DE10313127B4 - Process for the treatment of substrate surfaces - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Verhinderung der Kurzschlussbildung bei Siliziumscheiben, bei dem die Unterseiten der Scheiben nach dem Schritt der Phosphordotierung einem Ätzen zur Entfernung der mit Phosphor dotierten Schicht unterzogen werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Ätzen der Unterseiten der Scheiben in einem Flüssigkeitsbad erfolgt und die Scheiben während der Behandlung horizontal über die im Bad befindliche Flüssigkeit befördert werden, wobei die Flüssigkeitshöhe so eingestellt wird, dass nur die Unterseiten oder nur die Unterseiten und die Kanten der Scheiben geätzt werden, so dass die beiden Oberflächen einer jeden Scheibe hinsichtlich ihrer elektrischen Leitfähigkeit entkoppelt werden.method to prevent short circuits in silicon wafers the undersurfaces of the disks after the step of phosphor doping to the etching Removal of the phosphorus-doped layer, characterized in that the etching of the undersides of the discs in a liquid bath done and the slices while the treatment is horizontal over the liquid in the bath is transported, the liquid level being adjusted that only the bottoms or just the bottoms and the edges etched the slices be so that the two surfaces of each disc in terms their electrical conductivity be decoupled.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Behandlung bzw. Bearbeitung von Substratoberflächen. Insbesondere betrifft die Erfindung Verfahren zur Modifikation der Oberfläche von Siliziumscheiben.The The present invention relates generally to the treatment of substrate surfaces. In particular, the invention relates to methods for modifying the surface of silicon wafers.
Bei der Herstellung von Siliziumscheiben, Siliziumplatten oder Wafern für die Halbleiter- und Solarzellenindustrie werden die Wafer einer Reihe von mechanischen und/oder chemischen Behandlungsschritten unterzogen, damit sie die gewünschten Größen und Produkteigenschaften erhalten. Nach dem Zuschneiden erfolgt zumeist ein nasschemisches Sägeschadenätzen unter Verwendung geeigneter Chemikalien wie insbesondere Laugen, um die durch den Schneideprozess bedingte defektreiche Schicht zu entfernen. Anschließend werden die Platten gewaschen und getrocknet.at the production of silicon wafers, silicon plates or wafers for the Semiconductor and solar cell industry become the wafers of a series subjected to mechanical and / or chemical treatment steps, order them the desired sizes and Obtained product properties. After cutting takes place mostly a wet-chemical saw damage etching under Use of suitable chemicals such as in particular alkalis, by the to remove the defective layer due to the cutting process. Subsequently the plates are washed and dried.
Bei den Substraten handelt es sich meist um mit Bor p-dotierte mono- oder polykristalline Siliziumscheiben. Hierbei wird die Substrat- bzw. Siliziumoberfläche durch Einlagerung von Phosphoratomen modifiziert, wobei als Phosphorquelle üblicherweise ein Gas oder eine flüssig-pastöse Zusammensetzung eingesetzt wird. Nach entsprechender Inkubation der Waferscheiben in dem Gas bzw. in der Zusammensetzung erfolgt die Diffusion bzw. An- oder Einlagerung der Phosphoratome in die Siliziumoberfläche durch Erhitzen auf gewöhnlich 800 bis 1000°C. Nach dieser Phosphordotierung weist die Siliziumplatte eine wenige μm dicke, mit Phosphor n+-dotierte Schicht auf.at the substrates are usually boron p-doped mono- or polycrystalline silicon wafers. Here, the substrate or silicon surface modified by incorporation of phosphorus atoms, wherein as the phosphorus source usually a Gas or a liquid-pasty composition is used. After appropriate incubation of the wafer slices in the gas or in the composition, the diffusion or Accumulation or incorporation of the phosphorus atoms in the silicon surface Heat up usually 800 to 1000 ° C. After this phosphorus doping, the silicon plate has a few μm thick, with phosphorus n + -doped layer on.
Ein Problem bei dieser Oberflächenmodifikation besteht darin, dass zumeist nicht nur die gewünschte Oberfläche (Oberseite) sondern auch die gegenüberliegende Oberfläche (Unterseite) sowie insbesondere die umlaufenden Kanten der Substratscheiben durch die Behandlung modifiziert werden, woraus in der späteren Anwendung die Gefahr von Kurzschlüssen resultiert, da die Kanten elektrisch leitfähig sind.One Problem with this surface modification is that usually not only the desired surface (top) but also the opposite surface (Bottom) and in particular the peripheral edges of the substrate discs through the treatment will be modified, resulting in later use the danger of short circuits results because the edges are electrically conductive.
