Waiting
Login processing...

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

Engineering

Lys Forbedret flussyre Passivisering: En følsom teknikk for Oppdager Bulk Silicon Defekter

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

Summary

En RT væskeoverflaten passivisering teknikk for å undersøke aktiviteten rekombinasjon av bulk silisium mangler er beskrevet. For teknikken for å være vellykket, er tre kritiske trinn nødvendig: (i) kjemisk rensing og etsing av silisium, (ii) nedsenking av silisium i 15% hydrofluorsyre og (iii) belysning i 1 min.

Abstract

En fremgangsmåte for å måle bulk levetid (> 100 usek) av silisiumskiver ved midlertidig å oppnå et meget høyt nivå av overflatepassivering ved å dyppe skivene i flussyre (HF) blir presentert. Ved denne fremgangsmåten tre kritiske trinn er nødvendig for å oppnå masse levetid. For det første, før neddykking av silisiumskiver inn i HF, er de kjemisk renset og deretter etset i 25% tetrametylammoniumhydroksyd. For det andre, er de kjemisk behandlede skivene deretter plassert i en stor plastbeholder fylt med en blanding av HF og saltsyre, og deretter sentrert over en induktiv spole for photoconductance (PC) målinger. For det tredje, for å inhibere overflate rekombinasjon og måle bulk levetid, blir skivene belyst 0.2 soler i 1 min ved anvendelse av en halogenlampe, blir belysningen slått av, og et PC-måling umiddelbart tatt. Ved denne fremgangsmåten, kan egenskapene til bulksilisium defekter bestemmes nøyaktig. Pelsthermore, er det forventet at en sensitiv RT overflatepassivering teknikken vil være avgjørende for behandlingen av bulksilisium defekter når konsentrasjonen er lav (<10 12 cm -3).

Introduction

Høy levetid (> 1 ms) monokrystallinske silisium blir stadig viktigere for høyeffektive solceller. Forstå rekombinasjon karakteristikkene av innvevde urenheter har vært, og er fortsatt et viktig tema. En av de mest anvendte teknikker for å undersøke aktiviteten av rekombinasjon voksen i feilene er av en photoconductance metode 1. Ved denne teknikken er det ofte vanskelig å fullstendig atskilt fra overflaten bulk rekombinasjon, noe som gjør det vanskelig å undersøke egenskapene til rekombinasjon vokst i defekter. Heldigvis finnes det flere dielektriske filmer som kan oppnå svært lave effektive overflaten rekombinasjon hastigheter (S EFF) av <5 cm / sek, og dermed effektivt hemmer overflaten rekombinasjon. Disse er, silisiumnitrid (SiN x: H) 2, aluminiumoksyd (Al 2 O 3) 3 og amorft silisium (a-Si: H) 4. Avsetning og ennealing temperatur (~ 400 ° C) av disse dielektriske filmene er ansett å være lav nok til ikke å permanent deaktivere rekombinasjon aktiviteten av den voksne i defekter. Eksempler på dette er jern-boron 5 og bor oksygen 6 defekter. Men nylig ble det funnet at oksygen-stilling og stilling-fosfor defekter i n -type Czochralski (Cz) silisium kan være helt deaktiveres ved temperaturer på 250-350 ° C 7,8. Tilsvar en defekt i float-sone (FZ) p -type silisium ble funnet å deaktivere på ~ 250 ° C 9. Derfor kan konvensjonelle passiveringsteknikker slik som plasma forbedret kjemisk dampavsetning (PECVD) og atomlag nedfall (ALD) ikke være egnet for inhibering av overflate rekombinasjon for å undersøke dyrket i bulk-defekter. Videre sin x: H og a-Si: H filmer har vist seg å deaktivere bulk silisium defekter gjennom hydrogenering 10,11. Derfor å undersøke aktiviteten rekombinasjon o f vokst i defekter, ville en RT overflaten passivisering teknikk være ideelt. Wet kjemisk overflaten passivisering oppfyller dette kravet.

