The efficiency of multicrystalline (mc) silicon solar cells depends strongly on the fraction of recombination active crystal defects. This work focuses on a systematic analysis of how the area fraction of recombination active crystal defects and thus the solar cell efficiency is af-fected by the grain structure of mc-silicon wafers, i.e. grain size, grain orientation and type of the grain boundaries between adjacent grains. For that purpose a new characterization method was developed which allows the measurement of the grain orientation and grain boundary type of full 156x156 mm² mc-silicon wafers. The results of the grain structure analysis were correlated with the etch pit density, the recombination active area fraction measured by photo-luminescence imaging, and the solar cell efficiency in order to quantify the most important features of the grain structure, which were relevant to obtain high quality mc-silicon wafer material. For the determination of the grain orientation and grain boundary type two metrology sys-tems were combined. The so-called grain detector determines the geometrical data of each grain (size and form) by a reflectivity measurement. Afterwards the wafer with the geomet-rical information of all grains is transferred into the so-called Laue Scanner. This system irra-diates each grain larger 3 mm² with white x-rays and creates a backscatter diffraction pattern (Laue pattern) for each grain. From this Laue pattern the grain orientation and the grain boundary type of neighboured grains is calculated and statistically analysed in combination with the geometrical data of the grain detector. In this work the grain structure of twelve industrially grown mc-silicon bricks, which were produced by different manufacturers, and two laboratory grown bricks were investigated. Seven of these bricks show a fine grain structure. This material named class F is considered to be typical for so-called High Performance Multi (HPM) silicon. The other bricks show a coarse-grained structure. This grain structure was called class G and corresponds to the con-ventional mc-silicon material. The results show that the grain structures of the start of the crystallization process differ sig-nificantly between class F and class G. The class F mc-silicon wafers have a uniform initial grain size (characterized by coefficient of variation CV¬KG < 2.5) and grain orientation (charac-terized by coefficient of variation CVKO < 1.5) distribution with a small mean grain size (< 4 mm²) and a high length fraction of random grain boundaries (> 60 %) in comparison to the class G wafers. Despite the totally different initial grain structure for the class F and class G bricks, the grain structure of the wafers which represent the end of the crystallization process is more or less comparable. It can be concluded that the development of the grain structure along the crystal height of the class F bricks is driven by an energy minimization due to the surface energy and the grain boundary energy, that means that the share of (111) oriented grains having the lowest surface energy and the share of ∑3 grain boundaries having the lowest interface energy increase from the start of crystallization to the end. This phenomenon could not be observed for the class G bricks, which show a decreasing ∑3 length fraction and a decreasing area fraction of {111} oriented grains. This energetically unfavourable grain structure development is not clear so far but it means another kind of energy minimization effect must exist within class G. This could be for instance the formation of dislocations. The grain structure investigations show clearly that especially the initially fine-grained struc-ture of the class F bricks, i.e. at the start of crystallization, influences beneficially the area fraction of recombination active defects and the solar cell efficiency subsequently. This ob-servation can be explained as follows. Reduced dislocation cluster formation: • The small grain sizes in combination with the low length fraction of ∑3 grain bounda-ries capture the dislocations within a grain. Dislocations are not able to move across the grain boundaries which have not the ∑3-type within moderate stress and tempera-ture fields. This prohibits the formation and expansion of large dislocation cluster. • The previously described energetically driven grain selection and the continuously in-creasing grain size from bottom to top leads to an overgrowth of grains. This means that also dislocated grains will disappear which also prohibits the formation of large dislocation cluster. Reduced possibility of dislocation formation: • Compared to the class G bricks the area fraction of {111} oriented grains is reduced. Therefore, the possibility of the formation of dislocations is reduced, because they would be activated first in {111} oriented grains taking the Schmidt factor in account which is lowest for {111} oriented grains. After the dislocation generation within a {111} oriented grain, the dislocation can move forward on 3 of 4 possible {111} slip planes which have an angle of 19.5° with regard to the growth direction. No other ori-entation has more slip planes for the dislocation movement which have an angle smaller 20° with regard to the growth direction. These arguments in combination with the high reproducibility of the characteristic initial class F structure can explain the observed low recombination active area fraction from start to end of crystallization which was smaller 5 % and especially the low variation of 2 % of the electrical active wafer area in between the class F bricks. One can also easily explain the higher recombination active area fraction up to 14 % and the large variation of 10 % between the class G bricks due to the obtained grain structure data. These differences in the recombination active area fractions are reflected in the solar cell efficiency which is 0.4 % higher for the class F bricks compared to the class G bricks. In consideration of the above mentioned reasons it is not beneficial for the industrial ingot production technology to increase the ingot height further, due to the fact that the advanta-geous initial grain structure properties of class F bricks disappear with increasing crystal height.

