Labo Online - Analytic, Labortechnik, Life Sciences
Home> Analytik> Spektroskopie>

Spurenverunreinigungen - TOC-Analyse in der Photovoltaik-Industrie

SpurenverunreinigungenTOC-Analyse in der Photovoltaik-Industrie

Bestimmung organischer Spurenverunreinigungen auf Wafer-Oberflächen. Da im Photovoltaik-Markt eine Wettbewerbsverschärfung zu beobachten ist, kann die Verbesserung von Produktqualität und Solarzellenfunktion entscheidende Vorteile bringen. Die Effizienz von Solarzellen hängt in hohem Maße nicht nur von der Reinheit des Silicium-Materials, sondern zunehmend auch von der Oberflächenqualität der Wafer ab [1].

Spurenverunreinigungen: TOC-Analyse in der Photovoltaik-Industrie

Neben anorganischen Kontaminationen mit Metallionen und Metalloxiden können bei der Wafer-Herstellung auch organische Kontaminationen eingetragen werden, die dann die nachfolgenden Prozesse der Herstellung der Silicium-Wafer für Solarzellen beeinträchtigen.

Zur Bestimmung organischer Rückstände auf Silicium-Wafer-Oberflächen steht als ein empfindliches und schnelles Verfahren die TOC-Messung (Total Organic Carbon = gesamter organischer Kohlenstoff) zur Verfügung. TOC ist ein gängiger Routineparameter in der Umweltüberwachung sowie auch für die Produktkontrolle und Prozesssteuerung in der pharmazeutischen und chemischen Industrie. Für den Probenaufschluss sind Analysatoren verfügbar, die entweder mit katalytischer Verbrennung oder mit Hilfe der UV-Persulfat-Oxidation arbeiten. Die Herausforderungen der TOC-Analytik bei Wafer-Oberflächen, wie Ultraspuren-Analyse und schwierige Probenmatrices, werden am besten von einem UV-basierten TOC-System wie z.B. dem multi N/C®UV HS von Analytik Jena gemeistert.

Anzeige
TOC-Analytik
Weitere Beiträge zuTOC-Analysatoren

Methode der Oberflächenextraktion und TOC-Analyse
Für eine schnelle und quantitative Messung organischer Oberflächenkontaminierung wurde die Wafer-Oberfläche zunächst als Sandwich extrahiert [2]. Zum Ätzen wurde eine Lösung aus HF : HNO3: H2O (1 : 1 : 23) verwendet. Der Arbeitsablauf ist schematisch in Bild 1 dargestellt.

Auf den Schritt der Oberflächenextraktion folgt die TOC-Analyse mit dem multi N/C® UV HS von Analytik Jena AG (Bild 2). Dieses TOC-Analysegerät verfügt über einen Arbeitsbereich von 0,002…10000 mg/l TOC und einen Dosierbereich von 50…20000 µl Probe mittels einer hochpräzisen Spritzenpumpe. Dank der hohen Empfindlichkeit eignet sich das System ausgezeichnet für die Ultraspuren-TOC-Analyse, und dank des auf lange Lebensdauer ausgelegten und leistungsstarken UV-Reaktor-Konzepts ist es ideal für robuste TOC-Analytik bei aggressiven Matrices wie z.B. HF/HNO3-Mischungen.

TOC-Analysator

Die UV-Strahlungsquelle ist direkt in den Reaktor integriert und ermöglicht auf diese Weise direkten Kontakt mit der Probe. Dabei wird nicht nur die übliche Wellenlänge von 254 nm zum Bestrahlen der Probe verwendet, sondern auch die kurze Wellenlänge von 185 nm, die energiereicher und somit wirkungsvoller ist. Diese Steigerung der Oxidationskraft des UV-Reaktors ist von Vorteil für den Aufschluss von Kohlenstoffverbindungen, die schwer zu zersetzen sind. Die Verwendung eines Oxidationsmittels (Natriumperoxodisulfat) ist mit dem multi N/C® UV HS frei wählbar und nicht zwingend erforderlich. Das ermöglicht eine hervorragende Anpassung an die jeweilige Applikation.

Mittels der NPOC-Methode (Non Purge-able Organic Carbon) wird der anorganische Kohlenstoff durch Ansäuern und Austreiben aus der Probe entfernt. Anschließend wird der organische Kohlenstoff quantitativ durch nasschemische und UV-Oxidation in CO2 umgewandelt und mit dem robusten Focus Radiation NDIR-Detektor® analysiert, welcher dank seines großen dynamischen Messbereichs ein flexibles Arbeiten im Routinebetrieb ermöglicht.

Spurenverunreinigungen: TOC-Analyse in der Photovoltaik-Industrie

Als Nachweisgrenze für organischen Kohlenstoff wurden 0,25 ng/cm2 ermittelt. Damit ist eine ausreichende Empfindlichkeit nach aktuellem Stand der Technik für Silicium-Wafer für Solarzellen gegeben (siehe untenstehende Ergebnisse). Wiederfindungsraten für mehrere organische Substanzen, die bei der Wafer-Herstellung häufig eingesetzt werden, wie zum Beispiel Polyethylenglycol oder Reinigungsmittel, wurden ermittelt. Bis zu einem Konzentrationsbereich von 200 ng/cm2 wurden hierbei zwischen 90 % (PEG) und 100 % (Reinigungsmittel) wiedergefunden. Das Konzentrationsniveau 200 ng/cm2 stellt dabei mehr als das 10-fache des gewöhnlichen Kontaminationsgrades dar.

