Разработка источников диффузионного легирования для производства кремниевых солнечных элементов (стр. 2 из 17)
Относительно производства электроэнергии, следует отметить, что более высокий КПД вызывает существенное удешевление вспомогательных систем и фотоэлектрических установок. При выборе СЭ для фотоэлектрической энергостанции должны учитываться также срок службы фотомодуля и срок его окупаемости. Следует отметить, что гарантийный срок службы СЭ из монокристаллического кремния составляет порядка 20 лет при 25 % падении мощности от начального уровня, а у СЭ из α-Si уже в течение первого года службы КПД снижается от 9 – 10 % до 5 – 6 % с последующей годовой деградацией 15 % [2].
Поэтому в настоящее время существующие электростанции используют в основном модули из монокристаллического и поликристаллического кремния. Ведущие фирмы продолжают выпускать высокоэффективные монокристаллические СЭ, несмотря на их высокую стоимость.
Солнечные элементы на монокристаллическом кремнии с p – n переходом – первые СЭ, на которых получены реальные результаты. КПД первых конструкций СЭ соответствовал приблизительно 10 %. В 60-е годы монокристаллические СЭ на кремнии нашли применение в качестве генераторов для космических аппаратов. Тогда основное внимание уделялось увеличению КПД за счет усовершенствования технологий и конструкций, а стоимость генерируемой энергии не была критичной. Однако в дальнейшем с развитием технологии расширяются работы по созданию и улучшению СЭ наземного назначения, и основным направлением развития становится поиск путей по снижению стоимости СЭ.
Одна из возможностей снижения стоимости СЭ из монокристаллического кремния в серийном производстве – замена дорогостоящих процессов фотолитографии (4 – 6 фотолитографий в маршруте изготовления СЭ) и вакуумного напыления более дешевыми – техникой печатного нанесения контактов.
Однако в последнее время все большее внимание уделяется альтернативному пути – повышение КПД солнечного элемента, несмотря на удорожание его изготовления. Комплексный технико-экономический анализ фотоэнергетических установок в целом показывает во многих случаях целесообразность использования сравнительно более дорогих СЭ с большим КПД и сроком службы. Увеличение КПД связано с усовершенствованием конструкции СЭ и развитием технологии изготовления. Применение тыльного подлегирования, фотолитография для нанесения контактной сетки с одновременным уменьшением площади, затеняемой лицевым токосъемником, снижением толщины “мертвого” слоя (менее 0,3 мкм), текстурированием фронтальной поверхности, применение противоотражательных покрытий обеспечили увеличение КПД до 17 % [2].
Современная тенденция в развитии солнечных элементов предполагает переход на полупроводниковые пластины все большего диаметра (начиная от 100 мм). Это позволяет увеличить коэффициент заполнения площади фотомодуля и снижает стоимость монтажа солнечной батареи. Кроме того, переходы, используемые в СЭ для формирования эмиттерной области, являются мелкими. Технология получения кремниевых солнечных элементов базируется на методах, разработанных в микроэлектронике – наиболее развитой промышленной технологии.
Традиционно мелкие переходы получали ионным легированием, которое характеризуется высокой однородностью и воспроизводимостью примесной дозы, а также чистотой процесса. Однако с переходом на пластины большого диаметра реализация мелких p – n переходов возможна лишь при использовании диффузионных методов легирования [3]. Наибольшего распространения в микроэлектронике при производстве полупроводниковых приборов и микросхем получил метод диффузии в потоке газа-носителя (метод открытой трубы). Но данный метод при использовании пластин большого диаметра позволяет получать результаты, удовлетворяющие требованиям современной полупроводниковой технологии, только при значительном усложнении аппаратуры. Кроме того, при диффузии в потоке газа-носителя однородность по глубине залегания достигается путем проведения двухстадийного процесса, что невозможно при формировании мелких переходов.
Диффузия примеси из примесных, предварительно сформированных на поверхности пластины при низкой температуре покрытий позволяет избежать возникновения многих недостатков, присущих методу диффузии в потоке газа-носителя. Метод прост, не требует сложного оборудования, возможно проведение диффузионных процессов в атмосфере воздуха. Именно на исследование поверхностных источников, предназначенных для проведения процесса диффузии примесей в кремний, направлен данный дипломный проект.
