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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verrunden der Kanten von Wafern,
wobei, vor der Erstellung der Wafer, einem Ingot, aus dem der Wafer
gewonnen wird, ein Kantenprofil aufgeprägt wird. Des Weiteren wird
der so gewonnene Wafer und der Ingot mit aufgeprägtem Kantenprofil beansprucht.
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Die
Kosten für
die Erzeugung elektrischer Energie mit Hilfe der Photovoltaik (PV)
sind nur für spezielle
Anwendungen im Vergleich zu anderen Arten der Energieerzeugung konkurrenzfähig, das Hauptentwicklungsziel
der Industrie ist die Senkung der Kosten pro installierter KWpeak
um mindestens einen Faktor 3. Deswegen sind Kosten treibende Einzelscheibenprozesse
nicht akzeptabel bzw. unerwünscht.
Die Herstellung von Ausgangsmaterial – Silizium Scheiben (ca. 90%
Marktanteil in der PV) – und der
eigentliche Herstellungsprozess sind entweder Batchprozesse oder
continuous flow Prozesse. Ein solcher Einzelscheiben-Prozessschritt, die
Kantenverrundung einzelner Siliziumscheiben in einer speziellen
Kantenverrundungsanlage, wird bei Scheiben für die Mikroelektronik seit
Mitte der 70er Jahre standardmäßig eingesetzt,
da er zu einer deutliche Verringerung der Verluste durch Scheibenbruch
und Partikel von dem „bröckelnden" Rand- führt. In
der PV würde
eine Kantenverrundung auch hier zu geringeren Bruchraten und höheren Ausbeuten
und/oder Wirkungsgraden führen.
Als Einzelscheiben-Prozess ist das Kantenverrunden aber für die PV
aber im Vergleich zu der Ersparnis zu teuer und wird deswegen nicht
verwendet.
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Bisher
wurden die Randbereiche von Wafern nach dem Abtrennen vom Ingot
behandelt. So wird beispielsweise in der
DE 102 21 859 ein Verfahren beschrieben,
bei dem ein um den Wafer laufendes Band zur Profilbildung der Randbereiche
verwendet wird. In dieser Schrift sind zudem weitere Verweise aufgelistet,
auf die der geneigte Leser verwiesen wird. Der Stand der Technik
beschreibt Verfahren, die ausschließlich auf den schon vom Ingot
abgetrennten Wafer abzielen. Der Nachteil dieser Verfahren liegt
darin, dass beim üblichen
Trennprozess, hier im Allgemeinen das Sägen, Bruchstücke entstehen, welche
die empfindlichen Oberflächen
der Wafer verunreinigen können.
Die Verunreinigungen, die durch einen solchen Partikelschauer entstehen
können, müssen aufwändig entfernt
werden. Dies heißt
unter anderem, dass der Produktionsprozess angehalten werden muss
und dann eine Reinigung erfolgt. In der PV sind diese Partikelschauer
ein nachrangiges Problem, da die Energieausbeute dadurch nicht drastisch
gesenkt wird. Für
die PV entstehen durch die nicht behandelten Randbereiche eines
Wafers Störungen
im Material, welche die Energieausbeute um bis zu 7% reduzieren.
Dies folgt aus den langjährigen Erfahrungen
des Erfinders, der über
vor allem muschelartige Ausbrüche
an den Rändern
gesägter
Wafer berichtet. Eine Behandlung dieser Randbereiche durch Verfahren
aus dem Stand der Technik ist sehr kostenaufwändig und wird deshalb nicht
durchgeführt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es ein Verfahren zum Verrunden von
Wafern, insbesondere von Siliziumscheiben für die Photovoltaik, bereitzustellen,
bei dem die aufgezeigten Nachteile vermieden werden.
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Die
Aufgabe wird gemäß der Erfindung
mit einem Verfahren zum Verrunden von Wafern, insbesondere von Siliziumscheiben
für die
Photovoltaik, dadurch gelöst,
dass dem Ingot ein Kantenprofil aufgeprägt wird. Damit wird vor dem
Abtrennprozess zur Gewinnung des Wafers bereits das zukünftige Teilkantenprofil
des Wafers festgelegt. Damit kann das momentan praktizierte Vorgehen
der Kantenbearbeitung des Wafers – nach dem Abtrennen vom Ingotumgangen
werden. Als Wafer werden hier unterschiedlichste Arten von Halbleiter-
und Keramikmaterialien verstanden. So kann ein solcher Wafer aus mono-
oder polykristallinen Silizium bestehen. Auch andere Keramiken,
die als Trägermaterial
in Frage kommen sind von dem Begriff Wafer umfasst. Weiterhin ist
ein Wafer der hier beschriebenen Art nicht auf die Verwendung in
der Photovoltaik beschränkt,
sondern auch die in der Halbleiterindustrie für andere Zwecke, wie Chip-
und Bauteileherstellung verwendeten Wafer sind erfindungsgemäß umfasst.
