Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Licht Verbeterde waterstoffluoride Passiveren: Een gevoelige techniek voor het opsporen Bulk Silicon Gebreken

Published: January 4, 2016 doi: 10.3791/53614
Automatic Translation
1
1Research School of Engineering, Australian National University

Summary

Een RT vloeibare oppervlaktepassivering techniek om de recombinatie activiteit van bulk silicium gebreken onderzoeken wordt beschreven. Voor de techniek succesvol zijn, zijn er drie belangrijke stappen noodzakelijk: (i) chemisch reinigen en etsen van silicium, (ii) onderdompeling van silicium in 15% fluorwaterstofzuur en (iii) verlichting van 1 min.

Abstract

Een procedure om de bulk levensduur (> 100 psec) silicium wafers te meten door tijdelijk het bereiken van een zeer hoog oppervlaktepassivering bij onderdompelen van de wafers in fluorwaterstofzuur (HF) wordt gepresenteerd. Door deze procedure drie cruciale stappen nodig zijn om de bulk levensduur bereiken. Allereerst vóór onderdompelen silicium wafers in HF, ze chemisch gereinigd en vervolgens geëtst in 25% tetramethylammoniumhydroxide. Ten tweede worden de chemisch behandelde wafers vervolgens in een grote plastic container gevuld met een mengsel van HF en zoutzuur, en vervolgens gecentreerd over een inductieve spoel voor photoconductance (PC) metingen. Ten derde oppervlak recombinatie remmen en meet de massa levensduur, de wafers worden verlicht 0,2 zonnen gedurende 1 minuut met een halogeenlamp, is de verlichting uitgeschakeld en een PC meting wordt meteen gemaakt. Met deze procedure kan de kenmerken van bulk silicium gebreken nauwkeurig worden bepaald. Bontvendien wordt verwacht dat een gevoelige RT oppervlaktepassivering techniek noodzakelijk is voor de behandeling bulk silicium defecten wanneer de concentratie laag is (<10 12 cm -3).

Introduction

Hoge levensduur (> 1 msec) monokristallijn silicium wordt steeds belangrijker voor een hoog rendement zonnecellen. Inzicht in de recombinatie kenmerken van embedded onzuiverheden is geweest, en blijft een belangrijk onderwerp. Een van de meest gebruikte technieken om de recombinatie activiteit van ingegroeide defecten worden onderzocht door een photoconductance methode 1. Door deze techniek is het vaak moeilijk volledig aparte ondergrond bulkgoed recombinatie, waardoor het moeilijk de recombinatie kenmerken van ingegroeide gebreken onderzocht. Gelukkig bestaan ​​er verschillende diëlektrische films die kunnen bereiken zeer lage effectieve oppervlakte recombinatie snelheden (S eff) van <5 cm / sec, en dus effectief oppervlakte recombinatie remmen. Deze zijn, siliciumnitride (SiN x: H) 2, aluminiumoxide (Al 2 O 3) 3 en amorf silicium (a-Si: H) 4. De afzetting en eennealing temperaturen (~ 400 ° C) van deze diëlektrische films worden beschouwd als laag te zijn genoeg niet om permanent de recombinatie activiteit van de volwassenen in defecten deactiveren. Voorbeelden hiervan zijn de ijzer-boron boor 5 en 6 zuurstof defecten. Echter, onlangs bleek dat leegstand zuurstof en beschikbaarheid fosfor defecten in n-type Czochralski (CZ) silicium volledig kan worden uitgeschakeld bij temperaturen van 250-350 ° C 7,8. Evenzo een defect in float-zone (FZ) p-type silicium bleek te deactiveren bij ~ 250 ° C 9. Derhalve kunnen conventionele passivering technieken zoals plasma versterkte chemische dampafzetting (PECVD) en atomic layer deposition (ALD) niet geschikt voor het remmen oppervlak recombinatie gekweekt in bulk gebreken onderzocht. Bovendien SiN x: H en a-Si: H films bleken bulk silicium defecten deactiveren door middel hydrogenering 10,11. Dus de recombinatieactiviteit o onderzocht f ingegroeide defecten zou een RT oppervlaktepassivering techniek ideaal. Natte chemische oppervlaktepassivering voldoet aan deze eis.

In de jaren 1990 Horanyi et al. Aangetoond dat onderdompeling van silicium wafers aan jodium-ethanol (IE) oplossing verschaft een middel om silicium wafers passiveren, bereiken S eff <10 cm / sec 12. In 2007 Meier et al. Toonden aan dat jodium-methanol (IM) oplossingen het oppervlak recombinatie 7 cm / sec 13 kan verminderen, terwijl in 2009 Chhabra et al. Aangetoond dat S eff van 5 cm / sec kan worden bereikt door onderdompeling silicon wafers in quinhydron-methanol (QM) -oplossingen 14,15. Ondanks de uitstekende oppervlaktepassivering bereikt door IE, IM en QM-oplossingen, hebben ze geen adequate oppervlaktepassivering (S eff <5 cm / sec) om het grootste deel levensduur van een hoge zuiverheidsgraad silicium wafers te meten.

nt "> Een andere wijze om een hoog oppervlaktepassivering bereikt wordt door onderdompeling silicium wafers in HF zuur. Het begrip gebruik HF silicium wafers passiveren werd eerst geïntroduceerd door Yablonavitch et al. in 1986, die een record lage S eff aangetoonde 0,25 ± 0,5 cm / sec 16. Hoewel uitstekende oppervlaktepassivering werd bereikt op hoge weerstand wafers, hebben we de techniek niet kan worden herhaald, waardoor een grote onzekerheid om de levensduur meting voegen zijn. Derhalve de onzekerheid beperken door consequent realiseren vond een zeer lage S eff (~ 1 cm / sec), hebben we een nieuwe HF passivering techniek die drie cruciale stappen omvat, (i) chemisch reinigen en etsen van silicium wafers, (ii) onderdompeling in een 15% HF oplossing en (iii) ontwikkeld verlichting voor 1 min 17,18. Deze procedure is eenvoudig en tijdbesparend in vergelijking met de bovengenoemde traditionele PECVD en ALD depositietechnieken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Experimentele Setup

