DE102009059193B4 - Process for doping semiconductor materials - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Dotierung von Siliziumsubstraten (8), bei welchem ein Faserlaser (1) einen Laserstrahl (2) mit einer Wellenlänge erzeugt, die im Bereich von 750 nm bis 3000 nm liegt und zum anderen die Bedingung erfüllt, dass das Siliziumsubstrat bei der verwendeten Wellenlänge transparent ist, und den Laserstrahl mit rundem Strahlquerschnitt erzeugt, wobei der Laserstrahl mit einer Scannereinheit (3) über die Substratoberfläche (4) geführt wird, bei welchem wenigstens ein Dotierstoff im Kontakt mit der Substratoberfläche (4) ist, bei welchem eine lokale Erwärmung der Substratoberfläche (4) durch den Laserstrahl (2) zur Laserdotierung erfolgt und bei welchem die Laserdotierung unter der Schmelztemperatur des Siliziumsubstrats erfolgt und wobei der Laserstrahl (2) mit einem Strahlteiler (5) in Laserteilstrahlen (9) zerlegt wird und die Laserteilstrahlen (9) gleichzeitig lokal definierte Strukturen in verschiedenen Substratgebieten erzeugen, wobei die Substratoberfläche mit einer Dotierstoffquelle in gasförmigem Aggregatzustand in Kontakt ist, aus der der Dotierstoff bereitgestellt wird.Method for doping silicon substrates (8), in which a fiber laser (1) generates a laser beam (2) with a wavelength that is in the range from 750 nm to 3000 nm and, on the other hand, meets the condition that the silicon substrate is at the wavelength used is transparent, and generates the laser beam with a round beam cross section, the laser beam being guided over the substrate surface (4) with a scanner unit (3), in which at least one dopant is in contact with the substrate surface (4), in which a local heating of the Substrate surface (4) is carried out by the laser beam (2) for laser doping and in which the laser doping takes place below the melting temperature of the silicon substrate and the laser beam (2) is split into partial laser beams (9) using a beam splitter (5) and the partial laser beams (9) simultaneously produce locally defined structures in different substrate regions, the substrate surface being in contact with a dopant source in a gaseous state from which the dopant is provided.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dotierung von Siliziumsubstraten mit Laser, wobei bei dem Verfahren wenigstens ein Dotierstoff in Kontakt mit der Substratoberfläche ist und eine lokale Erwärmung der Substratoberfläche durch einen Laserstahl erfolgt.The invention relates to a method for doping silicon substrates with a laser, wherein in the method at least one dopant is in contact with the substrate surface and the substrate surface is locally heated by a laser beam.
Anlagen der genannten Gattung sind in der industriellen Praxis in der Regel Batchöfen oder Durchlaufdotieranlagen, in welchen die Solarzellensubstrate auf zur Dotanten-Diffusion benötigte Temperaturen von mehr als 800°C aufgeheizt werden. Bei der Dotierung des Emitters von Solarzellen bestehen, wie es beispielsweise in der Druckschrift
In den letzten Jahren wurden auch Laseranlagen zur Dotierung von Halbleitern entwickelt. In der Druckschrift
Die Druckschrift löst das Problem der hohen Versetzungsdichte nach Aufschmelzen der Oberfläche und Rekristallisation dadurch, dass der Laserstrahl zu einer Linie mit einer Breite von 10 µm und einer Länge von 100 µm fokussiert wird und dieser Linienfokus die Oberfläche des Substrats abscannt. Als Nachteile dieses Verfahrens sind die geringe Bearbeitungsgeschwindigkeit und der technische Aufwand zur Realisierung eines zuverlässigen Autofokussystems zu nennen. Die angestrebten Charakteristiken für die Dotierung sind an die Charakteristiken der Dotierungen angelehnt, die in Ofenprozessen erzeugt werden. Das heißt, als Tiefe der Dotierung wird ein Bereich bis zu einem Mikrometer angestrebt. Aus der bekannten Eindringtiefe von Licht in Silizium in Abhängigkeit von der Wellenlänge wird so geschlussfolgert, dass Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 600 nm oder weniger eingesetzt werden muss.The publication solves the problem of high dislocation density after melting of the surface and recrystallization by focusing the laser beam into a line with a width of 10 µm and a length of 100 µm and this line focus scans the surface of the substrate. The disadvantages of this process include the low processing speed and the technical effort required to implement a reliable autofocus system. The desired characteristics for the doping are based on the characteristics of the dopings that are generated in oven processes. This means that the desired depth of doping is a range of up to one micrometer. From the known penetration depth of light into silicon depending on the wavelength, it is concluded that laser radiation with a wavelength of 600 nm or less must be used.
Batchanlagen zur Dotierung sind derzeit Standard in der Silizium-Solarzellenproduktion. Nachteile sind eine relativ lange Bearbeitungszeit auf diesen Anlagen und große mechanische Abmessungen. Die beherrschbaren Temperaturen sind auf weniger als 1000°C begrenzt, und durch die Erwärmung der gesamten Substrate besteht das Problem des Eintrags von Kontaminationen über die Substratrückseite. Ein weiteres Problem bei herkömmlichen Dotiermethoden ist, dass die Dotanten zwar in das Siliziumkristall eindiffundieren, aber zu großen Teilen nicht auf Gitterplätze eingebaut und elektrisch aktiviert werden.Batch systems for doping are currently standard in silicon solar cell production. Disadvantages are a relatively long processing time on these systems and large mechanical dimensions. The temperatures that can be controlled are limited to less than 1000°C, and the heating of the entire substrate creates the problem of contamination entering via the back of the substrate. Another problem with conventional doping methods is that the dopants diffuse into the silicon crystal, but are largely not incorporated into lattice sites and electrically activated.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Laserdotierprozess bereit zu stellen, der es erlaubt, Substrate in hoher Geschwindigkeit zu dotieren, dabei eine geringe Versetzungsdichte an der Substratoberfläche zu erzeugen, eine gute elektrische Aktivierung von Dotanten zu erreichen und darüber hinaus die Option zu bieten, bestimmte Bereiche gezielt höher zu dotieren.It is the object of the present invention to provide a laser doping process that allows substrates to be doped at high speed, thereby generating a low dislocation density on the substrate surface, achieving good electrical activation of dopants and, moreover, offering the option to specifically give higher amounts to certain areas.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens an.This task is solved by the method according to claim 1. The dependent claims indicate advantageous developments of the method according to the invention.
Im Folgenden wird unter anderem eine Laserdotieranlage beschrieben, mit der das erfindungsgemäße Verfahren ausführbar ist. Die Anlage selbst wird nicht beansprucht.Below, among other things, a laser doping system is described with which the method according to the invention can be carried out. The system itself is not used.
