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Lumière amélioré la passivation de l'acide fluorhydrique: une technique sensible pour détecter des défauts de silicium massif

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

Summary

A la surface du liquide de passivation technique RT pour étudier l'activité de recombinaison des défauts de silicium en vrac est décrit. Pour la technique soit efficace, trois étapes essentielles sont nécessaires: (i) le nettoyage et la gravure chimique du silicium, (ii) immersion de silicium dans de l'acide fluorhydrique à 15% et (iii) l'illumination pendant 1 min.

Abstract

Un procédé pour mesurer la durée de vie en vrac (> 100 ps) de plaquettes de silicium par la réalisation temporairement un niveau très élevé de passivation de surface lors de l'immersion des tranches dans de l'acide fluorhydrique (HF) est présentée. Par cette procédure en trois étapes critiques sont nécessaires pour atteindre la durée de vie en vrac. Tout d'abord, avant l'immersion des tranches de silicium en HF, elles sont nettoyées chimiquement et ensuite gravés dans 25% d'hydroxyde de tétraméthylammonium. D'autre part, les tranches traitées chimiquement sont ensuite placés dans un récipient en plastique grand rempli d'un mélange de HF et de l'acide chlorhydrique, puis centrés sur une bobine d'induction pour photoconductance (PC) mesures. En troisième lieu, pour inhiber la recombinaison de surface et de mesurer la durée de vie en vrac, les plaquettes sont éclairés à 0.2 soleils pendant 1 min en utilisant une lampe à halogène, l'éclairage est éteint, et une mesure de la PC est immédiatement retiré. Par ce procédé, les caractéristiques de défauts de silicium en vrac peuvent être déterminées avec précision. FourrureThermore, il est prévu que la technique de passivation de surface sensible RT sera impératif pour l'examen de défauts de silicium en vrac lors de leur concentration est faible (<10 12 cm -3).

Introduction

Haute durée de vie (> 1 ms) de silicium monocristallin est de plus en plus important pour les cellules solaires à haut rendement. Comprendre les caractéristiques de recombinaison d'impuretés embarqués a été, et reste un sujet important. Une des techniques les plus utilisées pour examiner l'activité de recombinaison des défauts cultivés en est par une méthode de photoconductance 1. Par cette technique, il est souvent difficile de surface complètement séparé de recombinaison en vrac, ce qui rend difficile d'examiner les caractéristiques de défauts de recombinaison adultes dans. Heureusement, il existe plusieurs films diélectriques qui peuvent atteindre des vitesses très faibles de recombinaison de surface effective S eff () de <5 cm / sec, et ainsi inhiber efficacement la recombinaison de surface. Ce sont, de nitrure de silicium (SiN x: H) 2, l'oxyde d'aluminium (Al 2 O 3) 3 et du silicium amorphe (a-Si: H) 4. Le dépôt et unenealing températures (~ 400 ° C) de ces films diélectriques sont considérés comme suffisamment faible pour ne pas désactiver de façon permanente l'activité de recombinaison de l'adulte dans les défauts. Les exemples en sont le fer-bore et de bore oxygène 5 6 défauts. Toutefois, récemment, il a été constaté la vacance d'oxygène et de vacance de phosphore défauts de type n Czochralski (Cz) silicium peuvent être complètement désactivés à des températures de 250-350 ° C 7,8. De même, un défaut de zone flottante (FZ) de type p silicium a été trouvé pour désactiver à ~ 250 ° C 9. Par conséquent, les techniques de passivation classiques tels que plasma dépôt chimique en phase vapeur (PECVD) et dépôt de couche atomique (ALD) peuvent ne pas convenir pour inhiber la recombinaison de surface à examiner les défauts adultes en vrac. En outre, SiN x: H et a-Si: H films ont été montrés pour désactiver les défauts de silicium en vrac par hydrogénation 10,11. Par conséquent, pour examiner l'activité de recombinaison o f-cultivé dans les défauts, une technique de passivation de surface RT serait idéal. Wet passivation chimique de surface satisfait à cette exigence.