  1. Zoek een geschikte zuurkast voor de meettechniek, en verwijder alle irrelevante apparatuur om een betere luchtstroom mogelijk te maken en te verminderen verrommeling. Gebruik geen andere dan fluorwaterstofzuur (HF) chemische stoffen niet in de zuurkast.
  2. Test de kwaliteit van het gedeïoniseerd (DI) water uit de kraan in de zuurkast met een geleidbaarheidsmeter. Controleer of DI water een geleidingsvermogen van ten hoogste 0,055 S / cm bij een temperatuur van 20 ° C.
  3. Plaats een minderheid vervoerder levensduur tester in de zuurkast. Sluit de kabels aan op een computer, die is gelegen op een tafel buiten de zuurkast.
  4. Schakel de computer en de levensduur tester. Open de levensduur tester bestand op de computer en klik op de 'maatregel' knop om de juiste communicatie tussen de computer en de levensduur tester te garanderen. De lichtbron op de levensduur tester moet knipperen als de computer en de tester correct zijn aangesloten. Plaats een halogeenlamp in de zuurkast. Plaats de lamp zodanig dat het de levensduur tester podium waar het monster zal worden gevestigd kan verlichten.
  5. Sluit de halogeenlamp een energiebron die moet worden gesitueerd buiten het zuurkast. Wanneer de halogeenlamp is ingeschakeld, zal de intensiteit ten minste 0,02 W / cm 2 van de levensduur tester stadium.

2. Voorbereiden van de 15% HF oplossing

Opmerking: HF is een gevaarlijke chemische en moet met zorg worden behandeld. Het veroorzaakt trage, aanhoudende en diepe schade aan het lichaam na blootstelling. HF niet gemakkelijk de huid verbranden als andere zuren - vrij snel geabsorbeerd in de huid en veroorzaakt diepe blaarvorming en schade aan de botten. Dit betekent dat de botten broos worden en blaren als fluor reageert met calcium. HF bindt ook met vrije calciumionen die wordt gebruikt in zenuwuiteinden regelgeving en osmotische celbalans, zodat binding van vrij calcium in het lichaam kan fataal zijn. Het is essentieel datde gebruiker volgt laboratorium veiligheid protocollen bij het gebruik van HF, en zorgt ervoor dat ze weten dat de locatie van het HF EHBO-kit en hexafluorine (of calciumgluconaat gel).

  1. Plaats een chemisch gereinigd ronde plastic container (H: 55 mm, D: 170 mm) in de zuurkast (hetzelfde als in deel 1). De container moet een doorzichtige plastic deksel hebben. Zie paragraaf 6 over hoe de container vóór gebruik chemisch reinigen.
  2. Wis het gebied rond de plastic container in de zuurkast zodat de HF-oplossing kan worden bereid zonder obstakels in de buurt.
  3. Gelden alle persoonlijke beschermingsmiddelen (PBM).
  4. WAARSCHUWING: Voeg 50 ml van HF met 100 ml DI water (H 2 O) in de houder.
  5. WAARSCHUWING: Voeg 20 ml zoutzuur (HCl) aan de houder en meng de H 2 O: HF: HCl oplossing met plastic pincet. Spoel de pincet nadien grondig.
  6. WAARSCHUWING: Plaats de deksel op de kunststof houder en laat de solutiop om zich te vestigen voor 1 uur. Gedurende deze tijd zullen HF dampen condenseren op het deksel.
  7. Adequaat de container label, en maakt duidelijk dat het HF bevat.
    Opmerking: De HF-oplossing zal duren 1-2 maanden met zware gebruik. Daarom is er geen noodzaak om de oplossing elke keer dat een meting wordt uitgevoerd vervangen.

3. De kalibratie van de Lifetime Tester

  1. Localisatie minstens 6 siliciumschijven van bekende weerstand en geleiding. Idealiter zou de weerstand bereik moet 0,1-100 Ω-cm overspannen.
  2. Op de computer, opent u de levensduur tester kalibratie-bestand. Voer de weerstand van elke wafel in de tabel en klik vervolgens op 'update # van wafers'.
  3. Klik op de 'Get data' knop in de kalibratie-bestand en voer de details van de levensduur tester.
  4. Gelden alle benodigde PPE.
  5. LET OP: Plaats de plastic container gevuld met de HF-oplossing op de levensduur tester podium en plaats het over de inductieve spoel (blue cirkel regio).
  6. Wanneer wordt gevraagd de 'lucht spanning' op de computer te meten, meet de spanning van de HF-oplossing door te klikken op de knop 'OK'. In dit geval is de lucht werd vervangen door de conductantie van de HF oplossing.
  7. LET OP: Haal de container gevuld met HF van het podium en plaats het op de zuurkast bank. Verwijder het deksel voorzichtig.
  8. WAARSCHUWING: als het deksel is verwijderd uit de houder, dompel de eerste siliciumwafel in de HF oplossing met behulp van plastic pincet. Plaats het deksel weer op de container.
  9. LET OP: Plaats de plastic container terug op de levensduur tester podium en plaats het over de inductieve spoel. Zorg ervoor dat de siliciumwafer wordt gecentreerd over de spoel (blauwe cirkel regio).
  10. Wanneer wordt gevraagd de 'sample spanning' op de computer te meten, klikt u op de knop 'OK' nogmaals. Verwijder de container uit het podium en plaats het op de zuurkast bank.
  11. LET OP: Zorgvuldig r chrap het silicium wafer van de HF-oplossing met behulp van plastic pincet en spoel de wafer in de daarvoor bestemde spoeling bekers. Doe een laatste spoeling onder de kraan in de zuurkast.
  12. LET OP: Plaats het deksel weer op de container, en terug op de levensduur tester podium positie van de container.
  13. Herhaal stap 3,6 om 3,12 tot alle monsters zijn gemeten.
  14. Zodra alle van de monsters zijn gemeten, klikt u op de knop 'Fit gegevens' in de kalibratie-bestand. Dit zal een parabolische curve voor de gemeten gegevens passen en zorgen kalibratie coëfficiënten A, B en C die specifiek zijn voor deze opstelling zijn.
  15. Op de computer, opent u de levensduur tester bestand en klik op het tabblad 'Instellingen'. Voer de nieuwe kalibratie coëfficiënten A, B en C voor de HF setup. Sla het bestand onder een nieuwe naam.
    Opmerking: De HF setup vereist slechts een kalibratie elke 6 maanden. Daarom is er geen noodzaak om de setup kalibratie als een meting wordt uitgevoerd.
jove_title "> 4 Wet Chemische behandeling van silicium wafers Voorafgaand aan meten.