The increasing clock speed and the further reduction of the feature size in integrated circuits lead to increasing demands on the interconnecting material. Thus an increasing need for a metallization with low electrical resistance and high electromigration endurance exist. Copper can be count as a material with these properties. Since 1998 Copper interconnections are commercially manufactured for integrated circuits. Electromigration is the most lifetime limiting factor in modern integrated circuits. The main the electromigration behavior influencing parameter and especially the influence of the microstructure is unknown. In this work the influence of the grain boundaries and their properties on the electromigration is examined at sputtered (PVD) and electroplated (ECD) Copper interconnects. For this investigation microstructure mappings produced by electron backscatter diffraction (EBSD) are correlated to in-situ electromigration experiments inside the SEM to research the electromigration behavior and the diffusion paths. Microstructure analysis shows big a difference between the two investigated types of interconnects. In both a strong &amp;lt;111&amp;gt; fibre texture is observed, but the PVD Copper shows a stronger texture than the electroplated one. The texture index of the PVD interconnects is 15,9 whereas the ECD lines show an index of 3,9. The frequency densities of the grain boundary misorientation, which is important for the electromigration behavior, are very different for both films. The ECD lines show a fraction of 55% Sigma 3 twin boundaries and 40% high angle grain boundaries. In contrast the PVD interconnects show a fraction of 5% Sigma 3 twin boundaries, 75% high angle grain boundaries and 20% small angle grain boundaries. This shows that a reduction of the high angle grain boundaries is not related to a strong &amp;lt;111&amp;gt; fibre texture. With in-situ experiments correlated to microstructure analysis it is shown, that voiding at high angle grain boundaries occur in the down wind of blocking grains or sites where only Sigma 3 twin boundaries are present. Hillocks were formed at high angle grain boundaries in the upwind of blocking grains or sites where only small angle grain boundaries or Sigma 3 twin boundaries are found. By a statistical evaluation of the in-situ experiments it is shown that more than 50% of the observed electromigration damages could be ascribed clearly to a grain boundary related local mass flux divergence. At strings of high angle grain boundaries voiding at the cathode side and hillock growth at the anode side is shown. The distance between these voids and hillocks is always higher than the Blech length. As the current density increases the distance between these voids and hillocks decreases according to Blech´s law, whereby it´s valid for local divergence is shown. FIB cuts show, that hillocks on PVD lines grow non-epitaxial in contrast to hillocks on ECD lines, which show epitaxial growth. These differences of hillock´s growth may suggest different underlying growth mechanisms. Reliability testing performed on PVD Copper interconnects lead to an activation energy for electromigration of 0,77eV ± 0,07eV. The confidence interval includes reported values for surface and also grain boundary diffusion. This indicates that the electromigration in these experiments is mainly influenced by surface and grain boundary diffusion. In this work the nucleation of voids and hillocks related to the previous analysed microstructure is observed inside the SEM and correlated to high angle grain boundaries and their misorientation angle. The result of this work show that electromigration damage in Copper interconnects is mostly caused by inhomogeneities of the microstructure. In this process the high angle grain boundaries are the main diffusion path. / Mit steigender Taktrate u. weiter fortschreitender Integrationsdichte in mikroelektr. Schaltungen nehmen d. Anforderungen an d. Metallisierungsmaterial weiter zu. Es besteht d. zunehmende Forderung nach Metallisierungen mit geringem elektrischen Widerstand u. hoher Elektromigra- tionsfestigkeit. Kupfer kann als Material angesehen werden, welches d. Anforderungen erfüllt. Seit 1998 wird Kupfer als Metallisierungsmaterial in höchstintegr. Schaltun- gen eingesetzt. Die Elektromigration (EM) ist der d. Zuver- lässigkeit am meisten begrenzende Faktor in mod. mikro- elektron. Schaltungen. Die Haupteinflußgrößen auf d. Elektromigrationsverhalten u. insbes. d. Einfluß d. Gefüges ist unklar. In d. Arbeit wird an nichtpassivier- ten physikalisch (PVD) u. galvanisch (ECD) abgeschied. Kupferleitbahnen d. Einfluß d. Korngrenzen u. deren Eigenschaften auf d. Elektromigrationsverhalten untersucht. Dazu werden Gefügeanalysen mittels Kikuchi-Rückstreutechnik u. in-situ Elektromigrationsexperimente im Rasterelektron- enmikroskop gekoppelt, um d. Elektromigrationsverhalten u. d. Migrationspfade zu erforschen. Gefügeuntersuchungen zeigen, daß d. untersuchten Leitbahnen sich in ihren