Dans les années 1990 Horányi et al. Ont démontré que l'immersion des tranches de silicium dans des solutions iode-éthanol (IE) fournit un moyen pour passiver des plaquettes de silicium, la réalisation S eff <10 cm / s 12. En 2007 Meier et al. Ont montré que les solutions iode-méthanol (IM) peuvent réduire la recombinaison de surface de 7 cm / s 13, tandis qu'en 2009 Chhabra et al. Ont démontré que S eff de 5 cm / s peut être obtenue par immersion de tranches de silicium en quinhydrone-méthanol (QM) 14,15 solutions. Malgré l'excellente passivation de surface réalisé par IE, la messagerie instantanée et des solutions QM, ils ne fournissent pas passivation de surface adéquate (S eff <5 cm / sec) pour mesurer la durée de vie en vrac de plaquettes de silicium de haute pureté.

nt "> Un autre moyen d'atteindre un niveau élevé de passivation de surface est en immergeant des plaquettes de silicium dans de l'acide HF. La notion de utilisant HF pour passiver plaquettes de silicium a été introduit par Yablonavitch et al. en 1986, qui a démontré un niveau record S eff 0,25 ± 0,5 cm / sec 16. Bien excellente passivation de surface a été atteint sur ​​des plaquettes de haute résistivité, nous avons trouvé la technique pour être non répétable, ajoutant ainsi une grande incertitude pour la mesure de la durée de vie. Par conséquent, pour limiter l'incertitude en réalisant régulièrement une très bas S eff (~ 1 cm / sec), nous avons développé une nouvelle technique HF de passivation qui comprend trois étapes essentielles: (i) le nettoyage et la gravure de plaquettes de silicium chimiquement, (ii) immersion dans une solution de HF à 15% et (iii) illumination pendant 1 min 17,18. Cette procédure est à la fois simple et efficace du temps par rapport à la PECVD classique et des techniques de dépôt ALD ci-dessus.

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Protocol

1. Configuration expérimentale

  1. Localiser une hotte adapté à la technique de mesure, et retirer tout matériel pertinent pour permettre une meilleure circulation de l'air et de réduire les encombrer. Ne pas utiliser de produits chimiques autres que l'acide fluorhydrique (HF) dans la hotte.
  2. Testez la qualité de la (DI) de l'eau déminéralisée du robinet au sein de la hotte en utilisant un compteur de conductivité. Veiller à ce que l'eau de DI a une conductance d'au plus 0,055 S / cm à une température de 20 ° C.
  3. Placez un testeur de la durée de vie des porteurs minoritaires dans la hotte. Branchez les câbles à un ordinateur, qui est situé sur une table à l'extérieur de la hotte.
  4. Allumez le testeur informatique et durée de vie. Ouvrez le fichier de testeur de vie sur l'ordinateur et cliquez sur le bouton «mesure» pour assurer une communication correcte entre l'ordinateur et le testeur de vie. La source de lumière sur le testeur à vie doit clignoter si l'ordinateur et le testeur ont été connectés correctement. Placer une lampe halogène à l'intérieur de la hotte. Positionner la lampe de manière à pouvoir éclairer l'étape de testeur de vie où sera situé l'échantillon.
  5. Raccorder la lampe halogène à une source d'alimentation qui doit être situé à l'extérieur de la hotte. Lorsque la lampe halogène est activée, l'intensité devrait être d'au moins 0,02 W / cm 2 sur la scène testeur de vie.

2. Préparation de la solution de HF à 15%

Remarque: HF est un produit chimique dangereux et doit être traité avec soin. Il provoque lente, soutenue et profonde des dommages au corps après l'exposition. HF ne brûle pas facilement la peau comme les autres acides - plutôt il absorbe rapidement dans la peau et provoque des cloques profonde et des dommages aux os. Cela signifie que les os deviennent fragiles et boursouflée que le fluor réagit avec le calcium. HF se lie également avec le calcium libre qui est utilisé dans la régulation nerveuse et l'équilibre de la cellule osmotique, afin fixation du calcium libre dans le corps peut être fatale. Il est primordial quel'utilisateur suit les protocoles de sécurité de laboratoire lors de l'utilisation HF, et assure qu'ils connaissent l'emplacement de la trousse de premiers soins HF et hexafluorure (ou du gel de gluconate de calcium).

