DE102012207764A1 - Method for boron doping silicon wafers in zone oven, involves diffusing boron from borosilicate glass layer in silicon wafer, cooling diffusion chamber at defined removal temperature, and removing silicon wafer out of chamber - Google Patents

Method for boron doping silicon wafers in zone oven, involves diffusing boron from borosilicate glass layer in silicon wafer, cooling diffusion chamber at defined removal temperature, and removing silicon wafer out of chamber Download PDF

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Abstract

The method involves setting defined load temperature to load diffusion chamber with silicon wafers. The diffusion chamber is heated until defined target temperature is reached. The boron-containing reactive gas is introduced into diffusion chamber to form layer of borosilicate glass on surface of silicon wafer. The boron is diffused from borosilicate glass layer in silicon wafer. The diffusion chamber is cooled until defined removal temperature is reached. The silicon wafer is removed out of diffusion chamber.

Description

Solarzellen auf der Basis von Silizium-Wafern spielen in vielen Bereichen des täglichen Lebens eine immer größere Rolle. Ein wesentlicher Verfahrensschritt bei der Erzeugung derartiger Solarzellen ist die Dotierung des Silizium-Wafers, insbesondere seine n-Dotierung. Typische Elemente, die dabei als n- oder p-Dotierungsatome Verwendung finden sind Phosphor und Bor, wobei letzteres insbesondere beispielsweise für die Ausbildung des Emitters („collecting junction“), einer „floating junction“ oder eines „back surface field“ eine wesentliche Rolle spielt. Solar cells based on silicon wafers play an increasingly important role in many areas of daily life. An essential process step in the production of such solar cells is the doping of the silicon wafer, in particular its n-type doping. Typical elements which are used as n- or p-doping atoms are phosphorus and boron, the latter in particular, for example, for the formation of the emitter ("collecting junction"), a "floating junction" or a "back surface field" an essential role plays.

Das wohl am häufigsten eingesetzte Verfahren zur Herstellung Bor-dotierter Silizium-Wafer in der Solarzellenproduktion ist ein Diffusionsverfahren unter Einsatz eines Rohrofens („OPEN TUBE SYSTEM“). Dabei werden flüssiges Bortribromid (BBr3) und Sauerstoff (O2) gemeinsam mit Stickstoff (N2) als Trägergas in eine Reaktionskammer des Röhrenofens, in der die Wafer angeordnet sind, geleitet. In dem Röhrenofen laufen dann die folgenden Reaktionen ab: 4 BBr3(g) + 3 O2 (g) → 2 B 2O3 (l) + 6 Br2 (g) 2 B2O3 (l) + 3 Si (s) → 4 B (s) + 3 SiO2 (s) Probably the most frequently used method for producing boron-doped silicon wafers in solar cell production is a diffusion method using a tube furnace ("OPEN TUBE SYSTEM"). In this case, liquid boron tribromide (BBr 3 ) and oxygen (O 2 ) together with nitrogen (N 2 ) as a carrier gas in a reaction chamber of the tube furnace, in which the wafers are arranged, passed. In the tube furnace then the following reactions take place: 4 BBr 3 (g) + 3 O 2 (g) → 2 B 2 O 3 (l) + 6 Br 2 (g) 2 B 2 O 3 (I) + 3 Si (s) → 4 B (s) + 3 SiO 2 (s)

Die in den vorstehenden Reaktionsgleichungen zu den jeweiligen Stoffangaben in Klammern hinzugefügten Buchstaben dienen als Angabe des Aggregatzustands des jeweiligen Stoffes, wobei (g) für gasförmig, (l) für flüssig und (s) für fest steht. The letters added in parentheses in the above reaction equations to the respective substance data serve as an indication of the state of matter of the respective substance, wherein (g) is gaseous, (l) is liquid and (s) is solid.

Das im zweiten der oben genannten Reaktionsschritte gebildete SiO2 entsteht an der Oberfläche der Wafer und wird teilweise in dem flüssigen B2O3 gemäß der Reaktionsgleichung x SiO2 + y B2O3 → x SiO2·y B2O3 gelöst, so dass eine Schicht aus Borsilikatglas (BSG) auf der Wafer-Oberfläche gebildet wird. The SiO 2 formed in the second of the above-mentioned reaction steps is formed on the surface of the wafer and becomes partially in the liquid B 2 O 3 according to the reaction equation x SiO 2 + y B 2 O 3 → x SiO 2 · y B 2 O 3 dissolved so that a layer of borosilicate glass (BSG) is formed on the wafer surface.

Gemäß dem Stand der Technik wird diese Borsilikatglasschicht als Borquelle für einen zumindest partiell nachgeschalteten Diffusionsschritt, bei dem Bor in die Wafer eindiffundiert wird, um die gewünschte n-dotierte Zone zu schaffen, verwendet. Für die Anwendung in Solarzellen wird eine Bordiffundierte Schicht mit einem Flächenwiderstand zwischen 30 Ohm/square und 200 Ohm/square benötigt. Um diesen Flächenwiderstand einzustellen, wird typischerweise mit Diffusionstemperaturen zwischen 890°C und 1000°C gearbeitet, die so lange konstant gehalten werden, bis der Diffusionsprozess abgeschlossen ist. According to the prior art, this borosilicate glass layer is used as a boron source for an at least partially downstream diffusion step in which boron is diffused into the wafers to provide the desired n-doped zone. For use in solar cells, a boron-diffused layer with a sheet resistance between 30 ohms / square and 200 ohms / square is required. In order to adjust this sheet resistance, it is typical to use diffusion temperatures between 890 ° C. and 1000 ° C., which are kept constant until the diffusion process is complete.

Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren weisen die Schritte a) Einstellen einer definierten Beladungstemperatur; b) Beladen der Diffusionskammer mit den Silizium-Wafern, wenn die definierte Beladungstemperatur eingestellt ist; c) Aufheizen der Diffusionskammer, bis in jeder Zone eine definierte Zieltemperatur erreicht ist; d) Einbringen eines borhaltigen Reaktionsgases in die Diffusionskammer zur Bildung einer Schicht aus Borsilikatglas auf der Oberfläche der Silizium- Wafer; e) Eindiffundieren von Bor aus der Borsilikatglasschicht in den Silizium-Wafer, f) Abkühlen der Diffusionskammer, bis in jeder Zone eine definierte Entnahmetemperatur erreicht ist; und g) Entnehmen der Silizium-Wafer aus der Diffu- sionskammer auf. Dabei gibt es im Stand der Technik zwei Varianten der Prozessführung: The methods known from the prior art comprise the steps of a) setting a defined loading temperature; b) loading the diffusion chamber with the silicon wafers when the defined loading temperature is set; c) heating the diffusion chamber until a defined target temperature is reached in each zone; d) introducing a boron-containing reaction gas into the diffusion chamber to form a layer of borosilicate glass on the surface of the silicon wafer; e) diffusing boron from the borosilicate glass layer into the silicon wafer, f) cooling the diffusion chamber until a defined removal temperature has been reached in each zone; and g) removing the silicon wafers from the diffusion chamber. There are two variants of the process control in the prior art:

Einerseits ist es z.B. aus der US 6 548 378 B1 , dem Artikel „Charge carrier lifetime degradation in Cz silicon through the formation of a boron-rich layer during BBr3 diffusion processes“, von M. A. Kessler et al., Semicond. Sci. Technol. 25 (2010), 055001 und dem Artikel „Water vapor as an oxidant in BBr3 open-tube silicon diffusion systems“ von R.F. Lever et al., IBM J. Res. Develop. 1974, S. 40–46 bekannt, die vorstehend genannten Schritte nacheinander zu beginnen, wobei jedoch in Schritt c) als Zieltemperatur eine geringere Temperatur als die für Bor-Diffusion in relevantem Ausmaß benötigt wird eingestellt wird und dann in Schritt d) die Borsilikatglasschicht als Bor-Quelle für den späteren Diffusionsprozess gebildet wird. Zwischen dem Ende des Schritts d) und dem Anfang des Schritts e) muss daher in einem zusätzlichen Schritt der Zonenofen auf die benötigte Diffusionstemperatur aufgeheizt werden. On the one hand, it is for example from the US Pat. No. 6,548,378 B1 , the article "Charge carrier lifetime degradation in Cz silicon through the formation of a boron-rich layer during BBr3 diffusion processes", by MA Kessler et al., Semicond. Sci. Technol. 25 (2010), 055001 and the article "Water vapor as an oxidant in BBr3 open-tube silicon diffusion systems" by RF Lever et al., IBM J. Res. Develop. 1974, pp. 40-46 It is known to start the above-mentioned steps one after the other, but in step c) the target temperature is set to a lower temperature than that required for boron diffusion to a relevant extent and then in step d) the borosilicate glass layer is used as boron source for the later diffusion process is formed. Between the end of step d) and the beginning of step e), the zone furnace must therefore be heated to the required diffusion temperature in an additional step.

Dies führt zu einem Verfahren, wie es weiter unten anhand der 2 detaillierter beschrieben wird. Da bei dieser Prozessführung zunächst eine wohldefinierte Quelle für die Dotierungsatome bereitgestellt wird und der Diffusionsprozess erst mit der Temperaturerhöhung beginnt, sind die Parameter der erzeugten Bor-dotierten Schicht des Silizium-Wafers besonders gut einstellbar. This leads to a procedure, as described below on the basis of 2 will be described in more detail. Since a well-defined source for the doping atoms is initially provided in this process control and the diffusion process only begins with the temperature increase, the parameters of the boron-doped layer of the silicon wafer produced are particularly easy to adjust.

Andererseits ist es z.B. aus dem Artikel „High-efficiency N-type silicon solar cells with front side boron emitter“ von J. Benick et al., Proceedings 24th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 21–25 September 2009, Hamburg, Germany, S. 863–870 , aus dem Artikel „N-type multicrystalline silicon solar cells: BBr3-diffusion and passivation of p+-diffused silicon surfaces“ von J. Libal et al., Proceedings 20th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 6–10 June 2005, Barcelona, Spain, S. 793–796 und aus dem Artikel „Effect of gettered iron on recombination in diffused regions of crystalline silicon wafers“ von D. Macdonald et al., Appl. Phys. Lett. 88, 092105, 2006 bekannt, die vorstehend genannten Schritte mit Ausnahme der Schritte d) und e) nacheinander durchzuführen. Insbesondere wird in Schritt c) bereits als Zieltemperatur die gewünschte Diffusionstemperatur für Schritt e) eingestellt und nach Erreichen der Zieltemperatur mit dem Einbringen des borhaltigen Reaktionsgases gemäß Schritt d) begonnen. Dies führt dazu, dass der Diffusionsprozess gemäß Schritt e) bereits beginnen kann, während der Aufbau der Borsilikatglasschicht noch nicht abgeschlossen ist. Mit anderen Worten beginnen gemäß diesem Verfahren die Prozessschritte d) und e) fast gleichzeitig und laufen nebeneinander ab, bis eine Borsilikatglasschicht der gewünschten Dicke entstanden ist. On the other hand it is for example from the article Bening et al., Proceedings 24th European Solar Photovoltaic Solar Conference, 21-25 September 2009, Hamburg, Germany, p. 863-870. "High-efficiency N-type silicon solar cells with front side boron emitter" , from the article "N-type multicrystalline silicon solar cells: BBr3 diffusion and passivation of p + -diffused silicon surfaces" by J. Libal et al., Proceedings 20th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 6-10 June 2005, Barcelona, Spain, p. 793 -796 and from the article "Effect of gettered iron on recombination in diffused regions of crystalline silicon wafers" by D. Macdonald et al., Appl. Phys. Lett. 88, 092105, 2006 It is known to carry out the above-mentioned steps with the exception of steps d) and e) one after the other. In particular, the desired diffusion temperature for step e) is already set as target temperature in step c) and, after reaching the target temperature, commenced with the introduction of the boron-containing reaction gas according to step d). As a result, the diffusion process according to step e) can already begin while the construction of the borosilicate glass layer is not yet completed. In other words, according to this method, the process steps d) and e) begin almost simultaneously and run side by side until a borosilicate glass layer of the desired thickness is formed.

