Untersuchung der laserinduzierten Schädigung

Die naheliegendste Methode, prozessbedingte Schädigung oder Verunreinigung zu ermitteln, ist die Messung der Ladungsträgerlebensdauer. Da bei Verwendung von FZ Silizium die Volumenlebensdauer hoch und bei einer guten Passivierung auch die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit niedrig ist, dient die Bestimmung der effektiven Lebensdauer nach Durchführung des Prozesses als hervorragendes Maß. Darum wird dieser Ansatz für die Bestimmung des Schädigungsgrads der Laserablation von Siliziumnitrid wie bereits in [84] herangezogen. Dabei wird die effektive Lebensdauer der Proben in Abhängigkeit vom Bedeckungsgrad der bearbeiteten Gebiete ermittelt, wobei diese sich nach Gleichung (6-3) aus den Beiträgen der Volumenlebensdauer sowie den flächennormierten Lebensdauern der passivierten bzw. ablatierten Bereichen zusammensetzt.

P S

vol eff

f

f

τ τ

τ τ

) 1 1 1 ( 1

1 = + ⋅ + − ⋅

τS Lebensdauer geschädigte Oberfläche τP Lebensdauer passivierte Oberfläche f Bedeckungsgrad laserbearbeiteter Bereich

(6-3)

Durch den linearen Zusammenhang von reziproker effektiver Lebensdauer und Bedeckungsgrad der laserbearbeiteten Gebiete kann über die Steigung ein Maß für die induzierte Schädigung ermittelt werden. Da lediglich ein Vergleich mit den Referenzen durchgeführt werden soll, ist eine beidseitige Bearbeitung nicht notwendig. Diese würde lediglich zur exakten Bestimmung der ORG benötigt.

Die Proben basieren auf p-Typ FZ Silizium mit 1 Ω cm spezifischem Basiswiderstand und sind mit der dielektrischen Schicht beschichtet, auf welcher die Schädigungsuntersuchung durchgeführt werden soll. Die zur Auswertung verwendete Gleichung (6-3) kann nur dann angewandt werden, wenn die verwendeten Bereiche groß genug und ausreichend weit voneinander entfernt sind, damit keine Randeffekte auftreten. Aus diesem Grund wurden pro 4 Zoll Wafer sieben 20 × 20 mm² großen Feldern mit identischen Laserparametern bei unterschiedlichen Flächenbedeckungen in dem in Abbildung 6-8 links dargestellten Muster ablatiert. Nach einer anschließenden Entfernung des restlichen Dielektrikums in konzentrierter Flusssäure sowie einer Reinigung der Wafer erfolgt die beidseitige Passivierung mit einer passivierenden Nitridschicht und die lokale Messung der Lebensdauer durch die MW-PCD³². Die damit gemessene ortsaufgelöste Lebendauer wird über die laserbearbeiteten Gebiete gemittelt und aufgetragen (siehe Abbildung 6-8 rechts). Der in Gleichung (6-3) beschriebene Zusammenhang ist allerdings nur für kleine ORG gültig, da die effektive Lebensdauer bei hohen Werten hauptsächlich durch die Diffusionsgeschwindigkeit der Minoritätsladungsträger an die Oberfläche bestimmt wird und darum in Sättigung geht.

Obwohl die Sättigung stark von der induzierten Laserschädigung abhängt, kann aus Abbildung 6-8 rechts eine maximal mögliche Flächenbedeckung von ca. 10 % als Richtwert festgelegt werden. Die Messwerte geben dabei keine Absolutwerte an, da bei der verwendeten Messmethode das Injektionsniveau nicht bekannt ist. Der Fehler der Lebensdauer wurde zu 10 % abgeschätzt und ist hauptsächlich durch Abweichungen in den Lebensdauern aufgrund einer inhomogenen Passivierung begründet. Die Referenz wird auf identischem Weg in einem nicht mit dem Laser behandelten Bereich ermittelt. Jede zweite Probe wurde zum Ausheilen der laserinduzierten Schädigung nach dieser Messung bei 425 °C für 20 min getempert und anschließend die Lebensdauer erneut gemessen.

5 10 15 20 25

10 15 20 25 30 35 40

Inv. LDτMW-PCD [10-3 µs]

Bedeckungsgrad f [%]

Abbildung 6-8: Skizze der Anordnung der laserbearbeiteten Bereiche auf einer Lebensdauerprobe (links). Rechts ist das Ergebnis der Bestimmung der Lebensdauer mit der MW-PCD in Abhängigkeit des Bedeckungsgrads auf den laserbearbeiteten Flächen aufgetragen.

