Разработка источников диффузионного легирования для производства кремниевых солнечных элементов

Если пластину, находящуюся в атмосфере легирующего элемента, например, PCl3, BCl3, B(CH3)3, B(C2H5)3, B2H6, подвергать воздействию импульсов лазерного излучения, приповерхностные области расплавляются, при этом удаляется получать очень мелкие бездефектные слои с высокой концентрацией примеси. Благодаря сильному различию коэффициентов диффузии примеси в жидкой и твердой фазе, толщина легированного слоя определяется толщиной расплавленного слоя, а концентрация примеси зависит от ее растворимости в жидкой фазе.

2. ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ПРОЦЕССА ДИФФУЗИИ И КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ДИФФУЗИОННЫХ СЛОЕВ

В данном дипломном проекте рассматривается технология изготовления p-n перехода в кремниевых солнечных элементах методом диффузии примесей в кремний. Для проведения процесса диффузии полупроводниковые пластины кремния подвергаются высокотемпературной обработке, проводимой в диффузионной печи.

Принцип работы диффузионной печи основан на явлении резистивного нагрева. Резистивным называется нагрев проводящего тела при прохождении через него электрического тока. Для выделения тепла в твердом проводнике в основном используется переменный электрический ток. Применение постоянного тока затруднено и экономически невыгодно из-за отсутствия источников (генераторов) большой силы тока и низкого напряжения, которые необходимы для выделения тепла в твердом проводнике, обладающем высокой электропроводностью.

Явление выделения тепла в проводнике при пропускании тока нашло применение в печах прямого (контактного) и косвенного нагрева.

В печах сопротивления прямого нагрева ток подводится непосредственно к нагреваемому изделию. Диффузионные печи являются печами сопротивления косвенного нагрева, у которых в качестве рабочего тела используют специальные нагреватели, выполненные из высокоомных жаропрочных материалов. При этом передача тепла нагреваемому изделию осуществляется излучением. Преимуществами печей сопротивления косвенного нагрева являются простота регулирования температуры и получение требуемого распределения температуры в печи.

Для проведения процессов диффузии при выполнении экспериментальной части дипломного проекта использовалась резистивная печь СУОЛ-044 12-М2-У42, функциональная схема и изображение которой представлены на рис. 2.1.

В данном дипломном проекте контроль параметров диффузионных слоев производился путем измерения глубины залегания p - n перехода. Для определения глубины залегания p - n перехода применялся метод сферического шлифа, известный также под названием метода лунки. Этот метод удобен для измерения тонких диффузионных слоев, он является универсальным и при необходимости может быть использован для измерения толщин окисных пленок на кремнии.

Метод основан на получении в пластинке кремния сферической лунки, выявлении диффузионных слоев окрашиванием или осаждением металла и измерения под микроскопом линейных размеров лунки. После проведения этих простейших измерений глубина диффузионного слоя легко рассчитывается.

Необходимо заметить, что между процессом диффузионного отжига и контролем глубины залегания p - n перехода методом лунки обязательным является химическая обработка пластин. Когда пластины извлекаются из диффузионной печи, то на их поверхности присутствует пленка примесносиликатного стекла, которое необходимо удалить. Если пленка получилась цветная, то ее легко удалить путем погружения пластин в разбавленный водный раствор плавиковой кислоты. Если химическую обработку не проводить, то лунка шлифоваться не будет.

После того как лунки сделаны, пластину следует обезжирить, например, кипячением в изопропиловом спирте. Далее следует окрасить лунку. Окрашивание шлифов в специальных растворах происходит за счет различия электродных потенциалов p- и n-областей, которое обуславливает избирательное осаждение меди на p-область или избирательное оксидирование n-области. В результате проведенных экспериментов было установлено, что эффективное окрашивание происходит, если пластины кремния с вышлифованными лунками поместить в раствор плавиковой кислоты с небольшим добавлением азотной кислоты. Практика показала, что если азотную кислоту добавлять прямо в раствор плавиковой, то это приводит к травлению поверхности пластины. Поэтому можно рекомендовать предварительно разбавлять азотную кислоту в дистилированной воде и уже этот раствор пипеткой добавлять в плавиковую кислоту, где уже находится пластинка кремния. Ободок у шлифов окрасится в темный цвет в случае n+ - p перехода.

Окрашенные шлифы позволяют под микроскопом измерить не истинную толщину диффузионного слоя xj, а существенно большую величину - хорду L между двумя окружностями, внешняя из которых образована пересечением лунки с поверхностью пластины, а внутренняя является выявленной границей p - n перехода (рис. 2.3). Глубина расположения p - n перехода определяется по формуле [5,6]:

, (2.1)

где D - диаметр шара.

Для установки ЕТМ 2.600.047 диаметр стального шара составляет 26,5 мм. Подставляя это значение в формулу (2.1) получим эмпирическую формулу пересчета глубины залегания p - n перехода от значения хорды L:

, [мкм] (2.2)

где L - длина хорды, [мкм].

3. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ ДИФФУЗИОННОГО ЛЕГИРОВАНИЯ КРЕМНИЯ БОРОМ И ФОСФОРОМ И ИХ ИССЛЕДОВАНИЕ

Контроль параметров осуществлялся путем определения глубины залегания p - n перехода (xj) методом сферического шлифа. Методика измерений такова: на пластине кремния делается несколько лунок, после проявления на каждой из лунок измеряется длина хорды Li, после чего по формуле (2.2) производится пересчет на глубину залегания xji. Принятая глубина залегания xj определяется как усредненное значение от xji.

Диффузионный отжиг проводился в атмосфере воздуха при температурах ниже 1000°С. Это связано с тем, что при более низких температурах диффузии образуется меньше дефектов на полупроводниковой пластине кремния, соответственно увеличится время жизни неосновных носителей тока и, в конечном итоге, коэффициент полезного действия солнечного элемента.

3.1. Разработка и испытание поверхностного источника бора на основе спиртового раствора борной кислоты

Борная кислота (H3BO3) в безводном виде представляет собой безцветное кристаллическое вещество. Для приготовления раствора заданное количество порошка борной кислоты растворяется в этиловом спирте (C2H5OH), процентное содержание H3BO3 в приготовленном растворе составило 5 %.

Полупроводниковые пластины кремния до нанесения слоя диффузанта обезжиривались кипячением в изопропиловом спирте.

Нанесение раствора осуществлялось методом центрифугирования. На практике осуществление этого метода заключается в том, что на пластины кремния, закрепленные на центрифуге, пипеткой наносится раствор, содержащий диффузант. Скорость вращения центрифуги составляет 2750 об/мин. С помощью вращательного движения, сообщаемого пластине центрифугой, достигается большая равномерность получаемого слоя.

После нанесения раствора пластины кремния необходимо высушить, для чего их помещают на нагретую электрическую печь. Это осуществляется для удаления растворителя (в данном случае этилового спирта).

Далее следует диффузионный отжиг в диффузионной печи. Для исследований было взято четыре образца кремния n-типа (111) с с = 2 Ом•см. Диффузионный отжиг проводился в диффузионной печи при температуре 950°С в течение заданного времени. После выдержки на поверхности пластин кремния образовывалась цветная пленка боросиликатного стекла, которая удалялась в слабом растворе плавиковой кислоты.

В табл. 3.1 приведены результаты по исследованию зависимости глубины залегания p - n перехода (xj) от времени проведения диффузии.

Таблица 3.1.

Зависимость глубины залегания p - n перехода от времени проведения диффузии при использовании 5 % раствора борной кислоты

Продолжение таблицы 3.1.

Для окрашивания шлифа применялся состав на основе плавиковой кислоты с добавлением небольшого количества азотной кислоты. После окрашивания исследуемые образцы помещались под микроскоп (в данной работе использовался микроскоп ММУ 4) и определялась величина хорды. Как видно, на каждом образце было сделано по 5 шлифов, что дает представление о среднем значении глубины залегания p - n перехода. Принятое значение xj является средним арифметическим от значений xji.

Результаты, приведенные в таблице 3.1 можно представить в виде графика (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Зависимость глубины залегания p - n перехода от времени дифффузии при использовании поверхностного источника на основе борной кислоты (Т=950°С).

Относительно применения в качестве поверхностного источника бора спиртового раствора борной кислоты следует сделать одно важное замечание. В результате экспериментов было установлено, что после проведения процесса диффузии на поверхности пластины могут образоваться пленки темного цвета, которые не удаляются в химических травителях, в том числе и на основе плавиковой кислоты. Эти пленки образуются из-за того, что процесс диффузии проводится в атмосфере воздуха, а не в окислительной среде.

Образования таких пленок можно избежать, применяя разбавленный раствор борной кислоты. Результаты можно считать удовлетворительными, если после проведения процесса диффузии на поверхности полупроводниковой пластины кремния образуется цветная пленка, которая легко травится в водном растворе плавиковой кислоты.

3.2. Разработка и испытание поверхностного источника фосфора на основе спиртового раствора ортофосфорной кислоты

Для приготовления источника на основе спиртового раствора ортофосфорной кислоты растворы этилового спирта и кислоты смешивались в отношении 1:1.

Данный раствор наносился на полупроводниковые пластины кремния методом центрифугирования. После нанесения раствора пластины помещались на электропечь для удаления растворителя.

Далее проводился диффузионный отжиг при температуре 950°С. После проведения процесса диффузии на поверхности пластин кремния образовывалась цветная пленка фосфоросиликатного стекла. Опыт показал, что p - n переход в полупроводниковой пластине кремния при использовании данного источника примеси получится только в том случае, если после диффузии на поверхности пластин образуется цветная пленка.

Окрашивание после шлифовки лунок удобно проводить в смеси плавиковой и азотной кислот. При этом в раствор плавиковой кислоты необходимо добавить несколько капель разбавленной азотной кислоты. В результате на поверхности пластины кремния ободок у лунок потемнеет и можно под микроскопом легко определить хорду.

Для исследований источника были взяты четыре образца кремния p-типа с удельным сопротивлением с = 7 Ом•см, ориентации (111). После нанесения источника описанным способом данные образцы выдерживались в диффузионной печи заданное время.

Далее в таблице 3.2 приводятся результаты по определннию глубины залегания p - n перехода.

Таблица 3.2.

Зависимость глубины залегания p - n перехода от времени проведения диффузии для источника на основе ортофосфорной кислоты

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7