Разработка источников диффузионного легирования для производства кремниевых солнечных элементов

2) сравнительно низкая производительность и большой расход дорогостоящего плавленного кварца, так как после каждого процесса диффузии ампула разбивается для извлечения из нее пластин кремния.

Диффузия в запаянных ампулах не нашла широкого применения из-за низкой производительности и недостаточной воспроизводительности результатов.

1.2.2. Метод открытой трубы

Метод диффузии в открытой трубе лишен указанных выше недостатков метода диффузии в запаянной ампуле. В этом методе в высокотемпературную печь помещается кварцевая труба с пластинами кремния, выходной конец которой открыт в атмосферу. Через входной конец трубы подается газ (необязательно инертный), в который из первичного источника диффузии поступают соединения примеси. Источник примеси может быть твердым, жидким или газообразным. В первых двух случаях необходимое давление паров получают, подогревая первичный источник. Наиболее широко используются такие источники диффузии, как H3BO3, BBr3, BCl3, B2H6, P2O5, (NH4)3PO4, POCl3, PBr3, PH3 [3].

Рассмотрим схему установки для проведения диффузии методом открытой трубы. Схема современной установки представлена на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Схема рабочей камеры диффузионной печи.

Собственно камера представляет собой кварцевую (или керамическую) трубу 1, снабженную резистивными нагревателями 2 (3 секции с независимым регулированием температуры). Крайние секции поддерживают малый градиент температуры, обеспечивающий средней секции рабочую температуру до 1250°С с высокой точностью (до ± 0,25°С). Именно в этой части камеры на кварцевом (или керамическом) держателе 3 располагаются обрабатываемые пластины 4, имеющие на рабочей поверхности оксидную маску. При выполнении загонки примеси или одностадийного процесса диффузии в камеру из внешнего источника непрерывно подается диффузант, представляющий смесь легирующей примеси (акцептор бор или донор фосфор) с транспортирующим газом (аргон). Такая установка используется при диффузии из жидких и газообразных источников.

В случае применения жидкого источника если газ насыщен примесью, то его концентрация в кремнии зависит только от температуры жидкого источника и рабочей температуры диффузии, но не от потока. Если в качестве жидких источников применяются галогены, то это способствует уменьшению загрязнения реактора ионами металлов и формированию бездефектных областей, содержащих активные элементы. Однако при этом возможно локальное растворение полупроводника и появление матовости на поверхности кремниевых пластин [3].

Однородность поверхностной концентрации примеси в кремнии при постоянной температуре диффузии определяется распределением давления паров образующегося окисла примеси в рабочей зоне диффузионной печи.

При работе с газообразным источником диффузанта используют баллон, содержащий смесь PH3 (или B2H6) и инертного газа, например аргона. Газом-носителем может служить азот в смеси с кислородом.

При диффузии методом открытой трубы с использованием твердого источника тигель с источником в виде порошка находится в реакторе со стороны подачи газа-носителя перед лодочкой с пластинами кремния (или даже под ней). Однородность легирования в сильной степени зависит от давления паров источника, поэтому для его регулирования температура последнего устанавливается ниже температуры диффузии путем использования печи с двумя нагревательными камерами (см. рис. 1.3). Состав несущего газа должен быть таким, чтобы не происходило окисления пластин полупроводника. Пленка окиси, если она образуется, может препятствовать проникновению примеси внутрь образцов кремния.

Наблюдаются случаи, когда в трубчатой двухзонной печи при использовании в качестве газов-носителей аргона или азота происходит эрозия поверхности кремния. Это явление может быть устранено, если добавить в газ-носитель небольшое количество кислорода. Для этого на входе в кварцевую трубу имеются два подводящих газ патрубка. По одному из них может подаваться основной инертный газ-носитель, по другому - кислород (или пары воды). При входе в трубу эти газы перемешиваются и затем поступают в зоны печи, где находятся диффузант и кремниевые образцы.

