DE102010060908A1 - Method for marking semiconductor wafer used in manufacturing process of solar cell, involves printing information including process parameters in edge of wafer - Google Patents
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Abstract
Description
Bei der Herstellung von Halbleiterwafern wird zunächst das Ausgangsmaterial, beispielsweise flüssiges Silizium, in quadratische Tiegel gegossen und anschließend kontrolliert abgekühlt und somit erstarrt. Die so hergestellten Siliziumblöcke, so genannte Ingots, haben eine Kantenlänge von ca. 0,7 bis 1 m. Anschließend werden die Ingots in länglich erstreckte, quaderförmige Blöcke zersägt, wobei die Querschnittsfläche typischerweise eine Kantenlänge von ca. 16 cm aufweist und damit der Fläche eines Halbleiterwafers, zuzüglich des Materialverlustes im weiteren Herstellungsprozess, entspricht. Diese quaderförmigen Blöcke werden als Bricks bezeichnet und in weiteren Prozessschritten entlang ihrer Erstreckungsrichtung in eine Vielzahl scheibenförmiger Wafer zersägt. Die derart hergestellten Wafer kommen anschließend als Ausgangsmaterial in Solarzellenherstellungsverfahren zum Einsatz.In the production of semiconductor wafers, the starting material, for example liquid silicon, is first poured into square crucibles and then cooled in a controlled manner and thus solidified. The silicon blocks produced in this way, so-called ingots, have an edge length of approximately 0.7 to 1 m. Subsequently, the ingots are sawed into elongated, cuboid blocks, wherein the cross-sectional area typically has an edge length of about 16 cm and thus corresponds to the surface of a semiconductor wafer, plus the loss of material in the further manufacturing process. These block-shaped blocks are referred to as bricks and sawed in further process steps along their extension direction into a plurality of disk-shaped wafers. The wafers produced in this way are then used as starting material in solar cell production processes.
Bedingt durch dieses Herstellungsverfahren unterscheiden sich die Halbleiterwafer abhängig von ihrer Position im Ingot und im einzelnen Brick sowie von den verwendeten Sägeparametern teils erheblich in ihren elektrischen und mechanischen Eigenschaften. So kann beispielsweise die Konzentration von Verunreinigungen, Dotierstoffen und Kristallfehlern mit der Position im Ingot und/oder im Brick variieren oder die Tiefe der Kristallschädigung in der Oberfläche der Wafer von den Sägeparametern abhängen.Depending on their position in the ingot and in the individual brick and on the sawing parameters used, the semiconductor wafers differ considerably in their electrical and mechanical properties as a result of this production method. For example, the concentration of impurities, dopants, and crystal defects may vary with position in the ingot and / or brick, or the depth of crystal damage in the surface of the wafer may depend on the sawing parameters.
Daraus folgt, dass die Lage eines Halbleiterwafers sowohl im Ingot als auch im Brick wesentlich mit seinen zu erwartenden technischen Eigenschaften und somit mit seiner Qualität korreliert bzw. der erforderliche Ätzabtrag zur Beseitigung von Sägeschäden variiert. Es ist daher insbesondere von Interesse, die genaue Waferposition im Ingot und/oder im Brick als wesentlichen Prozessparameter an jedem Wafer ablesen zu können, um ihn entsprechend zu kategorisieren.It follows that the position of a semiconductor wafer both in the ingot and in the brick correlates significantly with its expected technical properties and thus with its quality or varies the required Ätzabtrag to eliminate Sägeschäden. It is therefore of particular interest to be able to read off the exact wafer position in the ingot and / or brick as a significant process parameter on each wafer in order to categorize it accordingly.
