DE102011054359A1

DE102011054359A1 - Verfahren zur Behandlung eines Halbleiterwafers

Info

Publication number: DE102011054359A1
Application number: DE201110054359
Authority: DE
Inventors: Maximilian Scherff; Ronald Hoyer
Original assignee: Q Cells SE
Current assignee: Hanwha Q Cells GmbH
Priority date: 2011-10-10
Filing date: 2011-10-10
Publication date: 2013-04-11

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Behandlung eines Halbleiterwafers (11) mit zwei Oberflächen (13), aufweisend einen auf beide Oberflächen (13) wirkenden isotropen Ätzschritt zur Entfernung von Kristalldefekten, Kristallschäden und/oder Verunreinigungen (15) an den Oberflächen (13) des Halbleiterwafers (11), wobei durch den Ätzschritt zwischen 0,01 bis 4,1 mg Halbleiterwafermaterial pro cm2 Oberfläche als spezifischer Materialabtrag entfernt werden, wobei der Halbleiterwafer (11) vor dem isotropen Ätzschritt mit zwei sägerauen Oberflächen (13) bereitgestellt wird. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung einen Halbleiterwafer (11), der durch das Verfahren erhalten wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung eines Halbleiterwafers sowie einen mittels des Verfahrens hergestellten Halbleiterwafer. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren, bei dem ein Ätzschritt zur Entfernung von Kristalldefekten, Kristallschäden und/oder Verunreinigungen an den Oberflächen des Halbleiterwafers durchgeführt wird.
Die Oberflächen von Halbleiterwafern können durch den Sägeprozess zur Herstellung des Wafers aus einem Ingot, durch Reinigungsschritte und/oder durch die Handhabung der Wafer Kristalldefekte, Kristallschäden und/oder Verunreinigungen aufweisen. Die Tiefe der Kristallschäden und/oder die Art der Verunreinigungen sind von spezifischen Abläufen der vorangehenden Prozesse abhängig.
Um hohe Solarzellenwirkungsgrade und eine mechanisch möglichst stabile Halbleiterwafer-Solarzelle zu erhalten, sollte ein Halbleiterwafer im Bereich seiner Oberflächen möglichst wenig Kristalldefekte, Kristallschäden und/oder Verunreinigungen aufweisen. Das Problem bei der Entfernung von Kristalldefekten, Kristallschäden und/oder Verunreinigungen ist, dass dabei üblicherweise auch Material des Halbleiterwafers selbst abgetragen wird. Durch den Materialverlust erhöhen sich daher die Kosten für die Bereitstellung eines zur Solarzellenherstellung geeigneten Halbleiterwafers. Aufgrund der hohen Kosten des Rohmaterials werden auch immer dünnere Halbleiterwafer für die Herstellung von Solarzellen eingesetzt. Wafer-Dicken von weniger als 220 µm, bevorzugt von weniger als 180 µm, sind üblich.
Üblicherweise werden Halbleiterwafer im Rahmen ihrer Prozessierung zu einer Solarzelle zunächst geätzt, um deren Eigenschaften zu verbessern. Folgende Ätzverfahren sind üblich:
Bei einer Sägeschadenätzung werden typischerweise 5 bis 20 µm je Halbleiterwaferseite im Wesentlichen parallel zur Halbleiterwaferoberfläche weggeätzt. In Abhängigkeit der eingesetzten Ätzlösung wird eine im Wesentlichen glatte Halbleiterwaferoberfläche oder eine Halbleiterwaferoberfläche mit welliger Struktur mit sehr flachen Wellen oder sehr flachen Pyramidenstümpfen erzeugt. Der Halbleiterwafer wird so tief geätzt, bis alle Sägeschäden in Form von Mikrorissen weitgehend beseitigt sind. Erfahrungsgemäß erstrecken sich die durch das Sägen verursachten Materialschäden in Tiefen von zirka 5 bis 10 µm. Der Materialverlust von beidseitig bis zu 10 µm Schichtdicke ist daher bei einer Waferdicke von weniger als 200 µm signifikant.
Eine so genannte Damageätzung ätzt den Halbleiterwafer bevorzugt an Kristallschäden und an Kristalldefekten, um den Materialabtrag über diese Bereiche hinaus gering zu halten.
Um die für Halbleiterwafer-Solarzellen auf der Lichteinfallsseite übliche Textur zu erzeugen, wird der Halbleiterwafer einer Texturätzung unterzogen. Eine Texturätzung erzeugt eine derart aufgeraute Halbleiterwaferoberfläche, dass wenigstens ein Teil des nicht in die Waferoberfläche eintretenden Lichtes so reflektiert wird, dass dieses Licht weitere Male auf die Halbleiterwaferoberfläche trifft und danach möglichst in das Halbleitermaterial einkoppelt. Meist weist eine solche texturierte Oberfläche eine pyramidenartige Struktur auf.
Bei einer Politurätzung wird beispielsweise eine texturierte Oberfläche eingeebnet. Dies ist beispielsweise sinnvoll, wenn bei einem beidseitig texturierten Halbleiterwafer auf der Rückseite des Wafers eine Oberflächentextur entfernt werden soll. Auch hierbei besteht das Problem des insgesamt hohen Ätzabtrags.
Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Halbleiterwafer für die Herstellung einer Halbleiterwafer-Solarzelle bereit zu stellen, an dessen Oberflächen Kristalldefekte, Kristallschäden und/oder Verunreinigungen weitgehend entfernt sind und der kostengünstig herstellbar ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und durch einen Halbleiterwafer nach Anspruch 13 gelöst.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausführungsformen angegeben. Das Verfahren zur Behandlung eines Halbleiterwafers mit zwei Oberflächen weist einen auf beide Oberflächen wirkenden isotropen Ätzschritt zur Entfernung von Kristalldefekten, Kristallschäden und/oder Verunreinigungen an den Oberflächen des Halbleiterwafers auf. Der Halbleiterwafer wird vor dem isotropen Ätzschritt mit zwei sägerauen Oberflächen bereitgestellt. Bei dem Ätzschritt werden lediglich zwischen 0,01 bis 4,1 mg Halbleiterwafermaterial pro cm² Oberfläche als spezifischen Materialabtrag entfernt. Der Materialabtrag stellt die Gewichtsdifferenz des Halbleiterwafers vor und nach dem Ätzschritt dar. Die Gewichtsdifferenz wird durch Wiegen des Halbleiterwafers vor und nach dem Ätzschritt ermittelt, wobei der Halbleiterwafer vorzugsweise vor dem jeweiligen Wiegen gewaschen und/oder getrocknet wird. Der aus den gemessenen Gewichten ermittelte Materialabtrag wird durch die Fläche der geätzten Oberflächen geteilt, um den spezifischen, d. h. flächenspezifischen, Materialabtrag anzugeben.
Der Ausdruck „sägerau“ bedeutet im Sinne der Erfindung, dass der Halbleiterwafer eine raue Oberfläche mit undefinierter Oberflächentopographie aufweist wie sie bei einem Halbleiterwafer nach einem Sägeprozess erhalten wird. Der Ausdruck „isotroper Ätzschritt“ bedeutet, dass das Ätzen im Wesentlichen richtungsunabhängig (im Sinne der vorliegenden Erfindung sind die Ätzraten in Richtung unterschiedlicher Kristallorientierungen gleich oder deutlich weniger als ein Faktor 5 unterschiedlich) erfolgt. Im Gegensatz dazu beinhaltet ein anisotroper Ätzschritt richtungsabhängiges Ätzen. D. h., bei einem isotropen Ätzschritt erfolgt die Ätzung in alle Richtungen in die sägeraue Oberfläche des Halbleiterwafers, insbesondere auch in den vom Sägen verursachten Mikrorissen der Oberflächen. Im Gegensatz dazu verläuft bei einem anisotropen Ätzschritt die Ätzgeschwindigkeit in Richtung unterschiedlicher Kristallorientierungen mindestens um einen Faktor 5 unterschiedlich. Der isotrope Ätzschritt ist geeignet, gleichzeitig Verunreinigungen zu beseitigen und Kristalldefekte und Kristallschäden zu ätzen. Insbesondere werden Mikrorisse aufgeätzt, die in das Halbleiterwafervolumen hineinragen. Verunreinigungen des Halbleiterwafers können im Sinne der vorliegenden Erfindung Einschlüsse anderer Stoffe wie z. B. SiN- oder SiC-Ausscheidungen bei einem Siliziumwafer, aber auch Fingerabdrücke, Rückstände von Reinigungslösungen, Rückstände von der Handhabung des Halbleiterwafers sein. Kristallschäden wie Mikrorisse werden beim Sägen eines Halbleiterwafers gebildet. Kristalldefekte sind im Kristall vorhanden und sind zum Beispiel Versetzungen oder Korngrenzen.
Durch die Entfernung von Kristalldefekten, Kristallschäden und/oder Verunreinigungen an den Oberflächen des Halbleiterwafers wird der Wirkungsgrad der aus dem Wafer hergestellten Solarzelle und deren mechanische Stabilität verbessert, wobei dies bei gleichzeitiger Reduzierung des bei der Ätzung abgetragenen Materials geschieht. Insbesondere durch den reduzierten spezifischen Materialabtrag trägt das Verfahren zur kostengünstigen Produktion hochwertiger Halbleiterwafer-Solarzellen bei.
Bei dem Ätzschritt werden an Kristallschäden und Kristalldefekten grabenartige Vertiefungen erzeugt. Kristallschäden und Kristalldefekte sind an der Oberfläche des Halbleiterwafers normalerweise nicht sichtbar. Sie befinden sich in und unterhalb der Halbleiterwaferoberfläche und ragen einige µm (üblicherweise 3 bis 10 µm) tief als Mikrorisse in den Halbleiterwafer hinein. Die Länge und Breite der Mikrorisse sind variabel. Meistens sind die Mikrorisse als dünne Furchen ausgebildet. Da durch die Behandlung Mikrorisse zu grabenartigen Vertiefungen geätzt werden, ist sie unkritisch gegenüber schwankenden Tiefen der Mikrorisse. An Bereichen der Oberfläche, die keine Mikrorisse aufweisen, werden durch den Ätzschritt keine grabenartigen Vertiefungen sondern eine glatte bis leicht wellige Struktur erzeugt. Daher ist der Materialabtrag gering. Durch die Umwandlung der Mikrorisse in grabenartige Vertiefungen wird die Bruchfestigkeit des Halbleiterwafers signifikant erhöht, wobei nur so viel Material abgetragen wird wie gerade nötig ist, um diesen Effekt zu erzielen.