32 Abkürzung für „Microwave Photoconductance Decay“, übersetzt etwa „mikrowellendetekiertes Photoleitfähigkeitsabklingen“.

Dabei wird die Probe durch Beleuchtung angeregt und das Abfallen der Konzentration der freien Ladungsträger über eine Mikrowelleneinkopplung detektiert. Eine detailliertere Beschreibung kann beispielsweise [113, 114] entnommen werden.

Optimierung der Ablationsmethode

Zur Erzeugung einer durchgängigen Linie bieten sich zwei Möglichkeiten: Eine ist die Verwendung eines Laserparametersatz, welcher bei jedem einzelnen Puls die Nitridschicht vollständig entfernt. Durch Aneinanderreihen der durch die einzelnen Laserpulse erzeugten Ablationskrater kann dann eine durchgängige Linie erzeugt werde. Die andere basiert auf einer Überlagerung vieler einzelner Laserpulse pro Flächenelement innerhalb der Linie, wobei jeder einzelne eine Leistungsdichte unterhalb der Ablationsschwelle hat. Im folgenden Experiment wurden zum Vergleich beider Methoden fünf verschiedene Testparameter verwendet, wobei Variante A für die aufgelösten Einzelpulse und Variante B für die Akkumulation der Leistungsdichte über mehrere Laserpulse hinweg steht. Die verwendeten Testparameter P1 und P2 entsprechen dabei Variante A, wobei P1 aufgrund einer geringeren Repetitionsrate eine größere Pulsenergie als P2 besitzt. Auf der anderen Seite entsprechen die Parameter P3 - P5 der Variante B und variieren sowohl im Pulsüberlapp von 90 % und 95 % als auch in der Pulsenergie. Zusätzlich wurde eine Referenz verwendet, bei der die Öffnungen bei verschiedenen Flächenbedeckungen mit Hilfe von photolithographischer Definition und nasschemischem Ätzen erzielt wurden.

Abbildung 6-9: Mikroskopaufnahmen der Testparameter P2 (links, Variante A: Einzelpulse) und P3 (rechts, Variante B: überlagerte Pulse).

In Abbildung 6-10 sind die Lebensdauern der fünf Testparameter in Abhängigkeit vom Bedeckungsgrad der Laserablation in den einzelnen Feldern sowie der Referenz dargestellt.

Die Grafik in Abbildung 6-10 links zeigt dabei die Werte vor dem Tempern, die rechts nach dem Ausheilschritt. Die Messwerte wurden durch eine Gerade angenähert und die Steigung der Geraden in Tabelle 6-1 zusammengefasst.

Die deutlich höhere Steigung der Parameter P1 und P2 gegenüber den Parametern der Variante B zeigt, dass Variante A zunächst deutlich mehr Schädigung im Siliziummaterial generiert. Nach dem Ausheilen reduziert sich diese Steigung jedoch deutlich stärker als die der Variante B (ungefähr um einen Faktor 5, genauer 77.2 % bei P2 im Vergleich zu 14.0 % bei P5), weshalb nach dem Tempern eine geringere Steigung bestimmt werden kann. Die Steigung von P3 und P4 bleibt sogar beinahe konstant, was darauf hindeutet, dass die durch einzelne energiereiche Pulse generierte Schädigung signifikant besser ausheilbar ist als die durch eine längere Erwärmung hervorgerufene.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Abbildung 6-10: Abhängigkeit der reziproken Lebensdauer vom Bedeckungsgrad für die fünf Testparameter P1 - P5 links vor und rechts nach dem Tempern.

Tabelle 6-1: Übersicht der Steigungen aus Abbildung 6-10 für die fünf Testparameter vor und nach dem Ausheilen der Schädigung durch einen Temperschritt. In der untersten Zeile ist die prozentuale Veränderung der Steigung der einzelnen Parameter durch den Einfluss des Temperns aufgeführt.

P1

Diese Ergebnisse legen die Variante A, d.h. die Aneinanderreihung von einzelnen Pulsen mit ausreichender Leistungsdichte für die Durchführung der Laserablation von dielektrischen Schichten auf planen Siliziumoberflächen nahe.

