Schädigungsanalyse der Laserdiffusion

In den letzten beiden Kapiteln wurden die mit der Laserdiffusion erzielbaren Schichtwiderstände und Dotierprofile untersucht. Obwohl das Emitterprofil durch diese beiden Punkte bereits sehr gut beschreibbar ist, fehlt für den Einsatz der Laserdotierung in der Herstellung von Solarzellen ein weiterer wichtiger Punkt, die Schädigung der Kristallstruktur durch die Schmelz- und Wiedererstarrungsvorgänge. Es ist möglich, dass dadurch ausreichend Schädigung in Form von Versetzungen oder Fehlstellen generiert werden, um eine Degradation der Solarzelle über den Toleranzbereich hinaus hervorzurufen.

Die hierfür verwendeten Lebensdauerstrukturen auf 1 Ω cm p-Typ FZ Silizium wurden innerhalb 20 × 20 mm² großen Feldern mit unterschiedlichen Laserparametern des Rofin 100 D bestrahlt. Nach einer anschließenden HNF-Reinigung³⁹ wurde ein Teil der Proben bei 800 °C für 30 min unter Stickstoffatmosphäre getempert. Damit soll eine Prozessfolge simuliert werden, nach welcher die Laserdotierung vor der Erzeugung des Emitters in der Fläche für die Herstellung von selektiven Emittern durchgeführt wird.

Idealerweise kann dabei während dieses Hochtemperaturschritts die Emitterformation verbessert und etwaige Laserschädigung ausgeheilt werden. Nach einer weiteren HNF-Reinigung der getemperten Exemplare wurden alle Proben beidseitig mit einem hochbrechenden (n ≈ 2.8), sehr gut passivierenden Siliziumnitrid beschichtet und mit Hilfe der MW-PCD vermessen. Hierbei wird der Wafer mit einer Auflösung von 0.5 mm abgerastert und an jedem Messpunkt individuell die effektive Lebensdauer τeff ermittelt.

Eine beispielhafte Messung ist in Abbildung 7-15 links zu sehen. Die sechs mit unterschiedlichen Laserparametern des Rofin 100 D bearbeiteten Felder sind gut zu

39 Reinigungssequenz aus 10 min in 69 prozentiger Salpetersäure (HNO3) bei 110 °C, danach für 1 min in einprozentiger Flusssäure (HF) bei Raumtemperatur. Nicht aufgeführt sind die notwendigen Spülschritte.

erkennen. Alle Felder wurden mit einem konstanten Pitch von 40 µm in die eine und 13 µm in die andere Richtung bearbeitet. Zur Veranschaulichung ist in Abbildung 7-15 rechts eine Skizze mit der verwendeten Pulsenergiedichte dargestellt. Rechts unten ist dabei ein unbehandeltes Feld zu erkennen, welches als Referenz dient.

Referenz

9.4 8.4

7.4 5.7

4.9

6.6

Referenz

9.4 8.4

7.4 5.7

4.9

6.6

Abbildung 7-15: Graphische Darstellung des Messergebnisses der MW-PCD an einer laserdotierten Probe (links) mit Skizze der Pulsenergiedichte in J/cm², welche für die einzelnen 20 × 20 mm² Felder verwendet wurde.

Die nach der Laserbearbeitung resultierende Lebensdauer kann nun durch Mittelung der gemessenen Werte innerhalb der einzelnen Felder bestimmt werden. Um Randeffekte zu vernachlässigen, wurde hierzu aus der Mitte jedes Feldes ein 10 × 10 mm² großes Gebiet zur Bestimmung des Mittelwerts und der Standardabweichung herangezogen. Die auf diesem Weg ermittelten Werte sind in Abbildung 7-16 zu sehen.

0 5 6 7 8 9

0 100 200 300

Hochtemperaturschritt

ohne mit

Pulsenergiedichte e_p [J/cm²]

Referenz

eff. Lebensdauer τ eff [µs]

Referenz

60 40 20 0

0 100 200 300

Referenz

Pulsabstand d_Pitch [µm]

eff. Lebensdauerτeff [µs]

Abbildung 7-16: Aus der MW-PCD Messung extrahierte effektive Lebensdauerwerte für eine Variation der Pulsenergiedichte (links) bzw. des Pitchs bei einer konstanten Pulsenergiedichte eP = 6 J/cm² ohne Hochtemperaturschritt (rechts).

