Silizium SiN ARC
7.2 Laser Fired Contacts
7.2.2 Strukturelle Analyse eines LFC
Im Rahmen dieses Unterkapitels sollen diverse strukturelle Untersuchungen zum LFC vorgestellt werden und zum erweiterten Verständnis des Kontakts beitragen. Dazu werden folgende Eigenschaften genauer untersucht:
− Die erste und einfachste Möglichkeit zur Charakterisierung eines LFC ist eine visuelle Beurteilung aufgrund unterschiedlicher Kriterien wie Durchmesser, Tiefe und Kontaktform.
Diese Basisinformationen sind für viele weitere Charakterisierungsschritte notwendig, wie beispielsweise für die Berechnungen der kumulierten Kontaktfläche.
− Eine Aussage über den Einfluss des Laserbeschusses auf die Oberfläche und die Konsistenz der wiedererstarrten Schmelze kann durch eine Untersuchung der mikrokristallinen Feinstruktur im Kraterbereich des LFC erhalten werden. Die dort sichtbaren Störstellen sind darüber hinaus ein Maß für die eingebrachte Schädigung.
− In [89] wurden bereits eindeutige Beweise für die Existenz einer lokalen, laserinduzierten p+-Dotierung unter den LFC vorgestellt. Zusätzlich zu den teilweise empirischen Nachweismethoden wie beispielsweise der Herstellung von Solarzellen auf n–Typ Material kann die genaue Dotiertiefe mit Hilfe von SIMS–Messungen ermittelt werden.
Bestimmung der Kontaktgeometrie (Form, Tiefe, Durchmesser)
Aufgrund der kleinen Strukturgröße müssen für eine ausreichend informative Bestimmung Hilfsmittel wie Lupen oder Mikroskope verwendet werden. Die Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Visualisierungsmöglichkeiten liegen teilweise komplementär zueinander, wodurch sie individuell für den Einsatz bei verschiedenen Fragestellungen prädestiniert sind.
Während man mit einem Lichtmikroskop sehr schnell und einfach eine erste Beurteilung durchführen kann, weisen die Aufnahmen mit einem Raster–Elektronen–Mikroskop (REM) eine deutlich höhere Tiefenschärfe und Detailtreue auf. Zur Bestimmung der Kontakttiefe ist hingegen beispielsweise die konfokale Mikroskopie besonders geeignet. Ein kleiner Überblick über verschiedene Visualisierungsmöglichkeiten ist in Abbildung 7-27 gegeben.
Abbildung 7-27: Beispiele zur Bestimmung der Kontaktgeometrie eines LFC mit Hilfe von visualisierenden Verfahren. Links ist eine REM-Aufnahme zu sehen, rechts ein mit dem konfokalen Mikroskop aufgenommenes dreidimensionales Höhenprofil.
Für die beim Standardprozess auf einer Schichtkombination aus 105 nm SiO und 2 µm Al erzeugten LFC ist der Radius des Kraterrands rLFC = 50 - 70 µm und der des Kraterzentrums
rKrz = 25 - 35 µm. Die Tiefe beträgt ausgehend von der Oberfläche der Aluminiumschicht 3 - 5 µm, d.h. die Legierung mit Aluminium findet bis in eine Tiefe von 1 - 3 µm statt.
Passivierung in der Randzone des LFC
Simulationsrechnungen zur Bestimmung der Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit an LFC ermöglichen eine präzise Beschreibung der experimentellen Daten [148]. Dies ist allerdings nur dann der Fall, wenn für die Flächenberechnung der LFC lediglich das Kraterzentrum berücksichtigt wird und nicht der durch den Kraterrand definierte Bereich.