Der Ingot kann jede beliebige Form aufweisen, wobei für monokristallines
Silizium die durch Ziehen aus einem einzigen Kristall gewonnene
Form und für
polykristallines Silizium die quadratische Säulenform bevorzugt ist. Als
Kantenprofil wird die Form auf dem Ingot bezeichnet, die durch den
Aufprägvorgang
auf dem Ingot entsteht.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
des Verfahrens, wird das Kantenprofil entlang wenigstens einer Schnittkante
des Ingots aufgeprägt.
Wobei die Schnittkante den Ort auf dem Ingot umfasst, bei dem der
Abtrennprozess zum Erhalt des Wafers erfolgt. Für den Abtrennprozess können verschiedene
Abtrennmittel zum Abtrennen des Wafers verwendet werden, wobei die
Abtrennmittel im Wesentlichen entlang des Kantenprofils geführt werden.
Als Abtrennmittel werden bevorzugter Weise Sägen oder auch Spaltmittel,
wie sie in
JP2003332273 oder
DE3029828 oder auch
DE1207636 beschrieben sind,
verwendet. Auch Kombinationen von Spalt- und Sägevorgängen sind erfindungsgemäß umfasst.
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Durch
die vor dem Abtrennen erfolgte Kantenprofilaufprägung und dem darauf folgenden
Abtrennvorgang bildet sich erfindungsgemäß ein im Wesentlichen vorbestimmtes
Teilkantenprofil am Rand des Wafers aus. In einer bevorzugten Ausführungsform
entspricht das Teilkantenprofil dem Kantenprofil. Dies ist der Fall,
wenn der Abtrennvorgang des Wafers durch einen Spaltvorgang erfolgt.
Wird der Abtrennvorgang mittels sägen durchgeführt, weicht
das Teilkantenprofil im Wesentlichen um den anteiligen Beitrag der
Säge vom
Kantenprofil ab. Weiterhin wird in einer ganz besonderen Ausführungsform
das Kantenprofil schleifend oder spanend dem Ingot aufgeprägt, wobei
auch Kombinationen erfindungsgemäß umfasst
sind. Spanende Vorgänge werden
beispielsweise in Chao et al. in Journal of Materials Processing
Technology (Seiten 187-190) beschrieben.
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Weiterhin
kann das Aufprägen
des Kantenprofils mittels Ätzung
erfolgen, wobei die bevorzugten Ätzflüssigkeiten
HF + HNO3, KOH oder auch HF + HNO3 + Essigsäure sind. Erfindungsgemäß sind Laserstrahlbehandlungen
im UV und VIS-Bereich
sowie Ionenstrahlbehandlungen umfasst.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist das Aufprägwerkzeug
als Schleif- oder Spanwerkzeug mit einer Form ausgestaltet, welche
dem Kantenprofil als Negativ entspricht. Zudem wird bevorzugter
Weise das Kantenprofil in einem Prozessschritt oder auch in mehreren
nach einander erfolgenden Prozessschritten dem Ingot mittels Aufprägwerkzeug
aufgeprägt.
Auch ist das Aufprägen
mehrerer Kantenprofile auf dem Ingot währen eines Prozessschrittes
mit umfasst.
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In
einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform wird das dem Ingot
aufgeprägte
Kantenprofil durch ein Polierwerkzeug poliert. Dies reduziert mögliche Partikelschauer
und verringert Störungen
in den Randbereichen des späteren
Wafers. Ein Polieren kann erfindungsgemäß auch am Wafer erfolgen.
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Erfindungsgemäß sind insbesondere
die Formen für
das Kantenprofil umfasst, welche nach dem Abtrennvorgang des Wafers
ein Teilkantenprofil am Wafer aufweisen, welches als Kreissegment
oder Parabelsegment ausgebildet ist. Weiterhin sind die Kantenprofilformen
umfasst, bei denen nach dem Abtrennvorgang des Wafers im Wesentlichen
glatte Übergange
zur Scheibenfläche
erhalten werden. Glatte Übergänge zeichnen
sich durch geringe Krümmungen
entsprechend der zweiten mathematischen Ableitung aus. Aber auch Übergänge die
keine mathematische Beschreibung der Ableitung am Übergang
von Scheibenkante zu Scheibenfläche
erlauben, wie sie bei dreieckigen oder trapetzförmigen Kantenprofilen entstehen,
sind erfindungsgemäß mit umfasst.
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1:
Darstellung verschiedener Ingots.
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2:
Darstellung der erfindungsgemäßen Arbeitsschritte
am Ingot.
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3:
Beispiel einer Form für
Kantenprofile zuzüglich
Säge und
abgetrennten Wafer.
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4:
Beispiel einer Form für
Kantenprofile zuzüglich
Säge und
abgetrennten Wafer.
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5:
Beispiel einer Form für
Kantenprofile zuzüglich
Säge und
abgetrennten Wafer.
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6:
Beispiel einer Form für
Kantenprofile zuzüglich
Säge und
abgetrennten Wafer.
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7:
Beispiel einer Form für
Kantenprofile zuzüglich
Säge und
abgetrennten Wafer.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren erläutert. Dabei
zeigt 1 schematisch verwendete Ingots. Zum Einen einen
gezogenen monokristallinen Ingot 1, zum Anderen die typische
Form eines polykristallinen Ingots 2.
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In 2 ist
ein bearbeiteter monokristalliner Ingot 1 dargestellt.
Diesem wird in einem weiteren Prozessschritt 2 ein Kantenprofil 4 aufgeprägt. Bei dem
mit dem aufgeprägten
Kantenprofil ausgebildete Ingot 3, wird entlang des Kantenprofils 5 ein
Wafer 7 abgetrennt 6. Dieser Wafer enthält an seinen
Kanten ein Teilprofil, welches nicht mehr zum Brechen neigt und
verminderte Störstellen
aufweist. Da die typischen Dicken der Wafer bei 150 Micrometer und
die typischen Dicken der verwendeten Sägen zwischen 80 und 150 Micrometer
liegen, sind die typischen Breiten und Tiefen der Kantenprofile ähnlich breit
und tief, wobei die Kantenprofile regelmäßig breiter sind als die verwendeten
Abtrennmittel. Insbesondere die Tiefe (in Pfeilrichtung) umfasst
Werte zwischen 1 und 300 Micrometer, wobei in einer besonderen Ausführungsform
die Tiefe Werte zwischen 10 und 250 Micrometer aufweist und in einer
ganz besonderen Ausführungsform
die Tiefe Werte zwischen 50 und 150 Micrometer aufweist.
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Entsprechende
Kanten- und Teilkantenprofile sind in den 3 bis 7 dargestellt.
Dabei sind die Bezeichner für
alle Figuren einheitlich gewählt. Die
Bezeichner werden anhand 3 eingeführt. In 3 weist
der Ingot 1 ein trapetzförmiges Kantenprofil 2 auf.
Dieses Kantenprofil 2 weist einen Bereich 3 auf,
welcher das Abtrennwerkzeug – hier
eine Säge 4,
aufweisend einen Sägezahnbereich 5,
mit Sägezahnwirkung 6 vertikal
zur Betrachtungsebene, wobei sich die Säge in Pfeilrichtung 7 durch
den Ingot 1 wirkt bzw. arbeitet – führt. Nach dem die Säge einen Teil
des Ingots (Wafer 8) abgetrennt hat, weist der Wafer 8 ein
Teilkantenprofil 9 auf, welcher als Trapetzschenkel ausgebildet
ist. Zusätzlich
weist der Wafer 8 eine Schnittfläche 10 auf. Somit
enthält
der Wafer 8 ein definiertes Teilkanntenprofil 9.
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In 4 ist
eine weitere bevorzugte Ausführungsform
für das
Kantenprofil dargestellt. Das Kantenprofil 2 ist in Dreiecksform
ausgebildet. Wie zuvor trennt die Säge 4 den Wafer 8 vom
Ingot 1 im Schritt 7, welcher die Wirkrichtung
der Säge 4 angibt,
ab. Der Wafer 8 weist als Teilkantenprofil einen verkürzten Dreiecksschenkel 9 auf.
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In 5 ist
eine weitere bevorzugte Ausführungsform
für das
Kantenprofil dargestellt. Das Kantenprofil 2 ist teilweise
in Teilkreisform 2 zuzüglich
eines Schnittbereichs 3 ausgebildet. Wie zuvor trennt die
Säge 4 den
Wafer 8 vom Ingot 1 im Schritt 7, welcher
die Wirkrichtung der Säge 4 angibt,
ab. Der Wafer 8 weist als Teilkantenprofil eine Teilkreisform
auf.
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In 6 ist
eine weitere bevorzugte Ausführungsform
für das
Kantenprofil dargestellt. Das Kantenprofil 2 ist in Trogform
ausgebildet. Wie zuvor, trennt die Säge 4 den Wafer 8 vom
Ingot 1 im Schritt 7, welcher die Wirkrichtung
der Säge 4 angibt,
ab. Der Wafer 8 weist als Teilkantenprofil die Trogform, um
den durch die Säge 4 verminderten
Teil (9), auf. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen,
dass in dieser bevorzugten Ausführungsform kein
glatter Übergang
des Teilkantenprofils 9 zur Schnittfläche 10 vorliegt, jedoch
diese Ausführung
erfindungsgemäß umfasst
ist.
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7 ist
analog zu 6 zu betrachten. Einziger Unterschied
ist, dass die Trogform 2 ausgeprägter ist. Auch in dieser Ausführungsform
liegt kein glatter Übergang
des Teilkantenprofils 9 zur Schnittfläche 10 vor, jedoch
ist diese Ausführung
ebenfalls erfindungsgemäß umfasst.