Experimentelle Bestimmung der Diffusivität von Aluminiumpasten

Abbildung 70: Kontaktquerschnitt mit Taschen (orange) an den Rändern. Sie entstehen in Phase II,  wenn die Si‐Konzentration in den Randbereichen durch Diffusion verarmt und mehr Si gelöst wird. 

Ein  weiterer  Effekt  kann  in  realen  Pasten  auftreten,  der  die  Si‐Konzentration  von  den  Modellbedingungen  abweichen  lässt:  Die  Paste  enthält  bereits  eine  geringe,  vom  Hersteller  absichtlich beigemischte Menge an Si. Dies wird getan, um mehr Si bei der BSF‐Bildung zur Verfügung  zu stellen, wie von [157] vorgeschlagen. Damit fällt die Verteilungsfunktion bei großen Distanzen zum  Kontakt nicht auf null, sondern auf das Niveau des zugefügten Si‐Anteiles ab. 

3.7.3 Experimentelle Bestimmung der Diffusivität von Aluminiumpasten

Zur Bestimmung der Diffusivität D von Si in Al‐Pasten wurden Kontakttestproben aus Cz‐Wafern einer  Kantenlänge  von  125 mm  und  einer  Dicke von  180 µm  mit  einer  Basisdotierung  von  2 Ωcm  hergestellt. 80 nm SiN_x:H wurde im Direktplasma‐PECVD‐Verfahren auf die Wafer abgeschieden und  anschließend von einem Pikosekundenlaser mit 532 nm Wellenlänge strukturiert. Jeder Wafer erhielt  ein identisches Muster bestehend aus freistehenden Linien variabler Breite von 60 ‐ 150 µm und  Feldern mit 60 µm Linien und variablem Linienabstand von 200 ‐ 500 µm. Die Wafer wurden in drei 

Gruppen  eingeteilt,  welche  mit  drei  kommerziellen  Aluminiumpasten  von  unterschiedlichen  Herstellern bedruckt wurden. Jede Gruppe wurde in vier Untergruppen aufgeteilt, welche mit  derselben  Spitzentemperatur  von  840°C,  auf  dem  Wafer  gemessen,  bei  unterschiedlichen  Bandgeschwindigkeiten von 2, 4, 6 und 7 m/min durch den Ofen gefahren wurden. Damit wurden  vier Verweildauern in der Peakzone erreicht, nämlich 6, 3, 2 und 1,7 s. Die Wafertemperatur zu  halten erforderte eine Steigerung der Ofentemperatur bei höheren Bandgeschwindigkeiten. 

Die Si‐Ausbreitung in der Paste wurde mittels optischer Mikroskopie vermessen. Sie ist anhand der  dunkleren Färbung der Paste sichtbar, was durch die Lamellenbildung bei der Rekristallisation [55] 

herrührt. Die Grenze kann über die bekannte Festkörperlöslichkeit von Si in Al von 1,5% [57] als  Fixpunkt in der Ausbreitungsuntersuchung herangezogen werden. Danach wurden die Wafer entlang  der Kristallorientierung in 1 cm² große Elektronenmikroskop‐Proben gebrochen, um die gebildete  BSF‐Dicke  im  Querschnitt  zu  ermitteln.  Die  Siliziumverteilung  wurde  mittels  in  das  Elektronenmikroskop integrierte energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) bestimmt, welche  im folgenden Abschnitt erklärt wird. Die Längenskala σ und damit auch ein Wert für die Diffusivität D  bei 840°C kann nun auf zwei Arten bestimmt werden. Einerseits durch Anpassen der Parameter des  Modelles  an  die  Ausbreitungsweiten  bei  einer  Vielzahl  von  Kontaktbreiten  und  Feuerzeiten,  andererseits durch direktes Fitten der Verteilungsfunktion an die gemessene Si‐Verteilung in der  Paste.  Die  gemessene  Dicke  der  gebildeten  lokalen  BSF‐Schichten  kann  zur  Verifikation  der  angenommenen Si‐Konzentration über dem Kontakt in Phase III herangezogen werden. 

