DE102011056404A1

DE102011056404A1 - Method for determining the quality of a silicon wafer

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 Foerderung 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.The invention relates to a method for determining the quality of a silicon wafer to be processed for producing a semiconductor component with a monocrystalline portion in some regions. In order to enable a prediction of the expected performance of the semiconductor component, it is proposed that in the quality determination area-wise proportion of the monocrystalline region is taken into account.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Qualitätsermittlung eines zur Herstellung eines Halbleiterbauelements zu prozessierenden Siliciumwafers mit bereichsweise monokristallinem Anteil. The invention relates to a method for determining the quality of a silicon wafer to be processed for producing a semiconductor component with a monocrystalline portion in some regions.

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. The mass production of solar cells takes place on production lines where an untreated silicon wafer is applied at the beginning. On the way to the solar cell, various operations are carried out in which both sides of the wafer, i. H. the later solar cell, structured differently and processed.

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. For reasons of cost optimization, it makes sense to either fail to deliver as defective or inferior recognized wafer or to recognize and sort out before the beginning of cell production or to supply an adapted further processing.

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.

In the case of silicon crystallized by directional blockage solidification (eg, Vertical Gradient Freeze VGF) or related crystallization processes, the achievable efficiency of solar cell processed wafers from this material is very much dependent on two widely independent wafer material properties, namely

- the content of recombination-active impurities or lattice defects,
- of electrical resistance.

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. Defects or lattice defects are usually distributed very inhomogeneously over the wafer. The electrical resistance is generally homogeneous across the wafer, but may vary in size from wafer to wafer.

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. Routine inline measurement on 100% of the wafers has been done only for resistance. However, its influence on the achievable resistance, as long as it is within a certain range of about 1 Ωcm to 3 Ωcm subordinated. The carrier lifetime may only be recorded 100% inline along individual tracks. However, because of the very inhomogeneous distribution over the wafer, this material property must be determined over the whole area in order to provide information about the wafer quality.

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. Methods and devices are known with which the charge carrier lifetime or dependent on this measurement variables such as intensity of the band-band luminescence can be measured over the entire surface and inline. In that regard, is exemplary of the DE-A-10 2008 052 223 or the WO 2007/128060 to refer.

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. The recombination-active impurities in silicon are of very different nature. They may be foreign atoms (eg interstitially incorporated iron), complexes of foreign atoms or of foreign atoms with doping atoms (eg Fe-B or BO), grain boundaries decorated by foreign atoms or dislocations (eg O-agglomerates at grain boundaries and dislocation walls), or even lattice defects themselves (dislocations, small-angle grain boundaries, grain boundaries, or foreign deposits in the lattice, or ingrown foreign particles). The detection of such areas on a wafer in the context of a full-area wafer inspection therefore typically does not take place individually, but local differences in the resulting charge carrier lifetime over the area of the wafer are detected without distinguishing between the causes.

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. As mentioned, the potential efficiency η depends on solar cells made of silicon wafers and the like. a. essentially from the presence or distribution of lattice defects, which can reduce the life of the minority carriers more or less. Although it is possible to passivate such defects to a certain extent by means of adapted process steps. However, there are defects that can only passivate passively or poorly. Especially in these cases, it would be desirable to be able to detect such wafers in advance.

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 lattice perturbations in parts of a wafer may cause dislocation clusters, i. H. Clusters of dislocation lines and small angle grain boundaries. This type of interference can occur with crystalline silicon wafers in all crystallization technologies. Often these are found in multicrystalline wafers, which are sawn from directionally solidified blocks, or blocks from the EMC (electromagnetic casting technology). Likewise, they are used in silicon wafers from film compression processes such as SR (String Ribbon), EFG (Edge-defined Film-fed Growth) and RGS (Ribbon Grown on Substrate). These methods have in common that a more or less high dislocation density occurs. But a massive lattice disorder can also in nominal single-crystalline, dislocation-free wafers from processes such. As the CZ- / Czochralski) or the FZ (floating zone) process occur if the desired per se in these methods dislocation-free growth was not met.