  1. Bereid standaard schoon 1 (SC 1).
    1. LET OP: In een alkalische toegewezen zuurkast, voeg 185 ml ammoniumhydroxide (NH 4 OH) tot 1295 ml DI water in een 2 L glazen beker.
    2. VOORZICHTIG: Plaats het bekerglas op een hete plaat en verwarm het H 2 O: NH4OH oplossing tot een temperatuur van -50 ° C. Gebruik een horlogeglas om de beker te dekken.
    3. VOORZICHTIG: Nadat de H 2 O: NH 4 OH-oplossing een temperatuur van -50 ° C bereikt, voeg 185 ml waterstofperoxide (H 2 O 2) en verder verwarmen tot de temperatuur bereikt ~ 75 ° C. Deze H 2 O: NH 4 OH: H 2 O 2 oplossing bekend als SC 1.
      Opmerking: SC 1 moet dagelijks om effectief schoon silicium wafers worden veranderd.
  2. Bereid standaard schoon 2 (SC 2).
    1. LET OP: In een zuur toegewezen zuurkast,voeg 185 ml HCl tot 1295 ml DI water in een 2 L glazen beker.
    2. VOORZICHTIG: Plaats het bekerglas op een hete plaat en verwarm het H 2 O: HCl-oplossing tot een temperatuur van -50 ° C. Gebruik een horlogeglas om de beker te dekken.
    3. VOORZICHTIG: Nadat de H 2 O: HCl-oplossing een temperatuur van -50 ° C bereikt, voeg 185 ml H 2 O 2 en verder verwarmen tot de temperatuur bereikt ~ 75 ° C. Deze H 2 O: HCl: H 2 O 2 oplossing bekend als SC 2.
      Opmerking: Verander SC 2 dagelijks om effectief schoon silicium wafers.
  3. Bereid de silicium etsen oplossing.
    1. In een alkalisch toegewezen zuurkast, voeg 1600 ml tetramethylammoniumhydroxide (TMAH) om een chemisch schoon 2 L glazen beker. Zie paragraaf 6 over hoe chemisch reinigen van de beker voor gebruik.
    2. Plaats het bekerglas op een hete plaat en verwarm het TMAH oplossing tot een temperatuur van -856; C. Gebruik een horlogeglas om de beker te dekken.
      Opmerking: De TMAH oplossing hoeft niet te veranderen totdat het begint te kristalliseren, dat wil zeggen na 1 maand.
  4. Voer de natte chemische behandeling.
    1. Monsters lading in een kwarts cradle en leg ze in een gemeenschappelijke HF-oplossing in het lab. De concentratie is niet kritisch.
    2. Na ~ 10 seconden of zodra de monsters worden hydrofobe (pull droog), verwijder de wieg van de HF-oplossing en spoel met 3 bekers gevuld met DI-water.
    3. Vervoeren de bakermat van wafers voor de zuurkast, waar SC 1 is opgesteld. Wanneer SC 1 is gestabiliseerd op ~ 75 ° C, langzaam dompel de bakermat van de wafers in SC 1.
    4. Reinig de wafers in SC 1 gedurende 10 min.
    5. Na 10 minuten verstreken is, verwijdert u de wieg van wafers van SC 1 en spoel ze met behulp van drie 2 L glazen bekers gevuld met DI-water. Chemisch schone deze glazen bekers voor ze te vullen met DI-water. Zie paragraaf 6 ophoe chemisch reinigen van de bekers.
    6. Na het spoelen, plaatst de monsters in een HF-oplossing die is gewijd alleen voor post SC 1 verwerking. De concentratie is niet kritisch.
    7. Na ~ 10 seconden of zodra de monsters worden hydrofobe (pull droog), verwijder de wieg van de HF-oplossing en spoel met 3 bekers gevuld met DI-water. Gebruik dezelfde bekers als in stap 4.4.5.
    8. Vervoeren de bakermat van wafers voor de zuurkast, waar SC 2 is opgesteld. Wanneer SC 2 is gestabiliseerd op ~ 75 ° C, langzaam dompel de bakermat van de wafers in SC 2.
    9. Reinig de wafers in SC 2 gedurende 10 min.
    10. Na 10 minuten verstreken is, verwijdert u de wieg van wafers van SC 2 en spoel ze met behulp van 3 bekers gevuld met DI-water. Gebruik dezelfde bekers als in stap 4.4.5.
      Opmerking: De wieg van wafers kunnen worden opgeslagen in één van de spoelen bekers gevuld met gedeïoniseerd water tot de volgende dag.
    11. Na het spoelen, plaatst de monsters in een HF-oplossing die is gewijd alleen voor postSC 2 verwerken. De concentratie is niet kritisch.
    12. Na ~ 10 seconden of zodra de monsters worden hydrofobe (pull droog), verwijder de wieg van de HF-oplossing en spoel met 3 bekers gevuld met DI-water. Gebruik dezelfde bekers als in stap 4.4.5.
    13. Vervoeren de bakermat van wafers voor de zuurkast waar de TMAH oplossing is voorbereid. Wanneer de TMAH oplossing heeft zich gestabiliseerd op ~ 85 ° C, langzaam dompel de bakermat van wafers in de TMAH oplossing.
    14. Etsen wafers in TMAH gedurende 5 min. Dit ~ 5 micrometer silicium te verwijderen.
    15. Na 5 minuten is verstreken, verwijdert de wieg van wafers van het TMAH oplossing en spoel ze met behulp van 3 bekers gevuld met DI-water. Gebruik dezelfde bekers als in stap 4.4.5. Meer dan 3 spoelingen kunnen worden verlangd als TMAH is nogal 'sticky'.
    16. Vervoeren de bakermat van de wafers in DI water om de zuurkast, waar het experiment opzet is geweest. Zie paragraaf 1.1.
    17. Meet de bereide silicium wafers binnen 2 uur na step 4.4.16.

