DE102012106435A1

DE102012106435A1 - Verfahren zur Qualitätsbewertung eines aus einem Ingot herausgetrennten Bricks

Info

Publication number: DE102012106435A1
Application number: DE102012106435.0A
Authority: DE
Inventors: Andreas Hendricks; Christian Lemke; Dr. Seidl Albrecht; Bernhard Birkmann; Sebastian Siegmund
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2012-07-17
Filing date: 2012-07-17
Publication date: 2014-05-22
Also published as: WO2014012953A1

Abstract

Verfahren zur Qualitätsermittlung von zur Herstellung von Halbleiterbauelementen zu prozessierenden Siliciumwafern, die Abschnitte eines Bricks sind, der aus einem Ingot abgetrennt wird. Um eine Qualitätsaussage über einen zu prozessierenden Siliciumwafer, insbesondere einen solchen zur Herstellung einer Solarzelle vor Trennen des Wafers von dem Brick zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass die Umfangsaußenflächen des Bricks ganzflächig oder im Wesentlichen ganzflächig in Bezug auf für die Qualität der Wafer charakteristische Parameter bewertet werden und dass aus Abschnitten des Bricks, die vorgegebene Parameterwerte erfüllen, die prozessierenden Wafer abgetrennt werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Qualitätsbewertung eines aus einem Ingot herausgetrennten Bricks, aus dem zu prozessierende Siliciumwafer geschnitten werden.
Die Massenfertigung von Solarzellen erfolgt auf Fertigungslinien, bei denen am Anfang ein unbehandelter Siliciumwafer aufgelegt wird. Auf dem Weg zur Solarzelle erfolgen verschiedene Arbeitsschritte, bei denen beide Seiten des Wafers, d. h. der späteren Solarzelle, unterschiedlich strukturiert und prozessiert werden.
Aus Gründen der Kostenoptimierung ist es sinnvoll, als schadhaft oder minderwertig erkannte Wafer entweder gar nicht auszuliefern oder vor Beginn der Zellfertigung zu erkennen und auszusortieren oder einer angepassten Weiterprozessierung zuzuführen.
Im Fall von mittels gerichteter Blockerstarrung (z. B. Vertical Gradient Freeze VGF) oder verwandter Kristallisationsverfahren kristallisierten Siliciums hängt der erreichbare Wirkungsgrad von zu Solarzellen prozessierten Wafern aus diesem Material ganz wesentlich von zwei voneinander weitgehend unabhängigen Materialeigenschaften der Wafer ab, und zwar

– vom Gehalt an rekombinationsaktiven Störstellen bzw. Gitterdefekten,
– vom elektrischen Widerstand.

