unter Niedriginjektion durchgeführt wurde, das rechte Bild zeigt eine MW-PCD-Messung, die mit 740µmOrtsauflösung unter Hochinjektionsbedingungen innerhalb von 30mindurchgeführt wur- de. Schon an diesen Zahlen wird der große Vorteil der CDI als schnelle Lebensdauermeßtechnik deutlich: Eine MW-PCD-Messung mit gleicher Ortsauflösung hätte ca. 2 Stunden gedauert, d.h.
die CDI-Messung ist um ca. einen Faktor 150 schneller. Hinzu kommt noch, daß die MW-PCD- Messung unter HLI durchgeführt wurde. Bei einer MW-PCD-Messung unter LLI muß deutlich länger gemittelt werden, um eine hinreichende Sensitivität zu erzielen, so daß eine Messung mit hoher Ortsauflösung viele Stunden dauern würde.
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 10
20 30 40 50 60 70 80 90
100 τeff [µs]
>250 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20
< 10
x [mm]
x [mm]
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 10
20 30 40 50 60 70 80 90
100 τeff [µs]
x [mm]
y [mm]
>500 480 440 400 360 320 280 240 200 160 120 80 40
< 10
Abbildung 5.18:Vergleich der mit CDI gemessenenτef f-Werte (links) und der mit MW-PCD gemessenenτef f- Topographie (rechts). Die CDI-Messung wurde mit einer Ortsauflösung von 350µmdurchgeführt und benötigte ca. 50 s, die MW-PCD-Messung hat eine Ortsauflösung von 740 µm und benötigte ca. 30 min. Die scheinbar strukturlosen Gebiete niedriger Lebensdauer zeigen in einer feineren Skalierung deutlich differenzierte Lebens- dauern, die der Kornstruktur entsprechen, jedoch ist es von der Darstellung her schwer, eine Skala zu finden, die sowohl Bereiche hoher als auch niedriger Lebensdauer adäquat darstellt.
Vergleicht man die beiden Lebensdauerbilder in Abb. 5.18 qualitativ miteinander, so findet man sehr gute Übereinstimmung. Korngrenzen, Körner hoher und niedriger Lebensdauer und kleinkristalline Bereiche niedriger Lebensdauer werden in beiden Meßmethoden vergleichbar gut detektiert. Betrachtet man jedoch die Lebensdauerskala, so stellt man fest, daß sich dieAbsolut- werteder Lebensdauern um ca. einen Faktor 2 unterscheiden. Um dies näher zu untersuchen, wur- de eine MW-PCD-Messung unter Niederinjektion mit deutlich verringerter Ortsauflösung durch- geführt. Die gemittelten Lebensdauern der CDI-Messung und der beiden MW-PCD-Messungen sind in Tabelle 5.3 zusammengestellt. Man sieht, daß der Faktor 2 zwischen der HLI-Messung mit MW-PCD und der LLI-Messung mit CDI, wie schon bei der oxidierten FZ-Probe, auf das unterschiedliche Injektionsniveau der Messungen zurückzuführen ist. Die geringen Unterschie- de zwischen der Niederinjektionsmessung mit MW-PCD und der CDI-Messung können leicht durch Meßungenauigkeiten, aber auch durch den Unterschied zwischen einer absoluten und einer differentiellen Lebensdauermessung verursacht sein. Der theoretische Zusammenhang zwischen differentieller und absoluter Lebensdauer (Gl. 2.8) besagt, daß bei einem mit zunehmendem Injektionsniveau ansteigendenτef f(∆n)die differentielle Lebensdauer unter Niederinjektionsbe- dingungen im Bereich der ansteigenden Flanke vonτef f (∆n)größer ist als die absolute. Dies ist in sehr guter Übereinstimmung mit den Meßergebnissen von MW-PCD und CDI.
Ein weiterer Unterschied zwischen MW-PCD und CDI besteht in der Dynamik in den meßba- ren Lebensdauern: Bei der MW-PCD muß der Auswertebereich auf der Transienten festgelegt
werden. Dadurch ist der τbulk-Bereich, der bei einer Topographie korrekt erfaßt werden kann, beschränkt und Topographien müssen gegebenenfalls aus mehreren Teilmessungen zusammen- gesetzt werden. Bei der CDI gibt es hingegen keine solche Beschränkung, Bereiche hoher und niedriger Lebensdauer können mit den gleichen Einstellungen gemessen werden. Um niedrige Lebensdauerwerte korrekt erfassen zu können muß zwar eine hinreichende Mittelungszeit der Lock-In-Messung gewählt werden, jedoch beeinflußt dies die Messung von Bereichen hoher Le- bensdauer nicht negativ, sondern trägt auch dort zu einer Verbesserung des Signals bei.
Somit wurde an mehreren Beispielen durch Vergleich mit MW-PCD und QSSPC gezeigt, daß CDI auch quantitativ als Lebensdauermeßtechnik hervorragend geeignet ist.
Tabelle 5.3:Lebensdauermessungen an einer multikristallinen Scheibe mitSiNx-beschichteten Oberflächen. Die CDI-Messung (LLI) wurden bei einem Injektionsniveau von ca.2·1013cm−3 durchgeführt.
Meßmethode Mittlere absolute Lebensdauer τef f CDI 71 µs(absolute Lebensdauer, LLI) MW-PCD 79µs(differentielle Lebensdauer, LLI) MW-PCD 160 µs(differentielle Lebensdauer, HLI)
5.3.7 Siliziumscheiben ohne spezielle Oberflächenbehandlung
Bisher wurden mit CDI Siliziumscheiben untersucht, die eine gute Oberflächenpassivierung hat- ten. Diese Oberflächeneigenschaft wurde entweder durch das Aufwachsen eines thermischen Oxi- des, wobei üblicherweise SiO2-Schichten von etwas über 100 nm Dicke erreicht werden, oder durch das Abscheiden einer SiO2- bzw. SiNx-Schicht mittels Plasma Enhanced Chemical Va- por Deposition (PECVD) realisiert. Mit abgeschiedenen SiNx-Schichten wurden Oberflächen- rekombinationsgeschwindigkeiten von 4-6 cm/s erreicht [ML02].
Im Folgenden sollen die Möglichkeiten untersucht werden, mit CDI an Siliziumscheiben mit schlechter oder gar keiner Oberflächenpassivierung Lebensdauermessungen durchzuführen. Dies ist für eine denkbare In-Line-Prozeßkontrolle mittels CDI von großer Wichtigkeit, da im Solar- zellenprozeß die Abscheidung von Passivierungsschichten nicht realistisch ist.
Abgesehen von der fertigen Solarzelle gibt es zwei besonders interessante Prozeßpunkte für die Lebensdauermessung: Zum einen ist eine Messung der unbehandelten Siliziumscheibe („as- cut“-Wafer) sowohl für Produzenten von Siliziumscheiben als abschließende Materialkontrol- le sowie für Solarzellenhersteller als Eingangskontrolle von Interesse. Da die Emitterdiffusion bei Verwendung von multikristallinen Scheiben in den meisten Solarzellenprozessen den für die Lebensdauer entscheidenden Hochtemperaturschritt darstellt, ist eine Lebensdauermessung nach Emitterdiffusion eine gute Möglichkeit zur Prozeßkontrolle. Ferner kann unter bestimmten Voraussetzungen eine Lebensdauermessung nach der Emitterdiffusion bereits Voraussagen be- züglich der Parameter der fertigen Solarzelle ermöglichen (siehe hierzu Kapitel 7.3 sowie z.B.
[Sin03b, Sin99, CIF01, CIGF02, CGIF03]). In vielen Solarzellenprozessen gibt es noch einen wei- teren Hochtemperaturschritt, das Feuern der Kontakte, in dem sich die Lebensdauer nochmals ändern kann, jedoch ist nach dem Feuern der Kontakte die Solarzelle quasi fertiggestellt, so daß zu diesem Zeitpunkt eine abschließende Prozeßkontrolle anhand gemessener Solarzellenparame- ter aussagekräftiger ist und außerdem eine Messung der Lebensdauer oder Diffusionslänge nur noch mit SR-LBIC möglich ist.
