DE102018111874A1

DE102018111874A1 - Verfahren zur Behandlung eines gesägten Halbleiterwafers, Halbleiterwafer und Halbleiterwafer-Solarzelle

Info

Publication number: DE102018111874A1
Application number: DE102018111874.0A
Authority: DE
Inventors: Andreas Eidner; Tomasz Rudolph
Original assignee: Hanwha Q Cells GmbH
Current assignee: Hanwha Q Cells GmbH
Priority date: 2018-05-17
Filing date: 2018-05-17
Publication date: 2019-11-21
Also published as: WO2019219594A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung eines gesägten Halbleiterwafers (1) mit zwei Oberflächen (11), aufweisend einen auf eine oder beide Oberflächen (11) wirkenden Laserbehandlungsschritt (2) zum Behandeln der Oberflächen (11), der ein Bestrahlen mindestens einer der Oberflächen (11) mit einem Laser mit einer Wellenlänge im Bereich von sichtbarem Licht oder im Bereich von Infrarotstrahlung aufweist, und einen Texturierschritt (3) zum Texturieren der dem Laserbehandlungsschritt (2) unterzogenen Oberflächen (11), der ein nasschemisches Ätzen im sauren Milieu aufweist. Ferner betrifft die Erfindung einen entsprechend hergestellten Halbleiterwafer und eine Halbleiterwafer-Solarzelle, die aus einem solchen Halbleiterwafer prozessiert wurde.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung eines gesägten, insbesondere diamantdrahtgesägten Halbleiterwafers und weiterhin einen Halbleiterwafer und eine Halbleiterwafer-Solarzelle. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Behandlung eines gesägten Halbleiterwafers und einen mittels dieses Verfahrens erhaltenen Halbleiterwafer und eine Halbleiterwafer-Solarzelle, die aus dem mittels des Verfahrens erhaltenen Halbleiterwafer prozessiert wurde.
Die Halbleiterwaferherstellung beginnt üblicherweise mit der Herstellung eines im Querschnitt zylinderförmigen oder rechteckigen Halbleiterblocks, der auch als Ingot bezeichnet wird. Dieser Halbleiterblock wird in Scheiben mit einer Stärke von weniger als einem Millimeter geschnitten, um die sogenannten Halbeiterwafer zu erhalten. Dazu wird der Halbleiterblock einem Sägeprozess unterzogen, um eine Vielzahl an Halbleiterwafern zu erhalten.
Aus einem nicht druckschriftlich belegten Stand der Technik ist das sogenannte Slurry-Sägen mittels eines Metalldrahts und eines sogenannten Slurrys bekannt. Das Slurry weist ein Gemisch aus Öl und Siliziumcarbid-Körnern auf. Das Slurry-Sägen ist jedoch kostenintensiv.
Alternativ ist aus einem nicht druckschriftlich belegten Stand der Technik das Diamantdraht-Sägen mittels eines Diamantdrahts bekannt. Dieses Sägeverfahren kommt ohne Slurry aus und ist in der Gesamtbetrachtung weniger kostenintensiv als das Slurry-Sägen.
In weiteren Verarbeitungsschritten wird der Halbleiterwafer nach dem Sägen üblicherweise gereinigt und die Sägeoberflächen poliert.
Dann wird der Halbleiterwafer texturiert. Um die Textur zu erzeugen, wird der Halbleiterwafer einer Texturätzung unterzogen. Eine Texturätzung erzeugt eine derart aufgeraute Halbleiterwaferoberfläche, dass wenigstens ein Teil des nicht in das Wafermaterial eintretenden Lichtes so reflektiert wird, dass dieses Licht erneut auf die Halbleiterwaferoberfläche auf trifft und danach möglichst in das Halbleitermaterial eintritt. Bei mono-kristallinem Wafermaterial weist eine solche texturierte Oberfläche eine mikroskopische pyramidenartige Struktur auf; bei multi-kristallinem Wafermaterial weist die texturierte Oberfläche eher sphärische und ovaläre Vertiefungen auf.
Zur Texturerzeugung bei einem diamantdrahtgesägten Halbleiterwafer muss ein hoher Prozess- und Kostenaufwand betrieben werden, um vergleichbare Ergebnisse wie bei Slurry-gesägten Halbleiterwafern zu erreichen. Mitunter wird zum Texturieren eines diamantdrahtgesägten Halbleiterwafers Reactive Ion Etching (RIE, Reaktives Ionenätzen) eingesetzt, das sehr kostenintensiv und daher für die Massenproduktion ungeeignet ist.
Um die Halbleiterwafer-Solarzelle zu produzieren, wird der Halbleiterwafer dann verschiedenen Bearbeitungsverfahren unterworfen. Diese umfassen oftmals Beschichtungs-, Diffusions- und Siebdruckverfahren. Die durch das Sägen und die nachfolgenden Bearbeitungsschritte erhaltenen Halbleiterwafer stellen somit das Kernmaterial einer Halbleiterwafer-Solarzelle dar. Der Halbleiterwafer ist daher vom Werkstoff her betrachtet das zentrale Element der Halbleiterwafer-Solarzelle. Es besteht daher ein Bedarf an hochwertigen und gleichzeitig kostengünstigen Halbleiterwafern für die Produktion von Halbleiterwafer- Solarzellen.
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterwafers und einen Halbleiterwafer für die Herstellung einer Halbleiterwafer-Solarzelle bereit zu stellen, die kostengünstig sind.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch einen Halbleiterwafer mit den Merkmalen des Anspruchs 8 und eine Halbleiterwafer-Solarzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung eines gesägten Halbleiterwafers mit zwei Oberflächen aufweisend:

- einen auf eine oder beide Oberflächen wirkenden Laserbehandlungsschritt zum Behandeln der Oberflächen, der ein Bestrahlen mindestens einer der Oberflächen mit einem Laser mit einer Wellenlänge im Bereich von sichtbarem Licht oder im Bereich von Infrarotstrahlung aufweist und
- einen Texturierschritt zum Texturieren der dem Laserbehandlungsschritt unterzogenen Oberfläche, der ein nasschemisches Ätzen im sauren Milieu aufweist.

Der üblicherweise diamantdrahtgesägte Halbleiterwafer weist eine relativ glatte Oberfläche auf und ist zudem im Wesentlichen sägeschadenfrei ausgebildet. Mittels des Laserbehandlungsschritts an mindestens einer der Oberflächen des Halbleiterwafers wird ein lokaler thermischer Schaden an der laserbehandelten Oberfläche erzeugt, der für den nasschemischen Texturierschritt einen Angriffsbereich bietet, der im Vergleich zur nicht laserbehandelten Umgebung eine erhöhte Ätzrate aufweist. Mit dem Ausdruck „laserbehandelte Oberfläche“ ist eine Oberfläche des Halbleiterwafers gemeint, auf die der Laser in dem Laserbehandlungsschritt mittels seiner elektromagnetischen Strahlung derart in Wechselwirkung tritt, dass diese die Mikrostruktur der Oberfläche verändert. Aus dem erzeugten Schaden wird aufgrund der lokal erhöhten Ätzrate die Textur-Struktur in dem Texturierschritt herausgeätzt. Der Texturierschritt weist ein nasschemisches Ätzen im sauren Milieu auf, das relativ kostengünstig ist. Zudem wird dadurch eine Textur mit vergleichsweise sehr guten Reflexionseigenschaften erzeugt.
Der Laserbehandlungsschritt wird bevorzugt derart ausgeführt, dass eine im Wesentlichen tiefen-strukturfreie Schädigung der Oberfläche des Halbleiterwafers erzeugt wird. D.h., im Laserbehandlungsschritt wird ein oberflächlicher Schaden in den Halbleiterwafer eingebracht.
Bevorzugt werden der Laserbehandlungsschritt und der nasschemische Texturierschritt hintereinander ohne einen dazwischen liegenden Prozessschritt durchgeführt.
Der Laserbehandlungsschritt wird mit einem Laser mit einer Wellenlänge im Bereich von sichtbarem Licht oder im Bereich von Infrarotstrahlung durchgeführt.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die mindestens eine Oberfläche in dem Laserbehandlungsschritt mit Laserstrahlen mit einer Wellenlänge im Infrarotbereich bestrahlt. Infrarotstrahlung weist Wellenlängen im Bereich von 780 nm bis 1 mm auf. Bevorzugter wird der Laserbehandlungsschritt mit einem Laser mit einer Wellenlänge im Bereich von naher Infrarotstrahlung durchgeführt. Nahe Infrarotstrahlung weist Wellenlängen im Bereich von 780 nm bis 3 µm auf. Noch bevorzugter wird der Laserbehandlungsschritt mit einem Laser mit einer Wellenlänge im Bereich von IR-A d.h. mit einer Wellenlänge im Bereich von 780 nm bis 1400 nm durchgeführt. Bevorzugt wird die Oberfläche des Halbleiterwafers in den Laserbehandlungsschritt mit einer Wellenlänge von 1064 nm bestrahlt, da auf dem Markt kostengünstige und leistungsfähige Laser dieser Wellenlänge, beispielsweise so genannte NeodymYAG-Laser erhältlich sind.
Der Laserbehandlungsschritt wird alternativ bevorzugt mit einem Laser mit einer Wellenlänge im Bereich sichtbaren Lichts durchgeführt. Sichtbares Licht umfasst Wellenlängen im Bereich von 380 nm bis 780 nm. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die mindestens eine Oberfläche in dem Laserbehandlungsschritt mit Laserstrahlen mit einer Wellenlänge im Bereich von grünem Licht bestrahlt. Grünes Licht umfasst Wellenlängen im Bereich von 490 nm bis 570 nm. Bevorzugt wird die Oberfläche in dem Laserbehandlungsschritt mit einer Wellenlänge von 532 nm bestrahlt. Dabei kann es sich um einen frequenzverdoppelten NeodymYAG-Laser handeln.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die mindestens eine Oberfläche in dem Laserbehandlungsschritt mit einer Laserpulsdauer im Picosekundenbereich und mit einer Wellenlänge aus dem Infrarot-A-Bereich bestrahlt. Bevorzugter wird die mindestens eine Oberfläche mit einer Laserpulsdauer im Bereich von weniger als 100ps bestrahlt. Besonders bevorzugt kommt eine Laserpulsdauer im Bereich von 0,5 bis 50ps zum Einsatz.