DE102009059193A1 - Plant and method for doping semiconductor materials - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Anlage und ein Verfahren zur Dotierung von Substraten mit Laser, wobei bei dem Verfahren wenigstens ein Dotierstoff in Kontakt mit der Substratoberfläche ist und eine lokale Erwärmung der Substratoberfläche durch einen Laserstrahl erfolgt. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Laserdotierprozess bereitzustellen, der es erlaubt, Substrate in hoher Geschwindigkeit zu dotieren, dabei eine geringe Versetzungsdichte an der Substratoberfläche zu erzeugen, eine gute elektrische Aktivierung von Dotanten zu erreichen und darüber hinaus die Option zu bieten, bestimmte Bereiche gezielt höher zu dotieren. Diese Aufgabe wird durch eine Anlage zur Dotierung von Substraten mit Laser gelöst, wobei die Anlage wenigstens einen Faserlaser mit einem Laserstrahl mit rundem Strahlquerschnitt und einer Scannereinheit aufweist, durch welche die Substratoberfläche mit einem Laserstrahl abrastbar ist. Die Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zur Dotierung von Substraten gelöst, bei welchem wenigstens ein Dotierstoff in Kontakt mit der Substratoberfläche ist und eine lokale Erwärmung der Substratoberfläche durch einen Laserstrahl erfolgt, wobei ein Faserlaser mit einem Laserstrahl mit rundem Strahlquerschnitt erzeugt, welcher mit einer Scannereinheit über die Substratoberfläche geführt wird.The invention relates to a system and a method for doping substrates with laser, wherein in the method at least one dopant is in contact with the substrate surface and a local heating of the substrate surface by a laser beam. It is the object of the present invention to provide a laser doping process that allows substrates to be doped at high speed, thereby producing a low dislocation density at the substrate surface, achieving good electrical activation of dopants, and moreover providing the option of certain Doping areas targeted higher. This object is achieved by a system for doping substrates with laser, wherein the system has at least one fiber laser with a laser beam with a circular beam cross section and a scanner unit, through which the substrate surface can be latched with a laser beam. The object is further achieved by a method for doping substrates in which at least one dopant is in contact with the substrate surface and a local heating of the substrate surface by a laser beam, wherein a fiber laser with a laser beam with a circular beam cross-section generates, which with a scanner unit is guided over the substrate surface.
Description
Die Erfindung betrifft eine Anlage und ein Verfahren zur Dotierung von Substraten mit Laser, wobei bei dem Verfahren wenigstens ein Dotierstoff in Kontakt mit der Substratoberfläche ist und eine lokale Erwärmung der Substratoberfläche durch einen Laserstrahl erfolgt.The invention relates to a system and a method for doping substrates with laser, wherein in the method at least one dopant is in contact with the substrate surface and a local heating of the substrate surface by a laser beam.
Anlagen der genannten Gattung sind in der industriellen Praxis in der Regel Batchöfen oder Durchlaufdotieranlagen, in welchen die Solarzellensubstrate auf zur Dotanten-Diffusion benötigte Temperaturen von mehr als 800°C aufgeheizt werden. Bei der Dotierung des Emitters von Solarzellen bestehen, wie es beispielsweise in der Druckschrift
In den letzten Jahren wurden auch Laseranlagen zur Dotierung von Halbleitern entwickelt. In der Druckschrift
Die Druckschrift löst das Problem der hohen Versetzungsdichte nach Aufschmelzen der Oberfläche und Rekristallisation dadurch, dass der Laserstrahl zu einer Linie mit einer Breite von 10 μm und einer Länge von 100 μm fokussiert wird und dieser Linienfokus die Oberfläche des Substrats abscannt. Als Nachteile dieses Verfahrens sind die geringe Bearbeitungsgeschwindigkeit und der technische Aufwand zur Realisierung eines zuverlässigen Autofokussystems zu nennen. Die angestrebten Charakteristiken für die Dotierung sind an die Charakteristiken der Dotierungen angelehnt, die in Ofenprozessen erzeugt werden. Das heißt, als Tiefe der Dotierung wird ein Bereich bis zu einem Mikrometer angestrebt. Aus der bekannten Eindringtiefe von Licht in Silizium in Abhängigkeit von der Wellenlänge wird so geschlussfolgert, dass Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 600 nm oder weniger eingesetzt werden muss.The document solves the problem of high dislocation density after surface melting and recrystallization by focusing the laser beam into a line having a width of 10 μm and a length of 100 μm and scanning this line focus on the surface of the substrate. The disadvantages of this method are the low processing speed and the technical complexity for realizing a reliable autofocus system. The desired characteristics for the doping are based on the characteristics of the dopants, which are produced in furnace processes. That is, the depth of the doping is a range up to a micrometer is desired. From the known depth of penetration of light into silicon as a function of the wavelength, it is concluded that laser radiation having a wavelength of 600 nm or less must be used.
Batchanlagen zur Dotierung sind derzeit Standard in der Silizium-Solarzellenproduktion. Nachteile sind eine relativ lange Bearbeitungszeit auf diesen Anlagen und große mechanische Abmessungen. Die beherrschbaren Temperaturen sind auf weniger als 1000°C begrenzt, und durch die Erwärmung der gesamten Substrate besteht das Problem des Eintrags von Kontaminationen über die Substratrückseite. Ein weiteres Problem bei herkömmlichen Dotiermethoden ist, dass die Dotanten zwar in das Siliziumkristall eindiffundieren, aber zu großen Teilen nicht auf Gitterplätze eingebaut und elektrisch aktiviert werden.Batch systems for doping are currently standard in silicon solar cell production. Disadvantages are a relatively long processing time on these systems and large mechanical dimensions. The controllable temperatures are limited to less than 1000 ° C, and the heating of the entire substrates poses the problem of introducing contaminants across the back of the substrate. Another problem with conventional doping methods is that although the dopants diffuse into the silicon crystal, they are largely not incorporated into lattice sites and are electrically activated.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Laserdotierprozess bereit zu stellen, der es erlaubt, Substrate in hoher Geschwindigkeit zu dotieren, dabei eine geringe Versetzungsdichte an der Substratoberfläche zu erzeugen, eine gute elektrische Aktivierung von Dotanten zu erreichen und darüber hinaus die Option zu bieten, bestimmte Bereiche gezielt höher zu dotieren.It is the object of the present invention to provide a laser doping process which allows substrates to be doped at high speed, thereby producing a low dislocation density at the substrate surface, achieving good electrical activation of dopants and, moreover, offering the option of to dope certain areas targeted higher.