Damit muss die Passivierungsschicht unterhalb der Randzone noch intakt sein. Eine experimentelle Bestätigung dieses Sachverhalts ist mit Hilfe von EDX-Messungen40 möglich [149], welche im Rahmen von gemeinsamen Untersuchungen am Forschungzentrum Jülich durchgeführt wurden. Im vorliegenden Fall wurde diese Messmethode auf eine Solarzellenrückseite mit 105 nm SiO2, 2 µm Aluminium und Standard–LFC entlang eines Linienscans durch den LFC (gerade Linie in Abbildung 7-28) angewandt. Deutlich zu erkennen ist dabei eine erhöhte Sauerstoffkonzentration im Bereich der Randzone, während im Kraterzentrum der gleiche niedrige Wert wie außerhalb des LFC zu finden ist. Dies kann so gedeutet werden, dass durch die dicke Aluminiumschicht außerhalb des LFC keine Detektion von Sauerstoff mit EDX möglich ist.
Abbildung 7-28: EDX–Messung entlang eines Linienscans durch einen LFC, dargestellt durch die gerade Linie im REM–Bild im Hintergrund. Dargestellt sind die Messsignale für Sauerstoff (als Indikator für SiO2), Aluminium und Silizium.
Ein direkter Nachweis einer intakten Passivierungsschicht kann mit Hilfe von REM - Aufnahmen von der Bruchkante durch einen LFC erfolgen [149]. In Abbildung 7-29 ist links der komplette Randbereich eines LFC vergrößert dargestellt. Der Übergang vom dicken
40 Aus dem englischen „Energy Dispersive X-Ray“. Messmethode mit energiedispersiver Röntgenbeugung.
Metall im Außenbereich zu der dünnen Aluminiumschicht im Randbereich ist gut zu erkennen. Aufgrund der Duktilität des Aluminiums lappt etwas Aluminium aufgrund der Präparation der Proben durch Brechen über die Bruchkante. Der weiß markierte Bereich ist rechts in Abbildung 7-29 unter 90.000 × Vergrößerung dargestellt. Dabei wird im Randbereich die intakte, ca. 100 nm dicke SiO2–Schicht sichtbar.
Kraterrand
Randzone
überstehende Al-Kante Kraterrand
Randzone
überstehende Al-Kante
100 nm SiO2 Passivierung 100 nm SiO2 Passivierung
Abbildung 7-29: REM–Aufnahmen einer Bruchkante durch einen LFC. Links ist der gesamte Randbereich dargestellt, rechts der im linken Bild mit einem weißen Kästchen markierte Ausschnitt. Die intakte Passivierungsschicht ist rechts gut zu erkennen.
Nachweis einer p+ - Dotierung im Kraterzentrum
Für die Kontakteigenschaften des LFC ist die Erzeugung einer lokalen p+-Dotierung im Kraterzentrum ein wichtiger Einflussfaktor. Dieses bereits anhand verschiedener Methoden bestätigte [89] lokale p+-BSF vermindert die Minoritätenkonzentration im unpassivierten Kontaktbereich und verbessert dadurch die Lebensdauer der generierten Ladungsträgerpaare in der Nähe des LFC. Mit Hilfe von SIMS kann eine genauere Bestimmung der Tiefe der Eindiffusion erfolgen. Die im Laufe der Arbeit durchgeführten Untersuchungen haben jedoch teilweise zu geringfügig unterschiedlichen Ergebnissen geführt. So wurde beispielsweise in [149, 150] am Institut für physikalische Elektronik IPE der Universität Stuttgart anhand von dünnen Transferzellen [151] eine SIMS–Messung von der dem LFC gegenüberliegenden Seite durchgeführt (siehe Abbildung 7-30 rechts). Die Dicke der gesamten Transferzellen kann anhand von REM–Aufnahmen eines Querschnitts zu 26.6 µm bestimmt werden. Dies beinhaltet bereits die 70 nm dicke SiNX– Passivierungsschicht sowie die 2 µm Aluminiummetallisierung. Aluminium kann nach Abbildung 7-30 rechts bereits ab einer Tiefe von ca. 18.9 µm detektiert werden, von wo aus das Signal einen starken Anstieg aufweist. Vom gesamten Probendurchmesser von 26.6 µm müssen nun noch die Rückseitenbeschichtungen mit 2.1 µm sowie die durchschnittliche Tiefe eines LFC mit ebenfalls ca. 2 - 2.5 µm abgezogen werden. Darüber hinaus ist die Sputterrate aufgrund der rauen Oberfläche an der Vorderseite vermutlich leicht erhöht, was nochmals eine Reduktion von geschätzten 0.5 µm bewirkt. Dies bedeutet, dass die zu durchdringende Dicke bis zur Oberfläche des LFC auf der Rückseite lediglich 21.5 - 22.0 µm beträgt, was für die Eindringtiefe der Aluminiumlegierung einen Wert von ca. 2.6 - 3.1 µm ergibt.