  1. Placez un récipient nettoyé chimiquement ronde en plastique (H: 55 mm, D: 170 mm) dans la hotte (le même que dans la section 1). Le récipient doit avoir un couvercle en plastique transparent. Voir la section 6 sur la façon de nettoyer chimiquement le récipient avant de les utiliser.
  2. Dégagez la zone autour du récipient en plastique dans la hotte de sorte que la solution de HF peut être préparé sans aucune obstruction à proximité.
  3. Appliquer tous les équipements de protection individuelle (EPI).
  4. ATTENTION: Ajouter 50 ml de HF à 100 ml d'eau DI (H 2 O) dans le conteneur.
  5. ATTENTION: Ajouter 20 ml d'acide chlorhydrique (HCl) pour le récipient et mélanger le H 2 O: HF: une solution de HCl en utilisant des pinces en plastique. Rincez ensuite soigneusement la pince à épiler.
  6. ATTENTION: Placer le couvercle sur le récipient en plastique et laissez la solutià se contenter de 1 h. Pendant ce temps, les vapeurs se condensent HF sur le couvercle.
  7. Étiqueter correctement le récipient, et de faire comprendre qu'il contient HF.
    Remarque: La solution de HF va durer 1-2 mois avec une utilisation intensive. Il n'y a donc pas nécessaire de remplacer la solution chaque fois qu'une mesure doit être effectuée.

3. L'étalonnage du testeur à vie

  1. Repérez au moins 6 tranches de silicium de la résistivité et de la conductance connue. Idéalement, la gamme de résistivité doit couvrir 0,1-100 Ω-cm.
  2. Sur l'ordinateur, ouvrez le fichier de calibration de testeur de vie. Entrez la résistivité de chaque tranche dans la table et puis cliquez sur «Mise à jour # de plaquettes.
  3. Cliquez sur le bouton «Obtenir des données» dans le fichier d'étalonnage et entrez les détails du testeur de vie.
  4. Appliquer tous les EPI nécessaire.
  5. ATTENTION: Placer le récipient en plastique rempli de la solution de HF sur la scène de testeur de durée de vie et le positionner sur la bobine d'induction (blue région de cercle).
  6. Lorsque vous êtes invité à mesurer la «tension de l'air» sur l'ordinateur, mesurer la tension de la solution de HF en cliquant sur le bouton 'Ok'. Dans ce cas, l'air a été remplacé par la conductance de la solution de HF.
  7. ATTENTION: enlevez avec précaution le récipient rempli avec HF de la scène et placez-le sur le banc de la hotte. Retirez délicatement le couvercle.
  8. ATTENTION: Lorsque le couvercle a été retiré du récipient, immerger la première plaquette de silicium dans la solution de HF à l'aide des pinces en plastique. Placez le couvercle sur le conteneur.
  9. ATTENTION: Placez le récipient en plastique de retour sur la scène de testeur de durée de vie et le positionner sur la bobine d'induction. Assurez la plaquette de silicium est centré sur la bobine (région de cercle bleu).
  10. Lorsque vous êtes invité à mesurer la «tension d'échantillon» sur l'ordinateur, cliquez une nouvelle fois le bouton 'Ok'. Retirer le récipient de la scène et placez-le sur le banc de la hotte.
  11. ATTENTION: R avec précaution emove la tranche de silicium à partir de la solution de HF à l'aide de pinces en plastique et rincer la plaquette dans les béchers de rinçage dédiés. Faites un rinçage final sous le robinet dans la hotte.
  12. ATTENTION: Placer le couvercle sur le récipient et placer le récipient de retour sur la scène de testeur de vie.
  13. Répéter les étapes 3,6 à 3,12 jusqu'à ce que tous les échantillons ont été mesurées.
  14. Une fois que tous les échantillons ont été mesurés, cliquez sur le bouton 'Ajuster données' dans le fichier de calibration. Ce sera ajuster une courbe parabolique pour les données mesurées et de fournir des coefficients d'étalonnage A, B et C qui sont spécifiques à cette configuration.
  15. Sur l'ordinateur, ouvrez le fichier de testeur de durée de vie et cliquez sur l'onglet «Paramètres». Entrez dans les nouveaux coefficients d'étalonnage A, B et C pour la configuration de HF. Enregistrez le fichier sous un nouveau nom.
    Remarque: La configuration de HF seulement nécessite un étalonnage tous les 6 mois. Il n'y a donc pas besoin de calibrer la configuration chaque fois qu'une mesure doit être effectuée.
jove_title "> 4. Wet traitement chimique de plaquettes de silicium avant de mesurer