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. Massive lattice perturbations consist in the fact that basically existing inherently little disturbing dislocations are arranged locally to clusters of dislocation lines, dislocation walls and small-angle grain boundaries. In RYNINGEN et al .: "Dislocation clusters in multicrystaline silicon", Proc. 22nd Europ. Photovoltaic Solar Energy Conference, 3 to 7 September 2007, Milan, Italy, pages 1086 to 1090 , explains how relevant areas can be made visible by elaborate preparation of wafer areas. For this purpose, wafers are chemically mechanically polished and then etched. The close proximity of many such perturbations connecting the two wafer surfaces affects the entire wafer area. The distances of the perturbations from each other in these regions are less than or equal to the diffusion length of the charge carriers and therefore reduce the charge carrier lifetime locally very effectively. Massively disturbed areas of a wafer thus differ markedly from other wafer areas in that the displacements, which are generally more or less present and pass through the wafer, are no longer juxtaposed, but are arranged in dislocation walls and small-angle grain boundaries, which are also extensively extended and unaffected Create distinct clusters.

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 . These clusters with massive lattice disruption lead to a reduction in the achievable electrical parameters of a solar cell due to the greatly reduced charge carrier lifetime in the cluster area. This applies in particular to the no-load voltage, the short-circuit current, and thus also the efficiency of the solar cell. This is in the literature JULSRUD et al: "Directionally solidified multicrystalline silicon: industrial perspectives, objectives, challenges", Proc. 3rd International Workshop on Crystalline Silicon Solar Cells, Trondheim, 2009, pages 1 to 4 explained. For this purpose, the areas of massive lattice disruption are made visible through targeted elaborate etching techniques. The same areas show a greatly reduced charge carrier lifetime in lifetime mappings. The same is true 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, pages 1 to 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. The reduction of the no-load voltage, the short-circuit current or the efficiency depends to a first approximation linearly on how large the surface portion of such areas or clusters on a solar cell or on a wafer.

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. However, the defects at the beginning of a cell production line are not readily apparent to the wafers, so that incoming inspection of the untreated wafers is possible only with elaborate, indirect methods.

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. Here, methods are used in which the distribution of the carrier lifetime can be detected, such. As micro-PCD or photoluminescence. Corresponding processes are complex, not always inline-capable, since the entire wafer must be characterized and assessed in a matter of seconds, and above all indirectly; because the charge carrier lifetime of large areas of a wafer can also be significantly reduced by other effects. However, these may be unproblematic because they are easier to passivate. By way of example, locally increased metal contaminations are to be indicated, which are not readily separable from areas of massive lattice defects by life-time mappings on the wafer. This will be in HAUNSCHILD et al .: "Comparing luminescence 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, pages 857-862 , taking into account the possibility of inline screening of solar cells by electroluminescence or photoluminescence measurements.

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. Methods for measuring the luminescence radiation of a semiconductor structure by measuring photoluminescence or luminescence radiation are furthermore disclosed in US Pat DE-A-10 2008 044 883 , of the DE-A-10 2005 040 010 or the WO 2009/121133 described. However, it is mentioned that with appropriate photoluminescence or luminescence measurements it is not possible to clearly draw conclusions about the presence of structurally disordered regions.

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. Efficiency losses also occur due to impurities being diffused in the peripheral areas of the wafer due to the fact that the raw material, such as block, from which the wafers are cut, has taken up impurities from the crucible from which the wafer is drawn. This also leads to a reduced charge carrier lifetime.

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. The electrical resistance is determined by the content of doping atoms. In the case of silicon for photovoltaics, this is typically predominantly boron or gallium (for p-type Si), or phosphorus (for n-type Si). In the case of donors and acceptors of similar magnitude, compensation or partial compensation occurs. The decisive factor for the solar cell is the resistance resulting from the net concentration.

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.

It is generally known that conclusions can be drawn on the efficiency to be achieved or, more generally, on the characteristic curve of a solar cell produced therefrom from a full-area detection and measurement of the areas of reduced service life on a multicrystalline wafer. Details are z. B. at Haunschild et al. [1] . Nagel et al. [2] . Macmillan et al. [3] or Birkmann et al. [4] described. The relevant publications deal with multicrystalline Silicon wafers which are processed into solar cells with so-called isotexture, ie

- There are many, relatively small grains or crystallites of different orientation
- The texture of the surface (to increase the absorption) is carried out by etching the uniform sawing damage, largely independent of the grain orientation (hence "isotropic" texture, so Isotextur). The etching can be carried out with known etching media such as nitric acid or hydrofluoric acid.