Dies führt zu einem Verfahren, wie es weiter unten anhand der 3 detaillierter beschrieben wird. Dadurch, dass zwei der benötigten Prozessschritte parallel zueinander ablaufen, soll Zeit eingespart werden. Letztlich ist der erzielte Zeitgewinn aber gering, was nicht zuletzt darauf zurückzuführen ist, dass die Quellkonzentration von Bor wegen der noch im Aufbau begriffenen Borsilikatglasschicht zunächst gering ist und somit wenig Bor eindiffundiert wird, obwohl die benötigte Diffusionstemperatur bereits erreicht ist. This leads to a procedure, as described below on the basis of 3 will be described in more detail. Due to the fact that two of the required process steps run parallel to each other, time should be saved. Ultimately, however, the time gain achieved is low, which is not least due to the fact that the source concentration of boron is initially low because of borosilicate glass layer still under construction and thus little boron is diffused, although the required diffusion temperature has already been reached.

Aufgrund des harten Wettbewerbs im Feld der Herstellung von Solarzellen besteht ein stetes Streben nach Effizienzverbesserung der verwendeten Prozesse und Senkung der Herstellungskos- ten. Dies kann insbesondere durch den Einsatz zeitsparender Prozesse bewirkt werden. Due to the fierce competition in the field of the production of solar cells, there is a constant pursuit of improving the efficiency of the processes used and reducing the manufacturing costs. This can be achieved, in particular, by the use of time-saving processes.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zur Bor-Dotierung von Silizium-Wafern anzugeben, das eine Verkürzung der Dauer des Herstellungsprozesses mit sich bringt und dadurch eine effizientere und preisgünstigere Herstellung Bor-dotierter Silizium-Wafer ermöglicht. The object of the invention is therefore to specify a method for boron doping of silicon wafers, which brings about a shortening of the duration of the manufacturing process and thereby enables a more efficient and less expensive production of boron-doped silicon wafers.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Bor- Dotierung von Silizium-Wafern mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. This object is achieved by a method for boron doping of silicon wafers with the features of claim 1. Advantageous developments of the method are the subject of the dependent claims.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bor-Dotierung von Silizium- Wafern in einem Zonenofen, welcher eine Diffusionskammer mit mehreren unabhängig voneinander beheizbaren Zonen aufweist, umfasst die foglenden Schritte:

  • a) Einstellen einer definierten Beladungstemperatur;
  • b) Beladen der Diffusionskammer mit den Silizium-Wafern, wenn die definierte Beladungstemperatur eingestellt ist;
  • c) Aufheizen der Diffusionskammer, bis in jeder Zone eine definierte Zieltemperatur erreicht ist;
  • d) Einbringen eines borhaltigen Reaktionsgases in die Diffusionskammer zur Bildung einer Schicht aus Borsilikatglas auf der Oberfläche der Silizium-Wafer;
  • e) Eindiffundieren von Bor aus der Borsilikatglasschicht in den Silizium-Wafer
  • f) Abkühlen der Diffusionskammer, bis in jeder Zone eine definierte Entnahmetemperatur erreicht ist; und
  • g) Entnehmen der Silizium-Wafer aus der Diffusionskammer.
The method according to the invention for boron doping of silicon wafers in a zone furnace, which has a diffusion chamber with a plurality of zones which can be heated independently of one another, comprises the following steps:
  • a) setting a defined loading temperature;
  • b) loading the diffusion chamber with the silicon wafers when the defined loading temperature is set;
  • c) heating the diffusion chamber until a defined target temperature is reached in each zone;
  • d) introducing a boron-containing reaction gas into the diffusion chamber to form a layer of borosilicate glass on the surface of the silicon wafer;
  • e) diffusing boron from the borosilicate glass layer into the silicon wafer
  • f) cooling the diffusion chamber until a defined extraction temperature is reached in each zone; and
  • g) removing the silicon wafer from the diffusion chamber.

Erfindungswesentlich ist, dass zumindest die Schritte c) und d) wenigstens teilweise gleichzeitig ausgeführt werden oder dass zumindest die Schritte d) und f) zumindest teilweise gleichzeitig ausgeführt werden. Mit anderen Worten zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass zumindest während eines Teils der Zeit, in der die Diffusionskammer aufgeheizt wird und/oder während eines Teils der Zeit, in der die Diffusionskammer abkühlt, borhaltiges Reaktionsgas in die Diffusionskammer eingeführt wird. Damit erfolgt schon während dieser Zeitabschnitte, während denen keine konstante Temperatur in der Diffusionskammer herrscht, der Aufbau der Borsilikatglasschicht. It is essential to the invention that at least steps c) and d) are carried out at least partially simultaneously or that at least steps d) and f) are carried out at least partially simultaneously. In other words, the invention is characterized in that at least during a part of the time in which the diffusion chamber is heated and / or during a part of the time in which the diffusion chamber cools, boron-containing reaction gas is introduced into the diffusion chamber. Thus, even during these periods, during which there is no constant temperature in the diffusion chamber, the structure of the borosilicate glass layer.

Anzumerken ist, dass das Eindiffundieren von Dotierungsatomen, das als Schritt e) genannt wird, im Wesentlichen temperaturgesteuert ist. Das bedeutet, dass dieser Schritt einsetzt, sobald eine Borquelle vorhanden ist und eine hinreichend hohe Temperatur herrscht. Daraus resultiert, dass beim erfindungsgemäßen Verfahren gegebenenfalls auch die Schritte d) und e) zumindest teilweise parallel zueinander ablaufen, wobei in der Regel Schritt e) auch nach dem Ende von Schritt d) noch fortgeführt wird. It should be noted that the diffusion of dopant atoms, referred to as step e), is essentially temperature controlled. This means that this step starts as soon as a boron source is present and a sufficiently high temperature prevails. As a result, in the process according to the invention, if appropriate, steps d) and e) also run at least partially parallel to one another, wherein as a rule step e) is continued even after the end of step d).