På 1990-tallet Horanyi et al. Viste at nedsenking av silisiumskiver i jod-etanol (IE) løsninger gir et middel for å passivere silisiumskiver, oppnå S eff <10 cm / sek 12. Meier et al., Viste at jod-metanol (IM) løsninger kan redusere overflate rekombinasjon til 7 cm / sek 13, mens det i 2009 Chhabra et al., Viste at S eff på 5 cm / sek, kan oppnås ved å neddykke silisiumwafere i 2007 i Quinhydrone-metanol (QM) løsninger 14,15. Til tross for utmerket overflaten passivisering oppnås ved IE, IM og QM løsninger, har de ikke gir tilstrekkelig overflaten passivisering (S eff <5 cm / sek) for å måle bulk levetid av høy renhetsgrad silisiumskiver.

nt "> En annen måte å oppnå et høyt nivå av overflaten passivisering ved å dyppe silisiumskiver i HF syre. Tanken om å bruke HF til passivere silisiumskiver ble først introdusert av Yablonavitch et al. i 1986, som viste et rekordlavt S eff av 0,25 ± 0,5 cm / sek 16. Selv utmerket overflaten passivisering ble oppnådd på høy resistivitet wafere, har vi funnet teknikken for å være ikke-repeterbare, og dermed legge en stor usikkerhet til levetiden målingen. Derfor å begrense usikkerheten ved konsekvent å oppnå en svært lav S eff (~ 1 cm / sek), har vi utviklet en ny HF passivisering teknikk som inkorporerer tre kritiske trinn, (i) kjemisk rensing og etsing av silisiumskiver, (ii) innlevelse i en 15% HF løsning og (iii) belysning i 1 min 17,18. Denne fremgangsmåten er både enkel og effektiv tid i forhold til den tradisjonelle PECVD og ALD avsetningsteknikker som er nevnt ovenfor.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Forsøksoppsett

  1. Finn en egnet avtrekkshette for måleteknikken, og fjern eventuell irrelevant utstyr for å gi bedre luftflyt og redusere rot. Ikke bruk andre enn flussyre (HF) kjemikalier i avtrekksskap.
  2. Teste kvaliteten av deionisert (DI) vann fra springen i avtrekket ved hjelp av en ledningsevnemåler. Kontroller at DI-vann har en ledningsevne på høyst 0,055 uS / cm ved en temperatur på 20 ° C.
  3. Plasser et mindretall carrier levetid tester inn i avtrekksskap. Koble kablene til en datamaskin, som ligger på et bord utenfor avtrekkshette.
  4. Slå på datamaskinen og levetid tester. Åpne levetid tester fil på datamaskinen og klikk 'mål' knappen for å sikre riktig kommunikasjon mellom datamaskinen og levetiden tester. Lyskilden på livstid tester bør blinke hvis datamaskinen og tester er riktig tilkoblet. Plasser en halogenlampe inne i avtrekksskap. Plasser lampen slik at det kan belyse levetiden tester trinn hvor prøven vil bli plassert.
  5. Koble halogenlampe til en strømkilde som bør være plassert utenfor avtrekkshette. Når halogenlampen slås på, bør intensiteten være minst 0,02 W / cm 2 på levetiden tester trinnet.

2. Klargjøring av 15% HF Solution

Merk: HF er en farlig kjemisk og må behandles med forsiktighet. Det fører til langsom, vedvarende, og dype skader på kroppen etter eksponering. HF ikke lett brenne huden som andre syrer - snarere det absorberer raskt inn i huden og forårsaker dyp blemmer og skader på bein. Dette betyr at bein blir sprø og blemmer som fluor reagerer med kalsium. HF binder også med fritt kalsium som brukes i nerve regulering og osmotisk celle balanse, slik binding av fritt kalsium i kroppen kan være dødelig. Det er viktig atbrukeren følger laboratorie sikkerhet protokoller ved bruk av HF, og sikrer at de vet plasseringen av HF førstehjelpsskrin og hexafluorine (eller kalsiumglukonat gel).

  1. Plasser en kjemisk renset runde plastbeholder (H: 55 mm, D: 170 mm) inn i avtrekksskap (samme som i punkt 1). Beholderen må ha et klart plastlokk. Se § 6 om hvordan å kjemisk rense beholderen før bruk.
  2. Rydd området rundt plastbeholder i avtrekksskap slik at HF-løsning kan være forberedt uten noen hindringer i nærheten.
  3. Påfør all personlig verneutstyr (PVU).
  4. ADVARSEL: Tilsett 50 ml HF i 100 ml avionisert vann (H2O) i beholderen.
  5. ADVARSEL: Tilsett 20 ml saltsyre (HCl) til beholderen og blandes i H 2 O: HF: HCl-løsning ved hjelp av plastpinsetter. Skyll pinsett grundig etterpå.
  6. FORSIKTIG: Sett lokket på plastbeholderen og la solutipå å betale for en time. I løpet av denne tiden, vil HF røyk kondensere på lokket.
  7. Tilstrekkelig merke beholderen, og gjør det klart at den inneholder HF.
    Merk: HF løsning vil vare 1-2 måneder med tung bruk. Derfor er det ikke nødvendig å erstatte oppløsningen hver gang en måling skal utføres.