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. In the case of the application of a so-called alkaline texture, wherein z. B. KOH is used as the etching medium, but this is different. In this case, a <100> or near <100> oriented surface is textured such that many uniform pyramidal depressions are etched into the surface, this time independent of the (previously ideally etched) sawing damage. In the case of deviating orientations, this texture is by far not so good or, in extreme cases, the <111> orientation almost non-existent. This type of texturing is therefore typically used when the complete wafer, or at least large parts thereof, have <100> orientation. This is the case for monocrystalline wafers from the Czochralski or the FloatZone process. For so-called "mono-cells", the alkaline texture of wafers is now state-of-the-art.

<100>-Orientierung bedeutet, dass die <100>-Richtung des monokristallinen im Idealfall parallel zur Oberflächennormalen des Wafers verläuft. <100> orientation means that the <100> direction of the monocrystalline is ideally parallel to the surface normal of the wafer.

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. However, the alkaline texture is also ideal for wafers from a modified VGF process (or modified related processes) for directional solidification of large Si blocks, with one or more, e.g. B. <100> -oriented microorganisms and be carefully melted at the beginning of the crystallization from above. In the subsequent directional crystallization, the growing area assumes the orientation of the seed. Such methods are for. B. in the WO-A-2007/084934 described, or in the EP-A-2 028 292 , One speaks of quasi-monocrystalline wafers, of monocast, casted mono, or quasi single crystalline and the like. The specification of such wafers is typically supplemented by the specification of the <100> proportion of the wafers in comparison to conventional multicrystalline wafers, and is also referred to as the monocrystalline fraction. Quasi-monocrystalline wafers consequently have at least one region which is monocrystalline, the orientation of the monocrystalline regions being <100>, ie in the ideal case <100> direction running along or parallel to the surface normal of the wafer.

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. Such wafers can and will also be processed by isotope to solar cells and are then externally (since the grains are barely visible) of conventional cells based on multicrystalline wafers hardly distinguishable.

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. The present invention is based on the object of providing a method for determining the quality of a silicon wafer to be processed for producing a semiconductor component, in particular a solar cell, in order in particular to enable a prediction of the expected performance of the semiconductor component, that is to say in particular a solar cell.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß im Wesentlichen dadurch gelöst, dass bei der Qualitätsermittlung flächenmäßig der monokristalline Anteil im Vergleich zur Gesamtfläche des Wafers berücksichtigt wird. In accordance with the invention, the object is essentially achieved by taking into account, in terms of surface area, the monocrystalline fraction in comparison to the total area of the wafer.

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. According to the invention, for. Example, determined by means of image processing, the area ratio of the monocrystalline region and set the behavior of the total area of the wafer. From the area ratio then yields a statement about the quality of the wafer and thus the expected performance of the semiconductor device. Area-wise proportion means the proportion of the area of the wafer, the optically z. B. with a camera such as CCD camera is detected.

Werden mehrere monokristalline Bereiche ermittelt, so wird bezüglich der Qualitätsermittlung der Bereich größter flächiger Erstreckung berücksichtigt. If several monocrystalline regions are determined, then the area of maximum areal extent is considered with regard to the quality determination.

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. Irrespective of this, the contiguous monocrystalline region considered for determining the quality should extend in terms of area at least over 15%, preferably at least over 30%, of the total area of the wafer. In the case of isotextured cells, the monocrystalline region should amount to at least 15% and, in the case of alkaline-textured cells, the coherent planar extension should be at least approximately 30% of the total surface area.

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. In particular, it is provided that, in addition to the areal proportion of the monocrystalline surface area due to dislocation clusters, reduced charge carrier lifetime is taken into account. In particular, due to diffused impurities in the edge region of the wafer, reduced charge carrier lifetime is taken into account. It is provided in particular that the areas of reduced charge carrier lifetime are determined by means of microwave detection methods. Other known from the prior art method for determining the Of course, reduced carrier lifetime can likewise be used.