Gefügeeigenschaften deutl. unterscheiden. Beide Schichten zeigen e. &amp;lt;111&amp;gt; Fasertextur, wobei d. PVD-Leitbahnen e. deutl. schärfere Textur mit e. Texturfaktor von 15,9 gegenüber den ECD-Leitbahnen d. e. Texturfaktor von 3,9 aufweisen. Die Häufigkeitsverteilungen d. Korngrenz- Misorientierung, sind für d. beiden Schichten unterschiedl. Die ECD-Leitbahnen zeigen e. Anteil von 55% Sigma 3-Korngrenzen und 40% Großwinkelkorngrenzen. Die PVD- Leitbahnen hingegen weisen nur e. Anteil von 5% Sigma 3-Korngrenzen, 75% Großwinkelkorngrenzen u. 20% Kleinwin- kelkorngrenzen auf. Dadurch wird gezeigt, daß e. scharfe &amp;lt;111&amp;gt; Textur keine Reduzierung d. Großwinkelkorngrenzen zur Folge haben muß. Anhand von in-situ Experimenten gekoppelt mit Gefügeanalysen wird gezeigt, daß Porenbildung an Groß- winkelkorngrenzen hinter blockierenden Körnern oder hinter Bereichen auftritt, in d. nur Sigma 3-Korngrenzen o. Kleinwinkelkorngrenzen vorliegen. Hügelbildung tritt an Großwinkelkorngrenzen vor blockierenden Körnern o. Berei- chen auf, in denen nur Kleinwinkelkorngrenzen o. Sigma 3-Korngrenzen vorliegen. Mit e. statist. Auswertung d. in-situ Experimente wird gezeigt, daß mehr als d. Hälfte aller Elektromigrationsschädigungen bei beiden Herstellungsmethoden eindeutig auf e. korngrenzbedingte lokale Divergenz im Massenfluß zurückzuführen sind. An Ketten von Großwinkelkorngrenzen wird verdeutl., daß kathodenseitig Porenbildung und anodenseitig Hügelbildung auftritt. Der Abstand zw. Pore u. Hügel liegt hier immer oberh. d. Blechlänge. Mit zunehmender Stromdichte nimmt d. Pore-Hügel-Abstand entspr. d. Blechtheorie ab, wodurch gezeigt wird, daß d. Blechtheorie auch bei lokalen Flußdivergenzen gilt. FIB-Querschnittsanalysen zeigen, daß Hügel auf PVD-Leitbahnen nicht epitaktisch mit d. darunterliegenden Schicht verwachsen sind im Gegensatz zu Hügeln auf ECD-Leitbahnen, die teilw. e. epitaktische Verwachsung mit d. Leitbahn zeigen. Lebensdauermessungen an PVD-Leitbahnen ergeben e. Aktivierungsenergie von 0,77eV ± 0,07eV. Es ist davon auszugehen, daß das Elektromigrationsverhalten d. hier untersuchten unpassi- vierten Leitbahnen haupts. von Korngrenz- u. von Oberfläch- endiffusion beeinflußt wird. In d. Arbeit wurde zum ersten Mal an Kupferleitbahnen d. Entstehung von eit- bahnschädigungen im Zusammenhang mit dem vorher aufgenomme- nen Gefüge im Rasterelektronenmikroskop direkt beobachtet u. mit d. Korngrenzen u. d. Korngrenzwinkeln in Zusammenhang gebracht. Die Ergebnisse d. Arbeit zeigen, daß Schädigungen durch Elektromigration in Kupferleitbahnen vorw. durch Gefügeinhomogenitäten entstehen. Bei d. Prozeß sind Großwinkelkorngrenzen d. bevorzugte Diffusionspfad.

In this work, electrical transport properties and the maximum current carrying capability of YBa2Cu3O7-[delta] thin films and so called quasi-multilayers are investigated. These samples are prepared with pulsed laser deposition on single-crystalline substrates (SrTiO3) as well as on biaxially textured Ni tapes. The critical current density of coated conductors is limited by small-angle grain boundaries in low magnetic fields, but by the intra-grain pinning properties in higher magnetic fields. Accordingly, these investigations are divided into two parts: In the first part, the limitation of the critical current density by grain-boundaries and grain boundary networks is investigated with the main focus on the influence of geometrical factors such as the conductor width or the grain aspect ratio. In the second part, a possible enhancement of the critical current density due to different doping types (atomar doping using Zn and precipitate doping using BaMO3 where M is a transition metal) will be discussed. Here, not only the irreversibility field but also the pinning behaviour in very low magnetic fields is of interest to better understand the pinning mechanism of thin films. / In der vorliegenden Arbeit werden elektrische Transporteigenschaften und die maximale Stromtragfähigkeit von YBa2Cu3O7-[delta]-Dünnschichten und -Schichtsystemen, die mit Hilfe der gepulsten Laserdeposition sowohl auf einkristallinem Substrat, SrTiO3, als auch auf biaxial texturierten Ni-Bändern deponiert wurden, untersucht. Da in kleinen Magnetfeldern Kleinwinkelkorngrenzen die kritische Stromdichte in Bandleitern begrenzen, in höheren jedoch die Pinningeigenschaften der Körner, gliedern sich diese Untersuchungen in zwei Teile: Im ersten wird die Limitierung der kritischen Stromdichte jc durch Korngrenzen und Korngrenzennetzwerke näher untersucht, wobei besonders Geometrieeinflüsse, wie die Leiterbahnbreite oder das Aspektverhältnis der Körner, interessieren. Im zweiten wird eine mögliche Erhöhung der kritischen Stromdichte durch verschiedene Dotierungen (atomare Dotierung: Zn, Ausscheidungsdotierung: BaMO3, M Metall) erörtert. Dabei ist nicht nur das Irreversibilitätsfeld interessant, sondern auch das Pinningverhalten in sehr kleinen Magnetfeldern, da so die Pinningmechanismen in Dünnschichten besser verstanden werden können.