Обычно расход газа-носителя регулируют в пределах 0,5 - 1,5 л/мин с помощью ротаметров, установленных на входе печи [16]. Изменение расхода в указанных пределах не оказывает заметного влияния на результаты диффузии. При очень больших расходах газа появляется эрозия кремния. Скорость потока газов-реагентов (газообразных источников диффузии) определяет концентрацию легирующих примесей в кремнии; скорость потока газов-носителей влияет на стабильность температуры в трубе и на однородность концентрации газов-реагентов в той части диффузионной трубы, где помещаются пластины кремния.

Из-за вредности многих элементов, применяемых для диффузии в кремний, следует обратить особое внимание на необходимость удаления в вытяжную систему выходящих из печи газов, содержащих пары диффузанта.

Основной причиной неоднородности и невоспроизводимости результатов диффузии служит то обстоятельство, что поток в диффузионной трубу весьма неравномерен, он образует спиральные завихрения, которые при низких скоростях потока более ярко выражены [9]. Тем не менее диффузия в потоке газа-носителя широко используется в производстве полупроводниковых приборов. За последнее время диаметр пластин кремния увеличился до 10 см и более, в связи с чем было уделено особое внимание усовершенствованию аппаратуры для диффузии в потоке газа, увеличению точности поддержания таких параметров, как температура процесса, скорости потоков газов-реагентов и газов-носителей. В целях контроля и регулирования всего процесса используется ЭВМ.

1.2.3. Диффузия в замкнутом объеме (бокс-метод)

Метод диффузии в замкнутом объеме является промежуточным между методом диффузии в запаянной ампуле и методом открытой трубы. Подобно последнему методу полузакрытую ампулу помещают в печь, через которую продувается инертный газ, и давление паров диффузанта в полуоткрытой ампуле равняется атмосферному.

С другой стороны, подобно методу диффузии в запаянной ампуле, при проведении диффузии источник и кремниевые пластины находятся при одной и той же температуре, что создает известные трудности для получения диффузионных слоев с наперед заданными параметрами.

Бокс-метод обладает следующими преимуществами по сравнению с методом запаянных ампул:

1) значительно уменьшается расход кварца, так как пропадает необходимость каждый раз использовать новую ампулу;

2) уменьшается рабочий цикл, упрощается технология (ликвидируется откачка и отпайка ампул);

3) отсутствует опасность взрыва из-за расширения наполняющего ампулу газа при проведении диффузии.

Метод основан на том, что при нагревании в замкнутом объеме кремниевых пластин с окислом на поверхности и находящейся в тигле смеси SiO2 с окислом примеси, в боксе быстро устанавливается равновесие. Окисел примеси из смеси испаряется в атмосферу бокса и абсорбируется окислом на поверхности кремния до тех пор, пока содержание окиси примеси в окисле на поверхности кремния не станет равным его содержанию в смеси. В дальнейшем окисел примеси реагирует с кремнием по схеме:

2ЭO + Si ? 2Э + SiO2,

где ЭО - окисел примеси. Диффузия в кремний происходит не непосредственно из газовой фазы, а из слоя, являющегося поверхностным источником. Пленка окиси кремния также обеспечивает защиту кремния от эрозии.

Конструкции устройств для диффузии по бокс-методу приведены на рис. 1.7 [16]. На рис. 1.7,а устройство представляет собой вставленные одна в другую кварцевые ампулы. Внутрь ампулы с малым диаметром помещают платиновый контейнер с диффузантом и кварцевую кассету с пластинами кремния. Затем первая ампула вставляется в ампулу с большим диаметром, и вся система (полугерметичный контейнер) помещается в печь.

а) б)

Рис. 1.7. Схема устройства для диффузии примесей по методу замкнутого объема: а - ампула в ампуле; б - ампула с окном, закрываемым платиновой фольгой. 1 - силитовая печь; 2 - кварцевая ампула; 3 - лодочка с диффузантом; 4 - пластины кремния; 5 - платиновая проволока; 6 - платиновая фольга.