Zusätzlich kann des Weiteren die bevorzugte wie <100>-Orientierung des monokristallinen Bereichs in Bezug auf die Oberflächennormale des Wafers bei der Qualitätsermittlung berücksichtigt werden. In addition, the preferred as well as <100> orientation of the monocrystalline region with respect to the surface normal of the wafer may be considered in the quality determination.

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. In particular, the invention provides that, taking into account the dislocation cluster portion, edge portion and monocrystalline portion of the wafer surface, efficiency reduction Δη of the wafer processed into a solar cell is calculated according to the formula Δη = C _V × cluster portion + C _R × edge portion + C ₁₀₀ × (100% - <100> portion of monocrystalline region, wherein the respective proportion is percent of the measured surface of the wafer,
with 0.01 ≦ C _V , C _R ≦ 0.01, in particular 0.02 ≦ C _V , C _R , C ₁₀₀ ≦ 0.07 and
in an isotextured wafer with 0.001 ≤ C ₁₀₀ ≤ 0.01, in particular between 0.002 and 0.005, and
for an alkaline texture wafer having 0.005 ≦ C ₁₀₀ ≦ 0.02, preferably between 0.008 and 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. The invention is also characterized in that, when determining the efficiency reduction Δη, the dislocation cluster component within and outside the monocrystalline region and / or edge component is weighted differently within and outside the monocrystalline region.

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. In accordance with the invention, a quality control and at the same time a prediction of an achievable solar cell efficiency of wafers is possible, wherein in the quality control a whole-area detection of areas of reduced charge carrier lifetime takes place on the raw wafer, namely non-destructively. It is also possible to carry out the procedures such that they are inline-capable.

Hierfür kann eine Messung der Ladungsträgerlebensdauer dienen, aber auch eine Messung von davon abhängigen Eigenschaften, aber auch eine Bestimmung des Gehalts an lebensdauerbestimmenden Effekten. For this purpose, a measurement of the charge carrier lifetime can serve, but also a measurement of properties dependent thereon, but also a determination of the content of life-time-determining effects.

Die nachfolgenden Erläuterungen der erfindungsgemäßen Lehre sind daher beispielhaft und nicht schutzeinschränkend zu verstehen. The following explanations of the teaching according to the invention are therefore to be understood by way of example and not by way of limitation.

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. With regard to the possible prediction of the performance, ie efficiency of the wafer, the invention relates to wafers processed to solar cells. The wafers are the previously described quasi-monowatters, which are also referred to as QMWs, and are produced in particular by means of the previously explained modified VGF process.

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. These are therefore wafers which are completely or partially <100> -oriented. In this QMW, considering the grain distribution, there is a more or less large, generally contiguous, uniform <100> -oriented region, and the remaining wafer region, which is characterized by a juxtaposition of many small, differently oriented grains.

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.) The QMW can be processed via the path of the "isotexture" to "multicell", or via the path of the "alkaline texture" to "mono cells". Since the crystallized material, the directionally solidified block, has undergone largely the same course of crystallization and the same temperature history in comparison with conventionally produced silicon (ie without germination on seed plates), in both materials fundamentally very similar types of defects are present (see above). , Quasi-monocrystalline VGF silicon, in terms of impurities, doping, dislocation density and other defect types, is very similar to the same compared to conventional VGF silicon, but is fundamentally different from "real" monocrystalline silicon from the Czochralski or float zone process (which, for example, is dislocation-free is, but rich in vacancy, higher in oxygen content, but lower in metal content, 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 It could therefore be assumed that a quality forecast for QMW based on lifetime mappings of raw wafers should be possible without major changes, at least in the case of processing into "multicells" (ie via the isotexture)

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. This is not true. A prediction, as described in the literature, does not lead to meaningful statements for QMW, not to multicells in the case of processing, and certainly not in the case of processing into single cells.

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. According to the invention, a correlation between "monocrystalline fraction" and preferably "regions of reduced lifetime" with the efficiency of the solar cell (mono and multi), by the <100> proportion is used as a new parameter per se. In addition, the influence of detected dislocation clusters in the <100> part can be weighted differently than in the non <100> oriented part. This applies in principle to the processing to mono- and multicells, but especially for mono cells.

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. In this context it should be pointed out again that under mono cells such which are based on quasi-mono-wafers, but are textured alkaline, as is common in monocrystalline wafers. Multicells are those in which the output wafer is also a quasi-mono wafer, but is then iso-textured, as is commonly done with multicrystalline cells.

