Thermal Conversion of Thin Silicon Layers

In dieser Arbeit wurde ein Verfahren zur Herstellung leitfähiger Siliziumschichten auf Fremdsubstraten mittels Drucken einer Siliziumnanopartikeldispersion und anschlie¬ßender thermischer Umwandlung entwickelt. Hierzu wurden die Nanopartikel und Substrate zunächst eingehend hinsichtlich ihrer Eignung zur Herstellung stabiler Dispersionen und homogener Schichten und Hoch¬temperaturbehandlung charakterisiert. Mit den gasphasen¬synthetisier¬ten Silizium¬nano¬partikeln, deren mittlere Kristallitgröße sich mittels Röntgenbeugung zu d ̅_(SiNP,XRD)=18,2 nm bestimmen ließ, wurde eine druckbare Nanopartikeldispersion entwickelt, mit der sich rissfreie Schichten herstellen ließen. Dabei zeigten Dispersio¬nen mit einer Nanopartikelkonzentration von C_Si=2 Vol.-% in Ethanol die besten Beschichtungsergebnisse, die mit einem Doctor-Blade bei einer Spalthöhe von h=400 µm erzielt wurden. Beim Vergleich der Hochtemperatursubstrate stellten sich Mullit- und Siliziumnitridkeramiken als optimal heraus. Die rissfreien, dichten, homoge¬nen Schichten weisen eine Schichtdicke von d=(7-9) µm auf. Die Oberflä¬chenrauheit von S_(a,10x)= (0,8-1,0)µm bzw. S_(a,100x)=(0,19-0,24)µm, die bei Mullit sogar unter der Rauheit des Substrates liegt, zeigt den nivellierenden Effekt der Nanopartikelschichten. Kleinere Unebenheiten der Substratoberfläche können ausgeglichen und gleichzeitig eine homogene Bedeckung hergestellt werden. Des Weiteren wurde ein Verfahren zur Umwandlung der getrockneten Schichten in leitfähige, poröse Schichten mittels thermischer Behandlung entwickelt. Hierzu wurde zunächst das thermische Verhalten der Nanopartikel eingehend untersucht. Die Simul¬tane Thermoanalyse zeigte einen exothermen Prozess ab Temperaturen von T=600 °C. Um diesen Effekt eingehender zu untersuchen wurde ein beheizbarer Probenhalter verwendet, der eine thermische Behandlung im Vakuum eines Raster¬elektronenmikroskopes erlaubt. Die Morphologie konnte so zwischen den Schritten einer stufenweisen Temperaturbehandlung untersucht werden. Ab Temperaturen von T=800 °C wurde das Aufschmelzen kleinerer Nanopartikel und die Koagulation mit größeren Partikeln beobachtet. Die dabei freiwerdende Energie ist Ursache der in der Simultanen Thermoanalyse sichtbaren exothermen Signatur. Dieser Prozess führt zur Bildung einer porösen, netzartigen Struktur. In einem Quarzglasofen konn¬ten getrocknete Siliziumnanopartikelschichten (d=(7-9) µm) durch eine Temperatur¬behandlung in Inertatmosphäre bei Maximaltemperaturen von T_max= (1100- 1300)°C in leitfähige, poröse Schichten umgewandelt werden. Die Leitfähig¬keiten wurden zu σ_(〖Si〗_3 N_4 )= (3-662) 1/Ωm auf Siliziumnitridsubstraten bzw. σ_Mullit= (2- 368) 1/Ωm auf Mullitsubstraten bestimmt und durch verschiedene Mess¬ver¬fahren verifiziert. Auch die Photoleitfähigkeit der porösen Siliziumschichten konnte erfolg¬reich nachgewiesen werden. Bei der Rekristallisation der Siliziumschichten mit einem im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Hochtemperaturofen konnten erste Ergebnisse erzielt werden. Mit der erfolgreichen Entwicklung gedruckter, gesinterter, leitfähiger Silizium¬nanoparti¬kelschichten ohne Tintenadditive und mit klassischer Heiztechnik konnte das Kosteneinsparungspotential gedruckter Siliziumschichten gezeigt werden. Ihre große Schichtdicke und poröse Struktur eröffnet neben der bisherigen Verwendung von Siliziumnanopartikelschichten als Transistor oder Thermistor auch neue Anwen¬dungsmöglichkeiten in den Feldern der Photovoltaik und der Akkumulatortechnik. In this thesis, a method is presented to manufacture thin conductive silicon layers on foreign substrates. This method includes doctor blading of a silicon nanoparticle disper¬sion and subsequent conversion into a porous silicon layer via thermal pro¬cessing. At first, silicon nanoparticles and substrates were thoroughly analyzed regarding their potential for the development of stable dispersions and homogeneous nanoparticle layers and high temperature treatment . A printable nanoparticle dispersion was devel¬oped using gas-phase synthesized silicon nanoparticles with a mean diameter of d ̅_(SiNP,XRD)=18,2 nm. Doctor-blading an ethanol-based nanoparticle dispersion with a particle concentration of C_Si= 2 Vol.-% at a gap height of h=400 µm yielded best results regarding homogeneity and thickness and for the absence of cracks. By com¬paring a variety of high temperature substrates mullite and silicon nitride ceramics turned out to provide both best high temperature properties as well as best coating properties. The dense, crack-free, homogeneous nanoparticle layers showed a thick¬ness of d=(7-9) µm and a roughness of S_(a,10x)=(0,8-1,0)µm and S_(a,100x)= (0,19-0,24)µm respectively. Thus the roughness was even below the rough¬ness of the mullite showing the leveling effect of the nanoparticle layer. In addition, a method for the conversion of dried nanoparticle layers into conductive, porous layers via thermal processing was developed. Simultaneous Thermal Analysis (STA) revealed an exothermic reaction at temperatures of T=600 °C. For further investigation of this effect a heatable sample holder was utilized for stepwise heating of the nanoparticles in the vacuum of a Scanning Electron Microscope. By image acqui¬sition after each heating step the melting and subsequent coagulation of smaller particles with bigger particles was observed at temperatures of T=800 °C. This leads to the release of surface energy what is in good accordance to STA results. By this means a porous net-like structure is formed. These findings laid the foundations for the successful development of the sintering of dried nanoparticle layers. Heating up the sample in a quartz glass tube furnace under inert atmosphere to temperatures of T_max=(1100-1300)°C for t=(10-45) min leads to a conversion into a thin porous silicon film with an electrical conductivity of σ_(〖Si〗_3 N_4 )= (3- 662) 1/Ωm on silicon nitride substrates and σ_Mullit=(2-368) 1/Ωm on mul¬lite substrates respectively. Furthermore, the photoconductivity of the sintered sam¬ples could also be successfully demonstrated. In the course of this work, initial results in succeeding to recrystallize thin silicon lay¬ers could be achieved by using a newly developed zone melting recrystallization furnace. In summary, with the successful development of printed, sintered and conductive silicon nanoparticle layers, a cost-effective manufacturing method was found that avoids additives in ink formulation and utilizes common heating technique. The relatively high layer thickness and porous structure of the sintered silicon nanoparticle layers open up new applications in the fields of photovoltaics and accumulator technology, in addition to the current use as a transistor or thermistor.