3. Kalibrering av Lifetime Tester

  1. Finn minst 6 silisiumskiver med kjent resistivitet og ledningsevne. Ideelt resistiviteten rekkevidde skal spenne 0,1-100 Ω-cm.
  2. På datamaskinen åpner levetid tester kalibreringsfilen. Skriv inn resistivitet på hver wafer i tabellen og deretter "Update # av wafere".
  3. Klikk på "Hent data" -knappen i kalibreringsfilen og angi detaljene i livet tester.
  4. Påfør all nødvendig verneutstyr.
  5. FORSIKTIG: Plasser plastbeholder fylt med HF løsning på livstid tester scenen og plasser den over induktiv spole (blue sirkel region).
  6. Når du blir bedt å måle "luft spenning" på datamaskinen, måle spenningen til HF løsning ved å klikke på "Ok" -knappen. I dette tilfellet, har luften er erstattet med konduktansen av den HF-oppløsning.
  7. FORSIKTIG: Fjern forsiktig container fylt med HF fra scenen og plassere den på avtrekk benken. Ta forsiktig lokket.
  8. FORSIKTIG: Når lokket er fjernet fra beholderen, dypp den første silisium wafer inn i HF løsning ved hjelp av plast pinsett. Sett lokket tilbake på beholderen.
  9. FORSIKTIG: Plasser plastbeholderen tilbake på livet tester scenen og plasser den over induktive spiral. Sikre silikonplaten er sentrert over spolen (blå sirkel region).
  10. Når du blir bedt å måle 'prøvespenning "på datamaskinen, klikker du på" OK "-knappen igjen. Fjern beholderen fra scenen og plassere den på avtrekk benken.
  11. FORSIKTIG: Nøye r EDra silisium wafer fra HF løsning å bruke plast pinsett og skyll wafer i dedikerte skylle begre. Gjøre en siste skylling under springen i avtrekksskap.
  12. FORSIKTIG: Sett lokket tilbake på beholderen, og plasser beholderen tilbake på livet tester scenen.
  13. Gjenta trinn 03.06 til 03.12 før alle prøvene har blitt målt.
  14. Når alle prøvene har blitt målt, klikker du på "passe data" -knappen i kalibreringsfilen. Dette vil passe en parabolsk kurve til de målte data og gi kalibrerings koeffisientene A, B og C som er spesifikke for dette oppsettet.
  15. På datamaskinen åpner levetid tester filen og klikk på fanen "innstillinger". Skriv inn i de nye kalibrerings koeffisientene A, B og C for HF-oppsett. Lagre filen under et nytt navn.
    Merk: HF setup krever bare en kalibrering hver 6. måned. Derfor er det ikke nødvendig å kalibrere setup hver gang en måling skal utføres.
jove_title "> 4. Wet Chemical Behandling av silisiumskiver Før måling