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. For the determination of the areas of reduced lifetime are all imaging methods whose measurements can be correlated with the carrier lifetime, such. B. Photoluminescence measurements, such as those in the literature 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 .: "Lumenscence 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 , have been explained. Preference is given to inline-capable processes. Particularly noteworthy is the microwave detection or MDP (Micro Wave Detected Photoconductivity) method, as in the reference 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 , is described. Also, the secondary literature in the publication is to be considered insofar and applies in the present application as disclosed.

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. The MDP process is less well-resolved than the elaborate, high-resolution detection of areas of reduced carrier life-time means z. B. by photoluminescence. The less well dissolving MDP process has the advantage that it is fast and thus inline-capable and, taking into account the teachings of the invention, provides comparably well correlating results.

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. For the determination of the <100> proportion or the proportion of the largest grain, all imaging processes which make the grain structure visible are suitable. In particular, inline-capable methods are suitable. Both incident and IR transmitted light methods are suitable.

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. With respect to a detection of the <100> proportion (ie more generally, the area of a wafer which in its crystallographic orientation corresponds to the given germ), it is sufficient to use an already existing, widespread inline technique as an imaging method, namely the reflected light or (alternatively) IR transmitted light inspection of wafers. With both methods, the area of the largest grain (= the <100> proportion) can be reliably determined by means of suitable image processing.

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. If several larger monocrystalline regions are present, only the largest of these regions is recorded in terms of area and evaluated in order to make statements about the performance.

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. Further details, advantages and features of the invention will become apparent not only from the claims, the features to be taken from them - alone and / or in combination - but also from the following description of preferred embodiments, which are not to be considered as limiting.

Es zeigen: Show it:

1 eine QMW-Kornstruktur und Auswertung des größten Korns, 1 a QMW grain structure and evaluation of the largest grain,

2 Lebensdauermapping eines QMW, 2 Lifetime mapping of a QMW,

3 <100>-Anteil, Clusteranteil und Randanteil für Wafer, 3 <100> proportion, cluster proportion and edge fraction for wafers,

4 Prognose für den Wirkungsgradverlust an isotexturierten Wafern und 4 Forecast for the loss of efficiency of iso-textured wafers and

5 Wirkungsgradverlust ermittelt an Wafern, die eine alkalische Textur aufweisen. 5 Loss of efficiency determined on wafers having an alkaline texture.

Um den größten Korn- bzw. des Bereichs mit einem Keim vorgegebener Orientierung, also insbesondere des <100>-Bereichsinline zu erfassen, sind mehrere Möglichkeiten gegeben. In order to grasp the largest grain or the area with a seed of given orientation, ie in particular the <100> area inline, several possibilities are given.

Variante 1 (mit Hintergrundkorrektur) Variant 1 (with background correction)

1st step: An image of a homogeneous material is taken, with which the wafer image is scaled.
2nd step: Automatic thresholding of the grayscale of the wafer image.
3rd step: calculation of the contiguous areas and determination of the largest grain.
4th step: calculation of grain size to wafer size (area percentage in%)

Variante 2 (ohne Hintergrundkorrektur) Variant 2 (without background correction)

1st step: Determination of the grain boundaries by means of a gradient filter.
2nd step: deduction of the grain boundaries from the picture.
Step 3: Automatic gray level thresholdingAutomatic limit.
4th step: calculation of the contiguous areas and determination of the largest grain.
5th step: Calculation of grain size to wafer size (area percentage in%)

Auch eine Kombination beider Varianten ist möglich. A combination of both variants is possible.

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. In the 1 On the left you can see a raw wafer and on the right a picture evaluated in accordance with the possibilities outlined above. It should be noted that each constellation image is suitable as an output image.

Sodann sind die Bereiche verringerter Ladungsträgerlebensdauer und die Bestimmung des Flächenanteils von Versetzungsclustern und des Flächenanteils einer seitlichen Eindiffusion, den sogenannten Randbereichen, zu ermitteln. The areas of reduced charge carrier lifetime and the determination of the area fraction of dislocation clusters and the area fraction of a lateral diffusion, the so-called edge areas, are then to be determined.