  1. Préparer nettoyage standard 1 (SC 1).
    1. ATTENTION: Dans une alcaline alloué hotte, ajouter 185 ml d'hydroxyde d'ammonium (NH 4 OH) à 1.295 ml d'eau DI dans un bécher de 2 L. de verre.
    2. ATTENTION: Placer le bécher sur une plaque chauffante et chauffer le H 2 O: solution de NH 4 OH à une température de ~ 50 ° C. Utilisez un verre de montre pour couvrir le bécher.
    3. ATTENTION: Une fois le 2 O H: solution de NH 4 OH a atteint une température de ~ 50 ° C, ajouter 185 ml de peroxyde d'hydrogène (H 2 O 2) et continuer à chauffer jusqu'à ce que la température atteigne ~ 75 ° C. Cette H 2 O: NH4OH: H 2 O 2 est connue comme solution 1 SC.
      Note: SC 1 devrait être changé tous les jours à des tranches de silicium nettoyer efficacement.
  2. Préparer nettoyage standard 2 (SC 2).
    1. ATTENTION: Dans un acide alloué hotte,ajouter 185 ml de HCl à 1,295 ml d'eau DI dans un bécher de 2 L. de verre.
    2. ATTENTION: Placer le bécher sur une plaque chauffante et chauffer le H 2 O: une solution de HCl à une température de ~ 50 ° C. Utilisez un verre de montre pour couvrir le bécher.
    3. ATTENTION: Une fois que le H 2 O: une solution de HCl a atteint une température de ~ 50 ° C, ajouter 185 ml d'H 2 O 2 et continuer à chauffer jusqu'à ce que la température atteigne environ 75 ° C. Cette H 2 O: HCl: H 2 O 2 est connue comme solution 2 SC.
      Note: Changement SC 2 tous les jours pour des tranches de silicium nettoyer efficacement.
  3. Préparer la solution de gravure de silicium.
    1. Dans un alcaline alloué hotte, ajouter 1600 ml d'hydroxyde de tétraméthylammonium (TMAH) à un chimiquement de 2 L propre récipient en verre. S'il vous plaît voir la section 6 sur la façon de nettoyer chimiquement le bécher avant de l'utiliser.
    2. Placer le bécher sur une plaque chauffante et chauffer la solution TMAH à une température de 85 ~6; C. Utilisez un verre de montre pour couvrir le bécher.
      Remarque: La solution TMAH aura pas besoin de changer jusqu'à ce qu'il commence à se cristalliser, à savoir, après 1 mois.
  4. Effectuer le traitement chimique humide.
    1. Charger les échantillons dans un berceau de quartz et les placer dans une solution de HF communal dans le laboratoire. La concentration est pas critique.
    2. Après ~ 10 sec ou une fois les échantillons deviennent hydrophobes (tirer à sec), retirer le socle de la solution de HF et rincer à l'aide de 3 gobelets remplis d'eau DI.
    3. Transporter le berceau de plaquettes à la hotte où SC 1 a été préparé. Lorsque SC 1 est stabilisée à ~ 75 ° C, plongez lentement le berceau de plaquettes dans SC 1.
    4. Nettoyer les plaquettes dans SC 1 pour 10 min.
    5. Après 10 minutes est écoulé, retirez le berceau de plaquettes de SC 1 et rincez-les à l'aide de trois 2 L béchers en verre remplis d'eau DI. Nettoyez chimiquement ces béchers en verre avant de les remplir avec de l'eau DI. S'il vous plaît voir la section 6 surcomment nettoyer chimiquement les béchers.
    6. Après rinçage, placer les échantillons dans une solution de HF qui est dédié uniquement pour poste SC 1 transformation. La concentration est pas critique.
    7. Après ~ 10 sec ou une fois les échantillons deviennent hydrophobes (tirer à sec), retirer le socle de la solution de HF et rincer à l'aide de 3 gobelets remplis d'eau DI. Utilisez les mêmes béchers comme à l'étape 4.4.5.
    8. Transporter le berceau de plaquettes à la hotte où SC 2 a été préparé. Lorsque SC 2 est stabilisé à ~ 75 ° C, plongez lentement le berceau de plaquettes dans SC 2.
    9. Nettoyer les plaquettes dans SC 2 pendant 10 min.
    10. Après 10 minutes est écoulé, retirez le berceau de plaquettes de SC 2 et rincez-les à l'aide de 3 gobelets remplis d'eau DI. Utilisez les mêmes béchers comme à l'étape 4.4.5.
      Remarque: Le berceau de plaquettes pourrait être stocké dans un des béchers de rinçage remplis avec de l'eau DI jusqu'au lendemain.
    11. Après rinçage, placer les échantillons dans une solution de HF qui est dédié uniquement pour la postSC 2 traitement. La concentration est pas critique.
    12. Après ~ 10 sec ou une fois les échantillons deviennent hydrophobes (tirer à sec), retirer le socle de la solution de HF et rincer à l'aide de 3 gobelets remplis d'eau DI. Utilisez les mêmes béchers comme à l'étape 4.4.5.
    13. Transporter le berceau de plaquettes à la hotte où la solution TMAH a été préparé. Lorsque la solution TMAH est stabilisé à ~ 85 ° C, plongez lentement le berceau de plaquettes dans la solution TMAH.
    14. Graver les plaquettes de TMAH pendant 5 min. Cela permettra d'éliminer ~ 5 um de silicium.
    15. Après 5 min est écoulé, retirez le berceau de plaquettes de la solution TMAH et rincez-les à l'aide de 3 gobelets remplis d'eau DI. Utilisez les mêmes béchers comme à l'étape 4.4.5. Plus de 3 rinçages pourraient être requises que TMAH est assez «collantes».
    16. Transporter le berceau de tranches dans de l'eau DI à la hotte où l'expérience a été configuré. Voir la section 1.1.
    17. Mesurer les plaquettes de silicium préparés dans les 2 heures après step 4.4.16.

