Nichtlineare Absorption von ultra-kurzen Laserimpulsen in dünnen dielektrischen Schichten - Kann eine Laserstrukturierung schädigungsfrei sein?

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1 Nichtlineare Absorption von ultra-kurzen Laserimpulsen in dünnen dielektrischen Schichten - Kann eine Laserstrukturierung schädigungsfrei sein? Gerrit Heinrich CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik und Photovoltaik GmbH Fachbereich Photovoltaik

2 Inhalt _ Strukturierung von dielektrischen Schichten? Wie wird eine dielektrische Schicht per Laser entfernt? Schädigung bei der Laserstrukturierungen? Zusammenfassung 2

3 Strukturierung von dielektrischen Schichten Ni/Cu/Sn-Kontakte auf der Frontseite Rückseitenkontakt Frontseitenkontakte dielektrische AR-Schicht Phosphor-dotiertes Si Bor-dotiertes Si Rückseitenkontakt 3

4 Strukturierung von dielektrischen Schichten Photolithographie + sehr kleine Strukturbreite (<<1 µm) + selektives Entfernen - teuer - zeitintensiv Alternativen Ätzen mit Ätzpaste + kostengünstig + selektives Entfernen - Strukturbreite > 40 µm - zeitintensiv Entfernen mittels Laserstrahlung + kostengünstig + sehr hohe Prozessgeschwindigkeit + kleine Strukturbreite (<30µm) + kontaktfreie Prozessierung - selektives Entfernen? Anforderung an Öffnungsprozess - kostengünstig - schneller Prozess - kleine Strukturbreite (< 40 µm) - selektives Entfernen Wie wird eine dünne dielektrische Schicht ablatiert? 4

5 Wie wird eine dünne dielektrische Schicht ablatiert? Lokale Laserablation der Antireflexionsschicht Siliziumnitrid - abgeschieden mit PECVD 1 - amorph - wasserstoffhaltig (< 20%) - Dicke: 100 nm Gruppe A Gruppe B Substrat - Silizium Brechungsindex 1,9 2,1 ~ nm 1 PECVD: Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition 5

6 Wahl des Lasers - Pulsdauer fs ps ns Absorption Schmelzen Verdampfen 1 fs (10-15 s) zu 1 s entspricht 1 s zu Jahre Verfestigung des Materials µs log(t) fs-laserpulse: zeitliche Trennung von Absorption und thermischen Effekten Bäuerle, D.: Laser Processing and Chemistry, 3. Ausgabe, Springer Verlag (2000) 6

7 Laser I I 0 Energieeintrag t < 1 ps I th - Verdampfen von SiN x - Verdampfen von Si - Schmelzen von Si I Intensität w 0 Gauß scher Strahlradius Wellenlänge nm (~1,2 ev) Pulsdauer Pulsprofil 300 fs Gauß förmig I 0 e -2 w 0 0 w 0 r,t 7

8 Absorption von Photonen in Halbleitern und Dielektrika normale lineare Absorption von Photonen mit einer Photonenenergie E ph - größer oder gleich der Bandlücke E g 1,0E+07 Ein-Photonen- Absorption linearer Absorptionskoeffizient [1/cm] 1,0E+06 1,0E+05 1,0E+04 1,0E+03 1,0E+02 1,0E+01 E g ~2,6 ev E g ~3,4 ev SiNx n=1.9 SiNx n=2.1 Silizium Wellenlänge [nm] 1025 nm E ph ~1,2 ev E g ~1,1 ev IR fs-laserpuls: beide SiN x -Schichten sind transparent Absorption nur in Si? 8

9 Absorption von Photonen in Halbleitern und Dielektrika normale lineare Absorption von Photonen mit einer Photonenenergie E ph - größer oder gleich der Bandlücke E g - kleiner als der Bandlücke: - Mehrphotonen-Absorption (hohe Laserintensität fs-laserpuls) - Lawinen-Ionisation (hohe Laserintensität fs-laserpuls) Mehrphotonen- Ein-Photonen- Absorption Absorption* Lawinen-Ionisation* Nichtlineare Absorption: SiN x -Schichten absorbieren? Bäuerle, D.: Laser Processing and Chemistry, 3. Ausgabe, Springer Verlag (2000) 9

10 Ablationsmechnismen + Absorption t < 1 ps Schmelzen und Verdampfen t ~ 1-50 ps* nach Ablation t > 30 ns* Lift-off** direkte Ablation * Sokolowski-Tinten et al. Phys. Rev. Let. Vol. 81, No. 1 p. 224 (1998) ** Herman et al, JAP 108, (2010) 10

11 Mikroskopische Analyse Lichtmikroskop Rasterelektronenmikroskop (REM) EDX-Karte Stickstoff K a Gruppe A (n = 1,9) Lift-off** Gruppe B (n = 2,1) direkte Ablation 11

12 Gruppe A (n=1,9) Lift-off Gruppe A (n = 1,9) REM-Aufnahme Heinrich et al. Applied Surface Science 278 (2013)

13 Gruppe B (2,1) direkte Ablation? - SiN x -Schicht wird direkt schichtweise abgetragen - Rand: Aufwölbung der SiN x -Schicht partielldirekte Ablation Transmissionselektronenmikroskop- (TEM)-Aufnahme 13

14 Heller Ring - Keine Laserbeeinflussung der SiN x -Schicht - a-si Schicht unterhalb der SiN x - Schicht detektiert - a-si endet dort wo auch heller Ring endet TEM-Aufnahmen Schädigung von c-si! Heinrich et al. Applied Surface Science 278 (2013)

15 Schädigungen durch fs Laserpulse I I I 0 I verdampfen SiNx direkte Ablation Lift-off I verdampfen SiNx I verdampfen Si Si schmelzen Amorphisierung I schmelzen Si Top Hat Si erwärmen Generation von Defekten r r 15

16 Zusammenfassung _ - Einfluss der dielektrischen Schicht - Geringe Änderung der chem. Zusammensetzung: Lift-off <-> Direkte Ablation - Direkte Ablation durch nichtlineare Absorption - Voraussetzung für schädigungsfreie Ablation - Direkte Ablation - Top Hat 16

17 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit _ Die Autoren danken für die finanzielle Unterstützung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung im Rahmen des Spitzencluster-Wettbewerbes unter der Förderungskennzeichnung 03SF0386F (PV-Laser). 17

18 CiS Forschungsinstitut Kontakt CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik und Photovoltaik GmbH Konrad-Zuse-Straße Erfurt Geschäftsführer: Dr. H-J. Freitag 18

19 Gruppe B (2,1) Einfluss der Pulsdauer - Übergang von quasidirekter Ablation zu Lift-off - Nichtlineare Absorption nur bei sehr hoher Intensität t p 300 fs fs * I ~ t p fs Gerrit Heinrich, Dissertation Stand *Heinrich et al. Energy Procedia Vol. 27 (2012)

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