Diese Aufgabe wird durch eine Anlage der oben genannten Gattung gelöst, die wenigstens einen Faserlaser mit einem Laserstrahl mit rundem Strahlquerschnitt und eine Scannereinheit aufweist, durch welche die Substratoberfläche mit dem Laserstrahl abrastbar ist.This object is achieved by a plant of the abovementioned type, which has at least one fiber laser with a laser beam with a round beam cross section and a scanner unit, by means of which the substrate surface can be latched to the laser beam.
Faserlaser sind eine junge Entwicklung auf dem Gebiet der Lasertechnik. Diese neuartigen Laser zeichnen sich durch eine sehr hohe Leistungsfähigkeit und sehr hohe Strahlgüte bei gleichzeitig niedrigem Preis aus. Durch die hohe Leistungsfähigkeit dieser neuen Laserklasse ist es möglich, neue Wege beim Bau von Laserdotieranlagen zu gehen.Fiber lasers are a recent development in the field of laser technology. These novel lasers are characterized by a very high performance and very high beam quality at the same time low price. Due to the high performance of this new laser class, it is possible to break new ground in the construction of laser doping systems.
Die zur Prozesssierung benötigte Energie kann nun nicht mehr nur lokal in einem Brennpunkt bereitgestellt werden, sondern es kann mit einem Laserstrahl gearbeitet werden, dessen runder Strahlquerschnitt Dimensionen von 20 bis 500 μm aufweist und dieser Querschnitt in einem komfortablen Strahllängenbereich von etwa 1 mm zur Verfügung steht. Die Leistung dieser Laser eignet sich zur Bearbeitung vollständiger Substratflächen fotovoltaischer Substrate.The energy required for processing can now be provided not only locally in a focal point, but it can be used with a laser beam whose round beam cross-section dimensions of 20 to 500 microns and this cross-section is available in a comfortable beam length range of about 1 mm , The performance of these lasers is suitable for processing complete substrate surfaces of photovoltaic substrates.
Im Vergleich der Energieeffizienz der erfindungsgemäßen Laserdotieranlage mit einer herkömmlichen Ofendotieranlage ist die erfindungsgemäße Laserdotieranlage im Vorteil. In Faserlasern wird der Lichtstrahl mit einem hohen Wirkungsgrad erzeugt, und die Lichtenergie im Laserdotierprozess wird effizient genutzt, da nur die Oberfläche des Substrates und nicht das gesamte Substrat erwärmt wird. Die Verschonung des Substrats vor thermischer Belastung im Dotierprozess eröffnet auch neue Möglichkeiten für die Gesamttechnologie der Solarzellen. So kann die Laserdotierung anders als die Ofendotierung in einem späteren Schritt in der Gesamttechnologie erfolgen, an welchem das Substrat bereits temperaturempfindliche Elemente aufweist. Dieser Vorteil kommt vor allem bei aufwendigeren Technologien und beispielsweise bei bifacialen Zellkonzepten zum Tragen. Mit Laserdotieranlagen können auch mehrere Dotierprozesse in Abfolge und auf beiden Oberflächen der Substrate durchgeführt werden.In comparison of the energy efficiency of the laser doping system according to the invention with a conventional furnace doping system Laserdotieranlage invention is advantageous. In fiber lasers For example, the light beam is generated with high efficiency, and the light energy in the laser doping process is efficiently utilized because only the surface of the substrate and not the entire substrate is heated. The sparing of the substrate from thermal stress in the doping process also opens up new possibilities for the overall technology of the solar cells. Thus, unlike furnace doping, laser doping may occur in a later step in overall technology, where the substrate already has temperature sensitive elements. This advantage is particularly important in more complex technologies and, for example, in bifacial cell concepts. With Laserdotieranlagen more doping processes in sequence and on both surfaces of the substrates can be performed.
Im Vergleich zu herkömmlichen Ofendotieranlagen wird nicht nur die Energie effizienter genutzt sondern auch die Dotierstoffe werden effizienter ihrer Aufgabe der Halbleiterdotierung zugeführt. Die Dotierstoffe werden nicht in unerwünschter Weise an Zwischengitterplätzen an der Oberfläche eingebaut, sondern sie werden durch die höheren Temperaturen vorteilhaft und effizient auf Gitterplätzen eingebaut. Wegen der effizienteren Nutzung genügt ein geringerer Dotierstoffauftrag.In comparison to conventional furnace doping systems not only the energy is used more efficiently but also the dopants are more efficiently fed to their task of semiconductor doping. The dopants are not incorporated undesirably at interstices on the surface, but they are installed by the higher temperatures advantageous and efficient on lattice sites. Because of the more efficient use, a smaller dopant application is sufficient.
Zur Bewegung des Laserstrahls über die Substratoberfläche können erfindungsgemäß zudem geeignete kommerziell zur Verfügung stehende Scannereinheiten genutzt werden, die den Strahl mit der nötigen Präzision und Geschwindigkeit bewegen können. Die Geschwindigkeit der Scanner kann dabei variiert werden, sodass neben einer ganzflächig gleichmäßigen Bearbeitung auch eine lokal differenzierte Bearbeitung möglich ist.For moving the laser beam over the substrate surface, it is also possible according to the invention to use suitable commercially available scanner units, which can move the beam with the necessary precision and speed. The speed of the scanners can be varied so that in addition to uniform processing over the entire surface, locally differentiated processing is also possible.