5. Procédure de mesure

  1. Appliquer tous les EPI nécessaire.
  2. Remplir deux béchers de plastique de 2 L avec de l'eau DI et les placer dans la hotte. Ceux-ci seront utilisés pour le rinçage de la mesure d'échantillons de poste de silicium.
  3. Placez pinces en plastique dans un bécher de 500 ml en plastique vide et le lieu à l'intérieur de la hotte près des béchers de rinçage. Ces pinces seront utilisées pour manipuler les échantillons de silicium.
  4. Sur l'ordinateur, ouvrez le fichier de testeur de vie. Assurez-vous que le fichier contient les coefficients d'étalonnage corrects pour la configuration de mesure HF. Voir la section 3.
  5. Dans le fichier de testeur de vie, sélectionner le mode «transitoire». Entrer les détails de la plaquette de silicium à mesurer, par exemple, l'épaisseur, la résistivité et le type de dopant.
  6. ATTENTION: Placer le récipient (couvercle sur) rempli avec HF sur la scène du testeur à vie et centrer sur la bobine d'induction (région de cercle bleu). Laisser retomber la solution pour1 minute.
  7. Sur l'ordinateur, cliquez sur le bouton «Zéro de l'instrument" dans le fichier de testeur de vie. Cela permettra de mesurer la tension de la solution.
    Remarque: Au fil du temps, la tension de solution diminue parce que la composition de la solution change avec le temps. Indépendamment de cela, la solution de HF ne montre aucune dégradation de la qualité de passivation, ce qui est la raison pour laquelle la solution peut être utilisée pendant 1-2 mois sans être changé.
  8. ATTENTION: Retirez délicatement le récipient de l'étape de testeur de durée de vie et le placer sur le banc de la hotte.
  9. ATTENTION: Retirez délicatement le couvercle du récipient rempli avec la solution de HF. Si il ya de la condensation sur le couvercle, rincez soigneusement le couvercle dans l'eau DI en utilisant l'eau du robinet dans la hotte.
  10. ATTENTION: plongez délicatement la première plaquette de silicium dans la solution de HF. Utilisation de la pince en matière plastique, presser légèrement sur la tranche de silicium afin d'assurer qu'il est assis sur le fond du récipient.
  11. Rincer la pince à épilers et placez-les dans le vide de 500 ml en plastique bécher.
  12. ATTENTION: Placez délicatement le couvercle sur le récipient, puis placer le récipient sur la scène de testeur de vie. Assurez la plaquette de silicium est positionné sur la bobine d'induction (région de cercle bleu).
  13. Rincer et sécher vos gants. Retirez-les avant d'utiliser l'ordinateur.
  14. Si la lumière fluorescente dans la hotte est en marche, il doit être éteint avant une mesure doit être effectuée. Lumière minimum est requis lors de la mesure.
  15. Mettez la lampe halogène sur, et assurez-vous qu'il est éclairant la plaquette de silicium à travers le couvercle du récipient en plastique. Temps pendant 1 min (l'heure exacte est pas critique).
  16. Pendant la période d'éclairage, cliquez sur le bouton 'Mesure' dans le fichier de vie sur l'ordinateur. Une petite fenêtre intitulée «Prendre de données» apparaîtra.
  17. Dans le '' Prenant données fenêtre, tapez un nom pour le fichier. Sous «échantillon moyenne 's10 élus.