Bevorzugt beträgt der spezifische Materialabtrag bei dem isotropen Ätzschritt zwischen 0,03 und 3,0 mg Halbleiterwafermaterial pro cm² Oberfläche. Dieser Materialabtrag ist ausreichend, um einen Halbleiterwafer mit den vorangehend diskutierten Eigenschaften bereit zu stellen. Bevorzugter werden bei dem isotropen Ätzschritt zwischen 0,05 und 2,0 mg, Halbleiterwafermaterial pro cm² Oberfläche entfernt werden. Dieser geringe spezifische Materialabtrag ist ausreichend, um einen Halbleiterwafer mit den vorangehend diskutierten Eigenschaften bereit zu stellen.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Ätzschritt nasschemisch in saurem Milieu durchgeführt. Verunreinigungen lassen sich meist leicht sauer entfernen. Das saure Milieu umfasst vorzugsweise wässrige Salpetersäure, wässrige Flusssäure und Wasser. Vorteilhaft ist die Anzahl der Teile an Salpetersäure größer als die Anzahl der Teile an Flusssäure. Die Anzahl der Teile an Wasser ist vorzugsweise kleiner oder gleich der Anzahl der Teile an Flusssäure.
Vorzugsweise wird bei dem Ätzschritt eine Ätzlösung verwendet, die bevorzugt 40 bis 90 Teile 65% Salpetersäure, 5 bis 35 Teile 49% Flusssäure und 5 bis 35 Teile Wasser enthält, die bevorzugt 40 bis 80 Teile 65% Salpetersäure, 10 bis 35 Teile 49% Flusssäure und 10 bis 35 Teile Wasser enthält, die bevorzugter 40 bis 60 Teile 65% Salpetersäure, 20 bis 35 Teile 49% Flusssäure und 15 bis 30 Teile Wasser enthält. Eine derartige Ätzlösung ist besonders geeignet, um grabenartige Vertiefungen an Kristallschäden und Kristalldefekten zu bilden und Verunreinigungen zu entfernen.
Der Ätzschritt wird vorzugsweise bei Raumtemperatur oder leicht unterhalb der Raumtemperatur durchgeführt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Ätzschritt bei einer Ätztemperatur im Bereich von 6 bis 40°C, bevorzugt 10 bis 30°C, bevorzugter 13 bis 25°C, noch bevorzugter 15 bis 22°C, durchgeführt.
Die Ätzzeit hängt von der eingesetzten Ätzlösung und der Ätztemperatur ab. Bevorzugt dauert der Ätzschritt 5 bis 180 Sek., bevorzugt 5 bis 90 Sek., bevorzugter 5 bis 60 Sek., noch bevorzugter 10 bis 30 Sek. Die Ätzzeit ist somit relativ gering und stellt sicher, dass der Halbleiterwafer nicht derart geätzt wird, dass der spezifische Materialabtrag zu groß wird.
Der Ätzschritt wird durch Eintauchen, Einlegen, Besprühen oder Benetzen der zu ätzenden Oberflächen des Halbleiterwafers mit der Ätzlösung durchgeführt.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird im Anschluss an den Ätzschritt ein einseitiger Texturierungsschritt durchgeführt. Der durch den ersten isotropen Ätzschritt behandelte Halbleiterwafer weist zwei Oberflächen auf, deren Mikrorisse grabenartig aufgeätzt wurden. Eine der beiden Oberflächen des Halbleiterwafers wird anschließend mit den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren als Lichteinfallsseite der zu prozessierenden Solarzelle texturiert. Die vorbehandelte Oberfläche ist für die Texturierung optimal präpariert. Der Texturierungsschritt kann daher mit geringem Ätzabtrag durchgeführt werden. Da sowohl der Ätzabtrag des Ätzschrittes als auch der Ätzabtrag des Texturierungsschrittes reduziert sind, ist der Materialverlust des Halbleiterwafers insgesamt bei der Prozedur reduziert.
Der Texturierungsschritt kann auch derart durchgeführt werden, dass beide Oberflächen des Halbleiterwafers texturiert werden. Bevorzugt wird das Texturierungsverfahren aber einseitig durchgeführt. Bei der dem Licht zugewandten Seite wird der Ätzschritt als Vorbereitung des Texturierungsschritts durchgeführt. Dabei werden insbesondere Verunreinigungen von der Halbleiterwaferoberfläche entfernt, um eine optisch homogene dem Licht zugewandte Halbleiterwaferseite bereit zu stellen, da Verunreinigungen bei einer Textur maskierend wirken können. Die dem Licht abgewandte Halbleiterwaferseite wird vorzugsweise dem Ätzschritt aber nicht dem Texturierungsschritt unterzogen, um auf dieser Seite des Halbleiterwafers eine möglichst ebene Oberfläche zu erzeugen. Dadurch wird die Oberfläche möglichst klein und die Spiegelung der nicht im Halbleiterwafermaterial absorbierten elektromagnetischen Strahlung, insbesondere der IR-Strahlung mit vergleichsweise langen Absorptionswegen, in Hinblick auf interne Reflexion am effektivsten.
