Laserbasierte thermische Prozessierung

Wir forschen am Fraunhofer ISE an Lasern als alternative Wärmequelle für die Beheizung von Industrieöfen. Thermische Prozesse sind bei der Herstellung von Solarzellen essenziell, z. B. für Kontakt-Annealing, die Unterdrückung von LeTID (licht- und temperaturinduzierter Degradation), die Regeneration von BO-Defekten (Bor-Sauerstoff), die Perowskit-Kristallisation oder das Wasserstoff-Engineering. Nicht nur die Photovoltaik, sondern auch andere Branchen wie die Leistungselektronik oder die Brennstoffzellenproduktion erfordern eine fortschrittliche Wärmebehandlung zum Annealing oder zum Trocknen und Sintern von Pasten und Pulvern. Laserbasierte Wärmeverfahren ermöglichen ein hohes Maß an Flexibilität hinsichtlich zeitlicher Modulation und räumlicher Steuerung. Wir verringern die Prozesszeiten bei gleichzeitiger Steigerung der Produktqualität. Auf diese Weise lassen sich auch Kosten- und Energiebilanz optimieren.

Bei allen Anwendungen wird die Prozessqualität maßgeblich durch die Temperatur, ihre räumliche Verteilung und deren zeitlichem Verlauf bestimmt und die genaue Regelung bzw. Kontrolle der Temperatur spielt eine entscheidende Rolle. In Industrieöfen werden dazu häufig Infrarotstrahler (IR)-Strahler als Wärmequellen eingesetzt. Hierbei dient ein Großteil der Leistung zur Erwärmung der Kammerwände und der Prozessatmosphäre. Diese hohe thermische Masse erlaubt nur langsame Temperaturänderungen und die Systeme stoßen bzgl. Leistung, Heizraten und Schaltzyklen an ihre Grenzen.

Laser hingegen adressieren die obigen Herausforderungen ideal. Die Erwärmung des Zielsubstrats erfolgt dabei ausschließlich durch Absorption der Laserenergie. Das führt zu einer selektiven Erwärmung des Substrats. Die Heiz- und Kühlraten werden im Wesentlichen von der thermischen Masse des Zielsubstrats und dessen optischen Eigenschaften bestimmt. Dies ermöglicht beispielsweise eine Erwärmung eines Siliziumkarbid (SiC)-Substrats auf 1700 K mit Heizraten von über 600 K/s. Zudem ist durch die direkte Einkopplung der Bestrahlungsenergie ins Zielsubstrat eine komplexe Temperaturführung möglich.

Wir kombinieren vollflächige Hochleistungswärmeinduktion mit schneller zeitlicher Modulation und räumlicher Steuerung. Durch die verkürzte Prozesszeit und die erhöhte Produktqualität werden auch die Kosten- und Energiebilanz des Verfahrens optimiert.

Die Forschung konzentriert sich insbesondere auf Hochraten-Wärmebehandlungen (rapid thermal processing – RTP), die einerseits vom Wärmeeintrag und andererseits von der Ladungsträgerinjektion profitieren. Wir führen die Prozessentwicklung und Maschinenkonstruktion simultan durch und modellieren und optimieren damit die Wärmeinduktion im Material direkt innerhalb der gegebenen industriellen Rahmenbedingungen. Darüber hinaus wenden wir ein innovatives Parameter-Screening-Verfahren an, das es ermöglicht, das optimale Prozessfenster mit nur wenigen Proben zu bestimmen.

Anwendungsmöglichkeiten der laserbasierten RTP-Technologie

• Wärmebehandlungen mit einer komplexen Temperaturführung und Hochtemperatur-Temperschritte
• Annealingschritte, wie z.B. zur Kantenpassivierung von Halbzellen
• Light-Soaking bei moderaten Temperaturen von SHJ-Solarzellen
• Bor-Sauerstoff (BO)-Regeneration
• Simultane BO-Regeneration und Kontakttempern von Ni/Cu/Ag-geplateten Kontakten
• Unterdrückung von light and elevated temperature induced degradation (LeTID)

Unsere FuE-Leistungen im Arbeitsgebiet »Laserbasierte thermische Prozessierung« umfassen:

• Entwicklung von innovativen Prozesslösungen
• Detaillierte Analyse der resultierenden elektronischen, optischen und funktionalen Eigenschaften
• Entwicklung von Bauteilen und Anlagen-Prototypen
• Thermische Prozesssimulationen