Die Erfindung beruht auf der überraschenden Erkenntnis, dass die Eigenschaften der Bor-dotierten Silizium-Wafer, die man durch Anwendung des Verfahrens herstellt, im Gegensatz zur bisherigen Annahme nicht nur dann wohldefiniert und gut reproduzierbar sind, wenn die Bildung der Borsilikatglasschicht und der Eindiffusionsvorgang bei konstanter Temperatur durchgeführt werden, sondern auch, wenn diese Prozesse bei sich ändernder Temperatur erfolgen. Damit wird es möglich, zumindest Teile der notwendigen Aufheiz- und Abkühlphasen bereits für die Fertigung der dotierten Silizium-Wafer zu nutzen, was zu einer signifikanten Zeitersparnis führt, da typische Temperaturänderungsraten für kommerziell erhältliche Zonenöfen bei etwa 4°C pro Minute beim Heizen und 10°C pro Minute beim Abkühlen liegen. The invention is based on the surprising finding that the properties of boron-doped silicon wafers, which are produced by using the method, in contrast to the previous assumption, not only well-defined and well reproducible, if the formation of the borosilicate glass layer and the Eindiffusionsvorgang at constant temperature can be carried out, but also if these processes take place at changing temperature. This makes it possible to use at least parts of the necessary heating and cooling phases already for the production of the doped silicon wafer, which leads to a significant time savings, since typical temperature change rates for commercially available zone furnaces at about 4 ° C per minute for heating and 10 ° C per minute when cooling.

Es hat sich allerdings gezeigt, dass es sinnvoll ist, zwischen dem Ende des Beladens der Diffusionskammer und dem Beginn des Einbringens des borhaltigen Reaktionsgases einige Minuten verstreichen zu lassen, damit sich die Temperaturverteilung im Inneren der Diffusionskammer, homogenisieren kann. However, it has been found that it makes sense to allow a few minutes to elapse between the end of the loading of the diffusion chamber and the beginning of the introduction of the boron-containing reaction gas, so that the temperature distribution in the interior of the diffusion chamber can homogenize.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn während des Schritts c) und während des Schritts f) zumindest der Schritt d) jeweils mindestens einmal durchlaufen wird. Dies erlaubt, die Dotierungseigenschaften feiner einzustellen und trägt zu einer Homogenisierung der Eigenschaften der erhaltenen dotierten Siliziumschicht bei. It has proved to be advantageous if at least step d) is passed at least once during step c) and during step f). This makes it possible to finer adjust the doping properties and contributes to a homogenization of the properties of the obtained doped silicon layer.

Besonders vorteilhaft im Hinblick auf eine einfache Verfahrensführung ist es, wenn Schritt f) zeitlich unmittelbar nach Schritt c) durchgeführt wird. Das bedeutet, dass während des Verfahrens keine Phasen mehr vorhanden sind, in denen die Temperatur der Diffusionskammer mit hohem Regelungsaufwand konstant gehalten werden muss. Dabei hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die Zieltemperatur gemäß Schritt c), die zugleich die höchste Temperatur ist, die bei der Durchführung des Verfahrens erreicht wird, höher zu wählen, als diejenige, welche für eine Herstellung einer Bor-dotierten Schicht mit vergleichbaren Eigenschaften nach den bislang üblichen Verfahren, bei denen die Borsilikatglasbildung und die Eindiffusion von Bor bei konstanter Temperatur erfolgte, während des Diffusionsschritts verwendet wurde. With regard to a simple process control, it is particularly advantageous if step f) is performed immediately after step c). This means that there are no more phases during the process in which the temperature of the diffusion chamber must be kept constant with high control effort. It has proved to be expedient to select the target temperature according to step c), which is also the highest temperature which is achieved in carrying out the method, higher than that which is necessary for producing a boron-doped layer with comparable properties was used during the diffusion step according to the hitherto conventional methods in which the borosilicate glass formation and the diffusion of boron at constant temperature took place.

Zweckmäßigerweise ist die Zieltemperatur gemäß Schritt c) höher ist als die Beladetemperatur gemäß Schritt a) gewählt. Conveniently, the target temperature according to step c) is higher than the loading temperature selected in step a).

Lokale Temperaturinhomogenitäten innerhalb des Zonenofens können dadurch zumindest partiell kompensiert werden, dass die Beladetemperatur, die Zieltemperatur und die Entnahmetemperatur für unterschiedliche Zonen des Zonenofens jeweils individuell festgesetzt werden. Local temperature inhomogeneities within the zone furnace can be at least partially compensated for by setting the loading temperature, the target temperature and the removal temperature for different zones of the zone furnace individually.

Besonders gute Ergbenisse erhält man, wenn die Beladetemperatur und die Entnahmetemperatur aus dem Tempereich zwischen 700°C und 900°C gewählt sind und dass die Zieltemperatur aus dem Temperaturbereich zwischen 850°C und 1200°C gewählt ist. Particularly good results are obtained if the loading temperature and the removal temperature are selected from the temperature range between 700 ° C and 900 ° C and that the target temperature is selected from the temperature range between 850 ° C and 1200 ° C.