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). 2 shows a typical QMW with mostly monocrystalline surface and (lesser) multicrystalline part, measured by MDP. The indiffusion zones (= areas of reduced lifetime due to diffused impurities) are visible on 1 side (left) and distributed over the wafer dislocation cluster (dislocation walls, small-angle grain boundaries, linear accumulations of dislocations).

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. By way of example, an average image can be calculated as follows:
The MDP lifetime image first calculates a matrix of moving averages (averaged image). The size of the filter window is preferably 11 × 11 "pixels", ie a total of 121 pixels are averaged, which are arranged in the square around a center pixel. If possible, the window width should be a free parameter (possibly limited to the top, so as not to jeopardize the cycle time). For the calculation of the average image on the edge, it is sufficient to use only values in the "inner" of the wafer for the calculation.

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. The area fraction of dislocation clusters can be determined by way of example as follows:
If the difference between the average image and the lifetime image exceeds a certain amount Δη, then the pixel is counted as a cluster. Δτ is typically about 0.22 μs, but should also be freely selectable. Clusters are determined only in the non-edge area of the wafer (next section). The comparison between the average image and the lifetime image should preferably omit an edge of 2 pixels wide in each case.

Abschließend kann der Clusteranteil beispielhaft nach folgender Formel berechnet werden. Clustergehalt = 100%· Anzahl_Schlechtpixel / Anzahl_Schlechtpixel + Anzahl_Gutpixel Finally, the cluster portion can be calculated by way of example according to the following formula. Cluster content = 100% · number_pixels / number_pixels + number_pixels

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. The determination of the margin can be carried out as follows:
The edge portion can be calculated from the mean value image using a relative criterion. For example, all pixels whose lifetime falls below a percentage (eg, 70%) of the mean lifetime at the center of the wafer can be counted as fringes.

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). Finally, a classification can be made whether it is a corner, edge or center wafer (2 edges, 1 edge, no edge, = wafer type 2, 1, or 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. In order to determine the efficiency reduction Δη by the correlation according to the invention between crystalline fraction such as <100> content, dislocation cluster fraction and edge fraction, the following approaches are possible. The efficiency reduction Δη refers to a theoretically achievable efficiency η in the case of processing a defect-free or extremely low-defect wafer.

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) According to the invention, Δη = function (cluster component, edge component, <100 component). After a first approach, the efficiency loss Δη, ie the discount from the theoretical efficiency η, can be determined as follows: Δη = C _V × cluster component + C _R × edge component + C ₁₀₀ × (100 - <100 component>) (Equation 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. The factors C _V and C _R are, to a first approximation, independent of the specific cell process. For the usual case of crystalline Si-p-type wafers and their processing into solar cells with a resistance range between 1 Ωcm and 3 Ωcm, the factors C _V and C _{R are} typically between 0.01 and 0.1, preferably between 0.02 and 0.07, assuming cluster%, margin, and <100> share in%.

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. With regard to the constant C _R , it should be stated that this could possibly be differentiated in that the corner and edge regions of the wafer are evaluated separately. It may also be considered, if necessary, that during the cell processing the marginal component is reduced by gettering impurities, so that a cell-process-dependent offset can be subtracted from the marginal component.

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. The factor C ₁₀₀ depends on the processing of the wafer, ie whether an isotexture or an alkaline texture is present. For an isotype, the constant C _{100 is} between 0.001 and 0.01, preferably between 0.002 and 0.005. In the case of alkaline texture processes, the value of C _{100 is} typically between 0.005 and 0.02, preferably between 0.008 and 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. When calculating the loss of efficiency according to equation (1), no further consideration is given as to where the <100> proportion lies on the wafer, ie. H. whether z. B. the dislocation cluster are particularly in the <100> share or outside, or if a diffusion edge (edge portion) is predominantly inside or outside of a <100> area. Only the respective area shares are evaluated.

