sehen und beweisen, dass u. a.
auch der Oxidgehalt der Silizium-Schichten gleich ist.
Da schon die aus Sand (SiO 2 ) als Ausgangsmaterial zur Beschichtung hergestellten Si-
Schichten nicht verunreinigt sind kann davon ausgegangen werden, dass bei der
Verwendung von Si-Pulvern als Ausgangstoff keine Verunreinigungen in die Schichten
eingetragen werden.
Anlagentechnik
Zur Umsetzung des Verfahrens für die industrielle Anwendung wurde weiterhin am Aufbau
einer Pilotanlage gearbeitet, die bis Projektende in Betrieb gehen sollte. Deren
grundsätzliche Auslegung und ihre Arbeitsweise sind in den Abbildungen 2.10 und 2.11
skizziert.
Abbildung 2.10: Aufbau einer möglichen
Produktionsanlage für längliche Substrate.
Abbildung 2.11: Detail-Ansicht des
Plasmaraums der Produktionsanlage.
9

2.2 Aufbau der Versuchsanlage zur Durchführung am IPF
Beginnend mit dem offiziellen Projektstart am 01.09.2007 wurde die Planungsphase für die
915 MHz Mikrowellenanlage eingeleitet. Die vorhandenen Komponenten wurden auf ihren
Zustand geprüft und in einem geeigneten Labor aufgebaut. In diesem Labor mussten
elektrische Zuleitungen und die Kühlwasserzufuhr für den experimentellen Aufbau ausgelegt
werden. Des Weiteren wurde eine Absaugvorrichtung installiert, um Stickoxid- sowie
Ozonbildung im Labor zu verhindern. Die Mikrowellenanlage wurde am 15.01.2008 vom
Projektpartner Muegge Electronic GmbH geprüft und in Betrieb genommen.
Parallel zur Planung und dem Aufbau der Mikrowellenanlage wurde der Plasmabrenner von
dem bereits bei 2,45 GHz bestehenden Systems auf 915 MHz hoch skaliert. Da eine
analytische Berechnung des realen Brenners nicht möglich ist, wurde die auf Hochfrequenz-
Systeme spezialisierte, kommerzielle Software CST Microwave Studio ® verwendet. Die
Geometrie des Brenners ist in Abbildung 2.12 gezeigt. Wichtigste Bestandteile sind der
zylinderförmige Resonator, welcher direkt an das Hohlleitersystem angeschlossen wird
sowie ein koaxialer Resonator, der sich unterhalb auf der Achse des Zylinders befindet. In
der Mitte des Zylinders steht ein Quarzrohr, in welchem das Plasma eingeschlossen wird.
Die Spitze des Innenleiters der koaxialen Anordnung soll im späteren Aufbau beweglich
ausgelegt werden und eine Frequenzanpassung des Plasmabrenners ermöglichen.
h tip
Abb. 2.12) Querschnitt des
Modells, welches für die
Simulationen mit CST
Microwave Studio ® benutzt
wurde. Hauptbestandteile sind
der zylinderförmige Resonator
auf dessen Achse das Plasma
nach der Zündung in einem
Quarzrohr brennt, sowie der
Koaxiale Resonator darunter. In
den koaxialen Teil ist die
Gaszuführung eingebettet.
Neben diesem Parameter (h tip ) haben der Durchmesser des Resonators d res , die Tiefe h coax
des Koaxialteils und die Dimension des Quarzrohrs Auswirkung auf das Frequenzverhaltens
des Brenners. Abbildung 2.13 zeigt die Resonanzfrequenz der ersten zwei Eigenmoden des
Resonators bei Variation dieser Parameter. Vergrößert man den Durchmesser des
Zylinderresonators, so vergrößert sich die Wellenlänge der resonanten Mikrowellenfrequenz
linear. Folglich gilt für die Resonanzfrequenz f res ~ 1/d res . Die Frequenz der zweiten Mode
bleibt bei der Vergrößerung von d res konstant, weshalb sie dem koaxialen Resonator
zugeschrieben werden kann. Bei einem Durchmesser von ca. 225 mm ist der
Zylinderresonator auf die Magnetronfrequenz von 915 MHz abgestimmt.
10

Abb. 2.13) Simulationsmodell a) und
Resonanzfrequenz bei Variation der Parameter
d res b), h coax c) und Spitzenposition h tip d).
Verändert man den Parameter h coax , so
stellt man ein umgekehrtes Verhalten
fest. Die Resonatormode bleibt nahezu
unbeeinflusst, jedoch zeigt die
Koaxialmode diesmal eine 1/h coax –
Abhängigkeit. Die optimale Tiefe des
Koaxialteils liegt nahe bei einem Viertel
der Wellenlänge (ca. 80 mm). Es handelt
sich also um einen koaxialen λ/4-
Resonator, welcher über die Spitze als
Antenne angeregt wird.
Über die zwei bisher simulierten
Parameter lassen sich die beiden
Resonatoren optimal aufeinander
abstimmen. Mikrowellenquellen haben
jedoch immer einen leistungsabhängigen
Frequenzverlauf und verschiedene
Quellen haben zudem eine leicht
unterschiedliche Ausgangsfrequenz.
Dadurch wird eine Anpassung des
Brenners auf die Mikrowellenquelle nötig.
Dies lässt sich durch Variation der
Spitzenposition erreichen, was in
Abb.2.13 d) zu sehen ist. Wird die Spitze
in den Zylinderresonator hinein gefahren
verringert sich die Resonanzfrequenz
des Koaxialresonators. Die
Resonatormode bleibt hiervon wieder
nahezu unbeeinflusst.
Neben der Resonanzfrequenz kann
mittels CST Microwave Studio ® auch die
Feldverteilung im Brenner berechnet
werden. In Abbildung 2.14 ist, von oben
nach unten, der Absolutbetrag, die z-
Komponente und die radiale
Komponente des elektrischen Feldes
dargestellt. Links ist die Mode des
Zylinderresonators zu sehen. Das
elektrische Feld füllt nahezu homogen
das Quarzrohr aus. Die Orientierung des
Feldes in Richtung der z-Achse ist durch
die Hohlleitereinkopplung bedingt und
entspricht dessen Grundmode. Ein
nennenswerter Radialanteil existiert
lediglich im Bereich der Spitze. Das
Feldmaximum der Koaxialmode, rechts
dargestellt. Befindet sich ebenfalls an der
Spitze. Außerdem sieht man einen
großen radialen Anteil im Bereich des
λ/4-Resonators. Die maximal
auftretenden Feldstärken sind hier
außerdem um ca. einen Faktor 2 größer als die der Resonatormode. Daraus lässt sich
schließen, dass die Zündung des Plasmas im unteren Bereich um die Spitze beginnt. Da
jedoch die Hohlleitermode besser an die Resonatormode ankoppeln kann, sollte das Plasma
nach dessen Zündung auch in diese umspringen.
11

Abb. 2.14a) Darstellung der Feldverteilung in
der Resonatormode. Oben ist das absolute
Feld dargestellt in der Mitte nur die z-
Komponente des elektrischen Feldes und
unten nur die radialen Anteile.
3b) Darstellung der Feldverteilung in der
koaxialen Mode. Oben ist das absolute Feld
dargestellt in der Mitte nur die z-
Komponente des elektrischen Feldes und
unten nur die radialen Anteile.
Basierend auf diesen Rechnungen wurde der Plasmabrenner in enger Zusammenarbeit mit
der Fa. Muegge Electronic GmbH zunächst konstruiert und gefertigt.
Parallel zu den Simulationen und der Fertigung wurden bei der Fa. Laure Plasma
Technologie GmbH erste spektroskopische Untersuchungen an einem DC-
Lichtbogenplasma durchgeführt. Die Gastemperaturen in den verwendeten Plasmen liegen
bei einigen 1000 K, sodass eine kontaktlose Diagnostik, wie die Spektroskopie, die einzige
Möglichkeit darstellt an Informationen über den Plasmazustand zu gelangen. Abbildung
2.15a zeigt ein Foto des untersuchten Argon-Wasserstoff-Plasmas welches aus dem DC-
Brenner ausgeblasen wird. Bringt man über einen Trägergasstrom zusätzlich Siliziumpulver
in das Plasma ein, so werden die Pulverpartikel zunächst aufgeschmolzen, dann verdampft
und schließlich teilweise in einen Plasmazustand versetzt. Auf diese Weise lassen sich
Siliziumschichten auf den Substraten (links im Bild) abscheiden.
Die Abbildung 2.15b zeigt ein gemessenes Übersichtsspektrum des Plasmas bei einem
Gasgemisch von 20 slm Wasserstoff, 30 slm Argon und einigen g/min Siliziumpulver. Neben
den drei Wasserstoffatomlinien aus der Balmerserie (H α , H β und H γ ) erkennt man im
kurzwelligen UV-Bereich des Spektrums einige Atomlinien des Siliziums. Diese belegen ein
Verdampfen des eingeblasenen Pulvermaterials und lassen sich sehr gut zur
12

Prozesskontrolle einsetzen. Die Wasserstofflinien geben Aufschluss über die
Plasmaparameter Temperatur und Dichte, wobei hierfür die Linienbreiten sowie
Intensitätsverhältnisse genau aufgelöst werden müssen.
Abb. 2.15a) Foto des DC-Lichtbogenbrenners
bei der Fa. Laure.
4b) Übersichtsspektrum eines Ar/H 2 -Plasmas
mit eingeblasenem Si-Pulver.
Erste Messungen hierzu wurden im Jahr 2008 an dem obigen Experiment durchgeführt. Um
die Elektronentemperatur zu bestimmen, kann die Besetzungsdichte verschiedener
Atomniveaus herangezogen werden, welche proportional zur ausgesandten Strahlung des
Niveaus ist. Im thermodynamischen Gleichgewicht folgt die Besetzungswahrscheinlichkeit
einer Boltzmann-Verteilung. Die dazugehörige Auswertung der Linienintensitäten nennt man
daher Boltzmann-Plot und ist in Abbildung 2.16a dargestellt.
Abb. 2.16a) Boltzmann-Plot zur Ermittlung
der Elektronentemperatur T e . Aufgetragen
sind die Intensitäten der Wasserstofflinien.
Aus der Steigung ermittelt sich T e zu 6909 K.
5b) Radiales Profil von T e unter
Berücksichtigung der Abel-Inversion.
Die mit Atomkonstanten verrechneten Intensitäten werden dabei über der Anregungsenergie
der einzelnen Niveaus aufgetragen und die inverse Steigung der sich ergebenden Geraden
liefert die Anregungsenergie, welche eine gute Abschätzung für die Elektronentemperatur ist.
Da das Licht, welches in das Spektrometer einfällt, eine Summe der lokalen Intensitäten über
eine Sichtlinie durch das Plasma ist, können zunächst keine Aussagen über die lokalen
Plasmaparameter gewonnen werden. Geht man aber von einer Rotationssymmetrie des
Plasmas aus, welche in dem untersuchten Plasma existiert, so kann durch eine
Transformation auf die lokalen Intensitäten zurückgeschlossen werden. Für die verwendete
Abel-Inversion werden zunächst die linienintegrierten Spektren an unterschiedlichen radialen
Positionen aufgenommen und dann auf lokale Spektren transformiert. Erst jetzt lassen sich
13

die Linienintensitäten nach dem oben beschriebenen Verfahren auswerten. Abbildung 2.16b
zeigt das Ergebnis einer solchen Messung. Die Elektronentemperatur kann über den
gesamten Plasmaquerschnitt als konstant angenommen werden, wobei die mittlere
Temperatur bei ca. 4500 K liegt. Da die Elektronen im Plasma für die Reaktionschemie
verantwortlich sind spielt dieser Parameter neben der Elektronendichte und der
Gastemperatur eine sehr wichtige Rolle.
Abb. 2.17a) Aufbau des Mikrowellen-
Plasmabrenners direkt nach der Fertigung.
6b) Erstes Plasma im Mikrowellen-
Plasmabrenner
Nach der Fertigung des Mikrowellen-Plasmabrenners wurde dieser aufgebaut. Abbildung
2.17a zeigt den Plasmabrenner von der dem Hohlleiter zugewandten Seite photographiert.
Man erkennt deutlich die aus Messing gefertigte Spitze des koaxialen Innenleiters, welche
einige mm in den Zylinderresonator hineinragt. Das Quarzrohr mit einem Außendurchmesser
von 80 mm ragt weit über den Plasmabrenner hinaus.
In Abbildung 2.17b ist das erste Plasma zu sehen, welches am 28.01.2008 am IPF mit
Unterstützung der Fa. Muegge gezündet wurde. In den Brenner sind Spektroskopiezugänge
eingebaut, wovon einer im unteren Teil des Fotos zu sehen ist. Die Länge des Plasmas
beträgt bis zu 1 m und füllt einen Großteil des Quarzrohres aus. Um eine
Mikrowellenabstrahlung vom Plasma zu verhindern ist ein Lochblech oberhalb des
Resonators angebracht.
Bei ersten Spektroskopischen Messung am Mikrowellen-Plasmabrenner stand die
Bestimmung der Gastemperatur im Vordergrund, da zum Verdampfen von Silizium eine
Temperatur von 2628 K benötigt wird. Ein hochauflösendes Spektrometer mit geeigneter
Optik wurde am Brenner installiert, um zunächst die Gastemperatur eines Luftplasmas bei
Atmosphärendruck zu messen. Dazu wurde synthetischer Luft eine geringe Menge an
Wasserdampf beigemischt, da der Vergleich einer gemessenen charakteristischen
Molekülbande des OH-Radikals bei 310 nm mit simulierten Spektren dieser Bande die
Rotationstemperatur des Gases liefert. Durch die große Anzahl an Molekülstößen im
14