Ferner sollte beim Aufheizen in Schritt c) eine Temperatursteigerungsrate zwischen 0,5 °C pro Minute und 15°C pro Minute verwendet werden und beim Abkühlen in Schritt f) eine Temperaturabkühlrate zwischen 0,1 °C pro Minute und 10 °C pro Minute verwendet werden. Auch hier kann zum Ausgleich von Inhomogenitäten zwischen den einzelnen Zonen des Zonenofens beim Aufheizen in Schritt c) die Temperatursteigerungsrate für unterschiedliche Zonen des Zonenofens jeweils individuell festgesetzt werden und/oder beim Abkühlen in Schritt f) die Temperaturabkühlrate für unterschiedliche Zonen des Zonenofens jeweils individuell festgesetzt werden. Furthermore, during the heating in step c) a temperature increase rate between 0.5 ° C per minute and 15 ° C per minute should be used and when cooling in step f) a temperature cooling rate between 0.1 ° C per minute and 10 ° C per minute is used become. Again, to compensate for inhomogeneities between the zones of the zone furnace when heating in step c) the temperature increase rate for different zones of the zone furnace are each set individually and / or the temperature cooling rate for different zones of the zone furnace are set individually during cooling in step f) ,

Wie aus den vorstehend erwähnten Variationsmöglichkeiten deutlich wird, können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Eigenschaften der erhaltenen Bor-dotierten Schichten der Siliziumwafer in erheblichem Ausmaß angepasst und kontrolliert werden. As is apparent from the above-mentioned possible variations, the method of the present invention can be used to adjust and control the properties of the resulting boron-doped layers of the silicon wafers to a considerable extent.

Zweckmäßiges Mittel zur Zuführung des borhaltigen Reaktionsgases in die Diffusionskammer ist ein BBr3-Bubbler oder ein BCl3-Bubbler. Advantageous means for supplying the boron-containing reaction gas in the diffusion chamber is a BBr 3 -Bubbler or a BCl 3 -Bubbler.

Besonders gute Resultate werden erzielt, wenn das borhaltige Reaktionsgas O2 und entweder BBr3 oder BCl3 aufweist, das mit N2 oder Ar als Trägergas zugeführt wird. Particularly good results are achieved when the boron-containing reaction gas O 2 and either BBr 3 or BCl 3 , which is supplied with N 2 or Ar as a carrier gas.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen: The invention will be explained in more detail with reference to figures. Show it:

1: Einen aus dem Stand der Technik bekannten Zonenofen; 1 A zone furnace known in the art;

2: ein erstes aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren zur Bor-Dotierung von Silizium-Wafer, dargestellt in einem Temperatur-Zeit-Diagramm; 2 a first known from the prior art method for boron doping of silicon wafer, shown in a temperature-time diagram;

3: ein zweites aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren zur Bor-Dotierung von Silizium-Wafer, dargestellt in einem Temperatur-Zeit-Diagramm; und 3 a second method known from the prior art for boron doping of silicon wafers, shown in a temperature-time diagram; and

4: ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, dargestellt in einem Temperatur-Zeit-Diagramm. 4 : An embodiment of the method according to the invention, shown in a temperature-time diagram.

1 zeigt einen an sich bekannten, kommerziell erhältlichen Zonenofen 100, wie er bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden kann. Der Zonenofen 100 weist eine Diffusionskammer 101 auf, die durch einen röhrenförmigen Abschnitt im Inneren eines Quartz-Mantels 108 gebildet wird. An einem Ende des Zonenofens 100 sind ein Gaszufluss 104 in die Diffusionskammer 101 und ein Gasabfluss 105 aus der Diffusionskammer 101 vorhanden; am gegenüberliegenden Ende ist die Ofentür 106 angeordnet. In diesem Beispiel hat der Ofen fünf beheizbare Zonen 107a, 107b, 107c, 107d und 107e, die unabhängig voneinander regelbar sind. 1 shows a known, commercially available zone furnace 100 as it can be used in carrying out the method according to the invention. The zone oven 100 has a diffusion chamber 101 on, passing through a tubular section inside a quartz mantle 108 is formed. At one end of the zone furnace 100 are a gas inflow 104 into the diffusion chamber 101 and a gas drain 105 from the diffusion chamber 101 available; at the opposite end is the oven door 106 arranged. In this example, the oven has five heatable zones 107a . 107b . 107c . 107d and 107e that are independently controllable.

Zur Anordnung der Silizium-Wafer 103 im Zonenofen 100 werden diese auf einem Schiff 102 aus Quartz angeordnet bei geöffneter Ofentür 106 in den Zonenofen 100 eingeführt, was nach dem Schließen der Ofentür 106 zu der in 1 dargestellten Situation führt. Allerdings ist im Interesse der Klarheit und Übersichtlichkeit der Darstellung gemäß 1 die Zahl der gezeichneten Silizium-Wafer 103 kleiner als sie in der Realität ist. For arranging the silicon wafers 103 in the zone oven 100 These will be on a ship 102 made of quartz arranged with open oven door 106 in the zone furnace 100 introduced what after closing the oven door 106 to the in 1 illustrated situation leads. However, in the interest of clarity and clarity of presentation according to 1 the number of silicon wafers drawn 103 smaller than she is in reality.

2 zeigt den Verfahrensverlauf bei einem ersten aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Bor-Dotierung von Silizium-Wafern unter Verwendung eines Zonenofens 100 in einem Temperatur-Zeit-Diagramm. Dabei sind, wie auch in den 3 und 4, die Zeitpunkte, an denen Verfahrensschritte eingeleitet und/oder beendet werden mit Punkten markiert. 2 shows the process in a first known from the prior art method for boron doping of silicon wafers using a zone furnace 100 in a temperature-time diagram. Here are, as well as in the 3 and 4 , the points at which process steps are initiated and / or terminated marked with dots.