Thin silver films are widely used in low-emissivity coatings for building glazing due to their high reflectance in the infrared and high transmittance in the visible spectrum. The determining parameter for the infrared reflectance is the electrical conductance of the layer stack - the better the conductance the higher the reflectance. Electrically conductive films of thicknesses smaller than the electron mean free path exhibit a strong increase in the residual resistivity proportional to the inverse of the film thickness. Despite intensive discussions, which have extended over tens of years, it is not understood yet if this conductive behavior originates from electron scattering at interfaces (Fuchs-Sondheimer model) or grain boundaries (Mayadas-Shatzkes model). To achieve a fundamental understanding of the prevailing electron scattering mechanisms, aluminum-doped zinc oxide (ZnO:Al) / Ag / ZnO:Al layer stacks produced by magnetron sputtering were investigated concerning their electronic structure and electrical transport properties. The electronic structure of the layer stacks was probed and analyzed by electron energy-loss spectroscopy. By this technique, plasmonic excitations are observed, which can be categorized into excitations of the electrons in the bulk silver and excitations at the ZnO:Al / Ag interface. The plasmons were analyzed with respect to their dispersion and the peak width, and brought into relation with electrical conductivity measurements by calculating the plasmon lifetime and the electron scattering rate. The difficulty in determining the relative contributions of the interface and grain boundary scattering in experimental conditions is due to the fact that the way in which these scattering mechanisms depend on the film thickness, is very similar. Understanding the electron transport in thin films is of paramount importance, because the differentiation between the scattering mechanisms is a key issue for the improvement of the coatings. In the present work, the solution came from the expected difference in the temperature-dependent behavior of the resistivity between electron scattering at interfaces and electron scattering at grain boundaries. Hence, the resistivity was measured as a function of the temperature on layer stacks with different silver film thickness varying in the range of 4 to 200 nm. The data were analyzed using the extended Mayadas-Shatzkes model involving both electron scattering at interfaces (Fuchs-Sondheimer model), and electron scattering at grain boundaries. The results demonstrate that electron scattering at grain boundaries dominates for all film thicknesses. The basic layer stack was compared to more sophisticated systems, obtained either by adding a thin titanium layer in between silver and ZnO:Al, or by exposing the growing silver film to an oxygen partial pressure (oxidizing the film). Furthermore, the effect of annealing at 250°C was studied for all these systems. / Dünne Silberfilme werden aufgrund ihres hohen Reflexionsvermögens im infraroten Spektrum und ihres hohen Transmissionsvermögens im Spektrum des Sonnenlichtes als Wärmeschutzbeschichtungen für Fensterglas verwendet. Der entscheidende Parameter für das Reflexionsvermögen der Schicht ist die elektrische Leitfähigkeit - je höher die Leitfähigkeit, desto stärker wird Infrarotlicht reflektiert. Elektrisch leitende Schichten mit Schichtdicken dünner als die mittlere freie Weglänge der Elektronen weisen einen starken Anstieg des spezifischen Widerstandes auf, der sich proportional zur inversen Schichtdicke verhält. Trotz ausführlicher Diskussionen während der letzten Jahrzehnte, ist noch nicht geklärt ob dieses Verhalten auf Streuung von Elektronen an Grenzflächen (Fuchs-Sondheimer-Modell) oder an Korngrenzen (Mayadas-Shatzkes-Modell) zurückzuführen ist. Um ein grundlegendes Verständnis der vorherrschenden Streumechanismen zu erlangen, wurden Schichtstapel der Struktur Aluminium-dotiertes Zinkoxid (ZnO:Al) / Ag / ZnO:Al, welche mittels Magnetron-Sputtern hergestellt wurden, hinsichtlich ihrer Transporteigenschaften und elektronischen Struktur untersucht. Die elektronische Struktur der Schichtsysteme ist mittels Elektronen-Energieverlust-Spektroskopie untersucht und bezüglich ihrer plasmonischen Anregungen analysiert wurden. Diese können in Anregungen der Volumenelektronen des Silbers und Anregungen der Elektronen aus der ZnO:Al / Ag Grenzfläche unterteilt werden. Die Plasmonen wurden hinsichtlich ihrer Impulsabhängigkeit und Anregungsbreite analysiert und durch Berechnung der Plasmonenstreurate mit den Messungen der elektrischen Leitfähigkeit verglichen. Aufgund der Tatsache, dass Genzflächen- und Korngrenzstreuung eine ähnliche Schichtdickenabhängigkeit aufweisen, gestaltet sich die Bestimmung der relativen Beiträge beider Streumechanismen als schwierig. Diese Problem kann durch die Untersuchung der Temperaturabhängigkeit der Streumechanismen, die sich für Grenzflächen- und Korngrenzstreuung unterscheidet, gelöst werden. Der spezifische Widerstand wurde in Abhängigkeit von der Temperatur an mehreren Proben unterschiedlicher Silberschichtdicke (im Bereich von 4 bis 200 nm) gemessen. Die Daten wurden anhand des erweiterten Mayadas-Shatzkes-Modells, welches sowohl Streuung an Grenzflächen (Fuchs-Sondheimer-Modell) als auch an Korngrenzen berücksichtigt, evaluiert. Die Ergebnisse zeigen eindeutig, dass für alle Schichtdicken die Elektronenstreuung an Korngenzen der dominierende Streumechanismus ist. Die Ergebnisse der Analyse des fundmentalen Schichtsystems wurden mit denen komplexerer Systeme verglichen, bei denen zum einen durch Hinzufügen einer dünnen Titanschicht die Grenzfläche zwischen Silber und ZnO:Al modifiziert wurde und zum anderen der Silberfilm durch einen erhöhten Sauerstoff-Partialdruck während der Beschichtung oxidiert wurde. Des Weiteren wurde der Effekt einer Temperung bei 250°C an allen Systemen untersucht. / Les vitrages bas-émissifs sont fréquemment élaborés par dépôts de revêtements dont la couche active est un film mince d'argent. Le paramètre qui détermine la réflexion dans l'infra-rouge est la conductance électrique de l'empilement. La résistivité électrique résiduelle de films dont l'épaisseur est inférieure au libre parcours moyen des électrons croît fortement en fonction de l'inverse de l'épaisseur. En dépit d'intenses recherches menées pendant des dizaines d'années, l'origine de cet accroissement de résistivité - réflexion des électrons par les interfaces (modèle de Fuchs-Sondheimer) ou par les joints de grains (modèle de Mayadas-Shatzkes). Pour comprendre les mécanismes à l'œuvre dans le transport des électrons, des couches ZnO dopé aluminium (ZnO:Al) / Ag / (ZnO:Al) produites par pulvérisation plasma ont été étudiée concernant leur structure électronique et propriétés de transport électrique. Les empilements ont été examinés par spectroscopie de pertes d'énergie d'électrons. Les spectres font apparaître les excitations des électrons de volume de l'argent et les excitations à l'interface ZnO:Al / Ag. Les excitations ont été analysés concernant leur dispersion. En outre, la durée de vie moyenne des plasmons déterminée d'après la largeur du pic de plasmon d'interface se compare bien à la l'inverse de la fréquence de diffusion des électrons qui se déduit de l'application du modèle de Drude aux données relatives à la résistivité. La difficulté dans la détermination des contributions relatives des modèles de Fuchs-Sondheimer et Mayadas-Shatzkes dans les conditions expérimentales est due au fait que ces deux modèles présentent des variations très similaires en fonction de l'épaisseur des films. D'importance primordiale pour la compréhension du transport dans les films minces, la question est une clé pour l'amélioration des revêtements bas-émissifs. La solution a été apportée ici par la différence de comportement en fonction de la température des diffusions des électrons aux interfaces et aux joints de grains. D'après cela, la résistance d'empilements comportant des films d'argent d'épaisseurs comprises entre 4 et 200 nm a été mesurée en fonction de la température. Les données ont été analysées au moyen de la version du modèle de Mayadas-Shatzkes qui inclut à la fois la diffusion des électrons aux interfaces (modèle de Fuchs-Sondheimer) et la diffusion des électrons aux joints de grains. Il a té démontré que, pour toutes les épaisseurs, la diffusion des électrons aux joints de grains constitue l'effet dominant. Les résultats de l'analyse du système fondamental ont été comparées avec les résultats de systèmes plus sophistiqués, obtenus soit en intercalant une couche additionnelle de titane entre l'argent et le ZnO (méthode communément utilisée pour améliorer le mouillage du ZnO par l'argent), soit par exposition à une pression partielle du film d'argent encours de croissance (pour oxyder le film). En outre, l'effet du recuit à 250°C a été étudié pour tous ces systèmes.