Störstellen bzw. Gitterdefekte sind in der Regel sehr inhomogen über den Wafer verteilt. Der elektrische Widerstand ist in der Regel homogen über den Wafer, kann sich aber in seiner Größe von Wafer zu Wafer unterscheiden.
Eine routinemäßige an 100 % der Wafer erfolgende Inline-Messung wird bisher nur für den Widerstand durchgeführt. Dessen Einfluss auf den erreichbaren Wirkungsgrad ist jedoch, solange dieser innerhalb eines bestimmten Bereichs von ca. 1 Ωcm bis 3 Ωcm liegt, untergeordnet. Die Ladungsträgerlebensdauer wird grundsätzlich nur entlang von einzelnen Spuren zu 100% inline erfasst. Eine ganzflächige Bestimmung wäre jedoch erforderlich, um Aussagen über die Waferqualität zu liefern.
Es sind Verfahren und Geräte bekannt, mit denen sich die Ladungsträgerlebensdauer oder von dieser abhängige Messgrößen wie Intensität der Band-Band-Lumineszenz ganzflächig und inline vermessen lassen. Insoweit ist beispielhaft auf die DE-A-10 2008 052 223 oder die WO-A-2007/128060 zu verweisen.
Die rekombinationsaktiven Störstellen in Silicium sind unterschiedlichster Natur. Es kann sich um Fremdatome handeln (z. B. interstitiell eingebautes Eisen), Komplexe von Fremdatomen oder von Fremdatomen mit Dotieratomen (z. B. Fe-B oder B-O), von Fremdatomen dekorierte Korngrenzen oder Versetzungen (z. B. O-Agglomerate an Korngrenzen und Versetzungswänden), oder auch Gitterdefekte selbst (Versetzungen, Kleinwinkelkorngrenzen, Korngrenzen, oder auch Fremdausscheidungen im Gitter, oder eingewachsene Fremdpartikel). Die Detektion solcher Bereiche auf einem Wafer im Rahmen einer ganzflächigen Waferinspektion erfolgt daher typischerweise nicht individuell, sondern es werden lokale Unterschiede in der resultierenden Ladungsträgerlebensdauer über die Fläche des Wafers erfasst, ohne nach den Ursachen zu unterscheiden.
Massive Gitterstörungen in Teilen eines Wafers können Versetzungscluster, d. h. Anhäufungen von Versetzungslinien und Kleinwinkelkorngrenzen sein. Diese Art von Störungen kann bei kristallinen Siliciumwafern bei sämtlichen Kristallisationstechnologien auftreten. Besonders häufig sind diese in multikristallinen Wafern anzutreffen, welche aus gerichtet erstarrten Blöcken gesägt werden, oder aus Blöcken aus der EMC (electromagnetic casting technology). Genauso kommen sie in Siliciumwafern aus Folienerstarrungsverfahren wie SR (String Ribbon), EFG (Edge-defined Film-fed Growth), RGS (Ribbon Grown on Substrate) vor. Diese Verfahren haben gemeinsam, dass eine mehr oder weniger hohe Versetzungsdichte auftritt. Eine massive Gitterstörung kann aber auch in nominell einkristallinen, versetzungsfreien Wafern aus Verfahren wie z. B. dem CZ-/Czochralski) oder dem FZ-(Floating Zone) Verfahren auftreten, falls das an sich bei diesen Verfahren angestrebte versetzungsfreie Wachstum nicht eingehalten wurde.
Massive Gitterstörungen bestehen darin, dass sich grundsätzlich vorhandene an und für sich wenig störende Versetzungen lokal zu Clustern von Versetzungslinien, Versetzungswänden und Kleinwinkelkorngrenzen anordnen. In RYNINGEN et al.: „ Dislocation clusters in multicrystaline silicon", Proc. 22nd Europ. Photovoltaic Solar Energy Conference, 3. bis 7. September 2007, Mailand, Italien, Seiten 1086 bis 1090, wird erläutert, wie diesbezügliche Bereiche mit gezielter aufwändiger Präparation von Waferbereichen sichtbar gemacht werden. Hierzu werden Wafer chemisch mechanisch poliert und sodann geätzt. Durch die enge Nachbarschaft vieler solcher die beiden Waferoberflächen verbindender Störungen ist der gesamte Waferbereich betroffen. Die Abstände der Störungen voneinander sind in diesen Regionen kleiner oder gleich der Diffusionslänge der Ladungsträger und reduzieren daher die Ladungsträgerlebensdauer lokal sehr effektiv. Massiv gestörte Bereiche eines Wafers unterscheiden sich somit deutlich von anderen Waferbereichen dahingehend, dass die an sich überall mehr oder weniger präsenten und den Wafer durchziehenden Versetzungen nicht mehr einzeln nebeneinander vorliegen, sondern in Versetzungswänden und Kleinwinkelkorngrenzen angeordnet sind, welche zudem flächig ausgedehnte und von nicht betroffenen Gebieten abgrenzbare Cluster bilden.
