Waiting
Login processing...

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

Engineering

Свет Enhanced плавиковой кислоты пассивация: чувствительного метода для обнаружения объемного кремния дефекты

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

Summary

Поверхности жидкости техника пассивации РТ исследовать рекомбинации деятельность сыпучих кремния дефектов описана. Для техника, чтобы быть успешным, три критические шаги: (I) химическую очистку и травление кремния, (II) погружение кремния в 15% плавиковой кислоты и (III) освещения в течение 1 мин.

Abstract

Процедура для измерения объемной жизни (> 100 мкс) кремниевых пластин, временно достижения очень высокий уровень пассивации поверхности при погружении пластин в плавиковой кислоте (HF) представлена. В результате этой процедуры три критических шагов, которые необходимо достичь объемной жизни. Во-первых, до погружения кремниевых пластин в HF, они химически очищены и затем врезался в 25% гидроксида тетраметиламмония. Во-вторых, химически модифицированный пластины помещают в большой пластиковый контейнер, заполненный смесью HF и соляной кислоты, а затем по центру над индуктивной катушки для фотопроводимости (ПК) измерений. В-третьих, для ингибирования поверхностной рекомбинации и измерить насыпную жизни, вафли освещены в 0,2 солнц в течение 1 мин с помощью галогенной лампы, освещение выключено, и измерение ПК сразу приняты. С помощью этой процедуры, характеристики сыпучих кремния дефектов могут быть точно определены. МехThermore, ожидается, что чувствительный метод РТ пассивации поверхности будет необходимо для изучения объемных дефектов кремния, когда их концентрация низка (<10 12 см -3).

Introduction

Высокая продолжительность жизни (> 1 мс) монокристаллического кремния становится все более важным для высокой эффективности солнечных батарей. Понимание рекомбинации характеристики встроенных примесей была и остается важной темой. Одним из наиболее широко используемых методов для изучения рекомбинации активности ростовых дефектов методом фотопроводимости 1. По этой методике, часто трудно полностью отделить от поверхности объемной рекомбинации, что делает его трудно исследовать рекомбинации характеристики взрослых в дефектов. К счастью существует несколько диэлектрических пленок, которые могут достичь очень низких эффективных скоростей поверхностной рекомбинации (S EFF) <5 см / сек, и таким образом эффективно ингибируют поверхностной рекомбинации. К ним относятся, нитрид кремния (SiN х: Н) 2, оксид алюминия (Al 2 O 3) 3 и аморфного кремния (а-Si: H) 4. Отложение иnealing температуры (~ 400 ° C) этих диэлектрических пленок считается достаточно низким, чтобы не навсегда отключить рекомбинации деятельность взрослый дефектами. Примерами этого являются железо-бор 5 и бора кислорода 6 дефекты. Тем не менее, в последнее время было установлено, что вакансия кислорода и фосфора вакансия дефекты н -типа Чохральского (Cz) кремния может быть полностью отключена при температуре 250-350 ° С 7,8. Аналогично дефект в поплавок-зоны (ФЗ) р-типа кремния был найден, чтобы деактивировать при ~ 250 ° C 9. Таким образом, традиционные методы, такие как пассивации плазмостимулированного химического осаждения из паровой (PECVD) и осаждения атомных слоев (ALD), не могут быть пригодны для ингибирования поверхностной рекомбинации изучить взрослые в массовых дефектов. Кроме того, SiN х: Н и А-Si: H пленок, как было показано, чтобы деактивировать объемном кремнии дефектов гидрированием 10,11. Поэтому для изучения рекомбинации активности O е выросла в дефектов, методика пассивации поверхности РТ будет идеальной. Мокрый химический пассивации поверхности выполняет это требование.

В 1990-е годы Horanyi др. Показали, что погружение кремниевых пластин в йода-этанол решения (IE) обеспечивает средства для пассивации кремниевых пластин, достижения S эфф <10 см / сек 12. В 2007 Мейер и др. Показали, что йод-метанол растворы (IM) могут уменьшить поверхностной рекомбинации до 7 см / с 13, в то время как в 2009 году Chhabra др. Показали, что S эфф 5 см / сек могут быть достигнуты путем погружения кремниевых пластин в хингидрона-метанол (QM) решений 14,15. Несмотря на отличную пассивации поверхности достигается IE, IM и решений QM, они не обеспечивают адекватной пассивации поверхности (S эфф <5 см / сек), чтобы измерить время жизни объемной кремниевых пластин высокой чистоты.