In this work, electrical transport properties and the maximum current carrying capability of YBa2Cu3O7-[delta] thin films and so called quasi-multilayers are investigated. These samples are prepared with pulsed laser deposition on single-crystalline substrates (SrTiO3) as well as on biaxially textured Ni tapes. The critical current density of coated conductors is limited by small-angle grain boundaries in low magnetic fields, but by the intra-grain pinning properties in higher magnetic fields. Accordingly, these investigations are divided into two parts: In the first part, the limitation of the critical current density by grain-boundaries and grain boundary networks is investigated with the main focus on the influence of geometrical factors such as the conductor width or the grain aspect ratio. In the second part, a possible enhancement of the critical current density due to different doping types (atomar doping using Zn and precipitate doping using BaMO3 where M is a transition metal) will be discussed. Here, not only the irreversibility field but also the pinning behaviour in very low magnetic fields is of interest to better understand the pinning mechanism of thin films. / In der vorliegenden Arbeit werden elektrische Transporteigenschaften und die maximale Stromtragfähigkeit von YBa2Cu3O7-[delta]-Dünnschichten und -Schichtsystemen, die mit Hilfe der gepulsten Laserdeposition sowohl auf einkristallinem Substrat, SrTiO3, als auch auf biaxial texturierten Ni-Bändern deponiert wurden, untersucht. Da in kleinen Magnetfeldern Kleinwinkelkorngrenzen die kritische Stromdichte in Bandleitern begrenzen, in höheren jedoch die Pinningeigenschaften der Körner, gliedern sich diese Untersuchungen in zwei Teile: Im ersten wird die Limitierung der kritischen Stromdichte jc durch Korngrenzen und Korngrenzennetzwerke näher untersucht, wobei besonders Geometrieeinflüsse, wie die Leiterbahnbreite oder das Aspektverhältnis der Körner, interessieren. Im zweiten wird eine mögliche Erhöhung der kritischen Stromdichte durch verschiedene Dotierungen (atomare Dotierung: Zn, Ausscheidungsdotierung: BaMO3, M Metall) erörtert. Dabei ist nicht nur das Irreversibilitätsfeld interessant, sondern auch das Pinningverhalten in sehr kleinen Magnetfeldern, da so die Pinningmechanismen in Dünnschichten besser verstanden werden können.

The increasing clock speed and the further reduction of the feature size in integrated circuits lead to increasing demands on the interconnecting material. Thus an increasing need for a metallization with low electrical resistance and high electromigration endurance exist. Copper can be count as a material with these properties. Since 1998 Copper interconnections are commercially manufactured for integrated circuits. Electromigration is the most lifetime limiting factor in modern integrated circuits. The main the electromigration behavior influencing parameter and especially the influence of the microstructure is unknown. In this work the influence of the grain boundaries and their properties on the electromigration is examined at sputtered (PVD) and electroplated (ECD) Copper interconnects. For this investigation microstructure mappings produced by electron backscatter diffraction (EBSD) are correlated to in-situ electromigration experiments inside the SEM to research the electromigration behavior and the diffusion paths. Microstructure analysis shows big a difference between the two investigated types of interconnects. In both a strong &amp;lt;111&amp;gt; fibre texture is observed, but the PVD Copper shows a stronger texture than the electroplated one. The texture index of the PVD interconnects is 15,9 whereas the ECD lines show an index of 3,9. The frequency densities of the grain boundary misorientation, which is important for the electromigration behavior, are very different for both films. The ECD lines show a fraction of 55% Sigma 3 twin boundaries and 40% high angle grain boundaries. In contrast the PVD interconnects show a fraction of 5% Sigma 3 twin boundaries, 75% high angle grain boundaries and 20% small angle grain boundaries. This shows that a reduction of the high angle grain boundaries is not related to a strong &amp;lt;111&amp;gt; fibre texture. With in-situ experiments correlated to microstructure analysis it is shown, that voiding at high angle grain boundaries occur in the down wind of blocking grains or sites where only Sigma 3 twin boundaries are present. Hillocks were formed at high angle grain boundaries in the upwind of blocking grains or sites where only small angle grain boundaries or Sigma 3 twin boundaries are found. By a statistical evaluation of the in-situ experiments it is shown that more than 50% of the observed electromigration damages could be ascribed clearly to a grain boundary related local mass flux divergence. At strings of high angle grain boundaries voiding at the cathode side and hillock growth at the anode side is shown. The distance between these voids and hillocks is always higher than the Blech length. As