DE102011056404A1

DE102011056404A1 - Verfahren zur Qualitätsermittlung eines Siliciumwafers

Info

Publication number: DE102011056404A1
Application number: DE102011056404A
Authority: DE
Inventors: Albrecht Seidl; Bernhard Birkmann; Christian Lemke; Andreas Hendricks; Sebastian Siegmund
Original assignee: Schott Solar AG
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2011-12-14
Filing date: 2011-12-14
Publication date: 2013-06-20
Also published as: WO2013087839A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Qualitätsermittlung eines zur Herstellung eines Halbleiterbauelements zu prozessierenden Siliciumwafers mit bereichsweise monokristallinem Anteil. Um eine Vorhersage der zu erwartenden Performance des Halbleiterbauelementes zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass bei der Qualitätsermittlung flächenmäßiger Anteil des monokristallinen Bereichs berücksichtigt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Qualitätsermittlung eines zur Herstellung eines Halbleiterbauelements zu prozessierenden Siliciumwafers mit bereichsweise monokristallinem Anteil.
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 erfolgt bisher nur für den Widerstand. Dessen Einfluss auf den erreichbaren Widerstand ist jedoch, solange dieser innerhalb eines bestimmten Bereichs von ca. 1 Ωcm bis 3 Ωcm liegt, untergeordnet. Die Ladungsträgerlebensdauer wird möglicherweise nur entlang von einzelnen Spuren zu 100% inline erfasst. Diese Materialeigenschaft muss jedoch, da eine sehr inhomogene Verteilung über den Wafer gegeben ist, ganzflächig bestimmt werden, 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.
Erwähntermaßen hängt der mögliche Wirkungsgrad η von aus den Siliciumwafern gefertigten Solarzellen u. a. ganz wesentlich von der Präsenz bzw. Verteilung von Gitterdefekten ab, welche die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger mehr oder weniger stark reduzieren können. Zwar ist es möglich, solche Defekte durch angepasste Prozessschritte zu einem gewissen Grad zu passivieren. Es gibt jedoch Defekte, welche sich nur schlecht oder aufwändig passivieren lassen. Insbesondere in diesen Fällen wäre es wünschenswert, derartige Wafer vorab zu erkennen.
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, nicht immer inline-fähig, da der gesamte Wafer im Takt weniger Sekunden charakterisiert und beurteilt werden muss, und vor allem indirekt; denn die Ladungsträgerlebensdauer großer Flächen eines Wafers kann auch durch andere Effekte signifikant reduziert werden. Diese sind aber unter Umständen unproblematisch, da sie leichter passivierbar sind. Beispielhaft sind lokal erhöhte Metallkontaminationen anzugeben, die durch Lebensdauermappings am Wafer nicht ohne Weiteres von Bereichen massiver Gitterstörungen zu separieren sind. 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 inline-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.
Wirkungsgradverluste treten auch dadurch auf, dass in den Randbereichen des Wafers Verunreinigungen eindiffundieren, und zwar dadurch, dass das Rohmaterial wie Block, aus denen die Wafer geschnitten werden, vom dem Schmelztiegel, aus dem der Wafer gezogen wird, Verunreinigungen aufgenommen hat. Dies führt auch zu einer verringerten Ladungsträgerlebensdauer.
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. [1], Nagel et al. [2], Macmillan et al. [3] oder Birkmann et al. [4] beschrieben. Die diesbezüglichen Veröffentlichungen befassen sich mit multikristallinen Siliciumwafern, die zu Solarzellen mit sogenannter Isotextur verarbeitet werden, d. h.,

– es liegen viele, relativ kleine Körner bzw. Kristallite unterschiedlichster Orientierung vor
– die Textur der Oberfläche (zur Erhöhung der Absorbtion) erfolgt durch Anätzen des gleichmäßig vorliegenden Sägeschadens, weitgehend unabhängig von der Kornorientierung (daher „isotrope“ Textur, also Isotextur). Das Ätzen kann mit bekannten Ätzmedien wie Salpetersäure oder Flusssäure durchgeführt werden.