Um dieses Problem zu beseitigen, sind im Stand der Technik unterschiedliche Verfahren entwickelt worden. Beispielsweise wird die Phosphorquelle von oben auf die zu dotierende Oberfläche aufgesprüht, und die gegenüberliegende Oberfläche (unten) wird abgedeckt bzw. maskiert, damit die Dotierung nur auf der Oberseite erfolgt. Eine zusätzliche Dotierung der Unterseite, wie sie z.B. durch Gasphasendotierung erfolgt, ist in vielen Anwendungsgebieten hinnehmbar, da die n+ Dotierung der Unter- bzw. Rückseiten der Platten anschließend zumeist durch Bildung eines „Aluminium Back Surface Field" in eine p+ Dotierung überführt wird, die z.B. für die spätere Kontaktierung einer Solarzelle notwendig ist. Derart behandelte Wafer besitzen jedoch immer Kanten, die Phosphoratome aufweisen und somit elektrisch leitfähig sind, was ohne weitere Behandlung zu Siliziumscheiben mit dem oben erwähnten Nachteil eines Risikos zur Entstehung von Kurzschlüssen in der späteren Anwendung führt.Around To overcome this problem are different in the prior art Procedure has been developed. For example, the phosphorus source becomes sprayed from above onto the surface to be doped, and the opposite surface (below) is covered or masked so that the doping only on the top is done. An additional doping the underside, as they are e.g. is done by gas phase doping is acceptable in many applications because the n + doping of the Bottom and back sides the plates afterwards mostly by forming an "aluminum Back Surface Field "in a p + doping is transferred, the e.g. For the subsequent contacting a solar cell is necessary. Such treated wafers have however, always edges that have phosphorus atoms and thus electrically conductive which is what without further treatment to silicon wafers with the above mentioned Disadvantage of a risk of short circuits in later Application leads.
Im Stand der Technik wird das Problem der elektrisch leitfähigen Kanten gelöst, indem diese mechanisch abgeschliffen werden. Durch das Schleifen können jedoch wie beim Sägen Defekte in der Kristallstruktur entstehen, welche zu elektrischen Verlusten führen. Der größte Nachteil dieser Vorgehensweise besteht aber in der erheblichen Bruchgefahr für die empfindlichen Scheiben.in the Prior art is the problem of electrically conductive edges solved, by being mechanically abraded. However, through the grinding can as when sawing Defects in the crystal structure arise, which are too electrical Losses lead. The main drawback However, this procedure consists in the considerable risk of breakage for the sensitive discs.
Alternativ wird vorgeschlagen, die auf der Unter- bzw. Rückseite vorhandene leitfähige Schicht im äußeren Bereich bzw. am Rand durch Einwirkung eines Laserstrahles zu unterbrechen. Diese Kantenisolierung mittels Laser ist jedoch noch nicht etabliert und wirft insbesondere bei der Automatisierung des Prozesses sowie hinsichtlich des erreichbaren Durchsatzes Probleme auf. Weiterhin besteht die Gefahr, dass nachfolgende Verfahrensschritte sowie der Wirkungsgrad z.B. einer entsprechend hergestellten Zelle beeinträchtigt werden können durch Ablagerung von beim Lasern entstehenden Verbrennungsprodukten auf der Waferoberfläche.alternative It is proposed that existing on the bottom or back conductive layer in the outer region or to interrupt at the edge by the action of a laser beam. This edge isolation by laser is not yet established and raises particular in the automation of the process as well as in terms of achievable throughput problems. Furthermore, there is the Danger that subsequent process steps and the efficiency e.g. a correspondingly manufactured cell are affected can by deposition of combustion products produced during the laser on the wafer surface.