Im Fall von SIMS-Messungen, welche von der Rückseite ausgehend an Proben mit SiO2-Passivierung durchgeführt wurden, ergaben sich Eindringtiefen für die Aluminiumdotierung von 0.5 - 1 µm. Diese Diskrepanz der Messergebnisse könnte mehrere
Ursachen haben. Einerseits ist die Tiefeneichung der Messung aus Abbildung 7-30 rechts tendenziell etwas ungenau, andererseits könnte die unterschiedliche chemische Zusammensetzung der Passivierungsschicht einen Einfluss auf den Abtrags- bzw.
Legierungsprozess haben. Eine detailliertere Untersuchung des Aluminium-Silizium-Gemisches ist im weiter unten aufgeführten Kapitel zur Feinstruktur eines LFC zu finden.
0 50 100 150
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3
Tiefe dProfil [µm]
Position x [µm]
0 50 100 150
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3
Tiefe dProfil [µm]
Position x [µm]
5 10 15 20 25
103 104 105 106 107
Messrichtung
Al-Konzentration [b.E.]
Sputtertiefe dSIMS [µm]
Abbildung 7-30: SIMS–Messung einer dünnen Transferzelle von der Vorderseite durch die gesamte Zelle hindurch (rechts). Links ist zur Bestimmung der Tiefe ein REM–Bild mit überlagertem Tiefenprofil zu sehen.
Erzeugung von Schädigung durch die Lasereinwirkung
Wie bereits in vorherigen Kapiteln ausgeführt, hat die Lasereinwirkung neben der Erzeugung des Kontakts auch die negative Eigenschaft, Wärme ins Material einzubringen. Durch diesen Wärmeeintrag kann das Material thermischen Spannungen ausgesetzt sein, wodurch sich beispielsweise Störstellen im Kristallgitter bilden können. Diese Störstellen erhöhen die Rekombination an der Oberfläche (siehe Kapitel 2.3.2) und reduzieren die maximal erreichbare Leerlaufspannung VOC, welche sich darum als einfaches Mittel zur Identifizierung von laserinduzierter Schädigung anbietet. In [78] konnte anhand einer numerischen Simulation gezeigt werden, dass eine Zone der Kristallschädigung bis zu einer Tiefe von 10 µm um die lokal hochdotierte Zone angeordnet sein muss. Die Größe dieser Zone basiert auf dem Vergleich von VOC-Werten von Solarzellen mit einer photolithographisch geöffneten und anschließend metallisierten („PERC“) mit einer LFC-Rückseite bei vergleichbaren Punktabständen von 1 mm für unterschiedliche Dotierkonzentrationen des Siliziums mit der jeweiligen 2-dimensionalen Dessis-Simulation41 für einen Kontaktaufbau, wie er in Abbildung 7-31 rechts zu sehen ist. Aus den Kurven in Abbildung 7-31 rechts kann klar abgeleitet werden, dass die LFC-Rückseite der konventionellen punktkontaktierten überlegen ist. Dies ist besonders der Fall bei einer Reduzierung der Dotierkonzentration des Basismaterials, bei der die LFC-Rückseite in einem weiten Bereich auf konstantem Niveau verbleibt. Auch für die Simulation einer Rückseite mit einem perfekten lokalen Al-BSF unter den Kontakten gilt dieser Zusammenhang, wie dies durch die schwarze Strichpunktlinie in Abbildung 7-31 angedeutet ist.