Aus diesen Gründen wird sich dieser Abschnitt auf die Lebensdauermessung an „as-cut“-Wafern und an Wafern nach der Emitterdiffusion konzentrieren. Dabei werden zwei Arten der Emitterdif- fusion unterschieden: Wird die Emitterdiffusion aus einer aufgedruckten Paste im Durchlaufofen realisiert, so bedeutet dies die Messung an einerpn-Struktur, wird der Emitter im Rohrofen aus der Gasphase(P OCl3) diffundiert, so liegt einenpn-Struktur vor.
Wafer nach Emitterdiffusion
Die in diesem Abschnitt untersuchten Proben haben eine in der Industrie typische Emitterdif- fusion erfahren. Der in Abb. 5.19 gezeigte Wafer stellt eine npn-Struktur, erzeugt durch Emit- terdiffusion bei 900◦C im Rohrofen mit (P OCl3)-Quelle, dar. Ein Beispiel für einen Wafer mit pn-Struktur findet sich in der Diskussion der Verteilungsbreiten in Kapitel 5.3.9. Einer der beiden dort gezeigten Wafer wurde nach Siebdruck einer Phosphorpaste bei915◦C in einem Durchlauf- ofen diffundiert.
Wie in Abb. 5.19 zu sehen ist, ist auf Wafern mit beidseitigem Emitter, aber keiner weiteren Oberflächenpassivierung bereits nach 5 s die grobe Korn- und Lebensdauerstruktur auszuma- chen (links). Nach 100 s Meßzeit ist bereits eine gute Messung möglich und die Kornstruktur sehr deutlich zu erkennen (rechts). Die in Abb. 5.19 gezeigten Bilder sind jedoch nicht direkt aus den Rohdaten einer CDI-Messung nach dem bisher beschriebenen Verfahren entstanden. Der Grund hierfür ist, daß man bei einem Wafer mit eindiffundiertem, hochdotiertem Emitter eine Querleitfähigkeit an den Oberflächen der Probe erzeugt und somit nicht mehr alle Ladungsträger im Umkreis einer Diffusionslänge um den Ort ihrer Generation rekombinieren. Somit macht man bei einer CDI-Messung nach Emitterdiffusion „unfreiwillig“ eine Hell-Thermographie-Messung mit (siehe Kap. 4.5). Der Wärmeeintrag in die Probe findet nicht mehr homogen statt, und somit ist der thermische Anteil des0◦Bildes auch nicht mehr 0. Um die sich hieraus ergebenden Fehler korrigieren zu können, müssen stets zwei Messungen durchgeführt werden: eine mit Heizplatte hinter der Probe (CDI-Messung), und eine ohne Heizplatte hinter der Probe (HTG-Messung). In beiden Messungen ist das (unerwünschte) Hellthermographiesignal enthalten, da die Generation und Rekombination nur von der Beleuchtung mitEP h> EG,Si, nicht aber von der IR-Strahlung
20 40 60 80 100
20 40 60 80 100
y [mm]
x [mm]
20 40 60 80 100
20 40 60 80
100 τeff [µs]
x [mm]
y [mm]
0 1.333 2.667 4.000 5.333 6.667 8.000 9.333 10.67 12.00 13.33 14.67 16.00
Abbildung 5.19: CDI-Messung an einer 100×100 mm2 großen multikristallinen Scheibe mit beidseitig dif- fundiertem Emitter von 35 Ω/. Es wurde keine weitere Oberflächenpassivierung angewendet. Das linke Bild entstand nach einer Mittelungszeit von 5s, das rechte nach einer Mittelungszeit von 100s.
der Heizplatte abhängt. In der Absorptions-CDI-Messung ist darüber hinaus das (erwünschte) Signal aufgrund der Absorption an freien Überschußladungsträgern enthalten. Zieht man beide Messungen pixelweise voneinander ab, so bleibt nur das Absorptions-CDI-Signal übrig und kann wie gewohnt ausgewertet werden. Aus diesem Grund müssen auch die oben angegebenen Mit- telungszeiten noch mit einem Faktor zwei multipliziert werden, um die effektiven Meßzeiten zu erhalten. Für die Emissions-CDI muß analog einmal mit und einmal ohne Kühlplatte hinter der Probe gemessen werden.
Nach Emitterdiffusion werden effektive Lebensdauern gemessen, die nicht unerheblich durch die Rekombination an den beiden Oberflächen inclusive der Rekombination in den beiden Emit- tern beeinflußt sind. Die effektive Rekombinationsgeschwindigkeit der Emitter kann (injektions- abhängig) mittels numerischer Simulation (z.B. in PC1D) ermittelt werden. Mit dieser Informa- tion kann dann τef f inτbulk umgerechnet werden (siehe Kap. 2.2.4).
„As-cut“-Wafer
20 40 60 80 100
20 40 60 80 100
4 5 6
y [mm]
x [mm]
1 2 3
Abbildung 5.20: CDI-Messung an einem 100 × 100 mm2 großen multikristallinen Ausgangswafer. Die Meßzeit betrug 288s. Die Messung erfolgte unkalibriert, helle Bereiche entsprechen hohen Lebensdauern, dunkle niedrigen.
Das grundsätzliche Problem bei der Messung von „as-cut“-Wafern ist, daß die effektive Le- bensdauerτef f wesentlich durch die Rekombi- nation an den beiden Probenoberflächen und
— falls noch keine Sägeschadenätze durch- geführt wurde — in den oberflächennahen, beim Sägen stark geschädigten, Regionen limi- tiert ist. Für 300 µm dicke Wafer und unend- liche Oberflächenrekombinationsgeschwindig- keit ergibt sichτsurf ace≈3µs. Trotzdem kann man auch beim Ausgangsmaterial häufig qua- litativ Bereiche guter und schlechter Lebens- dauern unterscheiden und hochwertiges von minderwertigem Material unterscheiden, da in unbehandeltem, schlechten Ausgangsmaterial häufig Bereiche mit Lebensdauern unter 3 µs zu finden sind.
In Abb 5.20 ist die CDI-Messung an einem unbehandelten Ausgangswafer nach 288sMit- telungszeit gezeigt. Es können deutlich Berei- che hoher und niedriger Lebensdauern unter-
schieden werden. Bei einer Messung mit nur 48 s Mittelungszeit ist die Lebensdauerstruktur bereits deutlich zu sehen, jedoch ist das Bild noch stärker verrauscht als in der hier gezeigten Messung. Zum Vergleich wurden QSSPC Messungen bei einem Injektionsniveau von2·1015cm−3 durchgeführt und der Wafer so verschoben, daß die Spule jeweils unter den in Abb. 5.20 gekenn- zeichneten Bereichen lag. Es muß zwar berücksichtigt werden, daß die Spule der QSSPC einen Durchmesser von ca. 20mmhat und somit die Lebensdauer immer über eine Fläche von mehre- ren Quadratzentimetern gemittelt wird. Jedoch ist ein qualitativer Vergleich der CDI-Messung und der mit QSSPC ermittelten Lebensdauern möglich (siehe Tab. 5.4). Bei allen Punkten außer Nummer 4 findet man gute qualitative Übereinstimmung zwischen QSSPC- und CDI-Messung.
Punkt 4 liegt relativ zur Größe der Spule des QSSPC-Meßplatzes schon sehr nahe am Rand der Probe. Deshalb ist es wahrscheinlich, daß die QSSPC-Messung bereits wesentlich durch die endliche Probengröße beeinflußt ist.
Ein Vergleich einer ortsaufgelösten MW-PCD-Messung mit der CDI-Messung an „as-cut“- Material wurde mit Scheiben eines anderen blockgegossenen multikristallinen Materials durchge- führt. Die Häufigkeitsverteilungen der mit CDI bestimmten Lebensdauern an drei verschiedenen Wafern sind in Abb. 5.21 mit den Mittelwerten der MW-PCD-Messung verglichen. Die CDI- Messungen wurden mit Mittelungszeiten von 45 und 100 s durchgeführt. CDI und MW-PCD resultieren in der gleichen relativen Beurteilung der drei untersuchten Scheiben. Die Messungen zeigen ferner, daß mit CDI Proben mit durchschnittlichen Lebensdauern von 0.87 µs, 2.1 µs und 2.8µsgemessen und unterschieden werden können. Somit kann abgeschätzt werden, daß die Auflösungsgrenze von CDI maximal bei ca. 1µsliegt.
