Métrologie en ligne à haute résolution spatiale sur le silicium multicristallin

Les mesures non destructives de la durée de vie des porteurs minoritaires sont une technique bien établie et largement utilisée pour le contrôle des processus et la caractérisation des défauts dans le silicium cristallin. Notre outil MDPinline permet de cartographier la durée de vie des porteurs minoritaires avec une combinaison jusqu’à présent inégalée de résolution spatiale, de sensibilité et de vitesse de mesure. Les outils MDP inline permettent de cartographier des plaquettes entières avec une résolution de 2,8 mm jusqu'à (156 x 156 mm) en moins d'une seconde

Lorsqu'il s'agit de mesurer des plaquettes brutes, il faut tenir compte du fait que ce n'est pas la durée de vie réelle du volume qui est mesurée, mais la durée de vie effective, qui comprend la recombinaison en surface et dans le volume.

Par conséquent, la durée de vie mesurée d’une plaquette telle que croûte d’une épaisseur de 200 μm est limitée à environ 2,3 μs. Cependant, si la durée de vie intrinsèque est très faible, elle dominera la durée de vie effective, ce qui permettra de détecter une qualité médiocre. La figure 1 présente la carte de durée de vie d'une plaquette multicristalline telle qu'elle est sortie du four, prise au niveau du bord d'un coulage. Le bord de mauvaise qualité, dû au contact avec le creuset, se distingue facilement des parties de meilleure qualité.

Classification des matériaux

L'outil en ligne MDP est capable de classer les plaquettes dans un maximum de 15 classes de qualité. Pour ce faire, différents paramètres caractéristiques sont pris en compte, tels que la moyenne arithmétique, la moyenne harmonique, la moyenne selon J. Isenberg, la médiane et l'écart-type. Il convient de noter qu'il n'existe pas de corrélation directe entre la durée de vie effective et le rendement des cellules solaires, car le processus de fabrication des cellules affecte différemment certaines zones des lingots. Le logiciel développé pour cet outil détermine également divers paramètres liés au processus ainsi que les zones périphériques de mauvaise qualité des plaquettes. La combinaison des moyennes de durée de vie et de l'écart-type permet une très bonne classification de la qualité du matériau. La figure 2 présente une classification exemplaire de trois plaquettes provenant de la partie inférieure, médiane et supérieure d'un lingot. Il est même possible de distinguer les plaquettes de la partie inférieure de celles de la partie supérieure du lingot. Les plaquettes de la partie inférieure présentent souvent une concentration plus élevée en oxygène et en défauts, ce qui se traduit par une durée de vie moyenne plus faible. Les plaquettes de la partie supérieure ont souvent une faible durée de vie en raison d’impuretés métalliques, d’une concentration élevée en azote et en carbone, ainsi que de ségrégations de SiC, Si3N4 et d’autres défauts de cristallisation.

Surveillance et reconnaissance des défauts cristallins

Une étude approfondie a été menée pour la surveillance et la reconnaissance des défauts cristallins, au cours de laquelle des plaquettes spécifiques présentant des configurations de défauts particulières ont été mesurées. Cette étude a permis de déterminer des résultats caractéristiques pour différents défauts cristallographiques. Parmi les défauts les plus abondants figurent les ségrégations de Si3N4 et de SiC, qui entraînent des shunts dans la cellule solaire. Dans les cartes de durée de vie MDP, ces défauts entraînent une très forte hétérogénéité et un pourcentage élevé de pixels dont la durée de vie est inférieure à 0,2 μs. Les deuxièmes défauts cristallins les plus abondants sont les structures microcristallines présentes dans la plaquette. Ces structures entraînent une durée de vie très faible, ainsi qu'une faible hétérogénéité. En combinaison avec un testeur de fissures, ces plaquettes microcristallines peuvent être identifiées et distinguées des plaquettes présentant des ségrégats.

Surveillance des fours

Une autre application utile est la surveillance des propriétés du four. Les complications dans le processus de croissance peuvent être détectées et les propriétés du four optimisées. Les figures 4 et 5 montrent deux exemples des applications possibles mentionnées ci-dessus.

Sur la figure 4, la moyenne de 5 lingots, qui ont été cultivés dans différents fours, a été représentée en fonction de la hauteur des lingots. Il apparaît clairement que des propriétés de four différentes entraînent des pentes différentes dans la partie inférieure et supérieure des lingots. Par exemple, les fours 2 et 5 diffèrent d'environ 30 % au niveau de la pente inférieure, et les fours 2 et 4 d'environ 50 % au niveau de la pente supérieure. Ces informations permettent d'optimiser le four.

La figure 5 présente l'abondance d'un paramètre cristallographique, caractéristique de la qualité du matériau. Une valeur élevée indique une faible qualité et vice versa. L'abondance de ce paramètre est représentée pour les plaquettes issues de différentes semaines de production. Plusieurs milliers de plaquettes ont été analysées. La semaine 4 présente un pourcentage plus élevé de plaquettes présentant un paramètre cristallographique élevé. Il semble y avoir eu des contaminations dans la matière première ou un facteur influençant le processus de croissance, ce qui peut être détecté grâce aux mesures MDP. De cette manière, les problèmes peuvent être retracés jusqu'à leur origine et ainsi être éliminés efficacement.

D'autres applications, notamment pour les lingots, sont présentées dans d'autres études de cas.

Les cartographies en ligne des plaquettes et des lingots tels qu'ils sont obtenus constituent un outil polyvalent pour la détection, par exemple, de défauts de cristallisation à un stade précoce du processus de production. Avec les outils MDP MDPingot et MDPinline, une caractérisation électrique complète des plaquettes est possible à une cadence pouvant atteindre une plaquette par seconde. Outre la durée de vie effective des porteurs minoritaires, la résistivité est également mesurée. Grâce à ces analyses de chaque plaquette individuelle, une grande variété d'applications est possible, telles que le contrôle des processus, l'amélioration du rendement et des processus, ainsi qu'une mise en route rapide de toute nouvelle ligne de production ou de tout nouveau processus. Dans les applications en ligne, cela ouvre tout un éventail de nouvelles possibilités pour une optimisation hautement efficace des produits et des processus de production, ainsi qu'une amélioration du rendement.

Pour plus d'informations, voir :
[1] K. Dornich, N. Schüler, D. Mittelstrass, A. Krause, B. Gründig-Wendrock, K. Niemietz, J.R. Niklas, Actes du 24e congrès PVSEC de Hambourg (2009), à paraître