Gemäß dem in 2 dargestellten Verfahren wird die Beladung des Zonenofens 100 bei einer Beladungstemperatur von 800°C durchgeführt und dann der Zonenofen 100 auf eine Temperatur von 850°C aufgeheizt. Nach Erreichen dieser Temperatur beginnt die Zufuhr von borhaltigem Reaktionsgas, bis ca. 40 Minuten nach Beladung die Bildung der gewünschten Borsilikatglasschicht abgeschlossen ist. Während der Bildung dieser Schicht wird die Temperatur bei 850°C gehalten. Anschließend erfolgt das Aufheizen auf die Zieltemperatur von ca. 920°C, die dann für ca. 60 Minuten gehalten wird, um den Eindiffusionsschritt durchzuführen. Abschließend wird der Zonenofen 100 auf die Entnahmetemperatur abgekühlt und die Silizium-Wafer 103 werden aus dem Zonenofen 100 entnommen. According to the in 2 The method described is the loading of the zone furnace 100 carried out at a loading temperature of 800 ° C and then the zone furnace 100 heated to a temperature of 850 ° C. After reaching this temperature, the supply of boron-containing reaction gas begins until about 40 minutes after loading the formation of the desired borosilicate glass layer is completed. During the formation of this layer, the temperature is kept at 850 ° C. Subsequently, the heating takes place to the target temperature of about 920 ° C, which is then held for about 60 minutes to perform the indiffusion step. Finally, the zone oven 100 cooled to the discharge temperature and the silicon wafer 103 are from the zone furnace 100 taken.

3 zeigt den Verfahrensverlauf bei einem zweiten aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Bor-Dotierung von Silizium-Wafern unter Verwendung eines Zonenofens 100 in einem Temperatur-Zeit-Diagramm. Nach Beladung des Zonenofens 100 bei einer Beladungstemperatur von 800°C wird der Zonenofen 100 auf eine Temperatur von 940°C aufgeheizt, die auch der Zieltemperatur für den Schritt des Eindiffundierens entspricht. Nach Erreichen dieser Temperatur beginnt die Zufuhr von borhaltigem Reaktionsgas, bis ca. 40 Minuten nach Beladung bzw. 25 Minuten nach Beginn der Zufuhr des borhaltigen Reaktionsgases die Bildung der gewünschten Borsilikatglasschicht abgeschlossen ist. Während der Bildung dieser Schicht wird die Temperatur ebenso bei 940°C gehalten wie während des anschließenden Eindiffusionsschritts, der weitere 55 Minuten dauert. Abschließend wird der Zonenofen 100 auf die Entnahmetemperatur abgekühlt und die Silizium-Wafer 103 werden aus dem Zonenofen 100 entnommen. 3 shows the course of the process in a second known from the prior art method for boron doping of silicon wafers using a zone furnace 100 in a temperature-time diagram. After loading the zone furnace 100 at a loading temperature of 800 ° C, the zone furnace 100 heated to a temperature of 940 ° C, which also corresponds to the target temperature for the step of Eindiffundens. After reaching this temperature, the supply of boron-containing reaction gas begins until about 40 minutes after loading or 25 minutes after the beginning of the supply of the boron-containing reaction gas, the formation of the desired borosilicate glass layer is completed. During the formation of this layer, the temperature is also maintained at 940 ° C as during the subsequent indiffusion step, which lasts another 55 minutes. Finally, the zone oven 100 cooled to the discharge temperature and the silicon wafer 103 are from the zone furnace 100 taken.

4 zeigt das reale Temperatur-Zeit-Diagramm eines Zonenofens 100 während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die vorgegebenen Temperaturwerte für die einzelnen Zonen 107a bis 107e des Zonenofens 100 der nachfolgend dargestellten Tabelle 1 zu entnehmen sind: Zone Beladungs-Temperatur (°C) Ziel-Temperatur (°C) Entnahme-Temperatur (°C) 107a 844 969 850 107b 841 968 850 107c 843 968 850 107d 845 974 850 107e 865 980 850 Tabelle 1 4 shows the real temperature-time diagram of a zone furnace 100 during the implementation of the method according to the invention, wherein the predetermined temperature values for the individual zones 107a to 107e the zone furnace 100 Table 1 below shows: Zone Loading temperature (° C) Target temperature (° C) Withdrawal temperature (° C) 107a 844 969 850 107b 841 968 850 107c 843 968 850 107d 845 974 850 107e 865 980 850 Table 1

Die Diffusionskammer 101 wird bei der vorgegebenen Beladungstemperatur mit den Wafern 103 beladen und anschließend auf die vorgegebene Zieltemperatur aufgeheizt. Nachdem alle Zonen 107a bis 107e die jeweilige vorgegebene Zieltemperatur erreicht haben, wird der Zonenofen 100 auf die vorgegebene Entnahmetemperatur abgekühlt. The diffusion chamber 101 becomes at the given loading temperature with the wafers 103 loaded and then heated to the specified target temperature. After all zones 107a to 107e have reached the respective predetermined target temperature, the zone furnace 100 cooled to the predetermined discharge temperature.

Wie in 4 zu erkennen ist, wird die Zufuhr des borhaltigen Reaktionsgases 7 Minuten nach Beginn des Aufheizens begonnen und endet während des Abkühlprozesses 10 Minuten vor dem Erreichen der Entnahmetemperatur. Somit werden in diesem Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren sowohl der Aufheizschritt und das Einbringen des Reaktionsgases, also Schritte c) und d) als auch das Einbringen des Reaktionsgases und der Abkühlschritt, also Schritte d) und f), zumindest teilweise gleichzeitig ausgeführt. Als Resultat ist die Gesamtdauer des Prozesses lediglich 54 Minuten gegenüber rund 130 Minuten bei den Verfahren nach dem Stand der Technik, die in den 2 und 3 dargestellt sind. As in 4 can be seen, the supply of boron-containing reaction gas is started 7 minutes after the start of heating and ends during the cooling process 10 minutes before reaching the discharge temperature. Thus, in this embodiment, both the heating step and the introduction of the reaction gas, so steps c) and d) and the introduction of the reaction gas and the cooling step, ie steps d) and f), at least partially carried out simultaneously for the inventive method. As a result, the total duration of the process is only 54 minutes versus about 130 minutes in the prior art processes incorporated in the 2 and 3 are shown.