  1. Forbered standard rent 1 (SC 1).
    1. ADVARSEL: I et alkalisk tildelt avtrekksskap, tilsett 185 ml ammoniumhydroksyd (NH4OH) til 1,295 ml DI-vann i et 2 liters begerglass.
    2. ADVARSEL: Plasser begerglass på en varm plate og oppvarme H2O: NH4OH-løsning til en temperatur på ~ 50 ° C. Bruk et urglass å dekke beger.
    3. ADVARSEL: Når H2O: NH4OH løsning har nådd en temperatur på ~ 50 ° C, tilsett 185 ml hydrogenperoksid (H 2 O 2) og fortsetter å oppvarme til temperaturen når ~ 75 ° C. Dette H2O: NH4OH: H 2 O 2 løsning er kjent som en SC.
      Note: SC 1 bør endres daglig for å effektivt rene silisiumskiver.
  2. Forbered standard rent 2 (SC 2).
    1. FORSIKTIG: I en syre tildelt avtrekkshette,legge til 185 ml HCl til 1,295 ml DI-vann i et 2 liters begerglass.
    2. ADVARSEL: Plasser begerglass på en varm plate og oppvarme H2O: HCl-løsning til en temperatur på ~ 50 ° C. Bruk et urglass å dekke beger.
    3. ADVARSEL: Når H2O: HCl-løsning har nådd en temperatur på ~ 50 ° C, tilsett 185 ml H 2 O 2 og fortsette å varme inntil temperaturen når ~ 75 ° C. Dette H2O: HCl: H 2 O 2 løsning er kjent som SC 2.
      Merk: Endre SC 2 daglig for å effektivt rene silisiumskiver.
  3. Klargjør silisium etsning løsning.
    1. I et alkalisk tildelt avtrekkshette, tilsett 1600 ml tetrametylammoniumhydroksyd (TMAH) til en kjemisk rent 2 L glass beger. Vennligst se § 6 om hvordan å kjemisk rense begeret før bruk.
    2. Plasser begerglasset på en varm plate og oppvarme TMAH oppløsningen til en temperatur på ~ 856; C. Bruk et urglass å dekke beger.
      Merk: TMAH løsningen vil ikke trenge å endre til det begynner å utkrystallisere, dvs. etter en måned.
  4. Utfør våt kjemisk behandling.
    1. Belastningsprøver i en kvarts vugge og plassere dem i en felles HF løsning i laboratoriet. Konsentrasjonen er ikke kritisk.
    2. Etter ~ 10 sek eller når prøvene blir hydrofobe (trekk tørr), fjerne holderen fra HF og skyll bruker 3 begre fylt med DI vann.
    3. Transportere vugge wafere til avtrekksskap der SC 1 er utarbeidet. Når SC 1 har stabilisert seg på ~ 75 ° C, sakte fordype vugge wafere til SC 1.
    4. Rengjør wafere i SC 1 for 10 min.
    5. Etter 10 minutter har gått, fjerne holderen av wafere fra SC 1 og skyll dem ved hjelp av tre 2 L glassbegere fylt med DI vann. Kjemisk ren disse glassbegere før fylte dem med DI vann. Vennligst se § 6 omhvordan å kjemisk rense begrene.
    6. Etter skylling, plassere prøvene i en HF-løsning som er dedikert kun for post SC en behandling. Konsentrasjonen er ikke kritisk.
    7. Etter ~ 10 sek eller når prøvene blir hydrofobe (trekk tørr), fjerne holderen fra HF og skyll bruker 3 begre fylt med DI vann. Bruk de samme beger som i trinn 4.4.5.
    8. Transportere vugge wafere til avtrekksskap der SC 2 er utarbeidet. Når SC 2 har stabilisert seg på ~ 75 ° C, sakte fordype vugge wafere til SC 2.
    9. Rengjør wafere i SC 2 for 10 min.
    10. Etter 10 minutter har gått, fjerne holderen av wafere fra SC 2 og skyll dem med 3 begre fylt med DI vann. Bruk de samme beger som i trinn 4.4.5.
      Merk: vugge wafere kan lagres i en av skylle begre fylt med DI vann til neste dag.
    11. Etter skylling, plassere prøvene i en HF løsning som er dedikert kun for postSC 2 behandling. Konsentrasjonen er ikke kritisk.
    12. Etter ~ 10 sek eller når prøvene blir hydrofobe (trekk tørr), fjerne holderen fra HF og skyll bruker 3 begre fylt med DI vann. Bruk de samme beger som i trinn 4.4.5.
    13. Transportere vugge wafere til avtrekksskap der TMAH løsningen er utarbeidet. Når TMAH løsningen har stabilisert seg på ~ 85 ° C, sakte fordype vugge wafere inn i TMAH løsning.
    14. Etse de wafere i TMAH i 5 min. Dette vil fjerne ~ 5 mikrometer av silisium.
    15. Etter 5 min har gått, fjerne holderen av wafere fra TMAH løsningen og skyll dem med 3 begre fylt med DI vann. Bruk de samme beger som i trinn 4.4.5. Mer enn 3 skyllinger kan være nødvendig som TMAH er ganske "klissete".
    16. Transportere vugge wafere i DI vann til avtrekksskap der eksperimentet har vært setup. Se pkt 1.1.
    17. Mål forberedt silisiumskiver innen 2 timer etter step 4.4.16.