5. Measurement Procedure

  1. Gelden alle benodigde PPE.
  2. Vul twee 2 L plastic bekers met DI-water en plaats ze in de zuurkast. Deze zullen worden gebruikt voor het spoelen van het silicium stalen paal meting.
  3. Plaats plastic pincet in een lege 500 ml plastic beker en plaats binnen de zuurkast in de buurt van de spoeling bekers. Deze pincet worden gebruikt om het silicium monsters hanteren.
  4. Op de computer, opent u de levensduur tester bestand. Zorg ervoor dat het bestand bevat de juiste kalibratie coëfficiënten voor de HF meetopstelling. Zie paragraaf 3.
  5. In de levensduur tester bestand, selecteert u de 'Transient' modus. Vul de gegevens van de siliciumwafel te meten, bijvoorbeeld de dikte, weerstand en het type doteringsmiddel.
  6. LET OP: Plaats de container (deksel op) gevuld met HF op het podium van de levensduur tester en centreren het over de inductieve spoel (blauwe cirkel regio). Laat de oplossing voor het regelen1 minuut.
  7. Op de computer, klikt u op de 'Zero instrument' knop in het leven tester bestand. Hierdoor wordt de spanning van de oplossing te meten.
    Opmerking: In tijd, zal de oplossing spanning verminderen, omdat de samenstelling van de oplossing verandert met de tijd. Los daarvan, is de HF oplossing worden geen verslechtering in de passiveringslaag kwaliteit, daarom is de oplossing kan gedurende 1-2 maanden zonder wijziging onderging.
  8. LET OP: Haal de container uit de levensduur tester podium en plaats het op de zuurkast bank.
  9. LET OP: Verwijder het deksel voorzichtig uit de container gevuld met het HF-oplossing. Als er wat condensatie op het deksel voorzichtig spoel de deksel in DI-water met behulp van de kraan in de zuurkast.
  10. LET OP: dompel voorzichtig de eerste silicium wafer in de HF-oplossing. De plastic pincet, druk voorzichtig op de silicium wafer om te verzekeren dat zit op de bodem van de houder.
  11. Spoel de pincets en plaats ze terug in de lege 500 ml plastic beker.
  12. LET OP: Plaats het deksel weer op de container en plaats de container op de levensduur tester podium. Zorg ervoor dat de siliciumwafer is gepositioneerd over de inductieve spoel (blauwe cirkel regio).
  13. Spoel en droog uw handschoenen. Verwijder ze voor het bedienen van de computer.
  14. Indien de fluorescerende licht in de zuurkast is, moet worden uitgeschakeld voordat een meting wordt verricht. Minimaal licht is vereist tijdens de meting.
  15. Schakel de halogeenlamp aan en zorgen dat het verlichten van de siliciumwafel door het deksel van de plastic container. Tijd voor 1 min (de exacte tijd is niet kritisch).
  16. Tijdens de verlichting periode, klikt u op de 'Measure' knop in het leven bestand op de computer. Een klein venster genaamd 'Taking data' zal verschijnen.
  17. In de 'Taking data' venster, typ een naam voor het bestand. Onder 'sample middeling' select 10.
  18. Wanneer het silicium wafer is belicht gedurende 1 minuut, schakelt de halogeenlamp uit en onmiddellijk klik op de 'gemiddelde' knop in het venster 'Taking data'. De levensduur tester knippert 10 keer en het gemiddelde van de levensduur metingen.
    Opmerking: Als de halogeenlamp is uitgeschakeld, wordt de passivering van de siliciumwafel beginnen te degraderen, en dus is het belangrijk om onmiddellijk na belichting meten om de beste resultaten te bereiken.
  19. Wanneer de middeling is voltooid, klikt u op de knop 'OK' in het venster 'Taking data'.
  20. Als een andere meting nodig is, herhaal dan de stappen 5,15-5,18.
  21. LET OP: Als de meting is voltooid, verwijdert u de container uit de levensduur tester podium en plaats het op de zuurkast bank.
  22. LET OP: Verwijder het deksel voorzichtig uit de container gevuld met het HF-oplossing. Als er wat condensatie op het deksel voorzichtig spoel de deksel in DI-water met behulp van de kraanin de zuurkast.
  23. LET OP: Haal de silicium wafer van de HF-oplossing met behulp van plastic pincet en spoel de wafer in de daarvoor bestemde spoeling bekers. Doe een laatste spoeling onder de kraan in de zuurkast.
  24. Als er meer monsters worden gemeten, herhaalt u stap 5,10-5,23.
  25. Nadat alle monsters zijn gemeten, zorgen het deksel op de houder geplaatst en bewaar de HF oplossing in de zuurkast. Zorg ervoor dat de container wordt naar behoren geëtiketteerd.
  26. Spoel alle bekers en pincet en bewaar ze in de hun toegewezen plekken in het laboratorium.
  27. Laat de levensduur tester in de zuurkast blijven gedurende 1 uur na gebruik en verwijder deze vervolgens uit de zuurkast.