Diese Cluster mit massiver Gitterstörung führen über die im Bereich der Cluster stark reduzierte Ladungsträgerlebensdauer zu einer Reduzierung der erreichbaren elektrischen Kennzahlen einer Solarzelle. Dies betrifft insbesondere die Leerlaufspannung, den Kurzschlussstrom, und damit auch den Wirkungsgrad der Solarzelle. Dies wird in der Literaturstelle JULSRUD et al: „Directionally solidified multicristalline silicon: industrial perspectives, objectives, challenges", Proc. 3rd International Workshop on Crystalline Silicon Solar Cells, Trondheim, 2009, Seiten 1 bis 4 erläutert. Hierzu werden die Bereiche massiver Gitterstörung durch gezielte aufwändige Ätztechnik sichtbar gemacht. Die gleichen Bereiche zeigen bei Lebensdauermappings eine stark reduzierte Ladungsträgerlebensdauer. Ähnliches ergibt sich auch aus KADEN et al: „The impact of dislocations on the efficiency of multicrystalline silicon solar cells", Proc. 3rd International Workshop on Crystalline Silicon Cells, Trondheim, 2009, Seiten 1 bis 5.
Die Reduzierung der Leerlaufspannung, des Kurzschlussstroms oder des Wirkungsgrads hängt in erster Näherung linear davon ab, wie groß der Flächenanteil solcher Bereiche bzw. Cluster auf einer Solarzelle bzw. auf einem Wafer ist.
Allerdings sieht man den Wafern die Defekte am Beginn einer Zellproduktionslinie nicht ohne Weiteres an, so dass eine Eingangskontrolle der unbehandelten Wafer nur mit aufwändigen, indirekten Methoden möglich ist.
Hierbei gelangen Methoden zur Anwendung, bei denen die Verteilung der Ladungsträgerlebensdauer erfasst werden kann, wie z. B. Micro-PCD oder Photolumineszenz. Entsprechende Verfahren sind aufwändig und nicht immer inline-fähig, da der gesamte Wafer im Takt weniger Sekunden zerstörungsfrei charakterisiert und beurteilt werden muss. Andererseits kann die Ladungsträgerlebensdauer auch durch andere, weniger problematische Defekte reduziert werden. Beispielhaft sind erhöhte Metallkontaminationen zu nennen. Solche Bereiche sind jedoch nicht ohne Weiteres durch Lebensdauermappings von Bereichen massiver Gitterstörungen zu separieren. Dies wird in HAUNSCHILD et al.: "Comparing luminescense imaging with illuminated lock-in thermography and carrier density imaging for inline inspection of silicon solar cells", Proc. 24th Europ. Photovoltaic Solar Enery Conference, Hamburg, 2009, Seiten 857–862 erläutert, wobei die Möglichkeit einer in-line-Überprüfung von Solarzellen durch Elektrolumineszenz- bzw. Photolumineszenz-Messungen in Betracht gezogen wird.
Verfahren zur Messung der Lumineszenzstrahlung einer Halbleiterstruktur durch Messung von Photolumineszenz bzw. Lumineszenzstrahlung sind des Weiteren in der DE-A-10 2008 044 883 , der DE-A-10 2005 040 010 oder der WO-A-2009/121133 beschrieben. Allerdings lassen sich erwähntermaßen mit entsprechender Photolumineszenz bzw. Lumineszenzmessungen nicht eindeutig Rückschlüsse auf das Vorliegen von strukturgestörten Bereichen ziehen.
Bei Wafern, die aus den Randbereichen eines Ingots stammen und mit mindestens einer Kante Kontakt zur Schmelztiegelwand hatten, kommt es aufgrund von eindiffundierenden Verunreinigungen ebenfalls zu Bereichen verringerter Lebensdauer. Diese Bereiche führen bei einer Zelle zu Wirkungsgradverlusten.
Der elektrische Widerstand wird vom Gehalt an Dotieratomen bestimmt. Dies ist im Fall von Silicium für die Photovoltaik typischerweise überwiegend Bor oder Gallium (für p-type Si), oder Phosphor (für n-type Si). Im Fall, dass Donatoren und Akzeptoren in ähnlicher Größenordnung vorliegen kommt es zur Kompensation bzw. teilweisen Kompensation. Für die Solarzelle entscheidend ist der aus der Nettokonzentration resultierende Widerstand.
Es ist grundsätzlich bekannt, dass sich aus einer ganzflächigen Erfassung und Vermessung der Bereiche reduzierter Lebensdauer auf einem multikristallines Wafer Rückschlüsse auf den zu erreichenden Wirkungsgrad bzw. allgemeiner auf die Kennlinie eine daraus gefertigten Solarzelle ziehen lassen. Einzelheiten sind z. B. bei Haunschild et al., Nagel et al., Macmillan et al. oder Birkmann et al. beschrieben.
Um die Produktionskosten noch weiter zu senken, bietet es sich an, als für Wafer zu bewertendes minderwertiges Material bereits am Brick zu identifizieren, auszusortieren und somit von den weiteren Bearbeitungsschritten auszuschließen. Ein Ingot, der durch Aufschmelzen und gezielte Kristallisation insbesondere aus Reinstsilicium gezüchtet wird, wird in einem anschließenden Blocking-Prozess in sogenannte Bricks geschnitten, der in einem nachfolgenden Schritt zu Wafern weiterverarbeitet wird. Hierzu wird der Brick senkrecht zu seiner Längsachse in Scheiben z. B. durch Sägen getrennt.
Im Falle mittels gerichteter Blockerstarrung wie Vertical Gradient Freeze (VGF) oder verwandter Kristallisationsverfahren kristallisierten Siliciums hängt – wie zuvor erläutert – der erreichbare Wirkungsgrad von aus diesem Material zu Solarzellen prozessierten Bricks ganz wesentlich von zwei voneinander weitgehend unabhängigen Materialeigenschaften ab, nämlich