5. målingsprosedyre

  1. Påfør all nødvendig verneutstyr.
  2. Fyll to to L plast kanner med DI vann og legg dem i avtrekksskap. Disse vil bli brukt til å skylle silisium prøvene innlegget måling.
  3. Plasser plast pinsett inn i en tom 500 ml plastbeger og sted inne i avtrekksskap nær skylle begre. Disse pinsett vil bli brukt til å behandle silisiumprøvene.
  4. På datamaskinen åpner levetid tester filen. Kontroller at filen inneholder de riktige koeffisientene kalibrerings for HF måleoppsettet. Se punkt 3.
  5. I levetiden tester filen velge, den "Transient" -modus. Angi detaljene av silikonplaten som skal måles, for eksempel tykkelse, resistivitet og dopemiddeltypen.
  6. FORSIKTIG: Plasser beholderen (lokket) fylt med HF på scenen av levetiden tester og sentrere den over den induktive polen (blå sirkel region). La løsningen bosette for1 min.
  7. På datamaskinen, klikker du på "Zero instrument" -knappen i livet tester filen. Dette vil måle spenningen av oppløsningen.
    Merk: Over tid vil løsningen spenningen avta fordi sammensetningen av løsningen forandrer seg med tiden. Uavhengig av dette, gjør den HF-oppløsningen ikke viser noen degradering i sin passiverende kvalitet, noe som er grunnen til at løsningen kan brukes i 1-2 måneder uten å bli endret.
  8. FORSIKTIG: Ta forsiktig beholderen fra livet tester scenen og plassere den på avtrekk benken.
  9. FORSIKTIG: Ta forsiktig lokket fra beholderen fylt med HF løsning. Hvis det er noe kondens på lokket, forsiktig skylle lokket i DI vann ved hjelp av trykk i avtrekksskap.
  10. FORSIKTIG: Forsiktig dyppe den første silisium wafer inn i HF løsning. Bruke plast pinsett, trykker forsiktig ned på silisium wafer å sikre at den sitter på bunnen av beholderen.
  11. Skyll pinsettens og legg dem tilbake i tomt 500 ml plastbeger.
  12. FORSIKTIG: Plasser forsiktig lokket tilbake på beholderen og deretter plassere beholderen på livstid tester scenen. Sikre silikonplaten er plassert over den induktive spolen (blå sirkel region).
  13. Skyll og tørk hansker. Fjern dem før du bruker datamaskinen.
  14. Dersom det fluorescerende lyset i avtrekksskap er på, den må være slått av før en måling skal utføres. Minimum lys er nødvendig under målingen.
  15. Slå halogenlampen på, og at den er belyst på silikonplaten gjennom lokket av plastbeholderen. Tid for en min (det nøyaktige tidspunktet er ikke kritisk).
  16. Under belysning perioden, klikker du på "Mål" -knappen i livet fil på datamaskinen. Et lite vindu merket "Bruk av data 'vises.
  17. I "Taking data-vinduet, skriv inn et navn på filen. Under "sample averaging 'sutvalgte 10.
  18. Når silikonplaten har blitt belyst i 1 min, skifte halogenlampen og umiddelbart klikk på "gjennomsnittlig" -knappen i "Taking data-vinduet. Levetiden tester blinker 10 ganger og gjennomsnittlig levetidsmålinger.
    Merk: Når halogenlampen er slått av, vil passivisering av silikonplaten begynner å brytes ned, og derfor er det viktig å måle umiddelbart etter belysning for å oppnå de beste resultatene.
  19. Når gjennomsnitts er fullført, klikker du på "OK" -knappen i "Taking data-vinduet.
  20. Hvis en annen måling er nødvendig, gjenta trinn 05.15 til 05.18.
  21. FORSIKTIG: Når målingen er fullført, fjerner du beholderen fra livet tester scenen og plassere den på avtrekk benken.
  22. FORSIKTIG: Ta forsiktig lokket fra beholderen fylt med HF løsning. Hvis det ikke er noen kondensasjon på lokket, grundig skylling av lokket i DI-vann ved hjelp av kraneni avtrekksskap.
  23. FORSIKTIG: Ta forsiktig silikonplaten fra HF løsning å bruke plast pinsett og skyll wafer i dedikerte skylle begre. Gjøre en siste skylling under springen i avtrekksskap.
  24. Hvis flere prøver skal måles, gjenta trinn 05.10 til 05.23.
  25. Når alle prøvene har blitt målt, at lokket er plassert på beholderen og lagre den HF-oppløsning i avtrekksskap. Pass på at beholderen er tilstrekkelig merket.
  26. Skyll alle kanner og pinsett, og lagre dem i sine tildelte flekker i laboratoriet.
  27. Tillat levetiden tester for å forbli i avtrekksskap for en time etter bruk, og deretter fjerne det fra avtrekkshette.