Das Verfahren, das den Ätzschritt und den Texturierungsschritt umfasst, kann als Inline- oder als Batch-Prozess durchgeführt werden. Weiterhin ist es möglich, die Verfahrensschritte zeitlich entkoppelt durchzuführen. Es ist möglich zwischen dem Ätz- und dem Texturierungsschritt einen Reinigungsschritt wie beispielsweis einen Spülschritt durchzuführen.
Vorzugsweise werden der Ätz- und Texturierungsschritt hintereinander ohne einen dazwischen liegenden Schritt durchgeführt. Sie können in einer bevorzugten Ausführungsform in einer Anlage durchgeführt werden. Dadurch werden Kosten gespart und Handling vermieden. Zudem ist die mechanische Beanspruchung des Halbleiterwafers geringer und die Reinheit der Halbleiterwaferoberflächen höher, da kein Abrieb von Transportsystemen auf dem Wafer haften bleiben kann.
Dadurch, dass die Halbleiterwaferoberflächen mittels des Ätzschrittes präparierte Oberflächendefekte, insbesondere in Form aufgeätzter Mikrorisse, aufweisen, können die durch den Texturierungsschritt zu erzeugenden Strukturen mit geringerem Materialabtrag hergestellt werden. Üblicherweise wird mit der Texturierung so viel Material von der Oberfläche abgetragen, dass man sicher geht, alle Mikrorisse an der Oberfläche entfernt zu haben. Der Materialabtrag des Texturierungsschrittes in der Kombination mit dem vorangehenden präparierenden Ätzschritt ist daher deutlich geringer.
Bevorzugt umfasst der Texturierungsschritt Behandeln des Halbleiterwafers mit alkalischer Lösung. Als alkalische Lösung kann eine wässrige und/oder alkoholische Natriumhydroxid- und/oder Kaliumhydroxid-Lösung ggf. mit weiteren Additiven eingesetzt werden. Als Alkohol ist Isopropanol geeignet. Die alkalische Texturierung verläuft anisotrop. Die Texturierungsbedingungen wie Zeit und Temperatur hängen von der Art und Konzentration der Texturierungslösung ab.
Alternativ oder zusätzlich umfasst der Texturierungsschritt eine ISO-Texturierung. Eine ISO-Texturierung erfolgt im sauren Milieu und verläuft isotrop. Das saure Milieu umfasst eine wässrige Lösung aus Fluss- und Salpetersäure ggf. mit organischem Additiv(en) oder weiteren Säuren. Die Texturierungsgeschwindigkeit hängt von der Zusammensetzung der Lösung und der Temperatur ab. Der Texturierungsschritt wird durch Eintauchen, Einlegen, Besprühen oder Benetzen der zu texturierenden Oberfläche(n) des Halbleiterwafers mit der ISO-Texturierungslösung durchgeführt.
Weiterhin alternativ oder zusätzlich umfasst der Texturierungsschritt eine Plasmatexturierung. Plasmatexturierungen sind bekannt und beispielsweise von R. Lüdemann et al. in Silicon solar cells with black silicon texturization, Proceedings of the 17th European Photovoltaic Solar Energy Conference, München, Deutschland, S. 1327–30 (2001) und O. Schulz in High-Efficiency Multicrystalline Silicon Solar Cells, Dissertation an der Universität Konstanz, Deutschland (2005) beschrieben.
Der Texturierungsschritt kann nicht nur ein- sondern auch mehrstufig erfolgen und eine Kombination von zwei oder mehr der vorstehenden Texturierungsarten darstellen. Beispielsweise umfasst der Texturierungsschritt eine ISO-Texturierung und eine alkalische Texturierung. Neben der Textur wird durch die saure Lösung poröses Silizium gebildet. Durch die alkalische Lösung wird das poröse Silizium entfernt und die finale Texturoberfläche gebildet.
Im Anschluss an den oder die Texturierungsschritte wird in einer bevorzugten Ausführungsform ein weiterer Ätzschritt (24) durchgeführt. In dieser Ausführungsform wird bei dem Ätzschritt vor dem Texturierungsschritt nur ein Teil der Kristalldefekte, Kristallschäden und/oder Verunreinigungen an den Oberflächen entfernt. Durch den Texturierungsschritt und den daran anschließenden weiteren Ätzschritt werden die verbleibenden oberflächlichen Kristalldefekte, Kristallschäden und/oder Verunreinigungen beseitigt. Der auf den Texturierungsschritt folgende Ätzschritt wird derart durchgeführt, dass der Materialabtrag sehr gering ist, die Textur in ihren Reflexionseigenschaften nicht substanziell verschlechtert wird und ihre Topographie beibehält. Durch diese Verfahrensvariante kann der spezifische Materialabtrag während der Verfahrensschritte noch weiter reduziert werden. Zudem können bei einer einseitigen Texturierung durch Ätzumgriff entstandene ungewollte Textur auf der nicht texturierten Oberfläche wenigstens zum Teil entfernt werden. Die Verfahrensparameter für den vor der Texturierung durchgeführten Ätzschritt, den Texturierungsschritt und den nach der Texturierung durchgeführten Ätzschritt, um einen reduzierten spezifischen Materialabtrag zu erhalten, können anhand der vorstehend angegebenen Verfahrensfenstern optimal eingestellt werden.