Faserlaser sind eine junge Entwicklung auf dem Gebiet der Lasertechnik. Diese neuartigen Laser zeichnen sich durch eine sehr hohe Leistungsfähigkeit und sehr hohe Strahlgüte bei gleichzeitig niedrigem Preis aus. Durch die hohe Leistungsfähigkeit dieser neuen Laserklasse ist es möglich, neue Wege beim Bau von Laserdotieranlagen zu gehen. Die zur Prozessierung benötigte Energie kann nun nicht mehr nur lokal in einem Brennpunkt bereitgestellt werden, sondern es kann mit einem Laserstrahl gearbeitet werden, dessen runder Strahlquerschnitt Dimensionen von 20 bis 500 µm aufweist und dieser Querschnitt in einem komfortablen Strahllängenbereich von etwa 1 mm zur Verfügung steht. Die Leistung dieser Laser eignet sich zur Bearbeitung vollständiger Substratflächen fotovoltaischer Substrate.Fiber lasers are a recent development in the field of laser technology. These new lasers are characterized by very high performance and very high beam quality combined with a low price. The high performance of this new laser class makes it possible to take new paths in the construction of laser doping systems. The energy required for processing can now no longer only be provided locally in a focal point, but can be worked with a laser beam whose round beam cross section has dimensions of 20 to 500 µm and this cross section is available in a comfortable beam length range of approximately 1 mm . The Leis This laser is suitable for processing entire substrate surfaces of photovoltaic substrates.
Im Vergleich der Energieeffizienz des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer herkömmlichen Ofendotieranlage ist das erfindungsgemäße Verfahren im Vorteil. In Faserlasern wird der Lichtstrahl mit einem hohen Wirkungsgrad erzeugt, und die Lichtenergie im Laserdotierprozess wird effizient genutzt, da nur die Oberfläche des Substrates und nicht das gesamte Substrat erwärmt wird. Die Verschonung des Substrats vor thermischer Belastung im Dotierprozess eröffnet auch neue Möglichkeiten für die Gesamttechnologie der Solarzellen. So kann die Laserdotierung anders als die Ofendotierung in einem späteren Schritt in der Gesamttechnologie erfolgen, an welchem das Substrat bereits temperaturempfindliche Elemente aufweist. Dieser Vorteil kommt vor allem bei aufwendigeren Technologien und beispielsweise bei bifacialen Zellkonzepten zum Tragen. Mit Laserdotieranlagen können auch mehrere Dotierprozesse in Abfolge und auf beiden Oberflächen der Substrate durchgeführt werden.When comparing the energy efficiency of the method according to the invention with a conventional furnace doping system, the method according to the invention has an advantage. In fiber lasers, the light beam is generated with high efficiency, and the light energy in the laser doping process is used efficiently because only the surface of the substrate and not the entire substrate is heated. Protecting the substrate from thermal stress during the doping process also opens up new possibilities for the overall technology of solar cells. Unlike oven doping, laser doping can take place in a later step in the overall technology, where the substrate already has temperature-sensitive elements. This advantage is particularly important in more complex technologies and, for example, in bifacial cell concepts. Laser doping systems can also be used to carry out several doping processes in sequence and on both surfaces of the substrates.
Im Vergleich zu herkömmlichen Ofendotieranlagen wird nicht nur die Energie effizienter genutzt sondern auch die Dotierstoffe werden effizienter ihrer Aufgabe der Halbleiterdotierung zugeführt. Die Dotierstoffe werden nicht in unerwünschter Weise an Zwischengitterplätzen an der Oberfläche eingebaut, sondern sie werden durch die höheren Temperaturen vorteilhaft und effizient auf Gitterplätzen eingebaut. Wegen der effizienteren Nutzung genügt ein geringerer Dotierstoffauftrag.In comparison to conventional furnace doping systems, not only is the energy used more efficiently, but the dopants are also used more efficiently for their task of semiconductor doping. The dopants are not installed in an undesirable manner at interstitial sites on the surface, but rather they are advantageously and efficiently incorporated into lattice sites due to the higher temperatures. Because of the more efficient use, a smaller application of dopant is sufficient.
Zur Bewegung des Laserstrahls über die Substratoberfläche können erfindungsgemäß zudem geeignete kommerziell zur Verfügung stehende Scannereinheiten genutzt werden, die den Strahl mit der nötigen Präzision und Geschwindigkeit bewegen können. Die Geschwindigkeit der Scanner kann dabei variiert werden, sodass neben einer ganzflächig gleichmäßigen Bearbeitung auch eine lokal differenzierte Bearbeitung möglich ist.According to the invention, suitable commercially available scanner units can also be used to move the laser beam over the substrate surface, which can move the beam with the necessary precision and speed. The speed of the scanner can be varied, so that in addition to uniform processing across the entire surface, locally differentiated processing is also possible.
Der Laserprozess ist sehr flexibel steuerbar, regelbar und optimierbar, da sowohl die Scannereinheit als auch der Faserlaser selbst sehr flexibel betreibbar sind. Durch die Eigenschaften des Systems aus Faserlaser und Scannereinheit ist die Tiefe des dotierten Gebietes im Substrat flexibel kontrollierbar. Dotierprofile und elektrische Widerstände sind präzise einstellbar. Dadurch kann der Einsatz von Laserdotieranlagen zu verbesserten Produkten, zum Beispiel verbesserten Solarzellen, führen.The laser process can be controlled, regulated and optimized very flexibly, as both the scanner unit and the fiber laser itself can be operated very flexibly. Due to the properties of the system consisting of fiber laser and scanner unit, the depth of the doped area in the substrate can be flexibly controlled. Doping profiles and electrical resistances can be precisely adjusted. As a result, the use of laser doping systems can lead to improved products, for example improved solar cells.
Neben den Vorteilen bei dem eigentlichen Dotierprozess führt der Einsatz der Laserdotierung auch zu weiteren Vorteilen am Rande der Prozessierung. Da sich die Substratoberfläche durch den auftreffenden Laserstrahl sehr schnell erwärmt, sind für die Substrate keine Vorwärmphase und keine Abkühlphase notwendig. Dadurch wird ein schnellerer Gesamtprozess möglich. Des Weiteren kann die Laserdotieranlage mit kleineren räumlichen Abmessungen als ein Dotierofen realisiert werden. Die Platzersparnis beim Einsatz von Laserdotieranlagen mündet in einen Kostenvorteil bei der Errichtung von Fertigungseinrichtungen.In addition to the advantages in the actual doping process, the use of laser doping also leads to further advantages at the edge of the processing. Since the substrate surface heats up very quickly due to the incident laser beam, no preheating phase or cooling phase is necessary for the substrates. This makes a faster overall process possible. Furthermore, the laser doping system can be implemented with smaller spatial dimensions than a doping furnace. The space savings when using laser doping systems results in a cost advantage when setting up production facilities.