6. Kjemisk rensing av Begre og beholdere

  1. I et alkalisk tildelt avtrekkshette, forberede en SC en løsning som skissert i avsnitt 4.1.1-4.1.4.
  2. Kjemisk rene kanner og containere, hell SC en løsning inn i begre / beholdere. Begrene can bare rengjøres en om gangen.
  3. La løsningen rense begerglasset / beholder i 10 min. Hvis begeret / beholderen er av plast, kan det ikke plasseres på en varm plate, og derfor SC 1 løsning vil kjøle under ren. Dette vil ikke påvirke renseprosessen.
  4. Etter 10 minutter, hell SC en løsning i et annet beger / container hvis de trenger rengjøring også. Ellers la SC en løsning kjølig i et stort beger. Når avkjølt, kan SC 1 helles i vasken med rennende vann.
  5. Skyll SC en rengjort beger / container i DI vann.
  6. I en syre tildelt avtrekkshette, forberede en SC 2 løsning som skissert i avsnitt 4.2.1-4.2.4.
  7. Hell SC 2 løsning i beger / container fra trinn 6.5. La løsningen å rydde begeret / container i 10 min.
  8. Etter 10 minutter, hell SC 2 løsningen inn i en annen beger / container hvis de trenger rengjøring også. Ellers la SC 2 løsning kjølig i et stort beger. Når avkjølt, SC 2 kan helles ned tHan vask med rennende vann.
  9. Skyll SC 2 renset beger / container i DI vann. Begeret / container er nå kjemisk renset.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 1a viser en skjematisk, og Figur 1b viser et fotografi av det eksperimentelle oppsett. Når en silikonplate blir neddykket i HF-oppløsning, deretter plassert på levetiden tester trinnet, og en måling blir utført (før belysning), en levetid kurve som er begrenset av overflaten rekombinasjon vil medføre, som vist ved de blå trekanter i figur 2. Imidlertid, når prøven er opplyst i 1 min (mens neddykket i HF), som vist i figur 1, og en måling blir utført umiddelbart etter belysning, vil en økning i levetid forekomme, slik som vist med de røde sirkler i figur 2. Denne økningen i levetid etter belysning resultater på grunn av en reduksjon i overflate rekombinasjon, og dermed de røde sirkler i figur 2 representerer den levetid som nå er begrenset av bulk rekombinasjon og ikke overflaten. Økningen i livet innlegget belysning vilvarierer fra prøve til prøve, men hvis teknikken fungerer som den skal, en økning i livet bør alltid oppstå gitt mesteparten levetid ikke er lav (<100 usek), der noen reduksjon i overflaten rekombinasjon av belysning vil ikke forbedre levetiden fordi bulk rekombinasjon blir dominerende.

Selv om mesteparten levetid oppnås etter belysning av silikonplaten i 1 min 19, er overflatepassivering midlertidig og vil begynne å brytes ned i løpet av sekunder av halogenlampen er skrudd av. Således er det viktig for at målingen kan utføres direkte etter at belysningstiden for å oppnå den laveste overflate rekombinasjon, som vist i figur 3. De røde sirkler i figur 3 tilsvarer levetiden når prøven måles direkte etter at lampen slås av , og den blå sirkler svarer til levetiden når prøven blir målt 1 min etter at Belysningn periode. Fra figuren fremgår det klart at det høye nivået av overflatepassivering er midlertidig og nedbrytes i løpet av sekunder etter belysningskilden blir avsluttet. Derfor er det viktig at en måling blir utført direkte etter belysning for å oppnå mesteparten levetiden av silikonplaten. I motsetning til dette, viser figur 3 også at selv når levetid forringes (blå sirkler), den kan være helt gjenvinnes ved belysning av silikonplaten på nytt. Denne prosessen kan gjentas mange ganger uten noen permanent økning i overflate rekombinasjon som vist i figur 3.

For å sikre at teknikken virker riktig hver gang en måling er utført, bør kontroll silisium wafere bli brukt. Kontrollsilisiumskiver representerer prøver som er målt ved hjelp av teknikken flere ganger, og har produsert den samme levetiden hver gang. Kontrollprøvene skal alltid gjennomgå den samme våte kjemiske pretreatment som prøvene som skal måles. Forut for å måle bulk-levetiden av silisiumskiver, bør kontrollprøvene måles først. Således hvis livet ikke er innenfor ± 20% av sine tidligere liv måling, har det oppstått et problem og målingen bør avbrytes inntil problemet er løst. Tvert imot, hvis kontrollprøvene produsere levetider innenfor ± 20% av den tidligere målte levetid, kan målingene fortsetter. I noen tilfeller vil mesteparten levetid av prøvene, være lav, og dermed den målte levetid før og etter belysning vil være det samme, i motsetning til figur 2. I dette tilfellet, selv om belysningen fortsatt vil redusere overflate rekombinasjon, ingen forbedring i levetid post belysning vil bli observert på grunn bulk rekombinasjon er mye høyere enn overflaten. Ved måling av en prøve som dette kan sammenlignet med en kontrollgruppe wafer belyse hvorvidt det er et problem med måling oppsett eller målt wafer simlag har en meget høy bulk rekombinasjon.