Energiedispersive Röntgenspektroskopie

Eine detaillierte Beschreibung der Messmethode befindet sich in [171]. Bei EDX wird mit einem mit  mindestens  5 kV  beschleunigten  Elektronenstrahl  der  Messbereich  abgerastert.  Die  hochenergetischen  Elektronen  lösen  Sekundärelektronen  in  der  K‐  und  L‐Schale  der  zu  untersuchenden  Atome  heraus.  Diese  werden  daraufhin  zur  Emission  charakteristischer  Röntgenstrahlung angeregt, wenn Elektronen aus den äußeren Schalen auf die freigewordene  Position  in  der  inneren  Schale  zurückfallen.  Nimmt  man  nun  das  Energiespektrum  der  Röntgenstrahlen auf, so beobachtet man neben der Bremsstrahlung scharfe Peaks bei bestimmten  Energien, die sich über die Energiedifferenz zweier Schalen einem Element zuordnen lassen. 

Abbildung 71: EDX‐Prinzip. Hochenergetische Elektronen schlagen Hüllenelektronen aus den  inneren Schalen, diese werden unter Emission charakteristischer Strahlung aus den äußeren  Schalen ersetzt. Das Energiespektrum gibt Aufschluss über die Spezies und Anzahl der Atome. 

Eicht man die Zählraten der einzelnen Peaks mittels stöchiometrisch genauer Proben, so lässt sich die  atomare Konzentration der beteiligten Elemente im Anregungsbereich, üblicherweise einige µm³  groß, bestimmen. 

In dieser Anwendung wurden für jeden Rasterpunkt die Zählrate für Aluminium und für Silizium  erfasst, über die Höhe der Paste integriert und dann das Elementverhältnis ermittelt, welches sich  dann in Massen‐% umrechnen lässt. Die Konzentrationen für drei beispielhafte Kontakte sind in  Abbildung 72 zusammen mit den REM‐Bildern des jeweiligen Kontaktquerschnittes aufgeführt. 

  Abbildung 72: Gemessene Siliziumkonzentration in der Nachbarschaft der Kontaktstellen.

Ergebnisse und Diskussion

Die Ergebnisse und die daraus ermittelten Werte für Diffusivität und Si‐Grundgehalt sind in folgender  Tabelle aufgeführt. Der Effekt der zusätzlichen Si‐Auflösung in Phase II ist durch Einführen einer  Weitenkorrektur  (w‐Korr.)  ebenfalls  berücksichtigt.  Das  zusätzliche  Silizium  verschiebt  die  Diffusionskurve weiter nach außen, das heißt, der Kontakt verhält sich während fortgeschrittenem  Feuerns so, als wäre er um einen entsprechenden Betrag breiter. Es wird beobachtet, dass dieser  Effekt  in  erster Näherung  linear mit der Feuerdauer ansteigt und damit die Annahme  einer  pastenabhängigen Si‐Lösegeschwindigkeit rechtfertigt. Der Si‐Basisgehalt ist ebenfalls angegeben,  soweit sich dieser im Rahmen der Genauigkeit der EDX‐Messung erfassen lässt. 

Aus den Daten lassen sich unterschiedliche Strategien zur Pastenoptimierung ablesen. Während  Paste A kaum zusätzliches Si aufweist, wurde eine hohe Diffusionsgeschwindigkeit und ein starkes  Vermögen, mehr Si aus den Kontaktstellen herauszulösen, festgestellt. Damit reichert sich die Paste  bis zu 300 µm weit von den Kontakten entfernt selbst mit Si an, was für Zelldesigns mit kleinem 

Kontaktpitch und hohem Metallisierungsanteil vorteilhaft ist. So können benachbarte Kontakte von  der Si‐Verteilung profitieren. Paste B dagegen zeichnet sich durch eine deutlich reduzierte Diffusivität  aus, sie beträgt nur ein Drittel von Paste A und ist geeignet, das gelöste Si im Bereich um die lokalen  Kontakte zu halten. Dies ist in Zelldesigns mit weiten Kontaktabständen hilfreich, da sich hier die  Kontakte gegenseitig nicht beeinflussen können. Das geringere Bestreben Si nachzulösen führt zu  einem flacheren Kontakt und weniger Void‐Bildung. Der Ursprung der geringeren Diffusivität ist dem  Autor unbekannt, da es sich um ein Betriebsgeheimnis der Pastenhersteller handelt. Man kann  jedoch argumentieren, dass kleinere Partikel mit weniger Verbindungen den Transport der Schmelze,  der hauptsächlich innerhalb der Oxidschalen stattfindet, begrenzt. Paste C weist Diffusivitäten und  Löseraten auf, welche zwischen A und B liegen, die Si‐Sättigung über den Kontakten verbessert sich  aber im Vergleich zu Paste A durch einen erhöhten Anteil von Si, das der Paste vor dem Prozess  zugefügt wurde.