DE102005040596B4 - Verfahren zur Entfernung einer dotierten Oberflächenschicht an Rückseiten von kristallinen Silizium-Solarwafern - Google Patents
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Abstract
Verfahren
zur Entfernung einer dotierten Oberflächenschicht an Rückseiten
von kristallinen Silizium-Solarwafern, bei dem im Bereich des Atmosphärendruckes
mit einem Plasma ein Ätzgas
auf die rückseitige Oberfläche von
Silizium-Solarwafern gerichtet und dabei in einem Druckbereich von
ca. 300 Pa um den jeweiligen Umgebungsdruck gearbeitet wird.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum einseitigen Entfernen einer dotierten Oberflächenschicht an Rückseiten von kristallinen Silizium-Solarwafern. Solche dotierten Solarwafer werden zur Ausbildung eines p/n-Überganges an der Oberfläche des Wafers allseitig durch Diffusion mit beispielsweise Phosphor dotiert. Dabei bildet sich auf der gesamten Oberfläche eine n-dotierte Randschicht. Diese ist aber möglichst nur an der Wafer-Oberfläche gewünscht, auf die das Licht für eine photovoltaische Nutzung auftreffen soll (die sog. Frontseite). Zumindest die gesamte Rückseite und auch der äußere Kantenrandbereich sollen elektrisch von der Frontseite isoliert sein, sodass dort die n-dotierte Oberflächenschicht wieder entfernt werden soll. Eine dann mit reinem p-dotiertem kristallinen Silizium gebildete Rückseite kann nachfolgend mit ei ner elektrischen Kontaktierung versehen werden.
- Die dem Licht ausgesetzte Frontseite kann vor oder auch nach der Entfernung der dotierten Rückseitenschicht mit einer Reflexion vermindernden Schicht oder Beschichtung (z. B. SixNy:H oder TiO2) versehen werden.
- Die Entfernung der dotierten Oberfläche wird bisher überwiegend nasschemisch durchgeführt. Dabei werden die einzelnen sehr flachen Zellen in ein Ätzbad gegeben und es erfolgt eine Entfernung der Dotierschicht auf der Rückseite. Bei einer bestimmten Dichte des Ätzbades und Einhaltung bestimmter Grenzflächenverhältnisse kann sich ein Flüssigkeitsmeniskus am äußeren Rand ausbilden, der auch zur teilweisen Entfernung des dotierten Werkstoffes an der äußeren Kante führen kann.
- Hierzu ist eine ständige Überwachung und Einhaltung der hierfür geeigneten Konsistenz des Ätzbades erforderlich, was sehr aufwendig ist.
- Außerdem kann es bei der Handhabung der einzelnen Solarwaferrohlinge, also beim Einsetzen und Herausnehmen aus den Ätzbädern zur Zerstörung kommen, da die Siliziumsubstrate eine sehr geringe Dicke im Bereich einiger weniger hundert Mikrometer aufweisen.
- Des Weiteren muss darauf geachtet werden, dass keine Ätzflüssigkeit oder gasförmige Ätzprodukte auf die Frontfläche gelangen.
- Ein Abtrag der Seitenkanten mit Laserstrahlung ist ebenfalls aufwendig und kostenintensiv.
- Weitere Verfahren zum Abtragen der dotierten Seitenkanten („Kantenisolation") beispielsweise durch Trockenätzverfahren in Vakuumanlagen oder mechanischem Abtrag durch Schleifen weisen ebenfalls den Kostennachteil auf und erhöhen die Wahrscheinlichkeit von Waferbeschädigungen durch aufwändige Handhabeprozesse.
- Möglichkeiten zum Trockenätzen im Vakuum sind von J. Rentsch u. a. in „Industrialisation of dry phosphorus silicate glass etching and edge isolation for criystaline silicon solar cells"; Proceedings of the 20. European Solar Energy Conference and Exhibition; Barcelona; 6.–10. Juni 2005 beschrieben.
- Die
DE 100 32 955 A1 betrifft eine Anordnung zur großflächigen Erzeugung von Hochfrequenz-Niedertemperatur-Plasmen bei Atmosphärendruck und dabei insbesondere ein dazu geeignetes Elektrodensystem. - Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem dotierte Oberflächenschichten von Rückseiten kristalliner Silizium-Solarwafer kostengünstig und bei substratschonender Handhabung der Solarwafer, entfernt werden können. Dabei soll die Frontseite nicht verändert werden, um die Zelleffizenz nicht negativ zu beeinflussen.
- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen können mit den in den untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
- Erfindungsgemäß wird dabei so verfahren, dass eine an sich bekannte Plasmaquelle, mit der ein großflächiges Plasma, mit einer Arbeitsbreite, die vorzugsweise den Abmessungen des Solarwafers entspricht (ca. 150–250 mm), gebildet werden kann, eingesetzt und im Bereich des Atmosphärendruckes gearbeitet wird. Dabei soll in einem Druckbereich von ca. 300 Pa um den jeweiligen Umgebungsatmosphärendruck gearbeitet werden.
- Solche Plasmaquellen sind als Lichtbogen- oder Mikrowellenquelle in
DE 102 39 875 beschrieben, wobei bzgl. des Aufbaus und auch Betriebes solcher Plasmaquellen vollumfänglich auf deren Offenbarungsgehalt zurückgegriffen werden soll. - Das Plasma kann aber auch mittels dielektrischer Entladung gebildet werden.
- Das Plasma tritt aus mindestens einer Düse der Plasmaquelle vermischt mit einem Ätzgas bzw. Ätzgasgemisch aus (sog. Remote-Plasmaätzen). In einer weiteren Variante kann das Ätzgas auch direkt durch die Plasmaquelle geführt werden (sog. Direkt-Plasmaätzen). Durch die Plasmaenergie gebildete Radikale des Ätzgases führen zu einem Abtrag der Oberfläche und die dabei entstehenden gasförmigen Reaktionsprodukte werden mit der Gasströmung abgeführt.
- Es ist nicht zwingend erforderlich die gesamte Fläche der Rückseite dem Plasma auszusetzen. Es kann ausreichend sein lediglich Bereiche, bevorzugt Randzonen, der Rückseite zu berücksichtigen.
- Der Anteil des Ätzgases am Gesamtgasstrom sollte so gewählt werden dass eine effektive und rückstandsfreie Entfernung der dotierten Oberflächenschicht an der Rückseite erreicht wird, wobei die Entfernung im Wesentlichen in einem Reaktionsbereich, der vom unmittelbar aus der Plasmaquelle austretenden Plasma bestimmt wird, erfolgt.
- Der Abgasstrom wird dann radial nach außen abgeführt und strömt parallel zur rückseitigen Oberfläche, an der das Ätzen durchgeführt worden ist, entlang und wird über eine Absaugung entfernt.
- Die Absaugeinrichtung sollte dabei so ausgebildet sein, dass der Reaktionsbereich vollständig umschlossen ist und so betrieben werden, dass eine möglichst gleichmäßige Strömung ausgebildet ist und insbesonde re eine Abrissströmung am radial äußeren Kantenbereich der jeweiligen Solarwafer vermieden werden kann. Dadurch kann ein Ätzumgriff vermieden und die gesamte dotierte Oberflächenschicht auf der Frontseite des Solarwafers beibehalten und für die Photovoltaik beim Betrieb der Zelle die gesamte Fläche genutzt werden.
- Hierfür sollte das Gasgemisch mit einer linearen Strömungsgeschwindigkeit im Bereich 1 bis 20 m/s, bevorzugt bis 5 m/s über die rückseitige Oberfläche strömen.
- Die Ätzzone sollte außerdem mittels einer Spülgaszuführung gegenüber der Umwelt abgedichtet werden. Dabei wird ein inertes Spülgas, z. B. Stickstoff zugeführt. Die Spülgaszuführung soll dabei die Absaugeinrichtung und auch den Reaktionsbereich vollständig umschließen. Spülgas gelangt durch einen Spalt zwischen rückseitiger Fläche der Solarwafer und Plasmaquelle einmal nach außen an die Umgebung und ein Teil des Spülgases wird über die Absaugeinrichtung mit abgeführt.
- Geeignete Ätzgase sind fluorhaltige Gase wie CF4, CHF3, SF6, NF3 oder Chlorverbindungen, z. B. HCl, CCl4, SiHCl3/H2 Es kann auch ein Gasgemisch, beispielsweise durch Zumischen von Sauerstoff oder Wasserstoff eingesetzt werden.
- Ätzgas sollte mit 0,5 bis 10, bevorzugt bis 5 Normlitern je Minute zugeführt werden.
- Außerdem können dem Ätzgas Stickstoff zur Verdünnung zugegeben werden, wobei dies für NF3 mit 2 bis 7, bevorzugt bis 5 Normlitern je Minute erfolgen sollte.
- Es besteht aber auch die Möglichkeit mit dem Ätzgas Sauerstoff zuzuführen, wobei dies insbesondere bei CF4 und SF6 günstig ist. Sauerstoff sollte mit 0,3 bis 1,5 Normlitern je Minute zugeführt werden. Mit zugeführtem Sauerstoff kann die Ätzrate erhöht werden und die entstehende Oberflächentextur beeinflußt werden.