– vom Gehalt an rekombinationsarmen Störstellen bzw. Gitterdefekten (welche in der Regel sehr inhomogen über die Höhe des Brick verteilt sind),
– vom elektrischen Widerstand (welcher sich in der Regel homogen über die Brickhöhe ändert).

Eine routinemäßige, an 100 % der Bricks erfolgende inline-Messung erfolgt für Widerstand und Ladungsträgerlebensdauer nach dem Stand der Technik entlang von einzelnen Spuren entlang einer zur Innenseite des Ingots gewandten, nicht von Randbereichen beeinflussten Seitenfläche, also Umfangsaußenfläche der Bricks. Auch ist es bekannt, Clusteranteile über die gesamte Fläche eines Bricks zu messen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass eine Qualitätsaussage über einen zu prozessierenden Siliciumwafer, insbesondere einem solchen zur Herstellung einer Solarzelle vor dem Zerteilen des Bricks in Wafer, ermöglicht wird.
Zur Lösung der Aufgabe sieht die Erfindung im Wesentlichen vor, dass die sich entlang der Längsachse des Bricks verlaufenden Außenflächen – also Umfangsaußenfläche – ganzflächig oder im Wesentlichen ganzflächig in Bezug auf für die Qualität der Wafer charakteristische Parameter bewertet werden und dass aus Abschnitten des Bricks, die vorgegebene Parameterwerte erfüllen, die zu prozessierenden Wafer abgetrennt werden.
Als Qualitätsparameter wird zumindest ein Parameter aus der Gruppe Versetzungsclusteranteil, Kornstrukturbild, Ladungsträgerlebensdauer ausgewählt.
Erfindungsgemäß erfolgt eine Detektion von Brick-Bereichen mit definierter Qualität, aus denen Wafer entstehen, die zu Halbleiterbauelementen, insbesondere zu Solarzellen mit einer vorhersagbaren Wirkungsbandbreite prozessiert werden können. Wesentlich hierfür ist, dass Grundlage für die Vorhersage eine ganzflächige Erfassung der Umfangsaußenflächen, also der Seitenflächen des Bricks erfolgt, wobei insbesondere die Bereiche verringerter Ladungsträgerlebensdauer ermittelt werden. Die Erfassung erfolgt dabei zerstörungsfrei und ist insbesondere inline-fähig.
Insbesondere erfolgt eine unmittelbare Messung der Ladungsträgerlebensdauer. Aber auch Messungen von davon abhängigen Eigenschaften wie Gehalt an Lebensdauer bestimmenden Defekten zur Verwirklichung der erfindungsgemäßen Lehre sind möglich.
Dabei erfolgt die Ladungsträgerlebensdauermessung insbesondere mittels Mikrowellendetektion.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass dann, wenn die Außenflächen des Bricks ganzflächig oder im Wesentlichen ganzflächig bewertet werden und die Messergebnisse, die den einzelnen Flächen zugeordnet werden, ebenfalls unter Berücksichtigung eines Wichtungsfaktors verknüpft werden, eine reproduzierbare Bewertung des Bricks und somit der Bereiche erfolgen kann, die für Wafer geeignet sind, um aus diesen Solarzellen mit einem hohen Wirkungsgrad herzustellen. Vergleiche haben gezeigt, dass der Clusteranteil am Brick mit dem Clusteranteil am Wafer aus der entsprechenden Brickhöhe gut übereinstimmt. Mit anderen Worten können für die spätere Solarzellenqualität wesentliche Rückschlüsse am Brick selbst vorgenommen werden, wenn die Wafer zu Solarzellen prozessiert werden.
Als unabhängiger charakteristischer Parameter ist vorgesehen, dass von den Außenflächen des Bricks Kornstrukturbilder aufgenommen werden und sodann die Kornstrukturbilder zu einer Volumeninformation verknüpft werden.
Die Erfindung zeichnet sich auch dadurch aus, dass von den Außenflächen des Bricks Kornstrukturbilder zur Ermittlung flächenmäßigen Anteils monokristalliner Bereiche aufgenommen werden.
Insbesondere werden von den Außenflächen Bereiche reduzierter Ladungsträgerlebensdauer ermittelt.
Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass Versetzungscluster in jeder Außenfläche ermittelt werden.
In Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die ermittelten Qualitätsparameter entlang Längsachse des Bricks in vorgegebenen Abständen bewertet werden, wobei der Abstand A beträgt 1D ≤ A ≤ 100 D, bevorzugterweise 1D ≤ D ≤ 5D mit D = Dicke eines Wafers ist.
Somit können gezielt Bereiche ausgewählt werden, die für Wafer geeignet sind, um diese sodann insbesondere zu Solarzellen eines gewünschten Wirkungsgradpotenzials zu prozessieren.
Insbesondere sieht die Erfindung vor, dass bei der Ermittlung des Clustergehalts eine Wichtung des in der jeweiligen Außenfläche ermittelten Clusteranteils erfolgt, wobei Clusteranteile von einer Außenfläche, die Außenfläche des Ingots ist, oder an eine Außenfläche des Ingots angrenzt, geringer gewichtet wird als verbleibende Außenfläche bzw. Außenflächen. Bei dieser Bewertung trägt man der Tatsache Rechnung, dass diejenigen Flächen, die Außenfläche des Ingots selbst sind, unmittelbar mit dem Tiegel, aus dem der Ingot gezogen wird, kontaktiert sind und somit in die Randbereiche Verschmutzungen diffundiert sind, die ausschließlich im Randbereich verbleiben.