Ergebnisse und Diskussion
Im ersten Test wurden Wafer aus unterschiedlichen Schritten der Solarzellenfertigung auf organische Oberflächenkontamination untersucht. Um die TOC-Belastung der Oberflächen zu ermitteln, wurden die Wafer mit einer HF/HNO3-haltigen Lösung angeätzt, die anschließend mit dem multi N/C®UV HS analysiert wurde.

6-Zoll-Wafer

Die zunehmende Oberflächenreinheit in diesem Experiment wurde in Form abnehmender TOC-Werte gemessen. Die Nachweisgrenze liegt deutlich unter allen gemessenen Werten und damit ist die ausreichend hohe Empfindlichkeit dieser Methode nachgewiesen.

In einer zweiten Testreihe wurden multikristalline Wafer, die teilweise sichtbare Flecken aufwiesen (Bild 4), aus zwei Reinigungsprozessen auf organische Oberflächenkontamination untersucht. Als Maß hierfür wurde wiederum der Gesamtgehalt an organischem Kohlenstoff (TOC) verwendet.

TOC-Oberflächen-Kontamination

Wie in Bild 3 zu sehen ist, wurde an fleckigen Wafern aus Charge A eine deutlich höhere organische Kontamination gegenüber Charge B festgestellt. Die fleckigen Wafer wiesen durchschnittlich 100 ng/cm2 organisch gebundenen Kohlenstoff auf – verglichen mit durchschnittlich 24 ng/cm2 bei den Referenz-Wafern „B“. Darüber hinaus wurde bei Charge A eine deutlich höhere Streuung der TOC-Kontaminationen festgestellt, die mit einer heterogenen Fleckendichte korreliert.

Fazit
Das neu entwickelte Verfahren der Oberflächen-Extraktions-TOC-Analyse erwies sich als ein empfindliches und schnelles Werkzeug zur Beurteilung der Oberflächenqualität von Wafern. Die quantitative Bestimmung der beim Sägeprozess freigesetzten organischen Verunreinigungen auf Wafer-Oberflächen bestätigte eine signifikante Heterogenität in der Qualität der Wafer-Oberflächen. Die Daten zeigen, dass im Prozess der Wafer-Herstellung unter nicht idealen Bedingungen ca. vier Mal mehr organische Verunreinigungen eingebracht werden können als unter perfekten Bedingungen. Neben dem extremen Beispiel sichtbar fleckiger Wafer kann das Verfahren der Oberflächen-Extraktions-TOC-Analyse problemlos auch unsichtbare organische Verunreinigungen nachweisen und dadurch helfen, die Oberflächenqualität quantitativ zu spezifizieren. Es stellt somit eine Grundlage für weitere Prozessoptimierungen in Bezug auf qualitativ höherwertige Wafer dar.

Der verwendete multi N/C® UV HS bietet perfekte Empfindlichkeit für TOC-Messungen und Robustheit für anspruchsvolle Probenmatrices bei Routineanalysen.

Literatur
[1] Meyer, S. Timmel, S. Wahl, C. Hagendorf, Rapid determination of organic contaminations on wafer surfaces, poster presentation UCPSS.
[2] Buchholz, E. Wefringhaus, S. Eisert, H. Egenolf, A. Groß, Measurement and impact of surface transition metal contamination of textured multicrystalline silicon wafers, EU PVSEC Proceedings (2011), p. 1187 – 1190.

Autoren:
Bernd Bletzinger, Analytik Jena AG, Jena
Sylke Meyer, Fraunhofer-CSP, Halle (Saale)

Weitere Beiträge zum Thema

ICON-Analyzer

Metrohm auf der IFATMaßgeschneiderte Prozessanalysensysteme

Metrohm Process Analytics präsentiert auf der IFAT ihr Produktportfolio sowie neue Innovationen aus der Welt der Prozessanalytik für die Branche.

…mehr
Dima-easy TOC

Auch für Reinigungsvalidierung geeignetTOC-Bestimmung bis untersten ppm-Bereich

Dimatec Analysentechnik präsentiert auf der analytica u.a. das TOC-Laborgerät Dimatoc 2100 mit aktuellem Update zum Einsatz für GxP-Anwendungen sowie den kompakten Dima-easy TOC mit integrierter Trägergas-Gewinnung.

…mehr
TOC/TNb-Analysator

TOC-AnalysatorMit Flow Management System

Bei der schnellen Injektion großer Probenvolumina in ein Hochtemperatur-Verbrennungssystem stoßen klassische TOC-Analysatoren an ihre Grenzen.

…mehr
Service-Netzwerk

25 Jahre nah am KundenTechnische Büros Berlin und Jena von Shimadzu feiern Jubiläum

Weltweit vernetzt und in über 76 Ländern zu Hause: Shimadzu – natürlich auch in Deutschland. Das Konzept der Kundennähe wird beim renommierten Hersteller Instrumenteller Analytik konsequent verfolgt und gelebt.

…mehr
Produkt der Woche: DIMATOC® 2100

Produkt der WocheDIMATOC® 2100

Der TOC-Allrounder aus dem Hause DIMATEC hört auf den Namen DIMATOC®2100. Das Applikationsspektrum des wahlweise ein- oder zweikanaligen Laborsystems reicht von Reinst- bis Abwasserproben.

…mehr

Neue Stellenanzeigen