Der Laserprozess ist sehr flexibel steuerbar, regelbar und optimierbar, da sowohl die Scannereinheit als auch der Faserlaser selbst sehr flexibel betreibbar sind. Durch die Eigenschaften des Systems aus Faserlaser und Scannereinheit ist die Tiefe des dotierten Gebietes im Substrat flexibel kontrollierbar. Dotierprofile und elektrische Widerstände sind präzise einstellbar. Dadurch kann der Einsatz von erfindungsgemäßen Laserdotieranlagen zu verbesserten Produkten, zum Beispiel verbesserten Solarzellen, führen.The laser process is very flexibly controllable, controllable and optimized, since both the scanner unit and the fiber laser itself are very flexible to operate. Due to the properties of the fiber laser and scanner unit system, the depth of the doped region in the substrate can be flexibly controlled. Doping profiles and electrical resistances are precisely adjustable. As a result, the use of laser doping systems according to the invention can lead to improved products, for example improved solar cells.
Neben den Vorteilen bei dem eigentlichen Dotierprozess führt der Einsatz der Laserdotierung auch zu weiteren Vorteilen am Rande der Prozessierung. Da sich die Substratoberfläche durch den auftreffenden Laserstrahl sehr schnell erwärmt, sind für die Substrate keine Vorwärmphase und keine Abkühlphase notwendig. Dadurch wird ein schnellerer Gesamtprozess möglich. Des Weiteren kann die erfindungsgemäße Laserdotieranlage mit kleineren räumlichen Abmessungen als ein Dotierofen realisiert werden. Die Platzersparnis beim Einsatz von Laserdotieranlagen mündet in einen Kostenvorteil bei der Errichtung von Fertigungseinrichtungen.In addition to the advantages of the actual doping process, the use of laser doping also leads to further advantages on the edge of the processing. Since the substrate surface heats up very quickly by the impinging laser beam, no preheating phase and no cooling phase are necessary for the substrates. This makes a faster overall process possible. Furthermore, the laser doping system according to the invention can be realized with smaller spatial dimensions as a doping furnace. The space savings when using laser doping systems leads to a cost advantage in the construction of manufacturing facilities.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung verwendet die Laserdotieranlage einen Faserlaser, der Licht mit einer Wellenlänge im Bereich von 750 bis 3000 nm emittiert. In diesem Wellenlängenbereich existieren ausgereifte Faserlaser. Für die Bearbeitung von Siliziumsubstraten scheint dieser Wellenlängenbereich jedoch zunächst ungeeignet zu sein, da Silizium in diesem Bereich transparent ist. Durch die hohe Leistungsdichte in einem Faserlaserstrahl wird die Oberfläche des Substrates jedoch schnell erwärmt, wobei der Effekt der thermischen Akkumulation der Volumenanregung auftritt. Durch die Materialerwärmung ändern sich die optischen Eigenschaften des Substrates. Bei Silizium erhöht sich die Absorption. Dadurch sinkt die Eindringtiefe. Die Eindringtiefe ist sogar durch Einstellung geeigneter Parameter wie z. B. der Leistung, der Scannergeschwindigkeit, der Pulsenergie, der Pulsdauer oder der Repetitionsrate auf einen gewünschten Bereich regelbar. Mit einer Laserdotieranlage in diesem Wellenlängenbereich können Siliziumsubstrate tiefer als mit Ofenprozessen dotiert werden. Bei der Herstellung von Solarzellen und speziell der Phosphordotierung des Emitters von Solarzellen können hiermit beispielsweise Dotiertiefen im Bereich von 1 bis 10 μm realisiert werden. Durch die höhere Dotiertiefe bei gleichzeitig homogener Dotierung über die Tiefe können die Kontaktierung und der Gesamtwirkungsgrad der Solarzelle verbessert werden.According to an advantageous embodiment of the invention, the laser doping system uses a fiber laser that emits light having a wavelength in the range of 750 to 3000 nm. Sophisticated fiber lasers exist in this wavelength range. For the processing of silicon substrates, however, this wavelength range initially seems to be unsuitable, since silicon is transparent in this area. However, due to the high power density in a fiber laser beam, the surface of the substrate is heated rapidly, with the effect of thermal accumulation of volume excitation. Due to the material heating, the optical properties of the substrate change. Silicon increases the absorption. This reduces the penetration depth. The penetration depth is even by setting suitable parameters such. As the power, the scanner speed, the pulse energy, the pulse duration or the repetition rate to a desired range adjustable. With a laser doping system in this wavelength range, silicon substrates can be doped deeper than with furnace processes. In the production of solar cells and especially the phosphorus doping of the emitter of solar cells, for example, doping depths in the range of 1 to 10 microns can be realized hereby. Due to the higher doping depth and at the same time homogeneous doping over the depth, the contacting and the overall efficiency of the solar cell can be improved.
Eine alternative erfindungsgemäße Laserdotieranlage für Halbleitersubstrate verwendet einen Faserlaser, der Licht in einem Wellenlängenbereich von 500 bis 600 nm emittiert. Faserlaser in diesem Wellenlängenbereich sind erst seit kurzem kommerziell verfügbar. Anlagen, die in diesem kürzeren Wellenlängenbereich arbeiten, sind besonders für Anwendungen interessant, bei denen eine geringe Dotiertiefe gewünscht wird.An alternative laser doping system according to the invention for semiconductor substrates uses a fiber laser which emits light in a wavelength range of 500 to 600 nm. Fiber lasers in this wavelength range have only recently become commercially available. Systems operating in this shorter wavelength range are of particular interest for applications where low doping depth is desired.
In einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist der eingesetzte Faserlaser ein Dauerstrichlaser oder ein gepulster Laser mit relativ langen Pulslängen im Bereich von 80 ns bis 10 μs. Unter diesen Bedingungen ist eine Dotierung von Substraten möglich, ohne dass deren kristalliner Aufbau oberflächlich geschädigt wird. Des Weiteren werden die Dotanten gut in dem Substratkristall eingebaut und elektrisch aktiviert. Im Dauerstrichbetrieb stehen besonders hohe Leistungen von beispielsweise 5 kW zur Verfügung. Der Einsatz von Dauerstrichlasern ist deshalb besonders für eine schnelle und kostengünstige Bearbeitung von Vorteil. Im gepulsten Betrieb stehen nur geringere Leistungen von beispielsweise 300 W zur Verfügung. Vorteile im Pulsbetrieb sind zusätzliche verfügbare Parameter. So kann beispielsweise über die Pulsform, die Pulsdauer, die Repetitionsrate und die räumliche Puls-zu-Puls-Überlappung ein stärkerer Einfluss auf die Dotierstoffteilung genommen werden.In a preferred embodiment of the present invention, the fiber laser employed is a CW laser or a pulsed laser having relatively long pulse lengths in the range of 80 ns to 10 μs. Under these conditions, a doping of substrates is possible without superficially damaging their crystalline structure. Furthermore, the dopants are well incorporated into the substrate crystal and electrically activated. In continuous wave operation, particularly high powers of, for example, 5 kW are available. The use of continuous wave lasers is therefore particularly advantageous for rapid and cost-effective processing. In pulsed operation, only lower powers of, for example, 300 W are available. Advantages in pulse mode are additional available parameters. So For example, the pulse shape, the pulse duration, the repetition rate and the spatial pulse-to-pulse overlap can have a stronger influence on the dopant distribution.
In einer günstigen Weiterbildung der Erfindung weist die Anlage mehrere Faserlaser und/oder wenigstens einen Strahlteiler zur Erzeugung mehrerer Laserteilstrahlen unter Ausbildung einer Multi-Beam-Anordnung auf. Der Einsatz mehrerer Laser, die parallel betrieben werden, kann günstig sein, um den Durchsatz der Anlage zu erhöhen. So kann ein leistungsstarker Laserstrahl, dessen gesamte Leistung nicht in einem Strahl benötigt wird, unter Verwendung des Strahlteilers in mehrere Laserteilstrahlen zerlegt werden, wodurch die zeitgleiche Bearbeitung des Substrates mit mehreren Laserstrahlen oder Laserteilstrahlen und dadurch eine höhere Bearbeitungsgeschwindigkeit möglich wird.In a favorable development of the invention, the system has a plurality of fiber lasers and / or at least one beam splitter for producing a plurality of laser partial beams while forming a multi-beam arrangement. The use of multiple lasers operating in parallel can be beneficial to increase plant throughput. Thus, a high-power laser beam whose entire power is not required in one beam can be separated into a plurality of laser sub-beams using the beam splitter, thereby enabling simultaneous processing of the substrate with a plurality of laser beams or partial laser beams, thereby enabling a higher processing speed.
In einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet die Laserdotieranlage ein diffraktives Element zur holographischen Strahlteilung in 50 bis 400 Laserteilstrahlen. Dieser Strahlteiler ist auf die jeweilige Aufgabe abgestimmt. Beispielsweise kann mit einem solchen aufgeteilten Strahl auf Solarzellsubtraten eine Vielzahl von selektiven Emitterfingern geschrieben werden. Der Strahlteiler ist dabei vorzugsweise konstruktiv an die Anordnung der Finger angepasst. Die Kontaktelektrode einer Solarzelle umfasst neben den Fingern auch Hauptleitungen, sogenannte „bus bars”, auf denen die Ladungen der einzelnen Finger gesammelt werden. Der selektive Emitter von Solarzellen wird sowohl in den Bereichen der einzelnen Finger als auch in den Bereichen der „bus bars” ausgebildet. Der Laserdotierprozess wird dabei in mehrere Arbeitsschritte unterteilt, die dem Schreiben der einzelnen Finger und der „bus bars” dienen. Die Dotiertiefe kann im Laserdotierprozess geändert werden, das kann beispielsweise dazu genutzt werden, in einzelnen Arbeitsschritten bei der Herstellung eines selektiven Emitters eine tiefere Dotierung auszubilden.In a specific embodiment of the present invention, the laser doping system uses a diffractive element for holographic beam splitting in 50 to 400 laser partial beams. This beam splitter is tuned to the respective task. For example, with such a split beam on solar cell substrates, a plurality of selective emitter fingers can be written. The beam splitter is preferably structurally adapted to the arrangement of the fingers. The contact electrode of a solar cell comprises not only the fingers but also main lines, so-called "bus bars", on which the charges of the individual fingers are collected. The selective emitter of solar cells is formed both in the areas of the individual fingers and in the areas of the "bus bars". The Laserdotierprozess is divided into several steps that serve the writing of the individual fingers and the "bus bars". The doping depth can be changed in the laser doping process, which can be used for example to form a deeper doping in individual steps in the production of a selective emitter.
In einer weiteren vorteilhaften Variante der Erfindung weist die Scannereinheit wenigstens einen schnellen Scanner auf, welcher beispielsweise ein Galvo-Scanner, ein Polygonscanner und/oder ein Resonanzscanner sein kann. Mit einem solchen schnellen Scanner ist eine ausreichend hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit auf großflächigen Substraten möglich, die den Anforderungen aus der Produktion entsprechen. Die Auswahl der Scannerkomponenten erfolgt in Abhängigkeit von dem verwendeten Laser und von den geplanten Laserstrahlbewegungen. Richtwerte für derzeit erreichbare Verfahrensgeschwindigkeiten sind 20 m/s beim Einsatz gepulster Laser mit Repetitionsraten bis 1 MHz und 400 m/s beim Einsatz kontinuierlicher Laser.In a further advantageous variant of the invention, the scanner unit has at least one fast scanner, which may be, for example, a galvo scanner, a polygon scanner and / or a resonance scanner. With such a fast scanner, a sufficiently high processing speed is possible on large-area substrates that meet the requirements of production. The selection of the scanner components depends on the laser used and on the planned laser beam movements. Standard values for currently achievable process speeds are 20 m / s when using pulsed lasers with repetition rates up to 1 MHz and 400 m / s when using continuous lasers.