нт "> Еще одно средство для достижения высокого уровня поверхности пассивации путем погружения кремниевых пластин в фтористоводородной кислоты. Понятие использования HF для пассивации кремниевых пластин был впервые введен Yablonavitch др. в 1986 году, который продемонстрировал рекордно низкой S эф 0,25 ± 0,5 см / сек 16. Несмотря на то, отличное пассивации поверхности была достигнута на высоких пластин сопротивления, мы нашли технику, чтобы быть неповторяющиеся, таким образом, добавляя большую неопределенность в измерении жизни. Поэтому, чтобы ограничить неопределенность последовательно достижения очень низкий S эфф (~ 1 см / сек), мы разработали новую технику ВЧ пассивации, который включает три важных шагов, (I) химически очистки и травления кремниевых пластин, (II) погружение в 15% -ный раствор HF и (III) Подсветка в течение 1 мин 17,18. Эта процедура является простым и время эффективным в сравнении с традиционной PECVD и методов ALD осаждения, перечисленных выше.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Экспериментальная установка

  1. Найдите подходящий вытяжку для измерительной техники, и удалить ненужную оборудование любой позволить лучше поток воздуха и уменьшить захламление. Не используйте какие-либо другие, чем плавиковой кислоты (HF) химических веществ в вытяжном шкафу.
  2. Тест на качество деионизированной (ДИ) воды из-под крана в вытяжном шкафу с использованием измерителя проводимости. Убедитесь, что Д. вода имеет проводимость не более 0,055 мкСм / см при температуре 20 ° С.
  3. Поставьте неосновных носителей пожизненную тестер в вытяжном шкафу. Подключите кабели к компьютеру, который находится на столе вне вытяжного шкафа.
  4. Включите компьютер и жизни тестера. Откройте файл тестер жизни на компьютере и нажмите кнопку "мера", чтобы обеспечить правильное взаимодействие между компьютером и тестером жизни. В качестве источника света на тестере жизни должен мигать, если компьютер и тестер были подключены правильно. Поставьте галогенная лампа внутри вытяжного шкафа. Расположите лампу так, что он может осветить сцену жизни тестер, где образец будет расположен.
  5. Подключите галогенная лампа с источником питания, который должен быть расположен за пределами вытяжного шкафа. Когда галогенная лампа включена, его интенсивность должна быть по крайней мере 0,02 Вт / см 2 на стадии жизни тестера.

2. Подготовка 15% HF решение

Примечание: ВЧ это опасные химические и должны рассматриваться с осторожностью. Это вызывает медленный, устойчивый, и глубокий ущерб тела после воздействия. ВЧ не легко сжечь кожу, как и другие кислоты - а он быстро впитывается в кожу и вызывает образование пузырей и глубокое повреждение костей. Это означает, что кости становятся хрупкими и пузырями, как фтор реагирует с кальцием. ВЧ также связывает с бесплатным кальция, который используется в нервной регуляции осмотического равновесия и клетки, так связывание свободного кальция в организме может быть смертельным. Это имеет первостепенное значение, чтопользователь следует протоколы безопасности при использовании лабораторных HF, и гарантирует, что они знают расположение ВЧ аптечки и hexafluorine (или гель глюконата кальция).

  1. Поставьте химически очищенной круглый пластиковый контейнер (H: 55 мм, D: 170 мм) в вытяжном шкафу (такой же, как в разделе 1). Контейнер должен иметь четкое пластиковую крышку. См.п.6 о том, как химически очистить контейнер перед использованием.
  2. Очистите область вокруг пластикового контейнера в вытяжном шкафу, так что ВЧ решение может быть подготовлен без каких-либо препятствий поблизости.
  3. Применить все средства индивидуальной защиты (СИЗ).
  4. ВНИМАНИЕ: Добавьте 50 мл HF 100 мл дистиллированной воды (H 2 O) в контейнере.
  5. ВНИМАНИЕ: Добавьте 20 мл соляной кислоты (HCl) в контейнер и смешайте H 2 O: HF: HCl, используя решение пластмассовый пинцет. Промыть пинцет полностью впоследствии.
  6. ВНИМАНИЕ: Поместите крышку на пластиковом контейнере и позволяют Solutiна отстаиваться в течение 1 часа. В течение этого времени, HF паров конденсируется на крышке.
  7. Адекватно маркировать контейнер, и становится ясно, что он содержит HF.
    Примечание: ВЧ решение будет длиться 1-2 месяцев с тяжелой использования. Поэтому нет необходимости в замене решение каждый раз, когда измерение должно быть выполнено.