Atmosphärendruckplasma kann davon ausgegangen werden, dass Rotations- und
Gastemperatur identisch sind. Da im Bereich um 310 nm auch viele Stickoxidbanden liegen,
muss zunächst das OH-Signal separiert werden. Dazu wurde vom gemessenen Spektrum
ein Spektrum mit trockener Luft subtrahiert. Das reine OH-Spektrum ist als blaue Linie in
Abbildung 2.18a dargestellt. In Abbildung 2.18b ist die gemessene axial und radial
aufgelöste Temperatur für drei verschiedene Mikrowellenleistungen gezeigt. Der
unzugängliche Bereich zwischen 120 und 180 mm resultiert von der oberen Abdeckung des
Resonators. Wie auch in Abbildung 2.16b konnte aufgrund der Rotationssymmetrie die Abel-
Inversion angewendet werden. Im Plasmakern werden Temperaturen von maximal 3500 K
erreicht.
Abb. 2.18a): Emissionsspektrum eines
Luftplasmas (schwarz), eines Luftplasmas mit
beigemischtem Wasserdampf (rot) und das
Differenzsignal. Dieses zeigt die reine
Rotationsbande des OH-Radikals bei 310 nm.
Abb. 2.18b): Temperaturprofil der
Plasmaflamme für verschiedene
Leistungen. Deutlich zu sehen ist der heiße
Kern der Flamme und die Ausdehnung des
Plasmas bei Erhöhung der Leistung.
Mit zunehmender Leistung steigt diese Temperatur nur leicht, jedoch verbreitert sich das
Temperaturprofil und die Plasmaflamme wird deutlich länger. Speziell bei der 5 kW-Messung
zeigt sich die Mikrowellenankopplung durch den Hohlleiter. Auf der rechten Seite ist deutlich
eine Temperaturerhöhung sichtbar.
Nachdem die optischen Messungen zeigen, dass eine ausreichende Temperatur zur
Verdampfung von Silizium vorhanden ist, ist von Interesse, ob die zur Verfügung stehende
Mikrowellenleistung (30 kW) für den Prozess ausreicht. Dazu wurden die relevanten
Prozesse, wie Schmelzwärme, Verdampfungswärme, Ionisation und Dissoziation betrachtet.
Unter der Annahme einer mittleren Temperatur von 3000 K, einem Massenfluss von Argon
und Wasserstoff von je 1 l/min und einem Massenfluss von Silizium von 1 g/min ergibt sich
die folgende Leistungsverteilung:
• Dissoziation von H 2 : 330 W
• Wärme H 2 : 64 W
• Wärme Ar: 46,8 W
• Ionisation H: 1960 W
15

• 1. Ionisation Ar: 1141 W
• Wärme Si: 34,8 W
• Schmelzwärme Si: 30 W
• Verdampfungswärme Si: 228 W
• 1. Ionisation Si: 467 W
Bei Argon- und Wasserstoffflüssen von je 20 l/min und einer Pulverzufuhr von 20 g/min
ergibt sich für einen abgeschätzten Ionisationsgrad von 1% die in Abbildung 2.19
dargestellte Verteilung.
Abb. 2.19): Leistungsbedarf (in Watt) der am Beschichtungsprozess
beteiligten Prozesse. Die Summe beträgt 12,2 kW.
Die wichtigsten Prozesse sind die Bildung von atomarem Wasserstoff und Silizium. Diese
Prozesse benötigen, wie in der Abbildung 2.19 zu sehen, auch die meiste Leistung. Trotz der
hier nicht betrachteten Verlustprozesse, wie z.B. Lichtemission und Wärmestrahlung, sollte
die zur Verfügung stehende Leistung ausreichend sein. Im weiteren Projektverlauf zeigte
sich zusätzlich, dass die zunächst angenommene Menge an Silizium von 20 g/min auch
deutlich reduziert werden kann.
Die Herstellung von amorphem Silizium erfordert die Prozessgase Argon und Wasserstoff.
Da ab einem Wasserstoffanteil in Luft von 5% ein explosives Gemisch entsteht, muss eine
geschlossene Reaktionskammer verwendet und die Reaktionsprodukte über ein
Pumpsystem aus dem Labor entfernt werden. Dazu wurde eine bestehende Vakuumkammer
mit einem Durchmesser von 50 cm und einer Länge von 120 cm im Labor installiert und ein
wassergekühlter Adapterflansch für den Anschluss des Brenners konstruiert (siehe
Abbildung 2.20a). Die Wasserkühlung ist notwendig, um die Vakuumdichtungen vor den
hohen Temperaturen des Plasmas zu schützen.
Abbildung 2.20b zeigt Aufnahmen der ersten Plasmen (08.08.2008) in der neuen
Vakuumkammer. Photographiert wurde hier durch zwei der 12 Diagnostikzugänge. Die obere
Abbildung zeigt ein Luftplasma bei einem Druck von ca. 500 Pa und die untere ein reines
Argonplasma bei einem Druck von ca. 300 Pa. Der Fluss betrug jeweils einige l/min und die
Leistung war ca. 2,5 kW. Der Betrieb im Vakuum hat neben der Sicherheit einen weiteren
Vorteil. Die Zündspitze entfällt bei einem Druck unter 150 Pa, sodass Verunreinigungen
durch den Kontakt des Plasmas mit der Spitze keine Rolle mehr spielen.
Für den Umgang mit reinem Wasserstoff wurden vom Sicherheitswesen der Universität
Stuttgart weitere Umbaumaßnahmen und Sicherheitsmaßnahmen vorgeschrieben, um die
16

Entstehung eines explosiven Gemisches zu verhindern. Ein Antrag für die notwendigen
Umbauten wurde beim Bauamt der Universität eingereicht.
Abb. 2.20a) Versuchsaufbau für den
Vakuumbetrieb. Die geschlossene
Reaktionskammer ermöglicht den sicheren
Umgang mit dem Prozessgas H 2 .
2.20b) Erste Plasmen im modifizierten Aufbau.
Zu sehen ist ein Luftplasma bei ca. 500 Pa
(oben) und ein Ar-Plasma bei ca. 300 Pa
(unten).
Beim Projekttreffen am 10.10.2008 am ISC wurde beschlossen, dass dem IPF ein
Pulverförderer der Fa. Laure zur Verfügung gestellt wird. Dabei handelt es sich um einen
Scheibenförderer, der über die einstellbare Drehgeschwindigkeit der Scheibe den Pulverfluss
regelt. Der Pulverförderer wurde am 16.10. am IPF in Betrieb genommen. Als Prozess- und
Trägergas wurde für die ersten Versuche Stickstoff verwendet. Die ersten atomaren
Siliziumlinien wurden am 22.10.2008 gemessen (siehe Abbildung 2.21a). Neben diesen
Linien im UV-Bereich unterhalb von 300 nm finden sich Banden des Stickstoffmoleküls und
des Stickstoffmolekülions. Abbildung 2.21b zeigt das Plasma im Mikrowellenresonator. Hier
wurde durch einen der drei Spektroskopiezugänge photographiert. Von der rechten Seite
wurden die Siliziumpartikel zentral eingeblasen und von der Rotationsströmung des
Prozessgases abgelenkt. Diese Strömung stabilisiert das Plasma und verhindert, dass es
Kontakt zum Quarzrohr hat. Prozessgas und Silizium strömen nach links in die
Reaktionskammer, in der sich die zu beschichtende Probe befindet.
17

Abb. 2.21a) Stickstoffplasma mit Zugabe von
Si-Pulver. Deutlich treten die Atomlinien des
Si bei 221, 251 und 288 nm hervor.
10b) Von rechts werden Si-Partikel in das
Stickstoffplasma eingeblasen und vom
Prozessgasstrom geführt. Im Plasma
schmelzen die Partikel und werden in die
Gasphase überführt.
Die Positionierung dieser Probe ist maßgeblich verantwortlich für das Ergebnis der
Beschichtung. In ersten Versuchen konnte keine nennenswerte Schicht abgeschieden
werden und eine Vielzahl der verwendeten Glassubstrate schmolz durch die
Wechselwirkung mit dem Plasma. Durch Variation der Position und des Winkels der Probe
relativ zum Plasmastrahl konnte Ende November 2008 auf mehreren Substraten eine relativ
homogene siliziumhaltige Schicht abgeschieden werden. Der geringe Anteil an Partikeln in
der Schicht zeigt, dass ein sehr großer Teil des Pulvermaterials bereits verdampft wird und in
atomarer Form vorliegt. Für die zukünftigen Versuche wurde das Gasgemisch W2 aus Argon
und Wasserstoff (2%) bestellt, welches vom Hersteller als ungefährlich eingestuft wurde, da
die Wasserstoffkonzentration unterhalb der Explosionsgrenze liegt.
Im ersten Quartal 2009 konnten erste Versuche mit diesem Gasgemisch durchgeführt
werden. Erstmals konnte dadurch am IPF ein Plasma, mit einem für den Prozess relevanten
Gasgemisch, betrieben werden. Abbildung 22 zeigt ein Emissionsspektrum dieses Plasmas.
Trotz des geringen Anteils an Wasserstoff im Gas treten dessen Atomlinien deutlich hervor,
wohingegen die Argonlinien nur schwach in Erscheinung treten. Auch die vom Plasma
absorbierte Leistung steigt, im Vergleich zu einer reinen Argonentladung, von einigen 100 W
auf 2,5 kW an. Wie schon bei der N 2 -Entladung treten im UV-Bereich mehrere atomare
Siliziumlinien hervor. D.h. dass auch in einem W2-Gemisch lässt sich das Pulver effektiv
verdampfen. Dieses Spektrum ist vergleichbar mit dem der DC-Entladung in Abbildung
2.15b.
18

Abb. 2.22 Übersichtsspektrum eines Ar/H 2 -Plasmas mit Si-Partikeln
Neben dem Plasma wurden auch die abgeschiedenen Schichten untersucht. Abbildung 2.23
zeigt Raster-Elektronen-Mikroskop (REM) Aufnahmen verschiedener Schichttypen. Als
Referenz ist in Abbildung 2.23a das verwendete Pulvermaterial gezeigt.
Abb. 2.23b) zeigt eine poröse, transparente Schicht, deren Adhäsion allerdings unzureichend
ist. Die Dimension der Strukturen, welche im µm-Bereich liegt, deutet darauf hin, dass die
Vernetzung zur Schicht bereits vor dem Substrat erfolgt ist.
Abb. 2.23c) zeigt die Aufnahme einer gräulichen Schicht mit hervorragender Haftung.
Allerdings besteht diese Schicht aus teilweise angeschmolzenen Partikeln. Der
Energieübertrag aus dem Plasma auf die Partikel ist hier nicht hoch genug.
Abb. 2.23a) REM-Aufnahme
des verwendeten Si-Pulvers
12b) REM-Aufnahme einer
porösen Schicht
12c) REM-Aufnahme einer
Schicht aus geschmolzenen
Si-Partikeln
Den größten Einfluss auf die abgeschiedene Schicht hat der Druck in der Vakuumkammer.
Dieser stellt sich abhängig von der Pumpleistung und dem Gasfluss ein. Bei einem hohen
Druck ist die Wechselwirkung zwischen dem Plasma und den Pulverpartikeln hoch. Die
Partikel werden dementsprechend schnell geschmolzen und verdampft. Jedoch laufen
schichtbildende Prozesse ebenfalls auf kleinen Wegskalen ab. Dadurch entstehen in der
Plasmaphase vor dem zu beschichtenden Substrat Staubpartikel, welche sich auf das
Substrat abscheiden. Dieses Verhalten ist in Abbildung 2.23b gut zu erkennen. Reduziert
man den Druck in der Vakuumkammer um der Staubbildung vorzubeugen, entsteht ein
anderes Problem. Die freie Weglänge wird nun größer, wodurch die Plasmapartikel mit den
Siliziumpartikeln weniger wechselwirken. Zunächst werden die Partikel noch angeschmolzen
(siehe Abbildung 2.23c). Bei einem Druck unterhalb von 1 mbar ist jedoch die
Wechselwirkung so gering, dass die Si-Partikel im Ausgangszustand das Substrat erreichen.
19

Zudem steht das Plasma nicht mittig im Quarzrohr des Brenners, sondern verlagert sich in
Richtung der Mikrowelleneinspeisung worunter das Quarzrohr leidet. Weitere Parameter, wie
der Gasfluss oder die Mikrowellenleistung haben nur einen geringen Einfluss auf die
abgeschiedene Schicht.
Um die obigen Probleme zu lösen wurde zunächst das Quarzrohr des Brenners vom 80 mm
auf 30 mm reduziert. Dadurch erhöht sich die tangentiale Gasströmung, welche das Plasma
auf der Brennerachse stabilisieren soll. In Abbildung 2.24a ist nur noch ein leichtes
Leistungsdefizit an der der Mikrowelle abgewandten Seite zu erkennen. Zusätzlich wurde
eine wassergekühlte Düse am Ausgang des Brenners installiert. Diese ist in Abbildung 2.24b
gezeigt.
Abb. 2.24a) Schematische Darstellung des
Plasmabrenners mit einem 30 mm
Quarzrohr
2.24b) Schematische Darstellung des
Plasmabrenners mit zusätzlicher Düse
Die Düse hat eine Öffnung von 5 mm. Dadurch steigt der Druck im Plasmabrenner bei
gleichem Gasfluss um mehrere Größenordnungen an. Das Plasma schnürt sich durch den
höheren Druck ein und liegt nun nicht mehr am Quarzrohr an. Zusätzlich wird die
Wechselwirkung zwischen Plasma und Pulver erhöht.
Abb. 2.25a) Mittlere freie Weglänge von
Argon in Abhängigkeit des Drucks
14b) Foto in den Rezipienten : Hinter der
Düse (rechts) expandiert der Plasmastrahl
Hinter der Düse expandiert das Gas in den Rezipienten hinein (Abbildung 2.25b), da der
Druck hier bei gleichem Gasfluss dem ohne Düse entspricht. Dadurch wurde der
Beschichtungsprozess in zwei Einzelprozesse getrennt. Die Verdampfung findet im Brenner
bei einem hohen Druck statt. Die Beschichtung dagegen findet bei niedrigem Druck in der
Vakuumkammer hinter der Düse statt. Abbildung 2.25a veranschaulicht dieses Verhalten in
Form der mittleren freien Weglänge von Argon in Abhängigkeit des Druckes. Kleine freie
Weglängen (bei hohem Druck) bedeuten hohe Stoßfrequenzen, welche für die Verdampfung
notwendig sind. Dies entspricht in der Abbildung dem Bereich 2. Für die Schichtabscheidung
20