6. Chemische zuivering van bekers en containers

  1. In een alkalisch toegewezen zuurkast, bereiden een SC 1 oplossing, zoals beschreven in paragraaf 4.1.1-4.1.4.
  2. Chemisch schoon bekers en containers, giet de SC 1 oplossing in de bekers / containers. De bekers can slechts gereinigd één tegelijk.
  3. Laat de oplossing voor het reinigen van de beker / container voor 10 min. Indien de beker / houder plastic, kan niet op een hete plaat geplaatst, en derhalve de SC 1 oplossing koelen tijdens het reinigen. Dit heeft geen invloed op het reinigingsproces.
  4. Na 10 min, giet de SC 1 oplossing in een bekerglas / container wanneer zij gereinigd ook. Anders laat de SC 1 oplossing afkoelen in een grote beker. Eenmaal afgekoeld, kan SC 1 gegoten worden in de gootsteen met stromend water.
  5. Spoel SC 1 schoongemaakt beker / container in DI water.
  6. In een zure toegewezen zuurkast, bereiden een SC 2-oplossing, zoals beschreven in paragraaf 4.2.1-4.2.4.
  7. Giet de SC 2 oplossing in beker / container uit stap 6.5. Laat de oplossing terug in het bekerglas / container 10 min reinigen.
  8. Na 10 min, giet de SC 2 oplossing in een bekerglas / container wanneer zij gereinigd ook. Anders laat de SC 2 oplossing afkoelen in een grote beker. Eenmaal afgekoeld, SC 2 kan worden opgeruimd tHij wastafel met stromend water.
  9. Spoel SC 2 schoongemaakt beker / container in DI water. De beker / container is nu chemisch gereinigd.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figuur 1a toont schematisch en Figuur 1b toont een foto van de experimentele opstelling. Wanneer een siliciumwafer wordt ondergedompeld in de HF oplossing, vervolgens op de levensduur tester podium geplaatst en een meting wordt uitgevoerd (voor verlichting), een levensduur curve die wordt begrensd door oppervlakte recombinatie resulteert, zoals aangegeven door de blauwe driehoekjes in figuur 2. Echter, wanneer het monster wordt verlicht 1 min (terwijl ondergedompeld in HF), zoals weergegeven in figuur 1, en ​​een meting onmiddellijk na belichting uitgevoerd, een verhoging van de levensduur zal optreden, zoals blijkt uit de rode cirkels in figuur 2. Deze toename in leven na belichting gevolg een vermindering van oppervlakte recombinatie en dus de rode cirkels in figuur 2 vertegenwoordigt de levensduur die nu beperkt bulk recombinatie en aan het oppervlak. De toename van de levensduur na de verlichting zalvariëren van monster tot monster, maar als de techniek goed werkt, een toename van de levensduur moet altijd optreden op voorwaarde dat de bulk levensduur is niet laag (<100 usec), waarbij een vermindering van de oppervlakte recombinatie door verlichting zal niet verbeteren de levensduur omdat bulk recombinatie dominant wordt.

Hoewel het grootste levensduur wordt bereikt na belichten het silicium wafer gedurende 1 min 19, de oppervlaktepassivering tijdelijk en begint af te breken binnen seconden van de halogeenlamp wordt uitgeschakeld. Aldus is het belangrijk dat de meting direct na de belichting periode worden uitgevoerd om de laagste oppervlakte recombinatie bereikt, zoals aangetoond in figuur 3. De rode cirkels in figuur 3 overeen met de levensduur wanneer het monster direct gemeten nadat de lamp is uitgeschakeld en de blauwe cirkels komen overeen met de levensduur wanneer het monster wordt gemeten 1 min na de illumination periode. Uit de figuur blijkt duidelijk dat de hoge oppervlaktepassivering is tijdelijk en degradeert binnen seconden van de verlichtingsbron eindigt. Daarom is het noodzakelijk dat een meting direct na belichting wordt uitgevoerd om het grootste levensduur van de siliciumwafel te bereiken. Daarentegen figuur 3 toont ook aan dat zelfs wanneer de levensduur degradeert (blauwe cirkels), kan volledig worden hersteld door het verlichten van de siliciumwafel weer. Dit proces kan vele malen herhaald zonder blijvende toename oppervlakte recombinatie zoals weergegeven in figuur 3.

Om ervoor te zorgen de techniek wordt iedere keer dat een meting wordt uitgevoerd correct werkt, moet controle silicium wafers worden gebruikt. De controle silicium wafers vertegenwoordigen monsters die zijn gemeten door de techniek meerdere malen en hebben elke keer dezelfde levensduur geproduceerd. De controlemonsters moet altijd ondergaan dezelfde natte chemische pretreatment als de monsters te meten. Voorafgaand aan het meten van de massa levensduur silicium wafers, dient de controlemonsters eerst gemeten. Dus als hun leven niet binnen ± 20% van hun vorige leven meting, heeft een probleem opgetreden en de meting moet worden afgebroken, totdat het probleem is opgelost. Integendeel, indien de controlemonsters produceren levens binnen ± 20% van de eerder gemeten levensduur, kunnen de metingen verlopen. In sommige gevallen zal het grootste levensduur van de stalen laag zijn, en dus de gemeten bestendigheid voor en na belichting Dezelfde tegenstelling tot figuur 2 zijn. In dit geval, hoewel belichting nog steeds verminderen oppervlakte recombinatie, geen verbetering van de Levensduur record verlichting zal worden waargenomen omdat bulk recombinatie is veel hoger dan het oppervlak. Bij het meten van een monster, zoals deze, kan vergeleken met een controle wafer helderen of er een probleem met de meetopstelling of gemeten wafer simply heeft een zeer hoge bulk recombinatie.

Om dit te bereiken maakt passivering HF metingen van de bulk lifetime, FZ-1 Ω cm n demonstreren -. En p-type silicium wafels werden gepassiveerd met ALD Al 2 O 3 en PECVD SiN x, zoals getoond in figuur 4 Figuur 4 laat zien dat voor beide soorten doping, kunnen HF passiveren dezelfde levensduur te bereiken als bereikt met Al 2 O 3 en SiN x films. De lagere levensduur gerealiseerd door SiN x film op de p-type monster wijten aan uitputting regio recombinatie veroorzaakt door de positieve lading bevat binnen de SiN x film. Daarentegen depletiegebied recombinatie, indien aanwezig, blijkt geen significante invloed op de levensduur meting van zowel n - of p-type silicium bij gebruik van HF passivering techniek 9,17,18. Dit maakt de techniek gewenst voor de analyse bulk defsp, omdat een injectie waargenomen afhankelijkheid van de levensduur meting kan worden toegeschreven aan bulk recombinatie en aan het oppervlak.