3. Калибровка тестера Lifetime

  1. Расположить по крайней мере 6 кремниевых пластин, известного сопротивления и проводимости. В идеале диапазон сопротивления должны охватывать 0,1-100 Ом-см.
  2. На компьютере, откройте файл калибровки тестера жизни. Введите сопротивление каждого пластины в таблице и нажмите кнопку "Обновить # вафель".
  3. Нажмите кнопку "получить данные" кнопку в файле калибровки и введите данные тестера жизни.
  4. Применить все необходимые СИЗ.
  5. ВНИМАНИЕ: Поместите пластиковый контейнер, наполненный ВЧ раствора на стадии жизни тестера и расположите ее над индукционной катушкой (Bluе круг область).
  6. При появлении измерить "воздух" напряжение на компьютере, измерить напряжение ВЧ решения, нажав на кнопку 'OK'. В этом случае воздух был заменен проводимости ВЧ раствора.
  7. ВНИМАНИЕ: Осторожно снимите контейнер, наполненный HF со сцены и поместите его на капот скамейке дыма. Осторожно снимите крышку.
  8. ВНИМАНИЕ: Когда крышка была удалена из контейнера, погружают первый кремниевой пластины в растворе HF с использованием пластиковых пинцета. Поместите крышку обратно на контейнер.
  9. ВНИМАНИЕ: Поместите пластиковый контейнер обратно на сцену жизни тестера и расположите ее над индукционной катушкой. Убедитесь, что кремниевая пластина сосредоточена на катушке (синий круг) области.
  10. При появлении измерить 'образец' напряжение на компьютере, нажмите кнопку «ОК» еще раз. Снимите контейнер со сцены и поместите его на капот скамейке дыма.
  11. ВНИМАНИЕ: Осторожно г алить кремниевой пластины из ВЧ решения с использованием пластиковых пинцеты и промыть пластины в выделенных полоскания стаканов. У окончательного полоскания под краном в вытяжном шкафу.
  12. ВНИМАНИЕ: Поместите крышку обратно на контейнер, и установите контейнер обратно на сцену жизни тестера.
  13. Повторите этапы 3,6 до 3,12, пока все образцы не были измерены.
  14. После того, как все образцы были измерены, нажмите кнопку "годных данные» в файле калибровки. Это будет соответствовать параболическую кривую на измеренных данных и обеспечить калибровочные коэффициенты A, B и C, которые являются специфическими для этой установки.
  15. На компьютере, откройте файл тестер жизни, и перейдите на вкладку "Настройки". Введите в новых калибровочных коэффициентов А, В и С, для установки ВЧ. Сохраните файл под новым именем.
    Примечание: Установка ВЧ требует только калибровки каждые 6 месяцев. Поэтому нет необходимости в калибровке настройку каждый раз, когда измерение должно быть выполнено.
jove_title "> 4. Влажные Химическая обработка кремниевых пластин перед измерением