In einer günstigen Ausbildung der Anlage zur Dotierung von Substraten weist die Scannereinheit einen Scannbereich auf, der sich über wenigstens zwei Substrate erstreckt. Wenn in der Anlage kleinere Substrate, wie zum Beispiel Wafer bearbeitet werden und beispielsweise 7 × 8 Wafer auf einem Substratträger bearbeitet werden, ist es besonders günstig, wenn die Scannereinheit einen Scannbereich aufweist, der so groß wie der Substratträger ist, da in diesem Fall nur ein Faserlaser und eine Scannereinheit pro Anlage verbaut werden müssen. Der Bearbeitungsbereich kann aber auch auf zwei oder mehr Laserstrahlen aufgeteilt werden, wobei jeder Laserstrahl dann einen Scannbereich aufweist, der kleiner als der Substratträger ist.In a favorable embodiment of the system for doping substrates, the scanner unit has a scanning region which extends over at least two substrates. If smaller substrates, such as wafers, are processed in the system and, for example, 7 × 8 wafers are processed on a substrate carrier, it is particularly favorable if the scanner unit has a scanning area which is as large as the substrate carrier, since in this case only a fiber laser and a scanner unit per system must be installed. However, the processing area can also be divided into two or more laser beams, each laser beam then having a scanning area which is smaller than the substrate carrier.
In einer Weiterbildung weist die erfindungsgemäße Anlage wenigstens eine Positioniereinrichtung für die Substrate im Scannbereich des Lasers und/oder wenigstens eine Kontrolleinrichtung für die Substrate auf. Wenn die Substrate nicht nur ganzflächig bearbeitet werden, sondern lokal definiert eine besondere Bearbeitung erfahren solen, ist es erforderlich, dass eine exakte Positionierung der Substrate relativ zu der Scannereinheit erfolgt. Zur Gewährleistung dieser hohen Positioniergenauigkeit in der Laserdotieranlage kann eine aus dem Stand der Technik bekannte Positioniereinrichtung entweder im Laserdotiermodul integriert sein, oder die Positioniereinrichtung kann in Transportrichtung vor dem Laserdotiermodul angeordnet sein, wobei dann ein Transportsystem mit exakter Substratpositionsübertragung verwendet werden muss.In a development, the system according to the invention has at least one positioning device for the substrates in the scanning region of the laser and / or at least one control device for the substrates. If the substrates are not only processed over the entire surface, but should undergo special processing locally defined, it is necessary that an exact positioning of the substrates takes place relative to the scanner unit. To ensure this high positioning accuracy in the laser doping system, a positioning device known from the prior art can either be integrated in the laser doping module, or the positioning device can be arranged in the transport direction in front of the laser doping module, in which case a transport system with exact substrate position transmission must be used.
Desweiteren kann in einer günstigen Weiterbildung eine Kontrolleinrichtung für die erfolgte Dotierung vorgesehen sein. Diese Kontrolleinrichtung kann eine aus dem Stand der Technik bekannte Messeinrichtung zur optischen oder elektrischen Oberflächencharakterisierung sein. Zur richtigen Zuordnung der Messwerte in ihrer Position ist wieder eine exakte Substratpositionsübertragung notwendig.Furthermore, in a favorable development, a control device can be provided for the doping that has taken place. This control device may be a known from the prior art measuring device for optical or electrical surface characterization. For the correct assignment of the measured values in their position, an exact substrate position transmission is necessary again.
Die gestellte Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zur Dotierung von Substraten gelöst, bei welchem wenigstens ein Dotierstoff in Kontakt mit der Substratoberfläche ist und eine lokale Erwärmung der Substratoberfläche durch einen Laserstrahl erfolgt. Dabei wird ein Faserlaser verwendet, welcher einen runden Strahlquerschnitt erzeugt und der mit einer Scannereinheit über die Substratoberfläche geführt wird.The stated object is further achieved by a method for doping substrates in which at least one dopant is in contact with the substrate surface and a local heating of the substrate surface by a laser beam takes place. In this case, a fiber laser is used which generates a round beam cross section and which is guided with a scanner unit over the substrate surface.
Eine Voraussetzung für die Realisierung des beschriebenen Verfahrens ist, dass die Lasertechnik in den letzten Jahren eine rasante Entwicklung durchlaufen hat, die unter anderem zu leistungsstarken und preisgünstigen Faserlasern geführt hat. Wesentliche Merkmale, die zu einer Realisierung eines technisch funktionierenden und wirtschaftlich sinnvollen Laserdotierverfahrens führen, sind der geringe Preis des Faserlasers, die gute Strahlqualität mit gaußförmiger Leistungsdichteverteilung im Strahlquerschnitt, ein runder Strahlquerschnitt und die hochentwickelten Scannereinheiten, welche das Abrastern der Substratoberfläche gestatten.A prerequisite for the realization of the method described is that the laser technology has undergone rapid development in recent years, which has led, inter alia, to high-performance and low-cost fiber lasers. Essential features that lead to a realization of a technically functioning and economically meaningful Laser doping process, the low price of the fiber laser, the good beam quality with Gaussian power density distribution in the beam cross section, a round beam cross section and the sophisticated scanner units, which allow the scanning of the substrate surface.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens strahlt der Faserlaser Licht mit einer Wellenlänge von 750 nm bis 3000 nm aus. In diesem Wellenlängenbereich ist Silizium für Licht geringer Leistung transparent. Bei hohen Leistungsdichten, wie sie in dem Strahl eines Faserlasers auftreten, wird die Substratoberfläche jedoch schnell erwärmt und es kommt zu einer Veränderung der optischen Eigenschaften. Dadurch wird die Eindringtiefe des Lichtes in das Silizium bis in die Größenordnung von 1 μm reduziert. Die genaue Eindringtiefe kann durch die Wahl von Prozessparametern sogar eingestellt werden.In an advantageous embodiment of the method according to the invention, the fiber laser emits light having a wavelength of 750 nm to 3000 nm. Silicon is transparent to low power light in this wavelength range. However, at high power densities, such as occur in the beam of a fiber laser, the substrate surface is heated rapidly and there is a change in optical properties. As a result, the penetration depth of the light into the silicon is reduced to the order of 1 μm. The exact penetration depth can even be adjusted by the choice of process parameters.