Folgende Erkenntnisse können aus den Messkurven in Abbildung 7-16 gewonnen werden:

− Das nicht bearbeitete Feld weist mit 260 µs die höchste Lebensdauer auf und kann darum gut als Referenz verwendet werden.

− Durch den Laserbeschuss findet eine Schädigung der Oberfläche statt, die sich in einer Reduzierung der effektiven Lebensdauer niederschlägt. Dies ist auch der Fall für Laserparameter, welche die Oberfläche lediglich leicht aufschmelzen.

− Im Bereich der Pulsenergiedichten von ca. 5 - 8 J/cm² liegen die Messwerte der laserdotierten Felder auf einem in Richtung höhere Pulsenergiedichten leicht abfallenden Plateau mit Werten von 90 - 150 µs. Am Lichtmikroskop kann hier festgestellt werden, dass die Oberflächen lediglich aufgeschmolzen, aber noch nicht ablatiert worden sind (vgl. Abbildung 7-8).

− Durch eine weitere Erhöhung der Pulsenergiedichte auf Werte > 8 J/cm² sinkt die effektive Lebensdauer auf Werte knapp über 0 µs. Hier kann davon ausgegangen werden, dass durch die einsetzende Ablation des Siliziums die Oberfläche deutlich geschädigt worden ist. Dies wird bereits durch das Farbspektrum der Felder in Abbildung 7-15 links angedeutet und war durch die Mikroskopaufnahmen in Abbildung 7-8 auch so zu erwarten.

− Ein an einem parallel prozessierten Wafer nach der Laserdotierung durchgeführter Hochtemperaturschritt, wie er zur Erzeugung eines flächigen Emitters nach der Laserdiffusion verwendet werden würde, trägt nicht zur Verbesserung der effektiven Lebensdauern bei. Vielmehr liegen die gemessenen Werte nach dem Prozess deutlich unter den Ausgangswerten. Hierfür sind zwei Erklärungsansätze möglich. Es könnte sein, dass die laserinduzierte Schädigung durch den Hochtemperaturschritt nicht ausgeheilt, sondern tiefer in das Material eingetrieben wird. Die wahrscheinlichere Ursache ist die Eindiffusion von Fremdstoffen und Verunreinigungen in das Silizium während des Hochtemperaturschritts. Obwohl die Proben davor gereinigt wurden und ein Inline-Diffusionsofen für diesen Hochtemperaturschritt verwendet wurde, sind die Oberflächen nicht, wie sonst bei einer Diffusion üblich, durch eine PSG-Schicht vor der Umgebungsatmosphäre geschützt. Dies wäre auch bei der Erzeugung selektiver Emitter der Fall, hätte aber bei der Untersuchung die Messergebnisse verfälscht.

− Der Einfluss der Anzahl der Aufschmelzzyklen auf die gemessene effektive Lebensdauer ist weit weniger signifikant als die Pulsenergiedichte. Bei dem in Abbildung 7-16 rechts verwendeten Wert von 6 J/cm² wurde der Pitch senkrecht zur Verfahrrichtung konstant bei 40 µm belassen, während die Messwerte gegen den Pitch in Richtung der am Stück gelaserten Linien aufgetragen sind. Bei einem angenommenen Durchmesser der aufgeschmolzenen Zone von 40 µm liegt das Niveau selbst bei zehnfacher Aufschmelzung noch über 150 µs und damit lediglich weniger als 20 % unter dem Wert für einen einzelnen Diffusionsvorgang.

Anschließend bleibt festzuhalten, dass die Reduzierung der Lebensdauer bei Auswahl von geeigneten Laserparametern wahrscheinlich noch in einem akzeptablen Rahmen zur erfolgreichen Herstellung von Solarzellen liegt. Weiterhin ist über die zur Verfügung stehenden Parameter Wellenlänge, Pulslänge, Pulsenergiedichte und Aufschmelzzyklen eine flexible Anpassung und somit die Erzeugung des gewünschten Dotierprofils möglich.

Problematisch bei den hier gewonnenen Erkenntnissen auf Basis der MW-PCD Messungen ist allerdings, dass die Messmethode aufgrund des verwendeten optischen Verfahrens abhängig von der Oberflächenbeschaffenheit der Probe ist. Dies könnte zur Folge haben, dass die durch die Laserdiffusion hervorgerufene Oberflächenänderung ebenfalls einen Einfluss auf die Messergebnisse hat, die erzielten Lebensdauern also sogar unterschätzt und darum eventuell geringfügig besser sind als angegeben.