Im Fall der Anwendung einer sogenannten alkalischen Textur, wobei z. B. KOH als Ätzmedium benutzt wird, ist dies jedoch anders. In diesem Fall wird eine <100>- oder nahezu <100>-orientierte Oberfläche dergestalt texturiert, dass viele gleichmäßige pyramidenförmige Vertiefungen in die Oberfläche geätzt werden, diesmal unabhängig vom (vorher idealerweise abzuätzenden) Sägeschaden. Bei abweichenden Orientierungen erfolgt diese Textur bei weitem nicht so gut bzw. im Extremfall der <111>-Orientierung fast gar nicht. Diese Art der Texturierung kommt daher typischerweise dann zum Einsatz, wenn der komplette Wafer oder zumindest große Teile davon <100>-Orientierung besitzen. Dies ist für monokristalline Wafer aus dem Czochralski- oder auch dem FloatZone-Prozess der Fall. Für sogenannte „Mono-Zellen“ ist die alkalische Textur der Wafer heutzutage state-of-the-art.
<100>-Orientierung bedeutet, dass die <100>-Richtung des monokristallinen im Idealfall parallel zur Oberflächennormalen des Wafers verläuft.
Die alkalische Textur ist jedoch auch ideal für Wafer aus einem modifizierten VGF-Prozess (oder modifizierten verwandten Prozessen) zur gerichteten Erstarrung großer Si-Blöcke, wobei auf dem Tiegelboden ein oder mehrere, z. B. <100>-orientierte Keime ausgelegt und zu Beginn der Kristallisation vorsichtig von oben her angeschmolzen werden. Bei der nachfolgenden gerichteten Kristallisation übernimmt der anwachsende Bereich die Orientierung des Keims. Solche Verfahren sind z. B. in der WO-A-2007/084934 beschrieben, bzw. auch in der EP-A-2 028 292 . Man spricht von quasi-monokristallinen Wafern, von monocast, casted mono, oder auch quasi single crystalline und dergleichen. Die Spezifikation solcher Wafer ist typischerweise im Vergleich zu herkömmlichen multikristallinen Wafern um die Angabe des <100>-Anteils der Wafer ergänzt, man spricht auch vom monokristallinen Anteil. Quasi-Monokristalline-Wafer weisen folglich zumindest einen Bereich auf, der monokristallin ausgebildet ist, wobei die Orientierung der monokristallinen Bereiche <100> ist, also im Idealfall <100>-Richtung entlang bzw. parallel zur Oberflächennormalen des Wafers verläuft.
Derartige Wafer können und werden auch mittels Isotextur zu Solarzellen verarbeitet und sind dann äußerlich (da die Körner dann kaum noch sichtbar sind) von herkömmlichen Zellen auf Basis von multikristallinen Wafern kaum zu unterscheiden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Qualitätsermittlung eines zur Herstellung eines Halbleiterbauelements, insbesondere einer Solarzelle zu prozessierenden Siliciumwafers zur Verfügung zu stellen, um insbesondere eine Vorhersage der zu erwartenden Performance des Halbleiterbauelementes, also insbesondere einer Solarzelle zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß im Wesentlichen dadurch gelöst, dass bei der Qualitätsermittlung flächenmäßig der monokristalline Anteil im Vergleich zur Gesamtfläche des Wafers berücksichtigt wird.
Erfindungsgemäß kann z. B. mittels einer Bildverarbeitung der Flächenanteil des monokristallinen Bereichs bestimmt und ins Verhalten zu der Gesamtfläche des Wafers gesetzt werden. Aus dem Flächenverhältnis ergibt sich sodann eine Aussage über die Qualität des Wafers und damit der zu erwartenden Performance des Halbleiterbauelements. Flächenmäßiger Anteil bedeutet dabei den Anteil der Fläche des Wafers, die optisch z. B. mit einer Kamera wie CCD-Kamera erfasst wird.
Werden mehrere monokristalline Bereiche ermittelt, so wird bezüglich der Qualitätsermittlung der Bereich größter flächiger Erstreckung berücksichtigt.
Unabhängig hiervon sollte der zur Qualitätsermittlung berücksichtigte zusammenhängende monokristalline Bereich sich flächenmäßig zumindest über 15 %, vorzugsweise zumindest über 30 % der Gesamtfläche des Wafers erstrecken. Dabei sollte bei isotexturierten Zellen der monokristalline Bereich in etwa zumindest 15 % und bei alkalisch texturierten Zellen die zusammenhängende flächige Erstreckung in etwa zumindest 30 % der Gesamtfläche betragen.
Insbesondere ist vorgesehen, dass neben dem flächenmäßigen Anteil des monokristallinen Oberflächenbereichs durch Versetzungscluster bedingte verringerte Ladungsträgerlebensdauer berücksichtigt wird. Insbesondere wird außerdem durch eindiffundierte Verunreinigungen im Randbereich des Wafers bedingte verringerte Ladungsträgerlebensdauer berücksichtigt. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die Bereiche verringerter Ladungsträgerlebensdauer mittels Mikrowellendetektionsverfahren ermittelt werden. Andere aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren zur Ermittlung der verringerten Ladungsträgerlebensdauer können selbstverständlich gleichfalls zum Einsatz kommen.