Das erfindungsgemäße Dotierverfahren mit Faserlaser ist jedoch nicht auf den nahen infraroten Spektralbereich beschränkt. In einer alternativen Variante der Erfindung können auch Faserlaser eingesetzt werden, die Licht mit einer Wellenlänge von 500 nm bis 600 nm ausstrahlen. Solche Verfahren kommen vor allem dann zum Einsatz, wenn eine geringe Eindringtiefe des Lasers in das Substrat oder eine geringe Dotiertiefe gewünscht ist.However, the fiber laser doping method of the present invention is not limited to the near infrared spectral range. In an alternative variant of the invention, it is also possible to use fiber lasers which emit light having a wavelength of 500 nm to 600 nm. Such methods are mainly used when a low penetration depth of the laser into the substrate or a low doping depth is desired.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Laserdotierverfahrens hat es sich als günstig erwiesen, kontinuierlich arbeitende Dauerstrichlaser oder gepulste Laser mit relativ fangen Pulslängen im Bereich von 80 ns bis 10 μs zu verwenden. Der Einsatz dieser langen Impulse bewirkt eine relativ lange Temperatureinwirkzeit auf die Substratoberfläche, die deshalb nicht oder nur gering aufgeschmolzen werden muss und deshalb nach der Dotierung keine Kristallschäden an der Substratoberfläche zu verzeichnen sind. Eine ausreichende Dotierstoffeinbringung wird trotz der für Laserdotierprozesse relativ niedrigen Temperatur durch die relativ lange Temperaturwirkungszeit erreicht.In carrying out the laser doping method according to the invention, it has proven to be advantageous to use continuously operating continuous wave lasers or pulsed lasers with relatively long pulse lengths in the range of 80 ns to 10 μs. The use of these long pulses causes a relatively long temperature reaction time on the substrate surface, which therefore does not have to be melted or only slightly melted and therefore no crystal damage to the substrate surface can be recorded after the doping. Sufficient dopant introduction is achieved despite the relatively low temperature for laser doping processes due to the relatively long temperature action time.
In einer günstigen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Pulsform des gepulsten Lasers so ausgebildet, dass sie in einem Zeit-Leistungs-Diagramm eine annähernd rechteckige Form mit wenigstens einer kurzen Anstiegszeit und Pulslängen im Bereich von 80 ns bis 10 μs und ohne nennenswerte Leistungsspitzen erscheint. Im Gegensatz zu anderen gepulsten Lasern, wo die verfügbare Leistung auf sehr kurze Leistungsspitzen konzentriert wird, ist es mit einem Faserlaser möglich, sehr lange Pulse mit gleichmäßiger Pulsleistung zu erzeugen. Diese langen Pulse ermöglichen eine schonende Substratbearbeitung, die selbst dann, wenn das Substrat aufgeschmolzen wird, zu geringen Kristallschäden und somit zu leistungsfähigen Solarzellprodukten führt. Zur schnellen Bearbeitung der Substrate ist es günstig, wenn die vordere Pulsflanke steil ist, das heißt, dass die Pulsleistung des Lasers schnell erreicht wird. Die abfallende Flanke kann hingegen flacher gestaltet werden, um die Temperatureinwirkzeit zu erhöhen und ein langsameres und stressärmeres Rekristallisieren zu ermöglichen.In a favorable embodiment of the method according to the invention, the pulse shape of the pulsed laser is designed so that it appears in a time-power diagram, an approximately rectangular shape with at least a short rise time and pulse lengths in the range of 80 ns to 10 microseconds and without significant power peaks. Unlike other pulsed lasers, where the available power is concentrated on very short power peaks, a fiber laser makes it possible to generate very long pulses with uniform pulse power. These long pulses enable gentle substrate processing, which, even when the substrate is melted, leads to low crystal damage and thus to efficient solar cell products. For rapid processing of the substrates, it is advantageous if the front pulse edge is steep, that is, that the pulse power of the laser is reached quickly. On the other hand, the falling flank can be made flatter to increase the temperature response time and to enable a slower and less stressful recrystallization.
In einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird so gearbeitet, dass die Substratoberfläche nur soweit erwärmt wird, dass ihr fester Aggregatzustand erhalten bleibt. Die erfindungsgemäße Laserdotierung erfolgt hierbei bei relativ niedriger Temperatur, das heißt unter der Schmelztemperatur des Substrates und im Gegenzug bei relativ langer Dotierzeit; dies ermöglicht eine sehr schonende Bearbeitung der Substrate. Durch die Vermeidung von Aufschmelzung und Rekristallisation werden mit der Rekristallisation verbundene Fehlermechanismen komplett vermieden. Für die Bearbeitung von Solarzellsubstraten, deren Oberfläche zur Erhöhung der Lichtempfindlichkeit strukturiert ist, ist es auch essentiell, dass Dotierverfahren verwendet werden, die die hergestellten Oberflächenstrukturen vollständig erhalten und nicht einschmelzen.In an advantageous variant of the method according to the invention, work is carried out so that the substrate surface is heated only to the extent that its solid state of aggregation is maintained. In this case, the laser doping according to the invention takes place at a relatively low temperature, that is to say below the melting temperature of the substrate and, in return, with a relatively long doping time; This allows a very gentle processing of the substrates. By avoiding melting and recrystallization, failure mechanisms associated with recrystallization are completely avoided. For the processing of solar cell substrates whose surface is structured to increase the photosensitivity, it is also essential that doping methods are used which completely preserve the surface structures produced and do not melt.