Unter dem Merkmal der Waferposition und der damit verbundenen räumlichen Lageinformation eines Wafers werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung einzelne, eine Mehrzahl oder alle der folgenden Informationen verstanden:
- – Lage des Wafers bezüglich des Ingots (Eckbereiche, Seitenbereiche oder innere Bereiche des Ingots),
- – Waferposition in Bezug zur Erstreckungsrichtung des zugehörigen Bricks und
- – Orientierung des Wafers mit seiner Vorder- und Rückseite im Bezug zum Ingot sowie ortstreue zu benachbarten Bricks (achsiale Verdrehung).
- The position of the wafer relative to the ingot (corner areas, side areas or inner areas of the ingot),
- Wafer position with respect to the direction of extension of the associated brick and
- - Orientation of the wafer with its front and back in relation to the ingot as well as location loyalty to adjacent bricks (axial twisting).
Schon das Aufbringen einer Markierung an der Oberfläche einzelner Bricks eines Ingots birgt die Schwierigkeit, dass diese Oberfläche im weiteren Herstellungsprozess noch mehrmals behandelt wird, und entsprechend angebrachte Markierungen dabei wieder verloren gehen oder stark degradiert werden können. Auch müssten solche Markierungen auf sämtliche Wafer übertragen werden. Der wesentliche Prozessparameter in Form der Information über die Lage eines Wafers innerhalb eines Bricks kann bei den dem Sägeschritt nachfolgenden Prozessschritten leicht verloren gehen, wenn diese Information über die Waferposition im Brick nicht in einer Markierung codiert ist.Even the application of a marking on the surface of individual bricks of an ingot involves the difficulty that this surface is treated several times in the further manufacturing process, and correspondingly applied markings can be lost again or greatly degraded. Also, such markers would have to be transferred to all wafers. The essential process parameter in the form of information about the position of a wafer within a brick can easily be lost in the process steps following the sawing step if this information about the wafer position in the brick is not coded in a marking.
Möglichkeiten, die räumliche Lageinformation eines Wafers innerhalb des Ingots/Bricks festzuhalten bestehen insbesondere darin, eine Seitenfläche des Bricks mit einer Markierung in Form einer geeignet geformten Kerbenstruktur zu versehen oder die spezifische Orientierung der Korngrenzenstruktur auf der Oberfläche oder an den Kanten multikristalliner Wafer zu nutzen.In particular, possibilities to hold the spatial position information of a wafer within the ingot / brick consist in providing a side face of the brick with a mark in the form of a suitably shaped notch structure or to use the specific orientation of the grain boundary structure on the surface or edges of multicrystalline wafers.
Das erste Verfahren mit der Kerbenstruktur wird beispielsweise in der Druckschrift
Daraus ergibt sich die Konsequenz, dass die zu den spezifischen Kanten-Kerbenstruktur-Markierungen gespeicherten Daten gegebenenfalls sehr lange für eine spätere Auswertung der Solarzellenperformance gespeichert werden müssten.This results in the consequence that the data stored for the specific edge-notch structure markings may need to be stored for a very long time for later evaluation of the solar cell performance.
Zudem ist nachteilig, dass die Kanten-Kerbenstruktur-Markierung im Laufe des Herstellungsprozesses einer Wafersolarzelle undeutlich werden bzw. verloren gehen kann, da die Waferkanten im Solarzellenherstellungsprozess mehrmals behandelt werden. Die auf den ersten Blick nahe liegendste Lösung, die Kanten-Kerbenstruktur-Markierung entsprechend tiefer einzubringen, ist jedoch nicht zweckmäßig, da dies zu einem erhöhten Materialverlust und vor allem zu einem erhöhten Bruchrisiko aufgrund der an der mechanisch empfindlichen Kante befindlichen Kerbenstruktur führen würde.In addition, it is disadvantageous that the edge notch structure marking can be obscured or lost in the course of the production process of a wafer solar cell, since the wafer edges are treated several times in the solar cell production process. However, the solution that seems most obvious at first glance, namely to lower the edge notch markings accordingly, is not expedient, since this leads to an increased loss of material and, above all, to an increased risk of breakage due to the would lead to the mechanically sensitive edge notch structure.