Gemäß der Erfindung verwendet die Laserdotieranlage, mit der das Verfahren ausgeführt wird, einen Faserlaser, der Licht mit einer Wellenlänge im Bereich von 750 bis 3000 nm emittiert. In diesem Wellenlängenbereich existieren ausgereifte Faserlaser. Für die Bearbeitung von Siliziumsubstraten scheint dieser Wellenlängenbereich jedoch zunächst ungeeignet zu sein, da Silizium in diesem Bereich transparent ist. Durch die hohe Leistungsdichte in einem Faserlaserstrahl wird die Oberfläche des Substrates jedoch schnell erwärmt, wobei der Effekt der thermischen Akkumulation der Volumenanregung auftritt. Durch die Materialerwärmung ändern sich die optischen Eigenschaften des Substrates. Bei Silizium erhöht sich die Absorption. Dadurch sinkt die Eindringtiefe. Die Eindringtiefe ist sogar durch Einstellung geeigneter Parameter wie z. B. der Leistung, der Scannergeschwindigkeit, der Pulsenergie, der Pulsdauer oder der Repetitionsrate auf einen gewünschten Bereich regelbar. Mit einer Laserdotieranlage in diesem Wellenlängenbereich können Siliziumsubstrate tiefer als mit Ofenprozessen dotiert werden. Bei der Herstellung von Solarzellen und speziell der Phosphordotierung des Emitters von Solarzellen können hiermit beispielsweise Dotiertiefen im Bereich von 1 bis 10 µm realisiert werden. Durch die höhere Dotiertiefe bei gleichzeitig homogener Dotierung über die Tiefe können die Kontaktierung und der Gesamtwirkungsgrad der Solarzelle verbessert werden.According to the invention, the laser doping system with which the method is carried out uses a fiber laser which emits light with a wavelength in the range of 750 to 3000 nm. There are sophisticated fiber lasers in this wavelength range. However, this wavelength range initially appears to be unsuitable for processing silicon substrates because silicon is transparent in this range. However, due to the high power density in a fiber laser beam, the surface of the substrate is heated quickly, with the effect of thermal accumulation of the volume excitation occurring. The optical properties of the substrate change as the material heats up. With silicon the absorption increases. This reduces the penetration depth. The penetration depth can even be adjusted by setting suitable parameters such as: B. the power, the scanner speed, the pulse energy, the pulse duration or the repetition rate can be regulated to a desired range. With a laser doping system in this wavelength range, silicon substrates can be doped deeper than with oven processes. When producing solar cells and especially the phosphorus doping of the emitter of solar cells, doping depths in the range of 1 to 10 µm can be achieved. Due to the higher doping depth and at the same time homogeneous doping over the depth, the contacting and the overall efficiency of the solar cell can be improved.
Eine alternative, nicht erfindungsgemäße Laserdotieranlage für Halbleitersubstrate verwendet einen Faserlaser, der Licht in einem Wellenlängenbereich von 500 bis 600 nm emittiert. Faserlaser in diesem Wellenlängenbereich sind erst seit kurzem kommerziell verfügbar. Anlagen, die in diesem kürzeren Wellenlängenbereich arbeiten, sind besonders für Anwendungen interessant, bei denen eine geringe Dotiertiefe gewünscht wird.An alternative laser doping system for semiconductor substrates, not according to the invention, uses a fiber laser that emits light in a wavelength range of 500 to 600 nm. Fiber lasers in this wavelength range have only recently become commercially available. Systems that operate in this shorter wavelength range are particularly interesting for applications where a low doping depth is desired.
In einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist der eingesetzte Faserlaser ein Dauerstrichlaser oder ein gepulster Laser mit relativ langen Pulslängen im Bereich von 80 ns bis 10 µs. Unter diesen Bedingungen ist eine Dotierung von Substraten möglich, ohne dass deren kristalliner Aufbau oberflächlich geschädigt wird. Des Weiteren werden die Dotanten gut in dem Substratkristall eingebaut und elektrisch aktiviert. Im Dauerstrichbetrieb stehen besonders hohe Leistungen von beispielsweise 5 kW zur Verfügung. Der Einsatz von Dauerstrichlasern ist deshalb besonders für eine schnelle und kostengünstige Bearbeitung von Vorteil. Im gepulsten Betrieb stehen nur geringere Leistungen von beispielsweise 300 W zur Verfügung. Vorteile im Pulsbetrieb sind zusätzliche verfügbare Parameter. So kann beispielsweise über die Pulsform, die Pulsdauer, die Repetitionsrate und die räumliche Puls-zu-Puls-Überlappung ein stärkerer Einfluss auf die Dotierstoffteilung genommen werden.In a preferred embodiment of the present invention, the fiber laser used is a continuous wave laser or a pulsed laser with relatively long pulse lengths in the range from 80 ns to 10 µs. Under these conditions, substrates can be doped without damaging their crystalline structure on the surface. Furthermore, the dopants are well incorporated into the substrate crystal and electrically activated. In continuous wave operation Particularly high outputs of, for example, 5 kW are available. The use of continuous wave lasers is therefore particularly advantageous for fast and cost-effective processing. In pulsed operation, only lower powers of, for example, 300 W are available. Advantages in pulse operation are additional available parameters. For example, the pulse shape, the pulse duration, the repetition rate and the spatial pulse-to-pulse overlap can have a greater influence on the dopant division.
In der Erfindung weist die Anlage wenigstens einen Strahlteiler zur Erzeugung mehrerer Laserteilstrahlen unter Ausbildung einer Multi-Beam-Anordnung auf. Der Einsatz mehrerer Laser, die parallel betrieben werden, kann günstig sein, um den Durchsatz der Anlage zu erhöhen. So kann ein leistungsstarker Laserstrahl, dessen gesamte Leistung nicht in einem Strahl benötigt wird, unter Verwendung des Strahlteilers in mehrere Laserteilstrahlen zerlegt werden, wodurch die zeitgleiche Bearbeitung des Substrates mit mehreren Laserstrahlen oder Laserteilstrahlen und dadurch eine höhere Bearbeitungsgeschwindigkeit möglich wird.In the invention, the system has at least one beam splitter for generating several partial laser beams to form a multi-beam arrangement. The use of several lasers that are operated in parallel can be beneficial in order to increase the throughput of the system. A powerful laser beam, the entire power of which is not required in one beam, can be split into several partial laser beams using the beam splitter, which enables simultaneous processing of the substrate with several laser beams or partial laser beams and thereby a higher processing speed.
In einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet die Laserdotieranlage ein diffraktives Element zur holographischen Strahlteilung in 50 bis 400 Laserteilstrahlen. Dieser Strahlteiler ist auf die jeweilige Aufgabe abgestimmt. Beispielsweise kann mit einem solchen aufgeteilten Strahl auf Solarzellsubtraten eine Vielzahl von selektiven Emitterfingern geschrieben werden. Der Strahlteiler ist dabei vorzugsweise konstruktiv an die Anordnung der Finger angepasst. Die Kontaktelektrode einer Solarzelle umfasst neben den Fingern auch Hauptleitungen, sogenannte „bus bars“, auf denen die Ladungen der einzelnen Finger gesammelt werden. Der selektive Emitter von Solarzellen wird sowohl in den Bereichen der einzelnen Finger als auch in den Bereichen der „bus bars“ ausgebildet. Der Laserdotierprozess wird dabei in mehrere Arbeitsschritte unterteilt, die dem Schreiben der einzelnen Finger und der „bus bars“ dienen. Die Dotiertiefe kann im Laserdotierprozess geändert werden, das kann beispielsweise dazu genutzt werden, in einzelnen Arbeitsschritten bei der Herstellung eines selektiven Emitters eine tiefere Dotierung auszubilden.In a special embodiment of the present invention, the laser doping system uses a diffractive element for holographic beam splitting into 50 to 400 partial laser beams. This beam splitter is tailored to the respective task. For example, a large number of selective emitter fingers can be written on solar cell substrates with such a split beam. The beam splitter is preferably structurally adapted to the arrangement of the fingers. In addition to the fingers, the contact electrode of a solar cell also includes main lines, so-called “bus bars,” on which the charges from the individual fingers are collected. The selective emitter of solar cells is formed both in the areas of the individual fingers and in the areas of the “bus bars”. The laser doping process is divided into several work steps that are used to write the individual fingers and the “bus bars”. The doping depth can be changed in the laser doping process; this can, for example, be used to create a deeper doping in individual work steps when producing a selective emitter.
In einer weiteren vorteilhaften Variante der Erfindung weist die Scannereinheit wenigstens einen schnellen Scanner auf, welcher beispielsweise ein Galvo-Scanner, ein Polygonscanner und/oder ein Resonanzscanner sein kann. Mit einem solchen schnellen Scanner ist eine ausreichend hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit auf großflächigen Substraten möglich, die den Anforderungen aus der Produktion entsprechen. Die Auswahl der Scannerkomponenten erfolgt in Abhängigkeit von dem verwendeten Laser und von den geplanten Laserstrahlbewegungen. Richtwerte für derzeit erreichbare Verfahrensgeschwindigkeiten sind 20 m/s beim Einsatz gepulster Laser mit Repetitionsraten bis 1 MHz und 400 m/s beim Einsatz kontinuierlicher Laser.In a further advantageous variant of the invention, the scanner unit has at least one fast scanner, which can be, for example, a galvo scanner, a polygon scanner and/or a resonance scanner. With such a fast scanner, a sufficiently high processing speed is possible on large-area substrates that meet the production requirements. The selection of the scanner components depends on the laser used and the planned laser beam movements. Guide values for currently achievable process speeds are 20 m/s when using pulsed lasers with repetition rates of up to 1 MHz and 400 m/s when using continuous lasers.
In einer günstigen Ausbildung der Anlage zur Dotierung von Substraten weist die Scannereinheit einen Scanbereich auf, der sich über wenigstens zwei Substrate erstreckt. Wenn in der Anlage kleinere Substrate, wie zum Beispiel Wafer bearbeitet werden und beispielsweise 7 × 8 Wafer auf einem Substratträger bearbeitet werden, ist es besonders günstig, wenn die Scannereinheit einen Scanbereich aufweist, der so groß wie der Substratträger ist, da in diesem Fall nur ein Faserlaser und eine Scannereinheit pro Anlage verbaut werden müssen. Der Bearbeitungsbereich kann aber auch auf zwei oder mehr Laserstrahlen aufgeteilt werden, wobei jeder Laserstrahl dann einen Scanbereich aufweist, der kleiner als der Substratträger ist.In a favorable embodiment of the system for doping substrates, the scanner unit has a scanning area that extends over at least two substrates. If smaller substrates, such as wafers, are processed in the system and, for example, 7 × 8 wafers are processed on a substrate carrier, it is particularly advantageous if the scanner unit has a scanning area that is as large as the substrate carrier, since in this case only a fiber laser and a scanner unit must be installed per system. However, the processing area can also be divided into two or more laser beams, with each laser beam then having a scanning area that is smaller than the substrate carrier.
In einer Weiterbildung weist die Anlage wenigstens eine Positioniereinrichtung für die Substrate im Scanbereich des Lasers und/oder wenigstens eine Kontrolleinrichtung für die Substrate auf. Wenn die Substrate nicht nur ganzflächig bearbeitet werden, sondern lokal definiert eine besondere Bearbeitung erfahren solen, ist es erforderlich, dass eine exakte Positionierung der Substrate relativ zu der Scannereinheit erfolgt. Zur Gewährleistung dieser hohen Positioniergenauigkeit in der Laserdotieranlage kann eine aus dem Stand der Technik bekannte Positioniereinrichtung entweder im Laserdotiermodul integriert sein, oder die Positioniereinrichtung kann in Transportrichtung vor dem Laserdotiermodul angeordnet sein, wobei dann ein Transportsystem mit exakter Substratpositionsübertragung verwendet werden muss.In a further development, the system has at least one positioning device for the substrates in the scanning area of the laser and/or at least one control device for the substrates. If the substrates are not only to be processed over the entire surface, but are to undergo special processing in a locally defined manner, it is necessary that the substrates are positioned precisely relative to the scanner unit. To ensure this high positioning accuracy in the laser doping system, a positioning device known from the prior art can either be integrated in the laser doping module, or the positioning device can be arranged in front of the laser doping module in the transport direction, in which case a transport system with exact substrate position transfer must be used.
Des Weiteren kann in einer günstigen Weiterbildung eine Kontrolleinrichtung für die erfolgte Dotierung vorgesehen sein. Diese Kontrolleinrichtung kann eine aus dem Stand der Technik bekannte Messeinrichtung zur optischen oder elektrischen Oberflächencharakterisierung sein. Zur richtigen Zuordnung der Messwerte in ihrer Position ist wieder eine exakte Substratpositionsübertragung notwendig.Furthermore, in a favorable further development, a control device for the doping that has taken place can be provided. This control device can be a measuring device known from the prior art for optical or electrical surface characterization. In order to correctly assign the measured values to their position, an exact substrate position transfer is again necessary.
Die gestellte Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Dotierung von Siliziumsubstraten gelöst, bei welchem wenigstens ein Dotierstoff in Kontakt mit der Substratoberfläche ist und eine lokale Erwärmung der Substratoberfläche durch einen Laserstrahl erfolgt. Dabei wird ein Faserlaser verwendet, welcher einen runden Strahlquerschnitt erzeugt und der mit einer Scannereinheit über die Substratoberfläche geführt wird, wobei der Laserstrahl mit einem Strahlteiler in Laserteilstrahlen zerlegt wird und die Laserteilstrahlen gleichzeitig lokal definierte Strukturen in verschiedenen Substratgebieten erzeugen, und wobei die Substratoberfläche mit einer Dotierstoffquelle in gasförmigem Aggregatzustand in Kontakt ist, aus der der Dotierstoff bereitgestellt wird.The object is achieved by a method for doping silicon substrates, in which at least one dopant is in contact with the substrate surface and the substrate surface is locally heated by a laser beam. A fiber laser is used, which generates a round beam cross section and which is scanned across the substrate surface using a scanner unit surface is guided, the laser beam being split into partial laser beams using a beam splitter and the laser partial beams simultaneously producing locally defined structures in different substrate regions, and the substrate surface being in contact with a dopant source in a gaseous state from which the dopant is provided.