the current density increases the distance between these voids and hillocks decreases according to Blech´s law, whereby it´s valid for local divergence is shown. FIB cuts show, that hillocks on PVD lines grow non-epitaxial in contrast to hillocks on ECD lines, which show epitaxial growth. These differences of hillock´s growth may suggest different underlying growth mechanisms. Reliability testing performed on PVD Copper interconnects lead to an activation energy for electromigration of 0,77eV ± 0,07eV. The confidence interval includes reported values for surface and also grain boundary diffusion. This indicates that the electromigration in these experiments is mainly influenced by surface and grain boundary diffusion. In this work the nucleation of voids and hillocks related to the previous analysed microstructure is observed inside the SEM and correlated to high angle grain boundaries and their misorientation angle. The result of this work show that electromigration damage in Copper interconnects is mostly caused by inhomogeneities of the microstructure. In this process the high angle grain boundaries are the main diffusion path. / Mit steigender Taktrate u. weiter fortschreitender Integrationsdichte in mikroelektr. Schaltungen nehmen d. Anforderungen an d. Metallisierungsmaterial weiter zu. Es besteht d. zunehmende Forderung nach Metallisierungen mit geringem elektrischen Widerstand u. hoher Elektromigra- tionsfestigkeit. Kupfer kann als Material angesehen werden, welches d. Anforderungen erfüllt. Seit 1998 wird Kupfer als Metallisierungsmaterial in höchstintegr. Schaltun- gen eingesetzt. Die Elektromigration (EM) ist der d. Zuver- lässigkeit am meisten begrenzende Faktor in mod. mikro- elektron. Schaltungen. Die Haupteinflußgrößen auf d. Elektromigrationsverhalten u. insbes. d. Einfluß d. Gefüges ist unklar. In d. Arbeit wird an nichtpassivier- ten physikalisch (PVD) u. galvanisch (ECD) abgeschied. Kupferleitbahnen d. Einfluß d. Korngrenzen u. deren Eigenschaften auf d. Elektromigrationsverhalten untersucht. Dazu werden Gefügeanalysen mittels Kikuchi-Rückstreutechnik u. in-situ Elektromigrationsexperimente im Rasterelektron- enmikroskop gekoppelt, um d. Elektromigrationsverhalten u. d. Migrationspfade zu erforschen. Gefügeuntersuchungen zeigen, daß d. untersuchten Leitbahnen sich in ihren Gefügeeigenschaften deutl. unterscheiden. Beide Schichten zeigen e. &amp;lt;111&amp;gt; Fasertextur, wobei d. PVD-Leitbahnen e. deutl. schärfere Textur mit e. Texturfaktor von 15,9 gegenüber den ECD-Leitbahnen d. e. Texturfaktor von 3,9 aufweisen. Die Häufigkeitsverteilungen d. Korngrenz- Misorientierung, sind für d. beiden Schichten unterschiedl. Die ECD-Leitbahnen zeigen e. Anteil von 55% Sigma 3-Korngrenzen und 40% Großwinkelkorngrenzen. Die PVD- Leitbahnen hingegen weisen nur e. Anteil von 5% Sigma 3-Korngrenzen, 75% Großwinkelkorngrenzen u. 20% Kleinwin- kelkorngrenzen auf. Dadurch wird gezeigt, daß e. scharfe &amp;lt;111&amp;gt; Textur keine Reduzierung d. Großwinkelkorngrenzen zur Folge haben muß. Anhand von in-situ Experimenten gekoppelt mit Gefügeanalysen wird gezeigt, daß Porenbildung an Groß- winkelkorngrenzen hinter blockierenden Körnern oder hinter Bereichen auftritt, in d. nur Sigma 3-Korngrenzen o. Kleinwinkelkorngrenzen vorliegen. Hügelbildung tritt an Großwinkelkorngrenzen vor blockierenden Körnern o. Berei- chen auf, in denen nur Kleinwinkelkorngrenzen o. Sigma 3-Korngrenzen vorliegen. Mit e. statist. Auswertung d. in-situ Experimente wird gezeigt, daß mehr als d. Hälfte aller Elektromigrationsschädigungen bei beiden Herstellungsmethoden eindeutig auf e. korngrenzbedingte lokale Divergenz im Massenfluß zurückzuführen sind. An Ketten von Großwinkelkorngrenzen wird verdeutl., daß kathodenseitig Porenbildung und anodenseitig Hügelbildung auftritt. Der Abstand zw. Pore u. Hügel liegt hier immer oberh. d. Blechlänge. Mit zunehmender Stromdichte nimmt d. Pore-Hügel-Abstand entspr. d. Blechtheorie ab, wodurch gezeigt wird, daß d. Blechtheorie auch bei lokalen Flußdivergenzen gilt. FIB-Querschnittsanalysen zeigen, daß Hügel auf PVD-Leitbahnen nicht epitaktisch mit d. darunterliegenden Schicht verwachsen sind im Gegensatz zu Hügeln auf ECD-Leitbahnen, die teilw. e. epitaktische Verwachsung mit d. Leitbahn zeigen. Lebensdauermessungen an PVD-Leitbahnen ergeben e. Aktivierungsenergie von 0,77eV ± 0,07eV. Es ist davon auszugehen, daß das Elektromigrationsverhalten d. hier untersuchten unpassi- vierten Leitbahnen haupts. von Korngrenz- u. von Oberfläch- endiffusion beeinflußt wird. In d. Arbeit wurde zum ersten Mal an Kupferleitbahnen d. Entstehung von eit- bahnschädigungen im Zusammenhang mit dem vorher aufgenomme- nen Gefüge im Rasterelektronenmikroskop direkt beobachtet u. mit d. Korngrenzen u. d. Korngrenzwinkeln in Zusammenhang gebracht. Die Ergebnisse d. Arbeit zeigen, daß Schädigungen durch Elektromigration in Kupferleitbahnen vorw. durch Gefügeinhomogenitäten entstehen. Bei d. Prozeß sind Großwinkelkorngrenzen d. bevorzugte Diffusionspfad.