  1. Подготовьте стандартный чистый 1 (SC 1).
    1. ВНИМАНИЕ: В щелочной выделено вытяжкой, добавить 185 мл гидроксида аммония (NH 4 OH) для 1295 мл дистиллированной воды в 2 л стеклянном стакане.
    2. ВНИМАНИЕ: Место стакан на горячую тарелку и нагревать H 2 O: NH 4 OH решение до температуры ~ 50 ° C. Использование часовым стеклом, чтобы покрыть стакан.
    3. ВНИМАНИЕ: После того, как H 2 O: NH 4 OH решение достиг температуры ~ 50 ° C, добавить 185 мл перекиси водорода (H 2 O 2) и продолжают нагревать до тех пор, чтобы температура не достигает ~ 75 ° C. Это H 2 O: NH 4 OH: H 2 O 2 раствор известен как SC 1.
      Примечание: SC 1 должен быть изменен ежедневно, чтобы эффективно очистить пластины кремния.
  2. Подготовьте стандартный чистый 2 (SC 2).
    1. ВНИМАНИЕ: В кислотой выделяется вытяжку,добавить 185 мл HCl в 1295 мл дистиллированной воды в 2 л стеклянном стакане.
    2. ВНИМАНИЕ: Стакан помещают на горячую пластину и нагревают H 2 O: раствора НСl до температуры ~ 50 ° С. Использование часовым стеклом, чтобы покрыть стакан.
    3. ВНИМАНИЕ: После того, как H 2 O: решение HCl достигла температуры ~ 50 ° C, добавить 185 мл H 2 O 2 и продолжают нагревать до тех пор, пока температура не достигнет ~ 75 ° C. Это H 2 O: HCl: H 2 O 2 раствор известен как SC 2.
      Примечание: Изменить SC 2 ежедневно, чтобы эффективно очистить пластины кремния.
  3. Подготовка кремния травильного раствора.
    1. В щелочной выделено вытяжкой, добавить 1600 мл гидроксида тетраметиламмония (ТМАГ) с химически чистой 2 л стеклянный стакан. Пожалуйста, обратитесь к разделу 6 о том, как очистить химически стакан до использования.
    2. Стакан помещают на горячую пластину и нагревают раствор ТМАН до температуры ~ 856; С. Использование часовым стеклом, чтобы покрыть стакан.
      Примечание: Решение ТМАН не нужно будет меняться до тех пор, пока не начинает кристаллизоваться, то есть, после 1 месяца.
  4. Выполните влажную химическую обработку.
    1. Образцы груз в кварцевой колыбели и поместить их в коммунальной HF решения в лаборатории. Концентрация не является критической.
    2. После ~ 10 сек или один раз образцы становятся гидрофобными (тянуть сухой), снять подставку с HF растворе и промыть, используя 3 стаканы, заполненные дистиллированной водой.
    3. Транспорт колыбель пластин с вытяжкой, где SC 1 был подготовлен. При SC 1 стабилизировалась на ~ 75 ° C, медленно опускайте колыбель пластин в СК 1.
    4. Очистите пластины в СК 1 в течение 10 мин.
    5. После 10 мин прошло, снять подставку пластин из СК 1 и промыть их, используя три 2 L стеклянные стаканы, заполненные дистиллированной водой. Химически чистый эти стеклянные стаканы перед заполнением их дистиллированной водой. Пожалуйста, обратитесь к разделу 6 накак химически очистить стаканы.
    6. После промывки, разместить образцы в ВЧ решения, которая посвящена только после SC 1 обработки. Концентрация не является критической.
    7. После ~ 10 сек или один раз образцы становятся гидрофобными (тянуть сухой), снять подставку с HF растворе и промыть, используя 3 стаканы, заполненные дистиллированной водой. Используйте те же стаканы, как в шаге 4.4.5.
    8. Транспорт колыбель пластин с вытяжкой, где SC 2 был подготовлен. При SC 2 стабилизировалась на ~ 75 ° C, медленно опускайте колыбель пластин в СК 2.
    9. Очистите пластины в СК 2 в течение 10 мин.
    10. После 10 мин прошло, снять подставку пластин из СК 2 и промыть их с помощью 3 стаканы, заполненные дистиллированной водой. Используйте те же стаканы, как в шаге 4.4.5.
      Примечание: Базовая станция пластин могут быть сохранены в одном из промывных стаканы не заполнены дистиллированной водой до следующего дня.
    11. После промывки, разместить образцы в ВЧ решения, которая посвящена только для постSC 2 обработки. Концентрация не является критической.
    12. После ~ 10 сек или один раз образцы становятся гидрофобными (тянуть сухой), снять подставку с HF растворе и промыть, используя 3 стаканы, заполненные дистиллированной водой. Используйте те же стаканы, как в шаге 4.4.5.
    13. Транспорт колыбель пластин с вытяжкой, где решение ТМАН был подготовлен. Когда раствор ТМАН стабилизировалась на ~ 85 ° C, медленно опускайте колыбель пластин в раствор ТМАГ.
    14. Протравить пластин в ТМАН в течение 5 мин. Это позволит удалить ~ 5 мкм кремния.
    15. После 5 мин прошло, снять подставку пластин из раствора ТМАГ и ополосните их с помощью 3 стаканы, заполненные дистиллированной водой. Используйте те же стаканы, как в шаге 4.4.5. Более 3 полоскания может быть, необходимые в качестве ТМАН вполне «липкий».
    16. Транспорт колыбель пластин в ДИ воды в вытяжном шкафу, где эксперимент был установки. Смотрите раздел 1.1.
    17. Измерьте подготовленные кремниевых пластин в пределах 2 ч после стер 4.4.16.