Schließlich wird vorgeschlagen, mehrere Platten zu stapeln und die Kanten des Plattenstapels mittels Plasma zu ätzen. Das Kantenisolieren mittels Plasma erfordert, dass die Wafer aufeinander gestapelt werden. Sowohl die Stapelung als auch die Handhabung der Stapel erfolgen entweder manuell oder aber mit sehr hohem apparativen Aufwand automatisiert. Die Prozessierung in Stapeln verursacht daher immer eine Unterbrechung oder Umstellung des Produktionsflusses, und zwar sowohl im Rahmen einer Fertigung nach dem „Batch"-Prinzip, bei dem die Wafer in Prozesscarriern transportiert werden, als auch bei einer „Inline"-Fertigung, bei der die Wafer auf Transportbändern oder Rollen etc. durch die unterschiedlichen Verfahrensschritte geführt werden. Ferner sind die Wafer aufgrund der aufwändigen Handhabung wieder einer erhöhten Bruchgefahr ausgesetzt.Finally will proposed to stack several plates and the edges of the plate stack by means of Etch plasma. Edge isolation by plasma requires that the wafers face each other be stacked. Both the stacking as well as the handling of Stacks are done either manually or with very high equipment Effort automated. The processing in stacks therefore causes always an interruption or conversion of the production flow, Both in the context of a production according to the "batch" principle, in which the wafers are transported in process carriers, as well as at an "inline" production, in which the wafers on conveyor belts or roles etc. through the different process steps guided become. Furthermore, the wafers are due to the complicated handling again one increased Risk of breakage.
Die
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Sämtliche dieser im Stand der Technik beschriebenen verfahren dienen somit dazu, die beiden Oberflächen (Ober- und Unterseite) hinsichtlich ihrer elektrischen Leitfähigkeit zu entkoppeln, wobei sie jedoch die z.T. gravierenden Probleme der zuvor dargelegten Art aufweisen.All These methods described in the prior art thus serve to do this, the two surfaces (Top and bottom) in terms of their electrical conductivity but they decouple the z.T. serious problems of have previously stated type.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein kostengünstiges und schnelles Verfahren zum einseitigen Ätzen von Siliziumscheiben mittels eines Flüssigkeitsbades bereitzustellen, mit dem die Nachteile der im Stand der Technik bekannten Verfahren überwunden werden können.The Object of the present invention is therefore a cost-effective and fast method for one-sided etching of silicon wafers by means of a liquid bath to provide, with the disadvantages of the prior art overcome known methods can be.
Erfindungsgemäß hat sich gezeigt, dass selektiv nur eine der beiden Oberflächen, d.h. nur die Ober- bzw. Unterseite eines entsprechenden Substrates wie einer Siliziumscheibe modifiziert werden kann, wodurch das Problem der Kurzschlussbildung auf einfache Weise beseitigt wird.According to the invention has shown that selectively only one of the two surfaces, i. only the top or bottom of a corresponding substrate such as a silicon wafer can be modified, causing the problem the short circuit formation is easily eliminated.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Verhinderung der Kurzschlussbildung gemäß Hauptanspruch, bei dem die Unterseiten der Scheiben nach dem Schritt der Phosphordotierung einem Ätzen zur Entfernung der mit Phosphor dotierten Schicht unterzogen werden, sieht vor, dass das Ätzen der Unterseiten der Scheiben in einem Flüssigkeitsbad erfolgt und die Scheiben während der Behandlung horizontal über die im Bad befindliche Flüssigkeit befördert werden, wobei die Flüssigkeitshöhe so eingestellt wird, dass nur die Unterseiten oder nur die Unterseiten und die Kanten der Scheiben geätzt werden, so dass die beiden Oberflächen einer jeden Scheibe hinsichtlich ihrer elektrischen Leitfähigkeit entkoppelt werden. Hieraus folgt, dass nur eine Seite der Siliziumscheibe mit einer flüssigen Zusammensetzung, die vorzugsweise KOH, HF, HNO3, HF mit O3, und/oder HF mit Oxidationsmittel wie z.B. oxidierender Säure enthält, in Kontakt gebracht wird.The short-circuit preventing method according to the invention, in which the undersides of the wafers are subjected to etching to remove the phosphorus-doped layer after the phosphorus doping step, provides for the etching of the undersides of the wafers in a liquid bath and the wafers during the treatment are conveyed horizontally over the liquid in the bath, wherein the liquid level is adjusted so that only the bottoms or only the bottoms and the edges of the slices are etched so that the two surfaces of each slice are decoupled with respect to their electrical conductivity , It follows that only one side of the silicon wafer is contacted with a liquid composition which preferably contains KOH, HF, HNO 3 , HF with O 3 , and / or HF with oxidant such as oxidizing acid.