5.3.8 Emissions- und Absorptions-CDI
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000
Durchschnittliches mit MW-PCD gemessenes τeff:
Probe 1: 0.87 µs Probe 2: 2.1 µs Probe 3: 2.8 µs
Relative Häufigkeit [a.u.]
Lebensdauer [a.u.]
Abbildung 5.21: Vergleich der mit CDI gemessenen Häu- figkeitsverteilung der Lebensdauer dreier multikristalliner Ausgangswafer und des gemittelten Lebensdauerwerts aus MW-PCD-Messung. Die Meßzeit mit CDI betrug 48 bzw.
100spro Wafer.
In Kapitel 5.3.2 wurde kurz angesprochen, daß stets sowohl Emission als auch Ab- sorption von IR-Strahlung an den freien Überschußladungsträgern stattfindet. Fer- ner wurde diskutiert, daß man immer Meßbedingungen schaffen sollte, in denen einer der beiden Effekte dominiert und sich so zwei mögliche Modi der CDI- Messung ergeben, die Emissions-CDI und die Absorptions-CDI. In den letzten Ab- schnitten wurde stets davon ausgegangen, daß die Absorption überwiegt und man sich im Modus der Absorptions-CDI befin- det. In diesem Kapitel soll nun gezielt eine Variation der Versuchsbedingungen durch- geführt werden und so Emissions- und Absorptions-CDI sauber gegeneinander ab-
gegrenzt werden. Durch die Bestimmung geeigneter Versuchsbedingungen wird Emissions-CDI als zweiter möglicher Meßmodus eingeführt.
Zur Idee einer Ladungsträgerlebensdauermessung mittels IR-Emission sind bisher nur wenige Veröffentlichungen bekannt. White et al. [WUS77] benutzten die IR-Emission freier Ladungs- träger für eine Meßmethode, die im Wesentlichen einer Emissions-MFCA im Amplitudenmodus entspricht. Die Methode fand offensichtlich keine weite Verbreitung. Bail et al. [BKBS00] führten
Tabelle 5.4:Lebensdauermessung mit QSSPC an den in Abb. 5.20 eingezeichneten Punkten bei einem Injekti- onsniveau von2·1015cm−3.
Punkt 1 2 3 4 5 6
τef f[µs] 1.7 1.7 2.2 1.5 2.2 1.6
eine Messung der Emission freier Ladungsträger mithilfe einer CCD-Kamera durch. Aufgrund nicht optimaler Versuchsbedingungen war es jedoch selbst bei einer Wafertemperatur von350◦C nur möglich, bestes FZ-Material mit τef f ≈900 µsund einer Dotierung die 11 Ωcm entspricht.
In der hier vorliegenden Arbeit wird somit erstmals die Emission zur Messung freier Überschußla- dungsträgerdichten konsequent ausgenutzt und zu einem einsatzfähigen Meßverfahren entwickelt.
Theorie
Die IR-Emission von freien Ladungsträgern wurde in der bisher dargestellten Methode der CDI nur implizit bei der Kalibrierung berücksichtigt, da sowohl bei der Kalibrierung als auch der Messung eine Überlagerung des Emissions- und Absorptionssignal der freien Überschußladungs- trägerdichte ∆n gemessen wurde. Diese Vorgehensweise setzt jedoch implizit voraus, daß das Verhältnis von Absorption und Emission bei Kalibrierung und Messung identisch ist. Daraus er- gibt sich insbesondere, daß die Heizplatten- und Wafertemperatur bei Messung und Kalibrierung möglichst identisch sein sollten. Variiert man nun gezielt die Temperatur von Wafer und / oder Heizplatte, so sollte man einen Einfluß auf das Meßsignal finden, der im Folgenden quantifiziert wird.
Zunächst wird ein VolumenelementdV eines absorbierenden (und damit auch emittierenden) Mediums betrachtet, das klein genug ist, so daß alle in ihm emittierte StrahlungdV verläßt bevor sie re-absorbiert wird, aber gleichzeitig groß genug ist, so daß sich ein thermisches Gleichgewicht einstellen kann. Nach dem Prinzip des detaillierten Gleichgewichts muß dieses Volumenelement im thermischen Gleichgewicht bei jeder Wellenlänge gleich viel Strahlung absorbieren wie emit- tieren. Dies hat zur Folge, daß bei jeder Wellenlänge der Absorptions- und Emissionskoeffizient identisch sind [SH92]. Aus diesem Grund wird α gewöhnlich sowohl für den Absorption- als auch den Emissionprozeß verwendet1. Diese Konvention soll auch im Folgenden übernommen und die hier dargestellten Überlegungen auf die Absorption und Emission freier Ladungsträger angewendet werden.
Sieht man die Heizplatte, die als IR-Strahlungsquelle dient, als schwarzen Strahler an, so läßt sich das durch Absorption an ∆n gemessene Signal der Kamera gerade als Integral des Planck’schen Strahlungsgesetzes, integriert über dem Empfindlichkeitsbereich der Kamera, als
Sabs∝ λmax
λmin
αF C(λ,∆n, Tw) λ4
ehc/kBλTb−1dλ (5.20)
schreiben, wobei Tw die Wafertemperatur und Tb die Temperatur des Hintergrundes, also der Heizplatte, ist. Hierbei wurde die Planck’sche Strahlungsformel für die Photonenflußdichte ver- wendet, da die CCD-Kamera Photonenflußdichten und keine Energiestromdichten detektiert.
Ferner geht die Näherung ein, daß die Absorption an freien Ladungsträgern nur zu einer ge- ringen Änderung der Transmission führt, so daß die Abhängigkeit der Absorption von αF C als linear angenommen werden darf.
Das Emissionssignal ist von der Temperatur des Elektronengases abhängig. Da die Therma- lisierung innerhalb von Nanosekunden oder schneller erfolgt, kann diese gleich der Wafertempe-
1In der Astrophysik hat „Emissionskoeffizient“ gewöhnlicherweise eine leicht andere Bedeutung. Um Mißver- ständnisse zu vermeiden, empfiehlt es sich deshalb, auf eine explizite Einführung des Emissionskoeffizienten an dieser Stelle zu verzichten [SH92].
raturTw gesetzt werden. Somit ergibt sich
Semi ∝ λmax
λmin
αF C(λ,∆n, Tw) λ4
ehc/kBλTw−1dλ . (5.21) Da das von der Kamera gemessene Signal SCDI, aus dem ∆n und die Lebensdauer berechnet werden, die Superposition beider Effekte ist, kann man schreiben:
SCDI =Semi−Sabs=δ(Aw) λmax
λmin
αF C(λ,∆n, Tw) λ4
ehc/kBλTw−1dλ−δ(Ab) λmax
λmin
αF C(λ,∆n) λ4
ehc/kBλTb−1dλ . (5.22) Hierbei ist δ ein Faktor, der die Konstanten der Planck’schen Strahlungsformel und ferner die Abhängigkeit des Signals von der Fläche des Wafers (Aw) bzw. des Hintergrunds / der Heizplatte (Ab), die gerade auf ein Kamerapixel abgebildet wird, beschreibt. Die Kamera ist auf den Wafer fokussiert. Somit gibt es genau genommen auf der Heizplatte zwei Bereiche: Einen, der komplett auf das Kamerapixel abgebildet wird, und einen, der nur teilweise zum Transmissionssignal bei- trägt. Da der Abstand vom Wafer zur Heizplatte klein ist gegen den Abstand vom Wafer zur Kamera, kann jedoch in guter NäherungAw ≈Ab angenommen werden. Die hierfür notwendigen geometrischen Überlegungen sind in [Sch03b] beschrieben. Da CDI unter Niederinjektion und bei Basisdotierungen von nicht mehr als ca.2..3·1016cm−3 durchgeführt wird, darf das Modell von Schroder zur Absorption an freien Ladungsträgern verwendet werden (siehe Kap. 2.3). Es ergibt sich
SCDI = ˜d λmax
λmin
1
λ2
ehc/kBλTw−1 − 1 λ2
ehc/kBλTb−1
dλ . (5.23)
d˜faßt hierbei die verbleibenden Vorfaktoren aus αF C und der Planck’schen Strahlungsformel zusammen. Für den FallTb > Tw überwiegt die Absorption, und man erhält ein negatives Signal.