5. Процедура измерения

  1. Применить все необходимые СИЗ.
  2. Заполните два 2 л пластмассовые стаканы с дистиллированной водой и поместите их в вытяжном шкафу. Они будут использоваться для полоскания измерения сообщению образцы кремния.
  3. Поместите пластмассовый пинцет в пустую 500 мл пластиковый стакан и место внутри вытяжного шкафа возле полоскания стаканов. Эти пинцет будет использоваться для обработки образцы кремния.
  4. На компьютере, откройте файл жизни тестер. Убедитесь, что файл содержит правильные калибровочные коэффициенты для измерительной установки ВЧ. Смотрите раздел 3.
  5. В файле тестер жизни, выбрать режим "переходных". Ввод данных о кремниевой пластины должна быть измерена, например, толщины, удельного сопротивления и типа легирующей примеси.
  6. ВНИМАНИЕ: Установите контейнер (крышка на), наполненный HF на сцену тестера жизни и в центре его на индукционной катушкой (синий круг) области. Пусть решение согласиться на1 мин.
  7. На компьютере, нажмите на кнопку "Ноль" приборной в файле жизни тестера. Это измерение напряжения раствора.
    Примечание: В течение долгого времени, напряжение раствора будет уменьшаться, так как состав раствора меняется со временем. Независимо от этого, ХФ решение не показывают какого-либо ухудшения его качества пассивирующего, поэтому решение может быть использовано в течение 1-2 месяцев без изменений.
  8. ВНИМАНИЕ: Осторожно снимите контейнер со сцены жизни тестера и поместить его на капот скамейке дыма.
  9. ВНИМАНИЕ: Осторожно снимите крышку с контейнера, заполненного ВЧ решения. Если есть конденсат на крышке, тщательно промойте крышку в DI воды с помощью крана в вытяжном шкафу.
  10. ВНИМАНИЕ: Осторожно погрузите первый кремниевой пластины в ВЧ решения. Использование пластиковых пинцеты, слегка нажмите на кремниевой пластине, чтобы гарантировать, что сидит на нижней части контейнера.
  11. Промыть пинцети наденьте их обратно в пустой 500 мл пластиковый стакан.
  12. ВНИМАНИЕ: Осторожно поместите крышку обратно на контейнер, а затем поместите контейнер на сцене жизни тестера. Убедитесь, что кремниевая пластина расположена над индукционной катушкой (синий круг) области.
  13. Промыть и высушить перчатки. Удалить их перед использованием компьютера.
  14. Если флуоресцентный свет в вытяжной шкаф на, он должен быть выключен, прежде чем измерение должно быть проведено. Минимальная свет необходим во время измерения.
  15. Переключение галогенную лампу на, и обеспечение ее освещения кремниевой пластины через крышку пластикового контейнера. Время в течение 1 мин (точное время не является критическим).
  16. Во время периода освещения, нажмите кнопку "мера" в файле жизни на компьютере. Появится небольшое окно с меткой 'Принимая данные ".
  17. В «Набор данных» окна, введите имя для файла. Под «образец усреднения" сИзбранный 10.
  18. Когда кремниевая пластина была освещена в течение 1 мин, включите галогенная лампа с и сразу же нажмите кнопку "средний" в окне "Набор данных. Тестер жизни будет мигать 10 раз, а в среднем измерения жизни.
    Примечание: После того, как галогенная лампа выключена, пассивация кремниевой пластины начнут деградировать, и, таким образом, важно, чтобы измерить сразу после освещения для достижения наилучших результатов.
  19. Когда усреднение будет завершена, нажмите кнопку «ОК» в окне «принятия данных.
  20. Если другое измерение не требуется, повторите шаги 5.15-5.18.
  21. ВНИМАНИЕ: После того, как измерение завершено, удалить контейнер со сцены жизни тестера и поместить его на капот скамейке дыма.
  22. ВНИМАНИЕ: Осторожно снимите крышку с контейнера, заполненного ВЧ решения. Если есть конденсат на крышке, тщательно промыть крышку в деионизированной воде с помощью кранав вытяжном шкафу.
  23. ВНИМАНИЕ: Осторожно снимите кремниевой пластины из ВЧ решения, используя пластмассовый пинцет и промыть пластины в выделенных полоскания стаканов. У окончательного полоскания под краном в вытяжном шкафу.
  24. Если больше образцов должны быть измерены, повторите шаги 5.10-5.23.
  25. После того как все образцы были измерены, убедитесь, что крышка расположена на контейнере и хранить HF решение в вытяжном шкафу. Убедитесь, что контейнер адекватно помечены.
  26. Промыть все стаканы и пинцет и хранить их в выделенных мест в лаборатории.
  27. Разрешить тестер жизни, чтобы остаться в вытяжном шкафу в течение 1 ч после использования, а затем удалить его из вытяжного шкафа.