Vorzugsweise wird zwischen Ätz- und Texturierungsschritt ein Spül- bzw. Reinigungsschritt durchgeführt. Dies ist besonders von Vorteil, wenn der Texturierungsschritt nach einem sauren Ätzschritt mit einer alkalischen Lösung durchgeführt wird. Ein Spülschritt kann zum Stoppen des Ätzschrittes eingesetzt werden. Ein Spülschritt kann auch vor dem Ätzschritt und nach dem Texturierungsschritt durchgeführt werden. Der Spülschritt umfasst insbesondere das Spülen des Halbleiterwafers mit Wasser oder anderen geeigneten Mitteln. Beispielsweise kann auch eine verdünnte alkalische oder saure Lösung wie verdünnte Flusssäure als Spül- bzw. Reinigungsmittel verwendet werden, um bestimmte Verunreinigungen zu entfernen oder am Halbleiterwafer anhaftende Lösungsreste zu neutralisieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren zur Behandlung des Halbleiterwafers den Ätzschritt mit den vorstehend genannten Verfahrensparametern, einen Spülschritt mit Wasser vorzugsweise bei Raumtemperatur, den Texturierungsschritt vorzugsweise unter Verwendung einer alkalischen Lösung, einen Spülschritt mit Wasser, einen Spülschritt mit verdünnter Flusssäure vorzugsweise bei Raumtemperatur und einen Spülschritt mit Wasser. Anschließend wird der Halbleiterwafer bei erhöhter Temperatur getrocknet.
Der in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte Halbleiterwafer ist vorzugsweise einer Sägeprozedur unterzogen und anschließend ggf. gereinigt worden. Vorzugsweise wird der aus einer Sägeprozedur und ggf. gereinigte Halbleiterwafer direkt dem Ätzschritt und direkt anschließend dem Texturierungsschritt unterzogen. Nach diesen drei Schritten kann der Halbleiterwafer den weiteren Prozessschritten zur Herstellung einer Halbleiterwafer-Solarzelle unterzogen werden, beispielsweise einem Diffusionsschritt zur Herstellung des p-n-Übergangs als auch Abscheideschritten zur Herstellung einer oder mehreren Dünnschichten wie beispielsweise einer Antireflexionsschicht oder einer Passivierungsschicht.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ebenfalls ein Halbleiterwafer, der nach einem der vorstehend beschriebenen Verfahren erhalten wird. Ein derartiger Halbleiterwafer eignet sich besonders zur Herstellung von Solarzellen.
Weitere Vorteile und Eigenschaften des erfindungsgemäßen Verfahrens und des damit hergestellten Halbleiterwafers werden anhand der nachfolgend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen erläutert, ohne die vorliegende Erfindung darauf einzuschränken.
Es zeigt:
1 eine Teil-Querschnittansicht der einen Oberfläche eines sägerauen Halbleiterwafers;
2 eine Teil-Querschnittsansicht eines herkömmlich texturierten Halbleiterwafers im Vergleich zu dem in 1 gezeigten Halbleiterwafer;
3 eine Teil-Querschnittsansicht eines weiteren herkömmlich texturierten Halbleiterwafers im Vergleich zu dem in 1 gezeigten Halbleiterwafer;
4 eine Teil-Querschnittsansicht eines erfindungsgemäß geätzten Halbleiterwafers im Vergleich zu dem in 1 gezeigten Halbleiterwafer;
5 eine Teil-Querschnittsansicht eines erfindungsgemäß geätzten und texturierten Halbleiterwafers im Vergleich zu den in 1 und 4 gezeigten Halbleiterwafern;
6 eine Teil-Querschnittsansicht des in 2 gezeigten Halbleiterwafers im Vergleich zu dem in 5 gezeigten Halbleiterwafer;
7 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
8 ein Ablaufdiagramm eines weiteren erfindungsgemäßen Verfahrens; und
9 ein Ablaufdiagramm eines weiteren erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die 1 bis 6 sind schematische und keine maßstabsgetreuen Darstellungen.
1 zeigt eine Teil-Querschnittansicht eines sägerauen Halbleiterwafers 11. Gezeigt ist der Querschnitt eines Teils des Halbleiterwafers 11 mit einer der beiden sägerauen Oberflächen 13, die nicht eben ist, sondern eine Oberflächenrauigkeit aufweist, da der Halbleiterwafer 11 in einem Sägeprozess aus einem Ingot gesägt worden ist. Durch den Sägeprozess weist der Halbleiterwafer 11 Sägeschäden 15 insbesondere in Form von Mikrorissen auf, die sich in der sägerauen Oberfläche 13 des Halbleiterwafers 11 erstrecken. Die Sägeschäden 15 stellen potenzielle Bruchstellen des Halbleiterwafers 11 dar.
Sie erstrecken sich unterschiedlich tief in die Oberfläche 13 des Halbleiterwafers 11.
