Sensitive Spurenanalytik

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Die ICP-MS wird mit Proben bestückt.

Wir bieten umfangreiche chemische Analytik für Kunden aus der Photovoltaik-Branche. Der Kernbereich unserer F&E-Leistungen ist die Ultraspurenanalyse in allen relevanten Materialien: Silizium, Silan, CIGS, Quarztiegel, Sägeslurry u.a. Neben der Bestimmung von Gesamtkonzentrationen bis in den niedrigen ppb-Bereich stehen auch Methoden für die lokal aufgelöste Analyse zur Verfügung. Einen weiteren Schwerpunkt bildet die chemische Charakterisierung von Oberflächen und Grenzschichten. Ob Metalle, Dotierstoffe, organische Kontaminationen oder Oberflächenenergie – alle Methoden sind an die besonderen Reinheitsanforderungen von Halbleitermaterialien angepasst.

Je nach Kundenwunsch bieten wir sowohl einfache Analytik-Dienstleistungen als auch Ursachenaufklärungen und komplexe Problemlösungen an.

Leistungen

  • Ultraspurenanalyse im Volumen: quantitative Bestimmung von Kontaminationen und Dotierstoffen
  • Oberflächen- und Interfaceanalytik: quantitative Bestimmung anorganischer / organischer Kontaminationen sowie der Oberflächenenergie
  • Entwicklung angepasster analytischer Methoden z.B. für Prozessüberwachung und Qualitätskontrolle
  • Beratung und Training zum Thema Spurenanalyse
  • Rent-a-Scientist

Beispiele

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Experimenteller CZ-Siliziumkristall und Höhenverlauf der Verunreinigungsgehalte (Beispiel: Aluminium).

Ultraspurenanalyse in Feststoffen

Eine hohe Reinheit der Ausgangsmaterialien ist die Grundvoraussetzung für leistungsstarke Solarzellen und Halbleiterbauelemente. Dem entgegen steht der Kostendruck auf die Fertigungsprozesse. Die hochsensitive quantitative Bestimmung der Fremdelemente in Feedstock, Kristallen und Wafern kann helfen, die notwendige Materialqualität zu sichern und energieintensive Prozesse zu optimieren.

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Schematischer Ablauf der schichtspezifischen Elementanalyse.

Schichtspezifische Elementanalyse

Bearbeitungsschritte wie Sägen, Cracken und Schleifen verursachen Oberflächenkontaminationen, welche auch in tiefere Schichten migrieren können. Eine sensitive schichtspezifische Elementanalyse kann helfen herauszufinden, wo welche Verunreinigung lokalisiert ist und wie eine effiziente Reinigung erfolgen kann. Die Analyse von Wafern, Brocken, Granulat oder Pulverproben erfolgt durch schichtspezifische Ätzschritte und anschließende ICP-MS-Analyse.

  • Wahl, S., Meyer, S., Hagendorf, C., Localization of inorganic impurities in silicon samples by sequential etching and ICP-MS detection, 6th International Conference on Silicon Photovoltaics, SiliconPV 2016 (auf Sciencedirect)
     

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Ermittelte Oberflächenspannung nach Kontaktwinkelanalyse.

Charakterisierung von Waferoberflächen

Unabhängig vom Halbleitertyp beeinträchtigen anorganische und organische Verunreinigungen auf Waferoberflächen die nachfolgenden Prozessschritte sowie die finale Bauteilfunktion. Die quantitative Bestimmung der physiko-chemischen Oberflächeneigenschaften ermöglicht eine zuverlässige Produkt- und Prozessüberwachung. Neben der Oberflächen-TOC (total organic carbon) -Analyse zur integralen Quantifizierung der organischen Verunreinigungen und dem Kontaktwinkelmapping zur Bestimmung der Homogenität der Oberflächenenergie können metallische Kontaminationen sensitiv und quantitativ mittels SE (surface extraction) -ICP-MS erfasst werden.

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Molekülschema Hexachlordisilan (HCDS).

Sensitive Spurenanalyse in Hexachlordisilan

Hexachlordisilan (HCDS) wird heute in der Mikroelektronik als Precursor insbesondere für die Abscheidung von Schichten aus Siliciumnitrid und Siliciumoxinitrid eingesetzt. Es kommt anstelle von monomeren Precursoren dort zum Einsatz, wo besonders niedrige Temperaturen für CVD-Abscheidungsprozesse gefordert sind. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an die Reinheit vor allem in Bezug auf metallische Verunreinigungen, die durch Diffusion Schäden in aktiven Regionen der Schaltkreisstruktur produzieren könnten. Mit Nachweisgrenzen von für die meisten Elemente deutlich unter 1 pbb können am Fraunhofer CSP sensitive und zuverlässige Analysen von HCDS durchgeführt werden.

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Quantitative Elementanalyse in CIGS-Solarzellen.

Quantitative Elementanalyse in CIGS-Solarzellen

Die quantitative Elementanalyse ist auch für Hersteller von CIGS Solarzellen interessant. Für die Qualitätskontrolle oder die Prozessoptimierung können schichtselektiv sowohl die Matrixelemente der TCO-, Puffer- und Absorberschicht als auch die darin enthaltenen Spurenelemente analysiert werden. Dies geschieht durch serielles Ablösen der einzelnen Schichten mit geeigneten Ätzlösungen und anschließender quantitativer Bestimmung der Elementkonzentration in den Lösungen mittels ICP-OES oder ICP-MS. Die Methode ist für alle Substrattypen geeignet und es konnte gezeigt werden, dass die Ergebnisse mit Referenzmethoden wie ToF-SIMS oder XRF vergleichbar sind.

K. Kaufmann, S. Wahl, S. Meyer, E. Jarzembowski, C. Hagendorf : Quantitative Analysis of Matrix Elements and Sodium in Photovoltaic Cu(In, Ga)Se2 Thin Films by the Use of Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry; 31st European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition 2015.