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) If one wants to more precisely determine the efficiency loss Δη, ie the discount from the theoretically achievable efficiency η, the position information is taken into account in the evaluation. In this case, the following relationship can apply: Δη = CV ₁₀₀ × Cluster Share ₁₀₀ + CV_xvst × Cluster Share_Value + CR ₁₀₀ × Edge Component ₁₀₀ + CR_sonst × Edge Component_Value + C ₁₀₀ × (100 - <100 Component>) (Equation 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. In this case, a distinction is made between the factors for the offset cluster portion or edge portion, C _V and C _R , with respect to their position. CV ₁₀₀ and CR ₁₀₀ are the factors for the <100> parts of the QMW, while CV_sonst and CR_sonst are the factors for the non-<100> parts.

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. With regard to the constant C ₁₀₀ , it should be noted that, in the case of an isotextured cell, this is in the lower range of the numerical values given above and in the alkaline texture in the upper range of the previously indicated values.

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. In addition to the charge carrier lifetime (and the defects affecting it), there are also other wafer properties distributed inhomogeneously over the wafer, which (subordinate) influence the cell efficiency. Also for these cases it would be possible to make a prediction of the possible efficiency after detection of the area distribution of these wafer properties, if the corresponding correlations are known. This applies in particular to the following wafer properties: wafer thickness, surface roughness, cracks, eruptions, surface damage of all kinds, eg. As scratches, laser marks, surface contamination.

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). Furthermore, it is always possible to consider interactions of different properties (such as the differential effect of dislocation clusters in <100> -oriented and differently oriented domains).

3 sind die aus einem nach dem modifizierten VGF-Prozess hergestellten Block geschnittenen Wafer in Abhängigkeit von dem <100>-Anteil, Clusteranteil und Randanteil dargestellt. 3 For example, the wafers cut from a block made by the modified VGF process are shown as a function of <100>, cluster and edge.

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. 4 Then, for isotextured solar cells, the η-loss (Δη) is plotted, with the squares representing the actual measured values and the dots representing the predicted values.

Zur Berechnung der ∆η-Werte wurden zuvor empirisch die Konstanten C_V, Z_R und C₁₀₀ ermittelt, um sodann die Berechnung vornehmen zu können. To calculate the Δη values, the constants C _V , Z _R and C ₁₀₀ were previously determined empirically, in order then to be able to carry out the calculation.

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. Corresponding measurements and calculations were also made for alkaline-textured solar cells, such as the 5 clarified. Also in this case, the constants were previously determined empirically to then perform the calculations for wafers cut from a brick. As with the isotextured solar cells, a good agreement is found between calculated and measured values.

Zu der empirischen Ermittlung der Konstanten C_V, C_R, C₁₀₀ ist Folgendes auszuführen. For the empirical determination of the constants C _V , C _R , C ₁₀₀ , the following is to be carried out.

Der exakte Wert der 3 Konstanten hängt primär vom gewählten Messverfahren ab bzw. von den konkret gewählten Einstellungen. The exact value of the 3 constants depends primarily on the selected measuring method or on the specific settings selected.

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. C _V refers to the area fraction of dislocation clusters. These are not always sharply defined. For flat photographs, z. B. the photoluminescence or in areal scans of the lifetime using MDP, the decision on the assignment of a pixel or measuring point depends on a range of reduced life of set limits or thresholds. In addition, the different spatial resolution of different measuring methods can lead to more or less different results for one and the same wafer. Here, the individual measuring methods each have a very good reproducibility, the deviations between them are systematic.

Entsprechendes gilt für die Bestimmung des Randanteils C_R. The same applies to the determination of the edge portion 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. The same applies to the determination of the largest coherent grain. Here, the dependence of the result of the measurement method is based on the fact that different methods - depending on the lighting and the present contrast and also depending on the resolution - some grain boundaries do not recognize, or z. B. scratches or Interpret saw marks as grain boundaries, thus systematically determining either grains that are too large or too small. However, this is not critical for the application as systematic.

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. Once the procedures have been determined, the three area proportions are determined to determine the constants of a representative amount of wafers as different as possible. These wafers are processed, either into isotextured or alkaline textured solar cells. The efficiencies measured thereon are fitted with the formulas explained in the invention.

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. The number of wafers should be so large that the fluctuations in the cell process have as little influence as possible (a statistically significant amount). That can be about 10 to 100 wafers for a stable cell process. This amount of wafers should ideally contain wafers with more and less edge portion, cluster portion and <100> proportion. But even with a few single wafers, one obtains a correlation that can serve to determine the constants.