2 zeigt eine Teil-Querschnittsansicht eines herkömmlich texturierten Halbleiterwafers im Vergleich zu dem in 1 gezeigten Halbleiterwafer. Der in 1 gezeigte Halbleiterwafer 11 mit der sägerauen Oberfläche 13 und den Sägeschäden 15 ist einer herkömmlichen Texturierung unterzogen worden. Nach der Texturierung weist der Halbleiterwafer 11 eine texturierte Oberfläche 17 auf. Durch die Texturierung sind die Sägeschäden 15 in Form der Mikrorisse aus dem Bereich der Oberfläche des Halbleiterwafers 11 beseitigt, da das Material zwischen der sägerauen Oberfläche 13 und der texturierten Oberfläche 17 entfernt worden ist. Der Materialabtrag des Halbleiterswafers 11 ist groß, da das Material in dem Bereich d_s fehlt. Die texturierte Oberfläche 17 weist eine pyramidenförmige Struktur auf, wobei d_t die Differenz zwischen Tal und Sohle der Pyramide angibt. Wie aus 2 ersichtlich, ist d_t deutlich kleiner als d_s. Bei diesem Vorgehen, wird einfach so lange texturiert, bis man sicher ist, dass alle Mikrorisse entfernt worden sind. Insofern erstreckt sich der Materialabtrag bei diesem Vorgehen üblicherweise mindestens 5 bis 10 µm in die Tiefe des Wafers.
3 zeigt eine Teil-Querschnittsansicht eines weiteren herkömmlich texturierten Halbleiterwafers im Vergleich zu dem in 1 gezeigten Halbleiterwafer. Der in 1 gezeigte Halbleiterwafer 11 mit der sägerauen Oberfläche 13 und den Sägeschäden 15 ist einer herkömmlichen Texturierung mit deutlich geringerem Materialabtrag als in 2 unterzogen worden. Nach der Texturierung weist der Halbleiterwafer 11 eine texturierte Oberfläche 17 auf. Der als d_s bezeichnete Materialabtrag des Halbleiterwafers 11 durch die Texturierung ist geringer als bei dem in 2 gezeigten Halbleiterwafer. Durch die Texturierung sind die Sägeschäden 15 in Form der schematisch gezeigten Mikrorisse aus dem Halbleiterwafer 11 nicht vollständig beseitigt. Die Sägeschäden 15 weisen verschiedene Tiefen in der sägerauen Oberfläche 13 des Halbleiterwafers 11 auf. Durch die Texturierung des Halbleiterwafers 11 sind nur Sägeschäden 15 mit geringer Tiefe in der sägerauen Oberfläche 13 des Halbleiterwafers 11 entfernt worden, während Sägeschäden 15 mit höherer Tiefe in der texturierten Oberfläche 17 des Halbleiterwafers 11 weiterhin vorhanden sind. Die Sägeschäden 15 in Form der als verbleibend gezeigten Mikrorisse bilden in der texturierten Oberfläche 17 des Halbleiterwafers 11 mögliche Bruchstellen, die zu einem Bruch des Halbleiterwafers 11 führen können. Die Wahrscheinlichkeit eines Bruches steigt mit sinkender Dicke des Halbleiterwafers an. Die texturierte Oberfläche 17 weist eine pyramidenförmige Struktur auf, wobei d_t die Differenz zwischen Tal und Sohle der Pyramide angibt. Wie aus 3 ersichtlich ist d_t ungefähr gleich d_s. Der Materialabtrag bei der Texturierung ist zwar gering, aber durch die nach der Texturierung übrig bleibenden Sägeschäden 15 in Form von Mikrorissen in der texturierten Oberfläche 17 ist der Halbleiterwafer 11 deutlich bruchgefährdeter als ohne diese verbleibenden Mikrorisse.
4 zeigt eine Teil-Querschnittsansicht eines erfindungsgemäß geätzten Halbleiterwafers im Vergleich zu dem in 1 gezeigten Halbleiterwafer. Der in 1 gezeigte Halbleiterwafer 11 mit der sägerauen Oberfläche 13 und den Sägeschäden 15 ist dem erfindungsgemäßen isotropen Ätzschritt unterzogen worden. Nach dem isotropen Ätzschritt weist der Halbleiterwafer 11 eine geätzte Oberfläche 19 auf, die durch die gepunktete Linie dargestellt werden soll. Wie aus 4 ersichtlich, sind die Sägeschäden 15 materialsparend von der Oberfläche 13 des Halbleiterwafers 11 entfernt bzw. umgewandelt worden. Durch die Ätzlösung sind die Sägeschäden 15 in Form von Mikrorissen zu grabenartigen Vertiefungen 20 verbreitert worden. Durch die Verbreiterung der Sägeschäden 15 zu grabenartigen Vertiefungen ist die Gefahr eines von den Gräben ausgehenden Bruches deutlich verringert und der geätzte Halbleiterwafer 11 somit weniger bruchgefährdet. An Stellen, an denen sich durch den isotropen Ätzschritt keine grabenartigen Vertiefungen 20 gebildet haben, weist die geätzte Oberfläche 19 eine Struktur mit leichten Wellen auf.