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Die Rekombinationsaktivität von Versetzungen und Korngrenzen in multikristallinem Silicium wird von Kupfer und anderen metallischen Verunreinigungen wie Eisen mitbestimmt. Das Hauptziel der Arbeit war es, die Verteilung von Kupfer und dessen Wirkung auf die Rekombinationsaktivität von Versetzungen und Korngrenzen genauer zu untersuchen. Dazu wurden optische und elektrische Untersuchungen an gezielt mit Metallen verunreinigten Modellmaterialien durchgeführt. Nicht alle Versetzungen sind rekombinationsaktiv. Es konnte gezeigt werden, dass der Anteil rekombinationsaktiver Versetzungen am Gesamtinventar und die Hintergrunddiffusionslänge von der Verunreinigung mit Metallen abhängig sind. Ergebnisse von Untersuchungen an Proben, die Diffusionsexperimenten unterzogen wurden, deuten auf unterschiedliches Ausscheidungsverhalten von Kupfer und Eisen hin sowie auf Wechselwirkungen mit Versetzungen und Korngrenzen, die mit der Diffusionstemperatur und den Abkühlbedingungen in Zusammenhang stehen.

The efficiency of multicrystalline (mc) silicon solar cells depends strongly on the fraction of recombination active crystal defects. This work focuses on a systematic analysis of how the area fraction of recombination active crystal defects and thus the solar cell efficiency is af-fected by the grain structure of mc-silicon wafers, i.e. grain size, grain orientation and type of the grain boundaries between adjacent grains. For that purpose a new characterization method was developed which allows the measurement of the grain orientation and grain boundary type of full 156x156 mm² mc-silicon wafers. The results of the grain structure analysis were correlated with the etch pit density, the recombination active area fraction measured by photo-luminescence imaging, and the solar cell efficiency in order to quantify the most important features of the grain structure, which were relevant to obtain high quality mc-silicon wafer material. For the determination of the grain orientation and grain boundary type two metrology sys-tems were combined. The so-called grain detector determines the geometrical data of each grain (size and form) by a reflectivity measurement. Afterwards the wafer with the geomet-rical information of all grains is transferred into the so-called Laue Scanner. This system irra-diates each grain larger 3 mm² with white x-rays and creates a backscatter diffraction pattern (Laue pattern) for each grain. From this Laue pattern the grain orientation and the grain boundary type of neighboured grains is calculated and statistically analysed in combination with the geometrical data of the grain detector. In this work the grain structure of twelve industrially grown mc-silicon bricks, which were produced by different manufacturers, and two laboratory grown bricks were investigated. Seven of these bricks show a fine grain structure. This material named class F is considered to be typical for so-called High Performance Multi (HPM) silicon. The other bricks show a coarse-grained structure. This grain structure was called class G and corresponds to the con-ventional mc-silicon material. The results show that the grain structures of the start of the crystallization process differ sig-nificantly between class F and class G. The class F mc-silicon wafers have a uniform initial grain size (characterized by coefficient of variation CV¬KG < 2.5) and grain orientation (charac-terized by coefficient of variation CVKO < 1.5) distribution with a small mean grain size (< 4 mm²) and a high length fraction of random grain boundaries (> 60 %) in comparison to the class G wafers. Despite the totally different initial grain structure for the class F and class G bricks, the grain structure of the wafers which represent the end of the crystallization process is more or less comparable. It can be concluded that the development of the grain structure along the crystal height of the class F bricks is driven by an energy minimization due to the surface energy and the grain boundary energy, that means that the share of (111) oriented grains having the lowest surface energy and the share of ∑3 grain boundaries having the lowest interface energy increase from the start of crystallization to the end. This phenomenon could not be observed for the class G bricks, which show a decreasing ∑3 length fraction and a decreasing area fraction of {111} oriented grains. This energetically unfavourable grain structure development is not clear so far but it means another kind of energy minimization effect must exist within class G. This could be for instance the formation of dislocations. The grain structure investigations show clearly that especially the initially fine-grained struc-ture of the class F bricks, i.e. at the start of crystallization, influences beneficially the area fraction of recombination active defects and the solar cell efficiency subsequently. This ob-servation can be explained as follows. Reduced dislocation cluster formation: • The small grain sizes in combination with the low length fraction of ∑3 grain bounda-ries capture the dislocations within a grain. Dislocations are not able to move across the grain boundaries which have not the ∑3-type within moderate stress and tempera-ture fields. This prohibits the formation and expansion of large dislocation cluster. • The