Für multikristalline Halbleiterwafer besteht eine weitere Möglichkeit, die Lageinformation des Halbleiterwafers innerhalb eines multikristallinen Ingots oder eines multikristallinen Bricks zu codieren. Die einem Fingerabdruck ähnliche spezifische Kristallstruktur der Korngrenzen an den Seitenflächen noch ungesägter Bricks wird dazu optisch aufgenommen. Währen der Prozessierung des Halbleiterwafers lässt sich dessen Kristallstruktur der Korngrenzen an den Kanten mittels Kameras auslesen, so dass sich auf diese Weise die Lageinformation des Halbleiterwafers im Brick ergibt.For multicrystalline semiconductor wafers, another possibility is to code the position information of the semiconductor wafer within a multicrystalline ingot or a multicrystalline brick. The specific fingerprint-like crystal structure of the grain boundaries on the side surfaces of unswept bricks is optically recorded. During the processing of the semiconductor wafer, its crystal structure of the grain boundaries at the edges can be read out by means of cameras, so that in this way the position information of the semiconductor wafer results in the brick.
Ein wesentlicher Nachteil dieses Verfahrens ist, dass sich dieses Verfahren nur bei multikristallinen Wafern einsetzen lässt. Weiterhin ist eine spätere Zuordnung im Solarmodul mit diesem Verfahren ebenfalls nicht möglich, da dort keine Möglichkeit mehr besteht, die Waferkante auszuwerten. Des Weiteren handelt es sich auch um ein analoges Verfahren, welches eine hohe Fehleranfälligkeit besitzt. Außerdem lassen sich keinerlei Prozessdaten aus dem Herstellungsprozess der Wafersolarzelle in die genutzte Kantenmarkierung codieren. Daher müssten diese Daten extern mittels einer zugehörigen Datenbank in Bezug zur spezifischen Kristallstruktur der Korngrenzen gespeichert werden.A major disadvantage of this method is that this method can only be used with multicrystalline wafers. Furthermore, a later assignment in the solar module with this method is also not possible because there is no possibility to evaluate the wafer edge. Furthermore, it is also an analogous method which has a high susceptibility to errors. In addition, no process data can be encoded from the production process of the wafer solar cell into the edge marking used. Therefore, these data would have to be stored externally by means of an associated database in relation to the specific crystal structure of the grain boundaries.
Weiterhin existieren bereits patentierte Verfahren, welche das Aufbringen von Serien-Markierungen beabstandet von der Kante auf der Vorder- oder auf der Rückseite des Halbleiterwafers beschreiben. Diese Serien-Markierungen bleiben über den gesamten Herstellungsprozess erhalten und können noch im Solarmodul, also dem Endprodukt, ausgelesen werden. Beschrieben ist ein solches Verfahren beispielsweise in der Patentschrift
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Kennzeichnung von Wafersolarzellen oder zur Kennzeichnung von Vorprodukten von Wafersolarzellen mit Informationen bereit zu stellen, das gegenüber dem Stand der Technik eine erweiterte Funktionalität bereit stellt und dabei unabhängig von der Kristallstruktur der zum Einsatz kommenden Wafer ist.The present invention is based on the object of providing a method for identifying wafer solar cells or for identifying preproducts of wafer solar cells with information that provides an extended functionality in comparison to the prior art and thereby independent of the crystal structure of the wafer used is.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Informationen mindestens einen technischen Prozessparameter der Wafersolarzelle oder des Vorproduktes umfassen.According to the invention, the information comprises at least one technical process parameter of the wafer solar cell or of the preliminary product.
Als technische Prozessparameter im Sinne der vorliegenden Erfindung gelten insbesondere die folgenden Parameter:
- 1. Parameter aus Herstellungs- und Bearbeitungsprozessen, wobei diese aus vorangegangenen Herstellungs- und Bearbeitungsprozessen bereits als Markierungen in der Kante des Wafers verkörpert vorliegen können und
- 2. Parameter, die an dem Wafer gemessen worden sind.