Другой тип полугерметичного контейнера приведен на рис. 1.7,б. Он состоит из кварцевой ампулы, у которой верхняя часть срезана по образующей цилиндра. Внутрь ампулы помещают источник примеси и кварцевые пластины. Затем края среза закрываются кварцевой крышкой. Для уплотнения между краями среза и крышкой прокладывают тонкую платиновую фольгу. Крышку закрепляют платиновой проволокой. Контейнер этого типа имеет меньшую утечку паров диффузанта, чем контейнер, состоящий из двух ампул.

При проведении диффузии важное значение имеет правильный выбор источника примеси. Во-первых, источник примеси должен обладать высокой степенью чистоты, чтобы исключить возможность загрязнения полупроводника атомами других элементов и особенно тех, атомы которых легко диффундируют в кремний. К таким элементам относятся золото, железо и цинк, являющиеся в кремнии акцепторами, и литий, обладающий донорными свойствами. Во-вторых, диффузант не должен давать нежелательных соединений с полупроводником, осложняющих процесс диффузии, и, в-третьих, диффузант по возможности не должен быть токсичным, а также дефицитным или дорогостоящим.

Источником бора в этом методе служит окись бора или борная кислота, помещаемые в специальный алундовый тигелек. Для диффузии фосфора используют P2O5 и его смесь с CaO. Точка плавления смеси (93% P2O5, 7% CaO) - 500°C [3].

Однородность легирования этим методом тем выше, чем ближе поверхностная концентрация примеси к предельной растворимости при температуре диффузии.

Как отмечается в [9], практическое осуществление этого метода выявило многие его недостатки. Бокс для диффузии должен быть закрыт достаточно плотно (во избежание сильной утечки паров окиси примеси), но в то же время быть негерметичным настолько, чтобы обеспечить поступление O2 для окисления кремния. Скорость утечки паров примеси колеблется от процесса к процессу, что сильно влияет на результаты. Если поверхность источника меньше поверхности пластины, то источник быстро истощается, и это также ухудшает воспроизводимость результатов. Однородность и воспроизводимость результатов улучшаются только при использовании в качестве первичных источников борных или фосфорных стекол, которые становятся жидкими при температуре диффузии. Эти жидкие источники - высоколегированные, а это ограничивает возможности регулирования поверхностной концентрации и не позволяет получать низкие и средние поверхностные концентрации в одностадийном процессе диффузии.

Поскольку бокс-метод не дает возможности надежно задавать содержание примеси в слое окисла на поверхности кремния составом первичного источника, он не нашел широкого применения.

1.2.4. Стимулированная диффузия

В современной микроэлектронике наблюдается тенденция перехода на структуры с глубиной залегания p-n перехода до значений не более 0,1 мкм и, следовательно, уменьшения продолжительности процесса диффузии, окисления и отжига. Поэтому появились и получают развитие методы быстрой термической обработки (Rapid Thermal Processing) [3], в том числе методы лазерной стимулированной диффузии и ускоренной диффузии в тлеющем разряде. Быстрые термические процессы, или импульсная термическая обработка, базируются главным образом на использование интенсивного когерентного (лазерного) или некогерентного (светового) излучения. В качестве источников последнего используют галогенные лампы накаливания, ксеноновые дуговые лампы, графитовые нагреватели.

В зависимости от условий импульсного нагрева и, в первую очередь, от экспозиционной мощности излучения, процесс можно проводить как в твердой фазе (фотонный отжиг), так и с плавлением - рекристаллизацией (лазерный отжиг и диффузия). Для современной технологии наибольший интерес представляет твердофазный режим благодаря соответственно другим технологическим операциям. В этом случае используют примесные покрытия, жидкие и газообразные источники.

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.

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.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8