Zusätzlich kann des Weiteren die bevorzugte wie <100>-Orientierung des monokristallinen Bereichs in Bezug auf die Oberflächennormale des Wafers bei der Qualitätsermittlung berücksichtigt werden.
Insbesondere sieht die Erfindung vor, dass unter Berücksichtigung des Versetzungsclusteranteils, Randanteils und monokristallinen Anteils der Waferfläche Wirkungsgradreduzierung ∆η des zu einer Solarzelle prozessierten Wafers berechnet wird nach der Formel ∆η = C_V × Clusteranteil + C_R × Randanteil + C₁₀₀ × (100% – <100>-Anteil des monokristallinen Bereichs, wobei der jeweilige Anteil Prozent der gemessenen Oberfläche des Wafers ist,
mit 0,01 ≤ C_V, C_R ≤ 0,01, insbesondere 0,02 ≤ C_V, C_R, C₁₀₀ ≤ 0,07 und
bei einem isotexturierten Wafer mit 0,001 ≤ C₁₀₀ ≤ 0,01, insbesondere zwischen 0,002 und 0,005, und
bei einem Wafer mit alkalischer Textur mit 0,005 ≤ C₁₀₀ ≤ 0,02, vorzugsweise zwischen 0,008 und 0,015.
Die Erfindung zeichnet sich auch dadurch aus, dass bei der Ermittlung der Wirkungsgradreduzierung ∆η der Versetzungs-Cluster-Anteil innerhalb und außerhalb des monokristallienen Bereichs und/oder Randanteil innerhalb und außerhalb des monokristallinen Bereichs unterschiedlich gewichtet wird.
Erfindungsgemäß erfolgt eine Qualitätskontrolle und gleichzeitig eine hierdurch ermöglichte Vorhersage eines erreichbaren Solarzellenwirkungsgrads von Wafern, wobei bei der Qualitätskontrolle eine ganzflächige Erfassung von Bereichen verringerter Ladungsträgerlebensdauer am Rohwafer erfolgt, und zwar zerstörungsfrei. Dabei besteht auch die Möglichkeit, die Verfahren derart durchzuführen, dass diese inline-fähig sind.
Hierfür kann eine Messung der Ladungsträgerlebensdauer dienen, aber auch eine Messung von davon abhängigen Eigenschaften, aber auch eine Bestimmung des Gehalts an lebensdauerbestimmenden Effekten.
Die nachfolgenden Erläuterungen der erfindungsgemäßen Lehre sind daher beispielhaft und nicht schutzeinschränkend zu verstehen.
Hinsichtlich der ermöglichten Voraussage der Performance, also Wirkungsgrad des Wafers bezieht sich die Erfindung auf zu Solarzellen prozessierte Wafer. Bei den Wafers handelt es sich dabei um die zuvor erläuterten Quasi-Monowafer, die auch als QMW bezeichnet werden und insbesondere mittels des zuvor erläuterten modifizierten VGF-Prozess hergestellt werden.
Es handelt sich also um Wafer, welche ganz oder teilweise <100>-orientiert sind. Es gibt auf diesen QMW, wenn man die Kornverteilung betrachtet, einen mehr oder weniger großen, in der Regel zusammenhängenden, einheitlich <100>-orientierten Bereich, und den restlichen Waferbereich, welcher durch ein Nebeneinander vieler kleiner, unterschiedlichst orientierter Körner geprägt ist.
Die QMW können über den Weg der „Isotextur“ zu „Multizellen“ verarbeitet werden, oder über den Weg der „alkalischen Textur“ zu „Monozellen“. Da das kristallisierte Material, der gerichtet erstarrte Block, im Vergleich zum herkömmlich hergestellten (d. h. ohne Ankeimen an vorgelegten Keimplatten) Silicium weitgehend den gleichen Kristallisationsverlauf und die gleiche Temperaturhistorie durchlaufen hat, liegen in beiden Materialien grundsätzlich sehr ähnliche Arten von Defekten vor (siehe oben). Quasimonokristallines VGF-Silicium ist bezüglich Verunreinigungen, Dotierung, Versetzungsdichte und sonstigen Defekttypen dem herkömmlichen VGF-Silicium sehr ähnlich bis gleich, unterscheidet sich dagegen grundlegend von „echt“ monokristallinem Silicium aus dem Czochralski-oder Float Zone-Prozess (welches z. B. versetzungsfrei ist, dafür reich an Gitterleerstellen, im Sauerstoffgehalt höher liegt, dafür im Metallgehalt niedriger, etc.)