- 1. Parameters from manufacturing and processing processes, which may already be embodied as marks in the edge of the wafer from previous manufacturing and processing processes, and
- 2. Parameters that have been measured on the wafer.
Der erste Parameterkomplex umfasst insbesondere die Position des Wafers innerhalb des Bricks/Ingots, Prozessdaten zur Kristallisation des Ingots (z. B. eingesetzte Öfen und Kristallisationsprozesse), Prozessdaten zum eingesetzten Rohmaterial (z. B. Quarz, Kohle) und Prozessdaten zum so genannten Wafering, d. h. dem Sägen und dem anschließenden Reinigen der Wafer aus dem Brick (z. B. eingesetzte Slurry, Sägeprozessparameter, Reinigungsmittel).In particular, the first parameter complex includes the position of the wafer within the brick / ingot, process data for the crystallization of the ingot (eg furnaces and crystallization processes used), process data for the raw material used (eg quartz, coal) and process data for so-called wafering , d. H. Sawing and subsequent cleaning of the wafers from the brick (eg used slurry, sawing process parameters, cleaning agents).
Der zweite Parameterkomplex umfasst Messwerte des Wafers wie zum Beispiel dem Oberflächenwiderstand, der Oberflächenrauhigkeit, dem Sauerstoffgehalt des Halbleitermaterials, den Waferabmaßen (Dicke, Keiligkeit) und der Dichte von Mikrorissen.The second parameter complex includes measurements of the wafer such as the surface resistance, the surface roughness, the oxygen content of the semiconductor material, the wafer dimensions (thickness, wedging) and the density of microcracks.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Markierverfahrens ist vorgesehen, dass der technische Prozessparameter aus einem dem Verfahren zur Markierung vorangehenden, von der Wafersolarzelle oder vom Vorprodukt durchlaufenen Bearbeitungsprozess stammt. Vorangehend sind entsprechende Beispiele genannt.In a preferred embodiment of the marking method, it is provided that the technical process parameter originates from a processing process preceding the marking process, from the wafer solar cell or from the preliminary product. Previously, corresponding examples are mentioned.
Vorteilhaft ist es, dass zum Zeitpunkt des Bereitstellens mindestens ein technischer Prozessparameter an der Wafersolarzelle oder am Vorprodukt anhand einer in der Kante der Wafersolarzelle oder in der Kante des Vorproduktes angeordneten Prozessmarkierung verkörpert ist. Bevorzugt ist die in der Kante der Solarzelle oder in der Kante des Vorproduktes vorhandene Prozessmarkierung in Form einer Kerbmarkierung ausgebildet, welche die Information über die Waferposition in einem Brick und/oder die Information über die Waferposition in einem Ingot enthält.It is advantageous that, at the time of providing, at least one technical process parameter is embodied on the wafer solar cell or on the precursor based on a process marking arranged in the edge of the wafer solar cell or in the edge of the preliminary product. The process marking present in the edge of the solar cell or in the edge of the preliminary product is preferably in the form of a notch mark which contains the information about the wafer position in a brick and / or the information about the wafer position in an ingot.
In einer Weiterbildung ist es besonders vorteilhaft, wenn die als Kerbmarkierung vorliegende Information über die Waferposition in Form einer digital codierten Markierung auf die Vorderseite der Wafersolarzelle oder auf die Vorderseite des Vorprodukts aufgebracht wird. Dadurch wird die zuvor analog vorliegende Information in eine gegenüber Beschädigungen weitaus robustere digitale Form überführt, die im weiteren Verlauf der Bearbeitung mit einer deutlich geringeren Ausleseunsicherheit behaftet ist.In a development, it is particularly advantageous if the information on the wafer position which is present as a notch mark is applied in the form of a digitally coded marking to the front side of the wafer solar cell or to the front side of the pre-product. As a result, the previously analog present information is converted into a much more robust compared to damage digital form, which is subject to a much lower selection uncertainty in the further course of processing.