Dieser Fall entspricht der bisherigen Absorptions-CDI. Im FalleTw > Tb überwiegt hingegen die Emission der freien Ladungsträger und man befindet sich im Modus der Emissions-CDI.
Experimentelle Überprüfung
Das im letzten Abschnitt theoretisch hergeleitete Verhalten des CDI-Signals in Abhängigkeit von Wafer- und Hintergrundtemperatur wurde an einem FZ-Wafer mit ca. 50 µseffektiver Lebens- dauer experimentell überprüft.
Dazu wurde zunächst bei konstanter Wafertemperatur die Temperatur des Hintergrundes va- riiert. Hierzu wurde eine geschwärzte Kupferplatte als Hintergrund verwendet, die mithilfe von Peltierelementen und einer elektronischen Temperaturregelung konstant auf beliebige Tempera- turen zwischen ca. 271 K und 315 K eingestellt werden kann. Um noch tiefere Temperaturen zu erhalten, wurde ein mit flüssigem Stickstoff gefüllter Styroportank zur Kühlung verwendet, in dessen Vorderwand eine Kupferplatte eingelassen ist. Mit diesem Versuchsaufbau konnten Rückwandtemperaturen von ca. 215K bis 245K erreicht werden.
Als Meßsignal erwartet man:
SCDI(Tb) =constemi·∆n−d˜(∆n)·
5µm
3µm
1 λ2
ehc/kBλTb−1dλ . (5.24)
Die experimentellen Ergebnisse sind in Abb. 5.22 dargestellt. Die durchgezogene Kurve stellt eine Anpassung aller nicht besonders gekennzeichneten Punkte mit Gl. 5.24 dar, wobei constemi
und d˜die offenen Parameter sind.
Die Meßpunkte zwischen 215K und 245K liegen etwas niedriger als die gefittete Kurve, was mit großer Wahrscheinlichkeit auf das Problem der Vereisung der Kupferplatte zurückzuführen ist. Dies verändert zum einen den Emissionskoeffizienten der Kupferplatte und führt zum anderen zu einer vermehrten Einkoppelung von Umgebungsstrahlung mit 296 K durch Reflexion in den Strahlengang. Zwischen 271 K und 280 K bildete sich Kondenswasser auf der Oberfläche der Kupferplatte, was zu Verdunstungswärme und somit einer vermutlich effektiv etwas niedrigeren als der eingestellten Hintergrundtemperatur führte.
Insgesamt findet man sehr gute Übereinstimmung zwischen theoretischer Vorhersage und Experiment. Die gefundenen kleinen Abweichungen konnten durch experimentelle Unzulänglich- keiten erklärt werden. Wie von der Theorie vorhergesagt, wird hin zu kleinen Hintergrundtem- peraturenTbder Absorptionsanteil am Signal klein und somit das Meßsignal unabhängig vonTb. Eigentlich sollte man für Tb =Tw ein verschwindendes Meßsignal erwarten. In Abb. 5.22 ist je- doch zu sehen, daß sich für diesen Fall ein leicht positives Kamerasignal, alsoSemi> Sabs, ergibt.
Dies ist vermutlich auf eine leichte Erwärmung der Waferoberfläche durch den Generationslaser zurückzuführen, wodurch die Probe eine leicht höhere Temperatur aufweist als die mithilfe eines Pt 100 am Rande gemessenen 296 K.
180 200 220 240 260 280 300 320 340 -1.0
-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5
Tw Emissions- CDI
Absorptions- CDI Wasserkondensation
an Kühlplatte Kühlplatte vereist
Kamerasignal [a. u.]
Tb [K]
Abbildung 5.22: Abhän- gigkeit des CDI-Signals von der Hintergrundtemperatur.
Bei niedrigem Tb ist die IR-Emission der freien La- dungsträger dominant, bei hohem Tb die Absorption.
Der Pfeil auf der x-Achse kennzeichnet die gemesse- ne Probentemperatur von Tw= 296K.
In einem zweiten Versuch wurde die Abhängigkeit des Meßsignals von der Wafertemperatur untersucht. Um eine kontrollierte Temperaturführung der Probe zu ermöglichen, wurde diese in einem mit Stickstoff gespülten Behälter montiert. Vorder- und Rückseite des Behälters bestehen jeweils aus Kunststofffolien, die dünn genug sind um im mittleren IR eine hohe Transparenz zu ermöglichen. Trotzdem ist diese jedoch deutlich von 100% verschieden. Deshalb muß die Temperatur der peltiergekühlten Rückwand von nominell 274 K noch um den Emissionsanteil der rückseitigen Folien korrigiert werden, wodurch sich ein effektives, gemessenes Tb von 280K ergibt. Für Details des experimentellen Aufbaus siehe [Sch03b].
Der theoretisch zu erwartende Zusammenhang zwischen Probentemperatur und Meßsignal wird durch
SCDI(Tw) = ˜d(∆n)·
5µm
3µm
1 λ2
ehc/kBλTw−1dλ−constabs·∆n (5.25) beschrieben. Die experimentellen Ergebnisse sowie der sich mit Gl. 5.25 ergebende Fit sind in Abb. 5.23 dargestellt. Die Meßwerte bestätigen die Theorie sehr gut, die zu beobachtenden leich- ten Abweichungen sind durch die schwierige Temperaturführung und -messung im Probenbehäl- ter zu erklären. Äquivalent zum Fall niedriger Hintergrundtemperaturen, bei denen der Emissi- onsanteil überwiegt und das Meßsignal unabhängig vonTbwird, sieht man, daß im Falle niedriger Probentemperaturen der Emissionsanteil klein und somit das Meßsignal unabhängig vonTwwird.
240 250 260 270 280 290 300 310 -2
-1 0 1 2 3
Absorptions- CDI
Emissions- CDI
Kamerasignal [a. u.]
Tw [K]
Abbildung 5.23: Abhängig- keit des CDI-Signals von der Probentemperatur. Die Hin- tergrundtemperatur betrug ca.
280 K. Der Bereich niedri- ger Probentemperaturen ent- spricht dem Absorptionsmodus, der Bereich hoher Probentem- peraturen dem Emissionsmo- dus.
Emissions-CDI
Bei der Absorptions-CDI wird ein starkes Meßsignal erzielt, wenn die IR-Strahlung der Heizplatte groß genug ist, damit die Absorption an freien Ladungsträgern deutlich stärker ist als die Emis- sion. Dies wird durchTbTw erreicht. Bei der Emission-CDI muß genau der gegenteilige Effekt erzielt werden, was durch Tw Tb erreicht wird. Diese Bedingung kann erfüllt werden, indem entweder der Hintergrund gekühlt oder aber der Wafer erwärmt wird. Wegen der einfacheren Handhabbarkeit in einem Laboraufbau wird in diesem Kapitel ein Aufbau mit gekühlter Rück- wand untersucht. Die Vorteile, insbesondere bezüglich der Meßzeit, eines Aufbaus mit erhöhter Probentemperatur werden in Kapitel 5.3.9 diskutiert.
Tabelle 5.5 zeigt die Abhängigkeit der Intensität der Strahlung eines schwarzen Körpers im Bereich von λ = 3 µm bis λ = 5 µm von der Temperatur, normiert auf 296 K. Man sieht, daß bei den Standardmeßbedingungen für Absorptions-CDI mit 57◦C Hintergrund- und 23◦C Probentemperatur die Absorption um ca. einen Faktor 3 gegenüber der Emission überwiegt.
Für die Emissions-CDI sind der Kühlung der Rückwand praktische Grenzen gesetzt. Die tiefste
Tabelle 5.5:Vonλ= 3µmbisλ= 5µmintegrierte Photonenflußdichte eines Planck’schen Strahlers in Abhän- gigkeit von der Temperatur. Die Werte wurden auf die Abstrahlung bei 296 Knormiert. In der letzten Zeile ist die relative Signalintensität der Emissions-CDI angegeben, dabei wurdeTb= 1◦Cangenommen. FürTw wurden die in der ersten Zeile angegebenen Temperaturen jeweils um 9◦C erhöht um die Erwärmung des Wafers durch den Laser zu berücksichtigen (siehe Text).