sollte die mittlere freie Weglänge in der Größenordung des Abstands zwischen Düse und
dem Substrat liegen (Bereich 1).
Nach dem 4. Projekttreffen, am 20.04.2009, wurde mit Herrn Laure die Möglichkeit diskutiert
das Experiment des IPFs vorübergehend bei ihm in Filderstadt zu installieren. Neben
leistungsstarken Pumpständen besteht dort die Möglichkeit mit reinem Wasserstoff zu
experimentieren bis am IPF die erforderlichen Umbaumaßnahmen durchgeführt sind.
Außerdem sollte dort das Projektvorhaben „Hybridplasma“ getestet werden, also eine
Kombination aus DC-, Induktiv und Mikrowellen-Plasma. Die Planungsphase im Juni/Juli
2009 beinhaltete die exakte Vermessung des vorhandenen Platzes sowie die Anpassung
von Strom-, Wasser-, Gas- und Vakuumanschlüsse. In der KW33 wurde das gesamte
Experiment mit Hilfe der Fa. Muegge und der Fa. Laure am IPF deinstalliert, nach Filderstadt
gebracht und dort wieder in Betrieb genommen. Ende August konnten dann die ersten
Beschichtungsversuche, zunächst mit Stickstoffplasmen, durchgeführt werden.
Abb. 2.26a) Foto des vierstufigen
Pumpstands bei der Fa. Laure
2.26b) Veranschaulichung der gewonnenen
Pumpleistung
Abbildung 2.26a zeigt den verwendeten vierstufigen Pumpstand bei der Fa. Laure.
Aufgebaut aus einer Drehschieberpumpe und drei Wälzkolbenpumpen erzeugt dieser
Pumpstand eine Pumpleistung von ca. 25.000 m 3 /h. Abbildung 2.26b veranschaulicht die
gewonnene Pumpleistung durch den Umzug. Aufgetragen ist der sich einstellende Druck im
Rezipient bei vorgegebenem Gasfluss. Die zwei schwarzen Linien repräsentieren die
Wälzkolbenpumpe am IPF bei zwei verschiedenen Anschlussvarianten. Der rote Graph stellt
die Pumpleistung des vierstufigen Pumpstands dar. Der Arbeitsbereich des Plasmabrenners
fängt bei Gasflüssen von ca. 50 slm an. Man erkennt, dass bei diesen Flüssen Drücke
unterhalb von 1 mbar erreicht werden können. Dagegen ist der gemessene Druck vor der
Düse, also im Plasmabrenner, größer als 1 bar. Damit realisiert die neue Anordnung die zwei
in Abbildung 2.25a gezeigten Bereiche.
In den Monaten September bis Dezember wurden bei der Fa. Laure ca. 80 Beschichtungen
mit dem oben beschriebenen Aufbau durchgeführt. Davon waren ca. 30 Beschichtungen aus
einem N 2 -Plasma heraus entstanden und der Rest aus einem Ar-H 2 -Gemisch. Als Substrat
wurden zunächst Standart Objektträger mit den Maßen 76 x 26 mm 2 gewählt. Nachdem der
optimale Beschichtungsbereich gefunden war, wurden diese durch 100 x 100 mm 2
Glassubstrate ausgetauscht. Eine Auswahl an Proben wurde an das ISC zur
Charakterisierung geliefert. Zwei dieser Proben wurden ebenfalls bei der Fa. Laure einer
Elementanalyse (ESCA) unterzogen. In Abbildung 2.27 sind diese Messungen mit den
dazugehörigen Proben dargestellt. Bei Abbildung 2.27a handelt es sich um eine mit
Stickstoff abgeschiedene Probe. Abbildung 2.27b hingegen wurde aus einem Ar-H 2 -Gemisch
abgeschieden. Den Unterschied erkennt man vor allem am unterschiedlichen Stickstoffgehalt
der beiden Proben. Daraus resultiert auch der Unterschied in der Siliziumkonzentration. Der
Stickstoffanteil in Probe 46 lässt sich eigentlich nur durch eine Leckage der Apparatur
erklären, welche im Bereich des Pulverförderers liegen muss. Dadurch wird ebenfalls
21

Sauerstoff in den Prozess ungewollt eingebracht, welcher für den Sauerstoffanteil zum
Großteil verantwortlich ist. Einen weiteren Beitrag dazu liefert das Si-Pulver, welches
bekannterweise an der Oberfläche oxidiert.
Abb. 2.27a) ESCA-Messung und Foto der
Probe zum Versuch 23
(Parameter 60 slm N 2 + 40 slm N 2 / 5 kW / 0,22
mbar)
2.27b) ESCA-Messung und Foto der Probe
zum Versuch 46
(Parameter: 45 slm Ar + 50 slm Ar / 5 slm H 2 /
5 kW / 0,28 mbar)
Probe 46 ist nach dem Beschichtungsvorgang durch die thermische Belastung in mehrere
Teile zersprungen. Die Belastung war an der oberen Kante am höchsten, da das Substrat
dort senkrecht im Plasmastrahl positioniert war. Man erkennt dort auch noch
angeschmolzene Pulverpartikel, welche nicht vollständig verdampft worden sind. Nach
außen hin nimmt die Anzahl dieser Partikel ab, und die Schicht gleicht rein optisch
amorphem Silizium. Durch das Verkippen der Probe gegenüber dem Strahl lies sich die
Partikelanzahl minimieren. Außerdem wurde die Homogenität dadurch verbessert. Abbildung
2.28a zeigt die Probe mit der Versuchsnummer 72. In der Mitte dieses 100 x 100 mm 2
großen Substrats findet sich ein ca. 50 x 50 mm 2 großer Bereich, welcher eine gute
Homogenität aufweist.
Abbildung 2.28b zeigt die REM-Aufnahme dieser Schicht an einer Stelle an der noch Partikel
zu finden waren. Diese sind vollständig aufgeschmolzen und sind dann mit hoher
Geschwindigkeit auf dem Substrat aufgekommen und erstarrt. Der Durchmesser dieser
Partikel-Rückstände beträgt bis zu einigen 100 µm. Abb. 2.28c zeigt eine Stelle in der Mitte
des Substrats. Hier sind keine Partikel mehr erkennbar. Es ist aber ein strukturiertes
Aufwachsen erkennbar. Diese Strukturen liegen im Bereich von ca. 50 bis 300 nm.
22

Abb. 2.28a) Foto der Probe
72
2.28b) REM-Aufnahme von
abgeschiedenen
geschmolzenen Partikeln
2.28c) REM-Aufnahme der
„sauberen“ Schicht
Als Online Diagnostik kam weiterhin die optische Emissionsspektroskopie zum Einsatz.
Anhand der Intensität der Si-Linien lässt sich die Effektivität des Verdampfungsprozesses
bewerten. Gegebenenfalls können so während der Beschichtung Parameter wie Si-Menge,
Gasfluss oder Mikrowellenleistung angepasst werden. Mit Hilfe dieser Diagnostik wurde der
Beschichtungsprozess weiter optimiert. Abbildung 2.29 zeigt ein Spektrum bei ähnlichen
Parametern wie beim Versuch 72. Im Vergleich zu früheren Messungen, wie beispielsweise
in Abbildung 2.22 gezeigt, Ist das Verhältnis von Wasserstoff zu Silizium-Linien gerade
umgekehrt. D.h. die atomare Siliziumkonzentration im Plasma konnte deutlich gesteigert
werden.
Abb. 2.29) Übersichtsspektrum eines optimierten Ar/H 2 -Plasmas mit Si-Partikeln
Im letzten Quartal 2009 wurde begonnen den Umzug des Experiments zurück ans IPF zu
planen. Nachdem das Sicherheitswesen sowie das Bauamt der Universität Stuttgart die
Genehmigung zum Aufbau des Experiments in der Experimentierhalle des IPFs erteilt
haben, stand einer Inbetriebnahme der Anlage Anfang 2010 nichts mehr im Wege. Am
Aufstellort existieren eine feste Wasserstoffversorgung sowie ein Anschluss an die
hauseigene Vakuumanlage mit einem Saugvermögen von 250.000 m 3 /h.
Im Januar 2010 wurde mit Hilfe der Fa. Laure die Anlage abgebaut und ans IPF gebracht.
Bis zur Wiederinbetriebnahme im März 2010 mussten aus Sicherheitstechnischen Gründen
eine explosionsgeschützte Absaugung für im Ernstfall austretende Prozessgase installiert
werden. Außerdem wurde eine Firma für die festen Gasverrohrung bis ans Experiment hin
beauftragt. Kühlwasseranschlüsse sowie Strom wurden am Experiment bereitgestellt. In
enger Zusammenarbeit mit dem Hausdienst konnte ein eingelagertes Eckventil mit
dazugehöriger Ansteuerung der Pumpen wieder gangbar gemacht werden. Abbildung 2.30
zeigt das fertig installierte Experiment. Die Vakuumkammer wurde um ca. 1 m verlängert.
23

Außerdem wurde eine Abluftkühlung im Tank installiert, um die Dichtungen des Eckventils
vor der Temperatureinwirkung des heißen Abluftstroms zu schützen.
Abb. 2.30) Versuchsaufbau am IPF Stand 2010
Anfang 2010 wurde bei der Fa. Wacker neues Siliziumpulver bestellt. Das gelieferte Material
fällt dort bei der mechanischen Verarbeitung von poly-kristallinen Si-Stäben aus der
Siemensabscheidung an. Da die Partikelgröße von wenigen nm bis hin zu mehreren mm
variierte, wurde das erhaltene Material zunächst klassiert. Im ersten Versuch wurden hierfür
drei Siebe mit den Maschenweiten 36, 63 und 300 µm verwendet. In Abbildung 2.31 sind die
REM-Aufnahmen der drei Fraktionen

Abb. 2.31a) REM
Aufnahmen vom Si-Pulver
mit Partikelgrößen bis 36 µm
Abb. 2.31b) REM Aufnahmen
vom Si-Pulver mit
Partikelgrößen von 36 µm
bis 63 µm
Abb. 2.31c) REM
Aufnahmen vom Si-Pulver
mit Partikelgrößen von
63 µm bis 300 µm
Des Weiteren wurde ein vom ISC Kostanz zerkleinerter stark p-dotierter Wafer gesiebt. Die
Ausbeute betrug in diesem Fall lediglich 2,2 g/60 g ≈ 4%. Damit war es immerhin möglich
zwei Substrate zu beschichten, welche ans ISC geliefert wurden.
Wie schon bereits beschrieben geben die Wasserstofflinien der Balmerserie Aufschluss über
die Gas- und Elektronentemperatur sowie Elektronendichte im Plasma. Da hierfür die
Linienbreiten der Einzellinien ausgewertet werden müssen, wurde zusätzlich zum
Übersichtsspektrometer, welches die Prozessüberwachung ermöglicht, das hochauflösende
Spektrometer Sopra F1500 neben dem Experiment installiert. Dieses Spektrometer benutzt
ein sogenanntes Echelle-Gitter, welches für hohe Beugungsordnungen optimiert ist. In das
Auflösungsvermögen gehen die Beugungsordnungen linier ein. Die fokale Länge des
Spektrometers beträgt 1,5 m, es wird aber in einem doppelten Durchgang (3 m) betrieben.
Um die tatsächliche Auflösung zu bestimmen wurde eine sehr schmalbandige
Quecksilberlampe auf den Eintrittsspalt des Spektrometers fokussiert. Die Halbwertsbreiten
der emittierten Linien liegen teilweise unter 1 pm. Fünf dieser Linien wurden mit dem
Spektrometer aufgenommen und die Halbwertsbreite ∆λ vermessen. Als
Auflösungsvermögen ergab sich: ∆λ / λ = 0,14*10 6 . Dies liegt zwar unterhalb des vom
Hersteller angegebenen Wertes von 0,5*10 6 , für eine Analyse der Balmerlinien ist es
trotzdem ausreichend. Abbildung 2.32 zeigt das Spektrometer neben dem Plasmabrenner. In
rot ist der Strahlengang durch die aufgebaute Optik dargestellt. Die erste Linse sammelt das
vom Plasma emittierte Licht, welches dann über zwei Spiegel zu einer zweiten Linse geleitet
wird. Diese fokussiert nun auf den Eintrittsspalt des Spektrometers. Durch gleiche
Brennweiten der Linse entsteht dadurch eine 1:1-Abbildung des Plasmas auf dem
Spektrometerspalt.
25

Abb. 2.32) In rot dargestellt ist der Strahlengang ausgehend von der Achse des
Plasmabrenner bis zum Eintrittsspalt des Spektrometers.
Da die Kamera des Spektrometers keine ausreichende Lichtempfindlichkeit besitzt, musste
mit einem Photodetektor gearbeitet werden. Dieser ist zwar empfindlicher als die Kamera,
bietet aber nicht die Möglichkeit ortsaufgelöste Messungen durchzuführen. Der gezeigte
Strahlengang wurde durch einen Lichtleiter ersetzt, da nun keine Abbildung des Plasmas auf
dem Eintrittsspalt nötig war. Durch Variation der Lichtleiterposition konnte das Plasma
ortsaufgelöst untersucht werden.
Zunächst wurde die Halbwertsbreite der H α -
Linie entlang der Brennerachse ermittelt.
Diese Linie ist vorwiegend dopplerverbreitert,
d.h. durch die Bewegung des
emittierenden Wasserstoffatoms kommt es
zu einer leichten Verschiebung der
gemessenen Wellenlänge. Da sich im
statistischen Mittel genauso viele Atome
vom Lichtleiter weg wie auf den Lichtleiter
zu bewegen kommt es zu einer
Verbreiterung der gemessenen Linie in
Form einer Gaußglocke. Andere
Verbreiterungsmechanismen, wie die
Abb. 2.33) Die Gastemperatur auf der Achse
des Plasmabrenner beträgt (7250 ± 450) K.
Im unteren Bereich ist eine skalierte
Photographie des untersuchten Plasmas
dargestellt.
Starkverbreiterung oder die Van-der-Waals-
Verbreiterung lassen sich mathematisch
durch eine Entfaltung vom reinen
Gaußprofil trennen. Davon muss des
Weiteren die Verbreiterung, welche
aufgrund des Spektrometers entsteht,
herausgerechnet werden. Es ergeben sich Halbwertsbreiten von ca. 40 pm, was einer
Gastemperatur von ungefähr 7250 K entspricht. Der axiale Verlauf ist in Abbildung 2.33
dargestellt.
26