Weiterhin erlaubt die Markierung mit technischen Prozessparametern, eine selektive Prozesssteuerung zu etablieren. Abhängig von spezifischen technischen Prozessparametern können unterschiedliche Prozesspfade gewählt werden. Diese selektive Prozesssteuerung kann ohne Datenbank auskommen, ist somit autark und ermöglicht eine optimierte Produktion von Solarzellen bei geringerem Aufwand. Furthermore, the marking with technical process parameters allows to establish a selective process control. Depending on specific technical process parameters, different process paths can be selected. This selective process control can do without a database, is thus self-sufficient and enables optimized production of solar cells with less effort.
Für die selektive Prozesssteuerung seien folgende Beispiele genannt. Wenn Batchprozesse gefahren werden, können individuell angepasste Rezepte eingesetzt werden. Bei einer Inlineproduktion können die Wafer auf unterschiedliche Teillinien verteilt werden, die jeweils mit unterschiedlichen Rezepten fahren.For the selective process control the following examples are mentioned. When batch processes are run, individually adapted recipes can be used. During inline production, the wafers can be distributed to different sub-lines, each with different recipes.
Im Hinblick auf den Aufbau von Solarmodulen aus Solarzellen ermöglichen die Informationen betreffend die Waferposition in Ingot und Brick abhängig von deren Verunreinigungsgrad, der die Durchbruchspannung der Solarzellen beeinflusst, die optimierte Auswahl der Solarzellen zur Stringlänge im Solarmodul und zur Anzahl der eingesetzten Bypass-Dioden.With regard to the construction of solar modules from solar cells, the information regarding the wafer position in ingot and brick depending on their degree of contamination, which affects the breakdown voltage of the solar cell, the optimized selection of solar cells to the string length in the solar module and the number of bypass diodes used.
In einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens erfolgt das Aufbringen von Informationen in einer Mehrzahl von Markierschritten, zwischen denen ein oder mehrere weitere Bearbeitungsschritte der Wafersolarzelle oder des Vorproduktes vorgenommen werden und wobei technische Prozessparameter aus den weiteren Bearbeitungsschritten in den Markierschritten verarbeitet werden.In a preferred development of the method, the application of information takes place in a plurality of marking steps, between which one or more further processing steps of the wafer solar cell or of the preliminary product are carried out and wherein technical process parameters from the further processing steps in the marking steps are processed.
Weiterhin ist es für die Auslesegenauigkeit von großem Vorteil, wenn in einer Mehrzahl der Markierschritte jeweils digital codierte Markierungen erzeugt werden, die einander sukzessiv ergänzen.Furthermore, it is of great advantage for the readout accuracy if, in a plurality of the marking steps, respectively digitally coded markings are generated which complement each other successively.
Auf diese Weise wird ermöglicht, während des gesamten Herstellungsprozesses vom Ingot zum Solarmodul benutzerdefinierte technische Prozessparameter lückenlos auf den einzelnen Zwischenprodukten der Zellherstellung aufzubringen, die sich während des Produktionsprozesses und/oder im Solarmodul auslesen lassen.In this way, during the entire production process from the ingot to the solar module, it is possible to apply custom technical process parameters without gaps to the individual intermediate products of the cell production which can be read out during the production process and / or in the solar module.
Bevorzugt wird im Verfahren das Aufbringen von Informationen mittels eines Laser vorgenommen. Ein Laser ermöglicht über die Ansteuerung von Pulsen und Optik in entsprechend hohen Raten insbesondere digital codierte zweidimensionale Markierungsmuster zu generieren.In the method, information is preferably applied by means of a laser. A laser makes it possible to generate digitally coded two-dimensional marking patterns by controlling pulses and optics in correspondingly high rates.