Es konnte daher vermutet werden, dass ein Qualitätsforecast für QMW auf Basis von Lebensdauermappings von Rohwafern zumindest im Fall der Verarbeitung zu „Multizellen“ (also über die Isotextur) ohne größere Änderungen möglich sein sollte
Dies trifft jedoch nicht zu. Eine Vorhersage, wie in der Literatur beschrieben, führt für QMW nicht zu sinnvollen Aussagen, nicht im Fall der Verarbeitung zu Multizellen, und schon gar nicht für den Fall der Verarbeitung zu Monozellen.
Erfindungsgemäß erfolgt eine Korrelation zwischen „monokristalliner Anteil“ und vorzugsweise „Bereiche reduzierter Lebensdauer“ mit dem Wirkungsgrad der Solarzelle (Mono und Multi), indem der <100>-Anteil an sich als neuer Parameter verwendet wird. Zusätzlich kann der Einfluss von detektierten Versetzungsclustern im <100>-Anteil anders gewichtet werden als im nicht <100>-orientierten Bereich. Dies gilt grundsätzlich für die Prozessierung zu Mono- und Multizellen, jedoch für Monozellen ganz besonders.
In diesem Zusammenhang ist noch einmal darauf hinzuweisen, dass unter Monozellen solche verstanden werden, denen Quasi-Mono-Wafer zu Grunde liegen, jedoch alkalisch texturiert werden, wie dies bei monokristallinen Wafern üblich ist. Multizellen sind solche, bei denen der Ausgangs-Wafer gleichfalls ein Quasi-Mono-Wafer ist, jedoch sodann isotexturiert ist, wie dies bei multikristallinen Zellen üblicherweise erfolgt.
Für die Bestimmung der Bereiche reduzierter Lebensdauer eignen sich alle bildgebenden Verfahren, dessen Messgrößen mit der Ladungsträgerlebensdauer korreliert werden können, wie z. B. Photolumineszensmessungen, wie diese in den Literaturstellen HAUNSCHILD et al.: "Comparing luminescence imaging with illuminated lock-in thermotraphy and carrier density imaging for inline inspection of silicon solar cells", Proc. 24th Europ. Photovoltaic Solar Energy Conference, Hamburg, 2009; NAGEL et al.: „Lumescence imaging – a key metrology for crystalline silicon PV" Proc. NREL Workshop on Crystilline Silicon, Breckenridge, 2010; McMILLIAN 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 form corner and edge bricks and forecast of cell properties", Proc. 26th Europ. Photovoltaic Solar Energy Conference, Hamburg, 2011, erläutert worden sind. Bevorzugt sind inlinefähige Verfahren. Besonders hervorzuheben ist das Mikrowellendetektions- oder MDP(Micro Wave Detected Photoconductivity)-Verfahren, wie dies in der Literaturstelle SCHÜLER et al.: „Spatially Resolved VED determination of trapping parameters in p-doped silicon by microwave detected photoconductivity", Proc. 25th Europ. Photovoltaic Solar Energy Conference, Valencia, 2010, beschrieben ist. Auch die Sekundärliteratur in der Veröffentlichung ist insoweit zu berücksichtigen und gilt in der vorliegenden Anmeldung als offenbart.
Das MDP-Verfahren ist weniger gut auflösend wie die aufwendige, hoch aufgelöste Erfassung der Bereiche verringerter Ladungsträger-Lebensdauermittel z. B. mittels Photolumineszenz. Das weniger gut auflösende MDP-Verfahren zeigt den Vorteil, dass es schnell und damit inlinefähig ist und liefert unter Berücksichtigung der erfindungsgemäßen Lehre vergleichbar gut korrelierende Ergebnisse.
Für die Bestimmung <100>-Anteils bzw. des Anteils des größten Korns eignen sich alle bildgebenden Verfahren, welche die Kornstruktur sichtbar machen. Insbesondere eignen sich inlinefähige Verfahren. Sowohl Auflicht- als auch IR-Durchlichtverfahren sind geeignet.
Bezüglich einer Erfassung des <100>-Anteils (d. h. allgemeiner, des Bereichs eines Wafers, welcher in seiner kristallographischen Orientierung dem vorgegebenen Keim entspricht) genügt es, eine bereits vorliegende, verbreitete Inline-Technik als bildgebendes Verfahren zu nutzen, nämlich die Auflicht- oder (alternativ) IR-Durchlicht-Inspektion von Wafern. Mit beiden Methoden kann mittels geeigneter Bildverarbeitung die Fläche des größten Korns (= des <100>-Anteils) sicher bestimmt werden.