Es wird darauf hingewiesen, dass dieser Ätzschritt vorzugsweise direkt nach der Phosphordotierung erfolgt, da das Phosphorglasätzen zumeist nasschemisch erfolgt und die erfindungsgemäße Kantenisolation dann platzsparend und kostengünstig in der gleichen Anlage durchgeführt werden kann. Für den Fachmann ist jedoch klar, dass der erfindungsgemäße Schritt auch zu einem anderen Zeitpunkt durchgeführt werden kann. Wichtig ist allein, dass die erfindungsgemäße Ätzung vor dem Aufbringen der metallischen Kontakte auf die Rück- bzw. Unterseite eines gegebenen Substrats erfolgt.It It should be noted that this etching step is preferably direct after the phosphorus doping, since the Phosphorglasätzen mostly wet-chemical takes place and the edge insulation according to the invention then saves space and cost-effective performed in the same facility can be. For the However, it is clear to a person skilled in the art that the step according to the invention also changes to another Time carried out can be. It is important only that the etching according to the invention before the application of the metallic contacts on the return or Bottom of a given substrate is done.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform kann eine gleichzeitige Behandlung einer Substratseite und der umlaufenden Kanten der Siliziumscheibe in der zuvor geschilderten Weise erreicht werden.To a preferred embodiment a simultaneous treatment of a substrate side and the circumferential Reached edges of the silicon wafer in the manner previously described become.
Zur Durchführung des Verfahrens z.B. im Rahmen einer kontinuierlichen Prozessierung wird vorgeschlagen, dass die Substrate wie insbesondere Siliziumscheiben mit ihrer Unterseite in ein Flüssigkeitsbad, welches eine oder mehrere der obigen Chemikalien, gewünschtenfalls mit weiteren Zusatzstoffen enthält, abgesenkt werden, wobei das Maß des Absenkens vom Fachmann in Abhängigkeit der Substratdicke, des Substratgewichts, und der Oberflächenspannung der flüssigen Zusammensetzung leicht eingestellt werden kann. Durch exaktes Einstellen, z.B. des Füllstandes im Behandlungsbad, ist es zudem möglich, dass nicht nur die Unterseite, sondern auch die Kanten geätzt werden, was erfindungsgemäß besonders bevorzugt ist. Je nach Verfahren (kontinuierlich oder diskontinuierlich) kann es sein, dass die flüssige Zusammensetzung Zusätze z.B. zur Vermeidung von Gasblasen benötigt, wobei derartige Zusatzstoffe vom Fachmann unter Berücksichtigung der konkreten Erfordernisse leicht ausgewählt werden können. Bei der Auswahl geeigneter Zusätze, insbesondere im Durchlaufverfahrten, ist zu beachten, dass die Wafer durch eine eventuelle Gasbildung keinen zu großen Auftrieb bekommen, der den effektiven Transport beeinträchtigen könnte. Folglich wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, dass die Ätzlösung mindestens einen Zusatzstoff enthält, der in der Lage ist, die bei der chemischen Reaktion entstehenden Gase weitgehend zu binden, so dass die Bildung von Gasblasen auf der Unterseite der Scheiben weitgehend unterbunden wird.For carrying out the method, for example in the context of continuous processing, it is proposed that the substrates, in particular silicon wafers, be lowered with their underside into a liquid bath containing one or more of the above chemicals, if desired with further additives, the degree of lowering being understood by a person skilled in the art depending on the substrate thickness, the substrate weight, and the surface tension of the liquid composition can be easily adjusted. By exact setting, for example, the level in the treatment bath, it is also possible that not only the bottom, but also the edges are etched, which is particularly preferred according to the invention. Depending on the method (continuous or discontinuous), it may be that the liquid composition additives such to avoid gas bubbles needed, such additives can be easily selected by the skilled person taking into account the specific requirements. When selecting suitable additives, in particular in pass-through procedures, it should be noted that the wafers do not get too much lift due to the formation of gas, which could impair the effective transport. Consequently, according to a preferred embodiment, it is proposed that the etching solution contains at least one additive which is capable of largely binding the gases formed during the chemical reaction, so that the formation of gas bubbles on the underside of the disks is largely prevented.