Bei der Verfahrensführung, die anhand der 4 beschrieben ist, wurde das Bor enthaltende Reaktionsgas durch einen BBr3-Bubbler zugeführt, während die Beimischung von Sauerstoff in der Diffusionskammer 101 erfolgte. Für ein Diffusionskammervolumen von 200 Litern sind besonders geeignete Parameter Gasflüsse von 20 slm (standard liters per minute) für das Stickstoff-Trägergas; 0,1 slm für BBr3 und 0,1 slm für O2.In the course of the procedure, based on the 4 has been described, the boron-containing reaction gas was fed through a BBr 3 -Bubbler, while the admixture of oxygen in the diffusion chamber 101 took place. For a diffusion chamber volume of 200 liters, particularly suitable parameters are gas flows of 20 slm (standard liters per minute) for the nitrogen carrier gas; 0.1 slm for BBr 3 and 0.1 slm for O 2 .

Um die erhaltenen Silizium-Wafer für die Verwendung in Solarzellen tauglich zu machen, ist nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, ebenso wie nach den bekannten Verfahren auch, das Abätzen der verbleibenden Borsilikatglasschicht von den Silizium-Wafern nötig. Der durchschnittliche Schichtwiderstand der erhaltenen Bor-dotierten Schicht war 59 Ohm/square mit einer maximalen Variation auf einem Wafer von +/–5,9 Ohm/square und einer maximalen Variation über die Wafer auf dem Schiff 102 von +/1 2,1 Ohm/square. In order to make the obtained silicon wafers suitable for use in solar cells, the etching of the remaining borosilicate glass layer from the silicon wafers is necessary according to the method according to the invention, as well as according to the known methods. The average sheet resistance of the resulting boron-doped layer was 59 ohms / square with a maximum variation on a wafer of +/- 5.9 ohms / square and maximum variation across the wafers on the ship 102 from + / 1 to 2.1 ohms / square.

Um sicherzustellen, dass das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur zeitsparend ist, sondern zu Bor-dotierten Silizium-Wafern mit kompetitiven Eigenschaften führen, wurde das folgende Experiment durchgeführt: In order to ensure that the method according to the invention is not only time-saving but results in boron-doped silicon wafers with competitive properties, the following experiment was carried out:

Auf gleichen monokristallinen, n-dotierten Silizium-Wafern wurden zwei Gruppen von identisch aufgebauten Solarzellen hergestellt, und zwar Solarzellen, bei denen die Bor-dotierte Schicht einen homogenen p+-Emitter auf der Vorderseite der Solarzelle bildet und die Rückseite mit einem mittels einer Phosphordotierung erzeugten Back Surface Field versehen ist. Der einzige Unterschied zwischen den beiden Gruppen bestand in dem Verfahren, das zur Bor-Dotierung angewendet wurde. Während eine Gruppe mit dem anhand der 4 erläuterten, erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde, wurde in der zweiten Gruppe die anhand der 3 beschriebene Vorgehens-weise angewendet, die, wie in der Beschreibungseinleitung ausführlich erwähnt ist, in druckschriftlichem Stand der Technik als Methode der Wahl dargestellt ist. On identical monocrystalline, n-doped silicon wafers, two groups of identically constructed solar cells were produced, namely solar cells, in which the boron-doped layer forms a homogeneous p + emitter on the front side of the solar cell and the back with one by means of phosphorus doping generated back surface field is provided. The only difference between the two groups was the method used for boron doping. While a group with the basis of the 4 explained, the inventive method was prepared, was in the second group based on the 3 described method-wise, which, as mentioned in detail in the introduction of the description, is shown in printed prior art as the method of choice.

Anschließend wurde die Performance der zu den jeweiligen Gruppen gehörenden Solarzellen untersucht, und zwar im Hinblick auf die Kurzschluss-Stromdichte Jsc, die offene Klemm-Spannung (Voc), Füllfaktor (FF) und Wirkungsgrad (η) der Solarzellen. Die Ergebnisse sind der nachfolgenden Tabelle 2 zu entnehmen: Jsc (mA/cm2) Voc (mV) FF(%) η(%) Prozess-Dauer (min) Schicht-Wider-Stand (Ohm/sq) Stand der Technik 38,9 639 74,3 18,4 130 64+/–3,6 Erfindung 39,0 642 76,1 19,0 54 59+/–3,4 Tabelle 2 Subsequently, the performance of the solar cells belonging to the respective groups was investigated, with regard to the short-circuit current density Jsc, the open clamp voltage (Voc), fill factor (FF) and efficiency (η) of the solar cells. The results are shown in Table 2 below: Jsc (mA / cm 2 ) Voc (mV) FF (%) η (%) Process duration (min) Layer resistance (ohms / sq) State of the art 38.9 639 74.3 18.4 130 64 +/- 3.6 invention 39.0 642 76.1 19.0 54 59 +/- 3.4 Table 2

Anhand der Tabelle 2 wird deutlich, dass die Performance von erfindungsgemäß hergestellten Solarzellen die Performance von Solarzellen, die gemäß dem in 3 dargestellten Verfahren hergestellt wurden, in allen relevanten Betriebsparametern nicht nur erreicht, sondern sogar geringfügig übertrifft, während für ihre Herstellung weniger als die Hälfte der Zeit benötigt wurde. Die Erfindung erlaubt somit die Herstellung geringfügig besserer Solarzellen zu wesentlich geringeren Kosten. From Table 2, it is clear that the performance of solar cells produced according to the invention, the performance of solar cells, according to the in 3 have been prepared, not only achieved but even marginally exceeded in all relevant operating parameters, while less than half the time was required for their production. The invention thus allows the production of slightly better solar cells at a much lower cost.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

100 100
Zonenofen zone furnace
101 101
Diffusionskammer diffusion chamber
102 102
Schiff ship
103 103
Silizium-Wafer Silicon wafer
104 104
Gaszufluss gas flow
105 105
Gasabfluss gas drainage
106 106
Ofentür oven door
107a, b, c, d, e 107a, b, c, d, e
Zonen zones
108 108
Quartz-Mantel Quartz-Coat

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (11)