Liegen mehrere größere monokristalline Bereiche vor, so wird bei der Auswertung grundsätzlich nur der größte dieser Bereiche flächenmäßig erfasst und damit ausgewertet, um Aussagen über die Performance vorzunehmen.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen – für sich und/oder in Kombination –, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen, die nicht schutzeinschränkend zu verstehen sind.
Es zeigen:
1 eine QMW-Kornstruktur und Auswertung des größten Korns,
2 Lebensdauermapping eines QMW,
3 <100>-Anteil, Clusteranteil und Randanteil für Wafer,
4 Prognose für den Wirkungsgradverlust an isotexturierten Wafern und
5 Wirkungsgradverlust ermittelt an Wafern, die eine alkalische Textur aufweisen.
Um den größten Korn- bzw. des Bereichs mit einem Keim vorgegebener Orientierung, also insbesondere des <100>-Bereichsinline zu erfassen, sind mehrere Möglichkeiten gegeben.
Variante 1 (mit Hintergrundkorrektur)

1. Schritt: Es wird ein Bild eines homogenen Materials aufgenommen, mit dem das Waferbild skaliert wird.
2. Schritt: Automatische Grenzwertbildung der Graustufen des Waferbilds.
3. Schritt: Berechnung der Zusammenhängenden Flächen und Ermittlung des größten Korns.
4. Schritt: Berechnung Korngröße zur Wafergröße (Flächenanteil in %)

Variante 2 (ohne Hintergrundkorrektur)

1. Schritt: Ermittlung der Korngrenzen mittels Gradientenfilter.
2. Schritt: Abzug der Korngrenzen aus dem Bild.
3. Schritt: Automatische Grenzwertbildung der GraustufenAutomatischer Grenzwert.
4. Schritt: Berechnung der Zusammenhängenden Flächen und Ermittlung des größten Korns.
5. Schritt: Berechnung Korngröße zur Wafergröße (Flächenanteil in %)

Auch eine Kombination beider Varianten ist möglich.
In der 1 sieht man links einen Rohwafer und rechts ein entsprechend der zuvor aufgezeigten Möglichkeiten ausgewertetes Bild. Anzumerken ist, dass jedes Konstrukturbild als Ausgangsbild geeignet ist.
Sodann sind die Bereiche verringerter Ladungsträgerlebensdauer und die Bestimmung des Flächenanteils von Versetzungsclustern und des Flächenanteils einer seitlichen Eindiffusion, den sogenannten Randbereichen, zu ermitteln.
2 zeigt einen typischen QMW mit größtenteils monokristalliner Fläche und (geringerem) multikristallinem Anteil, mittels MDP vermessen. Man erkennt an 1 Seite (links) die Eindiffusionszonen (= Bereiche verringerter Lebensdauer aufgrund eindiffundierter Verunreinigungen) sowie verteilt über den Wafer Versetzungscluster (Versetzungswände, Kleinwinkelkorngrenzen, linienhafte Anhäufungen von Versetzungen).
Beispielhaft kann ein Mittelwertbild wie folgt berechnet werden:
Vom MDP-Lebensdauerbild wird zuerst eine Matrix aus gleitenden Mittelwerten berechnet (Mittelwertbild). Die Größe des Filterfensters beträgt vorzugsweise 11×11 "Pixel", d.h. insgesamt werden 121 Pixel gemittelt, die im Quadrat um einen Zentrumspixel angeordnet sind. Die Fensterbreite sollte nach Möglichkeit ein freier Parameter sein (ggf. nach oben beschränkt, um die Taktzeit nicht zu gefährden). Für die Berechnung des Mittelwertbildes am Rand ist es ausreichend nur Werte im „inneren“ des Wafers für die Berechnung heranzuziehen.
Der Flächenanteil von Versetzungsclustern kann beispielhaft wie folgt bestimmt werden:
Wenn die Differenz zwischen Mittelwertbild und Lebensdauerbild einen gewissen Betrag ∆η überschreitet, dann wird das Pixel als Cluster gezählt. ∆τ beträgt typischerweise ca. 0,22 µs, sollte aber ebenfalls frei wählbar sein. Die Clusterbestimmung erfolgt nur im Nicht-Randbereich des Wafers (nächster Abschnitt). Der Vergleich zwischen Mittelwertbild und Lebensdauerbild sollte bevorzugt jeweils einen Rand von 2 Pixeln Breite auslassen.