Insbesondere sieht die Erfindung vor, dass mehrere charakteristische Parameter an den Außenflächen des Bricks gemessen und diese sodann in Bezug auf die Längsachse des Bricks zur höhenmäßigen Bewertung der Güte des Bricks verknüpft werden.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen – für sich und/oder im Kombination –, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
1 Fotografien der Mantelflächen eines Bricks, aneinandergereiht,
2 aus den Bildern der 1 durch Bildverarbeitung gewonnene Teilstrukturen in den Außenflächen,
3 Lebensdauermapping eines Quasimono-Bricks,
4 Clusteranteile eines Bricks sowie von aus dem Brick geschnittenen Wafern über die Höhe des Bricks.
Nachstehend erfolgt anhand von Ausführungsbeispielen eine ganzflächige Erfassung der als Außenflächen oder Umfangsaußenflächen bezeichneten Seitenflächen eines quaderförmigen Bricks, der aus einem Ingot geschnitten ist. Dabei weisen Bricks typischerweise Abmessungen von 156 × 156 mm Grundfläche, die der Kantenlänge eines Wafers entsprechen, und eine Höhe von z. B. 450 mm auf. Die Bewertung der Seitenflächen erfolgt über die Höhe des Bricks. In Abhängigkeit von den Messverfahren erfolgen die höhenmäßigen Bewertungen, um Bereiche zu ermitteln, die vorgegebenen Qualitätsparametern entsprechen, so dass die Bereiche ausgewählt werden können, um Wafer abzutrennen, die sodann zu Halbleiterbauelementen, insbesondere zu Solarzellen mit einem gewünschten Wirkungsgrad prozessiert werden können. Erfindungsgemäß erfolgt eine Bewertung des Kristallisationsprozesses bereits am Brick und nicht erst am Wafer. Somit besteht die Möglichkeit, am Anfang der Prozesskette wertvolles Rohmaterial für ein Recyceln zurückzugewinnen. Erfolgt eine Bewertung erst am Wafer, geht Material teilweise während des Sägens verloren.
Insbesondere erfolgt eine Bewertung der Außenflächen des Bricks über dessen Höhe in Bezug auf Lebensdauermessungen und Kornstrukturdaten.
Für die Bestimmung der Bereiche reduzierter Lebensdauer eignen sich alle bildgebenden Verfahren, deren Messgrößen mit der Ladungsträgerlebensdauer korrelieren. Beispielhaft ist Photolumineszenz zu nennen. Insbesondere eignen sich jedoch inline-fähige Verfahren, wobei insbesondere das MDP (Microwave Detected Photoconductivity)-Verfahren zu nennen ist. Die technische Umsetzung der diesbezüglichen Verfahren wird z. B. in den nachstehenden Literaturstellen erörtert, auf deren Offenbarung ausdrücklich Bezug genommen wird:
HAUNSCHILD et al.: Comparing luminescense imaging with illuminated lock-in thermography and carrier density imaging for inline inspection of silicon solar cells. Proc. 24th European Photovoltaic Solar Energy Conference, Hamburg, 2009;
NAGEL et al., Luminescence imaging – a key metrology for crystalline silicon PV. Proc. NREL Workshop on Crystalline Silicon, Breckenridge, 2010;
MACMILLAN et al., In-line Monitoring of Electrical Wafer Quality using Photoluminescence Imaging. Proc. 25th Europ. Photovoltaic Solar Energy Conference, Valencia, 2010;
BIRKMANN et al., Analysis of multicrystalline wafers originating from corner and edge bricks and forecast of cell properties. Proc. 26th Europ. Photovoltaic Solar Energy Conference, Hamburg, 2011;
SCHÜLER et al., Spatially resolved determination of trapping parameters in p-doped silicon by Microwave Detected Photoconductivity, Proc. 25th Europ. Photovoltaic Solar Energy Conference, Valencia, 2010.
Für die Bestimmung der Kornstruktur, insbesondere des Anteils des größten Korn, eignen sich alle Verfahren, insbesondere inline-fähige bildgebende Verfahren, welche die Kornstruktur sichtbar machen. Insbesondere Auflicht- oder IR-Durchlicht-Inspektion von Bricks kommen in Frage. Durch die beiden Methoden können mittels geeigneter Bildverarbeitung die Korngrößen an den Brick-Seitenflächen bestimmt werden.
Nachstehende Erläuterungen sind jedoch nicht an die zuvor erwähnten Verfahren zwingend gebunden.
Den 1 und 2 sind Bilder der Außenflächen eines Bricks zu entnehmen, wobei die Außenflächen mit C₁, C₂, C₃ und C₄ gekennzeichnet sind. Diese sind aneinander gereiht. Man kann auch von aufgeklappten Mantelflächen sprechen.
In der 1 ist die Kornstruktur der Mantelflächen durch Auflicht-Verfahren ermittelt worden. Aus den entsprechenden Aufnahmen werden sodann durch geeignete Bildverarbeitung die Kornstrukturen sichtbar gemacht (2). Aus den sichtbar gemachten großen Körnern kann sodann der Flächenanteil des größten Korns pro Mantelfläche C₁, C₂, C₃, C₄ ermittelt werden.