5 zeigt eine Teil-Querschnittsansicht eines erfindungsgemäß geätzten und anschließend texturierten Halbleiterwafers im Vergleich zu den in 1 und 4 gezeigten Halbleiterwafern. Der in 1 gezeigte Halbleiterwafer 11 mit der sägerauen Oberfläche 13 und den Sägeschäden 15 ist dem erfindungsgemäßen isotropen Ätzschritt unterzogen worden. Nach dem isotropen Ätzschritt weist der Halbleiterwafer 11 eine geätzte Oberfläche 19 auf, die anstelle der Sägeschäden 15 in Form von Mikrorissen grabenartige Vertiefungen 20 enthält. Nach dem Ätzschritt ist der Halbleiterwafer 11 einer Texturierung unterzogen worden, die einen weiteren Materialabtrag einschließt. Nach der Texturierung weist der Halbleiterwafer 11 eine geätzte und texturierte Oberfläche 21 auf. Der Materialabtrag zwischen der Oberfläche 13 und der geätzten und texturierten Oberfläche 21 des Halbleiterwafers 11 ist als d_s gekennzeichnet. Der Materialabtrag ist gering. Nach der Texturierung weist die Oberfläche 21 eine unregelmäßige pyramidenartige Textur auf wobei d_t die Differenz zwischen Tal und Sohle der Pyramide angibt. Wie aus 5 ersichtlich ist d_t ungefähr gleich d_s. Diese Textur kann jedoch auch viel kleiner ausfallen. Anstelle von typischen Strukturgrößen von 1 µm bis 10 µm können diese auch im Sub-µm-Bereich liegen z. B. bei einer Plasmatextur. Der Materialabtrag bei der Ätzung und Texturierung ist jeweils so klein wie möglich gehalten, wobei aber dennoch die Sägeschäden 15 in Form der Mikrorisse im Wesentlichen vollständig entfernt werden.
6 zeigt eine Teil-Querschnittsansicht des in 2 gezeigten Halbleiterwafers im Vergleich zu dem in 5 gezeigten Halbleiterwafer. Der in 2 gezeigte Halbleiterwafer 11 weist die texturierte Oberfläche 17 auf. Der in 5 gezeigte Halbleiterwafer 11 weist die geätzte und texturierte Oberfläche 21 auf. Wie aus 6 ersichtlich, weist der Halbleiterwafer 11 mit der texturierten Oberfläche 17 eine deutlich geringere Höhe als der Halbleiterwafer 11 mit der geätzten und texturierten Oberfläche 21 auf. Der Materialabtrag des Halbleiterwafers 11, der vor der Texturierung einem Ätzschritt unterzogen wurde und keine Sägeschäden in Form von Mikrorissen mehr aufweist, ist wesentlich geringer als bei einem Halbleiterwafer, der zwar keine Sägeschäden mehr aufweist, die jedoch gemäß 2 allein durch die entsprechend lang vorgenommene Texturierung entfernt wurden.
In den 2, 3, 5 und 6 sind beispielshaft alkalische Texturen gezeigt. Der Halbleiterwafer kann aber auch ein- oder beidseitig eine ISO-Textur und/oder eine Plasma-Texturierung aufweisen und führt dann zu einem gleichen oder zumindest sehr ähnlichem Ergebnis bezüglich des Materialabtrags, wie er in den vorstehenden Figuren erläutert ist.
7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst den Schritt 23 in Form einer isotropen Ätzung zur Entfernung von Kristalldefekten, Kristallschäden und/oder Verunreinigungen an den Oberflächen des Halbleiterwafers, wobei zwischen 0,01 bis 4,1 mg Halbleiterwafermaterial pro cm² Oberfläche als Materialabtrag pro Flächeneinheit entfernt werden. Der Ätzschritt 23 wird bei einem Halbleiterwafer mit zwei Oberflächen beidseitig durchgeführt. Der Ätzschritt 23 wird beispielsweise durch Eintauchen des Halbleiterwafers in eine Lösung aus Salpetersäure, Flusssäure und Wasser durchgeführt. Zur Ermittlung des Materialabtrags kann der Halbleiterwafer vor und nach dem Ätzschritt der Halbleiterwafer gewogen werden. Aus den zwei ermittelten Gewichten des Halbleiterwafers wird die Gewichtsdifferenz ermittelt, die den Materialabtrag des Halbleiterwafers darstellt, der noch durch die Fläche der geätzten Oberfläche geteilt werden muss, um den spezifischen Materialabtrag anzugeben.
8 zeigt ein Ablaufdiagramm eines weiteren erfindungsgemäßen Verfahrens. Nach dem in 7 gezeigten Schritt 23, der in dieser Verfahrensvariante einen sauren, isotropen Ätzschritt umfasst und bei dem Halbleiterwafer beidseitig durchgeführt wird, wird Schritt 25 durchgeführt, der eine einseitige Texturierung des Halbleiterwafers umfasst. Der Texturierungsschritt 25 kann mittels alkalischer Texturierung, ISO-Texturierung oder Plasmatexturierung durchgeführt werden. Der Texturierungsschritt 25 kann eine Kombination zweier oder aller der vorstehenden Texturierungsverfahren einschließen.
9 zeigt ein Ablaufdiagramm eines weiteren erfindungsgemäßen Verfahrens.