Temperatur [◦C] -58 1 23 57 80 100 rel. Photonenfluß 0.0176 0.42 1.0 3.1 5.93 9.8 rel. Signalintensität - - 1.00 3.7 7.1 11.6
bei den beschriebenen Experimenten erreichte Temperatur der Rückwand lag zwar bei −58◦C, jedoch konnten bei dieser Temperatur aufgrund von Kondensation der Luftfeuchtigkeit an der Kupferplatte und der resultierenden Vereisung nur über kurze Meßzeiten zuverlässige Ergebnis- se erzielt werden. Als niedrigste, auch über lange Zeiten in einer normalen Laborumgebung gut reproduzierbare, Temperatur hat sichTb= 1◦Cerwiesen. Um das effektive CDI-Signal zu berech- nen muß berücksichtigt werden, daß die Probentemperatur aufgrund der Bestrahlung mit dem Generationslaser höher ist als die gemessene Umgebungs- bzw. Probenhaltertemperatur. Dem Nulldurchgang der Signalstärke in Abb. 5.22 entnimmt man, daß diese Temperaturüberhöhung ca. 9 K beträgt. Mit dieser Information und Gl. 5.23 können die Signalstärken der Emissions- und Absorptions-CDI berechnet werden. Man findet z.B., daß unter Standardbedingungen die Absorptions-CDI eine gegenüber der Emissions-CDI um ca. 75% höhere Signalintensität haben sollte. Die ungefähr vergleichbare Signalintensität spiegelt sich auch in Abb. 5.24 wieder, indem Emissions- und Absorptions-CDI bei gleicher Meßzeit größenordnungsmäßig gleiches Rauschni- veau zeigen.
Für die Kalibrierung der Emissions-CDI wird das gleiche Verfahren verwendet wie für die Eichung der Absorptions-CDI: Es werden Wafer bekannter Dotierkonzentration im Dunkeln in die Probenposition gesetzt. Diese haben aufgrund ihrer unterschiedlichen freien Ladungsträgerdichte nicht nur verschiedene Absorptionskoeffizienten, was bei der Kalibrierung der Absorptions-CDI ausgenutzt wurde, sondern auch verschiedene Emissionskoeffizienten. Somit ist eine Kalibrierung der Emissions-CDI exakt analog zu der bei der Absorptions-CDI beschriebenen Methode möglich.
Die implizite Annahme, daß bei Messung und Kalibrierung Wafer- und Hintergrundtemperatur jeweils gleich sind, kann nach den in Kapitel 5.3.8 gemachten Messungen nun jedoch sowohl für die Emissions-CDI als auch für die Absorptions-CDI gelockert werden: Die in Abb. 5.22 und 5.23 durchgeführten Fits geben genau die Abhängigkeit des CDI-Signals von der Temperatur der Probe bzw. des Hintergrundes an. Wenn Tb und Tw sowohl für die Kalibrierung als auch die Messung bekannt, aber verschieden sind, kann das Meßsignal in eine den Bedingungen der Kalibrierung entsprechende Signalstärke umgerechnet werden. Auf diese so korrigierten Meßdaten kann dann die durchgeführte Kalibrierung angewandt werden, ohne das Meßsignal zu verfälschen.
Abb. 5.24 zeigt das Absorptions-CDI und Emissions-CDI-Bild der gleichen multikristallinen Scheibe. Diese stammt aus dem Randbereich eines Blocks, weshalb am oberen Rand deutlich reduzierte Lebensdauerwerte zu finden sind. Zur Probenpräparation wurde eine Damageätze und eine passivierende Oberflächenbeschichtung mit SiNx angewendet. Man sieht, daß beide Bilder bis in kleine Details identisch sind. Der sich ergebende Mittelwert über der gesamten Probenfläche von 100×100mm2 unterscheidet sich nur um ca.6%. Somit konnte nachgewiesen werden, daß Emissions-CDI eine gleichwertige Alternative zur Messung im Absorptionsmodus
ist.
Abschließend sei noch angemerkt, daß, bedingt durch die leichte Aufwärmung der Probe durch den Generationslaser, eine Emissionsmessung auch ohne gekühlte Rückwand durchgeführt werden kann. Aufgrund der geringen Signalstärke wird von dieser Möglichkeit jedoch meist nicht Gebrauch gemacht.
0 20 40 60 80 100
0 20 40 60 80
100 τ [µs]
x [mm]
y [mm]
10.00 15.34 23.54 36.11 55.39 84.98 130.4 200.0
0 20 40 60 80 100
0 20 40 60 80
100 τ [µs]
x [mm]
y [mm]
10.00 15.34 23.54 36.11 55.39 84.98 130.4 200.0
Abbildung 5.24:Vergleich einer Absorptions-CDI-Messung (links) und einer Emissions-CDI-Messung (rechts) des gleichen Wafers. Die Mittelungszeit betrug 30s. Die Messungen entsprechen sich bis in kleine Details, der Unterschied der Mittelwerte vonτef f beträgt ca. 6%.
5.3.9 Reduktion der Meßzeit
Für eine In-Line-Prozeßkontrolle muß die Meßzeit auf ungefähr eine Sekunde, maximal jedoch ca. 3sreduziert werden, um eine teure Parallelisierung in der Produktionsstraße zu vermeiden.
In diesem Kapitel werden drei Verfahren vorgestellt, die mögliche Vorgehensweisen für eine In- Line-Prozeßkontrolle mit CDI darstellen.
Statistische Methode
Wie in Kapitel 3.4 gezeigt wurde, ist die tatsächliche Anordnung von Lebensdauern auf der Solarzelle für das Solarzellenergebnis nicht relevant, wenn anstelle der „wahren“ örtlichen Vo- lumenlebensdauer die „effektive“ Volumenlebensdauer, berechnet aus der Verteilung der freien Überschußladungsträgerdichte∆n(x, y) (siehe Kap. 3.4.4), als Eingangsparameter für die Simu- lation verwendet wird. CDI liefert standardmäßig genau diesen Parameter. In diesem Abschnitt soll untersucht werden, ob kürzere Meßzeiten bereits hinreichend sind, wenn kein Lebensdauer- bild, sondern nur eine Häufigkeitsverteilung der Lebensdauern aus der CDI-Messung extrahiert werden soll.
Die Breite der sich aus einer CDI-Messung ergebenden Häufigkeitsverteilung von Lebensdau- ern wird durch zwei Effekte dominiert: Zum einen durch die wahre Häufigkeitsverteilung von∆n in der Probe und zum anderen durch das Rauschen der Kamera, das der wahren Häufigkeits- verteilung überlagert ist. Die 82944 Pixel der Kamera stellen eine hinreichend große statistische Stichprobe dar um davon auszugehen, daß die aus dem Rauschen der Kamera resultierende
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0.00
0.05 0.10 0.15 0.20 0.25
Aus Messung στ berechnen
Hier messen
σTotal gemessen an npn
Bester Fit für npn
σTotal gemessen an np
Bester Fit für np
σTotal [a.u.]
t-1/2 [s-1/2]
inf 100 25 11.1 6.25 4 2.78 2.04 1.56 1.23 1
Meßzeit [s]
Abbildung 5.25: Abhän- gigkeit der Breite einer Häu- figkeitsverteilung von Le- bensdauern von der Mitte- lungszeit der CDI-Messung.
Die hier gezeigten Kurven werden einmal in der Pha- se der Inbetriebnahme einer Anlage aufgenommen. Da- nach kann dann aus Messun- gen mit ca. 1 s Mittelungs- zeit (Pfeile rechts) auf die wahre Verteilungsbreite der Lebensdauern στ geschlos- sen werden (Pfeile links).
Häufigkeitsverteilung eine Normalverteilung ist. Da das Rauschen mit der Meßzeit t wie t−1/2 abnimmt, variiert auch dessen Verteilungsbreite σN oise(t) wie t−1/2 mit der Zeit. Die Vertei- lungsbreite auf Grund der wahren Probeneigenschaften στ ist hingegen unabhängig von t. Die Gesamtbreite der Häufigkeitsverteilung σT otal(t) ist eine Funktion vonσN oise(t) undστ, also
σT otal(t) =f(στ, σN oise(t)) . (5.26) Somit ergibt sich
σT otal(t)→στ für t→ ∞ . (5.27)
Bei kürzeren Meßzeiten nimmt der Einfluß des Rauschens stark zu. Die Idee ist nun, das Rausch- niveau der Kamera in der Installationsphase sehr exakt zu bestimmen und später mit sehr kurzen Meßzeiten — und damit großer Verteilungsbreite bedingt durch das Rauschen der Kamerapixel
— zu arbeiten. Ist die Funktion σN oise(t) gut bekannt, so kann aus den mit kurzer Meßzeit erhaltenen Werten von σT otal die wahre Verteilungsbreiteστ ermittelt werden.
