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.

                          а)                                                                           б)

Рис. 2.1. Функциональная схема (а) и изображение (б) электропечи СУОЛ-044 12-М2-У42: 1 – нагревательная камера, 2 – блок управления.

Электропечь представляет собой прямоугольный корпус, выполненный из тонколистовой стали, в котором размещены  камеры нагрева и блок управления. Камера нагрева состоит из нагревателя, защитной трубы и двух керамических фланцев. Нагреватель выполнен в виде керамической трубы, на которой высокоглиноземистой обмазкой закреплена проволока из сплава сопротивления. Внутренняя поверхность трубы нагревателя образует рабочее пространство электропечи. Блок управления служит для автоматического поддержания заданной температуры с точностью ± 2°С. Для уменьшения тепловых потерь через торцевые отверстия рабочей камеры последние закрываются керамической пробкой.

Рабочей средой этой печи является воздух. Полупроводниковые пластины помещаются в молибденовую лодочку и вносятся в реактор печи. Проведение диффузионного отжига в атмосфере воздуха является особенностью данного дипломного проекта. Разработка источника диффузионного легирования кремния, который будет давать надежные результаты при проведении отжига на воздухе может значительно удешевить технологию изготовления кремниевых солнечных элементов.

Термическая обработка  полупроводниковых подложек в диффузионной печи производится следующим образом. Сначала печь выводят на заданный температурный режим. Время разогрева печи до максимальной температуры с установлением теплового режима составляет не менее 2,5 ч. После этого в печь вводятся полупроводниковые пластины, помещенные в молибденовую лодочку. После определенной выдержки пластин при заданной температуре лодочку с пластинами извлекают из реактора.

Необходимо обратить внимание на требование к стабильности поддержания заданной температуры диффузионных печей. Если проанализировать зависимость коэффициента диффузии от температуры, то можно заметить, что небольшое изменение температуры может привести к значительному увеличению коэффициента диффузии, а значит, и глубины залегания легирующего слоя. Так, при увеличении температуры через каждые 100°С, начиная от 900°С, коэффициент диффузии увеличивается примерно в пять раз [17].

Кроме того, при введении в реактор лодочки с полупроводниковыми пластинами, имеющими комнатную температуру, вносятся длительные возмущения в температурный статический режим диффузионной печи. Точность поддержания температуры в рабочей зоне диффузии будет меняться, что приведет к изменениям глубины и профиля распределения примесей в подложке. А быстрая загрузка или выгрузка пластин из высокотемпературной зоны может привести к их растрескиванию в результате термоудара.

Нанесение поверхностного источника диффузанта на поверхность полупроводниковых пластин осуществлялось в основном методом центрифугирования. Сущность данного метода заключается в том, что на пластину, закрепленную на центрифуге пипеткой наносится слой раствора. За счет вращательного движения пластины вокруг своей оси достигается равномернрсть нанесенного слоя. Скорость вращения центрифуги, которая использовалась в экспериментах, составляет 2750 об/мин.

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.

Рис. 2.2. Функциональная схема установки для изготовления шар-шлифа:   1 – полупроводниковая подложка, 2 – стальной шар, 3 – электродвигатель, 4 – блок управления.

Для изготовления шар-шлифа использовалась установка ЕТМ 2.600.047, функциональная схема которой приведена на рис. 2.2. Методика получения лунки такова. Исследуемый образец (пластинка кремния с диффузионным слоем) помещается на столик и закрепляется на нем с помощью вакуумной системы. Для шлифовки пластину приводят в соприкосновение с стальным шаром, на поверхность которого наносится абразив, который находится в масляной суспензии. В качестве абразива использовался алмазный порошок (размер зерна порядка одного микрона). Стальной шар соединен с электродвигателем, включение которого приводит шар во вращение и таким образом вышлифовывается лунка. Блок управления предназначен для регулирования работы установки, в том числе управлением скорости вращения электродвигателя, давлением пластины к шару, а также позволяет задавать автоматический режим.

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.

Рис. 2.3. Пояснение к способу изготовления сферического шлифа.

Точность измерений описанным методом составляет примерно ± 3 % и определяется в основном тщательностью приготовления и окрашивания шлифа. От глубины приникновения шара в кремний точность в первом приближении не зависит, однако рекомендуется делать шлиф таким образом, чтобы внутренняя окружность имела малый (по сравнению с внешней) диаметр, т.е. шлиф должен быть неглубоким. Для повышения точности измерений обычно делают несколько (2 – 5) шлифов и результат усредняют [6].

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

В данном разделе будет проведено исследование нескольких поверхностных источников для диффузионного легирования кремния, также будет рассмотрен твердый планарный источник бора – нитрид бора. Кроме поверхностных источников на основе простых неорганических соединений  рассмотрен источник на основе легированного окисла.

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 ρ = 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