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird die mindestens eine Oberfläche des Halbeiterwafers im Laserbehandlungsschritt mit einer Laserpulsdauer im Picosekundenbereich und mit einer Wellenlänge aus dem sichtbaren Spektralbereich bestrahlt. Bevorzugter wird die mindestens eine Oberfläche mit einer Laserpulsdauer im Bereich von weniger als 100ps bestrahlt. Besonders bevorzugt kommt eine Laserpulsdauer im Bereich von 0,5 bis 50ps zum Einsatz. Als sichtbare Wellenlänge eignen sich insbesondere Laser mit einer Wellenlänge von 532nm.
Für beide vorangehend beschriebenen Ausführungsformen liegt die Laserpulsenergie bevorzugt im Bereich von 10 bis 150 µJ; besonders bevorzugt im Bereich von 40 bis 60µJ. Der Durchmesser der zum Einsatz kommenden Laserpulse liegt mit seinem FWHM-Parameter bei 30 bis 100µm.
Für die vorangehenden Ausführungsformen gilt weiterhin bevorzugt, dass der geometrische Überlapp der Laserpulse im Bereich von 10 bis 90%, besonders bevorzugt im Bereich 40 bis 60% liegt.
Beispielsweise lässt sich die Oberfläche mit dem Laser in dem Laserbehandlungsschritt rasterförmig bestrahlen. Ein Raster weist beispielsweise eine Größe von 20×20µm² oder 25×25µm² auf. Das heißt im horizontalen und im vertikalen Abstand von 20µm oder 25µm treffen die Laserpulse auf die Oberfläche des Halbleiterwafers. Es sind jedoch auch andere Rasterabmessungen möglich.
Der Texturierschritt wird nasschemisch in saurem Milieu durchgeführt. Der Texturierschritt wird durch Eintauchen, Einlegen, Besprühen oder Benetzen der laserbehandelten Oberfläche mit einer sauren Texturierlösung durchgeführt. Das saure Milieu bzw. die saure Texturierlösung umfasst bevorzugt eine wässrige Lösung aus Fluss- und Salpetersäure ggf. mit organischem Additiv(en) oder weiteren Säuren.
Der Texturierschritt, der ein nasschemisches Ätzen im sauren Milieu aufweist, kann einen Metall-katalysierten chemischen Ätzprozess (MCCE, Metal-Catalyzed Chemical Etching) aufweisen. Bei dem Metall-katalysierten chemischen Ätzprozess kommen bevorzugt Wasserstoffperoxid, Salpetersäure, Flusssäure und Silbernitrat zum Einsatz. Bevorzugt ist der Texturierschritt, in Form eines nasschemischen Ätzens im sauren Milieu, als so genannte Isotexturierung ausgebildet. Eine Isotexturierung verläuft isotrop. Das saure Milieu umfasst bei der Isotexturierung eine wässrige Lösung aus Fluss- und Salpetersäure ggf. mit organischem Additiv(en) oder weiteren Säuren. Typische Isotexturier-Lösungen enthalten Salpetersäure und Flusssäure und Wasser und/oder Essigsäure. Die Ätzrate während der Isotexturierung wird vom Verhältnis der Komponenten bestimmt.
Bevorzugt ist der Halbeiterwafer als Siliziumwafer ausgebildet. Ein Siliziumwafer ist vergleichsweise kostengünstig.
Die Erfindung betrifft ferner einen Halbleiterwafer, der mittels des Verfahrens erhalten wird. Der Halbleiterwafer ist insbesondere nach einer oder mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen hergestellt. Ein derartiger Halbleiterwafer eignet sich besonders zur Herstellung von Halbleiterwafer-Solarzellen.
Ferner betrifft die Erfindung eine Halbleiterwafer-Solarzelle, die den mittels des Verfahrens erhaltenen Halbleiterwafer aufweist.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden im Zusammenhang mit den Figuren gezeigt und nachfolgend exemplarisch beschrieben. Es zeigen jeweils schematisch und nicht maßstabsgetreu:

1 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
2a eine Querschnittsansicht eines diamantdrahtgesägten Halbleiterwafers, der einem Laserbehandlungsschritt des in 1 gezeigten Verfahrens unterzogen wird; und
2b eine Querschnittsansicht eines Halbleiterwafers, der einem Texturierschritt des in 1 gezeigten Verfahrens unterzogen wird.