Verfahren zur Bor-Dotierung von Silizium-Wafern (103) in einem Zonenofen (100), welcher eine Diffusionskammer (101) mit mehreren unabhängig voneinander beheizbaren Zonen (107a, 107b, 107c, 107d, 107e) aufweist, umfassend die Schritte: a) Einstellen einer definierten Beladungstemperatur; b) Beladen der Diffusionskammer (101) mit den Silizium- Wafern (103), wenn die definierte Beladungstemperatur eingestellt ist; c) Aufheizen der Diffusionskammer (101), bis in jeder Zone (107a, 107b, 107c, 107d, 107e) eine definierte Zieltemperatur erreicht ist; d) Einbringen eines borhaltigen Reaktionsgases in die Diffusionskammer (101) zur Bildung einer Schicht aus Borsilikatglas auf der Oberfläche der Silizium-Wafer (103); e) Eindiffundieren von Bor aus der Borsilikatglasschicht in den Silizium-Wafer (103) f) Abkühlen der Diffusionskammer (101), bis in jeder Zone (107a, 107b, 107c, 107d, 107e) eine definierte Entnahmetemperatur erreicht ist; und g) Entnehmen der Silizium-Wafer (103) aus der Diffusionskammer (101), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Schritte c) und d) wenigstens teilweise gleichzeitig ausgeführt werden oder dass zumindest die Schritte d) und f) zumindest teilweise gleichzeitig ausgeführt werden. Method for boron doping of silicon wafers ( 103 ) in a zone furnace ( 100 ), which has a diffusion chamber ( 101 ) with several independently heated zones ( 107a . 107b . 107c . 107d . 107e ), comprising the steps of: a) setting a defined loading temperature; b) Loading the diffusion chamber ( 101 ) with the silicon wafers ( 103 ) when the defined loading temperature is set; c) heating the diffusion chamber ( 101 ), in every zone ( 107a . 107b . 107c . 107d . 107e ) a defined target temperature is reached; d) introduction of a boron-containing reaction gas into the diffusion chamber ( 101 ) for forming a layer of borosilicate glass on the surface of the silicon wafers ( 103 ); e) diffusing boron from the borosilicate glass layer into the silicon wafer ( 103 f) cooling the diffusion chamber ( 101 ), in every zone ( 107a . 107b . 107c . 107d . 107e ) has reached a defined extraction temperature; and g) removing the silicon wafers ( 103 ) from the diffusion chamber ( 101 ), characterized in that at least steps c) and d) are carried out at least partially simultaneously or that at least steps d) and f) are carried out at least partially simultaneously. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während des Schritts c) und während des Schritts f) zumindest der Schritt d) jeweils mindestens einmal durchlaufen wird. A method according to claim 1, characterized in that during step c) and during step f) at least step d) is in each case at least once through. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt f) zeitlich unmittelbar nach Schritt c) durchgeführt wird. A method according to claim 1 or 2, characterized in that step f) is performed immediately after step c). Verfahren nach einem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Zieltemperatur gemäß Schritt c) höher ist als die Beladetemperatur gemäß Schritt a). Method according to one of the preceding claims, characterized in that the target temperature according to step c) is higher than the loading temperature according to step a). Verfahren nach einem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Beladetemperatur, die Zieltemperatur und die Entnahmetemperatur für unterschiedliche Zonen (107a, 107b, 107c, 107d, 107e) des Zonenofens (100) jeweils individuell festgesetzt werden. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the loading temperature, the target temperature and the discharge temperature for different zones ( 107a . 107b . 107c . 107d . 107e ) of the zone furnace ( 100 ) are set individually. Verfahren nach einem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Beladetemperatur und die Entnahmetemperatur aus dem Tempereich zwischen 700°C und 900°C gewählt sind und dass die Zieltemperatur aus dem Temperaturbereich zwischen 850°C und 1200°C gewählt ist. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the loading temperature and the removal temperature are selected from the temperature range between 700 ° C and 900 ° C and that the target temperature is selected from the temperature range between 850 ° C and 1200 ° C. Verfahren nach einem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass beim Aufheizen in Schritt c) eine Temperatursteigerungsrate zwischen 0,5 °C pro Minute und 15°C pro Minute verwendet wird und dass beim Abkühlen in Schritt f) eine Temperaturabkühlrate zwischen 0,1 °C pro Minute und 10 °C pro Minute verwendet wird. Method according to one of the preceding claims, characterized in that during heating in step c) a temperature increase rate between 0.5 ° C per minute and 15 ° C per minute is used and that during cooling in step f) a temperature cooling rate between 0.1 ° C. per minute and 10 ° C per minute is used. Verfahren nach einem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass beim Aufheizen in Schritt c) die Temperatursteigerungsrate für unterschiedliche Zonen (107a, 107b, 107c, 107d, 107e) des Zonenofens (100) jeweils individuell festgesetzt wird. Method according to one of the preceding claims, characterized in that during heating in step c) the temperature increase rate for different zones ( 107a . 107b . 107c . 107d . 107e ) of the zone furnace ( 100 ) is set individually. Verfahren nach einem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass beim Abkühlen in Schritt f) die Temperaturabkühlrate für unterschiedliche Zonen (107a, 107b, 107c, 107d, 107e) des Zonenofens (100) jeweils individuell festgesetzt wird. Method according to any preceding claim, characterized in that, during cooling in step f), the temperature cooling rate for different zones ( 107a . 107b . 107c . 107d . 107e ) of the zone furnace ( 100 ) is set individually. Verfahren nach einem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das borhaltige Reaktionsgas durch einen BBr3-Bubbler oder einen BCl3-Bubbler in die Diffusionskammer (101) eingeführt wird. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the boron-containing reaction gas is introduced into the diffusion chamber through a BBr 3 bubbler or a BCl 3 bubbler ( 101 ) is introduced. Verfahren nach einem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das borhaltige Reaktionsgas O2 und entweder BBr3 oder BCl3 aufweist, das mit N2 oder Ar als Trägergas zugeführt wird. A method according to any preceding claim, characterized in that the boron-containing reaction gas comprises O 2 and either BBr 3 or BCl 3 supplied with N 2 or Ar as the carrier gas.
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