- Die angegebenen Gasvolumenströme für Ätzgas, Spülgas und Sauerstoff sind auf die üblichen Waferabmessungen von ca. 150 bis 250 mm bezogen und können aber bei größeren Flächen von Solarwafern entsprechend angepasst werden.
- In Tabelle I sind geeignete Ätzgase und Gasmischungen mit erreichbaren statischen und dynamischen Ätzraten angegeben.
Ätz-Precursor Statische Ätzrate (μm/mm] Dynamische Ätzrate (μm·m/min] CF4 0.2 0.03 CHF3 0.02 0.003 SF6 2.9 0.3 SF6/O2 6.8 0.7 NF3 11.5 1.4 - Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auch ein p/n-Übergangsbereich rückseitig entfernt werden, so dass eine vollständige p/n-Isolierung an der Rückseite erreichbar ist.
- Für die Plasmabildung kann Stickstoff, Argon, Wasserstoff und/oder Sauerstoff, überwiegend in Form von Gasmischungen eingesetzt werden. Ätzgase können unmittelbar in die Plasmaquelle aber auch erst in das bereits gebildete Plasma eingeführt werden.
- Das Verfahren kann im Durchlauf betrieben werden, wobei einzelne Solarwafer translatorisch unter einer Plasmaquelle hindurch bewegt werden können. Die eine Schlitzdüse oder mehrere Düsenöffnungen aus denen Plasma austritt sollten so gestaltet, angeordnet und dimensioniert sein, dass die gesamte Breite, orthogonal zur Bewegungsrichtung der Solarwafer überstrichen ist.
- Vorteilhaft sind an einer Plasmaquelle mehrere Düsenöffnungen aus denen Plasma mit freien Radikalen sowie Ätzgas auf die rückseitige Oberfläche gerichtet werden können. Die Plasmaquelle ist dabei so ausgebildet, dass um den eigentlichen Reaktionsbereich ein Spalt zwischen Plasmaquelle und rückseitiger Oberfläche von Solarwafern vorhanden ist, durch den Gas strömen kann.
- Vorteilhaft ist es außerdem die einzelnen Solarwafer in Aufnahmen von Trägerelementen einzusetzen, mit denen sie transportiert werden können. Dabei sollten die Aufnahmen so dimensioniert sein, dass die Solarwafer nahezu passgenau aufgenommen werden können und nur ein geringes Spiel zwischen Aufnahme und äußerem Rand des jeweiligen Solarwafers verbleibt. Die rückseitige Oberfläche sollte möglichst bündig mit der Oberfläche eines Trägerelementes abschließen, bzw. in ihrer Höhe nur geringfügig darüber hinaus ragen.
- In dieser Form können die filigranen Solarwafer gut und schonend gehandhabt und transportiert werden, so dass auch Beschädigungen oder die Zerstörung vermieden werden kann.
- Der erforderliche Raumbedarf einer Anlage für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist gering. Es kann ein hoher Durchsatz erreicht werden und die Betriebskosten sind relativ gering. Außerdem können Gesundheitsbeeinträchtigungen vermieden werden und die Anforderungen für den Arbeitsschutz sind insbesondere im Vergleich zu nasschemischen Verfahren deutlich geringer.
- Die Solarwafer können bereits vor Durchführung des Verfahrens mit einer Antireflex-Beschichtung aber auch danach versehen werden.
- Durch den Einfluss des Plasmas kann auch die Oberflächenbeschaffenheit der Rückseite verändert und eine Glättung mit reduzierter Oberflächenrauheit erreicht werden. Dadurch kann der Wirkungsgrad der Solarwafer verbessert werden. Die verbesserten Oberflächeneigenschaften wirken sich auch positiv aus, wenn auf der Rückseite eine Kontaktierung ausgebildet oder eine zusätzliche Beschichtung, als Passivierung aufgebracht werden soll. So können besonders günstig dielektrische Schichten, z. B. aus Siliziumnitrid auf eine entsprechend geglättete rückseitige Oberfläche abgeschieden werden.
- Mit dem Ätzschritt kann die Rückseite des Solarwafers mit einer Textur versehen werden, beispielsweise unter Ausbildung einer inversen Pyramidentextur mit Kantenlängen im Mikrometerbereich oder einer Nano-Textur. Damit kann eine Erhöhung der Lichtstrahlweglänge innerhalb der Solarwafer und eine erhöhte Absorption von Lichtstrahlung erreicht werden, was insbesondere bei dünnen Wafern zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades beim Betrieb der fertig prozessierten Solarwafer führt.
- Außerdem kann die Reflektivität reduziert werden. Dies geht auch aus dem in
2 gezeigten Diagramm hervor. Dabei wurde die Reflektivität an einem Solarwafer nach der Durchführung des Verfahrens und ohne zusätzliche Antireflex-Beschichtung bestimmt. Der Kurvenverlauf3 entspricht einem unbehandelten Solarwafer mit hoher Reflektivität. Der Kurvenverlauf2 entspricht einer porösen Textur an der Rückseite und der Kurvenverlauf1 einer Textur mit Pyramidenstruktur an der Rückseite. - Nachfolgende Tabelle II gibt mit unterschiedlichen Ätzgasen ausgebildete Texturen an Rückseiten von Silizium-Solarwafern nach dem Entfernen der dotierten Schicht wieder. Tabelle II
- In
1 ist in schematischer Form ein Solarwafer dargestellt, bei dem ein Bereich der Oberfläche durch Ätzen bearbeitet und eine dotierte Schicht zumindest rückseitig und nicht an der Frontseite entfernt werden soll. - Es kann auch eine n-dotierte Schicht, an Stelle einer der p-dotierten Schicht so entfernt werden.
Claims (24)
- Verfahren zur Entfernung einer dotierten Oberflächenschicht an Rückseiten von kristallinen Silizium-Solarwafern, bei dem im Bereich des Atmosphärendruckes mit einem Plasma ein Ätzgas auf die rückseitige Oberfläche von Silizium-Solarwafern gerichtet und dabei in einem Druckbereich von ca. 300 Pa um den jeweiligen Umgebungsdruck gearbeitet wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasgemisch parallel zur rückseitigen Oberfläche unter Vermeidung einer Abrissströmung am radial äußeren Kantenbereich des jeweiligen Silizium-Solarwafers strömt und mittels einer den Reaktionsbereich abschließenden Absaugeinrichtung abgeführt wird.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Plasmaquelle, mit der ein großflächiges Plasma mit einer Arbeitsbreite die vorzugsweise den Abmessungen des Solarwafers entspricht, gebildet wird, eingesetzt und im Bereich des Atmosphärendruckes gearbeitet wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die rückseitige Oberfläche durch den Einfluss des Plasmas geglättet und/oder die Oberflächenrauheit reduziert wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasgemisch über die rückseitige Oberfläche mit einer Strömungsgeschwindigkeit im Bereich von 1 bis 20 m/s entlang geführt wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktionsbereich durch Zufuhr eines Spülgases über eine die Absaugeinrichtung und den Reaktionsbereich vollständig umschließende Spülgaszuführung abgedichtet wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ätzgas, das mit CF4, CHF3, SF6, NF3, oder einer Chlorverbindung allein oder als Gasgemisch gebildet ist, eingesetzt wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ätzgas mit 0,5 bis 10 Normlitern je Minute zugeführt wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Ätzgas zusätzlich ein Verdünnungsgas zugeführt wird.
- Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Stickstoff zugeführt wird.
- Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass Verdünnungsgas mit 2 bis 7 Normlitern je Minute zugeführt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gasgemisch mit NF3 und Stickstoff zugeführt wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Sauerstoff zugeführt wird.
- Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gasgemisch mit Sauerstoff und CF4 oder SF6 zugeführt wird.
- Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass Sauerstoff mit 0,3 bis 1,5 Normlitern je Minute zugeführt wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Plasmaenergie freie Radikale des Ätzgases gebildet und mit dem Plasma in den Reaktionsbereich gerichtet werden.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Plasmabildung Stickstoff, Argon, Sauerstoff und/oder Wasserstoff eingesetzt wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Plasma mit zumindest teilweise in Radikale zerlegtem Ätzgas durch eine Schlitzdüse oder mehrere in versetzter Anordnung ausgebildete Düsenöffnungen über die gesamte Breite eines Silizium-Solarwafers gerichtet und der jeweilige Silizium-Solarwafer translatorisch orthogonal zur Breite des Silizium-Solarwafers unterhalb einer Plasmaquelle bewegt wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass lediglich Bereiche der rückseitigen Oberfläche dem Einfluss von Plasma ausgesetzt werden.
- Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass lediglich die äußere Randzone der Rückseite vom Plasma beeinflusst wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Silizium-Solarwafer in Aufnahmen von Trägerelementen eingelegt werden.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Plasmabildung eine Lichtbogen- oder Mikrowellenplasmaquelle verwendet oder eine dielektrisch behinderte Entladung eingesetzt wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche für eine diffuse Lichtreflexion durch das Ätzen strukturiert wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es als Durchlaufverfahren durchgeführt wird.
Priority Applications (4)
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