Figuur 1
Figuur 1. HF passiveren setup. (A) schema van het licht verbeterde HF passiveren en meetopstelling 17. Overgenomen met toestemming van J. Solid State Sci. Technol., 1 (2), P55 (2012). Copyright 2012, de elektrochemische Society. (B) foto van de installatie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2
Figuur 2. Versterking van de oppervlaktepassivering van il lumination. Effectieve levensduur van een hoge weerstand silicium wafer ondergedompeld in 15% HF, vóór (blauwe driehoeken) en direct na de (rode cirkels) verlichting. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 3
Figuur 3. Afbraak van het oppervlak passiveren na verlichting. Effectieve levensduur van een 5-Ω cm n-type silicium wafer ondergedompeld in HF direct na belichting (rode cirkels) en 1 min na belichting (blauwe cirkels). De figuur laat zien hoe de passiveren kunnen worden hersteld door de latere verlichting stappen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

t "fo: keep-together.within-page =" 1 "> Figuur 4
Figuur 4. Vergelijking met andere diëlektrische films Effectief / bulk levensduur van FZ 1 Ω-cm n -. En p-type silicium wafers gepassiveerd met HF (oranje cirkels), PECVD SiN x (groen vierkanten) en ALD Al 2 O 3 (blauw diamanten). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

De succesvolle implementatie van de bulk silicium levensduur meettechniek hierboven beschreven is gebaseerd op drie cruciale stappen, (i) chemisch reinigen en etsen van het silicium wafers, (ii) onderdompeling in een 15% HF-oplossing en (iii) de verlichting gedurende 1 minuut 17, 18,19. Zonder deze stappen kan de bulk levensduur niet worden gemeten met zekerheid.

Aangezien de meettechniek wordt uitgevoerd bij kamertemperatuur, de oppervlaktepassivering kwaliteit is zeer gevoelig voor oppervlaktebesmetting (metalen, organische films). Aldus effectief te verwijderen verontreinigingen, wordt een SC 1-oplossing (H 2 O: NH 4 OH: H 2 O 2) 20. Wanneer de siliciumschijven ondergedompeld in SC 1, de oplossing verwijdert organische oppervlaktefilms door oxidatieve afbraak en oplossing, samen met metaalverontreinigingen zoals goud, zilver, koper, nikkel, cadmium, zink, kobalt en chroom 20. Bericht SC 1 schoonmaken, is het mogelijk dat some sporenelementen gevangen blijft in de waterhoudende oxide film die voortvloeit uit de schone, en dus een HF dip is vereist om de film te verwijderen. Na een HF dip, worden de siliciumoppervlakken vervolgens gereinigd SC 2 (H 2 O: HCl: H 2 O 2) 20. Terwijl SC 1 verwijdert effectief de meeste onzuiverheden, SC 2 is ontworpen alkali ionen en kationen zoals aluminium, ijzer en magnesium te verwijderen. Bovendien zal SC 2 ook alle andere metalen verontreinigingen die niet in SC 1. werden verwijderd Na een SC 2 schoon te verwijderen, kan de wafers HF worden gedompeld om de waterhoudende oxide film te verwijderen. Zodra het silicium wafers zijn ontdaan van verontreinigingen met SC 1 en SC 2, dat ze een korte oppervlakte ets in TMAH vereisen. TMAH is een anisotrope ets oplossing, wat betekent dat alleen door etsen (111) kristal vlakten. Daarom is tijdens de chemische etsen, zijn kleine silicium piramides gevormd op de oppervlakken, waardoor (111) vlaktes, die de oppervlakken ruwer en helpt bij het verbeteren van de dekking van waterstof als ikmmersed in HF 21,22. Daarom is een geoptimaliseerde oppervlaktegesteldheid, oppervlakte recombinatie kan geremd worden wanneer de behandelde siliciumschijven ondergedompeld in HF en vervolgens belicht.

Optimalisatie van de HF oplossing werd onderzocht in onze eerdere publicatie 17. Het bleek dat wanneer silicon wafers worden ondergedompeld in 15% -30% HF, wordt het laagste oppervlak recombinatie bereikt. Dit gebeurt omdat de HF concentratie hoog genoeg om de meeste van de silicium bungelende bindingen met waterstof passiveren, en levert een veldeffect passivering mechanisme behoud van een hoge oppervlaktelading veroorzaakt door een verschil in het silicium Fermi niveau en de reductiepotentiaal van de HF oplossing 23 . De keuze van 15% HF was om veiligheidsredenen. Een andere belangrijke toevoeging aan de HF-oplossing werd de opname van HCl. Door toevoeging van een kleine hoeveelheid HCl in 15% HF oplossing, wordt de waterstofconcentratie in de HF oplossing toe, die op zijn beurt de amount waterstof beschikbaar zijn voor het oppervlak passiveren van silicium wafers, waardoor de bulk silicium levensduur worden verkregen na belichting 23.

Verlichting van silicium wafers ondergedompeld in HF kan een aanzienlijke verbetering van het oppervlak passiveren door het creëren van extra obligaties met een chemische stof in de oplossing door middel van elektron en gat overdracht over de silicium / HF-interface 23,24. Er zijn een aantal chemische bindingen die in het silicium / HF-interface kan vormen, zoals Si-H, Si-OH en Si-F 23 - 27. Passivering silicium ondergedompeld in HF is aangetoond dat hoofdzakelijk uit de creatie van Si-H bindingen, die wordt beschouwd als een van de meest stabiele bindingen wanneer silicium wordt ondergedompeld in HF 26,27. Hoewel de oppervlaktepassivering wordt versterkt na belichting, zoals getoond in figuur 3, is de passivering bekend te worden afgebroken binnen seconden na de verlichtingsbron is beëindigd. Dewaardo or is het onwaarschijnlijk dat de verbeterde passiveren na verlichting is voornamelijk te wijten aan de vorming van een stabiele Si-H-bindingen, zoals het passiveren niet mag worden afgebroken als dit het geval was. Veeleer wordt verondersteld dat de verbeterde oppervlaktepassivering afkomstig uit de totstandbrenging van instabiele bindingen met hydroxylgroepen (Si-OH) en fluor (Si-F) 26.