Aus den Bildern kann in einem ersten Schritt eine höhenabhängige Ermittlung der Korngrenzen mittels Gradientenfläche pro Mantelfläche C₁, C₂, C₃, C₄ erfolgen. In einem nachfolgenden Schritt können die zusammenhängenden Flächen berechnet werden, um das größte Korn pro Mantelfläche C₁, C₂, C₃, C₄ zu ermitteln. Die Einzelergebnisse in Bezug auf die Mantelflächen C₁, C₂, C₃, C₄ werden anschließend verknüpft, um eine Volumeninformation zu erhalten, d. h., Rückschlüsse aus dem Volumenanteil des größten Korns, insbesondere monokristalline Bereiche, zu gewinnen.
Der 3 sind Ladungsträgerlebensdaueraufnahmen der Seiten- bzw. Mantelflächen C₁, C₂, C₃, C₄ zu entnehmen. Die Ladungsträgerlebensdauermessungen wurden mittels MDP (MDPIngot; Gerätehersteller Freiberg Instrument) durchgeführt. Dabei ist der 3 ein typischer Quasimono-Brick mit seinen Mantelflächen C₁, C₂, C₃, C₄, also Seiten- bzw. Außenflächen, zu entnehmen, wobei die dunklen Bereiche Gebiete niedrigerer Defektausprägung repräsentieren. Man erkennt an einer Seite die Eindiffusionszone, die durch den unmittelbaren Kontakt des Ingots mit dem Tiegel entsteht. Somit ist der Brick, der der Abbildung gemäß 3 entspricht, aus dem Ingot derart geschnitten, dass die Außenfläche C₂ die Kontaktfläche des Ingots mit dem Schmelztiegel ist. Die hellen Bereiche stellen des Weiteren Versetzungscluster dar, also Versetzungswände, Kleinwinkelkorngrenzen, linienhafte Anhäufung von Versetzungen. Diese Bereiche sind durch verringerte Lebensdauer gekennzeichnet.
Um die Messergebnisse der Außenflächen C₁, C₂, C₃, C₄ zu bewerten, wird von dem jeweils aufgenommenen MDP-Lebensdauerbild pro Brickhöhe, und zwar in Abhängigkeit von der Auflösung des Messgerätes, wobei der Abstand z. B. 1 mm beträgt, der Maximalwert über die Brickbreite gebildet. Dabei werden für die Berechnung des Maximalwertes Bereiche am Rand ausgenommen, die auf eindiffundierte Verunreinigungen zurückzuführen sind. Sodann wird zur Bestimmung des Flächenanteils von Versetzungsclustern je Außenfläche C₁, C₂, C₃, C₄ in Abhängigkeit von der Brickhöhe der Quotient zwischen Maximalwert und Lebensdauerwert gebildet. Dabei hängt der Maximalwert von der Stärke der an den Ladungsträgern reflektierten Mikrowelle ab. Überschreitet der Quotient ∆τ einen vorgegebenen Wert, dann wird der Pixel als Cluster gezählt. Typischerweise sollte der Quotient im Bereich von 0,22 liegen, kann jedoch frei wählbar sein. Die Clusterbestimmung und Bewertung erfolgt dabei grundsätzlich ausschließlich für die Flächen, die nicht Außenfläche des Ingots sind.
Anschließend kann der Clusteranteil für die entsprechende Brickhöhe gemäß nachfolgender Formel berechnet werden: Clustergehalt = 100 % × (Anzahl Schlechtpixel: (Anzahl Schlechtpixel + Anzahl Gutpixel)).
Die Randbereiche einer Fläche bleiben bei der Berechnung der Lebensdauerwerte der jeweiligen Fläche unberücksichtigt. Um die Randbereiche der jeweiligen entsprechenden Brickhöhe zu ermitteln, kann ein Absolutkriterium berücksichtigt werden. So werden alle Pixel, deren Lebensdauer einen Wert unterschreiten, als Rand gezählt. Als Wert kann z. B. 5 µsec angenommen werden, wobei der Wert allerdings vom Messverfahren abhängig ist. Sofern alle Pixelwerte einer Außenfläche unter dem Schwellwert liegen, wird diese Fläche des Bricks als Außenseite bewertet. Als Außenseite wird die Seite des Bricks bezeichnet, die unmittelbar Kontakt mit der Tiegelwand hatte.
Bei der Zusammenfassung der Ergebnisse der einzelnen Brick-Außenflächen wird sodann eine Klassifizierung vorgenommen. Liegt keine Außenfläche vor, die einer Außenfläche des Ingots entspricht, kann eine Bewertung als Zentrumbrick erfolgen. Liegt eine Außenfläche vor, die ein Abschnitt einer Außenfläche des Ingots ist, handelt es sich um einen Randbrick. Bei einem Eckbrick werden zwei Außenflächen als Abschnitte von Außenflächen des Ingots bewertet.
Zur Bestimmung des Clustergehalts des Bricks in Abhängigkeit von der Brickhöhe können folgende Verfahren zur Anwendung gelangen. Um eine Aussage über den Clustergehalt des Bricks zu treffen, werden die Einzelergebnisse der Brickaußenfläche zusammengefasst. Dabei werden in Abhängigkeit der Anzahl der Außenflächen, die Abschnitten von Außenflächen des Ingots entsprechen, die Clusteranteile der einzelnen Brick-Außenflächen gewichtet zusammengefasst. Clustergehalt (Zentrumbrick) = (0,25 × Clustergehalt C₁) + (0,25 × Clustergehalt C₂) + (0,25 × Clustergehalt C₃) + (0,25 × Clustergehalt C₄)

C₁, C₂, C₃, C₄: = Fläche ohne Randbereich

Bei einem Zentrumbereich ist keine Umfangsaußenfläche des Bricks Außenfläche des Ingots. Clustergehalt (Randbrick) = (0,25 × Clustergehalt C₁) + (0,25 × Clustergehalt C₂) + (0,5 × Clustergehalt C₃) + (0,0 × Clustergehalt C₄)

C₁, C₂: = Fläche mit Randbereich
C₃: = Fläche ohne Randbereich
C₄: = Außenfläche (am Tiegel anliegende Seite);

Clustergehalt (Eckbrick) = (0,5 × Clustergehalt C₁) + (0,5 × Clustergehalt C₂) + (0,0 × Clustergehalt C₃) + (0,0 × Clustergehalt C₄)

C₁, C₂: = Fläche mit Randbereich
C₃, C₄: = Außenfläche (am Tiegel anliegende Seite).

Die Ladungsträgerlebensdauermessungen erfolgen erfindungsgemäß am Brick mit der Folge, dass die Messergebnisse nur Rückschlüsse bis zu einer bestimmten Eindringtiefe in das Volumen des Bricks ermöglichen. Mit anderen Worten dürfte der am Brick bestimmte Clustergehalt nicht 1:1 auf den Clustergehalt des abzutrennenden Wafers übernommen werden. Überraschenderweise hat sich jedoch gezeigt, dass unter Berücksichtigung eines Skalierungsfaktors ein hinreichender Zusammenhang zwischen Clustergehalt des Bricks und Clustergehalt des Wafers im selben Höhenzug hergestellt werden kann, wie 4 verdeutlicht. So ist in 4 der Clusteranteil des Bricks (Kurve 10) zum Clusteranteil der Wafer (Kurve 12) dargestellt, die aus der entsprechenden Brickhöhe geschnitten wurden. Man erkennt, dass die Clusteranteile des Bricks und die der Wafer in einem Umfang übereinstimmen. Somit können nachhaltige Rückschlüsse aus dem Clusteranteil des Bricks auf den Clusteranteil eines Wafers aus der jeweiligen Brickhöhe gezogen werden.
Die weiteren Kurven 14, 16, 18, 20 stellen die in der jeweiligen Fläche C₁, C₂, C₃, C₄ berechneten Clusteranteile dar.
C₂ ist eine Außenfläche, d. h. eine Fläche, die an einem Tiegel anliegt. Daher konnte kein Clusteranteil ermittelt werden. Im Übrigen würde der Clusteranteil einer Außenfläche nach zuvor erfolgten Erläuterungen auch nicht berücksichtigt werden.
Die höhenmäßig ermittelten Messergebnisse – im Ausführungsbeispiel die Kornstrukturdaten und die Ladungsträgerlebensdauermessungen – können sodann zu einem Gesamtergebnis verknüpft werden. Mit Hilfe dieses Ergebnisses kann eine höhenabhängige Qualitätsbewertung des Bricks vorgenommen werden, wie nachstehend erläutert wird.
Die Teilergebnisse spannen einen Parameterrahmen auf, der eine Einteilung der Brickgebiete in Qualitätsklassen erlaubt.
So kann eine Qualitätsklasse 1 beispielsweise definiert werden: 100%iger Monobereich, also korngrenzenfreier Bereich, in dem nur ein geringer Clusteranteil vorhanden ist.
Eine Qualitätsklasse 2 kann dahingehend definiert werden, dass der monokristalline Anteil mehr als 70 % beträgt, also ein Bereich, der teilweise mit Korngrenzen besetzt ist. Der Clusteranteil soll in diesem Gebiet im mittleren Bereich liegen.
Eine Qualitätsklasse 3 kann dahingehend festgelegt werden, dass der monokristalline Anteil weniger als 70 % beträgt, also überwiegend mit Korngrenzen besetzter Bereich. Der Clusteranteil ist hoch.
Aufgrund der festzulegenden Kriterien kann ein Brick qualitätsmäßig dahingehend unterteilet werden, dass Wafer aus den nach den Qualitätsdaten selektierten Brickbereichen zu Zellen mit einem vordefinierten Wirkungsgradbereich prozessiert werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008052223 A [0007]
WO 2007/128060 A [0007]
DE 102008044883 A [0015]
DE 102005040010 A [0015]
WO 2009/121133 A [0015]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

RYNINGEN et al.: „ Dislocation clusters in multicrystaline silicon“, Proc. 22nd Europ. Photovoltaic Solar Energy Conference, 3. bis 7. September 2007, Mailand, Italien, Seiten 1086 bis 1090 [0010]
JULSRUD et al: „Directionally solidified multicristalline silicon: industrial perspectives, objectives, challenges“, Proc. 3rd International Workshop on Crystalline Silicon Solar Cells, Trondheim, 2009, Seiten 1 bis 4 [0011]
KADEN et al: „The impact of dislocations on the efficiency of multicrystalline silicon solar cells“, Proc. 3rd International Workshop on Crystalline Silicon Cells, Trondheim, 2009, Seiten 1 bis 5 [0011]
HAUNSCHILD et al.: “Comparing luminescense imaging with illuminated lock-in thermography and carrier density imaging for inline inspection of silicon solar cells“, Proc. 24th Europ. Photovoltaic Solar Enery Conference, Hamburg, 2009, Seiten 857–862 [0014]
Haunschild et al., Nagel et al., Macmillan et al. oder Birkmann et al. [0018]
HAUNSCHILD et al.: Comparing luminescense imaging with illuminated lock-in thermography and carrier density imaging for inline inspection of silicon solar cells. Proc. 24th European Photovoltaic Solar Energy Conference, Hamburg, 2009 [0045]
NAGEL et al., Luminescence imaging – a key metrology for crystalline silicon PV. Proc. NREL Workshop on Crystalline Silicon, Breckenridge, 2010 [0045]
MACMILLAN et al., In-line Monitoring of Electrical Wafer Quality using Photoluminescence Imaging. Proc. 25th Europ. Photovoltaic Solar Energy Conference, Valencia, 2010 [0045]
BIRKMANN et al., Analysis of multicrystalline wafers originating from corner and edge bricks and forecast of cell properties. Proc. 26th Europ. Photovoltaic Solar Energy Conference, Hamburg, 2011 [0045]
SCHÜLER et al., Spatially resolved determination of trapping parameters in p-doped silicon by Microwave Detected Photoconductivity, Proc. 25th Europ. Photovoltaic Solar Energy Conference, Valencia, 2010 [0045]

Claims

Verfahren zur Qualitätsbewertung eines aus einem Ingot herausgetrennten Bricks, aus dem zu prozessierende Siliciumwafer, geschnitten werden,, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangsaußenflächen des Bricks ganzflächig oder im Wesentlichen ganzflächig in Bezug auf für die Qualität der Wafer charakteristische Parameter bewertet werden und dass aus Abschnitten des Bricks, die vorgegebene Parameterwerte erfüllen, die zu prozessierenden Wafer abgetrennt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als charakteristische Parameter zumindest ein Parameter aus der Gruppe Kornstrukturbild, Versetzungsclusteranteil, Ladungsträgerlebensdauer ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass von den Umfangsaußenflächen des Bricks Kornstrukturbilder aufgenommen werden und die Kornstrukturbilder zu einer Volumeninformation verknüpft werden.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass von den Umfangsaußenflächen des Bricks Kornstrukturbilder zur Ermittlung flächenmäßigen Anteils monokristalliner Bereiche aufgenommen werden.
Verfahren nach zumindest Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass von den Umfangsaußenflächen Bereiche reduzierter Ladungsträgerlebensdauer ermittelt werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ortsaufgelöste, flächige Ladungsträgerlebensdauermessungen mittels Mikrowellendetektions- oder Photolumineszenz Verfahren durchgeführt werden.
Verfahren nach zumindest Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Versetzungscluster in jeder Umfangsaußenfläche ermittelt werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bewertung der Versetzungskluster an der Umfangsaußenfläche Randbereiche unberücksichtigt bleiben, bei denen Messwerte der Ladungsträgerlebensdauermessung einen Schwellwert unterschreiten.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Qualitätsparameter entlang Längsachse des Bricks in vorgegebenen Abständen bewertet werden, wobei der Abstand A 1D ≤ A ≤ 100D ist, vorzugsweise 1 D ≤ A ≤ 5D, mit D = Dicke eines abzutrennenden Wafers.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung des Versetzungsclustergehalts eine Wichtung des in der jeweiligen Umfangsaußenfläche ermittelten Clusteranteils erfolgt, wobei der Clusteranteil von einer Außenfläche, die Außenfläche des Ingots ist, oder an einer Außenfläche des Ingots angrenzt, geringer gewichtet wird als verbleibende Umfangsaußenfläche bzw. Umfangsaußenflächen des Bricks.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere charakteristische Parameter an dem Brick gemessen werden und die Parameter sodann in Bezug auf die Längsachse des Bricks zur höhenmäßigen Bewertung des Bricks verknüpft werden.