41 Software „Device Simulation For Smart Integrated Systems“ zur Simulation von Halbleiterbauelementen [152]
LBSF p-typ Silizium
SiO2 Schädigungszone 15 µm 5 µm
5 µm
10 µm
5 µm
10 µm Aluminium
LBSF p-typ Silizium
SiO2 Schädigungszone 15 µm 5 µm
5 µm
10 µm
5 µm
10 µm
Aluminium 10
14 1015 1016 1017
450 500 550 600 650 700
LFC (1 mm) DessisLFC PERC (1 mm) DessisPERC PERC1-Diodenmodell DessisAl-BSF
Leerlaufspannung VOC [mV]
Dotierkonzentration ND [cm-3]
Abbildung 7-31: 2-dimensionales Simulationsmodell für LFC-Kontakte (links). Die Längen in horizontaler Richtung sind für die 2D Simulation des 3D Punktkontakts gestaucht.
Rechts sind die Messkurve von Solarzellen mit verschiedenen Rückseitenkontaktierungs-methoden mit dem jweiligen theoretischen Dessis-Fit auf Basis der Schädigungsimulation dargestellt [78]. Die Spannung des offenen Symbols ist durch eine deutlich zu geringe Kurzschlussstromdichte beeinflusst. Die gestrichelte grüne Linie beschreibt darüber hinaus eine Anpassung mit einem einfachen Eindiodenmodell und die schwarze Strichpunktlinie das Simulationsergebnis für eine ideale Struktur mit lokalem Al-BSF unter den Kontakten.
Trotz des identischen Kurvenverlaufs der idealen lokalen Al-BSF- sowie der LFC-Rückseite kann die reduzierte Spannung der LFC-Zellen nur durch Annahme einer um den Kontakt herum angeordneten Schädigungszone entsprechend Abbildung 7-31 links erklärt und simuliert werden. Diese Schädigungszone führt zu erhöhter Rekombination und senkt darum die Leerlaufspannung. Vermutlich ist sie prozessbedingt nicht zu vermeiden. Eine Reduzierung sollte dennoch eine hohe Priorität genießen und kann vermutlich am ehesten durch Optimierung des Strahlprofils weg von einer gaußverteilten Intensität hin zu einer homogen verteilten erfolgen.
Mikrokristalline Feinstruktur
Eine Untersuchung der Feinstruktur innerhalb des LFC ist vor allem für die Fragestellung nach der Zusammensetzung der wiedererstarrten Schmelze im legierten Bereich wichtig.
Darüber hinaus können eine Vielzahl der in den vorherigen Kapiteln untersuchten Aussagen durch die folgenden, ebenfalls am Forschungszentrum Jülich durchgeführten Charakterisierungen präzisiert werden [153]. Einen ersten Eindruck über die Feinstruktur ergeben die REM–Aufnahmen einer Bruchkante durch einen LFC in Abbildung 7-32.
Abbildung 7-32: REM–Aufnahmen einer Bruchkante durch einen LFC. Links ist der gesamte Kontakt abgebildet, rechts lediglich ein Ausschnitt des Kraterrands.
In Abbildung 7-32 links ist der komplette Kontakt auf dem Bild enthalten, auf der rechten Seite ist lediglich ein Ausschnitt aus dem Kraterrand dargestellt. Da selbst im Kraterzentrum keine Veränderung der Kristallstruktur sichtbar ist, kann man anhand dieser Aufnahmen von einer epitaktischen Rekristallisation ausgehen.
