Разработка источников диффузионного легирования для производства кремниевых солнечных элементов (стр. 12 из 17)
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
| № образца | Температура,°С | Время диффузии, мин | Li, мкм | xji, мкм | Среднее значение xj, мкм |
| 1 | 950 | 20 | 170 | 0,272 | 0,28 |
| 175 | 0,289 | ||||
| 170 | 0,272 | ||||
| 175 | 0,289 | ||||
| 180 | 0,306 |
Продолжение таблицы 3.1.
| № образца | Температура,°С | Время диффузии, мин | Li, мкм | xji, мкм | Среднее значение xj, мкм |
| 2 | 950 | 40 | 240 | 0,543 | 0,55 |
| 240 | 0,543 | ||||
| 245 | 0,566 | ||||
| 240 | 0,543 | ||||
| 245 | 0,566 | ||||
| 3 | 60 | 295 | 0,820 | 0,80 | |
| 290 | 0,793 | ||||
| 290 | 0,793 | ||||
| 295 | 0,820 | ||||
| 290 | 0,793 | ||||
| 4 | 80 | 315 | 0,936 | 0,96 | |
| 320 | 0,966 | ||||
| 320 | 0,966 | ||||
| 320 | 0,966 | ||||
| 320 | 0,966 |
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 ρ = 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
| № образца | Температура,°С | Время диффузии, мин | Li, мкм | xji, мкм | Среднее значение xj, мкм |
| 1 | 950 | 20 | 190 | 0,340 | 0,35 |
| 195 | 0,359 | ||||
| 200 | 0,377 | ||||
| 190 | 0,340 | ||||
| 195 | 0,359 | ||||
| 2 | 40 | 240 | 0,543 | 0,55 | |
| 240 | 0,543 | ||||
| 240 | 0,543 | ||||
| 245 | 0,566 | ||||
| 245 | 0,566 | ||||
| 3 | 60 | 270 | 0,688 | 0,69 | |
| 265 | 0,663 | ||||
| 270 | 0,688 | ||||
| 275 | 0,713 | ||||
| 270 | 0,688 | ||||
| 4 | 80 | 295 | 0,820 | 0,83 | |
| 295 | 0,820 | ||||
| 295 | 0,820 | ||||
| 300 | 0,849 | ||||
| 295 | 0,820 |
По результатам, приведенным в таблице 3.2, можно построить график зависимости xj от времени диффузии.
Рис. 3.2. Зависимость глубины залегания p – n перехода от времени проведения диффузии (Т=950°С).
3.3. Исследование твердого планарного источника на основе нитрида бора
Диффузия с использованием твердого планарного источника носит также название диффузии из параллельного источника, так как полупроводниковые пластины кремния и твердый источник размещаются параллельно друг другу.
Для исследований был взят кремний n-типа (111) с удельным сопротивлением ρ = 2 Ом∙см.
Особенностью твердого планарного источника на основе BN является то, что перед проведением процесса диффузии его необходимо окислить, чтобы на поверхности образовался тонкий слой B2O3. Во время проведения процесса диффузии пары B2O3 переходят в газовую фазу, реагируют с кремнием с образованием слоя боросиликатного стекла, из которого уже и идет диффузия бора в кремний.
Окисление твердого планарного источника на основе нитрида бора проводилось в диффузионной печи в атмосфере воздуха при температуре 950°С в течение 40 – 60 мин.
Расстояние между пластинами кремния и твердым источником нитрида бора выбиралось равным 1 –1,5 мм.
Диффузия проводилась в диффузионной печи в атмосфере воздуха, где пластины с источником выдерживались заданное время. Для исследований было взято двенадцать образцов, чтобы выявить зависимость глубины залегания p – n перехода не только от времени проведения, а также и от температуры проведения процесса.
Результаты по испытанию твердого планарного источника на основе нитрида бора приведены в таблице 3.3.
Таблица 3.3.
Зависимость глубины залегания p – n перехода от времени проведения диффузии для ТПИ на основе нитрида бора
| № образца | Температура,°С | Время диффузии, мин | Li, мкм | xji, мкм | Среднее значение xj, мкм |
| 1 | 920 | 20 | 145 | 0,198 | 0,2 |
| 145 | 0,198 | ||||
| 150 | 0,212 | ||||
| 145 | 0,198 | ||||
| 150 | 0,212 | ||||
| 2 | 40 | 180 | 0,396 | 0,32 | |
| 185 | 0,323 | ||||
| 190 | 0,345 | ||||
| 180 | 0,306 | ||||
| 180 | 0,306 |
Продолжение таблицы 3.3.
| № образца | Температура,°С | Время диффузии, мин | Li, мкм | xji, мкм | Среднее значение xj, мкм |
| 3 | 920 | 60 | 240 | 0,543 | 0,54 |
| 240 | 0,543 | ||||
| 235 | 0,520 | ||||
| 240 | 0,543 | ||||
| 240 | 0,543 | ||||
| 4 | 80 | 275 | 0,713 | 0,7 | |
| 275 | 0,713 | ||||
| 275 | 0,713 | ||||
| 270 | 0,687 | ||||
| 275 | 0,713 | ||||
| 5 | 950 | 20 | 205 | 0,396 | 0,40 |
| 210 | 0,416 | ||||
| 210 | 0,416 | ||||
| 205 | 0,396 | ||||
| 205 | 0,396 | ||||
| 6 | 40 | 260 | 0,638 | 0,63 | |
| 260 | 0,638 | ||||
| 255 | 0,613 | ||||
| 255 | 0,613 | ||||
| 260 | 0,638 | ||||
| 7 | 60 | 300 | 0,849 | 0,85 | |
| 300 | 0,849 | ||||
| 300 | 0,849 | ||||
| 295 | 0,821 | ||||
| 305 | 0,878 |
Продолжение таблицы 3.3.