1 zeigt ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zunächst einen Laserbehandlungsschritt 2. Der Laserbehandlungsschritt 2 weist ein Bestrahlen mindestens einer von zwei Oberflächen eines Halbleiterwafers mit einem Laser mit einer Wellenlänge im Bereich von sichtbarem Licht oder im Bereich von Infrarotstrahlung auf. Der Laserbehandlungsschritt 2 kann ein-oder beidseitig bei dem Halbleiterwafer mit den zwei Oberflächen durchgeführt werden. Nach dem Laserbehandlungsschritt 2 wird ein Texturierschritt 3 zum Texturieren der dem Laserbehandlungsschritt 2 unterzogenen einen oder beiden Oberflächen durchgeführt. Der Texturierschritt 3 weist ein nasschemisches Ätzen der laserbehandelten Oberfläche oder Oberflächen des Halbleiterwafers im sauren Milieu auf. Der Texturierschritt 3 weist bevorzugt einen Isotextur-Ätzprozess auf.
2a zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines diamantdrahtgesägten Halbleiterwafers, der einem Laserbehandlungsschritt des in 1 gezeigten Verfahrens unterzogen wird. Der Halbleiterwafer 1 weist zwei Oberflächen 11 auf. Eine der Oberflächen 11 wird mittels eines Laserstrahls L mit einer Wellenlänge im Bereich von sichtbarem Licht insbesondere grünem Licht oder im Bereich von Infrarotstrahlung insbesondere IR-A in einem definierten Raster bestrahlt. Anders als hier schematisch dargestellt erfolgt die Laserbearbeitung aus Gründen der Laser-Sicherheit und um die Laser-Optik von herabfallenden Bruchstücken oder Staub zu schützen bevorzugt von oben.
2b zeigt eine Querschnittsansicht eines Halbleiterwafers, der einem Texturierschritt des in 1 gezeigten Verfahrens unterzogen wird. Die in 2a gezeigte laserbehandelte Oberfläche 11 des Halbleiterwafers 1 wird dem Texturierschritt unterzogen, in dem sie mit einer sauren Texturierlösung T in Kontakt gebracht wird. Beispielsweise wird die laserbehandelte Oberfläche 11 in die Texturierlösung T getaucht.
Bezugszeichenliste

L: Laserstrahlen
T: Texturierlösung
1: Halbleiterwafer
11: Oberfläche
2: Laserbehandlungsschritt
3: Texturierschritt

Claims

Verfahren zur Behandlung eines gesägten Halbleiterwafers (1) mit zwei Oberflächen (11), aufweisend - einen auf eine oder beide Oberflächen (11) wirkenden Laserbehandlungsschritt (2) zum Behandeln der Oberflächen (11), der ein Bestrahlen mindestens einer der Oberflächen (11) mit einem Laser mit einer Wellenlänge im Bereich von sichtbarem Licht oder im Bereich von Infrarotstrahlung aufweist und - einen Texturierschritt (3) zum Texturieren der dem Laserbehandlungsschritt (2) unterzogenen Oberflächen (11), der ein nasschemisches Ätzen im sauren Milieu aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die laserbehandelte Oberfläche (11) mit Laserstrahlen (L) mit einer Wellenlänge im Infrarotbereich bestrahlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die laserbehandelte Oberfläche (11) mit Laserstrahlen (L) mit einer Wellenlänge im Bereich von grünem Licht bestrahlt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die laserbehandelte Oberfläche (11) mit einer Laserpulsdauer im Picosekundenbereich und mit einer Wellenlänge aus dem Infrarot-A-Bereich bestrahlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die laserbehandelte Oberfläche (11) mit einer Laserpulsdauer im Picosekundenbereich und mit einer Wellenlänge aus dem sichtbaren Spektralbereich bestrahlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserpulsenergie im Bereich von 10 bis 150µJ liegt und/oder der Strahldurchmesser im Bereich von 30 bis 100µm liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der geometrische Überlapp der Laserpulse im Bereich von 10 bis 90% liegt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Texturierschritt (3), der ein nasschemisches Ätzen im sauren Milieu aufweist.
Halbleiterwafer, hergestellt nach einem der Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Halbleiterwafer-Solarzelle, aufweisend einen Halbleiterwafer nach Anspruch 9.