Laserablation von Antireflexnitrid auf planen Oberflächen

Die verwendeten Parameter P1 und P2 zeigen durch den Vergleich mit der Referenz trotzdem noch eine deutliche Schädigung des Siliziums durch die Laserablation. Darum wurde ein identisches Experiment bei einer deutlichen Reduzierung der zur Ablation verwendeten Pulsenergie durchgeführt. Diese wurde so gering gewählt, dass bei einer weiteren Reduzierung kein vollständiger Abtrag des Siliziumnitrids mehr möglich gewesen wäre. Die Testparameter waren wieder den beiden Varianten zugeteilt, P6 entspricht dabei Variante B und P7 der Variante A. Die Ergebnisse der ortsaufgelösten MW-PCD-Messung

des mit P7 bearbeiteten Wafers in Abbildung 6-11 links deuten bereits an, dass keine Schädigung mehr messbar ist. Dies wird auch durch die gegen den Bedeckungsgrad aufgetragenen inversen Lebensdauern in Abbildung 6-11 rechts bestätigt.

1 2 3 4 5 6

5 10 15 20 25

30 vor Tempern nach Tempern P6 P7 Ref

Inv. LD τMW-PCD [10-3 µs-1 ])

Bedeckungsgrad f [%]

Abbildung 6-11: Links ist das Ergebnis der ortsaufgelösten Lebensdauermessung für P7 mit der MW-PCD zu sehen. Auf der rechten Seite ist die Abhängigkeit der reziproken Lebensdauer vom Bedeckungsgrad für P6 und P7 vor und nach dem Tempern dargestellt.

Beim Parameter P7 kann nach der nasschemischen Entfernung der übrigen Siliziumnitridschicht zwischen Laserablation und Beschichtung mit passivierendem SiN kein Einfluss der Laserablation auf die Oberfläche mehr gesehen werden. Dies bestätigt sich auch in den Lebensdauermessungen, bei denen P7 eine parallel zur x-Achse verlaufende Gerade erzeugt. Bei P6 ist trotz der weiteren Reduzierung der Pulsenergie noch eine Schädigung im Silizium messbar, was die oben gemachte Vermutung nochmals bestätigt. In den folgenden Untersuchungen wurden darum ausschließlich Parameter der Variante A verwendet.

Laserablation von Antireflexnitrid auf texturierte Oberflächen

Da im Rahmen dieser Arbeit die Laserablation hauptsächlich auf monokristallinem Silizium durchgeführt wurde, besteht die Textur typischerweise aus zufällig über die Oberfläche verteilten Pyramiden. Auch in diesem Fall ist eine schädigungsfreie Ablation der Antireflexschicht wünschenswert, wenn man den Prozess bei der Herstellung von Solarzellen verwenden will. Aus diesem Grund wurden zu den auf planen Oberflächen vergleichbare Experimente durchgeführt. Hierfür wurde die Strahlprofilhomogenisierung (siehe Kapitel 3.1.5) sowie der kontinuierliche Abschwächer (siehe Kapitel 3.2.5) eingesetzt, welcher eine Variation der Pulsenergie ohne Beeinflussung der übrigen Parameter ermöglicht. In Abbildung 6-12 links sind die durch die lineare Anpassung an die Messwerte erhaltenen Geraden dargestellt.

Aus den nicht parallel zur x-Achse verlaufenden Geraden der drei exemplarisch aufgetragenen Testparameter kann abgelesen werden, dass eine schädigungsfreie Ablation von Antireflexnitrid von texturierten Oberflächen selbst durch eine Reduzierung der verwendeten Pulsenergie nicht möglich ist. Dies ist bei Betrachtung der Oberflächen mit Hilfe des REM auch verständlich. Wie in Abbildung 6-12 rechts und Abbildung 6-15 zu sehen ist wird die Oberfäche nicht homogen ablatiert, sondern lediglich fleckig, und dies auch nur an exponierten Stellen.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 5

10 15 20 25 30 35 40

45 Abschwächerpos.

0.5150 0.5145 0.5135 Ref

Inv. LDτMW-PCD [10-3 µs-1 ]

Bedeckungsgrad f [%]

Abbildung 6-12: Links ist die Abhängigkeit der inversen effektiven Lebensdauer vom Bedeckungsgrad für die Laserablation auf texturierten Oberflächen beispielhaft für drei Laserparameter mit unterschiedlichen Pulsenergien dargestellt. Auf der rechten Seite ist eine REM-Aufnahme einer texturierten Siliziumoberfläche mit teilweise ablatierter SiN-Schicht dargestellt (Abschwächerposition 0.5145).

Will man auf diesem Weg eine vollständige Ablation der SiN-Schicht herbeiführen, so sind diese exponierten Stellen bereits deutlich geschädigt, was sich auch in der Messung niederschlägt. Eine genauere Erklärung dieses Phänomens wird in Kapitel 6.3 gegeben.