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. The constants thus obtained are then used for all other examined wafers, as long as nothing changes the measurement method. They refer to the forecast for cells with the cell process with which the correlation was made.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102008052223 A [0007]
WO 2007/128060 A [0007]
DE 102008044883 A [0016]
DE 102005040010 A [0016]
WO 2009/121133 A [0016]
WO 2007/084934 A [0022]
EP 2028292 A [0022]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

RYNINGEN et al .: "Dislocation clusters in multicrystaline silicon", Proc. 22nd Europ. Photovoltaic Solar Energy Conference, 3rd to 7th September 2007, Milan, Italy, pages 1086 to 1090 [0011]
JULSRUD et al: "Directionally solidified multicrystalline silicon: industrial perspectives, objectives, challenges", Proc. 3rd International Workshop on Crystalline Silicon Solar Cells, Trondheim, 2009, pages 1 to 4 [0012]
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, pages 1 to 5 [0012]
HAUNSCHILD et al .: "Comparing luminescence 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, pages 857-862 [0015]
Haunschild et al. [1] [0019]
Nagel et al. [2] [0019]
Macmillan et al. [3] [0019]
Birkmann et al. [4] [0019]
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 [0043]
NAGEL et al .: "Lumenscence imaging - a key metrology for crystalline silicon PV" Proc. NREL Workshop on Crystilline Silicon, Breckenridge, 2010 [0043]
McMILLIAN et al .: "In-line monitoring of electrical wafer quality using photoluminescence imaging", Proc. 25th Europ. Photovoltaic Solar Energy Conference, Valencia, 2010 [0043]
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 [0043]
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 [0043]

Claims

Method for determining the quality of a silicon wafer to be processed for producing a semiconductor component with a monocrystalline portion in certain regions, characterized in that areal proportion of the monocrystalline range is taken into account in the quality determination.

A method according to claim 1, characterized in that in addition to the areal proportion of the monocrystalline surface area due to dislocation cluster due reduced charge carrier lifetime is taken into account.

Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that, in addition to the areal proportion of the monocrystalline surface area due to diffused impurities in the edge region of the wafer, reduced charge carrier lifetime is taken into account.

Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the regions of reduced charge carrier lifetime are determined by means of microwave detection methods.

Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that orientation such as <100> orientation of the monocrystalline region with respect to surface normal of the wafer is taken into account in the quality determination.

Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that, taking into account the cluster portion, the edge portion and the monocrystalline region, an efficiency reduction Δη of the quasimono wafer to be processed to a solar cell is calculated according to the formula

Δη = C _V × cluster component + C _R × edge component + C ₁₀₀ × (100% <100> portion of monocrystalline region)

the respective proportion being the area of the wafer with 0.01 ≦ C _V , C _R ≦ 0.1, in particular 0.02 ≦ C _V , C _R ≦ 0.07, 0.001 ≦ C ₁₀₀ ≦ 0.01, preferably 0.002 ≤ C ≤ 0.005 ₁₀₀ at a wafer isotexturierten, 0.005 ≤ C ≤ 0.02 _100, in particular ≤ 0.008 0.015 ≤ ₁₀₀ C for a wafer having alkaline texture.

Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that, in determining the efficiency reduction Δη, the dislocation cluster component within and outside the monocrystalline region and / or edge component is weighted differently within and outside the monocrystalline region.

Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that, taking into account the cluster portion, the edge portion and the monocrystalline region, an efficiency reduction Δη of the quasimono wafer to be processed to a solar cell is determined according to the formula

Δη = CV ₁₀₀ × cluster share ₁₀₀ + CV_type × cluster share_type + CR ₁₀₀ × marginal rate ₁₀₀ + CR_txt × marginal rate_type + C ₁₀₀ × (100 - <100 fraction>),

wherein the respective proportion is percent of the area of the wafer, index "100" refers to cluster and edge portion in the monocrystalline <100> area and index "otherwise" to cluster and edge portion outside the monocrystalline <100> area.

Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the quality determination is carried out during the processing of the quasi-mono wafer to the semiconductor component, in particular to a solar cell as the semiconductor component.

Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that quasi-mono-wafers having a contiguous monocrystalline region which amounts to at least 15%, preferably 30%, of the total area of the wafer are taken into account in the quality determination.