For å demonstrere at HF passive oppnår målinger av bulk levetid, FZ en Ω-cm n -. Og p -type silisiumskiver ble passivert med ALD Al 2 O 3 og PECVD sin x, som vist på figur 4 Figur 4 viser at for både doping typer, kan HF passivisering oppnå samme levetid som oppnås med Al 2 O 3 og SiN x filmer. Den nedre levetid som oppnås ved sin x filmen på p-type prøven skyldes utarmingsområdet rekombinasjon som følge av den positive ladning som inneholdes i sin x film. I motsetning til dette, utarmingsområdet rekombinasjon, hvis til stede, synes ikke å påvirke levetiden målingen av enten n - eller p-type silisium ved bruk av HF passive teknikk 9,17,18. Dette gjør også teknikken ønskelig for å analysere bulk defekter, fordi en hvilken som helst injeksjons avhengighet observert fra levetiden målingen kan tilskrives bulk rekombinasjon og ikke overflaten.

Figur 1
Figur 1. HF passivisering oppsett. (A) skjematisk av lyset forbedret HF passivisering og måling oppsett 17. Gjengitt med tillatelse fra J. Solid State Sci. Technol., 1 (2), P55 (2012). Copyright 2012, The Electro Society. (B) bilde av oppsettet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2
Figur 2. Forbedring av overflatepassivering av il lumination. Effektiv levetid en høy resistivitet silisium wafer nedsenket i 15% HF, før (blå trekanter) og rett etter (røde sirkler) belysning. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3
Figur 3. Nedbrytning av overflaten passivisering innlegget belysning. Effektiv levetid på en 5 Ω-cm n-type silisium wafer nedsenket i HF direkte etter belysning (røde sirkler) og 1 min etter belysning (blå sirkler). Figuren viser hvordan den passivisering kan utvinnes ved påfølgende belysning trinn. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

t "fo: keep-together.within-page =" 1 "> Figur 4
Figur 4. Sammenligning med andre dielektriske filmer Effektiv / bulk levetid FZ 1 Ω-cm n -. Og p -type silisiumskiver passive med HF (oransje sirkler), PECVD sin x (grønne firkanter) og ALD Al 2 O 3 (blå diamanter). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Implementeringen av bulk silisium levetid måleteknikk som er beskrevet ovenfor er basert på tre kritiske trinn, (i) kjemisk rensing og etsing av silisiumwafere, (ii) nedsenking i en 15% HF-oppløsning og (iii) belysning i 1 min 17, 18,19. Uten disse trinnene, kan mesteparten levetid ikke måles med sikkerhet.

Som måleteknikken utføres ved romtemperatur, er overflatepassivering kvalitet svært utsatt for overflateforurensninger (metaller, organiske filmer). Dermed å effektivt fjerne overflateforurensninger, er en SC en løsning som brukes (H 2 O: NH 4 OH: H 2 O 2) 20. Når silisiumskiver er nedsenket i en SC, fjerner oppløsningen organiske, overflatefilmer ved oksydativ nedbrytning og oppløsning, sammen med metallforurensninger, slik som gull, sølv, kobber, nikkel, kadmium, sink, kobolt og krom 20. Post SC en rengjøring, er det mulig at some sporstoffer forbli fanget i det hydratiserte oksyd filmen som følge av ren, og derfor en HF dip er nødvendig for å fjerne filmen. Etter HF-dip, blir silisiumflater deretter renset i SC 2 (H 2 O: HCl: H 2 O 2) 20. Mens SC 1 effektivt fjerner de fleste urenheter, er SC 2 utviklet for å fjerne alkali-ioner og kationer såsom aluminium, jern og magnesium. Videre vil SC 2 også fjerne eventuelle andre metalliske forurensninger som ikke ble fjernet i SC 1. Etter en SC to ren, kan wafere bli HF dyppet å fjerne den vannbaserte oksid film. Når silisiumskiver er renset for overflateforurensninger ved SC 1 og SC 2, krever de en kort overflate etch i TMAH. TMAH er en anisotropisk etse løsning, noe som betyr at det bare etser sammen (111) krystall slettene. Derfor under den kjemiske etch, er små silisium pyramidene dannes på overflaten, utsette (111) slettene, som ru overflater og bidrar til å forbedre hydrogen dekning når jegmmersed i HF 21,22. Derfor, med en optimalisert overflatetilstand, kan overflaten rekombinasjon være sperret når de behandlede silisiumskiver er nedsenket i HF og deretter belyst.