Für den Fachmann ist klar, dass die erfindungsgemäße Behandlung nicht nur durch Absenken in ein Flüssigkeitsbad sondern auch anders erfolgen kann, solange gewährleistet ist, dass tatsächlich nur eine Seite, optional auch die Kante, von dem Ätzmittel benetzt und damit modifiziert wird. Beispielsweise können zwei unterschiedlich große Behälter vorgesehen werden, wobei der kleinere Behälter die flüssige Zusammensetzung enthält und von dem größeren Behälter umschlossen wird. Der kleinere Behälter ist randvoll mit der Flüssigkeit befüllt und erhält seine Speisung durch eine Verbindung zum größeren Behälter. Diese Flüssigkeitszufuhr kann z.B. kontinuierlich mittels Pumpe erfolgen und so eingestellt werden, dass stets eine gewisse Menge der Ätzflüssigkeit in das Außenbecken (der größere Behälter) überläuft, wobei die Flüssigkeit von dort vorzugsweise wieder in das innere Becken (den kleineren Behälter) zurückgepumpt wird. Das Pumpen der flüssigen Zusammensetzung bewirkt, dass sich der Flüssigkeitsstand immer etwas höher als der umlaufende Rand des kleineren Behälters befindet, wobei die Differenz zwischen dem Pegelstand der Flüssigkeit und der Höhe des Behälterrandes u.a. von der Oberflächenspannung des gegebenen Ätzmediums abhängt. Unter Verwendung dieser Anordnung können die zu behandelnden Scheiben im Rahmen einer Fertigungsstraße leicht horizontal über die Flüssigkeit befördert werden, so dass die Unterseite der Scheiben benetzt wird, ohne dass die Scheiben an der seitlichen Wandung des kleineren Innenbehälters anstoßen.For the expert it is clear that the treatment according to the invention not only by lowering into a liquid bath but also differently can be done as long as guaranteed is that actually only one side, optionally also the edge, wetted by the etchant and thus is modified. For example, two differently sized containers can be provided be, with the smaller container the liquid Composition contains and enclosed by the larger container becomes. The smaller container is brimming with the liquid filled and get his Powered by a connection to the larger tank. This hydration can e.g. continuously done by pump and set so Be sure to keep a certain amount of the etching liquid in the outdoor pool (the larger container) overflows, with the liquid from there preferably back into the inner basin (the smaller Tank) pumped back becomes. Pumping the liquid Composition causes the fluid level is always something higher than the peripheral edge of the smaller container is located, the difference between the level of the liquid and the height of the container edge et al from the surface tension of the given etching medium depends. Using this arrangement, the discs to be treated in the context of a production line slightly horizontal over the liquid to get promoted, so that the underside of the discs is wetted without the To push discs on the side wall of the smaller inner container.
Alternativ können auch Tauchverfahren angewendet werden. Dabei wird die Flüssigkeitshöhe im Bad so niedrig eingestellt, dass nur die Unterseite der Scheiben, optional einschließlich der Kanten benetzt wird, wenn sie sich am niedrigsten Punkt. der Tauchkurve befindet. Vorteil dieser alternativen Ausführungsform ist, dass der Oxidätzschritt in einem weiteren Tauchbad unmittelbar in der gleichen „Inline"-Anlage erfolgen kann.alternative can also dipping methods are used. The liquid level in the bath set so low that only the bottom of the discs, optional including the edges get wet when they reach the lowest point. the dive curve located. The advantage of this alternative embodiment is that the oxide etching step take place in another immersion bath directly in the same "inline" system can.
Demgemäß kann das erfindungsgemäße Verfahren bei jedem bekannten Herstellungsverfahren von Halbleiterplatten und Solarzellen angewendet werden.Accordingly, the inventive method in every known manufacturing process of semiconductor plates and solar cells are applied.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich in einer Durchlaufanlage durchführen. Damit ist bei einer „Inline"-Produktion kein zusätzlicher Handlingschritt der Scheiben notwendig. Ferner kann die erfindungsgemäße Rückseite/Kantenisolierung zusammen mit dem Oxidätzen in der gleichen Anlage stattfinden, wodurch die Prozesskette einfacher und kostengünstiger wird. Weiterhin können unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch solche Zellenkonzepte realisiert werden, bei denen die Rückseite der Zelle kein vollflächiges „Aluminium Back Surface Feld" aufweist.The inventive method settles in perform a continuous system. Thus, with an "inline" production no additional handling step is the Slices necessary. Furthermore, the back of the invention / edge insulation along with the oxide etching take place in the same facility, making the process chain easier and cheaper becomes. Furthermore you can also using the method according to the invention Cell concepts are realized in which the back the cell is not a full-surface "aluminum back Surface field "has.
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