Terwijl de drie kritische bovenstaande stappen zijn ontworpen om de beste resultaten te geven, zijn er omstandigheden waarin de meting foutieve resultaten kan leiden. In de meeste gevallen, de waarschijnlijke bron van fouten is oppervlaktebesmetting, die afkomstig zijn van verontreinigde chemische oplossingen of slecht gefilterd DI systeem. Onder deze omstandigheden is het het beste om het DI-water dat met een geleidingsvermogen meter testen. Indien de DI water niet correct is gefilterd, moet het systeem veranderen voordat metingen worden uitgevoerd. Dit zal ook gevolgen hebben voor andere lab processen en dus een gecompromitteerde DI-water-systeem zal iedereen beïnvloeden.Integendeel, indien de DI-water geeft een redelijke lezing van de geleidbaarheidsmeter de mogelijke bronnen van verontreiniging zijn TMAH oplossing of 15% HF-oplossing (SC SC 1 en 2 worden niet aangetast). In dit geval is het het beste om de oplossingen chemisch schoon (SC 1 en 2) de houders decanteren en bereid nieuwe oplossingen. Indien daarenboven silicon wafers zijn besmet door een oplossing, zullen ze vereisen SC SC 1 en 2 schoonmaak meerdere malen voor het schoon zijn. Aan oplossing vervuiling en dus foutieve metingen levensduur te voorkomen, is het beter om TMAH en HF oplossingen die uitsluitend voor deze techniek (en niet op andere wijze in het laboratorium) te bereiden. Een andere bron van besmetting van het oppervlak zou kunnen komen van diëlektrische of metalen films die eerder afgezet op het silicium wafer. Dus wanneer de wafers een diëlektrisch of metaalafzetting hebben ondergaan, de oppervlakken moeten chemisch reinigen en silicium etsen voor de drie stappen van de bulk leventijdmeting techniek.

Hoewel de techniek is eenvoudig en tijdbesparend, het gebruik van HF zuur beperkt de techniek om een ​​zuurkast. Los daarvan, de techniek levert gelijk oppervlaktepassivering de beste passiveren dielektrische films ter wereld (SiN x: H, Al 2 O 3 en a-Si: H) voorts deze techniek geen ingewikkelde machines, wordt evenmin vereisen verhoogde temperaturen. Aangezien de zuiverheid van silicium wafers verbetert, in een station voor zonnecel efficiëntie te verbeteren, zal defect worden lager en zo hun recombinatie activiteit moeilijk te meten worden met technieken zoals deep level transient spectroscopie en Fourier transformatie infrarood spectroscopie. Daarom wordt verwacht dat minderheid carrier leven metingen die een RT vloeistofoppervlak passiveren techniek nemen noodzakelijk voor de behandeling van bulk silicium gebreken wanneer hun concentratie laag zal zijn(<10 12 cm -3).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Hydrofluoric acid (48%) Merck Millipore,   http://www.merckmillipore.com/AU/en/product/Hydrofluoric-acid-48%25,MDA_CHEM-100334 1003340500 Harmful and toxic. Any supplier could be used provided the chemical is Analytical Reagent (AR) grade.
Hydrochloric acid 32%, AR ACI Labscan, http://www.rcilabscan.com/modules/productview.php?product_id=1985 107209 Harmful and toxic. Any supplier could be used provided the chemical is Analytical Reagent (AR) grade.
Ammonia (30%) Solution AR Chem-supply, https://www.chemsupply.com.au/aa005-500m AA005 Harmful and toxic. Any supplier could be used provided the chemical is Analytical Reagent (AR) grade.
Hydrogen Peroxide (30%) Merck Millipore, http://www.merckmillipore.com/AU/en/product/Hydrogen-peroxide-30%25,MDA_CHEM-107209 1072092500 Harmful and toxic. Any supplier could be used provided the chemical is Analytical Reagent (AR) grade.
Tetramethylammonium hydroxide (25% in H2O) J.T Baker, https://us.vwr.com/store/catalog/product.jsp?product_id=4562992 5879-03 Harmful and toxic. Any supplier could be used provided the chemical is Analytical Reagent (AR) grade.
640 ml round plastic container Sistema, http://sistemaplastics.com/products/klip-it-round/640ml-round This is a good container for storing the 15% HF solution in.
WCT-120 lifetime tester Sinton Instruments, http://www.sintoninstruments.com/Sinton-Instruments-WCT-120.html
Dell workstation with Microsoft Office Pro, Data acquisition card and software including Sinton Software under existing license. Sinton Instruments, http://www.sintoninstruments.com
Halogen optical lamp, ELH 300 W, 120 V OSRAM Sylvania, http://www.sylvania.com/en-us/products/halogen/Pages/default.aspx 54776 Any equivalent lamp could be used.
Voltage power source Home made power supply Any power supply could be used provided it can produce up to 90 Volts and 1-5 Amps.
Conductivity meter WTW, http://www.wtw.de/uploads/media/US_L_07_Cond_038_049_I_02.pdf LF330