Optimalisering av HF løsningen ble undersøkt i vår forrige publisering 17. Det ble funnet at når silisiumskiver er neddykket i 15% -30% HF, er den laveste overflate rekombinasjon oppnås. Dette skjer fordi den HF-konsentrasjonen er høy nok til å passivere det meste av silisiumet dingler bindinger med hydrogen, og tilveiebringer en felteffektpassive mekanisme ved å beholde en høy overflateladning som følge av en forskjell i silisium Ferminivå og reduksjonspotensialet av den HF-oppløsning 23 . Valget av 15% HF var av sikkerhetsmessige grunner. Et annet viktig tillegg til HF-oppløsningen var inkluderingen av HCl. Ved å tilsette en liten mengde av HCl i 15% HF-løsning, er hydrogenkonsentrasjonen i HF-oppløsningen økes, noe som igjen øker amount av hydrogen er tilgjengelig for overflatepassivering av silisiumskiver, slik at mesteparten silisium levetid skal oppnås stolpe 23 belysning.

Belysning av silisiumskiver nedsenket i HF kan forbedre overflaten passivisering ved å opprette flere obligasjoner med kjemiske stoffer i løsningen gjennom elektron og hull overføring over silisium / HF grensesnitt 23,24. Det finnes en rekke kjemiske bindinger som kan dannes ved silisium / HF grensesnitt, for eksempel Si-H, Si-OH Si-F og 23 - 27. Passivering av silisium nedsenket i HF har vist seg å først og fremst kommer fra dannelsen av Si-H-bindinger, som anses for å være en av de bindinger som er stabile når silisium er nedsenket i HF 26,27. Imidlertid, mens overflatepassivering er forbedret post belysning, slik som vist i figur 3, er passive kjent for å nedbrytes i løpet av sekunder etter at belysningskilden er avsluttet. Derefore det er lite trolig at økt passivisering innlegget belysning er først og fremst på grunn av etablering av stabile Si-H-bindinger, som passivisering ikke skal bli dårligere hvis dette var tilfelle. Snarere er det en hypotese om at den forbedrede overflaten passivisering kommer fra etableringen av ustabile obligasjoner med hydroksylgrupper (Si-OH) og fluor (Si-F) 26.

Mens de tre kritiske trinnene ovenfor er utformet for å gi de beste resultatene, det er omstendigheter der målingen kan produsere feilaktige resultater. I de fleste tilfeller er den sannsynlige feilkilden er overflateforurensning, som kan komme fra kontaminerte kjemiske løsninger eller et dårlig filtrert DI system. Under disse forhold, er det best å teste DI-vann-system ved bruk av en konduktans meter. Dersom DI vann ikke filtreres på riktig måte, krever systemet endrer før målinger skal utføres. Dette vil også påvirke andre lab prosesser og dermed en kompromittert DI vannsystem vil påvirke alle.Tvert imot, hvis DI-vann gir en fornuftig lesing på konduktivitetsmåler, er de mulige forurensningskilder er TMAH oppløsning eller 15% HF-løsning (SC SC 1 og 2 vil ikke bli kompromittert). I dette tilfelle er det best å dekantere løsninger, kjemisk ren (SC 1 og 2) av beholderne, og fremstille nye løsninger. Videre, hvis silikonplatene har blitt forurenset av en oppløsning, vil de kreve en SC, og SC 2 rengjøring flere ganger før overflatene er rene. For å unngå løsning forurensning og dermed feilaktige levetid målinger, er det best å forberede TMAH og HF løsninger som bare brukes for denne teknikken (og ikke av andre prosesser i laboratoriet). En annen kilde til overflateforurensninger kan komme fra dielektriske eller metallfilmer som tidligere er satt på silikonplaten. Således hvis skivene har gjennomgått et dielektrikum eller metall-avsetning, overflatene krever kjemisk rengjøring og silisium etsing før tre trinn av bulk livtid måleteknikken.

Selv om den teknikk som er både enkel og tidseffektiv, bruken av HF-syre begrenser teknikken til en avtrekkshette. Uavhengig av dette, gir den teknikk som tilsvarer overflatepassivering til de beste passive dielektriske filmer i verden (sin x: H, Al 2 O 3 og et Si: H), videre denne teknikken krever ingen komplisert maskineri, og heller ikke det krever høye temperaturer. Som renheten av silisiumskiver bedres, i en stasjon for å forbedre solcelleeffektivitet, vil defekt konsentrasjoner avta og dermed deres rekombinasjon aktivitet vil bli vanskelig å måle ved hjelp av teknikker som dypt nivå transient spektroskopi og Fourier transform infrarød spektroskopi. Derfor er det forventet at mindretall carrier levetid målinger som innlemme en RT væskeoverflate passivisering teknikken vil være avgjørende for å undersøke bulk silisium feil når konsentrasjonen er lav(<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 levetid defekter flussyre belysning passivisering photoconductance rekombinasjon.
Lys Forbedret flussyre Passivisering: En følsom teknikk for Oppdager Bulk Silicon Defekter
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