Im Gegensatz zu H α sind die Linien H β und H γ bei den gemessenen Plasmaparametern
vorwiegend Starkverbreitert. Dies resultiert aus den im Plasma vorhandenen freien
Elektronen. Deren elektrische Felder wechselwirken mit den emittierenden Atomen. Da die
Linienverbreiterung von der Anzahl der an der Wechselwirkung beteiligten Elektronen
abhängt, lässt sich aus der Halbwertsbreite der Starkverbreiterung die Elektronendichte
bestimmen.
Abb. 2.34) Die aus der Starkverbreiterung von
H β und H γ ermittelte Elektronendichte beträgt
(1 ± 0,25)*10 20 m -3 .
Die Vorgehensweise bei der Auswertung
entspricht der oben Beschriebenen, jedoch
ist diesmal der Gaußanteil vom
gemessenen Profil abzutrennen und die
Van-der-Walls-Verbreiterung aus dem
Lorentzanteil herauszurechnen. Die
Halbwertsbreiten sind für Wasserstoff sehr
gut tabelliert und so ergibt sich eine nahezu
konstante Elektronendichte entlang der
Plasmaachse zu (1 ± 0,25)*10 20 m -3 . Der
axiale Verlauf wurde sowohl für H β als auch
H γ bestimmt und ist in Abbildung 2.34
dargestellt. Berechnet man für ein
thermisches Plasma mit Hilfe der Saha-
Gleichung die aus der Temperatur zu
erwartende Elektronendichte, so ergibt sich
für ein Wasserstoffplasma eine Dichte von
ca. 2*10 20 m -3 .
Die in Abbildung 2.16 vorgestellte Methode zur Bestimmung der Elektronentemperatur wurde
nun auch am Mikrowellen-Plasmabrenner angewandt. Für den Boltzmann-Plot standen die
ersten drei bis vier Balmerlinien zur Verfügung.
Abb. 2.35) Axialer Verlauf der Elektronentemperatur
im Plasma. Im unteren Bereich ist
eine skalierte Photographie des untersuchten
Plasmas dargestellt.
Der axiale Verlauf der Elektronentemperatur
ist in Abbildung 2.35 gezeigt.
Wie schon in Abbildung 2.33 wurde ein auf
den Messbereich skaliertes Foto in das
Diagramm eingefügt.
Die Elektronentemperatur zeigt ein leichtes
Abklingen in Richtung der Düse. Die
gemessene Temperatur liegt im Bereich
von der Gastemperatur, was die Annahme
eines thermischen Plasmas stärkt.
Aufgrund der fehlenden Möglichkeit das
Plasma radial ausreichend abzutasten sind
die zuletzt gezeigten Werte von Gas-,
Elektronentemperatur sowie Elektronendichte
als liniengemittelte Werte
aufzufassen. Eine lokale Bestimmung der
Plasmaparameter, wie bereits beim
Luftplasma gezeigt, steht noch aus.
Vergleicht man die gewonnen spektroskopischen Ergebnisse mit DC-Plasmabrennern, so
liegen Dichte und Temperatur etwas niedriger. Durch den elektrodenlosen Aufbau des
Mikrowellenbrenners besitzt dieser jedoch auch große Vorteile.
Ausblick:
Es muss weiterhin an einer Verbesserung der Homogenität und der Vergrößerung
der beschichteten Substratfläche gearbeitet werden
Des Weiteren muss die Echtzeit Spektroskopie für den Beschichtungsprozess weiter
verbessert und optimiert angepasst werden.
27

Weitere aussagekräftige Beschichtungsexperimente mit dotierten Si-Pulvern zur
Erzeugung von dotierten a-Si Schichten und der Zellaufbau müssen vermehrt
angegangen werden.
2.3 Aktivitäten am ISC
Neben der Projektkoordination als „federführendes Institut“ konnte mit gezielten Aktivitäten
am ISC KN e. V. zur optischen und elektrischen Charakterisierung der abgeschiedenen
Silizium Schichten ein aktiver Beitrag zum Projekt geleistet werden.
Optische Charakterisierung durch optische Messungen (R/T Absorption) zur Bestimmung
von aSi/µcSi-Anteil und E gap und N d
Reflexion und Transmission Bestimmung der Absorption
Bestimmung der Defektdichten N d via opt. Absorption
Bestimmung der a-Si / µc-Si Anteile über Reflexionsmessungen
Bestimmung der optischen Bandlücke E gap über die Beziehung
(αhν) 1/2 = Konstante (hν − E gap )
wobei der Absorptionskoeffizient α über die gemessene optische Absorption und die
Schichtdicke gegeben ist.
Ellipsometrie Messungen zur d/n-Bestimmung
Raman Spektroskopie zur qualitativen Bestimmung der a-Si / µc-Si Anteile
Raman und FTIR an a-Si IPF-Schichten via Universität Konstanz und einem externen
Industriepartner
Elektrische Charakterisierung,
Messungen der intrinsischen Leitfähigkeit der verwendeten Si-Pulver und deren
Ausgangsmaterialien (z. B. p-dotierte Wafer mit ρ ≈ 0.25 Ωcm, d ≈ 260 µm, ca. 60 g
gemörsert IPF zum Klassieren und Beschichten)
Bestimmung der hell/dunkel Leitfähigkeiten der abgeschiedenen Si-Schichten
Eine Literaturstudie zeigte auf, dass noch keine Veröffentlichungen zur Kombination von Si-
Pulver und Mikrowellen-Plasma für Photovoltaik-Anwendungen existieren.
Weiterhin wurden Teilstudien zur Eignung von transparenten leitfähigen Oxiden (TCO) und
Glassubstraten und beschichteten Glassubstraten durchgeführt.
Optische Simulationen* und Reflexions- und Transmissionsmessungen an a-Si Schichten
auf Glas, Al-Spiegeln und mc-Si Substraten, die am iPF und bei Dr. Laure Plasma
Technologie GmbH abgeschieden wurden, wurden durchgeführt.
*Simulation von a-Si bzw. mc-Si Schichten auf Glassubstraten, Optische Eigenschaftsprofile
R/T/A der Schichtsysteme wurden mit der Software Optical durchgeführt, d.h. an:
Luft – Glas – a-Si – Luft oder TCO(1) – p-Si – i-Si – n-Si -Metallelektrode/TCO(2)
28

Figur 2.12: Simulierte (oben und gemessene Reflexionsspektren von dünnen a/µc-Si Filmen.
Basierend auf diesen Simulationsergebnissen wurde die optische Charakterisierung von aSi
und a/µcSi Schichten, wie sie bei Dr. Laure Plasma Technologie GmbH und am iPF auf Glas
und auf mcSi-Wafern mittels DC- und MW-Plasmen abgeschieden wurden durchgeführt
Es konnten aSi, aber auch Mischschichten aus aSi/µcSi optisch identifiziert und mittels
optischer Reflexions-, Transmissions- und Raman Messungen spezifiziert werden. Durch die
Analysen der Herstellungsbedingungen und der Zuordnung der Prozessparameter zu den
Messergebnissen konnten Parametersätze zur definierten Schichtherstellung abgeleitet
werden.
Es wurden weiterhin die Defektdichten N d an ausgewählten aSi-Schichten bestimmt über
Messungen der optischen Absorption im nahen IR-Bereich bei ca. E = 1.2 eV (d.h. bei ca.
λ = 1030 nm). Die Ergebnisse zeigten mit aktuell erreichten N d = 8-12x10 16 /cm 3 , dass sie nur
ca. 50 % über der Zielgröße von N d = 8x10 16 /cm 3 liegen.
Bis dato konnte an intrinsischen i-aSi Schichten auf Glas (messtechnisch eingeschränkt, da
nur längs zur Schichtausdehnung gemessen werden konnte) nur eine untere Grenze des
spezifischen Widerstands von ρ > 10 6 Ωcm (Ziel: ρ ≈ 10 12 Ωcm) bestimmt werden.
Die Leitfähigkeiten müssen zukünftig quer zur Schicht bestimmt werden und das bedingt
eine leitfähige untere Elektrode (TCO) auf der Substratseite von dichten, d. h. keine Löcher,
Poren, Partikel aufweisenden aSi Schichten.
2.4 Methodik bei den Versuchen
In der Anfangsphase des Projekts wurden zwei alternative Hochleistungsplasma
Technologien, die bereits industriell vom Projekt-Partner Dr. Laure Plasma Technologie
GmbH eingesetzte Gleichstromplasmatechnik und die neu zu entwickelnde
Mikrowellenplasmatechnik evaluiert und für Testbeschichtungen von photovoltaisch aktiven
intrinsischen und dotierten Si-Schichten angepasst bzw. weiterentwickelt. Erstere diente
dazu prinzipiell die Eignung und Grenzen von Plasma Beschichtungsverfahren aufzuzeigen,
letztere die großflächige und kostengünstige Abscheidung für photovoltaisch einsetzbare
dünne Si-Schichten zu optimieren hinsichtlich Homogenität, Reinheit, Abscheideraten, etc.
und gegebenenfalls beide Techniken zu einer Hybrid-Plasmatechnologie zu vereinen. Die
erzeugten Si-Schichten wurden hinsichtlich ihrer Mikrostruktur, Homogenität, elektrischer,
optischer Eigenschaften charakterisiert um die vorgegebenen Projekt-Meilensteine zu
erreichen.
29

2.5 Charakterisierungen
Die Charakterisierung der Plasmen wurde direkt online während der Prozessführung zur Si-
Schichtabscheidung bei Dr. Laure Plasma Technologie GmbH und am IPF durchgeführt.
Die erzeugten Schichten wurden bei den Partnern vor Ort und detailliert am ISC
charakterisiert.
Die verwendeten Si-Pulver als Ausgangsmaterialien wurden bei EADS Deutschland GmbH
am ISC und am IPF hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften, der Partikelgröße und
deren Verteilung charakterisiert.
Die zum Einsatz gekommenen Methoden sind nachfolgend gelistet. Ergebnisse dazu sind in
den jeweiligen Beiträgen der Partner beschrieben.
Plasmacharakterisierung:
Optische Emissionsspektroskopie (XPS) zur Plasma Charakterisierung
Atom- (an H, Ar, Si) und Molekülspektroskopie (an Rotationsbande des OH-Radikals bei
310 nm) der Plasmen zur Bestimmung von Temperatur und Elektronendichte.
Schichtcharakterisierung
Optische Charakterisierung der abgeschiedenen Si-Schichten durch optische Messungen
(R/T Absorption) zur Bestimmung von aSi/µcSi-Anteil, E gap und N d , Schichtdicke und
Brechungsindex n bzw. Extinktionskoeffizient k.
Raman-Spektroskopie zur Bestimmung der aSi / µc-Si Anteile.
Elektrische Charakterisierung der Si-Schichten, insbesondere der elektrischen Leitfähigkeit
ESCA: Chemische Analyse der Si-Schichten mit Photoelektronenspektroskopie
FTIR Untersuchungen zur Reinheit der abgeschiedenen Si-Schichten
REM Untersuchungen zur Si-Schichtanalyse insbesondere der Mikro-Struktur
Pulvercharakterisierung:
REM Untersuchungen zur Si-Pulver Charakterisierung
Elektrische Charakterisierung der verwendeten Si-Pulver
2.6 Unerwartete Probleme und deren Lösungen
- Die Leistungserhöhung der DC-Plasmaanlage von 45 kW auf 100 kW bei Dr. laure Plasma
Technologie GmbH war notwendig, um genügend Si-Pulver für Beschichtungsflächen größer
100 cm 2 in die Gas- bzw. Plasmaphase zu bringen.
- Es stellte sich heraus, dass eine hohe Wechselwirkung der Beschichtungspartikel im MW-
Plasma während der Abscheidung auf das Substrat zu porösen Si-Schichten führte. Eine
grundlegende Modifikationen der MW-Plasmaanlage des IPFs in einen Bereich für die
Pulverzufuhr mit hohem Druck (bis 300 mbar), um genügend Si Pulver-Material im Plasma
zu verdampfen und ionisieren und in einen Beschichtungsbereich mit relativ niedrigen Druck
(0.1-1 mbar) und daraus resultierenden langen mittleren freien Weglängen der Si-Atome
bzw. Ionen für die Materialabscheidung.
- Realisieren möglichst hoher Gasdurchsätze, bei gleichzeitig zu erreichenden relativ
niedrigen Plasmadrücken. Das heißt, es musste ein leistungsstarkes Pumpsystem vom IPF
gefunden bzw. installiert werden. Die Vorgehensweise war zuerst das Pumpsystem zeitlich
begrenzt in der Erprobungsphase bei Dr. Laure Plasma Technologie GmbH zu verwenden,
um dann wieder ans IPF zurück zukehren und das universitätseigene System zu nutzen
- H 2 -Bereitstellung für die MW-Experimente des IPFs.
30

Wegen sicherheitstechnischer Bedenken musste ein entsprechendes H 2 -System mit
entsprechenden Sicherheitseinrichtungen am IPF installiert werden.
Auch hier war das Vorgehen zuerst bei Laure die H 2 -Einrichtung zu nutzen, um dann wieder
ans IPF zurück zu kommen
3. Zusammenarbeit der Verbundpartner
3.1 Verbundkoordinator ISC Konstanz
Roadmap und Ziele der Forschung und Entwicklung am ISC Konstanz
Das ISC Konstanz beschäftigt sich ausschließlich mit auf Silizium basierten
Solarzellenkonzepten und
mit solchen, die das Potential besitzen, in die Industrie transferiert zu werden. Dabei
fokussieren wir uns auf Solarzellen mit großen Flächen von 156x156mm2. Die momentan
erzielten Wirkungsgrade solcher Solarzellen liegen für monokristalline Si Solarzellen bei
19,4% und für multikristalline Si Solarzellen bei 17,1%. Kurz- und mittelfristig plant das ISC
Konstanz durch die Optimierung der Standardzellen die Wirkungsgrade um ca. 0,5% absolut
zu steigern. Längerfristig sollen Wirkungsgrade auf sehr dünnen Substraten von 100 µm
(momentan ca. 200 µm) auf über 20% gesteigert werden.
Roadmap und Ziele des Instituts ISC Konstanz
Das ISC Konstanz ist ein Forschungsinstitut im Bereich kristalliner Silizium (Si) Solarzellen
und Module. Wir zählen zu den 5 angesehensten Instituten weltweit, die im Bereich der Si
Industrie-Solarzellen forschen. Wir beschäftigen zur Zeit 43 Mitarbeiter die sich damit
auseinandersetzen Solarzellen effektiver und kostengünstiger herzustellen. Das ISC
Konstanz befindet sich seit Gründung in einer Wachstumsphase und so planen wir im Jahr
2011 bereits ca. 50 Beschäftigte zu haben.
Roadmap und Ziele für weitere Bereiche - die Verbreitung der Photovoltaik
Zusätzlich zur Forschung und Entwicklung im wissenschaftlichen Bereich hat sich das ISC
Konstanz zum Ziel gesetzt die Photovoltaik zu verbreiten, d.h. sowohl Experten auszubilden,
Praktikanten zu trainieren, Schulklassen zu Informieren, Seminare und Vorträge zu halten
aber auch aktive Entwicklungshilfe zu betreiben, indem wir Solarzellen aus der Forschung in
Entwicklungsländern zum Einsatz bringen.
Unser erstes Projekt SLAK in Kamerun war extrem erfolgreich. Deshalb planen wir unsere
Entwicklungszusammenarbeitsaktivitäten auszubauen und Projekte zusammen mit dem
BMZ (Bundesministerium für Zusammenarbeit) und anderen öffentlichen Projektträgern wie
MIMRESI (Ministerium für Forschung und Entwicklung, Kamerun) durchzuführen.
Somit bringt das ISC KN e. V. einen hohen Grad an Expertenwissen und
Technologiekenntnis mit, um die Wertschöpfungskette vom Konzept über die
Materialentwicklung und Charakterisierung bis hin zur Realisierung einer Si-basierten
Dünnschicht Solarzelle.
3.2 Verbundpartner IPF Universität Stuttgart
Die wissenschaftlichen Beiträge des Instituts für Plasmaforschung der Universität Stuttgart
sind drei Schwerpunkten gewidmet: Die fusionsorientierte Plasmaphysik leistet wichtige
Beiträge bei Entwicklung und Anwendung von Millimeterwellen für Heizung, Diagnostik und
Stabilisierung von Hochtemperaturplasmen. Dazu gehören sowohl technologische Beiträge
zur Übertragung höchster Leistungen bei sehr hohen Frequenzen, als auch die Beteiligung
an Plasmaexperimenten mit diesen Wellen. Partner des IPF auf diesem Gebiet sind das
Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Garching sowie das Forschungszentrum Karlsruhe.
Die Abteilung Plasmadynamik und Plasmadiagnostik führt experimentelle und theoretische
Untersuchungen zu den Grundlagen von magnetohydrodynamischen Instabilitäten,
elektromagnetischen Wellen und dem turbulenten Transport in magnetisch
eingeschlossenen Plasmen durch. Als Diagnostiken werden Sonden und Laser eingesetzt
und methodisch weiterentwickelt. Die Experimente werden hauptsächlich am institutseigenen
Torsatron-Experiment TJ-K, aber auch am Tokamak ASDEX Upgrade am Max-Planck-
31

