Laserbasierte thermische Prozessierung

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Laserbasierte thermische Prozessierung eines Silicium-Wafers.

In der Solarzellenherstellung sind thermische Prozesse, essenziell. Die Prozessqualität wird dabei maßgeblich durch die Temperatur und deren zeitlichen Verlauf bestimmt. Daher spielt die genaue Regelung bzw. Kontrolle der Temperatur eine entscheidende Rolle, um eine hohe Prozessqualität zu erreichen. In Industrieöfen werden dazu häufig Infrarotstrahler (IR)-Strahler als Wärmequellen eingesetzt. Hierbei dient ein Großteil der Leistung zur Erwärmung der Kammerwände und der Prozessatmosphäre. Dabei werden die erreichbaren Heiz- und Kühlraten bei einem ruhenden Substrat, neben der Bestrahlungsstärke der IR-Strahler, hauptsächlich durch die thermische Masse der zu erwärmenden Prozesskammer bestimmt. Diese weist typischerweise eine hohe thermische Masse auf, wodurch nur langsame Temperaturänderungen möglich sind. Eine vollflächige Laserbestrahlung stellt eine alternative Energie- bzw. Wärmequelle zu den IR-Strahlern dar. Die Erwärmung des Zielsubstrats erfolgt dabei ausschließlich durch Absorption der Laserenergie. Dies 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 600 K/s, bei einer Prozessierung unter Luftatmosphäre und bei Raumtemperatur. Zudem ermöglicht die direkte Einkopplung der Bestrahlungsenergie ins Zielsubstrat eine komplexe Temperaturführung. 

Hochtemperatur-Temperschritt eines Siliziumkarbidsubstrats
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Hochtemperatur-Temperschritt eines Siliziumkarbid (SiC)-Substrats im laserbasierten Rapid Thermal Processing (RTP)-Aufbau am Fraunhofer ISE: Bestrahlungsstärke bis zu 4000 kW/m²; Heizraten bis zu 600 K/s; Temperaturen bis zu 1700 K.

Ein am Fraunhofer ISE konzipierter laserbasierter Rapid Thermal Processing (RTP)-Aufbau dient zur Untersuchung und Evaluation neuartiger Anwendungsbereiche für eine vollflächige, laserbasierte Wärmebehandlung. Der Forschungsschwerpunkt liegt dabei insbesondere auf Wärmebehandlungen, welche einerseits vom Wärmeeintrag und andererseits von der Ladungsträgerinjektion profitieren. Das breite Anwendungsspektrum umfasst neben Wärmebehandlungen mit einer komplexen Temperaturführung und Hochtemperatur-Temperschritten auch vielfältige Anwendungsmöglichkeiten in der Photovoltaik. Darunter zählen z.B. die Regeneration des Bor-Sauerstoff (BO)-Defekts oder die Unterdrückung der Licht- und Temperatur-induzierten Degradation (Engl.: Light and elevated Temperature Induced Degradation, LeTID).

Beispielhaftes Temperaturprofil
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Beispielhaftes Temperaturprofil zur Veranschaulichung der Flexibilität in der Prozessgestaltung.

Anwendungsmöglichkeiten der laserbasierten RTP-Technologie

  • Wärmebehandlungen mit einer komplexen Temperaturführung und Hochtemperatur-Temperschritte
  • Annealingschritte, wie z.B. zur Kantenpassivierung von Halbzellen
  • Light Soaking bei moderatren 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)

Unser Leistungsangebot:

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