Eine Voraussetzung für die Realisierung des beschriebenen Verfahrens ist, dass die Lasertechnik in den letzten Jahren eine rasante Entwicklung durchlaufen hat, die unter anderem zu leistungsstarken und preisgünstigen Faserlasern geführt hat. Wesentliche Merkmale, die zu einer Realisierung eines technisch funktionierenden und wirtschaftlich sinnvollen Laserdotierverfahrens führen, sind der geringe Preis des Faserlasers, die gute Strahlqualität mit gaußförmiger Leistungsdichteverteilung im Strahlquerschnitt, ein runder Strahlquerschnitt und die hochentwickelten Scannereinheiten, welche das Abrastern der Substratoberfläche gestatten.A prerequisite for the implementation of the described process is that laser technology has undergone rapid development in recent years, which has led, among other things, to powerful and inexpensive fiber lasers. Essential features that lead to the realization of a technically functioning and economically sensible laser doping process are the low price of the fiber laser, the good beam quality with a Gaussian power density distribution in the beam cross section, a round beam cross section and the highly developed scanner units, which allow scanning of the substrate surface.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren strahlt der Faserlaser Licht mit einer Wellenlänge von 750 nm bis 3000 nm aus. Der Wellenlängenbereich wird so gewählt, dass Silizium für Licht geringer Leistung transparent ist. Bei hohen Leistungsdichten, wie sie in dem Strahl eines Faserlasers auftreten, wird die Substratoberfläche jedoch schnell erwärmt und es kommt zu einer Veränderung der optischen Eigenschaften. Dadurch wird die Eindringtiefe des Lichtes in das Silizium bis in die Größenordnung von 1 µm reduziert. Die genaue Eindringtiefe kann durch die Wahl von Prozessparametern sogar eingestellt werden.In the method according to the invention, the fiber laser emits light with a wavelength of 750 nm to 3000 nm. The wavelength range is chosen so that silicon is transparent to low-power light. However, at high power densities, such as those found in the beam of a fiber laser, the substrate surface is heated quickly and the optical properties change. This reduces the penetration depth of light into the silicon to the order of 1 µm. The exact penetration depth can even be adjusted by selecting process parameters.
Das Dotierverfahren mit Faserlaser ist jedoch nicht auf den nahen infraroten Spektralbereich beschränkt. In einer alternativen, nicht-erfindungsgemäßen Variante der Erfindung können auch Faserlaser eingesetzt werden, die Licht mit einer Wellenlänge von 500 nm bis 600 nm ausstrahlen. Solche Verfahren kommen vor allem dann zum Einsatz, wenn eine geringe Eindringtiefe des Lasers in das Substrat oder eine geringe Dotiertiefe gewünscht ist.However, the fiber laser doping process is not limited to the near infrared spectral range. In an alternative, non-inventive variant of the invention, fiber lasers can also be used that emit light with a wavelength of 500 nm to 600 nm. Such methods are used primarily when a low penetration depth of the laser into the substrate or a low doping depth is desired.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Laserdotierverfahrens hat es sich als günstig erwiesen, kontinuierlich arbeitende Dauerstrichlaser oder gepulste Laser mit relativ fangen Pulslängen im Bereich von 80 ns bis 10 µs zu verwenden. Der Einsatz dieser langen Impulse bewirkt eine relativ lange Temperatureinwirkzeit auf die Substratoberfläche, die deshalb nicht aufgeschmolzen werden muss und deshalb nach der Dotierung keine Kristallschäden an der Substratoberfläche zu verzeichnen sind. Eine ausreichende Dotierstoffeinbringung wird trotz der für Laserdotierprozesse relativ niedrigen Temperatur durch die relativ lange Temperaturwirkungszeit erreicht.When carrying out the laser doping method according to the invention, it has proven to be advantageous to use continuously operating continuous wave lasers or pulsed lasers with relatively short pulse lengths in the range from 80 ns to 10 μs. The use of these long pulses causes a relatively long temperature exposure time on the substrate surface, which therefore does not have to be melted and therefore no crystal damage is recorded on the substrate surface after doping. Adequate dopant introduction is achieved despite the relatively low temperature for laser doping processes due to the relatively long temperature effect time.
In einer günstigen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Pulsform des gepulsten Lasers so ausgebildet, dass sie in einem Zeit-Leistungs-Diagramm eine annähernd rechteckige Form mit wenigstens einer kurzen Anstiegszeit und Pulslängen im Bereich von 80 ns bis 10 µs und ohne nennenswerte Leistungsspitzen erscheint. Im Gegensatz zu anderen gepulsten Lasern, wo die verfügbare Leistung auf sehr kurze Leistungsspitzen konzentriert wird, ist es mit einem Faserlaser möglich, sehr lange Pulse mit gleichmäßiger Pulsleistung zu erzeugen. Diese langen Pulse ermöglichen eine schonende Substratbearbeitung, die zu geringen Kristallschäden und somit zu leistungsfähigen Solarzellprodukten führt. Zur schnellen Bearbeitung der Substrate ist es günstig, wenn die vordere Pulsflanke steil ist, das heißt, dass die Pulsleistung des Lasers schnell erreicht wird. Die abfallende Flanke kann hingegen flacher gestaltet werden, um die Temperatureinwirkzeit zu erhöhen und ein langsameres und stressärmeres Rekristallisieren zu ermöglichen.In a favorable embodiment of the method according to the invention, the pulse shape of the pulsed laser is designed such that it appears in a time-power diagram to have an approximately rectangular shape with at least a short rise time and pulse lengths in the range from 80 ns to 10 µs and without significant power peaks. In contrast to other pulsed lasers, where the available power is concentrated in very short power peaks, with a fiber laser it is possible to generate very long pulses with uniform pulse power. These long pulses enable gentle substrate processing, which results in minimal crystal damage and thus high-performance solar cell products. For rapid processing of the substrates, it is advantageous if the front pulse edge is steep, which means that the pulse power of the laser is reached quickly. The falling edge, however, can be made flatter in order to increase the temperature exposure time and enable slower and less stressful recrystallization.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird so gearbeitet, dass die Substratoberfläche nur soweit erwärmt wird, dass ihr fester Aggregatzustand erhalten bleibt. Die erfindungsgemäße Laserdotierung erfolgt hierbei bei relativ niedriger Temperatur, das heißt unter der Schmelztemperatur des Substrates und im Gegenzug bei relativ langer Dotierzeit; dies ermöglicht eine sehr schonende Bearbeitung der Substrate. Durch die Vermeidung von Aufschmelzung und Rekristallisation werden mit der Rekristallisation verbundene Fehlermechanismen komplett vermieden. Für die Bearbeitung von Solarzellsubstraten, deren Oberfläche zur Erhöhung der Lichtempfindlichkeit strukturiert ist, ist es auch essentiell, dass Dotierverfahren verwendet werden, die die hergestellten Oberflächenstrukturen vollständig erhalten und nicht einschmelzen.In the method according to the invention, the substrate surface is only heated to such an extent that its solid state is retained. The laser doping according to the invention takes place at a relatively low temperature, that is to say below the melting temperature of the substrate and, in return, with a relatively long doping time; This enables very gentle processing of the substrates. By avoiding melting and recrystallization, error mechanisms associated with recrystallization are completely avoided. When processing solar cell substrates whose surface is structured to increase light sensitivity, it is also essential that doping processes are used that completely preserve the surface structures produced and do not melt them.
In einer günstigen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Verfahren zu einer ganzflächigen Dotierung von Substraten eingesetzt. Die schonende Substratbearbeitung mit dem Dauerstrichlaser oder dem mit langen Pulsen gepulsten Faserlaser gestattet sowohl technisch als auch ökonomisch die Dotierung großer Substratflächen wie zum Beispiel der optisch aktiven Bereiche auf Solarzellen.In a favorable embodiment of the method according to the invention, the method is used to dope substrates over the entire surface. The gentle substrate processing with the continuous wave laser or the fiber laser pulsed with long pulses allows the doping of large substrate areas, such as the optically active areas on solar cells, both technically and economically.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nicht alle Bereiche der Substratoberfläche gleich bearbeitet, sondern definierte Substratbereiche werden stärker thermisch belastet und stärker dotiert. Ein wichtiger Verfahrensparameter zur Realisierung einer stärkeren Dotierung ist eine reduzierte Geschwindigkeit der Scannerbewegung. Alternativ oder unterstützend dazu können jedoch auch andere Parameter des Laserdotierverfahrens variiert werden.In an advantageous development of the method according to the invention, not all areas of the substrate surface are processed equally, but rather defined substrate areas are subjected to greater thermal stress and are more heavily doped. An important process parameter for realizing higher doping is a reduced speed of the scanner movement. Alternative or supportive However, other parameters of the laser doping process can also be varied.
In einer Variante, die nicht der Erfindung entspricht, wird so gearbeitet, dass die Substratoberfläche lokal aufgeschmolzen wird. Wenn die Oberflächenmorphologie der Substrate nicht erhalten werden muss, ist auch eine Laserdotierung mit Aufschmelzen und Rekristallisieren der Substratoberfläche möglich. Durch die höhere Temperatur und den flüssigen Aggregatzustand an der Oberfläche ist die Herstellung einer sehr hohen Dotierung möglich. Bei Verwendung sehr hoher Energiedichten, ist es auch möglich auf dem Substrat vorhandene Isolierschichten zu öffnen, bei Bedarf zu entfernen oder in die Substratschmelze einzudiffundieren. Diese nicht-erfindungsgemäße Verfahrensvariante kann zum Beispiel bei Verwendung von Solarzellsubstraten mit bereits vorhandener Emitterdotierung und Antireflexionsbeschichtung dazu verwendet werden, die Antireflexionsbeschichtung in den Bereichen der späteren Kontaktierung zu öffnen und gleichzeitig eine Höherdotierung in diesen selektiven Emitterbereichen vorzunehmen. Da bei diesem Verfahren nur die für die Kontakte vorgesehenen Oberflächenbereiche elektrisch leitfähig sind, ist eine besonders einfache, selbstjustierende galvanische Abscheidung der Kontakte möglich.In a variant that does not correspond to the invention, the substrate surface is melted locally. If the surface morphology of the substrates does not need to be preserved, laser doping with melting and recrystallization of the substrate surface is also possible. The higher temperature and the liquid state of aggregation on the surface make it possible to produce a very high doping. When using very high energy densities, it is also possible to open insulating layers present on the substrate, remove them if necessary or diffuse them into the substrate melt. This process variant not according to the invention can, for example, be used when using solar cell substrates with already existing emitter doping and anti-reflection coating to open the anti-reflection coating in the areas of later contacting and at the same time to carry out higher doping in these selective emitter areas. Since in this process only the surface areas intended for the contacts are electrically conductive, a particularly simple, self-adjusting galvanic deposition of the contacts is possible.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Bearbeitungsgeschwindigkeit dadurch erhöht, dass mehrere Laser gleichzeitig verschiedene räumliche Bereiche der Substratoberfläche bestrahlen und durch die parallele Bearbeitung eine Vervielfachung der Bearbeitungsgeschwindigkeit erreicht wird.In a further exemplary embodiment of the method according to the invention, the processing speed is increased by several lasers simultaneously irradiating different spatial areas of the substrate surface and the parallel processing results in a multiplication of the processing speed.
In einer speziellen Variante des erfindungsgemäßen Laserdotierverfahrens wird der Laserstrahl durch einen Strahlteiler in Laserteilstrahlen zerlegt. Ein solches Verfahren ist vor allem dann interessant, wenn nicht das gesamte Substrat bearbeitet werden soll, sondern nur lokale Gebiete. Beispielsweise kann ein solches Verfahren angewendet werden, wenn auf einem Solarzellensubstrat 50 bis 400 Fingerstrukturen eines selektiven Emitters geschrieben werden sollen. In dem Dotierverfahren kann der Laserstrahl durch ein diffraktives Element zur holografischen Strahlteilung in 50 bis 400 Laserteilstrahlen aufgeteilt werden, welche dann 50 bis 400 Fingerlinien des selektiven Emitters gleichzeitig schreiben können.In a special variant of the laser doping method according to the invention, the laser beam is split into partial laser beams by a beam splitter. Such a process is particularly interesting if the entire substrate is not to be processed, but only local areas. For example, such a method can be used if 50 to 400 finger structures of a selective emitter are to be written on a solar cell substrate. In the doping process, the laser beam can be divided into 50 to 400 partial laser beams by a diffractive element for holographic beam splitting, which can then write 50 to 400 finger lines of the selective emitter at the same time.
In einem günstigen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens bewegt die Scannereinheit den Laserstrahl in wenigstens einer Raumrichtung über wenigstens zwei Substrate. Beim Einsatz des erfindungsgemäßen Laserdotierverfahrens liegt häufig der Fall vor, dass mehrere Substrate in einer Reihe in der Scanrichtung eines Lasers angeordnet sind. Dadurch dass der Laserstrahl gleich über mehrere Substrate bewegt wird, gestaltet sich das Verfahren besonders einfach. Je nach Ausführung der Anlage kann die Laserstrahlbewegung über mehrere Substrate in eine oder in zwei Raumrichtungen erfolgen.In a favorable embodiment of the method according to the invention, the scanner unit moves the laser beam in at least one spatial direction over at least two substrates. When using the laser doping method according to the invention, it is often the case that several substrates are arranged in a row in the scanning direction of a laser. Because the laser beam is moved over several substrates at the same time, the process is particularly simple. Depending on the design of the system, the laser beam can move across several substrates in one or two spatial directions.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert, wobei
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1 einen nicht erfindungsgemäßen Grundaufbau einer Laserdotieranlage anhand einer Prinzipskizze zeigt; -
2 schematisch eine weitere mögliche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, in welcher eine Aufteilung eines Laserstrahls mittels eines erfindungsgemäßen Strahlenteilers in Teilstrahlen erfolgt; -
3 schematisch eine mögliche Pulsform eines Faserlasers zeigt; -
4 eine nicht erfindungsgemäße Ausführungsform einer Anlage als Komponente einer Inline-Substratbearbeitungsanlage skizziert; -
5 schematisch darstellt, dass sich die Scanlänge des Lasers über mehrere Substrate erstrecken kann, und -
6 schematisch eine weitere nicht erfindungsgemäße Ausführungsform einer Anlage und einen nicht erfindungsgemäßen Verfahrensablauf zur Laserdotierung skizziert.
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1 shows a basic structure of a laser doping system not according to the invention based on a schematic sketch; -
2 schematically shows a further possible embodiment of the present invention, in which a laser beam is divided into partial beams by means of a beam splitter according to the invention; -
3 schematically shows a possible pulse shape of a fiber laser; -
4 an embodiment of a system not according to the invention is outlined as a component of an inline substrate processing system; -
5 schematically shows that the scanning length of the laser can extend over several substrates, and -
6 schematically a further embodiment of a system not according to the invention and a process sequence for laser doping not according to the invention are outlined.
Die Laserdotieranlage weist wenigstens einen Faserlaser 1 auf, der in der gezeigten Darstellung ein leistungsstarker Laser ist, dessen Leistung ausreichend hoch ist, um das Substrat 8 in akzeptabler Zeit zu bearbeiten. Die Wellenlänge des in dem Ausführungsbeispiel von
Der konkret verwendete Faserlaser 1 bzw. seine konkret verwendete Wellenlänge hängt von der Art des Substrates 8 und von der gewünschten Eindringtiefe ab. So könnten (nicht-erfindungsgemäß) für flache Dotierungen in Silizium oder für andere Substratmaterialien auch kürzere Wellenlängen als 750 nm angewendet werden. Die Auswahl der verwendeten Laserwellenlänge hängt auch von der Verfügbarkeit von Faserlasern auf dem Markt ab. Derzeit sind neben den Faserlasern, die im nahen Infrarotbereich arbeiten, Faserlaser verfügbar, die aus infrarotem Licht durch Frequenzverdopplung grünes Licht im Spektralbereich von 500 nm bis 600 nm erzeugen. In Ausführungsformen (nicht-erfindungsgemäß), wo eine geringe Dotiertiefe gewünscht ist, werden diese kurzwelligen Laser bevorzugt.The specific fiber laser 1 used or its specific wavelength depends on the type of
In Abhängigkeit von der Laserweiterentwicklung und von neuen Substraten bzw. anderen Anwendungen als der Dotierung von Siliziumsolarzellenemittern könnten (nicht erfindungsgemäß) andere Wellenlängenbereiche zwischen ultraviolettem Licht mit Wellenlängen von 150 nm und infrarotem Licht mit Wellenlängen von 11 µm eingesetzt werden.Depending on further laser development and new substrates or applications other than the doping of silicon solar cell emitters, other wavelength ranges between ultraviolet light with wavelengths of 150 nm and infrared light with wavelengths of 11 μm could be used (not according to the invention).
Für die Anwendung der Laserdotierung von Solarzellsubstraten hat es sich als günstig erwiesen, das thermische Budget in das Substrat 8 in einer relativ langen Zeit einzutragen. Die Substratoberfläche 4 soll durch die Laserbearbeitung möglichst wenig aufgeschmolzen werden, um Versetzungen zu vermeiden. Deshalb ist der in 1 angewendete Faserlaser 1 ein kontinuierlich arbeitender Laser, also ein cw-Laser. In einer anderen, nicht dargestellten Ausführung ist der Faserlaser 1 ein gepulster Laser mit relativ langen Pulslängen zwischen 80 ns und 10 µs. Bei Verwendung von gepulsten Lasern kann über die Pulsform zusätzlich das Dotierprofil eingestellt werden. Als besonders günstig haben sich rechteckförmige Pulse mit steilen Flanken zu Beginn des Pulses erwiesen. Die Pulsform ist jedoch nur ein Parameter der gemeinsam mit weiteren Parametern betrachtet und eingestellt werden muss. So spielen die Laserleistung, der Strahldurchmesser, die Strahlqualität, die Intensitätsverteilung im Strahlquerschnitt, die relative Bewegungsgeschwindigkeit des Laserstrahls, der Puls-zu-Puls-Überlapp, der Linienüberlapp, das Substratmaterial, dessen Textur, Kristallinität und Qualität, der verwendete Dotierstoff, die Umgebungstemperatur und eine Reihe anderer Parameter eine Rolle.For the application of laser doping of solar cell substrates, it has proven to be advantageous to enter the thermal budget into the
Der Laserstrahl 2 hat einen einfachen runden Strahlquerschnitt mit vorzugsweise gaußförmiger Intensitätsverteilung über den Querschnitt. Ein solcher Strahl hat die Vorteile, dass eine einfache Optik zur Strahlformung genügt und dass der Strahl bei einem Fokusdurchmesser in einem bevorzugten Bereich zwischen 20 µm und 500 µm eine große Fokustiefe von etwa 1 mm aufweist. Dieser lange Fokusbereich führt zu einem robusten und unproblematischen Prozess. Auf ein aufwendiges und teures Autofokussystem kann somit im Laserstrahl 2 verzichtet werden.The
Eine Scannereinheit 3 realisiert die Führung des Laserstrahles 2 über die Substratoberfläche 4. Die Scannereinheit 3 kann, wie in
In der Darstellung in
Die Ansteuerung der Scannerkomponenten 3a, 3b führt zur Bewegung des Laserstrahles 2 auf einer definierten Bahn D über die Substratoberfläche 4. Die Bahn D kann so definiert sein, dass eine gleichmäßige Substratdotierung erfolgt, sie kann aber auch so definiert sein, dass eine lokal höhere Dotierung erreicht wird. Die Auswahl der Scannerkomponenten 3a, 3b erfolgt in Abhängigkeit von dem verwendeten Faserlaser 1 und von der gewünschten Bahn auf dem Substrat 8. Neben den genannten Scannertypen könnten auch Resonanzscanner oder andere Scanner zum Einsatz kommen.The control of the scanner components 3a, 3b leads to the movement of the
Die Substratoberfläche 4 ist im Laserdotierprozess in Kontakt mit einer Dotierstoffquelle, welche im festen (nicht erfindungsgemäß), flüssigen (nicht erfindungsgemäß) oder gasförmigen Aggregatzustand vorliegen kann. Die Dotierstoffe können aber auch in Form von Aerosolen vorliegen, und speziell im Zusammenhang mit der Laserdotierung können auch weitere spezielle Formen genutzt werden. So kann ein flüssiger Precursor unter dem Einfluss des Laserstrahles 2 in eine Dampfglocke überführt werden, aus welcher dann die Dotierung erfolgt. Als Dotanden können alle im Stand der Technik bekannten Verbindungen eingesetzt werden. Zur Dotierung von Silizium sind das Verbindungen von Elementen aus der zweiten, der dritten, der fünften oder der sechsten Hauptgruppe, häufig werden beispielsweise Verbindungen von Bor und Phosphor eingesetzt. Besonders bevorzugt für die Dotierung von Silizium sind die Phosphorsäure für eine n-Dotierung und die Borsäure für eine p-Dotierung. Die Dotanden können in einer im Stand der Technik bekannten Art und Weise, zum Beispiel flüssige Dotanden durch Aufsprühen, Aufwalzen oder Aufschleudern, aufgebracht werden.In the laser doping process, the substrate surface 4 is in contact with a dopant source, which can be in the solid (not according to the invention), liquid (not according to the invention) or gaseous state. However, the dopants can also be in the form of aerosols, and other special forms can also be used, especially in connection with laser doping. A liquid precursor can be transferred under the influence of the
Zur Verarbeitung von flüssigen Dotanden kann eine Verdünnung mit einem organischen oder anorganischen Lösungsmittel günstig sein, besonders häufig wird als Lösungsmittel Wasser eingesetzt. Bei Verwendung von Phosphorsäure werden beispielsweise Konzentrationen zwischen 0,001% und 85% verwendet. Besonders bei der Verwendung von gasförmigen Precursoren kommen auch inerte oder aktive Verdünnungs- oder Spülgase, wie beispielsweise Edelgase, Stickstoff, Wasserstoff oder Sauerstoff, zum Einsatz. Je nach verwendetem Dotierstoff kann es günstig sein, den Dotierstoff oder das Substrat 8 auf Temperaturen bis zu 200°C zu heizen. Dies kann aus verfahrenstechnischen Gründen oder auch wegen einer gewünschten Nebenwirkung wie einer Ätzaktivität erforderlich sein.To process liquid dopants, dilution with an organic or inorganic solvent can be beneficial; water is particularly often used as the solvent. For example, when using phosphoric acid, concentrations between 0.001% and 85% are used. Particularly when using gaseous precursors, inert or active diluent or purge gases, such as noble gases, nitrogen, hydrogen or oxygen, are also used. Depending on the dopant used, it may be advantageous to heat the dopant or the
In
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform, die jedoch nicht dargestellt ist, weist die Multi-Beam-Anordnung einen Faserlaser 1 und ein diffraktives Element zur holografischen Strahlteilung auf. Mit einem solchen Strahlteiler ist eine Aufspaltung in 50 bis 400 Laserteilstrahlen 9 möglich. Ein derart aufgefächerter Strahl kann beispielsweise auf Solarzellen dazu benutzt werden, um eine selektive Emitterstruktur zu erzeugen.In a particularly preferred embodiment, which is not shown, however, the multi-beam arrangement has a fiber laser 1 and a diffractive element for holographic beam splitting. With such a beam splitter, splitting into 50 to 400 partial laser beams 9 is possible. A beam fanned out in this way can be used on solar cells, for example, to create a selective emitter structure.
Ein selektiver Emitter besteht aus höher dotierten Gebieten der Substratoberfläche 4, auf welchen später Kontaktelektroden ausgebildet werden. Die selektive Emitterstruktur umfasst, wie in
Die Herstellung einer selektiven Emitterstruktur kann erfindungsgemäß in einer allgemeinen Dotieranlage, welche sowohl die Ausbildung einer flächigen Grunddotierung als auch einer lokalen selektiven Emitterdotierung vornimmt, erfolgen. Es können aber auch spezialisierte Anlagen gebaut werden, die entweder nur für die Ausbildung von flächigen Grunddotierungen oder nur für die Ausbildung von lokalen bzw. selektiven Dotierungen spezialisiert sind. Eine spezielle Anlage zur Herstellung einer selektiven Emitterstruktur könnte auch mit einem herkömmlichen Ofendotierprozess kombiniert werden. In diesem Falle könnte als Dotierstoffquelle auch eine hochdotierte Oberflächenschicht, wie beispielsweise der sogenannte „dead layer“, verwendet werden, welcher nach einer Ofendotierung als unerwünschte Schicht vorhanden ist.According to the invention, a selective emitter structure can be produced in a general doping system, which carries out both the formation of a flat basic doping and a local selective emitter doping. However, specialized systems can also be built that are specialized either only for the formation of basic area dopings or only for the formation of local or selective dopings. A special system for producing a selective emitter structure could also be combined with a conventional oven doping process. In this case, a highly doped surface layer, such as the so-called “dead layer”, which is present as an undesirable layer after furnace doping could also be used as a dopant source.
Die selektiven Emitterstrukturen, die mit dem erfindungsgemäßen Laserdotierverfahren hergestellt wurden, zeichnen sich durch besonders günstige Eigenschaften aus. Die mit dem erfindungsgemäßen Laserdotierverfahren herstellbare höhere Dotiertiefe wurde bereits genannt. Eine weitere positive Kenngröße, die sich aus einem tiefen und homogen dotierten Emitter ergibt, ist eine bessere Barrierewirkung gegen die Diffusion von Kontaktmaterialien, wie z. B. Kupfer in das Substratmaterial. Eine weitere hervorzuhebende Eigenschaft der im erfindungsgemäßen Laserdotierverfahren hergestellten selektiven Emitterstruktur ist die scharfe laterale Abgrenzung der höher dotierten Gebiete gegenüber benachbarten Gebieten. Zudem erfahren benachbarte Gebiete durch die selektive Emitterdotierung keine Schädigungen.The selective emitter structures that were produced using the laser doping process according to the invention are characterized by particularly favorable properties. The higher doping depth that can be produced with the laser doping method according to the invention has already been mentioned. Another positive characteristic that results from a deep and homogeneously doped emitter is a better barrier effect against the diffusion of contact materials, such as. B. copper in the substrate material. Another characteristic worth emphasizing of the selective emitter structure produced in the laser doping process according to the invention is the sharp lateral demarcation of the more highly doped regions from neighboring regions. In addition, neighboring areas do not experience any damage due to the selective emitter doping.
In einem nächsten Verfahrensschritt G erfolgt die Laserdotierung der Substrates mit dem hier schematisch dargestellten Laserstrahl 2 des Faserlasers, wobei durch die hohe Positioniergenauigkeit auch eine lokal definierte Dotierung der Substrate 8 möglich ist. In einem weiteren Verfahrensschritt H erfolgt ein Weitertransport der Substrate 8 unter ebenfalls hoher Positioniergenauigkeit bis unter eine Kontrolleinrichtung 18, wo das Ergebnis der Laserdotierung kontrolliert werden kann. Nach erfolgter Kontrolle erfolgt der Weitertransport der Substrate 8 mit einem normalen Transportsystem 15. In einem nächsten Verfahrensschritt K werden die Substrate 8, beispielsweise durch Aufbringen einer Spülflüssigkeit, gereinigt.In a next process step G, the substrate is laser doped with the
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