Diese Vorgehensweise wurde an zwei Proben getestet. Beide erfuhren eine in der Industrie typische Emitterdiffusion. Eine der Proben wurde im Rohrofen diffundiert und hat somit eine npn-Struktur. Auf die andere Probe wurde mittels Siebdruck eine phosphorhaltige Paste auf- gebracht und die Diffusion im Durchlaufofen durchgeführt, so daß eine pn-Struktur entstand.
An beiden Proben wurden CDI-Messungen mit verschiedenen Meßzeiten durchgeführt und die Breite σT otal der Häufigkeitsverteilung vonτef f über der Meßzeit aufgetragen (siehe Abb. 5.25).
Für beide Proben wurde dann oben beschriebene Anpassung mit der Annahme σN oise ∝t−1/2 durchgeführt. Obwohl die beiden Proben denkbar verschiedene Strukturen aufweisen, ergab sich aus den besten Fits für beide Fälle nur ein Unterschied von 3.7% inσN oise. Somit kann dieses Verfahren angewendet werden, um aus Verteilungsbreiten bei sehr kurzen Meßzeiten um ca. 1 s die wahre Verteilungsbreite στ zu ermitteln (siehe auch Pfeile in Abb. 5.25). Mit diesem Ver- fahren erscheint eine Prozeßkontrolle mit einer Standard-CDI Messung unter Verwendung des Klassenmodells möglich.
Reduktion der Meßzeit bei der Emissions-CDI
Wie in Kapitel 5.3.8 gezeigt wurde, ist die Stärke des CDI-Signals sowohl im Emissions- als auch im Absorptionsmodus stark von der Temperatur der Probe Tw und des Hintergrunds Tb abhängig. Die Variation dieser Temperaturen eignet sich deshalb zur Erhöhung der Signalstärke und damit zur Reduktion der Meßzeit. Besonders einfach kann dies im Emissions-Modus der CDI realisiert werden.
Es wurde bereits oben gezeigt, daß die Emissions-CDI-Messung mitTw≈23◦CundTb ≈1◦C eine ca.20%größere Signalstärke aufweist als die Absorptions-CDI unter Standardbedingungen, also Tw ≈23◦C und Tb ≈57◦C. Erhöht man die Temperatur der Probe Tw, so ergibt sich eine Erhöhung der Signalintensität der Emissions-CDI. Die Faktoren, um die sich die Signalinten- sität für variierendes Tw bei einer Emissionsmessung mit Tb = 1◦C verändert, sind in Tabelle 5.5 angegeben. Da sich die Meßzeit mit dem Quadrat der Signalintensität verringert, kann bei einer Erhöhung der Probentemperatur auf 60◦C die Meßzeit relativ zur Emissions-CDI unter Standardbedingungen um ca. einen Faktor 14 gesenkt werden, bei einer Probentemperatur von 100◦C sogar um einen Faktor 140. Natürlich muß berücksichtigt werden, daß die Probentempera- tur nicht beliebig gesteigert werden darf, da die Ladungsträgerlebensdauer temperaturabhängig ist (siehe Kap. 2.2.5). Für tiefe Defekte, die häufig die Probenlebensdauer limitieren, setzt der
Abbildung 5.26:Positiver Einfluß der Erhöhung der Probentemperatur auf das Meßsignal der CDI. Oben sind Emissions-CDI-Messungen bei Tw ≈23◦C zu sehen, links beträgt die Meßzeit 30 s, rechts 600s. Unten links ist eine Messung gezeigt, die bei einer erhöhten Wafertemperatur vonTw ≈ 60◦C und einer Meßzeit von 30 s aufgenommen wurde. Rechts unten ist zum Strukturvergleich eine MW-PCD-Messung dargestellt.
0 20 40 60 80 100 0
20 40 60 80
100 [a.u]
x [mm]
y [mm]
0.100 0.153 0.235 0.361 0.553 0.849 1.304 2.000
0 20 40 60 80 100
0 20 40 60 80
100 [a.u]
x [mm]
y [mm]
1.000 1.389 1.931 2.683 3.728 5.179 7.197 10.00
Abbildung 5.27: Emissions-CDI-Messungen mit 1sMeßzeit. Links ist eine Messung bei einer Wafertemperatur von ca.26◦C dargestellt, rechts eine Messung bei ca.60◦C.
lineare Anstieg im Arrheniusplot von τef f jedoch in den meisten Fällen erst oberhalb von ca.
100◦Cein. Somit können moderate Erhöhungen der Probentemperatur durchaus vertretbar sein.
Abb. 5.26 zeigt den Vergleich der Messung einer multikristallinen Scheibe aus dem Boden- bereich eines Blocks bei verschiedenen Meßbedingungen. Die mit MW-PCD gemessene durch- schnittliche Lebensdauer betrugτef f,HLI = 2.07µs. Oben links ist eine Emissions-CDI-Messung bei Tw ≈ 23◦C und 30 s Meßzeit gezeigt. Dieses Bild ist aufgrund der niedrigen Lebensdauer komplett von Rauschen dominiert. Oben rechts ist die Emissions-CDI bei gleicher Probentem- peratur, aber 600 sMeßzeit dargestellt. Erste Strukturen werden sichtbar, und eine Zuordnung zu den im MW-PCD Bild (rechts unten) gefundenen Lebensdauerstrukturen ist bereits möglich.
Das Bild links unten zeigt die Emissions-CDI-Messung bei Tw ≈60◦C und 30sMeßzeit. Dieses Bild ist bereits klarer als das Emissions-CDI-Bild beiTw ≈23◦Cund 600sMeßzeit, was mit der oben theoretisch berechnete Verkürzung der Meßzeit um einen Faktor von ca. 25 kompatibel ist.
Im Vergleich zur MW-PCD ist das Rauschen zwar auch in diesem Bild noch deutlich stärker, die Strukturen sind jedoch aufgrund der besseren Ortsauflösung (350 µm bei der CDI und 740µm bei der MW-PCD) bereits schärfer zu sehen. Ferner muß bedacht werden, daß die MW-PCD- Messung unter Hochinjektion durchgeführt wurde und bei gleicher Ortsauflösung wie die CDI bereits unter diesen Bedingungen 2 Stunden benötigen würde. Eine weitere Erhöhung der Pro- bentemperatur auf ca.100◦Cbei der CDI-Messung könnte CDI an die In-Line-Fähigkeit für solch kleine Lebensdauerwerte heranführen. Ein entsprechender Test war nicht möglich, da die Spezial- fenster für die Probenkammer eines verbesserten Aufbaus von der beauftragten Firma aufgrund organisatorischer Probleme bisher nicht geliefert wurden. Ein entsprechend verbesserter Aufbau würde Messungen mit kontrollierter Temperaturführung bis hin zu ca. 250◦C ermöglichen.
Abb. 5.27 zeigt die Emissions-CDI-Messung desselben Wafers wie in Abb. 5.24, jedoch bei nur 1sMeßzeit. Im linken Bild ist die Messung mitTb ≈26◦C gezeigt, die noch starkes Rauschen aufweist, rechts eine Messung bei Tb ≈ 60◦C, in der selbst bei nur einer Sekunde Meßzeit die Lebensdauerstrukturen deutlich sichtbar sind. Abb. 5.28 zeigt einen senkrechten Schnitt durch das Lebensdauerbild dieses Wafer bei x= 50mm. Man sieht deutlich, daß bei einer Probentem- peratur von26◦Cnur füry 50mm, also in der Hälfte des Wafers mit hohen Lebensdauern ein klares Lebensdauersignal zu detektieren ist, der Rest der Messung ist von Rauschen dominiert.
0 20 40 60 80 100 0.1
1 10
26°C 60°C
Kamerasignal [a.u.]
y [mm]
Abbildung 5.28: Senkrechter Schnitt bei x= 50mmdurch die Messungen aus Abb. 5.27.