Institut für Plasmaphysik in Garching durchgeführt. Zum Zweck der Auswertung und der
Interpretation der Daten werden Computersimulationen und moderne Datenanalyseverfahren
eingesetzt. Ein drittes Gebiet ist die Untersuchung von Niedertemperaturplasmen und deren
Anwendungen in der Plasmatechnologie. Untersucht werden Grundlagen zur
Wechselwirkung von reaktiven Niedertemperaturplasmen mit Oberflächen. Dazu gehören die
Plasma-Aktivierung von Oberflächen und die plasmagestützte Abscheidung neuartiger
dünner Schichten. Mit Partnern aus der Industrie entwickelt das IPF Plasmaquellen und
Verfahren im Hoch- und Niederdruckbereich für die Sterilisation bzw. Beschichtung von
Verpackungsmaterialien, Textilien, neuartigen Werkstoffen, Solar- und Brennstoffzellen.
Weitere langjährige Erfahrungen liegen bei der Diagnostik von Plasmen mit optischer
Emissionsspektroskopie und Langmuirsonden vor. Hierfür stehen eine Reihe von
Spektrometern vom UV bis VIS mit unterschiedlichen Auflösungen zur Verfügung. Ziel ist es,
die reaktiven Teilchen mit möglichst hoher räumlicher und, wenn notwendig, auch mit
zeitlicher Auflösung zu analysieren. Hieraus können unter anderem die fundamentalen
Plasmaparameter, wie Gastemperatur Elektronendichte und -temperatur bestimmt werden.
3.3 Verbundpartner Dr. Laure Plasma Technologie GmbH
Die Dr. Laure Plasma Technologie GmbH entwickelt und vertreibt Verfahren und Anlagen zur
plasmagestützten Oberflächenbehandlung. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der
Beschichtung von Bauteilen. Wesentliche Ziele sind die Erhöhung der
Beschichtungsgeschwindigkeit und die Vergrößerung der Beschichtungsfläche für bekannte
Beschichtungen und Schichtsysteme. Außerdem wird die Entwicklung neuer Schichtsysteme
verfolgt.
3.4 Verbundpartner Muegge Electronic GmbH
Die Firma Muegge Electronic GmbH hat einen wesentlichen und entscheidenden Beitrag zur
Entwicklung des Mikrowellenplasmabrenners, diverser Mikrowellenkomponenten dazu und
dem Einbinden der Mikrowellenausstattung in den Plasmabrenner für das iPF erbracht, der
den anfangs veranschlagten finanziellen Betrag sogar übersteigt.
Durch die hohe fachliche Kompetenz konnte die Optimierung des MW-Plasmabrenners und
seine Leistungserhöhung entscheidend vorangetrieben werden.
3.5 Verbundpartner Paradigma Energie- und Umwelttechnik GmbH & Co. KG (ex.
Paradigma)
Seit mehr als 20 Jahren entwickelt und vertreibt Paradigma thermische Solaranlagen u. a.
mit effizienten Vakuumröhren-Solarkollektoren, umweltfreundliche Pelletheizungen sowie
moderne Gas-Brennwertkessel. Paradigma als Hersteller arbeitet dabei eng mit bundesweit
850 Handwerkern und Installateuren aus der Solartechnik und dem Heizungsbau
zusammen. Die Systempartner übernehmen die Beratung, informieren über die besten
Fördermittel und sorgen für eine schnelle Montage und Wartung der Solarthermie - und
Heizungs-Anlagen.
3.6 Verbundpartner Ritter Solar GmbH & Co. KG
Das im baden-württembergischen Dettenhausen bei Tübingen beheimatete Unternehmen
Ritter Solar ist Hersteller von hocheffizienten Vakuum-Röhrenkollektoren mit und ohne CPC-
Reflektoren. Hauptgesellschafter ist Alfred T. Ritter, der ebenso bekannt ist durch seine
Schokoladenfabrik, als auch durch viele verschiedene umweltrelevante Engagements.
Durch qualitativ hochwertige Solarprodukte, kombiniert mit hoher Effizienz und Montagefreundlichkeit,
etablierte sich Ritter Solar rasch zum größten deutschen Hersteller von
Vakuum-Röhrenkollektoren. Die namhaftesten Solaranbieter Europas zählen mittlerweile zu
unseren Kunden
32

Ritter Solar ist heute Ideenschmiede für innovative High-tech Vakuum-Röhrenkollektoren.
Produktoptimierung und technische Innovation stehen im Brennpunkt unserer
Firmenphilosophie.
In der vollautomatisierten Fertigung mit einer Produktionsfläche von über 9000 m 2 und einem
modernen Maschinenpark, verfügt Ritter Solar über ausreichend Kapazitäten, um namhafte
Systemanbieter und Großabnehmer mit Hightech-Kollektoren versorgen zu können
Im folgende werden die von der Rittergruppe erbrachten Eigenleistungen umrissen:
Unterstützung bei der Beschaffung von Vakuumpumpen für IPF-Versuche bei Laure, den
Vergleich von Pumpen chinesischer und deutscher Bauart zur Verwendbarkeit der
chinesischen Maschinen für PV-Anwendungen. Bereitstellung von Personal für die
Abwicklung der Beschaffung Export in China/Import in Deutschland (in Deutschland und in
China) und für Montage-, Schweiß- und Nacharbeiten beim Aufbau des Pumpsystems für die
IPF-Versuche bei Laure.
Recherche zur Ölauswahl, da chinesische Vakuum-Öle evtl. problematisch beim Einsatz für
PV-Anwendungen wg. des Dampfdrucks sein könnten, d. h., Verschmutzen der Si-Schichten
durch Öldämpfe, Minimieren der Explosionsgefahr bei der Bildung von Silanen speziell bei
der Verwendung von Sand als Beschichtungsrohstoff
Weiterhin wurden Sicherheitskriterien festgelegt, Versuchsreihe zum Verhalten des
gewählten Vakuumöls in kritischen Plasmen durchgeführt und ein Massenspektrometer für
den Einsatz an der Plasmaanlage angepasst über Umbauten von Blende, Einlasssystem,
Tankadapter. Probemessungen und Gasanalyse im Vakuumtank vor der Beschichtung.
Als Sachleistungen wurden Massenspektrometer, Druckmeßgeräte, Durchflußregler,
Transmissionspektrometer beschafft und beigestellt für die IPF-Versuchsreihen.
3.7 Verbundpartner EADS Deutschland GmbH
Aufgrund der sehr hohen fachlichen Kompetenz der EADS Deutschland GmbH hinsichtlich
Pulveraufbereitung und Simulation und Charakterisierung von Plasmen wurden folgende
Themen bearbeitet.
Mahlen von intrinsischem und dotiertem Si zu diversen Si-Pulvern und Pulverspezifizierung
und Charakterisierung bzgl. Reinheit, etc. durchgeführt.
EADS stellte die gemahlenen Si Pulver der Dr. Laure Plasma Technologie GmbH und dem
iPF zur Verfügung.
Des Weiteren wurden Simulationen zum und Charakterisierungen des Plasmas durchgeführt
und für die Optimierung des Plasmabeschichtungsverfahrens an die Projektpartner
weitergegeben.
4. Arbeitsplan und Meilensteine des Projekts
Projektkoordination
Neben der Projektkoordination als „federführendes Institut“ konnte mit gezielten Aktivitäten
am ISC KN e. V. zur optischen und elektrischen Charakterisierung der abgeschiedenen
Silizium Schichten ein aktiver Beitrag zum Projekt geleistet werden.
Weiterhin wurde eine kostenneutrale Projekt-Verlängerung von vier Monaten bis Ende 2010
beantragt und durchgeführt
Nach Projektplan waren im gesamten Projektzeitraum die Arbeitspunkte 1 bis 4 und 6 und 8
aktiv. AP7 ging zwar einher mit AP6, wurde aber, nachdem sich die n-aSi – i-aSi - p-aSi
Schichtstrukturen nicht mehr im Projektzeitrahmen realisieren ließen, nicht weiter
angegangen.
Der AP5 Aufbau einer Hybridanlage wurde nicht realisiert, da die zu Verfügung gestandenen
Plasmaleistungen, sowohl von der DC- als auch von der MW-Technologie genügen hoch
waren, um eine homogene und schnelle Abscheidung von Si-Schichten auf Testsubstraten
33

von bis zu 20 cm x 20 cm zu realisieren. In letzten Drittel wurde sich vornehmlich auf die im
Projekt neu entwickelte 915 MHz MW-Technologie konzentriert.
AP1 Projektkoordination
AP2 Gleichstrom- und induktiv erzeugte Plasmen
AP3 Mikrowellentechnologie
AP4 Plasma - Charakterisierung
(AP5 Aufbau der Hybridanlage)
AP6 Erzeugung und Diagnostik von amorphem Silizium
(AP7 Erzeugung und Diagnostik von µc Si und SiC)
AP8. Umfangreiche Veröffentlichung, etc.
Im Berichtszeitraum wurden neun Projekttreffen durchgeführt:
1: 11.10.2007, Kick-off, an der Uni Stuttgart, IPF, Pfaffenwaldring 31, D-70569 Stuttgart
2: 03.04.2008 bei Dr. Laure Plasma Technologie GmbH, 70794 Filderstadt
3: 10.10.2008 am ISC Konstanz e.V., Rudolf-Diesel-Str. 15, D-78467 Konstanz
4: 20.04.2009 bei Ritter Solar GmbH & Co KG, Kuchenäcker 1, 72135 Dettenhausen
5: 29.09.2009 bei EADS Deutschland GmbH in Taufkirchen/Ottobrunn
6: 07.12.2009 bei Dr. Laure Plasma Technologie GmbH, 70794 Filderstadt
7: 12.04.2010 an der Uni Stuttgart, IPF, Pfaffenwaldring 31, D-70569 Stuttgart
8: 09.07.2010 am ISC Konstanz e.V., Rudolf-Diesel-Str. 15, D-78467 Konstanz
9: 06.12.2010 an der Uni Stuttgart, IPF, Pfaffenwaldring 31, D-70569 Stuttgart
An diesen Treffen wurde der aktuelle Projektverlauf detailliert aufgeschlüsselt, die bereits
erreichten und die zukünftigen Arbeitsziele durch und mit allen beteiligten Projektpartnern
präsentiert, diskutiert, bewertet und die weitere Vorgehensweise festgelegt. Siehe dazu auch
die Protokolle der einzelnen Projekt-Treffen und die entsprechenden Präsentationen dazu.
Aktivitäten und Zusammenarbeit im Verbundprojekt
Art der Aktivität
Häufigkeit der Teilnahme
Projekt-Treffen
Erfahrungsaustausch
Anlagenaufbau vom IPF bei Dr. Laure
und deren Betreiben
Bilaterale Treffen zw. den einzelnen
Projektpartnern
Gemeinsame Konferenzbesuche mit
Präsentationen der Ergebnisse
Neun Projekttreffen, d.h. ca. alle 4-6 Monate
Je nach Bedarf; telefonisch wöchentlich, durch
persönliche Kontakte zw. IPF, ISC und den
Industriepartnern.
Mehrere Monate Dauer
Mehrmals pro Jahr
2xEUPVSEC (2009 Hamburg, 2010 Valencia);
DPG-Frühjahrstagung Greifswald 2009
Meilensteine
Angestrebter Meilenstein M1 nach 15 Monaten (11-2008):
Aufbau der Einzelanlagen (DC-und induktiv erzeugtes Plasma sowie Mikrowellenbrenner)
sind abgeschlossen. Erste a-Si-basierte Schichten können abgeschieden werden.
Der Aufbau der Plasmabeschichtung-Einzelanlagen (Meilenstein M1 wurde nach 15
Monaten erreicht), DC und induktiv erzeugtes Plasma, sowie Mikrowellenbrenner, wurden ja
bereits im 10/2008 abgeschlossen und es konnten damit a-Si-basierte Schichten via DC-
Technologie abgeschieden werden. Seit 08/2009 werden aSi/µcSi Schichten nun auch auf
10cm x 10cm grossen Glassubstraten mittels MW-Plasma abgeschieden.
34