Zuerst wird mit Schritt 27 ein Halbleiterwafer mit zwei sägerauen Oberflächen bereitgestellt. D. h. der Halbleiterwafer wird direkt nach einem Sägeprozess bereitgestellt. Optional wird dann der Halbleiterwafer Schritt 29, d. h. einer Reinigung unterzogen. Der Reinigungsschritt 29 umfasst beispielsweise die Reinigung bzw. Spülung des sägerauen Halbleiterwafers mit Wasser oder einem geeigneten Lösungsmittel. Dann wird Schritt 23 durchgeführt, der eine isotrope Ätzung zur Entfernung und/oder Behandlung von Kristalldefekten, Kristallschäden und/oder Verunreinigungen an den Oberflächen des Halbleiterwafers umfasst, wobei zwischen 0,01 bis 4,1 mg Halbleiterwafermaterial pro cm² Oberfläche als spezifischer Materialabtrag entfernt werden. Der isotrope Ätzschritt 23 wird an beiden Oberflächen des Halbleiterwafers durch Eintauchen des Halbleiterwafers in eine Lösung aus Salpetersäure, Flusssäure und Wasser und ggf. weiteren Stoffen durchgeführt. Der Halbleiterwafer wird anschließend optional dem Reinigungsschritt 29 unterzogen. Vorzugsweise wird der Reinigungsschritt 29 durch Spülen mit deionisiertem Wasser durchgeführt. Anschließend wird ein Schritt 27 zur einseitigen Texturierung des Halbleiterwafers durchgeführt. Der Texturierungsschritt 25 kann mittels alkalischer Texturierung, ISO-Texturierung oder Plasmatexturierung durchgeführt werden. Der Texturierungsschritt 25 kann eine Kombination zweier oder aller der vorstehenden Texturierungsverfahren einschließen. Im Anschluss an den Texturierungsschritt 27 wird der Halbleiterwafer optional dem Reinigungsschritt 29 unterzogen. Vorzugsweise wird der Reinigungsschritt 29 durch Spülen mit deionisiertem Wasser durchgeführt. Der Halbleiterwafer kann anschließend insbesondere einem Diffusionsprozess zur Bildung eines p-n-Übergangs und einem oder mehreren Abscheideprozessen zur Deposition einer Antireflexionsschicht oder Passivierungsschicht unterzogen werden, um somit aus dem texturierten Halbleiterwafer eine Solarzelle herzustellen.
Bezugszeichenliste

11: Halbleiterwafer
13: Oberfläche eines sägerauen Halbleiterwafers
15: Sägeschäden
17: texturierte Oberfläche
19: geätzte Oberfläche
20: Vertiefung
21: geätzte und texturierte Oberfläche
23: Ätzung
24: zweite Ätzung
25: Texturierung
27: Bereitstellung eines Halbleiterwafers mit zwei sägerauen Oberflächen
29: optionaler Reinigungsschritt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

R. Lüdemann et al. in Silicon solar cells with black silicon texturization, Proceedings of the 17th European Photovoltaic Solar Energy Conference, München, Deutschland, S. 1327–30 (2001) [0027]
O. Schulz in High-Efficiency Multicrystalline Silicon Solar Cells, Dissertation an der Universität Konstanz, Deutschland (2005) [0027]

Claims

Verfahren zur Behandlung eines Halbleiterwafers (11) mit zwei Oberflächen (13), aufweisend einen auf beide Oberflächen (13) wirkenden isotropen Ätzschritt (23) zur Entfernung von Kristalldefekten, Kristallschäden und/oder Verunreinigungen (15) an den Oberflächen (13) des Halbleiterwafers (11), wobei durch den Ätzschritt zwischen 0,01 bis 4,1 mg Halbleiterwafermaterial pro cm² Oberfläche als spezifischer Materialabtrag entfernt werden, wobei der Halbleiterwafer vor dem isotropen Ätzschritt (23) mit zwei sägerauen Oberflächen (13) bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem isotropen Ätzschritt (23) zwischen 0,03 und 3,0 mg, bevorzugt zwischen 0,05 und 2,0 mg, Halbleiterwafermaterial pro cm² Oberfläche entfernt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der isotrope Ätzschritt (23) nasschemisch in saurem Milieu durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem isotropen Ätzschritt (23) eine Ätzlösung verwendet wird, die 40 bis 90 Teile 65% Salpetersäure, 5 bis 35 Teile 49% Flusssäure und 5 bis 35 Teile Wasser enthält, die bevorzugt 40 bis 80 Teile 65% Salpetersäure, 10 bis 35 Teile 49% Flusssäure und 10 bis 35 Teile Wasser enthält, die bevorzugter 40 bis 60 Teile 65% Salpetersäure, 20 bis 35 Teile 49% Flusssäure und 15 bis 30 Teile Wasser enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der isotrope Ätzschritt (23) bei einer Ätztemperatur im Bereich von 6 bis 40°C, bevorzugt 10 bis 30°C, bevorzugter 13 bis 25°C, noch bevorzugter 15 bis 22°C, durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der isotrope Ätzschritt (23) 5 bis 180 Sek., bevorzugt 5 bis 90 Sek., bevorzugter 5 bis 60 Sek., noch bevorzugter 10 bis 30 Sek., dauert.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an den isotropen Ätzschritt (23) ein einseitiger Texturierungsschritt (25) auf der geätzten Oberfläche (19) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Texturierungsschritt (25) Behandeln des Halbleiterwafers mit alkalischer Lösung, bevorzugt alkoholisch-wässrige Kaliumhydroxid-Lösung, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Texturierungsschritt (25) eine ISO-Texturierung umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Texturierungsschritt (25) eine Plasmatexturierung umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an den Texturierungsschritt (25) ein weiterer Ätzschritt (24) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem isotropen Ätzschritt (23) und dem Texturierungsschritt (25) ein Spülschritt (29) durchgeführt wird.
Halbleiterwafer (11), erhalten nach einem der Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 12.