In der Messung beiTb ≈60◦Csind hingegen bis fast zum oberen Bildrand beiy= 100mmklare Lebensdauerstrukturen zu sehen, die nur von geringem Rauschen überlagert sind.
Flash-CDI
Anstelle eines Halbleiterlasers kann auch ein Blitz zur Beleuchtung der Probe verwendet wer- den. Hiermit können anfängliche Beleuchtungsintensitäten von ca. 100-150 Sonnen problemlos realisiert werden. Da die Signalstärke proportional zur Beleuchtungsintensität ist, sollte eine Re- duktion der Meßzeit um ca. einen Faktor104 bei gleichem Signal-zu-Rauschen Verhältnis möglich sein. Die prinzipielle Idee zu dieser Methode stammte von O. Breitenstein [OB02], die hier dis- kutierten theoretischen Überlegungen und experimentellen Arbeiten wurden ausschließlich im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt.
Da kommerziell erhältliche Blitze eine Abklingzeit von einigen Millisekunden haben und die CCD-Kamera Bilder im Abstand von ca. 6-7 ms aufnehmen kann, muß man sich für diese Meßmethode vom Konzept der Messung bei einem definierten Injektionsniveau trennen. Vielmehr wird jedes Kamerabild bei einem unterschiedlichen Injektionsniveau aufgenommen, und es ergibt sich eine „effektive“ Lebensdauer, die über mehrere Größenordnungen in∆ngemittelt ist. Für die In-Line-Prozeßkontrolle werden aber in der Regel nur relative, keine absoluten Lebensdauerwerte benötigt [CCC+01], so daß diese Einschränkung hinnehmbar erscheint.
Abb. 5.29 zeigt den Vergleich eines mit Flash-CDI und Standard-CDI aufgenommenen Aus- schnittes einer multikristallinen Siliziumscheibe. Die Meßzeit für das Flash-CDI-Bild betrug da- bei nur 16 ms ! Die Bilder sind in ihrer Struktur sehr ähnlich, d.h. Flash-CDI ist genauso wie Standard-CDI in der Lage, Bereiche hoher und niedriger Lebensdauer ortsaufgelöst zu detektie- ren und die Lebensdauerstruktur einer Probe zu bestimmen. Jedoch ist das Flash-CDI-Bild noch deutlich mehr von Störsignalen überlagert als das Standard-CDI-Bild. Dies ist im Wesentlichen auf experimentelle Unzulänglichkeiten des verwendeten Testaufbaus zurückzuführen: Zum einen wurde ein Blitz mit einer Abklingzeit von nur 3 ms verwendet, was relativ zur Framerate der Kamera deutlich zu kurz ist. Für eine optimal ausgelegte Flash-CDI müßte ein stärkerer Blitz mit größerer Abklingzeitkonstante verwendet werden. Da Blitze mit bis zu 10 ms Abklingzeit- konstante kommerziell erhältlich sind, stellt dies jedoch kein grundsätzliches Problem dar. Ein großer Teil der Störsignale in Abb. 5.29 (links) ist auf Reflexionen des IR-Anteils des Blitzes an der Waferoberfläche, die von der Kamera detektiert wurden, zurückzuführen. Leider konn-
10 20 30 40 50 10
20 30 40 50
x [mm]
y [mm]
10 20 30 40 50
10 20 30 40 50
x [mm]
y [mm]
Abbildung 5.29: Flash-CDI-Bild (links) aufgenommen mit einer Meßzeit von nur 16 msund Standard-CDI- Messung der gleichen Probe mit einer Meßzeit von 48s.
te in den hier beschriebenen Versuchen nur eine sehr schlechte Filterung dieses IR-Anteils des Blitzspektrums vorgenommen werden. Ein guter IR-Filter vor dem Blitz würde die Qualität der Messung erheblich verbessern.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß bei Einsatz eines Blitzes als Generationsbe- leuchtung eine CDI-Messung mit einer Meßzeit von weniger als 100 ms möglich ist. Die Gründe für die niedrige Qualität der gezeigten Lebensdauerbilder konnten identifiziert und Lösungsmög- lichkeiten für einen zukünftigen Standardaufbau vorgeschlagen werden.
5.3.10 Anwendungsbeispiele in der Prozeßkontrolle
In diesem Abschnitt soll exemplarisch an zwei Beispielen die Möglichkeiten der (Off-Line) Pro- zeßkontrolle mit CDI demonstriert werden. Dabei geht es in der Regel um Fälle, in denen ein Prozessierungsproblem vorhanden, aber seine Ursache zunächst unklar ist. Handelt es sich um Probleme, die die Ladungsträgerlebensdauer negativ beeinflussen, so bietet CDI häufig die Mög- lichkeit, durch eine ortsaufgelöste Lebensdauermessung diesen Problemen schnell eine Ursache oder Fehlerquelle zuzuordnen und so die Fehlerbeseitigung wesentlich zu beschleunigen. Solche Untersuchungen werden typischerweise Off-Line durchgeführt. Häufig sind qualitative Lebens- dauerbilder völlig hinreichend, so daß eine exakte Kalibrierung nicht notwendig ist.
Verunreinigung bei thermischer Oxidation: Abb. 5.30 zeigt die Lebensdauermessung einer FZ-Probe mit gewachsenem thermischen Oxid. Diese Probe wurde während der Pha- se der Inbetriebnahme des Reinraums im Neubau des Fraunhofer ISE prozessiert. Von nicht- ortsaufgelösten MW-PCD-Messungen, die während der Inbetriebnahme standardmäßig zur Pro- zeßkontrolle verwendet wurden, war klar, daß ein Verunreinigungsproblem bestand. Seine Ursa- che war hingegen völlig unklar. Die CDI-Messung zeigte dann innerhalb weniger Sekunden die Struktur der Lebensdauerverteilung auf der Probe. Diese Verteilung machte deutlich, daß eine Verunreinigungsquelle zu suchen war, die links unten angeordnet ist, da nur so die Lebensdau-
ertopographie in Abb. 5.30 erklärt werden kann. Unter Berücksichtigung der Lage der Probe im Oxidationsofen konnte mit dieser Information ein Trägersystem für die zu prozessierenden Proben als Verunreinigungsquelle identifiziert und das Problem schnell behoben werden. Eine entsprechende Messung wäre selbstverständlich auch mit MFCA oder MW-PCD möglich gewe- sen. Durch die langen Meß- und damit Rückkopplungszeiten von einer halben bis hin zu ca. 10 Stunden werden ortsaufgelöste Messungen mit MW-PCD und MFCA jedoch häufig nur bei sehr gravierenden Problemen durchgeführt, wodurch Informationen wie die hier gezeigte häufig nicht erhalten werden. Bei einer Messung, die nur wenige Sekunden Zeitaufwand bedeutet, kann eine Kontrolle jedoch quasi bei jedem Schritt der Inbetriebnahme durchgeführt werden. Somit bietet CDI eine wichtige Methode zur Problemanalyse, insbesondere beim Einfahren neuer Solarzellen- produktionen, aber auch bei Problemen bestehender Fertigungsstraßen.
Abbildung 5.30: CDI- Messung an einer FZ-Probe mit thermisch gewachsenem Oxid. Die Probe wurde in der Phase der Inbetrieb- nahme des Reinraums im Neubau des Fraunhofer ISE prozessiert. Durch die CDI-Messung konnte die Verunreinigungsquelle im Oxidationsofen schnell identifiziert werden.
Polierte Proben: Am Fraunhofer ISE wurde im letzten Jahr ein aus einem „Grinder“ und einem „Polisher“ bestehendes System in Betrieb genommen, das das gezielte mechanische Ab- dünnen von Wafern ermöglicht. Mithilfe des „Polishers“ erhalten die Wafer nach dem mechani- schen Abdünnen im „Grinder“ eine Oberflächenstruktur, die eine gute Passivierung und niedrige Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeiten (ORG) ermöglicht [KRG03].
