Additive Manufacturing of Semiconducting Silicon

Abstract

Additiv tilvirkning er en produksjonsteknisk klasse som benyttes i mange industrisektorer. Produksjonsteknikken kan prosessere et bredt utvalg av metaller, polymerer og keramer, men additiv tilvirkning av halvledere er nesten ikke tilstedeværende i fagliteratur. Ved å inkludere halvledere i materialgruppen tilgjengelig for additiv tilvirkning kan eksempelvis solcelleindustrien potensielt overkomme kostnadstunge og energisløsende utfordringer tilknyttet konvensjonell produksjon av wafers for solcellemoduler. Denne masteroppgaven utforsker muligheten for å fabrikere rent silisium ved Selective Laser Melting (SLM), en additiv tilvirkningsmetode som benytter energi fra en laserkilde til å smelte pulver lagvis. Silisium er et meget sprøtt materiale ved romtemperatur, og sprø brudd oppstår enkelt dersom det blir utsatt for høye termiske gradienter. Det har også et høyt smeltepunkt på over 1400 grader celsius. Silisium er derfor et krevende materiale å fabrikere additivt, og mangelen på relevant fagliteratur gjør oppstartsarbeid vanskelig.

Denne masteroppgaven presenterer fysiske prøver produsert fra et silisiumpulver med høy renhetsgrad. Laserparametre (lasereffekt og eksponeringstid) er justert underveis for å observere og evaluere prøver prosessert ved ulike energitettheter. Silisiumprøver produsert med lasereffekt satt til 30 W, 40 W og 50 W er kjemisk karakterisert ved hjelp av EDS, μ-XRF og XRD. Målinger av Vickers mikrohardhet er også gjennomført. I tillegg er silisiumpulveret karakterisert, og et grundig literatursøk av relevant fagliteratur er presentert. Generelle observasjoner er dokumentert ved hjelp av optisk mikroskopi og SEM. De resulterende prøvene er sprø og porøse og ikke kvalifiserte for halvlederbruk, men de representerer likevel et steg på veien mot additiv tilvirkning av halvledere. Literatursøk, metodikk og resultater presentert i denne masteroppgaven danner et sterkt grunnlag for videre forskning.

Additive Manufacturing (AM) is present in a broad spectrum of sectors and industries, with a material selection including selected metals, polymers, and ceramics. However, AM of semiconductors is unexplored in literature. By including semiconductors in the material selection available for AM, products for photovoltaic applications could potentially avoid costly and wasteful fabrication steps. The geometrical freedom that comes with AM could also facilitate an exploration of new solar modules with customized 3D geometry. This master thesis explores the possibility of AM of high purity Si for semiconducting purposes, using the powder bed fusion process Selective Laser Melting (SLM). Silicon is a brittle material at room temperature, prone to fracture when exposed to high thermal gradients, and with a high melting point. Thus, it is a challenging material to manufacture additively, and literature on the subject is very limited.

This thesis presents specimens fabricated from a high purity Si powder. Laser parameters are varied to produce specimens at different energy densities to examine the differences. Characterization of elemental composition is performed by EDS, μ-XRF, and XRD. The silicon powder is also characterized, and Vickers microhardness is measured. General observations are documented by SEM and optical microscopy images. The specimens are brittle and contain pores and impurities. However, the fabricated specimens, together with the presented literature review, function as preliminary work and form a strong foundation for future work.