QUANTITATIVE ANALYSE VON KONTAMINATIONEN AUF HALBLEITER- MATERIALIEN

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1 QUANTITATIVE ANALYSE VON KONTAMINATIONEN AUF HALBLEITER- MATERIALIEN AOFA 2016, Soest 6. September 2016 Sylke Meyer,, Sebastian Timmel Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP Otto-Eißfeldt-Str. 12, Halle (Saale)

2 Motivation Materialien (Sägedraht, Slurry ) Prozesschemikalien menschliche Organik Raumumgebung verändertes Ätzverhalten Probleme bei Beschichtung unregelmäßige Pyramidenstrukturen erhöhte Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit 2

3 Motivation Materialien (Sägedraht, Slurry ) Prozesschemikalien menschliche Organik Raumumgebung verändertes Ätzverhalten Probleme bei Beschichtung unregelmäßige Pyramidenstrukturen erhöhte Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit Günstige und routinetaugliche Methoden für die quantitative Analyse von Verunreinigungen benötigt 3

4 Übersicht der Analysenmethoden HF/HNO 3 H 2 O CH 2 I 2 Kontaktwinkel Θ Flk. Siliziumwafer ICP-MS-Analyse Integral Anorganik TOC-Analyse Integral Organik Kontaktwinkel-Messung Lateral Organik 4

5 Methoden zur Oberflächenextraktion SE-ICP-MS und SE-TOC Oberflächenextraktion Sandwich-Methode [1] HF/HNO 3 Oberflächenextraktion Tropfen-Methode Analyse mittels: TOC (Organik) ICP-MS (Anorganik) [1] F. Buchholz, E. Wefringhaus, S. Eisert, H. Egenolf, A. Groß: EU PVSEC Proceedings (2011), p

6 LOD [Atome/cm²] Quantifizierung anorganischer Verunreinigungen SE-ICP-MS Quantitative Bestimmung der anorganischen Oberflächenkonzentration Extraktion mittels Sandwich-Methode / Tropfen-Methode Integrale Methode zur Analyse von Waferoberflächen Sensitivität elementabhängig im Bereich 10 7 bis Atome/cm 2 1,0E+12 1,0E+11 1,0E+10 1,0E+09 1,0E+08 1,0E+07 Al P Ca Mg B Na Fe Ti Zn K Cr Ni Ge Mn V Cu Co W Pt Pb 6

7 Gehalt [Atome/cm²] Ergebnisse ICP-MS Verschiedene Vorreinigungen #1: destilliertes Wasser #2: 10 Vol.-% NaOH / IPA (1:1) Batch #1 Batch #2 1,0E+15 1,0E+13 1,0E+11 1,0E+09 Na Mg Al Ca Ti V Cr Mn Fe Ni Cu Zn Mo Ag Cd Sn Sb Pb K Batch #1 Batch #2 7 [2] Meyer, S., Wahl, S., Timmel, S., Köpge, R., & Jang, B. Y. (2016). The impact of wafering on organic and inorganic surface contaminations. Applied Surface Science, 378,

8 Gehalt [Atome/cm²] Ergebnisse ICP-MS Verschiedene Vorreinigungen #1: destilliertes Wasser #2: 10 Vol.-% NaOH / IPA (1:1) Batch #1 Batch #2 1,0E+15 8,0E+14 Faktor 16 erhöht 6,0E+14 4,0E+14 2,0E+14 Faktor 4 erhöht Faktor 12 erhöht 0,0E+00 Na Mg Al Ca Ti V Cr Mn Fe Ni Cu Zn Mo Ag Cd Sn Sb Pb K Batch #1 Batch #2 8 [2] Meyer, S., Wahl, S., Timmel, S., Köpge, R., & Jang, B. Y. (2016). The impact of wafering on organic and inorganic surface contaminations. Applied Surface Science, 378,