Abb. 5.31 zeigt das mit CDI aufgenommene Lebensdauerbild einer Probe mit nicht optimier- tem Prozeß. Deutlich sind die halbkreisförmigen Schleifspuren des „Grinders“ zu sehen, d.h. der Polierprozeß war bei dieser Probe nicht in der Lage, die Oberflächenschädigung des „Grinders“
vollständig zu beseitigen, obwohl bei einer optischen Kontrolle keine Schleifspuren mehr sichtbar waren. In diesem Fall ermöglicht die hohe Ortsauflösung der CDI-Messung (Pixelgröße 350 µm) eine Optimierung der Prozessführung im „Grinder“ und „Polisher“ anhand der gemessenen ORG, die das interessierende Qualitätsmerkmal des Prozesses darstellt. In einem anderen Fall (hier nicht abgebildet), konnte anhand des mit CDI gemessenen Lebensdauerbilds sogar nachgewiesen werden, daß die Probe nach dem Poliervorgang nochmals mit einem Tuch abgewischt und da- durch eine Oberflächenschädigung verursacht wurde. Die entsprechenden „Kratzspuren“ waren im Lebensdauerbild deutlich erkennbar.
Abbildung 5.31: CDI- Messung an einer FZ-Probe, die mit einem „Grinder“ und
„Polisher“ unter nicht opti- mierten Prozeßbedingungen behandelt wurde. Die Schleifspuren des Grinders sind deutlich zu erkennen.
5.4 Bewertung (industrieller) Einsatzmöglichkeiten
Eine gewinnbringende Anwendung von Lebensdauermeßtechniken in der Industrie ist prinzipiell in zwei verschiedenen Bereichen denkbar: Zum einen sind Lebensdauermeßsysteme, die „Off-Line“
arbeiten, ein wichtiges Hilfsmittel, um bereits prinzipiell erkannte Probleme in der Solarzellen- prozessierung näher zu untersuchen und einer Fehlerquelle zuzuordnen. Hierfür sind schnelle Meßsysteme mit einer guten Ortsauflösung von Vorteil, da sie eine schnelle Identifikation und Beseitigung von Fehlerquellen durch eine kurze Reaktionszeit wesentlich erleichtern. Die Eignung von CDI für diesen Einsatzzweck wurde in Kapitel 5.3.10 gezeigt. Off-Line-Systeme bieten wei- terhin die Möglichkeit Prozeßschritte, wie z.B. die Emitterdiffusion, gezielt zu untersuchen und so optimale Prozeßparameter zu finden und so eine größtmögliche Volumenlebensdauer in der prozessierten Zelle zu erzielen. Ein Beispiel hierfür ist in Kapitel 7.2 zu finden.
MW-PCD ist zur Zeit die in der Industrie am weitesten verbreitete Lebensdauermeßtechnik.
Vorteile sind die Verfügbarkeit robuster, kommerziell erhältlicher Systeme und noch akzeptable Meßzeiten von ca. 30 min bis zu ca. 2 Stunden für ortsaufgelöste Messungen. Im Vergleich zu CDI und QSSPC ist jedoch ein prinzipieller Nachteil, daß MW-PCD-Messungen immer differentielle Lebensdauern liefern und ortsaufgelöste MW-PCD-Messungen meist unter Hochinjektion durch- geführt werden. Für eine quantitative Bewertung erscheinen industrielle MW-PCD-Messungen daher ungeeignet.
Die QSSPC ist eine recht preiswerte Alternative, die absolute Lebensdauern über einen großen Injektionsbereich mißt. Sie ist mit einer Detektionsspule mit 20 mm bzw. 80mm Durchmesser erhältlich. Letztere ermöglicht es, eine Lebensdauermessung durchzuführen, die ein über fast den gesamten Wafer gemitteltes τef f liefert. Die Mittelung erfolgt dabei für Proben mit Emitter in J0b und liefert sehr gute Werte zur Modellierung vonVOC, wohingegen bei der Modellierung von JSC Abweichungen gefunden werden [Sin03b]. Da J0b eine gute Beschreibung der Lebensdauer- abhängigkeit von J(VOC(τ0), τbulk), nicht jedoch der vonJ(0 V, τbulk)bietet, paßt dies gut mit der in Kapitel 3.4 entwickelten Theorie zusammen.
Eine Variante des QSSPC-Meßplatzes mit einer Ortsauflösung von ungefähr 2 mm ist kürzlich
eingeführt worden [SM03]. Für eine Off-Line Prozeßkontrolle bietet sich QSSPC als ausschließ- liche Meßtechnik jedoch weniger an, da eine gute Ortsauflösung der Lebensdauerstruktur häufig notwendige Voraussetzung für die Identifikation von Fehlerquellen ist.
CDI bietet in diesem Punkt die vermutlich besten Möglichkeiten, da sie eine sehr schnelle Mes- sung der absoluten Lebensdauer mit hoher Ortsauflösung ermöglicht. Jedoch könnte der derzeit noch relativ hohe Preis ein erhebliches Hindernis für die weite Verbreitung der Methode sein.
Eine Kombination dieses Lebensdauermeßplatzes mit einem Thermographie- und Schichtwider- standsmeßplatz könnte die hohen Investitionskosten jedoch gegebenenfalls rechtfertigen.
Für die In-Line-Prozeßkontrolle kommen schon aus Gründen der Meßzeit momentan nur QSSPC und CDI ernsthaft in Betracht, obwohl es immer wieder Bestrebungen gibt, z.B. SR- LBIC Systeme für diesen Zweck umzurüsten [ABR+02]. Zu den Möglichkeiten der In-Line- Prozeßkontrolle mit QSSPC vor und nach der Emitterdiffusion und den Möglichkeiten, an- hand dieser Messungen eine Vorhersage von Zellergebnissen zu ermöglichen, oder zumindest ein Kriterium zum aussortieren schlechter Wafer zu entwickeln, gibt es inzwischen eine Reihe von Untersuchungen von Coletti et al. und Sinton [Sin03b, Sin99, CIF01, CIGF02, CGIF03]
mit sehr ermutigenden Ergebnissen. Untersuchungen der Einsatzmöglichkeiten von CDI zur In- Line-Prozeßkontrolle sind zur Zeit noch in einem deutlich weniger fortgeschrittenen Stadium, was wesentlich durch die Neuheit der Methode bedingt ist. Erste Untersuchungen wurden jedoch im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt (siehe Kap. 7.3). Technisch sollte die Implementierung mit einer der drei in Kapitel 5.3.9 vorgestellten Methoden problemlos möglich sein. Ob in einer industriellen Umgebung die durch die Ortsauflösung gewonnenen präziseren Informationen die notwendigen höheren Investitionskosten einer CDI im Vergleich zur QSSPC oder einem gänzli- chen Verzicht auf eine In-Line-Lebensdauermessung aufwiegt, müssen weitere Untersuchung in Kooperation mit Industriepartnern zeigen.
Abschließend sind in Tabelle 5.6 nochmals die Vor- und Nachteile der zur Zeit in der Photo- voltaik gängigsten Meßmethoden zusammengefaßt. Hierbei sind sowohl Kriterien, die eine indu- strielle Einsetzbarkeit betreffen, als auch solche, die von rein wissenschaftlichem Interesse sind, berücksichtigt.
5.5 Zusammenfassung
In diesem Kapitel wurden zunächst die in der Photovoltaik gängigsten Methoden zur Messung der Ladungsträgerlebensdauer bzw. der Diffusionslänge der Ladungsträger vorgestellt. Bei der Methode der SR-LBIC zur Diffusionslängenmessung wurde die Möglichkeit einer Bestimmung der Volumendiffusionslänge Lbulk und der Rückseitenrekombinationsgeschwindigkeit Sback zu- sätzlich zur standardmäßigen Bestimmung der effektiven DiffusionslängeLef f aus den primären Meßdaten untersucht. Es wurde ein neues Modell zur Bestimmung vonLbulk undSback entwickelt und sowohl dieses als auch das von Spiegel et al. [SFKB00] vorgeschlagene Modell im Hinblick auf ihre Anwendbarkeit auf verschiedene Zelltypen, Rauschniveaus der SR-LBIC-Messung und Wellenlängen der verwendeten Laserdioden untersucht. Es stellte sich heraus, daß eine Verknüp- fung beider Modelle die besten Ergebnisse liefert, und daß insbesondere bei dünnen Zellen das in dieser Arbeit neu entwickelte Modell notwendig ist.
Der Hauptteil dieses Kapitels beschäftigt sich mit der neu entwickelten Methode des Carrier Density Imaging (CDI). Diese Methode beruht auf der Messung der Ladungsträgerdichte (und