6. Химическая очистка Beakers и контейнерам

  1. В щелочной выделено вытяжкой, подготовить 1 решение SC, как указано в разделах 4.1.1-4.1.4.
  2. Для химически чистых стаканов и контейнеров, залить SC 1 решение в стаканы / контейнеров. Стаканы CAп чистить только по одному.
  3. Пусть решение очистки в стакан / контейнер в течение 10 мин. Если стакан / контейнер из пластика, он не может быть помещен на горячей плите, и, следовательно, решение SC 1 будет охлаждать во чистым. Это не повлияет на процесс очистки.
  4. Через 10 мин, вылить раствор SC 1 стакана в другой контейнер /, если они требуют очистки и. В противном случае пусть решение SC 1 круто в большом стакане. После охлаждения, SC 1 можно вылить в раковину с проточной водой.
  5. Промыть SC 1 очищенный МЕНЗУРКУ / контейнер в DI воде.
  6. В кислой выделено вытяжкой, подготовить решение SC 2, как описано в разделах 4.2.1-4.2.4.
  7. Вылейте SC 2 стакана раствора в / контейнер со стадии 6.5. Разрешить решение для очистки в стакан / контейнер в течение 10 мин.
  8. Через 10 мин, вылить раствор SC 2 стакана в другой контейнер /, если они требуют очистки и. В противном случае пусть решение SC 2 прохладно в большом стакане. После охлаждения, SC 2 может быть лил тон раковина с проточной водой.
  9. Промыть SC 2 очищенную МЕНЗУРКУ / контейнер в DI воде. Стакан / Контейнер теперь химической очистке.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

На рисунке 1а показана схема и 1б представлена ​​фотография экспериментальной установки. При кремниевую пластину погружают в ВЧ раствора, затем помещают на стадии жизни тестера и измерение выполняется (до освещения), кривую, которая ограничена поверхностной рекомбинации приведет, как показано синими треугольниками на рисунке 2 пожизненную. Однако, когда образец облучается в течение 1 мин (при погружении в HF), как показано на рисунке 1, и измерение выполняется непосредственно после освещения, увеличение срока службы будет происходить, как показано красными кругами на рисунке 2. Это увеличение срока службы после результатов освещения за счет снижения в поверхностной рекомбинации и, таким образом красные круги фиг.2 представляет срок службы, который в настоящее время ограничивается объемной рекомбинации и необработанной поверхностью. Увеличение жизни после освещения будетварьируются от образца к образцу, однако, если метод работает правильно, увеличение срока службы должны всегда происходят при условии, что основная часть жизни не низкая (<100 мкс), в результате чего любое снижение поверхностной рекомбинации при освещении не улучшит жизнь, потому что объемной рекомбинации становится доминирующей.

Хотя основная масса жизни достигается после освещения кремниевой пластины в течение 1 мин 19, пассивации поверхности является временным и будет начинают деградировать в течение нескольких секунд галогеновой лампы после выключения. Таким образом, важно для измерения должны быть выполнены непосредственно после периода освещения, чтобы достичь минимальной поверхностной рекомбинации, как показано на рисунке 3. Красные круги на рисунке 3 соответствуют жизни, когда образец измеренной непосредственно после включения лампы выключен , и синие круги соответствуют жизни, когда образец измеряется 1 мин после illuminatioн период. Из рисунка видно, что высокий уровень пассивации поверхности временно и ухудшает течение нескольких секунд источника освещения, ограниченного. Поэтому крайне важно, что измерение выполняется непосредственно после освещения, чтобы достичь объемной срок службы кремниевой пластины. В противоположность этому, 3 также показывает, что даже когда время жизни деградирует (синие кружки), он может быть полностью восстановлены путем освещения кремниевой пластины снова. Этот процесс может быть повторен много раз без каких-либо постоянному увеличению поверхностной рекомбинации, как показано на рисунке 3.

Для обеспечения техники работает правильно каждый раз, когда измерение ведется, управления кремниевые пластины должны быть использованы. Контрольная кремниевые пластины представляют образцы, которые были измерены с помощью техники несколько раз и произвели тот же срок службы каждый раз. Контрольные образцы должны всегда проходить один и тот же химический pretreatm влажныйENT как образцы должны быть измерены. Перед измерением объемной срок службы кремниевых пластин, контрольные образцы следует измерять в первую очередь. Таким образом, если их жизни не в пределах ± 20% от их предыдущего измерения жизни, возникла проблема и измерение должна быть прервана, пока проблема не будет решена. Наоборот, если контрольные пробы производят жизней пределах ± 20% от их ранее измеренной жизни, измерения могут продолжаться. В некоторых случаях, основной жизни образцов будет низким, и, следовательно, измеренное время жизни до и после облучения будет таким же, вопреки фиг.2. В этом случае, даже если освещение будет по-прежнему снизить поверхностной рекомбинации, нет улучшение Срок службы после освещение будет наблюдаться, потому что объемная рекомбинация гораздо выше, чем поверхность. При измерении образец, такие как это, сравнение с контрольной пластине может выяснить, существует ли проблема с измерительной установки или измеренного пластины симслой имеет очень высокую объемную рекомбинацию.