Angestrebte Meilenstein M2 nach 24 Monaten (10-2009)
Die a-Si Schichten sind im Hinblick auf photovoltaische Anwendungen optimiert und erfüllen
die folgenden optoelektronischen Bedingungen:
Amorphe Si - Dünnschichten i-Schicht / n-Schicht / p-Schicht
Leitfähigkeit [S cm -1 ] ~ 10 -12 / > 1 * 10 -2 / > 1 * 10 -7
Tauc-Gap bzw. Energie bei α = 10 3.5 cm -1 [eV] 1.72-1.75 / 1.72-1.75 / 1.85-1.90
Defektdichte in der Bandmitte [cm -3 ] < 8 * 10 -16
Urbach-Tail [meV] < 55
Wasserstoffkonzentration [%] ~ 10
Diskussion von Milestone M2, mit Abschlussdatum („Deadline“) 10/2009.
Es konnte die Defektdichte an diversen dünnen intrinsischen, d. h. iSi amorphen Si
Schichten auf Glassubstraten bestimmt werden über Messungen der optischen Absorption
im IR-Bereich bei ca. E = 1.2 eV (d.h. bei ca. λ ≈ 1030 nm). Sie liegt für die besten
untersuchten Plasma hergestellten Proben bei 8 – 10 x 10 16 /cm 3 , somit konnte die Zielgröße
für die Defektdichte von 8 x 10 16 /cm 3 erreicht werden.
Weiterhin wurde über die experimentell bestimmte optische Absorption die Bandlücke der
aSi-Schichten bestimmt, Es ergaben sich, je nach eingestellten Beschichtungsparametern,
Werte für E gap von 1.3 eV - 2.2 eV. Für einzelne aSi Schichten wurde die Zielgröße der
Bandlücke von 1.7 - 1.75 eV schon erreicht.
Die Herstellung von nSi und pSi Pulvern und deren Verwendung in der Plasma Kammer zur
Schichterzeugung konnte für einzelne Testläufe mit p-Si umgesetzt werden. Weitere
Charakterisierungsschritte waren in Planung.
Zum Ende des Projekts waren die technischen Voraussetzungen gegeben für die
Abscheidung einer Dünnschicht-Solarzellen-Teilstruktur bestehend aus:
Glassubstrat - TCO-Elektrode – pSi – iSi – Elektrode.
Die Si-Pulver müssen jedoch noch ausführlicher dafür untersucht und angepasst werden.
5. Veröffentlichungen
Es entstanden im Projekt PlasSol 7 (+2 PT15-Beiträge im Jahr 2011) Veröffentlichungen.
• Dennis Kiesler, Martina Leins, Matthias Walker, Andreas Schulz und Ulrich Stroth,
Untersuchungen zur Skalierbarkeit eines Mikrowellenplasmabrenners bei
Atmosphärendruck von 2.45 GHz auf 915 MHz Frühjahrstagung Sektion
Plasmaphysik Darmstadt 10. - 14.03.2008
• Jochen Kopecki, Dennis Kiesler, Martina Leins, Andreas Schulz, Matthias Walker,
Klaus-Martin Baumgärtner, Horst Mügge, Ulrich Stroth, Untersuchung einer
großvolumigen Mikrowellenplasmaquelle bei 915 MHz, 14. Fachtagung Plasmatechnologie
- PT14, Wuppertal, 2. - 4. März 2009
• Jochen Kopecki, Dennis Kiesler, Martina Leins, Andreas Schulz, Matthias Walker,
Klaus-Martin Baumgärtner, Horst Mügge, Ulrich Stroth
Untersuchung einer großvolumigen Mikrowellenplasmaquelle bei 915 MHz DPG-
Frühjahrstagung Sektion Plasmaphysik Greifswald 30.03. - 02.04.2009
• J. Glatz-Reichenbach, K. Peter, J. Kopecki, A., Schulz, M. Walker, S. Laure,
Application of high efficiency plasma technology for large area and thin film a-Si / mc-
Si solar cells, Proceedings of the 24 th EU PVSEC, Hamburg (Germany), 2009
• J. Kopecki, D. Kiesler, M. Leins, A. Schulz, M. Walker, U. Stroth, Investigations of a
novel plasma torch at 915 MHz, Proceedings of the 36 th EPS Conference on
Plasma Physics, Sofia (Bulgaria), 2009
• J. Kopecki, A. Schulz, M. Walker, J. Glatz-Reichenbach, K. Peter, U. Stroth. Plasma
Spraying Technique for the Deposition of a-Si/µc-Si, Proceedings of the 25 th EU
PVSEC, Valencia (Spain), 2010
35

• J. Kopecki, D. Kiesler, L. Leins, A. Schulz, M. Walker, U. Stroth, H. Mügge,
Investigations of a high volume atmospheric plasma torch at 915 MHz, PSE 2010:
Twelfth International Conference on Plasma Surface Engineering in Garmisch-
Partenkirchen, 13. - 17. September 2010
• J. Kopecki, A. Schulz, M. Walker, H. Mügge, M. Kaiser, J. Glatz-Reichenbach, K.
Peter und U. Stroth, Entwicklung eines pulverbasierten Abscheideprozesses von
amorphen Silizium, Posterbeitrag zur 15. Fachtagung für Plasmatechnologie (PT15)
vom 28.2-2.3.2011 in Stuttgart
• J. Glatz-Reichenbach, K. Peter, J. Kopecki, A. Schulz, M. Walker, Optische
Charakterisierung dünner PV-aktiver α/µc-Si-Schichten, Posterbeitrag zur 15.
Fachtagung für Plasmatechnologie (PT15) vom 28.2-2.3.2011 in Stuttgart
Insbesondere durch die Poster-Präsentationen im Rahmen der 24 th und 25 th European
Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition (EU PVSEC) vom 21.-24. September
2009 in Hamburg und 6.-10. September 2010 in Valencia und der jeweils dreiseitigen
referierten Veröffentlichungen, konnten einer breiten Photovoltaik Expertengemeinde die
PlasSol Projektergebnisse näher gebracht und die Zusammenarbeit im PlasSol Konsortium
eingehend aufgezeigt werden.
Abstrakt zur Frühjahrstagung Sektion Plasmaphysik Darmstadt 10. - 14.03.2008, - P II.4 Di 11:00 Poster C3
Untersuchungen zur Skalierbarkeit eines Mikrowellenplasmabrenners bei
Atmosphärendruck von 2,45 GHz auf 915 MHz
— •Dennis Kiesler, Martina Leins, Matthias Walker, Andreas Schulz und Ulrich Stroth
Institut für Plasmaforschung, Universität Stuttgart, D-70569 Stuttgart
Plasmen bei Atmosphärendruck sind für die Plasmatechnologie eine interessante Alternative
zu den oft gebräuchlichen Niederdruckplasmen.
Für 2,45 GHz wurde bereits ein selbstständig zündendes System auf Resonatorbasis
entwickelt und erfolgreich bei Anwendungen eingesetzt. Der Einsatzbereich ist aber über die
Größe des Resonators und die zur Verfügung stehende Leistung der Mikrowellenquelle bei
2,45 GHz begrenzt. Die Größe des Resonators und damit des Plasmas kann durch
Verwenden einer kleineren Frequenz von 915 MHz erweitert werden. Mit FEM-Simulationen
der Feldverteilung wurde überprüft, ob eine lineare Skalierung auch bei den komplizierteren
realen Geometrien anwendbar ist. Es konnte gezeigt werden, dass es sich nicht nur um
einen reinen Zylinderresonator handelt, sondern dass für die Zündung vor allem die
Resonanz im koaxialen Teil am Boden des Brenners entscheidend ist. Während die Felder
linear skalieren, muss untersucht werden wie sich die Eigenschaften des Plasmas
verändern. Hierzu werden Kenntnisse über Gastemperatur sowie Elektronendichte und –
temperatur benötigt. Es werden erste Messungen mit optischer Emissionsspektroskopie
vorgestellt.
Bei diesem Projekt handelt es sich um einen Forschungsauftrag des Landes Baden-
Württemberg, der aus Mitteln der Landesstiftung Baden-Württemberg gGmbH finanziert wird.
36

Abstrakt zum Beitrag zur 14. Fachtagung Plasmatechnologie - PT14, Wuppertal, 2. - 4. März 2009
Untersuchung einer großvolumigen Mikrowellenplasmaquelle bei
915 MHz
Ausgangspunkt dieser Arbeit war die Skalierung eines bestehenden selbstzündenden
Mikrowellen-Plasmabrenners von 2,45 GHz auf 915 MHz [Leins]. Die Größe des Resonators
und des Plasmavolumens konnte durch die Verwendung der kleineren Frequenz deutlich
gesteigert werden. Außerdem stehen bei 915 MHz leistungsstarke Mikrowellenquellen zur
Verfügung. Somit lassen sich große Gasflüsse (> 30 m 3 /h) realisieren, wodurch die Quelle
für industrielle Anwendungen interessant wird. Ein Beispiel ist die Behandlung von kritischen
Abgasen wie CF 4 , NF 3, SF 6 und C 2 F 6 bei Atmosphärendruck. Eine untersuchte Anwendung
findet sich im Plasmaspritzverfahren, dem Beschichten mit Pulver als Ausgangsmaterial. Ein
großer Vorteil gegenüber herkömmlichen Verfahren mit Plasmajets ist die elektrodenlose
Energieeinkopplung dieser Quelle. Dadurch lässt sich sicherstellen, dass nur das
eingeblasene Material ohne zusätzliche Verunreinigungen abgeschieden wird und die
Standzeit der Quelle deutlich länger ist.
Um die Anwendbarkeit zu prüfen, wurde die Gastemperatur von synthetischer Luft mit Hilfe
optischer Emissionsspektroskopie radial sowie axial vermessen. Die Kerntemperatur des
Plasmas konnte zu ca. 3500 K bestimmt werden und ist damit ausreichend hoch, um die
meisten Materialien zu verdampfen. Für weitere Versuche wurde der Plasmabrenner an eine
Vakuumanlage adaptiert, um den Umgang mit kritischen Gasen und Pulvern zu ermöglichen.
Erste Versuche zeigten, dass es möglich ist Silizium-Pulver mit Hilfe eines Plasmas in
atomare Form überzuführen und damit siliziumhaltige Schichten auf einem Glas-Substrat
abzuscheiden. Es werden Versuche mit unterschiedlichen Gasarten vorgestellt.
Abb. 1: Links der Plasmabrenner bei Atmosphärendruck, rechts Blick in den
Resonator bei Niederdruck mit eingeblasenen Silizium-Partikeln
[Leins] M. Leins et al., IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 36, no. 4, pp. 982-983,
2008
Jochen Kopecki 1 , Dennis Kiesler 1 , Martina Leins 1 , Andreas Schulz 1 , Matthias Walker 1 ,
Klaus-Martin Baumgärtner 2 , Horst Mügge 2 , Ulrich Stroth 1
1 Institut für Plasmaforschung, Universität Stuttgart, Stuttgart
2 Muegge Electronic GmbH, Reichelsheim
Jochen.Kopecki@ipf.uni-stuttgart.de
37

Abstrakt zum Beitrag für die DPG-Frühjahrstagung Sektion Plasmaphysik, Greifswald 30.03. - 02.04.2009
Untersuchung einer großvolumigen Mikrowellenplasmaquelle bei 915 MHz
Jochen Kopecki 1 , Dennis Kiesler 1 , Martina Leins 1 , Andreas Schulz 1 , Matthias Walker 1 , Klaus-Martin
Baumgärtner 2 , Horst Mügge 2 , Ulrich Stroth 1
1 Institut für Plasmaforschung, Universität Stuttgart, Stuttgart
2 Muegge Electronic GmbH, Reichelsheim
Jochen.Kopecki@ipf.uni-stuttgart.de
Ausgangspunkt dieser Arbeit war die Skalierung eines bestehenden selbstzündenden Mikrowellen-
Plasmabrenners von 2,45 GHz auf 915 MHz [Leins]. Die Größe des Resonators und des
Plasmavolumens konnte durch die Verwendung der kleineren Frequenz deutlich gesteigert werden.
Außerdem stehen bei 915 MHz leistungsstarke Mikrowellenquellen zur Verfügung. Somit lassen sich
große Gasflüsse (> 30 m 3 /h) realisieren, wodurch die Quelle für industrielle Anwendungen interessant
wird. Ein Beispiel ist die Behandlung von kritischen Abgasen wie CF 4 , NF 3, SF 6 und C 2 F 6 bei
Atmosphärendruck. Eine untersuchte Anwendung findet sich im Plasmaspritzverfahren, dem
Beschichten mit Pulver als Ausgangsmaterial. Ein großer Vorteil gegenüber herkömmlichen Verfahren
mit Plasmajets ist die elektrodenlose Energieeinkopplung dieser Quelle. Dadurch lässt sich
sicherstellen, dass nur das eingeblasene Material ohne zusätzliche Verunreinigungen abgeschieden
wird und die Standzeit der Quelle deutlich länger ist.
Um die Anwendbarkeit zu prüfen, wurde die Gastemperatur von synthetischer Luft mit Hilfe optischer
Emissionsspektroskopie radial sowie axial vermessen. Die Kerntemperatur des Plasmas konnte zu ca.
3500 K bestimmt werden und ist damit ausreichend hoch, um die meisten Materialien zu verdampfen.
Für weitere Versuche wurde der Plasmabrenner an eine Vakuumanlage adaptiert, um den Umgang
mit kritischen Gasen und Pulvern zu ermöglichen. Erste Versuche zeigten, dass es möglich ist
Silizium-Pulver mit Hilfe eines Plasmas in atomare Form überzuführen und damit siliziumhaltige
Schichten auf einem Glas-Substrat abzuscheiden. Es werden Versuche mit unterschiedlichen
Gasarten vorgestellt.
Abb. 1: Links der Plasmabrenner bei Atmosphärendruck, rechts Blick in den
Resonator bei Niederdruck mit eingeblasenen Silizium-Partikeln
[Leins] M. Leins et al., IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 36, no. 4, pp. 982-983, 2008
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Abstract submitted to the 24 th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Hamburg,
Germany, September 21-24 th 2009 Subject No. 3.2 Amorphous and Microcrystalline Silicon Solar Cells
Application of high efficiency plasma technology for large area and thin film
α-Si / µc-Si solar cells
J. Glatz-Reichenbach 1 , K. Peter 1 , J. Kopecki 2 , A. Schulz 2 , M. Walker 2 , S. Laure 3
1 International Solar Energy Research Center - ISC - Konstanz, Rudolf-Diesel-Str. 15, D-78467
Konstanz, Germany Phone: +49-7531-3618 351, e-mail: joachim.glatz-reichenbach@isc-konstanz.de
2 Institut für Plasmaforschung der Universität Stuttgart, Pfaffenwaldring 31, D-70569 Stuttgart
3 Dr Laure Plasma Technologie GmbH, Schwanenstraße 12, D-70329 Stuttgart
Abstract
Microwave and DC plasma jets as well as the combination of both are powerful thin film deposition
technologies which offer the potential of high growing rates up to 100 nm/s. In order to offer sufficient
Si material for large area and high rate deposition, the Si raw material is fed as powder into the
plasma chamber. Then the Si powder is consequently transferred by high energetic plasma interaction
from its solid to its molten state and finally into its atomic gas phase and furthermore ionized plasma
state. The application of such high power plasma technologies with integrated Si powder feeding
results in deposited (α-Si) and (µc-Si) layers on glass and Si-wafer substrates with experimentally
proofed growing rates of up to 25-100 nm/s across an area of 0.2 m x 0.2 m.
Purpose of the work
One main goal of the work is to reduce the production costs of solar silicon layers for thin film (TF)
photovoltaic (PV) applications. The potential of plasma methods like high power DC, microwave
heated plasma and a combination of both technologies was evaluated and will be adapted for the
utilization to create solar-active thin films of amorphous (α-Si) as well as micro-crystalline (µc-Si)
morphology. This new plasma technique will be first applied to deposit amorphous thin film silicon
layer systems (α-Si), for both intrinsic as well as p and/or n doped layers, respectively, and secondly in
a next step to create multi-layers of amorphous and/or microcrystalline silicon thin films.
Scientific innovation and relevance
The combination of the very robust DC thin film deposition plasma technology with an additional
contactless microwave or inductive energy in-coupling method enables an increase of the energy input
into the plasma and in parallel optimizes the overall system efficiency.
The second focus of the work is to use Si powder as a raw material source for feeding the plasma. For
sufficiently high plasma energies one can expect to transfer pure or already doped Si particles as fine
powder directly from its solid into its atomic state.
By this way one will hold in hand a powerful technology to get rid of the use of very clean and thus
rather expensive and nevertheless harmful process gases as silane (SiH 4 ), diborane (B 2 H 6 ),
phosphine (PH 3 ), etc. and mixtures out of them.
Approach and Results
In a first approach a high power hydrogen/argon DC plasma technique with a continuous power
consumption of up to 45 kW was used for the deposition of photovoltaic Si-layers in the thickness
range between 200 and 900 nm on temperature controlled glass plates and silicon-wafers as
substrates. In order to reduce the cost for highly purified reaction gases as silane (i.e. SiH 4 ) and
furthermore to increase the mass-flow into the plasma pure Si powder was used to feed the plasma
with Si to create and to maintain a Si/H 2/ Ar-plasma.
For this reason, the already ignited and burning H 2 /Ar plasma was continuously fed with a Si powder
flow of about 0.3 g/s, which resulted in growing rates of up to 65 nm/s of Si-layers on glass-substrates
over an area of 0.2 m x 0.2 m.
Measurements of the optical reflectivity by a Perkin Elmer UV-VIS-NIR Spectrometer Lambda 1050
show typical interference patterns of the thin Si-layers on glass substrates. The analysis of the
interference patterns and the comparison with results of simulations, leads to layer thicknesses
between 500 and 1300 nm.
The reflection spectra do not show the two reflection peaks as generic for c-Si at about 270 and 370
nm wavelengths. The absence of such a reflection fingerprint is an indication that the Si-layers as
deposited by “Si powder fed high power DC plasma” are of amorphous morphology.
Acknowledgement: This project is partly financially supported by Landesstiftung Baden-Württemberg gGmbH.
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Abstract of the contribution to the 36 th EPS Conference on Plasma Physics, Sofia (Bulgaria), 2009
Investigations of a novel plasma torch at 915 MHz
J. Kopecki, D. Kiesler, M. Leins, A. Schulz, M. Walker, U. Stroth
Institut für Plasmaforschung, Universität Stuttgart, D-70569 Stuttgart
Atmospheric pressure discharges are an important tool for technological applications due to
the easy and economic process integration. The atmospheric plasma torch previously
developed at IPF at a microwave frequency of 2.45 GHz was up-scaled to the frequency of
915 MHz [1]. The increased wavelength allowed an enlargement of the resonator based
plasma source, and thereby an extension of the plasma volume. This up-scaling is
proportional to λ 3 and results in an achievable gas throughput over 30 m 3 /h. Hence, the
plasma torch becomes interesting for industrial applications, e.g. the treatment of critical
exhaust gases like CH 4 and SF 6 .
A further possible application is the deposition process with powder as precursor, the so
called plasma spraying. A great advantage compared to common sources is the
electrodeless energy coupling of the microwave. This minimizes the contamination of the
coatings by the electrode material. The novel plasma torch and investigations of the plasma
parameters will be presented. Optical emission spectroscopy was carried out to determine
the neutral gas temperature profile. The temperature in the plasma core is about 3500 K and
therefore nearly all materials can be fused and vaporised by feeding them into the plasma
source. For a save handling of critical gases the plasma torch has been adapted to a closed
reaction chamber. In first experiments we successfully evaporate silicon powder in nitrogen
as well as in argon-hydrogen gas mixtures, which is demonstrated by measurements of
atomic silicon line radiation by optical emission spectroscopy. The properties of the
deposited coatings are heavily dependent on the substrate position and orientation. First
systematic studies of the deposited layers will be shown.
[1] M. Leins et al., IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 36, no. 4, pp. 982-983, 2008
Acknowledgement: This project is partly financially supported by Landesstiftung Baden-Württemberg gGmbH.
40

Abstract submitted to: 25 th EU PVSEC, Subj. No. 1: THIN FILM SOLAR CELLS, Subsec No. 3.2: Amorphous and
Microcrystalline Silicon Solar Cells
Title: Plasma spraying technique for the deposition of a-Si/µ-Si
Author: J. Kopecki
Institut für Plasmaforschung, Universität Stuttgart, Pfaffenwaldring 31, D-70569 Stuttgart
Phone: +49 711 / 685 - 6 – 2302, Fax: +49 711 / 685 - 6 – 3102, e-mail: jochen.kopecki@ipf.uni-stuttgart.de
Co-Autors: A. Schulz 1 , M. Walker 1 , U. Stroth 1 , J. Glatz-Reichenbach 2 , K. Peter 2 , S.
Laure 3
1 Institut für Plasmaforschung, Universität Stuttgart, Pfaffenwaldring 31, D-70569 Stuttgart
2 International Solar Energy Research Center - ISC - Konstanz, Rudolf-Diesel-Str. 15, D-78467 Konstanz
3 Dr Laure Plasma Technologie GmbH, Schwanenstraße 12, D-70329 Stuttgart
Purpose of the work
Microwave based plasma spraying is a powerful tool for the deposition of thin films with a
powder as precursor. Due to the electrodeless energy coupling this technique prevent the
deposited coating from electrode material like copper or tungsten, which is needed by
common plasma spraying sources. This advantage results in coatings with high purity which
is necessary for photoactive coatings like a-Si and µc-Si. Silicon powder is injected into a
microwave plasma torch, which melt on and evaporate the powder particles to the atomic
state.
The purpose of this work is to build up a high power microwave plasma device at 915 MHz in
order to get high deposition rates of a-Si and µ-Si with a low cost precursor.
Approach
A high power, up to 30 kW, atmospheric plasma torch was build up and adapted to a vacuum
chamber. The process gases are argon and hydrogen. In a first step intrinsic amorphous silicon
was deposited from silicon powder and characterized optical and by using XPS. The next step
is to use already doped silicon powder for the deposition of the p- and the n-layer. Finally, the
whole cell structure will be deposited by plasma spraying technique.
Scientific innovation and relevance
In order to reduce the costs of amorphous and micro crystalline silicon thin film solar cells a
new technique which is independent of the expensive precursor silane (SiH 4 ) will be
investigated. This technique enables at the same time high deposition rates due to the solid
precursor in combination with a high power plasma source.
Results
As a first result the set up of the new experiment will be presented. In the first experiments we
successfully evaporated silicon powder which was shown by measurements of the atomic Si
lines in the UV. Depending on parameters like the gas temperature of the plasma and the
deposition pressure different coating morphologies are generated and SEM as well as XPS
measurements are carried out.
Conclusion
Experiments proof the possibility to deposit amorphous silicon by using raw silicon powder
as a precursor. Intrinsic amorphous silicon was deposited and characterized.
This work is partly funded by the Landesstiftung Baden-Württemberg gGmbH.
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Abstrakt für: PSE 2010: Twelfth Inter. Conference on Plasma Surface Engineering in Garmisch-Partenkirchen, 13 -17. 09. 2010
PSE 2010: Twelfth International Conference on Plasma Surface Engineering
Topic specification: Atmospheric plasma sources
Presentation preference: Oral
Investigations of a high volume atmospheric plasma torch at 915 MHz
J. Kopecki 1 , D. Kiesler 1 , L. Leins 1 , A. Schulz 1 , M. Walker 1 , U. Stroth 1 , H. Mügge 2
1 Institut für Plasmaforschung, Universität Stuttgart, Pfaffenwaldring 31,D - 70569 Stuttgart
Tel.: +49 711 / 685 - 6 - 2302
Fax: +49 711 / 685 - 6 – 3102
e-mail: jochen.kopecki@ipf.uni-stuttgart.de
2 Muegge Electronic GmbH, Hochstraße 4-6, D - 64385 Reichelsheim
Atmospheric plasma discharges allow an easy and economic integration of plasma processes
and, hence, become an important tool for technological applications. In order to obtain a high
rate atmospheric plasma device, we scaled up our microwave plasma torch from 2.45 GHz to
915 MHz. This yields to an enlargement of the resonator based torch by a factor of 2.7 in each
dimension and thereby to an extension of the plasma volume by a factor of about 20.
Simulations of the device were carried out with CST Microwave Studio to optimize the
electric field in the resonator and enable an easy ignition of the plasma torch. The achievable
gas throughput is above 30 m 3 /h and plasma volumes of 2 litres are possible. The maximum
of the microwave power which was applied is 30 kW. Therefore the novel plasma torch
becomes interesting for industrial applications, such as the treatment of critical exhaust gases
like CF 4 and SF 6 or the decomposition of water vapour for plasma chemistry.
Optical emission spectroscopy was carried out in air as well as in hydrogen/argon plasmas to
determine parameters like the gas temperature, which are estimated by investigations of the
hydroxyl radical band system at 310 nm and the FWHM of H α, respectively.
The investigated application for the novel torch is the plasma spraying technique. This
technique relies on high temperature plasma devices, mostly arc plasmas, for melting up
powder particles to create coatings. The main advantage of our source is the electrodeless
energy coupling, which prevents the coating from contamination with the electrode material.
In first experiments, we successfully melted and evaporated silicon particles in nitrogen as
well as in argon/hydrogen gas mixtures. This can be shown by the observation of atomic
silicon lines by optical emission spectroscopy. We follow the melting particles in the plasma
with a high speed camera to learn about the plasma-particles interaction. The mechanism of
the energy transfer will be discussed.
This work is partly funded by the Landesstiftung Baden-Württemberg gGmbH.
Keywords: atmospheric plasma torch, microwave, OES, plasma spraying, silicon
Proposal for three referees:
42

Posterbeitrag zur 15. Fachtagung für Plasmatechnologie (PT15) vom 28.2-2.3.2011 in Stuttgart
ENTWICKLUNG EINES PULVERBASIERTEN ABSCHEIDEPROZESSES VON
AMORPHEN SILIZIUM
J. Kopecki 1 , A. Schulz 1 , M. Walker 1 , H. Mügge 2 , M. Kaiser 2 ,
J. Glatz-Reichenbach 3 , K. Peter 3 und U. Stroth 1
Kopecki@ipf.uni-stuttgart.de
1 Institut für Plasmaforschung, Universität Stuttgart, Pfaffenwaldring 31, 70569
Stuttgart, Deutschland
2 Roth & Rau Muegge GmbH, Hochstr. 4-6, 64385 Reichelsheim, Deutschland
3 ISC Konstanz, Rudolph-Diesel-Str. 15, 78467 Konstanz, Deutschland
Amorphes Silizium wird als Halbleiter sowohl in der Photovoltaik als auch in der
Bildschirmtechnik eingesetzt. Hierzu wird Silan (SiH 4 ) entweder in einem PECVD-Prozess
oder mittels des Hot-Wire-Verfahrens unter Zugabe von Wasserstoff umgesetzt. Neben der
kostenintensiven Synthese von Silan ist dieses relativ aufwändig zu handhaben.
Daher wurde ein Prozess entwickelt, welcher die Herstellung von Silan übergeht und direkt
aus Siliziumpulver amorphes Silizium abscheidet (siehe Abb. 1). Hierzu wird das Pulver in
einen Mikrowellenplasmabrenner, mit einer Frequenz von 915 MHz, eingeblasen und in
einem Ar/H 2 -Plasma zunächst aufgeschmolzen, verdampft und in die Plasmaphase
überführt. Das Plasma verlässt den Plasmabrenner durch eine Düse und expandiert in die
Beschichtungskammer. Durch die Düse wird eine Separation von Verdampfung bei
Atmosphärendruck und Beschichtung im Niederdruck erreicht. Die erforderlichen mittleren
freien Weglängen lassen sich über Gasfluss, Pumpleistung und Düsenöffnung an die zwei
Prozesse anpassen.
Mittels optischer Emissionsspektroskopie wurden die Elektronendichte, die
Elektronentemperatur sowie die Gastemperatur bestimmt. Die gemessene Gastemperatur
von 7500 K ist etwa dreimal so hoch wie der Siedepunkt von Silizium. Da die Kontaktzeit mit
dem Plasma jedoch relativ klein ist, können Siliziumpartikel nur bis zu einer gewissen Größe
von einigen 10 µm vollständig verdampft werden. Der Einfluss der Partikelgröße auf den
Abscheideprozess und wurde untersucht.
Abb. 1: Schematische Darstellung des silanfreien Prozesses
43

Posterbeitrag zur 15. Fachtagung für Plasmatechnologie (PT15) vom 28.2-2.3.2011 in Stuttgart
OPTISCHE CHARAKTERISIERUNG DÜNNER PV-AKTIVER α/µc-Si-SCHICHTEN
J. Glatz-Reichenbach 1 , K. Peter 1 , J. Kopecki 2 , A. Schulz 2 , M. Walker 2
joachim.glatz-reichenbach@isc-konstanz.de
1 ISC Konstanz, Rudolf-Diesel-Str. 15, 78467 Konstanz, Deutschland
2 Institut für Plasmaforschung, Universität Stuttgart, Pfaffenwaldring 31, 70569
Stuttgart, Deutschland
Eine maßgebliche Eigenschaft dünner Si-Filme ist deren Mikrostruktur. Diese kann sich,
abhängig von der Herstellung, hier über Mikrowellen (MW) - Plasma Abscheidung und
Nachbehandlung von vollständig amorph über entsprechende Mischphasen bis hin zu
kristallin einstellen. Neben dem direkten Strukturnachweis über Röntgenbeugung kann die
Mikrostruktur auch indirekt z. B. mittels Raman Spektroskopie oder optischer Verfahren wie
der Reflexionsspektroskopie bestimmt werden.
Reflexionsmessungen im nahen UV bis IR Bereich mit einem Perkin Elmer UV-VIS-NIR
Spektrometer Lambda 1050 zeigen typische Interferenzmuster dünner Si-Schichten, wenn
sie z. B. auf Glas Substraten abgeschieden werden. Nach der Auswertung solcher
Reflexionskurven, in Ergänzung mit zusätzlichen Resultaten aus ellipsometrischen
Messungen und anschließendem Anpassen an ein dielektrisches Modell, können
verlässliche Werte für Schichtdicken und Brechungsindizes ermittelt werden. Für typische
Substratflächen von ca. 100cm 2 werden Schichtdicken zwischen 100 und 1300 nm mit
lateralen Schichtdickenschwankungen von kleiner 5 % bei Aufwachsraten von bis zu 5-10
nm/s erreicht.
Die aufgenommenen Reflexionsspektren solcher dünner Si-Schichten zeigen, im Gegensatz
zu kristallinen Proben, nicht die typischen zu erwartenden ausgeprägten
Reflexionserhöhungen bei 270 und 370 nm. Das Fehlen dieses, für kristallines Si typischen
Merkmals ist ein starker Hinweis darauf, dass die aus Si-Pulver durch MW-Plasma
Abscheidung erzeugten dünnen Si-Schichten amorph sind. Durch die Anpassung der MW-
Plasma Parameter wie etwa Druck, Dichte und Temperatur, der Wachstumsrate, dem
Substrat und dessen Temperatur, etc., können die Eigenschaften der abgeschiedenen Si-
Schichten gesteuert werden.
Die Energielücke (E gap ) von amorphem Si kann optisch über die Beziehung
(αhν) 1/2 = Konstante (hν − E gap )
bestimmt werden, wobei der Absorptionskoeffizient α über die gemessene optische
Absorption und Schichtdicke gegeben ist. Die so abgeschätzte Energielücke von Si-
Schichten von Referenzproben aus einem PECVD Prozess mit Silan und mittels MW-Plasma
Abscheidung aus Si-Pulver liegen mit 1.68 und 1.72 eV bei den erwarteten Werten von 1.7 -
1.75 eV.
44

6. F&E Ergebnisse von außerhalb
Die bis dato vorliegenden Ergebnisse aus Literaturstudien und Konferenzbesuchen zeigten,
dass die durch das Projekt „PlasSol“ verfolgte Technologie, mit Si-Pulver und hoher
Plasmaleistungsdichte photovoltaisch aktive Si Schichten mit hohen Aufwachsraten zu
erzeugen, bis jetzt, das heißt Anfang 2011, konkurrenzlos ist!
Eine Literaturstudie zeigte auf, dass noch keine Veröffentlichungen zur Kombination von Si-
Pulver und 915 MHz-Mikrowellen-Plasma für Photovoltaik-Anwendungen existieren.
7. Fazit und Ausblick
Es entwickelte sich während und auch noch über die PlasSol Projektdauer hinweg eine
intensive und erfolgreiche Zusammenarbeit zwischen den beiden Forschungsinstituten,
dem Institut für Plasmaforschung (IPF) der Universität Stuttgart
(Mikrowellenplasmatechnologie), dem ISC Konstanz (optische und elektrische
Charakterisierung der Siliziumschichten) und den fünf Industriepartnern Dr. Laure Plasma
Technologie GmbH (Hochleistungs DC und induktiv geheizte Plasmen, Diagnostik),
Muegge Electronic GmbH (Entwicklung Mikrowellenplasmabrenner und diverser
Mikrowellenkomponenten), Ritter Energie- und Umwelttechnik GmbH & Co. KG (ex.
Paradigma), und Ritter Solar GmbH & Co. KG (Unterstützung und Beschaffung von
Vakuumsystemen und Massenspektrometer) und EADS Deutschland GmbH (Simulation
und Charakterisierung der Plasmen; Bereitstellen, Modifizieren und Charakterisieren der
Si-Pulver).
Durch die Kooperation aller Projektpartner in der Umsetzung zur Realisierung der
Plasmabeschichtungsanlagen, deren Betreiben und der Charakterisierung der Plasmen, der
Ausgangsmaterialien und der erhaltenen Si-Schichten konnten wesentliche Beschichtungs-
Prozessparameter realisiert, analisiert, festgelegt und deren Optimierung erzielt werden.
Die gewonnenen Erkenntnisse des Projektpartners IPF der Universität Stuttgart in
Zusammenarbeit mit und bei der Dr. Laure Plasma Technologie GmbH während des
mehrmonatigen Betreibens des IPF eigenen Mikrowellenplasmabrenners konnte
weiterführend dazu verwendet werden, den zum Projektende nun wieder am IPF lokalisierten
Mikrowellen Plasmabrenner für die Erzeugung von pSi - iSi - nSi Schichtstrukturen zu
optimieren.
Die wesentlichen technologischen PlasSol Projekt Ziele wurden erreicht. Es wurde
demonstriert, dass die verfolgte PlasSol-Technologien, d. h. Hochleistungsplasmen (DC und
Mikrowelle) zur Erzeugung von solaraktiven Siliziumschichten eingesetzt, leistungsfähig ist
mit hohen Aufwachsraten im 100nm/s-Bereich großflächig, d. h. Flächen von größer 100cm 2 ,
homogen zu beschichten.
Die starke zeitliche Verzögerung durch den zweimaligen Umzug der Mikrowellen Plasma
Beschichtungsanlage vom IPF zur Dr. Laure Plasma Technologie GmbH und wieder zurück
ans IPF hat den Projektverlauf stark beeinflusst. Die in der Projektplanung vorgesehene
Abscheidung von amorphen a-Si-Schichten für intrinsisches (d. h. i-Si), p-dotiertes (p-Si) und
n-dotiertes Si (n-Si) konnte für i-Si und auch für p-Si durchgeführt werden. Die
Untersuchungen für p-Si Schichten konnten jedoch nicht abschließend bearbeitet werden.
Es zeigte sich außerdem die Notwendigkeit die geeigneten n-dotierten und p-dotierten Si-
Pulver herzustellen, zu klassieren und im Plasmabrenner über Testbeschichtungen für ihre
Eignung hinsichtlich ihrer photovoltaischen Eigenschaften eingehend für ihre Qualifizierung
zu charakterisieren, da geeignete Si-Pulver kommerziell (noch) nicht erhältlich waren.
Grundsätzlich ist die Erzeugung von aSi/µcSi-Schichten aus Si-Pulver mittels
Hochleistungsplasmaabscheidung gezeigt worden.
Um diese Technologie bis zur Marktreife zu bringen muss jedoch die Umsetzung der
Beschichtung für Schicht-Strukturen (d. h.: Substrat/Elektrode1/n-aSi/i-aSi/p-aSi/Elektrode2
aus TCO) von jetzt bis zu 100cm 2 großen Flächen in den m 2 -Bereich unter Berücksichtigung
45

von Qualitätsmaßstäben wie Reinheit, d.h. geringe Defektdichten, hohe Schichthomogenität,
etc. durchgeführt werden.
Für eine Weiterführung der Projektidee hinsichtlich einer (groß)technische Realisierung (d. h.
notwendig billig und hinreichend gut) mit Mikrowellen Plasmabeschichtungen von
solaraktivem aSi zu erzielen, ist es notwendig zusammen mit geeigneten Industriepartnern
eine Pilotlinie (d. h. einen Demonstrator) für die industrielle Realisierung der aufgezeigten
Technologie aufzubauen.
Ein neuer Projektantrag wurde deshalb eingereicht am 30.09.2010 auf Grund der
Bekanntmachung "Innovationsallianz Photovoltaik" vom 21.Juli 2010, Absatz 2.2.
Entwicklung einer mikrowellenangeregten hochraten Si -
Plasmabeschichtungstechnolgie
Das Vorhaben beschäftigt sich mit dem Einsatz eines Mikrowellenplasmaverfahrens,
welches das Potential besitzt, industriell relevante Flächen von vielen Quadratmetern mit
einer hohen Rate von größer 10 nm/s mit Silizium zu beschichten. Die bestehenden
Mikrowellenplasmaverfahren besitzen das Ausschlusskriterium, dass sie nicht skalierbar und
somit für industrielle Maßstäbe nicht einsetzbar sind. Die Dimensionen werden durch den
Einsatz von Vakuumfenstern oder elektromagnetische Spulen begrenzt. Die herausragenden
Vorteile der Mikrowellenplasmen, wie extrem hohe Elektronen und Radikaldichten, niedrige
Gastemperaturen und nahezu keine Randschichtbildung, konnten deshalb nie genutzt
werden.
In der ersten Stufe soll mit Hilfe des Duo-Plasmalineprinzips eine linear skalierbare
Mikrowellenplasmaquelle, die, wenn mehrere lineare Quellen als Array angeordnet werden,
ein Element einer flächigen Plasmaquelle darstellt, Verwendung finden. Aufbauend auf
bestehende Plasmatechniken, die dazu dienen mittels Monosilan (SiH 4 ) photoaktive Si-
Schichten abzuscheiden, können mit dem neuen Verfahren die Schichten in Hochrate auf
große Flächen prozessiert und dabei die Kosten für die Herstellung von Si-Schichten
erheblich gesenkt werden. Stufe zwei ist ein neues Hochleistungsplasmaverfahren, welches
das Potential besitzt, große Flächen (d. h.: m 2 ) mit hoher Rate, unter Verwendung von
Silizium-Pulver statt SiH 4 , zu beschichten und somit die Kosten für Si-Schichten erheblich zu
senken. Der Nachweis der Anwendbarkeit dieses neuen Plasmaverfahrens ist in einem
Baden-Württembergischen Projekt (PlasSol) bereits erbracht worden.
Ziel ist die Herstellung von innovativen kostengünstigen Zellen aus a-Si und µc-Si, die aus
Si-haltigen Monomeren mit einer neuen mikrowellenplasmagestützten Technologie und aus
Si-Pulver mit einer zukunftsweisenden plasmagestützten Technologie hergestellt werden.
Schließlich werden die neuen Beschichtungstechnologien in einer Demonstrationsanlage
integriert.
8. Anhänge
8.1 Folgende abgeschiedene a/µc – Si Schichten wurden untersucht und charakterisiert
Erzeugt am iPF (aus: i/p-Si Pulver bzw. SiH 4 ) N 2 /H 2 und Ar/H 2 -Plasma auf Glas und mc-Si-
Wafern
aSi mit MW-Plasma + Si-Pulver
aSi mit MW-Niederdruck-Plasma + Silan
aSi mit MW-Plasma + pSi-Pulver
(IPFneu)
(IPF)
(IPF)
Erzeugt bei Dr. Laure Plasma Technologie GmbH (aus: i-Si, p-Si Pulver) Ar/H 2 -Plasma auf
Glas und mc Si-Wafern und auf leitfähigen Al-dotieren ZnO beschichteten Glassubstraten.
aSi mit DC-Plasma + Si-Pulver
(Laure)
46

Erhalten via IPF als Referenzschichten aus aSi Material auf Glassubstraten*
aSi mit HF-Plasma + Silan
(Referenz)
*Es wurden Messungen an Referenzschichten mit 100% aSi Anteil aus der industriellen
Produktion, die durch gängige Abscheideverfahren (d.h.: VHF CVD mit SiH 4 ) hergestellt
wurden, zum Vergleich herangezogen.
8.2 Tabellarischer zeitlicher Verlauf des Projekts PlasSol:
• 2007:
– Start der ersten Plasma Schicht Abscheidungen* bei Dr. Laure (DC)
• 2008:
– High Power (45kW, 20cmx20cm) DC Plasma Abscheidung* bei Dr. Laure
– MW-Plasma Abscheidung am IPF *
• 2009:
– Umzug der MW-Plasma-Anlage vom IPF zu Dr. Laure
– Leistungserhöhung (65-100kW) der DC/HF-Plasma-Anlage bei Dr. Laure
– i/p-aSi auf Glas und TCO-beschichtetem Glas-Substrat (10cmx10cm)*
• 2010
– (Wieder-) Aufbau der MW-Plasma-Anlage am IPF
– MW-Plasma Abscheidung von aSi am IPF mit Si-Pulver/H läuft wieder*
– pSi-Pulver Aufbereitung
– Start der Abscheidung mit pSi-Pulver und Charakterisierung*
*mit allen notwendigen Charakterisierungen von Pulver, Plasma und den
abgeschiedenen Si-Schichten.
8.3 Von der Dr. Laure Plasma Technologie GmbH zur Charakterisierung dem ISC
überlassene Testproben in den Jahre 2008 und 2009.
Probenname Erscheinung, Farbe
Grösse (cm)
Kommentar
e
Dicke
(nm)
30122008
Glas;
I=650A;
aSi +cSi 1000
5112008 Braun 5x10; 15cm Glas; Wafer
19112008 Glas 680
20082008
RTA spekt.
IPF
820-870
2008-04-001
dunkel-grau, rot kommt
schwach durch 8.5x11.5 Glas
2008-04-004
grau bis rotbraun, rot kommt
gut durch 13x5; 4x7 Glas
2008-04-005 gelb-orange 5x4; 5x4 Glas 500-600
2008-04-006 zw. 004 und 005 5x5; 5x5 Glas
2008-04-005
von fasst klar bis orange,
diagonal 17x15 Glas
2008-04-006 homogener, rotbraun/orange 17x15 Glas 1230-1320
2008-04-004 homogener, rotbraun 15x15 Glas
hohe Reflexion; braun/grünlich
2008-04-002 Rückseitenkontakt (?) 5x5; 6x5; 9x5 Glas
2008-04-003 homogen orange 5x4; 5x5; 5x5 Glas
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2008-04-004 homogen; schwach rötlich Glas
2008-04-005 Orange Glas
2008-04-006 Rotbraun Glas
hoch reflektierend, Rückseite
reflektiv, Vorderseite Si 20-28cm x
2008-04-002
2008-04-003
beschicht.
inhomogen, Flecken
gelb/orange
14,5cm
20-28cm x
14,5cm
20-28cm x
14,5cm
20-28cm x
14,5cm
Glas
Glas
2008-04-004 hoch reflektierend,
Glas
quer zur Breite
2008-04-005 inhomogenbraun zu ocker
Glas
diagonale Farbänderung;
relativ zusammenhängend 20-28cm x
2008-04-006 beschichtet
14,5cm Glas
Tabelle Proben Laure08: Liste der von Dr. Laure Plasma Technologie GmbH im Jahr 2008
hergestellten und ans ISC zur Charakterisierung gelieferten Si-Proben.
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Laure Proben
für das ISC Bemerkung Substrat
1 10.01.2009 700A aSi auf Glas
2 11.01.2009 750A
aSi auf mcSi und auf
Glas
3 12.01.2009 800A
aSi auf mcSi und auf
Glas
4 06.02.2009 65kW; 2mm/s verfahren aSi auf Glas
5 16.02.2009
crashed sample mm-
Stücke
aSi auf mcSi und auf
Glas
6 19.02.2009
aSi auf mcSi und auf
Glas
7 14.04.2009 150nm aSi aSi auf Glas
8 16.04.2009 Laure-2
aSi auf mcSi und auf
Glas
9 06.05.2009-1 1000nm aSi aSi auf Glas
10 06.05.2009-2 500nm aSi aSi auf Glas
11 2009-07-161 hohe Aufwachsraten aSi auf Glas
12 2009-07-201a hohe Aufwachsraten aSi auf Glas
13 2009-07-201b hohe Aufwachsraten aSi auf Glas
14 2009-07-201c hohe Aufwachsraten aSi auf Glas
aSi auf TCO-beschicht.
15 2009-11-27-1
Glas
aSi auf TCO-beschicht.
Glas
16 2009-11-30-2
17 2009-12-01-1B Abgerundete Kanten aSi auf Glas
18 25.11.2009-1 spannungsreduziert aSi auf Glas
19 03.12.2009 Abgerundete Kanten aSi auf Glas
Tabelle Proben Laure09: Liste der von Dr. Laure Plasma Technologie GmbH im Jahr 2009
hergestellten und ans ISC zur Charakterisierung gelieferten Si-Proben.
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