Mit Vorteil sind alle oder die Mehrzahl der aufgebrachten Markierungen auf der Vorderseite der Wafersolarzelle oder des Vorprodukts der Wafersolarzelle angeordnet. Auf diese Weise eröffnet sich die Möglichkeit des der Langzeitverfolgung und Qualitätskontrolle der in Solarmodulen verbauten Solarzellen.Advantageously, all or the majority of the applied marks are arranged on the front side of the wafer solar cell or the precursor of the wafer solar cell. This opens up the possibility of long-term monitoring and quality control of the solar cells installed in solar modules.
Weiter Aspekte und Vorteile der Erfindung werden im Zusammenhang mit der nachfolgend beschriebenen Figur verdeutlicht.Further aspects and advantages of the invention will become apparent in connection with the figure described below.
Dabei ist im linken Teil der Abbildung in isometrischer Darstellung der quaderförmige Brick dargestellt. Auf der vorderen Seite sind zwei versetzt verlaufende Kerbmarkierungen eingebracht, welche durch die durchgehenden schwarzen Geraden dargestellt sind. in der Höhe von ungefähr zwei Dritteln des Bricks ist ein scheibenförmiger Ausschnitt angedeutet, welcher dann weiterführend in einer Aufsichtdarstellung betrachtet wird.In this case, the cuboid brick is shown in isometric representation in the left part of the figure. On the front side two offset notch marks are introduced, which are represented by the continuous black line. at the height of approximately two-thirds of the brick, a disk-shaped cutout is indicated, which is then further considered in a plan view.
Der nächste Prozessschritt setzt bei der Abbildung im rechten oberen Bereich an, was durch den ersten Pfeil verdeutlicht wird. Hier ist ein aus dem Brick vereinzelter Siliziumwafer dargestellt, entsprechend der Markierung auf dem Brick. Auf diesem finden sich zwei kerbförmige Vertiefungen, welche aus der Markierung auf dem Brick resultieren. Durch diese ist die Lage des Wafers im Brick eineindeutig zuordenbar.The next process step starts with the illustration in the upper right area, which is illustrated by the first arrow. Here, a silicon wafer separated from the brick is shown, corresponding to the marking on the brick. On this there are two notch-shaped depressions, which result from the mark on the brick. Through these, the position of the wafer in the brick is uniquely assignable.
Der letzte Prozessschritt ist in der Darstellung rechts unten dargestellt, was wiederum durch einen Pfeil verdeutlicht wird.The last process step is shown in the illustration at the bottom right, which is again illustrated by an arrow.
Hier befindet sich, zusätzlich zu den Kanten-Kerbmarkierungen, auf der rechten unteren Ecke des Wafers beabstandet von der Waferkante auf dessen Vorderseite eine Codierung. Diese kann beispielsweise in Klarschrift oder in digital codierter Form (2d-Code) technische Prozessparameter beinhalten. Bei diesen technischen Prozessparametern kann es sich zum einen um die Informationen handeln, welche in einem zwischengelagerten Prozessschritt aus den Kerbmarkierungen ausgelesen worden sind. Im Gegensatz zu den Kerbmarkierungen sind sie direkt ablesbar und bleiben über den gesamten weiteren Prozess hinweg erhalten.Here, in addition to the edge notch marks, on the lower right corner of the wafer, there is an encoding spaced from the wafer edge on the front side thereof. This can include technical process parameters, for example in plain text or in digitally coded form (2d code). On the one hand, these technical process parameters may be the information that has been read out of the notch markings in an interim process step. In contrast to the notch markings, they are directly readable and are retained throughout the entire process.
Bei der Codierung kann sich jedoch ebenso um eine Mehrzahl von Markierungen handeln, die eine Mehrzahl technische Prozessparameter repräsentiert, die im Verlauf des Herstellungsprozess auf dem Weg zu einer Wafersolarzelle sukzessive ergänzt worden sind.However, the coding can likewise be a plurality of markings representing a plurality of technical process parameters which have been successively supplemented in the course of the manufacturing process en route to a wafer solar cell.
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