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Selektives Laserdotieren von Siliziumoberflächen mit Phosphorsäure

Selective laser doping of silicon surfaces with phosphoric acid

  • Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung des selektiven Laserdotierens von Siliziumoberflächen mit Phosphorsäure mittels der LCP-Technologie. Mit der selektiven Hochdotierung soll der Kontaktwiderstand unter den metallischen Kontakten bei Metall-Halbleiter-Übergängen reduziert werden. Dadurch soll der Wirkungsgrad bei Siliziumsolarzellen gesteigert werden. Die Arbeit beschäftigt sich mit den Grundlagen der Eigenschaften von Halbleitern und des Laser-Chemischen Prozessierens. Um die Ergebnisse der Versuche messtechnisch bewerten zu können, wird die Raman-Spektroskopie, die Längen Transfer Methode (TLM) und die 4 Spitzen Messung (4PP) verwendet. Die Arbeit beschäftigt sich auch mit den Grundlagen dieser Messmethoden. Für die Grunduntersuchungen wurden Versuche an monokristallinen Wafern durchgeführt. Für eine spätere industrielle Fertigung von Solarzellen wurden Versuche an polykristallinen Wafern durchgeführt. Für die Versuche werden zwei Arten von Phosphorsäure verwendet, zum einen industriereine Phosphorsäure und zum anderen hochreine Phosphorsäure. In der Vorbereitung werden die Probengeometrien und ihre Anpassung für die Messmethode erklärt. Ausgehend von der Einarbeitung in die Anlage wurde ein Plan für die Versuche festgelegt. Bei den Versuchen wurden die Prozessparameter hinsichtlich deren Einfluss auf die Konzentration der Dotierung untersucht und optimiert. Dabei ergab sich für den Flüssigkeitsdruck, dass dieser keinen großen Einfluss auf Prozess hat. Die maximale Bearbeitungsgeschwindigkeit in den Versuchen lag bei 200 mm/s. Bei der Reduzierung der Säurekonzentration zeigte sich, dass das Maximum für die Konzentration der Dotierung zu geringeren Pulsenergien verschoben wird. Bei den Versuchen wurden die Laserparameter bestimmt bei denen eine maximale Dotierung von 10^19 cm^-3 erzeugt werden konnte. Die Pulsfrequenz hatte bei der untersuchten Bearbeitungsgeschwindigkeit von 200 mm/s dabei keine Auswirkung auf den Dotierprozess. Der Kontaktwiderstand wurde mit der Längen Transfer Methode bei monokristallinen und polykristallinen Wafern untersucht. Bei monokristallinen Wafern wurde ein Kontaktwiderstand erreicht, die unter der Nachweisgrenze der TLM lag. Mit den Versuchen konnten die Parameter für das selektive Laserdotieren für eine Säurekonzentration von 15 % und eine Bearbeitungsgeschwindigkeit von 200 mm/s optimiert werden. Für die industrielle Fertigung von Solarzellen müssen jedoch noch Untersuchungen bei höherer Bearbeitungsgeschwindigkeit durchgeführt werden, um die geforderten Taktzeiten unter einer Sekunde zu realisieren.
  • This present work deals with the study of selective laser doping with LCP - technology of silicon surfaces with phosphoric acid. This selective high doping is meant to reduce the contact resistance under metal contacts on the silicon surface, in order to increase the efficiency of silicon solar cells. That is why this paper deals first for the tests relevant properties of semiconductors and fundamentals for laser chemical processing. In order to evaluate the results, the Raman spectroscopy, the lengths transfer method and the 4-point probe measurement is used. Therefore, the work deals with the basics of these measurement methods. In the experiments monocrystalline wafers were used for basic studies and polycrystalline wafers were studied for future industrial production. Two types of phosphoric acid were used for the experiments. One was industrial pure phosphoric acid and the other was high-purity phosphoric acid. The sample geometries and their adaptation for the measurement methods are explained in the preparing of the sample. Starting from the incorporation into the system, a plan for the experiments was set. In the experiments, the process parameters were tested and optimized. They showed that the fluid pressure has no great influence on the process. The machining speed was examined to their maximum of 200 mm/s. The reduction of acid concentration shows that doping maximum is shifted to smaller pulse energies of the laser. In the experiments, the laser parameters were determined at which a maximum doping could be produced of 10^19 cm^-3. The pulse frequency was at the investigated processing speed of 200 mm/s and had no effect on the doping process. The contact resistance was observed with the lengths transfer method in monocrystalline and polycrystalline wafers. In the case of monocrystalline wafers, a contact resistance was achieved, which was below the detection limit of the TLM. With the tests, the process parameters for an acid concentration of 15 % and a processing speed of 200 mm/s could be optimized. But for industrial production studies at a higher processing speed are needed.

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Metadaten
Author:Jeremy Lindner
Document Type:Bachelor Thesis
Language:German
Name:ITW e.V. Chemnitz
Neefestraße 88, 09116 Chemnitz
Date of Publication (online):2018/02/22
Year of first Publication:2015
Publishing Institution:Westsächsische Hochschule Zwickau
Date of final exam:2015/12/14
Release Date:2018/02/22
Tag:Laserdotieren; Phosphorsäure; Silizium; Solarzelle; Wirkungsgrad
Page Number:60 Seiten, 52 Abb., 9 Tab., 17 Lit.
Faculty:Westsächsische Hochschule Zwickau / Physikalische Technik, Informatik