Da sich das REM jedoch nicht dafür eignet, kristallographische Untersuchungen durchzuführen, ist das Ausweichen auf spezifischere Methoden wie die Transmissions–
Elektronen–Mikroskopie sinnvoller. Hier wird ein zum REM ähnlicher Aufbau benutzt, jedoch die transmittierte statt der reflektierten Strahlung detektiert. Der Nachteil dieser Messmethode ist jedoch, dass die Probe dazu dünn genug sein muss, um Elektronen transmittieren zu lassen. Aus diesem Grund wurde mit einem fokussierten Ionenstrahl (FIB)42 ein ca. 100 nm dicker Streifen aus dem Kraterzentrum eines LFC herauspräpariert. Links in Abbildung 7-33 ist eine REM–Aufnahme eines dafür ausgewählten Standard–LFC zu sehen, in dessen Kraterzentrum die rechts zu sehende Querschnittsprobe herauspräpariert worden ist. An dieser Probe ist nun auch bereits in der REM-Aufnahme ein Aufschmelzbereich zu erkennen, welcher aufgrund seiner helleren Graufärbung zusätzlich auf eine aluminiumreiche Zusammensetzung hindeutet.
Abbildung 7-33: Während der FIB–Präparation aufgenommene REM–Bilder. Links ist der gesamte Kontakt mit der rechts vergrößert dargestellten Querschnittsprobe zu sehen.
Die auf diese Weise präparierte Querschnittsprobe kann nun im TEM genauer untersucht werden. Dazu können im Zentrum des LFC–Kraters Messpositionen an den unterschiedlichen Erstarrungszonen bestimmt werden (siehe Abbildung 7-34 links). In dieser Aufnahme ist nochmals deutlich die feinkristalline Struktur der legierten Zone zu sehen.
Interessanterweise zeigt das darunter liegende Siliziumsubstrat keine ausgedehnten Defekte. Obwohl Punktdefekte auf diese Weise nicht auszuschließen sind, scheint das nicht aufgeschmolzene Material nicht stark geschädigt zu sein. Rechts in Abbildung 7-34 sind zwei Mikrobeugungsbilder der Messpositionen A-1 und A-3 dargestellt. Die dort zu erkennenden Beugungsmuster erhärten die Annahme der linken Gesamtaufnahme, dass in den einzelnen Erstarrungszonen bereits Entmischung einsetzt, was vermutlich auf die zu hohe Aluminiumkonzentration in der Schmelze zurückzuführen ist. Dabei liegen in A-1 und A-2 eher größere Silizium- und Aluminiumkristalle vor, während in A-3 ein eher feinkristallines Silizium–Aluminiumgemisch anzutreffen ist.
42 Aus dem englischen „Focussed Ion Beam“, einer Präparationsmethode in der Mikroelektronik. Dabei wird mit Hilfe eines fokussierten Ionenstrahls Material so lange abgetragen, bis die gewünschte Struktur hergestellt ist. Im vorliegenden Fall wurden für den Ionenstrahl Galliumionen verwendet.
Abbildung 7-34: TEM-Aufnahme der Querschnittsprobe des LFC. Links ist ein Ausschnitt mit den Messpositionen A-1 bis A-3 dargestellt. Zum Schutz der Oberfläche bei der FIB–
Präparation wurde Wolfram verwendet. Rechts sind zwei Mikrobeugungsbilder der Messpositionen A-1 und A-3 mit den charakteristischen Kristallzuordnungen zu sehen.
Abschließend kann festgehalten werden, dass mit den vorliegenden Messverfahren und Charakterisierungen die wichtigsten strukturellen Eigenschaften eines LFC hervorragend erfasst werden können. Allerdings sind viele der vorgestellten Methoden im Gegenzug für die hohe Güte der Ergebnisse so aufwändig, dass sie sich schlecht als kontinuierliche Qualitätskontrolle während des Prozessierens eignen. Durch viele durchgeführte Kreuzvergleiche kann jedoch davon ausgegangen werden, dass zumindest für eine grobe und schnell durchführbare Kontrolle die visuellen Verfahren, allen voran das Lichtmikroskop, geeignet sein sollten.