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
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Abstract
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:
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
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
Dies führt zu einem Verfahren, wie es weiter unten anhand der
Andererseits ist es z.B. aus dem Artikel
Dies führt zu einem Verfahren, wie es weiter unten anhand der
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.
- 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:
Zur Anordnung der Silizium-Wafer
Gemäß dem in
Die Diffusionskammer
Wie in
Bei der Verfahrensführung, die anhand der
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
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
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:
Anhand der Tabelle 2 wird deutlich, dass die Performance von erfindungsgemäß hergestellten Solarzellen die Performance von Solarzellen, die gemäß dem in
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
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 6548378 B1 [0007] US 6548378 B1 [0007]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- „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 [0007] "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 [0007]
- „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 [0009] Benign et al., Proceedings 24th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 21-25 September 2009, Hamburg, Germany, pp. 863-870 [0009] "High-efficiency N-type silicon solar cells with front side boron emitters" by J. Benick et al.
- „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 [0009] "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 [0009]
- „Effect of gettered iron on recombination in diffused regions of crystalline silicon wafers“ von D. Macdonald et al., Appl. Phys. Lett. 88, 092105, 2006 [0009] "Effect of gettered iron on recombination in diffused regions of crystalline silicon wafers" by D. Macdonald et al., Appl. Phys. Lett. 88, 092105, 2006 [0009]
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