Чтобы продемонстрировать, что HF пассивации же достижения измерения объемной жизни, ФЗ 1 Ω-КМ N -. И р -типа кремниевые пластины были пассивированного с ALD Al 2 O 3 и ПХО SiN х, как показано на рисунке 4. Рисунок 4 показывает, что для как допинг типов, ВЧ пассивации может достичь того же жизнь, как достигается Al 2 O 3 и грех х фильмов. Нижняя жизни достигается за грех х пленки на образце р-типа происходит из-за истощения области рекомбинации, вызванного положительным зарядом, содержащейся в SiN х пленки. В отличие от этого, истощение область рекомбинации, если присутствует, не появляются значительно влияет на измерение времени жизни либо п - или р-типа кремния при использовании метода пассивации HF 9,17,18. Это также делает технику желательно для анализа сыпучего ЗащитуECTS, потому что любой инъекции зависимость наблюдается из измерения времени жизни можно отнести к объемной рекомбинации, а не на поверхность.

Рисунок 1
Рисунок 1. Настройка ВЧ пассивации. (А) Схема легкой повышенной ВЧ пассивации и измерения установки 17. Воспроизводится с разрешения J. Твердотельный Научно. Technol., 1 (2), Р55 (2012). Copyright 2012, электрохимических Общество. (B), фотография установки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

фигура 2
Рисунок 2. Повышение пассивации поверхности ИЛ Lumination. Эффективное время жизни высокого сопротивления кремниевой пластины, погруженной в 15% HF до (синими треугольниками) и непосредственно после (красные круги) освещение. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 3
Рисунок 3. Деградация пассивации поверхности после освещения. Эффективное время жизни 5 Ω-КМ N-типа кремниевой пластины, погруженной в HF непосредственно после освещения (красные кружки) и 1 мин после освещения (синие круги). На рисунке показано, как пассивация могут быть восстановлены в последующих шагов освещения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

т "FO: держать-together.within-страница =" 1 "> Рисунок 4
Рисунок 4. Сравнение с другими диэлектрических пленок Эффективное / масса жизни ФЗ 1 Ω см п. - И р-типа кремниевых пластин пассивированных с ВЧ (оранжевый кругах), ПХО SiN х (зеленый квадраты) и ALD Al 2 O 3 (синий алмазы). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Успешное внедрение методики измерений жизни объемной кремния, описанного выше, основана на трех важных шагов, (I) химически чистки и травления кремниевых пластин, (II) погружение в 15% -ный раствор HF и (III) освещения в течение 1 мин 17, 18,19. Без этих шагов, основная жизни не может быть измерена с уверенностью.

Как метод измерения проводятся при комнатной температуре, качество пассивации поверхности очень чувствительны к загрязнению поверхности (металлов, органические пленки). Таким образом, для эффективного удаления поверхностных загрязнений, раствор SC 1 используется (H 2 O: NH 4 OH: H 2 O 2), 20. Когда кремниевые пластины погружены в SC 1, раствор удаляет органические пленки на поверхности окислительным разрушением и растворением, наряду с примесей металлов, таких как золото, серебро, медь, никель, кадмий, цинк, кобальта и хрома 20. Сообщение СК 1 очистки, вполне возможно, что Sекоторые микроэлементы остаются в ловушке в водном оксидной пленки в результате чистый, и, следовательно, падение ВЧ требуется удалить пленку. После провала HF, кремния поверхности очищаются в СК 2 (H 2 O: HCl: H 2 O 2) 20. В то время как SC 1 эффективно удаляет большинства примесей, SC 2 предназначен для удаления щелочных ионов и катионов, таких как алюминий, железо и магний. Кроме того, SC 2 также удалить любые другие металлические примеси, которые не были удалены в СК 1. После SC 2 чистый, вафли можно ВЧ ближнего удалить водную пленку оксида. После того, как кремниевые пластины были очищены от загрязнений поверхности с помощью SC 1 и 2 SC, они требуют коротких поверхностных травления в ТМАН. ТМАН это решение анизотропное травление, то есть он травит только вдоль (111) равнины. Поэтому во время химическое травление, небольшие кремниевые пирамиды образованы на поверхностях, подвергая (111) равнинах, которые придает шероховатость поверхности и помогает улучшить охват водорода, когдаmmersed в HF 21,22. Таким образом, с оптимизированной состояния поверхности, поверхностной рекомбинации может быть запрещена, когда обработанные кремниевые пластины погружены в HF, а затем светится.