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Sinton, R. A., Cuevas, A. Contactless determination of current-voltage characteristics and minority-carrier lifetimes in semiconductors from quasi-steady-state photoconductance data. Appl. Phys. Lett. 69 (17), 2510-2512 (1996).
  2. Wan, Y., McIntosh, K. R., Thomson, A. F., Cuevas, A. Low surface recombination velocity by low-absorption silicon nitride on c-Si. IEEE J. Photovoltaics. 3 (1), 554-559 (2013).
  3. Hoex, B., Schmidt, J., Pohl, P., van de Sanden, M. C. M., Kessels, W. M. M. Silicon surface passivation by atomic layer deposited Al2O3. J. App. Phys. 104 (4), 044903 (2008).
  4. Dauwe, S., Schmidt, J., Hezel, R. Very low surface recombination velocities on p.- and n.-type silicon wafers passivated with hydrogenated amorphous silicon films. Conference Record of the Twenty-Ninth IEEE Photovoltaic Specialists Conference, , 1246-1249 (2012).
  5. Macdonald, D., Cuevas, A., Wong-Leung, J. Capture cross-sections of the acceptor level of iron-boron pairs in p-type silicon by injection-level dependent lifetime measurements. J. App. Phys. 89 (12), 7932-7339 (2001).
  6. Schmidt, J., Bothe, K. Structure and transformation of the metastable boron- and oxygen-related defect center in crystalline silicon. Phys. Rev. B. 69 (2), 024107 (2004).
  7. Rougieux, F., Grant, N., Murphy, J., Macdonald, D. Influence of Annealing and Bulk Hydrogenation on Lifetime Limiting Defects in Nitrogen-Doped Floating Zone Silicon. IEEE J. Photovoltaics. 5 (2), 495-498 (2014).
  8. Zheng, P., Rougieux, F., Grant, N., Macdonald, D. Evidence for vacancy-related Recombination Active Defects in as-grown n-type Czochralski Silicon. IEEE J. Photovoltaics. 5 (1), 183-188 (2014).
  9. Grant, N. E., Rougieux, F. E., Macdonald, D., Bullock, J., Wan, Y. Grown-in point defects limiting the bulk lifetime of p.-type float-zone silicon wafers. J. App. Phys. 117 (5), 055711 (2015).
  10. Hallam, B., et al. Hydrogen passivation of B-O defects in Czochralski silicon. Energy Procedia. 38, 561-570 (2013).
  11. Hallam, B., et al. Advanced bulk defect passivation for silicon solar cells. IEEE J. Photovoltaics. 4 (1), 88-95 (2014).
  12. Hornyi, T. S., Pavelka, T., Ttt, P. In situ bulk lifetime measurement on silicon with a chemically passivated surface. App. Surf. Sci. 63 (1-4), 306-311 (1993).
  13. Meier, D. L., Page, M. R., Iwaniczko, E., Xu, Y., Wang, Q., Branz, H. M. Determination of surface recombination velocities for thermal oxide and amorphous silicon on float zone silicon. 17.th. NREL Crystalline Silicon Workshop, , (2007).
  14. Chhabra, B., Bowden, S., Opila, R. L., Honsberg, C. B. High effective minority carrier lifetime on silicon substrates using quinhydrone-methanol passivation. App. Phys. Lett. 96 (6), 063502 (2010).
  15. Chhabra, B., Weiland, C., Opila, R. L., Honsberg, C. B. Surface characterization of quinhydrone-methanol and iodine-methanol passivated silicon substrates using X-ray photoelectron spectroscopy. Phys. Stat. Sol. (a). 208 (1), 86-90 (2011).
  16. Yablonovitch, E., Allara, D. L., Chang, C. C., Gmitter, T., Bright, T. B. Unusually low surface recombination velocity on silicon and germanium surfaces. Phys. Rev. Lett. 57 (2), 249-252 (1986).
  17. Grant, N. E., McIntosh, K. R., Tan, J. T. Evaluation of the bulk lifetime of silicon wafers by immersion in hydrofluoric acid and illumination. J. Solid State Sci. Technol. 1 (2), P55-P61 (2012).
  18. Grant, N. E., et al. Light enhanced hydrofluoric acid passivation for evaluating silicon bulk lifetimes. 28.th. European Photovoltaic Solar Energy Conference. , 883-887 (2013).
  19. Grant, N. E. Surface passivation and characterization of crystalline silicon by wet chemical treatments. , (2012).
  20. Kern, W. The evolution of silicon wafer cleaning technology. J. Electrochem. Soc. 137 (6), 1887-1892 (1990).
  21. Angermann, H., et al. Wet-chemical passivation of atomically flat and structured silicon substrates for solar cell application. App. Surf. Sci. 254 (12), 3615-3625 (2008).
  22. Angermann, H., Henrion, W., Rseler, A., Rebien, M. Wet-chemical passivation of Si(111)- and Si(100)-substrates. Mat. Sci. Eng. B. 73 ((1-3)), 178-183 (2000).
  23. Bertagna, V., Plougonven, C., Rouelle, F., Chemla, M. p- and n-type silicon electrochemical properties in dilute hydrofluoric acid solutions. J. Electrochem. Soc. 143 (11), 3532-3538 (1996).
  24. Bertagna, V., Erre, R., Rouelle, F., Chemla, M. Ionic components dependence of the charge transfer reactions at the silicon/HF solution interface. J. Solid State Electrochem. 4 (1), 42-51 (1999).
  25. Kolasinski, K. The mechanism of Si etching in fluoride solutions. Phys. Chem. Chem. Phys. 5 (6), 1270-1278 (2003).
  26. Trucks, G. W., Raghavachari, K., Higashi, G. S., Chabal, Y. J. Mechanism of HF etching of silicon surfaces: A theoretical understanding of hydrogen passivation. Phys. Rev. Lett. 65 (4), 504-507 (1990).
  27. Zhang, X. G. Electrochemistry of silicon and its oxide. , Kluwer Academic Publishers. (2001).

Tags

Engineering Bulk leven defecten fluorwaterstofzuur verlichting passiveren photoconductance recombinatie.
Licht Verbeterde waterstoffluoride Passiveren: Een gevoelige techniek voor het opsporen Bulk Silicon Gebreken
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Grant, N. E. Light Enhanced… More

Grant, N. E. Light Enhanced Hydrofluoric Acid Passivation: A Sensitive Technique for Detecting Bulk Silicon Defects. J. Vis. Exp. (107), e53614, doi:10.3791/53614 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter