DE102010060695A1

DE102010060695A1 - Solarzelle und Solarzellenmarkierverfahren

Info

Publication number: DE102010060695A1
Application number: DE102010060695A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Scherff; Andreas Kux
Original assignee: Q Cells SE
Current assignee: Hanwha Q Cells GmbH
Priority date: 2010-11-22
Filing date: 2010-11-22
Publication date: 2012-05-24
Anticipated expiration: 2030-11-23
Also published as: DE102010060695B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Markierung von Halbleiterwafern. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein Strahl elektromagnetischer Strahlung und/oder Teilchenstrahlung im Bereich der Waferzwischenräume in einem spitzen Winkel derart auf einen der Waferoberflächenabschnitte gelenkt wird, dass durch den Strahl auf dem Waferoberflächenabschnitt eine Markierung generiert wird.

Description

Ausgangsmaterial der Solarzellenherstellung sind quaderförmige Siliziumblöcke, sogenannte Ingots. Diese werden gefertigt, indem metallisches Silizium erhitzt und damit geschmolzen und anschließend in einer entsprechenden Gussform wieder erstarrt wird. Anschließend wird der Ingot in länglich erstreckte Quader, sogenannte Bricks, zerteilt, deren Stirnfläche bereits den Ausmaßen einer Solarzelle entspricht. Nun werden die Bricks mittels Drahtsägen in dünne Scheiben von ca. 200 Mikrometer Stärke zerteilt, den sogenannten Wafern. Aus diesen Wafern wird anschließend die endgültige Siliziumsolarzelle gefertigt, indem auf dem Wafer in mehreren aufeinanderfolgenden Prozessschritten verschiedene Schichten aufgetragen bzw. die Schichten durch geeignete Prozesse modifiziert werden.
Dabei hat jeder dieser Prozesse einen Einfluss auf die Güte, und damit den elektrischen Wirkungsgrad, der Solarzelle. Bereits das verwendete Siliziummaterial im Ingot ist ein entscheidender Faktor. Auch die Position des Wafers innerhalb des Ingots (Randbereiche sind stärker verunreinigt als die inneren Bereiche) sowie innerhalb des Bricks (die Konzentration der voreingebrachten Dotierstoffe sowie Sauerstoffeinschlüsse schwankt über die Länge des Bricks) tragen zu den charakteristischen Kennzahlen einer Solarzelle bei, ebenso wie die darauffolgenden Schichtabscheidungsprozesse.
Es ist von technischem Interesse, eine Solarzelle vom Beginn ihrer Fertigung (dem Ingot) bis hin zur fertigen Solarzelle im Solarmodul nachzuverfolgen und sämtliche Fertigungsparameter zuordnen zu können. Durch die somit mögliche Auswertung kann der Einfluss einzelner Prozessparameter auf den Wirkungsgrad der Solarzelle ermittelt werden, was eine kontinuierliche Prozessoptimierung erlaubt. Auch bei Reklamationen von fehlerhaften Produkten kann so eine effektive Fehleranalyse gewährleistet werden.
Die Schwierigkeit besteht darin, dass die einzelnen Fertigungsschritte räumlich getrennt ablaufen und mehrere Transporte beinhalten, bei denen es zu Vertauschungen kommen kann. Auch muss eine Markierung alle Fertigungsprozesse überstehen und am endgültigen Produkt immer noch lesbar sein, um eine Verfolgung über die gesamte Fertigungskette zu gewährleisten.
Ein möglicher Ansatz dieser Markierung wird dabei in der Schrift WO 2008 151 649 A1 beschrieben. Hierbei werden in die Seite des Bricks Einkerbungen in Form eines Barcodes eingebracht, welche nach dem Sägen auf jedem Wafer vorhanden sind. Mittels eines Barcode-Lesers können diese Informationen später ausgelesen werden. Nachteilig an diesem Verfahren ist jedoch, dass die Informationsdichte eines solchen Barcodes relativ gering ist. Im Rahmen des weiteren Fertigungsprozesses kommt es auch zu einer Politur bzw. Entgratung und Ätzung der Seitenkanten, so dass Informationen verloren gehen können. Zudem erhöhen die Kerben das Bruchrisiko des Wafers während der Fertigung.
Eine andere Markierungsmethode beschreibt die Schrift EP 1989740 B1 . Hierbei wird auf den unbehandelten Wafer ein Dot-Matrix-Code aufgebracht, welcher auch nach der Beschichtung noch ausgelesen werden kann und keine Abschattung der Vorderseite verursacht. Nachteilig an diesem Verfahren ist jedoch, dass die Wafer erst nach dem Ablösen des Wafers vom Sägeblock markiert werden. Während des Sägevorgangs wird der Brick auf einen Sägeblock geklebt und anschließend mittels einer Reihe von Drahtsägen zerteilt. Abschließend wird die Anordnung in eine Lösung aus Spül- und Lösungsflüssigkeit getaucht, um die Wafer vom Sägeblock zu lösen und zu vereinzeln. Dabei kommt es zu einer Umsortierung der Wafer, so dass die ursprüngliche Reihenfolge nicht mehr nachvollzogen werden kann.
Ziel der Erfindung ist es daher ein Verfahren zu entwickeln, welches eine Markierung der einzelnen Wafer möglichst früh in der Prozesskette ermöglicht, ohne jedoch die Wafer durch die Markierungen einem erhöhten Bruchrisiko auszusetzen.
Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Markierung von Halbleiterwafern umfassend folgende Verfahrensschritte:

– Bereitstellen eines auf einem Sägeblock fixierten Ingots, der vorangehend zu diesem Markierverfahren zumindest abschnittsweise mittels einer Wafersägevorrichtung zur Herstellung von Halbleiterwafern derart angesägt worden ist, dass entlang einer Erstreckungsrichtung des Ingots eine Vielzahl benachbarter Waferoberflächenabschnitte vorliegen, die durch Waferzwischenräume voneinander beabstandet sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strahl elektromagnetischer Strahlung und/oder Teilchenstrahlung im Bereich der Waferzwischenräume in einem spitzen Winkel derart auf einen der Waferoberflächenabschnitte gelenkt wird, dass durch den Strahl auf dem Waferoberflächenabschnitt eine Markierung generiert wird.

Damit ermöglicht das Verfahren, die bereits aus dem Stand der Technik bekannte Lasermarkierung einer Solarzelle bereits dann auf den Wafer aufzubringen, wenn die einzelnen Wafer noch auf dem Sägeblock fixiert und somit sortiert sind. Nach der Ablösung und dem Bad in der Reinigungslösung wäre die Reihenfolge nicht mehr nachvollziehbar.
Eine bevorzugte Ausführung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl der elektromagnetischen Strahlung und/oder der Teilchenstrahlung in einem Winkelbereich zwischen 0° und 45°, bevorzugt im Bereich zwischen 1,5° und 35° und besonders bevorzugt im Bereich zwischen 2° und 5° auf den Waferoberflächenabschnitt fällt. Hierbei muss für den Eintrittswinkel des Strahls ein Kompromiss gewählt werden. Zum einen wird ein möglichst spitzer Winkel gewünscht, um tief in den Spalt hineinzureichen. Dies führt jedoch zu einem flachen Winkel zwischen Strahl und Waferoberfläche, so dass der Markierungspunkt stark elliptisch verformt wird.
Die bevorzugte Ausführung ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass im Abstand von 0,1 bis 2 mm, bevorzugt 0,2 bis 1 mm von der Kante des Waferoberflächenabschnitts eine Mehrzahl nebeneinander angeordneter Markierungen generiert wird.
Auch hier ist ein Kompromiss zu wählen. Einerseits ist eine Markierung möglicht weit entfernt vom Rand wünschenswert, da sie so besser vor weiteren Prozessschritten der Solarzellenherstellung, beispielsweise Kantenisolierung, Polieren etc. geschützt ist. Andererseits sind tiefere Markierungen nur mit spitzen Winkeln zu erreichen, was zu einer Verformung der Markierung führt.
Eine besonders bevorzugte Ausführung ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung als Laserstrahlung mit einem Wellenlängenbereich zwischen 800 nm und 1600 nm abgegeben wird. Beispielsweise kann ein Nd: YAG-Laser bei 1064 nm, einer Pulslänge von 20–50 nsec und einer Leistung von 5–30 W verwendet werden.
Eine weitere Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Strahlungsquelle des Strahls der elektromagnetischen Strahlung und/oder Teilchenstrahlung vorgesehen ist, die entlang der Erstreckungsrichtung des Ingots verfahren wird.
Eine weitere Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Waferzwischenräume vor dem Generieren der Markierungen gesäubert werden. Dies kann beispielsweise durch eine Spülung mittels Wasserstrahlen oder einem Tauchbad realisiert werden. Durch das Entfernen der Sägerückstände wie Emulsion oder Spänen wird verhindert, dass die Markierung verfälscht wird oder der Strahl der Strahlungsquelle die Waferoberfläche nicht korrekt erreicht.
Die Erfindung beschreibt weiterhin eine Vorrichtung zum Markieren der Oberfläche von Halbleiterwafern, die entlang einer Erstreckungsrichtung eines Ingots aus dem Ingot gesägt werden, umfassend eine Strahlungsquelle zum Erzeugen eines Strahls elektromagnetischer Strahlung und/oder Teilchenstrahlung, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle derart ausgebildet ist, dass der Strahl entlang der Erstreckungsrichtung des Ingots verfahrbar ist und jeweils in einem spitzen Winkel auf die Halbleiterwafer einfällt.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle verfahrbar ausgebildet ist und/oder eine Optik zur räumlichen Bewegung des Strahls der Strahlungsquelle vorgesehen ist. Es ist daher sowohl möglich, die Strahlungsquelle entlang des Sägeblocks zu verschieben, als auch mittels optischer Systeme den Markierungsstrahl zu steuern.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass sich die Optik auch zur Formung des auf die Halbleiterwafer treffenden Strahlprofils eignet. Durch das Auftreffen des Strahls in einem Spitzen Winkel kommt es zu einer elliptischen Verformung des Markierungspunkts. Dies kann durch eine entsprechende optische Anordnung korrigiert werden.
Eine weitere Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Halbleitersägevorrichtung zum Zersägen eines Ingots in Halbleiterwafer aufweist.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle oberhalb der Halbleiterwafer angeordnet ist. Somit kann die Strahlungsquelle platzsparend angeordnet werden, ohne die Sägevorrichtung zu behindern.
Figurenbeschreibung:
1 zeigt die Anordnung der Markierungsvorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform. Dabei ist im linken Teil der Abbildung eine als Lasereinrichtung 1 ausgebildete Strahlungsquelle stilisiert dargestellt, welche einen Laserstrahl 2 aussendet. Die Auslenkung des Laserstrahls erfolgt dabei optisch, so dass nicht die gesamte Vorrichtung gedreht werden muss. Die Optik O umfasst hierbei die Strahlungsquelle sowie strahlformende Einrichtungen. Im rechten Teil wird der Sägeblock 3 gezeigt, welcher entlang seiner Erstreckungsrichtung Z Ausgerichtet ist. Der Sägeblock 3 ist dabei in der Draufsicht abgebildet und gestrichelt dargestellt. Unterhalb des Sägeblocks 3 befindet sich eine Anzahl Siliziumwafer 4. Da ihre Kante breiter als die des Sägeblocks ist, stehen sie jeweils links und rechts unter dem Sägeblock hervor und sind daher in der Draufsicht zu sehen. Der Laserstrahl trifft in der rechten Seite der Abbildung auf die Fläche eines Wafers 4, welche gruppiert unterhalb eines schraffiert gezeichneten Sägeblocks 3 befestigt sind. Der Sägeblock ist dabei wesentlich schmaler als die Wafer ausgebildet, so dass die Wafer an beiden Seiten über den Sägeblock hinaus stehen. Dies ermöglicht einen Eintritt des Laserstrahls sowohl von der Seite als auch von Oben. Der Abstand der Wafer ist im Verhältnis zu ihrer Dicke in dieser Abbildung nicht maßstabsgetreu dargestellt. In der Realität haben die Wafer eine Dicke von 100 bis 200 Mikrometern, während die Sägespalte eine Breite von ca. 100 bis 150 Mikrometern aufweisen.
2 zeigt einen nach diesem Verfahren markierten Wafer. Dabei ist im oberen Teil schraffiert der Sägeblock 3 dargestellt. Darunter befindet sich der Wafer 4. Dieser weist in der linken oberen Ecke ellipsenförmige Markierungen auf, von denen jeweils 3 an der wagerechten sowie an der senkrechten Kante verlaufen. Die elliptische Form ergibt sich dabei durch den punktförmigen Laserstrahl, welcher in einem sehr flachen Winkel auf die Waferoberfläche trifft. Dabei ist die Größe der Markierungen nicht maßstabsgetreu dargestellt.
Bezugszeichenliste

1: Strahlungsquelle
2: Strahl
3: Sägeblock
4: Siliziumwafer
5: Markierung
O: Optik
Z: Erstreckungsrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2008151649 A1 [0005]
EP 1989740 B1 [0006]

Claims

Verfahren zur Markierung von Halbleiterwafern umfassend folgende Verfahrensschritte: – Bereitstellen eines auf einem Sägeblock (3) fixierten Ingots, der vorangehend zu diesem Markierverfahren zumindest abschnittsweise mittels einer Wafersägevorrichtung zur Herstellung von Halbleiterwafern derart angesägt worden ist, dass entlang einer Erstreckungsrichtung (Z) des Ingots eine Vielzahl benachbarter Waferoberflächenabschnitte (4) vorliegen, die durch Waferzwischenräume voneinander beabstandet sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strahl (2) elektromagnetischer Strahlung und/oder Teilchenstrahlung im Bereich der Waferzwischenräume in einem spitzen Winkel derart auf einen der Waferoberflächenabschnitte (4) gelenkt wird, dass durch den Strahl (2) auf dem Waferoberflächenabschnitt (4) eine Markierung (5) generiert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl der elektromagnetischen Strahlung und/oder der Teilchenstrahlung in einem Winkelbereich zwischen 0° und 45°, bevorzugt im Bereich zwischen 1,5° und 35° und besonders bevorzugt im Bereich zwischen 2° und 5°auf den Waferoberflächenabschnitt (4) fällt.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Abstand von 0,1 bis 2 mm, bevorzugt 0,2 bis 1 mm von der Kante des Waferoberflächenabschnitts (4) eine Mehrzahl nebeneinander angeordneter Markierungen (5) generiert wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung als Laserstrahlung mit einem Wellenlängenbereich zwischen 800 nm und 1600 nm abgegeben wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strahlungsquelle des Strahls der elektromagnetischen Strahlung und/oder der Teilchenstrahlung vorgesehen ist, die entlang der Erstreckungsrichtung (Z) des Ingots verfahren wird.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Waferzwischenräume vor dem Generieren der Markierung (5) gesäubert werden.
Vorrichtung zum Markieren der Oberfläche von Halbleiterwafern, die entlang einer Erstreckungsrichtung (Z) eines Ingots aus dem Ingot gesägt werden, umfassend eine Strahlungsquelle (1) zum Erzeugen eines Strahls (2) elektromagnetischer Strahlung und/oder Teilchenstrahlung, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (1) derart ausgebildet ist, dass der Strahl (2) entlang der Erstreckungsrichtung (Z) des Ingots verfahrbar ist und jeweils in einem spitzen Winkel auf die Halbleiterwafer einfällt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (1) verfahrbar ausgebildet ist und/oder eine Optik (O) zur räumlichen Bewegung des Strahls der Strahlungsquelle vorgesehen ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Optik (O) auch zur Formung des auf die Halbleiterwafer treffenden Strahlprofils eignet.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Halbleitersägevorrichtung zum Zersägen eines Ingots in Halbleiterwafer aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (1) oberhalb der Halbleiterwafer angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung einer markierten Solarzelle, wobei in einem ersten Schritt ein markierter Halbleiterwafer bereitgestellt wird, der gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 hergestellt worden ist und in einer Mehrzahl nachfolgender Bearbeitungs- und Strukturierungsschritte aus dem Halbleiterwafer eine Solarzelle hergestellt wird.