Schädigungsfreie Ablation dielektrischer Schichten auf Silizium mittels ultrakurzer Laserimpulse

Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem laserinduzierten Absprengen dünner dielektrischen Schichten von Silizium (typische Passivierungsschichten auf Solarzellen). Hierfür wurden Impulse mit Pulsdauern zwischen 50 fs und 2 ps sowie Wellenlängen zwischen 266 nm und 10 µm verwendet. Für ein vollständiges Verständnis dieses Prozesses wurden bei verschiedenen Pulsenergien ablatierte Flächen mit einer breiten Auswahl an Untersuchungsmethoden, z.B. Lichtmikroskopie, AFM, REM, TEM und Raman-Spektroskopie charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen eindeutig, dass ein Absprengen dielektrischer Schichten ohne Schädigung des Siliziums mit Femtosekunden-Laserimpulsen möglich ist. Hierfür ist es nötig, dass unterhalb des Dielektrikums wenige nm Silizium nichtthermisch verdampft werden, was zu einer lokalen Druckerhöhung und anschließend zum Absprengen des Materials führt. Dieser Prozess und der Einfluss verschiedener Laserparameter hierauf werden ausführlich diskutiert.

This work deals with the process of laser induced blast off of thin dielectric layers on silicon – typically used as passivation layers on solar cells. The study was done using laser pulses with durations between 50 fs and 2 ps, at wavelengths between 266 nm and 10 µm. To get a comprehensive understanding of this process at different pulse energies, irradiated areas have been characterized with a broad selection of analytical methods, e.g. light microscopy, AFM, REM, TEM and Raman spectroscopy. The obtained results clearly show that a selective blast off of dielectric layer without damaging the silicon is possible using femtosecond laser pulses. For this, it is necessary to make a non-thermal vaporization of only a few nm silicon beneath the dielectric layer. This leads to a local increase of pressure and afterwards to a blast off of the material. The process as well as the influence of different laser parameters on it is discussed in detail.