9 Quantifizierung organischer Verunreinigungen SE-TOC Quantitative Bestimmung der organischen Oberflächenkonzentration Extraktion mittels Sandwich-Methode / Tropfen-Methode Messgröße: gesamter organischer Kohlenstoff (total organic carbon, TOC) Schnelle und integrale Methode für Wafer aus verschiedenen Materialien Bisher getestet: Silizium-Wafer, Germanium-Wafer Sensitivität bis C-Atome/cm 2 Wiederfindungsrate > 95 % (getestet bis 2,5E16 C-Atome/cm²) 9 [3] Meyer, S.; Timmel, S.; Hagendorf, C.: Rapid determination of organic contaminations on wafer surfaces. In: Solid State Phenomena 219 (2014) ; 6438/2014 multi N/C UV HS (Analytik Jena)

10 156 mm Quantifizierung organischer Verunreinigungen Kontaktwinkelmessungen Quantitative Bestimmung der Oberflächenenergie Messgrößen: Kontaktwinkel von H 2 O und CH 2 I 2 30-Punkte-Raster Berechnung der Oberflächenenergie nach Modell von Owens & Wendt [4] Schnelle und laterale Methode für Waferoberflächen Gute Korrelationen mit TOC-Messergebnissen Dataphysics OCA mm Kontaktwinkel Θ [4] D. Owens, R. Wendt: Estimation of the Surface Free Energy of Polymers. In: J. Appl. Polym. Sci 13 (1969) Flk. Siliziumwafer 10

11 Oberflächen- energie 156 mm TOC [ng/cm²] Oberflächenanalytik organischer Kontaminationen Bsp.: Oberflächencharakterisierung im Solarzellprozess Raw wafer 30 Textu ring Rinse 1 HF/ HCl Rinse 2 Dry ing RCA clean sample 1 sample 2 sample 3 sample 4 sample 5 LOD mn/m Surface Energy [mn/m] Wafer Wafer mm Wafer [5] Meyer, S., Wahl, S., Timmel, S., Köpge, R., & Jang, B. Y. (2016). The impact of wafering on organic and inorganic surface contaminations. Applied Surface Science, 378, Wafer

12 TOC [ng/cm²] Oberflächenanalytik organischer Kontaminationen Bsp.: Oberflächencharakterisierung im Solarzellprozess Raw wafer 30 Textu ring Rinse 1 HF/ HCl Rinse 2 RCA clean Dry ing sample 1 sample 2 sample 3 sample 4 sample 5 LOD Schnelle und zuverlässige Oberflächencharakterisierung durch quantitative Bestimmung des organischen Kohlenstoffs (integral) und der Oberflächenenergie (lateral). 12 [5] Meyer, S., Wahl, S., Timmel, S., Köpge, R., & Jang, B. Y. (2016). The impact of wafering on organic and inorganic surface contaminations. Applied Surface Science, 378,

13 156 mm Oberflächenenergie [mn/m] Korrelation SE-TOC und Oberflächenenergie mm lateral aufgelöst TOC [ng/cm²] integral Keine Information über die Zusammensetzung der Organik 13 [6] Meyer, S., Wahl, S., & Nehm, R.: Automated high through-put sample preparation for trace element analysis in silicon. 8 th International Workshop on Crystalline Silicon for Solar Cells, Bamberg; 05/2015.

14 156 mm Zusammenfassung Integrale Methoden Anorganik: ICP-MS Organik: TOC 156 mm Laterale Methode Organik: Kontaktwinkel Anorganische Analyse möglich mittels ICP-MS nur integral Sensitivität elementabhängig im Bereich 10 7 bis Atome/cm 2 Organische Analysen möglich mittels TOC und Kontaktwinkel Integral und lateral, allerdings nur Summenparameter TOC verfügbar Keine Information über die Zusammensetzung der Organik Gute Korrelation beider Methoden 14

15 Vielen Dank für Ihr Interesse! Kontakt: 15