Оптимизация ВЧ решения был рассмотрен в нашей предыдущей публикации 17. Было обнаружено, что, когда кремниевые пластины погружают в 15% -30% HF, самый низкий поверхностной рекомбинации достигается. Это происходит потому, что концентрация HF достаточно высока для пассивации большую часть кремния оборванные связи с водородом, и обеспечивает механизм полевой пассивации путем сохранения заряда высокой поверхностной вызванного разницей в кремнии уровень Ферми и восстановительного потенциала ВЧ раствора 23 , Выбор 15% HF был по соображениям безопасности. Другим важным дополнением к HF растворе было включение HCl. При добавлении небольшого количества HCl в 15% раствора HF, концентрация водорода в растворе HF увеличивается, что в свою очередь увеличивает утрар а ф водорода, доступного для пассивации поверхности кремниевых пластин, что позволяет срок объемного кремния, которые будут получены после 23 освещение.

Освещение кремниевых пластин, погруженных в HF может значительно улучшить пассивации поверхности, создавая дополнительные облигации с химическими веществами в растворе через электронов и дырок передачи через интерфейс кремния / HF 23,24. Есть целый ряд химических связей, которые могут образовывать на поверхности кремния / HF, таких как Si-H, Si-OH и F-Si 23 - 27. Пассивация кремния, погруженного в HF было показано, прежде всего, исходить от создания Si-H связей, которая считается одним из наиболее стабильных связей, когда кремния погружают в HF 26,27. Тем не менее, в то время как пассивации поверхности усиливается после освещения, как показано на рисунке 3, пассивирование, как известно, ухудшают течение нескольких секунд после того, как источник освещения был прекращен.refore вряд ли усиливается освещение пассивации пост, прежде всего, за счет создания стабильных связей Si-H, как пассивация не должен ухудшать, если бы это было так. Скорее, он предположил, что повышенная пассивации поверхности приходит от создания нестабильных связей с гидроксильных групп (Si-OH) и фтора (Si-F) 26.

В то время как три критические шаги, перечисленные выше, разработан, чтобы дать лучшие результаты, существуют обстоятельства, когда измерение может производить ошибочные результаты. В большинстве случаев, вероятным источником ошибки является загрязнение поверхности, которая может исходить от зараженных химическими растворами или плохо отфильтрованной в системе DI. В этих условиях, то лучше, чтобы проверить Д.И. воды системы с помощью проводимости метр. Если деионизированной воды не фильтруется правильно, система требует изменения, прежде чем любые измерения должны быть выполнены. Это также влияет на другие процессы лаборатории и, таким образом, под угрозу система Д.И. воды будет влиять на всех.Наоборот, если деионизированной воды дает разумное чтение на метр проводимости, возможные источники загрязнения являются решением ТМАН или 15% раствора HF (SC 1 и СК 2 не будет нарушена). В этом случае, лучше всего переливать решения, химически чистые (SC 1 и 2) контейнеры и подготовить новые решения. Кроме того, если кремниевые пластины были загрязнены раствором, они будут требовать СК 1 и СК 2 чистки несколько раз, прежде поверхности чистые. Чтобы избежать загрязнения раствора и, таким образом, измерения ошибочные пожизненные, то лучше, чтобы подготовить решения ТМАН и ВЧ, которые используются только для этой техники (и не другими процессами в лаборатории). Другим источником загрязнения поверхности может прийти из диэлектрических или металлических пленок, нанесенных на ранее кремниевой пластины. Таким образом, если вафли претерпели диэлектрической или металлической осаждения, поверхности требуют химической очистки и травления кремния до трех этапов процесса объемной жизниметод измерения времени.

Хотя методика является простым и эффективным время, использование фтористоводородной кислоты ограничивает технику к вытяжном шкафу. Независимо от этого, метод обеспечивает эквивалентную пассивации поверхности для лучших пассивирующих диэлектрических пленок в мире (SiN х: H, Al 2 O 3 и -Si: H), кроме того этот метод не требует сложных машин, ни делает это требует повышенных температурах. Когда чистота кремниевых пластин улучшается, в приводе для повышения эффективности солнечных элементов, концентрации дефектов будет снижаться и, следовательно, их рекомбинации активность станут трудно измерить с использованием методов, таких как глубокий уровень релаксационной спектроскопии и Фурье-ИК-спектроскопии. Поэтому предполагается, что измерения времени жизни неосновных носителей, которые включают поверхности жидкости технику пассивации RT будет необходимо для изучения объемных дефектов кремния, когда их концентрация низка(<10 12 см -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

Инженерная выпуск 107 Магистральный жизни дефекты фтористоводородной кислоты освещение пассивация фотопроводимости рекомбинации.
Свет Enhanced плавиковой кислоты пассивация: чувствительного метода для обнаружения объемного кремния дефекты
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