previously described energetically driven grain selection and the continuously in-creasing grain size from bottom to top leads to an overgrowth of grains. This means that also dislocated grains will disappear which also prohibits the formation of large dislocation cluster. Reduced possibility of dislocation formation: • Compared to the class G bricks the area fraction of {111} oriented grains is reduced. Therefore, the possibility of the formation of dislocations is reduced, because they would be activated first in {111} oriented grains taking the Schmidt factor in account which is lowest for {111} oriented grains. After the dislocation generation within a {111} oriented grain, the dislocation can move forward on 3 of 4 possible {111} slip planes which have an angle of 19.5° with regard to the growth direction. No other ori-entation has more slip planes for the dislocation movement which have an angle smaller 20° with regard to the growth direction. These arguments in combination with the high reproducibility of the characteristic initial class F structure can explain the observed low recombination active area fraction from start to end of crystallization which was smaller 5 % and especially the low variation of 2 % of the electrical active wafer area in between the class F bricks. One can also easily explain the higher recombination active area fraction up to 14 % and the large variation of 10 % between the class G bricks due to the obtained grain structure data. These differences in the recombination active area fractions are reflected in the solar cell efficiency which is 0.4 % higher for the class F bricks compared to the class G bricks. In consideration of the above mentioned reasons it is not beneficial for the industrial ingot production technology to increase the ingot height further, due to the fact that the advanta-geous initial grain structure properties of class F bricks disappear with increasing crystal height.:Abstract 1. Einleitung 1.1 Photovoltaik 1.2 Stand der Technik 1.2.1 Blockerstarrung von multikristallinem Silizium 1.2.2 Kornorientierungsbestimmung 1.3 Zielsetzung und Gliederung der Arbeit 2. Grundlagen 2.1 Silizium 2.1.1 Elektrische Eigenschaften 2.1.2 Oberflächenenergien des Siliziums 2.2 Kristalldefekte in multikristallinem Silizium 2.2.1 Versetzungen 2.2.2 Korngrenzen 2.2.3 Wechselwirkung zwischen Versetzungen und Korngrenzen 3. Mess- und Auswertemethodik 3.1 Detektion der Körner 3.1.1 Aufbau und Funktionsweise 3.1.2 Definition der Kenngrößen 3.1.3 Fehlerbetrachtung 3.2 Detektion der Kornorientierungen und Korngrenztypen 3.2.1 Theoretische Betrachtung 3.2.2 Aufbau und Funktionsweise 3.2.3 Definition der Kenngrößen 3.2.4 Fehlerbetrachtung 3.3 Detektion der Ätzgrubendichte 3.3.1 Aufbau und Funktionsweise 3.3.2 Definition der Kenngrößen 3.3.3 Fehlerbetrachtung 3.4 Detektion des rekombinationsaktiven Flächenanteils 3.4.1 Aufbau und Funktionsweise 3.4.2 Definition der Kenngrößen 3.4.3 Fehlerbetrachtung 3.5 Korrelation der rekombinationsaktiven Kristalldefekte mit der Kornorientierung 4. Probeninformation 5. Ergebnisteil 5.1 Korngrößenverteilung 5.1.1 Säulenklassifizierung 5.1.2 Klasse F Säulen 5.1.3 Klasse G Säulen 5.2 Kornorientierungsverteilung 5.2.1 Klasse F Säulen 5.2.2 Klasse G Säulen 5.3 Korngrenztypverteilung 5.3.1 Klasse F Säulen 5.3.2 Klasse G Säulen 5.4 Ätzgrubendichte 5.4.1 Klasse F Säulen 5.4.2 Klasse G Säulen 5.5 Rekombinationsaktiver Flächenanteil 5.5.1 Klasse F Säulen 5.5.2 Klasse G Säulen 5.6 Korrelation der Ergebnisse 5.6.1 Mittlere Korngröße und Variationskoeffizient vs. rekombinationsaktiver Flächenanteil 5.6.2 Korngrenztyplängenanteil vs. rekombinationsaktiver Flächenanteil 5.6.3 Kornorientierung vs. rekombinationsaktiver Flächenanteil 5.6.4 Ätzgrubendichte vs. rekombinationsaktiver Flächenanteil 6. Diskussion der Ergebnisse 6.1 Einfluss des Kristallzüchtungsprozesses auf die Korngrößen-, die Kornorientierungs- und Korngrenztypverteilung 6.2 Einfluss der Kornstruktur auf den elektrisch aktiven Defektanteil 6.3 Einfluss der Kornorientierung auf den elektrisch aktiven Defektanteil 6.4 Einfluss der Kornstruktur auf die elektrische Aktivierung von Versetzungsclustern 6.5 Einfluss der Verunreinigungen auf die Solarzelleneffizienz 7. Zusammenfassung und Ausblick Verwendete Abkürzungen und Symbole Literaturverzeichnis Veröffentlichungen Betreute studentische Arbeiten Danksagung

Die Rekombinationsaktivität von Versetzungen und Korngrenzen in multikristallinem Silicium wird von Kupfer und anderen metallischen Verunreinigungen wie Eisen mitbestimmt. Das Hauptziel der Arbeit war es, die Verteilung von Kupfer und dessen Wirkung auf die Rekombinationsaktivität von Versetzungen und Korngrenzen genauer zu untersuchen. Dazu wurden optische und elektrische Untersuchungen an gezielt mit Metallen verunreinigten Modellmaterialien durchgeführt. Nicht alle Versetzungen sind rekombinationsaktiv. Es konnte gezeigt werden, dass der Anteil rekombinationsaktiver Versetzungen am Gesamtinventar und die Hintergrunddiffusionslänge von der Verunreinigung mit Metallen abhängig sind. Ergebnisse von Untersuchungen an Proben, die Diffusionsexperimenten unterzogen wurden, deuten auf unterschiedliches Ausscheidungsverhalten von Kupfer und Eisen hin sowie auf Wechselwirkungen mit Versetzungen und Korngrenzen, die mit der Diffusionstemperatur und den Abkühlbedingungen in Zusammenhang stehen.