1. ИСТОЧНИКИ ПРИМЕСЕЙ ДЛЯ ДИФФУЗИОННОГО ЛЕГИРОВАНИЯ КРЕМНИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ДИФФУЗИИ ПРИМЕСЕЙ В КРЕМНИЙ
В данном разделе рассматриваются основные известные источники примесей бора и фосфора для проведения диффузии в кремнии. Помимо хорошо известных и нашедших применение в промышленности источников рассматриваются также менее известные источники, интерес к которым возник в связи с разработкой технологии изготовления кремниевых солнечных элементов. Такими источниками являются поверхностные источники диффузии.
Также будут рассмотрены методы проведения диффузии, так как эффективность использования конкретного источника диффузанта в значительной степени определяется методом проведения процесса диффузии.
1.1. Источники примесей для диффузионного легирования кремния
К основным источникам примесей относятся жидкие, газообразные, твердые, твердые планарные источники а также поверхностные источники. Газообразные, жидкие, твердые и твердые планарные источники объединяет то, что при их использовании применяется газовая система. К поверхностным источникам относятся источники на основе простых неорганических соединений, стеклообразные диффузанты, а также легированные окислы. Такие источники наносятся на полупроводниковую пластину кремния различными методами до проведения процесса диффузии. Важной особенностью применения поверхностных источников является возможность проведения процесса диффузии в атмосфере воздуха, что может существенно удешевить технологию производства кремниевых СЭ. Поэтому рассмотрению поверхностных источников уделено большее внимание.
1.1.1. Твердые планарные источники (ТПИ)
При методе диффузии с использованием твердых планарных источников пластины кремния и ТПИ устанавливают в кварцевой кассете параллельно друг другу (рис. 1.1), вводят в реакционную зону диффузионной печи и выдерживают в ней заданное время. Газообразный окисел легирующего элемента, выделяющийся твердым источником, диффундирует к поверхности кремния и взаимодействует с ним с образованием слоя стекла, из которого происходит диффузия примесей вглубь пластины.
Рис. 1.1. Установка ТПИ и пластин кремния в кварцевой кассете: 1- кварцевая кассета; 2 - ТПИ; 3 - пластины кремния; 4 - пары P2O5.
Параметры диффузионных слоев определяются температурой и временем диффузии, а также давлением газообразного окисла легирующего элемента. Поскольку последний образуется непосредственно в реакционной зоне в результате физико-химических процессов, происходящих в материале источника при нагревании, параметры диффузии практически не зависят от скорости газа-носителя. Таким образом, способ диффузии с использованием ТПИ лишен основных недостатков методов с применением жидких и газообразных источников, а также твердых окислов легирующих элементов и имеет ряд существенных достоинств [4]:
- высокая производительность за счет большой плотности загрузки пластин кремния и возможность использования всей рабочей зоны диффузионной печи;
- хорошая воспроизводимость параметров диффузионных слоев благодаря сведению к минимуму числа влияющих на них технологических факторов и простоте управления процессом;
- однородность уровня легирования по поверхности, что особенно существенно в связи с тенденцией перехода на пластины большого диаметра;
- простота используемого технологического оборудования;
- высокая экономичность.
1.1.1.1. Источники для диффузии бора
Твердые источники для диффузии бора создают в реакционной зоне пары B2O3, молекулы которой диффундируют к поверхности кремниевых пластин и взаимодействуют с кремнием:
2B2O3 + 3Si → 4B + 3SiO2.
Из образующегося слоя боросиликатного стекла происходит диффузия бора вглубь кремния.
Основным материалом для изготовления твердых источников бора является нитрид бора (BN). Благодаря физико-химическим и механическим свойствам BN твердые источники на его основе отличаются стабильностью и длительным сроком службы. Перед эксплуатацией ТПИ на основе BN окисляют с целью образования на его поверхности тонкого слоя B2O3, который при температурах диффузии (700 – 1250°С) находится в жидком состоянии. Переход B2O3 в газовую фазу происходит в результате испарения слоя.
Другим направлением в создании ТПИ бора является использование материалов, содержащих B2O3 в связанном виде, которая выделяется при нагревании непосредственно в процессе диффузии. Твердые источники такого типа могут применяться без предварительного окисления.
1.1.1.1.1.ТПИ на основе нитрида бора
Процесс диффузии бора в кремний с использованием ТПИ на основе BNхорошо изучен. Термическое окисление BN в процессе эксплуатации источников производится по мере испарения B2O3. Процесс диффузии может проводиться как в инертной среде (Ar, N2, He), так и в окислительной (5 – 10% кислорода), что препятствует образованию на поверхности пластины кремния труднорастворимой фазы SiB.
Термодинамический анализ системы B2O3 - H2O показал [4], что при температурах диффузии возможно образование в газовой фазе метаборной кислоты:
B2O3 + H2O → HBO2.