  18. Lorsque la plaquette de silicium a été allumée pendant 1 min, commuter la lampe halogène off et cliquez immédiatement sur ​​le bouton «Moyenne» dans la fenêtre «prise de données». Le testeur de vie clignote 10 fois et la moyenne des mesures de durée de vie.
    Remarque: Une fois que la lampe halogène est éteint, la passivation de la plaquette de silicium commence à se dégrader, et il est donc important de mesurer immédiatement après illumination pour atteindre les meilleurs résultats.
  19. Lorsque la moyenne est complète, cliquez sur le bouton «OK» dans la fenêtre «prise de données».
  20. Si une autre mesure est nécessaire, répétez les étapes 5.15 à 5.18.
  21. ATTENTION: Une fois que la mesure est terminée, retirer le récipient de l'étape de testeur de durée de vie et le placer sur le banc de la hotte.
  22. ATTENTION: Retirez délicatement le couvercle du récipient rempli avec la solution de HF. Si il ya de la condensation sur le couvercle, rincez soigneusement le couvercle dans l'eau de DI en utilisant l'eau du robinetdans la hotte.
  23. ATTENTION: Retirez délicatement la galette de silicium à partir de la solution de HF en utilisant des pinces en plastique et rincer la plaquette dans les béchers de rinçage dédiés. Faites un rinçage final sous le robinet dans la hotte.
  24. Si plusieurs échantillons sont mesurés, répétez les étapes 05.10 à 05.23.
  25. Une fois que tous les échantillons ont été mesurés, assurer la couvercle est placé sur le récipient et stocker la solution de HF dans la hotte. Assurez-vous que le conteneur est adéquatement étiqueté.
  26. Rincez tous les béchers et des pinces et les stocker dans leurs taches attribuées dans le laboratoire.
  27. Laisser le testeur de vie pour rester dans la hotte pendant 1 heure après utilisation, puis retirez-le de la hotte.

6. nettoyage chimique des béchers et des conteneurs

  1. Dans un alcaline alloué hotte, préparer une solution à 1 SC comme indiqué dans les sections 4.1.1-4.1.4.
  2. Pour béchers chimiquement et de contenants propres, verser la solution SC 1 dans les béchers / conteneurs. Les béchers can uniquement être nettoyés un à la fois.
  3. Laisser la solution nettoyer le bécher / récipient pendant 10 min. Si le bécher / récipient est en plastique, il ne peut pas être placé sur une plaque chauffante, et donc la solution SC 1 va se refroidir durant le nettoyage. Ce ne sera pas affecter le processus de nettoyage.
  4. Après 10 min, versez la solution SC 1 dans un autre bécher / récipient si elles nécessitent un nettoyage aussi. Sinon, laisser la solution SC 1 refroidir dans un grand bêcher. Une fois refroidi, SC 1 peut être versé dans l'évier avec eau courante.
  5. Rincer SC 1 nettoyé bécher / récipient dans de l'eau DI.
  6. Dans un acide alloué hotte, préparer une solution SC 2, comme indiqué dans les sections 4.2.1-4.2.4.
  7. Verser la solution 2 SC dans le bécher / récipient de l'étape 6.5. Laisser la solution pour nettoyer le bécher / récipient pendant 10 min.
  8. Après 10 min, versez la solution SC 2 dans un autre bécher / récipient si elles nécessitent un nettoyage aussi. Sinon, laisser la solution SC 2 fraîche dans un grand bol. Une fois refroidi, SC 2 peut être versée dans til évier avec eau courante.
  9. Rincer SC 2 nettoyé bécher / récipient dans de l'eau DI. Le bécher / récipient est maintenant nettoyée chimiquement.