Abschließend kann der Clusteranteil beispielhaft nach folgender Formel berechnet werden. Clustergehalt = 100%· Anzahl_Schlechtpixel / Anzahl_Schlechtpixel + Anzahl_Gutpixel
Die Bestimmung des Randanteils kann folgendermaßen durchgeführt werden:
Der Randanteil kann mit Hilfe eines Relativkriteriums aus dem Mittelwertbild berechnet werden. Zum Beispiel können alle Pixel, deren Lebensdauer einen prozentualen Anteil (z. B. 70 %) der mittleren Lebensdauer im Zentrum des Wafers unterschreitet, als Rand gezählt werden.
Abschließend kann noch eine Klassifizierung, ob es sich um einen Eck-, Rand- oder Zentrumswafer handelt, getroffen werden (2 Ränder, 1 Rand, kein Rand, = Wafer Typ 2, 1, oder 0).
Um durch die erfindungsgemäße Korrelation zwischen kristallinem Anteil wie <100>-Anteil, Versetzungsclusteranteil und Randanteil die Wirkungsgradreduzierung ∆η zu ermitteln, sind folgende Ansätze möglich. Die Wirkungsgradreduzierung ∆η bezieht sich dabei auf einen theoretisch erreichbaren Wirkungsgrad η im Falle des Prozessierens eines defektfreien bzw. extrem defektarmen Wafers.
Erfindungsgemäß ist ∆η = Funktion (Clusteranteil, Randanteil, <100-Anteil). Nach einem ersten Ansatz kann der Wirkungsgradverlust ∆η, also der Abschlag vom theoretischen Wirkungsgrad η wie folgt ermittelt werden: ∆η = C_V × Clusteranteil + C_R × Randanteil + C₁₀₀ × (100 – <100-Anteil>) (Gleichung 1)
Die Faktoren C_V und C_R sind in erster Näherung unabhängig vom konkreten Zellprozess. Für den üblichen Fall von kristallinen Si-p-Typ-Wafern und deren Verarbeitung zu Solarzellen mit einem Widerstandsbereich zwischen 1 Ωcm und 3 Ωcm liegen die Faktoren C_V und C_R typischerweise zwischen 0,01 und 0,1, bevorzugt zwischen 0,02 und 0,07, und zwar unter der Voraussetzung, dass Clusteranteil, Randanteil und <100>-Anteil in % angegeben werden.
Bezüglich der Konstante C_R ist anzugeben, dass diese ggfs. dahingehend differenziert werden könnte, dass Eck- und Randbereiche des Wafers getrennt bewertet werden. Auch kann ggfs. berücksichtigt werden, dass während der Zellprozessierung der Randanteil durch Gettern von Verunreinigungen verringert wird, so dass ein zellprozessabhängiger Offset vom Randanteil abgezogen werden kann.
Der Faktor C₁₀₀ hängt von dem Prozessieren des Wafers ab, ob also eine Isotextur oder eine alkalische Textur vorliegt. Bei einer Isotextur liegt die Konstante C₁₀₀ zwischen 0,001 und 0,01, bevorzugterweise zwischen 0,002 und 0,005. Im Falle von Prozessen mit alkalischer Textur liegt der Wert von C₁₀₀ typischerweise zwischen 0,005 und 0,02, bevorzugt zwischen 0,008 und 0,015.
Bei der Berechnung des Wirkungsgradverlustes gemäß Gleichung (1) wird nicht weiter berücksichtigt, wo genau der <100>-Anteil auf dem Wafer liegt, d. h. ob z. B. die Versetzungscluster besonders im <100>-Anteil liegen oder außerhalb, oder ob ein Diffusionsrand (Randanteil) überwiegend innerhalb oder außerhalb eines <100>-Bereichs liegt. Nur die jeweiligen Flächenanteile werden ausgewertet.
Will man präziser den Wirkungsgradverlust ∆η, also den Abschlag von dem theoretisch erreichbaren Wirkungsgrad η ermitteln, wird die Lageinformation bei der Auswertung berücksichtigt. In diesem Fall kann nachstehende Beziehung zur Anwendung gelangen: ∆η = CV₁₀₀ × Clusteranteil₁₀₀ + CV_sonst × Clusteranteil_sonst + CR₁₀₀ × Randanteil₁₀₀ + CR_sonst × Randanteil_sonst + C₁₀₀ × (100 – <100-Anteil>) (Gleichung 2)
In diesem Fall wird bei den Faktoren für Versetzungsclusteranteil bzw. Randanteil, C_V und C_R, bzgl. ihrer Lage unterschieden. CV₁₀₀ und CR₁₀₀ sind die Faktoren für die <100>-Anteile des QMW, während CV_sonst und CR_sonst die Faktoren für die Nicht-<100>-Bereiche darstellen.