In einer günstigen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Verfahren zu einer ganzflächigen Dotierung von Substraten eingesetzt. Die schonende Substratbearbeitung mit dem Dauerstrichlaser oder dem mit langen Pulsen gepulsten Faserlaser gestattet sowohl technisch als auch ökonomisch die Dotierung großer Substratflächen wie zum Beispiel der optisch aktiven Bereiche auf Solarzellen.In a favorable embodiment of the method according to the invention, the method is used for a full-area doping of substrates. The gentle substrate processing with the continuous wave laser or the pulsed with long pulses fiber laser allows both technically and economically the doping of large substrate surfaces such as the optically active regions on solar cells.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nicht alle Bereiche der Substratoberfläche gleich bearbeitet, sondern definierte Substratbereiche werden stärker thermisch belastet und stärker dotiert. Ein wichtiger Verfahrensparameter zur Realisierung einer stärkeren Dotierung ist eine reduzierte Geschwindigkeit der Scannerbewegung. Alternativ oder unterstützend dazu können jedoch auch andere Parameter des Laserdotierverfahrens variiert werden.In an advantageous development of the method according to the invention not all areas of the substrate surface are processed the same, but defined substrate areas are more thermally stressed and more heavily doped. An important process parameter for realizing a stronger doping is a reduced speed of the scanner movement. Alternatively or as a support thereto, however, other parameters of the laser doping method can also be varied.
In einer möglichen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird so gearbeitet, dass die Substratoberfläche lokal aufgeschmolzen wird. Wenn die Oberflächenmorphologie der Substrate nicht erhalten werden muss, ist auch eine Laserdotierung mit Aufschmelzen und Rekristallisieren der Substratoberfläche möglich. Durch die höhere Temperatur und den flüssigen Aggregatzustand an der Oberfläche ist die Herstellung einer sehr hohen Dotierung möglich. Bei Verwendung sehr hoher Energiedichten, ist es auch möglich auf dem Substrat vorhandene Isolierschichten zu öffnen, bei Bedarf zu entfernen oder in die Substratschmelze einzudiffundieren. Die erfindungsgemäße Verfahrensvariante kann zum Beispiel bei Verwendung von Solarzellsubstraten mit bereits vorhandener Emitterdotierung und Antireflexionsbeschichtung dazu verwendet werden, die Antireflexionsbeschichtung in den Bereichen der späteren Kontaktierung zu öffnen und gleichzeitig eine Höherdotierung in diesen selektiven Emitterbereichen vorzunehmen. Da bei diesem Verfahren nur die für die Kontakte vorgesehenen Oberflächenbereiche elektrisch leitfähig sind, ist eine besonders einfache, selbstjustierende galvanische Abscheidung der Kontakte möglich.In a possible variant of the method according to the invention, work is carried out in such a way that the substrate surface is melted locally. If the surface morphology of the substrates need not be obtained, laser doping with reflow and recrystallization of the substrate surface is also possible. Due to the higher temperature and the liquid state of aggregation at the surface, the production of a very high doping is possible. When using very high energy densities, it is also possible to open on the substrate existing insulating layers, if necessary to remove or to diffuse into the substrate melt. For example, when using solar cell substrates with already existing emitter doping and antireflection coating, the method variant according to the invention can be used to open the antireflection coating in the regions of the subsequent contacting and at the same time to carry out high doping in these selective emitter regions. Since only the surface areas intended for the contacts are electrically conductive in this method, a particularly simple, self-aligned galvanic deposition of the contacts is possible.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Bearbeitungsgeschwindigkeit dadurch erhöht, dass mehrere Laser gleichzeitig verschiedene räumliche Bereiche der Substratoberfläche bestrahlen und durch die parallele Bearbeitung eine Vervielfachung der Bearbeitungsgeschwindigkeit erreicht wird.In a further embodiment of the method according to the invention, the processing speed is increased by several lasers simultaneously irradiating different spatial regions of the substrate surface and multiplying the processing speed by the parallel processing.
In einer speziellen Variante des erfindungsgemäßen Laserdotierverfahrens wird der Laserstrahl durch einen Strahlteiler in Laserteilstrahlen zerlegt. Ein solches Verfahren ist vor allem dann interessant, wenn nicht das gesamte Substrat bearbeitet werden soll, sondern nur lokale Gebiete. Beispielsweise kann ein solches Verfahren angewendet werden, wenn auf einem Solarzellensubstrat 50 bis 400 Fingerstrukturen eines selektiven Emitters geschrieben werden sollen. In dem Dotierverfahren kann der Laserstrahl durch ein diffraktives Element zur holografischen Strahlteilung in 50 bis 400 Laserteilstrahlen aufgeteilt werden, welche dann 50 bis 400 Fingerlinien des selektiven Emitters gleichzeitig schreiben können.In a special variant of the laser doping method according to the invention, the laser beam is split by a beam splitter into laser partial beams. Such a method is especially interesting if not the entire substrate is to be processed, but only local areas. For example, such a method may be used when 50 to 400 finger structures of a selective emitter are to be written on a solar cell substrate. In the doping process, the laser beam may be split by a holographic beam splitting diffractive element into 50 to 400 laser sub-beams, which may then simultaneously write 50 to 400 finger lines of the selective emitter.
In einem günstigen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens bewegt die Scannereinheit den Laserstrahl in wenigstens einer Raumrichtung über wenigstens zwei Substrate. Beim Einsatz des erfindungsgemäßen Laserdotierverfahrens liegt häufig der Fall vor, dass mehrere Substrate in einer Reihe in der Scannrichtung eines Lasers angeordnet sind. Dadurch dass der Laserstrahl gleich über mehrere Substrate bewegt wird, gestaltet sich das Verfahren besonders einfach. Je nach Ausführung der Anlage kann die Laserstrahlbewegung über mehrere Substrate in eine oder in zwei Raumrichtungen erfolgen.In a favorable embodiment of the method according to the invention, the scanner unit moves the laser beam in at least one spatial direction over at least two substrates. When using the Laserdotierverfahrens invention is often the case that multiple substrates are arranged in a row in the scanning direction of a laser. The fact that the laser beam is moved directly over several substrates, the process is particularly simple. Depending on the design of the system, the laser beam movement can take place over several substrates in one or in two spatial directions.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert, wobeiThe present invention will be explained in more detail below with reference to figures, wherein
Die Laserdotieranlage weist wenigstens einen Faserlaser
Der konkret verwendete Faserlaser
In Abhängigkeit von der Laserweiterentwicklung und von neuen Substraten bzw. anderen Anwendungen als der Dotierung von Siliziumsolarzellenemittern können erfindungsgemäß jedoch auch andere Wellenlängenbereiche zwischen ultraviolettem Licht mit Wellenlängen von 150 nm und infrarotem Licht mit Wellenlängen von 11 μm eingesetzt werden.Depending on the laser development and of new substrates or applications other than the doping of silicon solar cell emitters, however, other wavelength ranges between ultraviolet light with wavelengths of 150 nm and infrared light with wavelengths of 11 μm can also be used according to the invention.
