Hochgradig ortsaufgelöste Inline-Metrologie auf multikristallinem Silizium

Zerstörungsfreie Messungen der Minoritätsladungsträgerlebensdauer sind etabliert und finden breite Anwendung bei der Prozesskontrolle und der Charakterisierung von Defekten in kristallinem Silizium. Mit unserem Gerät MDPinline ist es möglich, die Minoritätsladungsträgerlebensdauer mit einer bislang unübertroffenen Kombination aus räumlicher Auflösung, Empfindlichkeit und Messgeschwindigkeit abzubilden. MDP-Inline-Geräte ermöglichen die Erfassung ganzer Wafer mit einer Auflösung von 2,8 mm bis zu (156 x 156 mm) in weniger als einer Sekunde

Bei der Messung von Rohwafern ist zu berücksichtigen, dass nicht die tatsächliche Bulk-Lebensdauer, sondern die effektive Lebensdauer gemessen wird, die sich aus der Oberflächen- und der Bulk-Rekombination zusammensetzt.

Daher ist die gemessene Lebensdauer eines frisch gewachsenen Wafers mit einer Dicke von 200 μm auf etwa 2,3 μs begrenzt. Ist die Bulk-Lebensdauer jedoch sehr gering, dominiert sie die effektive Lebensdauer, sodass eine geringe Qualität erkannt werden kann. Abbildung 1 zeigt die Lebensdauerkarte eines frisch gewachsenen multikristallinen Wafers vom Rand eines Gussstücks. Der qualitativ minderwertige Rand, der auf den Kontakt mit dem Tiegel zurückzuführen ist, lässt sich leicht von den besseren Teilen unterscheiden.

Klassifizierung der Materialien

Das MDP-Inline-Tool ist in der Lage, Wafer in bis zu 15 Qualitätsklassen einzustufen. Dabei werden verschiedene charakteristische Parameter berücksichtigt, wie der arithmetische Mittelwert, der harmonische Mittelwert, der Mittelwert nach J. Isenberg, der Median und die Standardabweichung. Es ist zu beachten, dass kein direkter Zusammenhang zwischen der effektiven Lebensdauer und dem Wirkungsgrad der Solarzellen besteht, da der Zellprozess einzelne Bereiche in den Ingots unterschiedlich beeinflusst. Die für dieses Werkzeug entwickelte Software ermittelt zudem eine Vielzahl prozessrelevanter Parameter sowie Randbereiche der Wafer mit geringer Qualität. Die Kombination aus Lebensdauermitteln und Standardabweichung ermöglicht eine sehr gute Klassifizierung der Materialqualität. Abbildung 2 zeigt eine beispielhafte Klassifizierung von drei Wafern aus dem unteren, mittleren und oberen Teil eines Ingots. Es ist sogar möglich, Wafer aus dem unteren vom oberen Teil des Ingots zu unterscheiden. Wafer aus dem unteren Teil weisen oft eine höhere Sauerstoff- und Defektkonzentration auf, was zu einer geringeren durchschnittlichen Lebensdauer führt. Wafer aus dem oberen Teil haben oft eine geringe Lebensdauer aufgrund metallischer Verunreinigungen, einer hohen Stickstoff- und Kohlenstoffkonzentration sowie Ausscheidungen von SiC, Si3N4 und anderen Kristallisationsfehlern.

Überwachung und Erkennung von Kristallfehlern

Zur Überwachung und Erkennung von Kristallfehlern wurde eine umfangreiche Studie durchgeführt, in der spezifische Wafer mit besonderen Fehlerkonstellationen gemessen wurden. In dieser Studie wurden charakteristische Ergebnisse für verschiedene kristallographische Fehler ermittelt. Zu den am häufigsten vorkommenden Fehlern zählen Si₃N₄- und SiC-Segregationen, die zu Shunts in der Solarzelle führen. In den MDP-Lebensdauerkarten führen diese Defekte zu einer sehr hohen Inhomogenität und einem hohen Anteil an Pixeln mit einer Lebensdauer unter 0,2 μs. Die zweithäufigsten Kristalldefekte sind mikrokristalline Strukturen im Wafer. Diese Strukturen führen zu einer sehr geringen Lebensdauer bei gleichzeitig geringer Inhomogenität. In Kombination mit einem Rissprüfgerät können diese mikrokristallinen Wafer erkannt und von den Wafern mit Ausscheidungen unterschieden werden.

Ofenüberwachung

Eine weitere nützliche Anwendung ist die Überwachung der Ofeneigenschaften. Komplikationen im Wachstumsprozess können erkannt und die Ofeneigenschaften optimiert werden. Die Abbildungen 4 und 5 zeigen zwei Beispiele für die oben genannten Anwendungsmöglichkeiten.

In Abbildung 4 wurde der Mittelwert von 5 Ingots, die in verschiedenen Öfen gewachsen sind, gegen die Ingothöhe aufgetragen. Es wird deutlich, dass unterschiedliche Ofeneigenschaften zu unterschiedlichen Steigungen im unteren und oberen Teil der Ingots führen. Beispielsweise unterscheiden sich Ofen 2 und 5 um etwa 30 % in der Neigung am unteren Ende und Ofen 2 und 4 um etwa 50 % in der Neigung am oberen Ende. Mit diesen Informationen ist eine Optimierung des Ofens möglich.

Abbildung 5 zeigt die Häufigkeit eines kristallographischen Parameters, der charakteristisch für die Materialqualität ist. Ein hoher Wert deutet auf eine geringe Qualität hin und umgekehrt. Die Häufigkeit dieses Parameters wird für die Wafer verschiedener Produktionswochen dargestellt. Es wurden mehrere tausend Wafer analysiert. Woche 4 weist einen höheren Anteil an Wafern mit einem hohen kristallographischen Parameter auf. Offenbar gab es Verunreinigungen im Ausgangsmaterial oder etwas beeinflusst den Wachstumsprozess, was mit den MDP-Messungen festgestellt werden kann. Auf diese Weise lassen sich Probleme bis zu ihrem Ursprung zurückverfolgen und somit effizient beseitigen.

Weitere Anwendungen, insbesondere für Ingots, werden in anderen Fallstudien gezeigt.

Inline-Messungen von frisch gewachsenen Wafern und Ingots sind ein vielseitiges Werkzeug zur Erkennung von z. B. Kristallisationsfehlern bereits in einer frühen Phase des Produktionsprozesses. Mit den MDP-Tools MDPingot und MDPinline ist eine vollständige elektrische Wafercharakterisierung mit einer Geschwindigkeit von bis zu einem Wafer pro Sekunde möglich. Neben der effektiven Minoritätsladungsträgerlebensdauer wird auch der spezifische Widerstand gemessen. Mit diesen Untersuchungen jedes einzelnen Wafers ist eine Vielzahl von Anwendungen möglich, wie Prozesssteuerung, Ertrags- und Prozessoptimierung sowie ein schneller Hochlauf jeder neuen Produktionslinie oder jedes neuen Prozesses. In Inline-Anwendungen eröffnet dies ein ganzes Spektrum neuer Möglichkeiten für eine hocheffiziente Optimierung von Produkten und Produktionsprozessen sowie eine Verbesserung der Ausbeute.

Weitere Informationen finden Sie unter
: [1] K. Dornich, N. Schüler, D. Mittelstrass, A. Krause, B. Gründig-Wendrock, K. Niemietz, J. R. Niklas, Tagungsband der 24. PVSEC Hamburg (2009), im Druck