Bezüglich der Konstanten C₁₀₀ ist anzumerken, dass diese bei einer isotexturierten Zelle im unteren Bereich der zuvor angegebenen Zahlenwerte und bei der alkalischen Textur im oberen Bereich der zuvor angegebenen Werte liegt.
Es gibt neben der Ladungsträgerlebensdauer (und den diese beeinflussenden Defekten) noch weitere, inhomogen über den Wafer verteilte Wafereigenschaften, welche (nachgeordnet) die Zelleffizienz beeinflussen. Auch für diese Fälle wäre es möglich, nach Erfassung der Flächenverteilung dieser Wafereigenschaften eine Vorhersage des möglichen Wirkungsgrads zu machen, wenn die entsprechenden Korrelationen bekannt sind. Dies gilt insbesondere für folgende Wafereigenschaften: Waferdicke, Oberflächenrauigkeit, Risse, Ausbrüche, Oberflächenschäden aller Art, z. B. Kratzer, Lasermarkierungen, Oberflächenkontaminationen.
Weiter ist es immer möglich, dass Wechselwirkungen verschiedener Eigenschaften zu berücksichtigen sind (wie z. B. die unterschiedliche Wirkung von Versetzungsclustern in <100>-orientierten und anders orientierten Bereichen).
3 sind die aus einem nach dem modifizierten VGF-Prozess hergestellten Block geschnittenen Wafer in Abhängigkeit von dem <100>-Anteil, Clusteranteil und Randanteil dargestellt.
4 ist sodann für isotexturierte Solarzellen der η-Verlust (∆η) dargestellt, wobei die Quadrate die tatsächlich gemessenen Werte und die Punkte die vorhergesagten Werte wiedergeben.
Zur Berechnung der ∆η-Werte wurden zuvor empirisch die Konstanten C_V, Z_R und C₁₀₀ ermittelt, um sodann die Berechnung vornehmen zu können.
Entsprechende Messungen und Berechnungen wurden auch für alkalisch-texturierte Solarzellen vorgenommen, wie die 5 verdeutlicht. Auch in diesem Fall wurden die Konstanten zuvor empirisch ermittelt, um sodann die Berechnungen für aus einem Brick (Block) geschnittene Wafer durchführen zu können. Man erkennt wie bei den isotexturierten Solarzellen eine gute Übereinstimmung zwischen berechneten und sich durch Messungen ergebenen Werte.
Zu der empirischen Ermittlung der Konstanten C_V, C_R, C₁₀₀ ist Folgendes auszuführen.
Der exakte Wert der 3 Konstanten hängt primär vom gewählten Messverfahren ab bzw. von den konkret gewählten Einstellungen.
C_V bezieht sich auf den Flächenanteil von Versetzungsclustern. Diese sind nicht immer scharf begrenzt. Bei flächigen Aufnahmen, z. B. der Photolumineszenz oder bei flächigen Scans der Lebensdauer mittels MDP, hängt die Entscheidung über die Zuordnung eines Pixels oder Messpunkts zu einem Bereich reduzierter Lebensdauer von eingestellten Grenzen bzw. Schwellwerten ab. Zudem kann die unterschiedliche räumliche Auflösung verschiedener Messverfahren zu mehr oder weniger unterschiedlichen Ergebnissen für ein und denselben Wafer führen. Hierbei haben die einzelnen Messverfahren für sich jeweils eine sehr gute Reproduzierbarkeit, die Abweichungen untereinander sind systematisch.
Entsprechendes gilt für die Bestimmung des Randanteils C_R.
Gleiches gilt auch für die Bestimmung des größten zusammenhängenden Korns. Hier liegt die Abhängigkeit des Ergebnisses vom Messverfahren darin begründet, dass verschiedene Verfahren – je nach Beleuchtung und vorliegendem Kontrast und auch abhängig von der Auflösung – manche Korngrenzen nicht erkennen, oder z. B. Kratzer oder Sägespuren als Korngrenzen interpretieren, also systematisch entweder etwas zu große oder etwas zu kleine Körner bestimmen. Dies ist jedoch für die Anwendung unkritisch, da systematisch.