Für die Anwendung der Laserdotierung von Solarzellsubstraten hat es sich als günstig erwiesen, das thermische Budget in das Substrat
Der Laserstrahl
Eine Scannereinheit
In der Darstellung in
Die Ansteuerung der Scannerkomponenten
Die Substratoberfläche
Zur Verarbeitung von flüssigen Dotanten kann eine Verdünnung mit einem organischen oder anorganischen Lösungsmittel günstig sein, besonders häufig wird als Lösungsmittel Wasser eingesetzt. Bei Verwendung von Phosphorsäure werden beispielsweise Konzentrationen zwischen 0,001% und 85% verwendet. Besonders bei der Verwendung von gasförmigen Precursoren kommen auch inerte oder aktive Verdünnungs- oder Spülgase, wie beispielsweise Edelgase, Stickstoff, Wasserstoff oder Sauerstoff, zum Einsatz. Je nach verwendetem Dotierstoff kann es günstig sein, den Dotierstoff oder das Substrat
In
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform, die jedoch nicht dargestellt ist, weist die Multi-Beam-Anordnung einen Faserlaser
Ein selektiver Emitter besteht aus höher dotierten Gebieten der Substratoberfläche
Die Herstellung einer selektiven Emitterstruktur kann erfindungsgemäß in einer allgemeinen Dotieranlage, welche sowohl die Ausbildung einer flächigen Grunddotierung als auch einer lokalen selektiven Emitterdotierung vornimmt, erfolgen. Es können aber auch spezialisierte Anlagen gebaut werden, die entweder nur für die Ausbildung von flächigen Grunddotierungen oder nur für die Ausbildung von lokalen bzw. selektiven Dotierungen spezialisiert sind. Eine spezielle Anlage zur Herstellung einer selektiven Emitterstruktur könnte auch mit einem herkömmlichen Ofendotierprozess kombiniert werden. In diesem Falle könnte als Dotierstoffquelle auch eine hochdotierte Oberflächenschicht, wie beispielsweise der sogenannte „dead layer”, verwendet werden, welcher nach einer Ofendotierung als unerwünschte Schicht vorhanden ist.According to the invention, the production of a selective emitter structure can be carried out in a general doping system, which performs both the formation of a planar basic doping and a local selective emitter doping. However, it is also possible to construct specialized plants which are specialized either only for the formation of planar basic doping or only for the formation of local or selective doping. A special plant for producing a selective emitter structure could also be combined with a conventional furnace doping process. In this case, as a dopant source, a highly doped surface layer, such as the so-called "dead layer" may be used, which is present as an unwanted layer after a furnace doping.
Die selektiven Emitterstrukturen, die mit dem erfindungsgemäßen Laserdotierverfahren hergestellt wurden, zeichnen sich durch besonders günstige Eigenschaften aus. Die mit dem erfindungsgemäßen Laserdotierverfahren herstellbare höhere Dotiertiefe wurde bereits genannt. Eine weitere positive Kenngröße, die sich aus einem tiefen und homogen dotierten Emitter ergibt, ist eine bessere Barrierewirkung gegen die Diffusion von Kontaktmaterialien, wie z. B. Kupfer in das Substratmaterial. Eine weitere hervorzuhebende Eigenschaft der im erfindungsgemäßen Laserdotierverfahren hergestellten selektiven Emitterstruktur ist die scharfe laterale Abgrenzung der höher dotierten Gebiete gegenüber benachbarten Gebieten. Zudem erfahren benachbarte Gebiete durch die selektive Emitterdotierung keine Schädigungen. Mit dem erfindungsgemäßen Laserdotierverfahren können hohe Dotierstoffkonzentrationen von mehr als 1020 at/cm3 im Oberflächenbereich und niedrige Schichtwiderstände von < 20 Ω/sq. realisiert werden.The selective emitter structures which have been produced by the laser doping method according to the invention are distinguished by particularly favorable properties. The higher doping depth producible with the laser doping method according to the invention has already been mentioned. Another positive characteristic, which results from a deep and homogeneously doped emitter, is a better barrier effect against the diffusion of contact materials, such. For example, copper in the substrate material. A further feature to be emphasized of the selective emitter structure produced in the laser doping method according to the invention is the sharp lateral delineation of the more highly doped regions in relation to adjacent regions. In addition, neighboring areas are not damaged by selective emitter doping. With the laser doping method according to the invention, high dopant concentrations of more than 10 20 at / cm 3 in the surface region and low film resistances of <20 Ω / sq. will be realized.
In einem nächsten Verfahrensschritt G erfolgt die Laserdotierung der Substrate
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Legal Events
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Owner name: INNOLAS SOLUTIONS GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: ROTH & RAU AG, 09337 HOHENSTEIN-ERNSTTHAL, DE Effective date: 20120620 |
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Representative=s name: PFENNING MEINIG & PARTNER GBR, DE Effective date: 20120620 Representative=s name: PFENNING MEINIG & PARTNER GBR, DE Effective date: 20111214 Representative=s name: PFENNING, MEINIG & PARTNER MBB PATENTANWAELTE, DE Effective date: 20111214 Representative=s name: PFENNING, MEINIG & PARTNER MBB PATENTANWAELTE, DE Effective date: 20120620 |
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Representative=s name: PFENNING MEINIG & PARTNER GBR, DE |
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Owner name: INNOLAS SOLUTIONS GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: INNOLAS SYSTEMS GMBH, 82152 KRAILLING, DE Effective date: 20140319 |
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