Hat man sich auf die Verfahren festgelegt, so bestimmt man zur Ermittlung der Konstanten von einer repräsentativen Menge möglichst verschiedener Wafer die 3 Flächenanteile. Diese Wafer werden prozessiert, entweder zu isotexturierten oder zu alkalisch texturierten Solarzellen. Die daran gemessenen Wirkungsgrade werden mit den in der Erfindung erläuterten Formeln angefittet.
Die Anzahl der Wafer sollte so groß sein, dass die Schwankungen des Zellprozesses möglichst wenig Einfluss haben (eine statistisch relevante Menge). Das können bei einem stabilen Zellprozess ca. 10 bis 100 Wafer sein. Diese Menge Wafer sollte idealerweise Wafer mit mehr und weniger Randanteil, Clusteranteil und <100>-Anteil enthalten. Aber auch schon mit wenigen Einzelwafern erhält man eine Korrelation, die zur Bestimmung der Konstanten dienen kann.
Die so erhaltenen Konstanten werden dann für sämtliche weitere untersuchten Wafer verwendet, solange man nichts am Messverfahren ändert. Sie beziehen sich auf den Forecast für Zellen mit dem Zellprozess, mit dem die Korrelation gemacht wurde.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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Claims

Verfahren zur Qualitätsermittlung eines zur Herstellung eines Halbleiterbauelements zu prozessierenden Siliciumwafers mit bereichsweise monokristallinem Anteil, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Qualitätsermittlung flächenmäßiger Anteil des monokristallinen Bereichs berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem flächenmäßigen Anteil des monokristallinen Oberflächenbereichs durch Versetzung-Cluster bedingte verringerte Ladungsträgerlebensdauer berücksichtigt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem flächenmäßigen Anteil des monokristallinen Oberflächenbereichs durch eindiffundierte Verunreinigungen im Randbereich des Wafers bedingte verringerte Ladungsträgerlebensdauer berücksichtigt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche verringerter Ladungsträgerlebensdauer mittels Mikrowellendetektionsverfahren ermittelt werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Orientierung wie <100>-Orientierung des monokristallinen Bereichs in Bezug auf Oberflächennormale des Wafers bei der Qualitätsermittlung berücksichtigt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unter Berücksichtigung von dem Clusteranteil, dem Randanteil und dem monokristallinen Bereich eine Wirkungsgradreduzierung ∆η des zu einer Solarzelle zu prozessierenden Quasimono-Wafers berechnet wird nach der Formel ∆η = C_V × Clusteranteil + C_R × Randanteil + C₁₀₀ × (100% <100>-Anteil des monokristallinen Bereichs) wobei der jeweilige Anteil Prozent der Fläche des Wafers ist, mit 0,01 ≤ C_V, C_R ≤ 0,1, insbesondere 0,02 ≤ C_V, C_R ≤ 0,07, 0,001 ≤ C₁₀₀ ≤ 0,01, vorzugsweise 0,002 ≤ C₁₀₀ ≤ 0,005 bei einem isotexturierten Wafer, 0,005 ≤ C₁₀₀ ≤ 0,02, insbesondere 0,008 ≤ C₁₀₀ ≤ 0,015 bei einem Wafer mit alkalischer Textur.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung der Wirkungsgradreduzierung ∆ η der Versetzungs-Cluster-Anteil innerhalb und außerhalb des monokristallienen Bereichs und/oder Randanteil innerhalb und außerhalb des monokristallinen Bereichs unterschiedlich gewichtet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unter Berücksichtigung von dem Clusteranteil, dem Randanteil und dem monokristallinen Bereich eine Wirkungsgradreduzierung ∆η des zu einer Solarzelle zu prozessierenden Quasimono-Wafers ermittelt wird nach der Formel ∆η = CV₁₀₀ × Clusteranteil₁₀₀ + CV_sonst × Clusteranteil_sonst + CR₁₀₀ × Randanteil₁₀₀ + CR_sonst × Randanteil_sonst + C₁₀₀ × (100 – <100-Anteil>), wobei der jeweilige Anteil Prozent der Fläche des Wafers ist, Index „100“ sich auf Cluster- und Randanteil im monokristallinen <100>-Bereich und Index „sonst“ sich auf Cluster- und Randanteil außerhalb des monokristallinen <100>-Bereichs beziehen.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Qualitätsermittlung während des Prozessierens des Quasimono-Wafers zu dem Halbleiterbauelement, insbesondere zu einer Solarzelle als das Halbleiterbauelement durchgeführt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Qualitätsermittlung Quasimono-Wafer mit einem zusammenhängenden monokristallinen Bereich berücksichtigt werden, der zumindest 15 %, vorzugsweise 30 % der Gesamtfläche des Wafers beträgt.