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Representative Results

Figure 1a montre un schéma et la figure 1b montre une photographie du dispositif expérimental. Quand une plaquette de silicium est immergé dans la solution de HF, par la suite placée sur la scène testeur de vie et une mesure est effectuée (avant illumination), une courbe de durée de vie qui est limitée par la recombinaison de surface entraîne, comme indiqué par les triangles bleus sur la figure 2. Toutefois, lorsque l'échantillon est illuminé pendant 1 minute (en immersion dans HF), comme le montre la figure 1, et une mesure est effectuée immédiatement après l'éclairage, une augmentation de la durée de vie se produit, comme indiqué par les cercles rouges sur la figure 2. Cette augmentation de la durée de vie après les résultats d'éclairement due à une réduction de la recombinaison de surface, et donc les cercles rouges de la figure 2 représentent la durée de vie qui est maintenant limitée par recombinaison en vrac et non en surface. L'augmentation de la durée de vie après illuminationvarie d'un échantillon à, si la technique fonctionne correctement, une augmentation de la durée de vie devrait toujours lieu à condition que la durée de vie en vrac est pas faible (<100 ps), selon lequel toute réduction de la recombinaison de surface par illumination ne va pas améliorer la durée de vie parce recombinaison vrac devient dominante.

Bien que la durée de vie est atteinte après vrac éclairer la tranche de silicium pendant 1 min 19, la passivation de surface est temporaire et commencer à se dégrader à l'intérieur de la seconde lampe d'halogène avoir été éteint. Il est donc important pour la mesure à effectuer directement après la période d'illumination à réaliser le meilleur recombinaison de surface, comme le montre la figure 3. Les cercles rouges dans la figure 3 correspondent à la durée de vie lorsque l'échantillon est mesurée directement après que la lampe est éteinte et les cercles bleus correspondent à la durée de vie lorsque l'échantillon est mesurée après 1 min le illuminatiopériode n. Dans la figure, il est évident que le niveau élevé de passivation de surface est temporaire et se dégrade en quelques secondes de la source d'éclairage étant terminé. Par conséquent, il est impératif qu'une mesure est effectuée directement après illumination pour atteindre la durée de vie de la masse plaquette de silicium. En revanche, la figure 3 montre également que même lorsque les dégrade la durée de vie (cercles bleus), il peut être entièrement récupérés en illuminant la plaque de silicium une fois de plus. Ce processus peut être répété de nombreuses fois sans aucune augmentation permanente de la recombinaison de surface comme le montre la figure 3.

Afin d'assurer la technique fonctionne correctement à chaque fois qu'une mesure est effectuée, des tranches de silicium de contrôle doivent être utilisées. Les plaquettes de silicium de commande représentent les échantillons qui ont été mesurées par les multiples fois technique et ont produit la même durée de vie à chaque fois. Les échantillons de contrôle doivent toujours subir le même humide pretreatm chimiqueent que les échantillons à mesurer. Avant de mesurer la durée de vie apparente de plaquettes de silicium, les échantillons de contrôle doivent être mesurés premier. Ainsi, si leur vie ne relève pas de ± 20% de la mesure de leur vie antérieure, un problème est survenu et la mesure doit être interrompu jusqu'à ce que le problème est résolu. Au contraire, si les échantillons de contrôle produisent des durées de vie à moins de ± 20% de leur durée de vie préalablement mesurée, les mesures peuvent se dérouler. Dans certains cas, la durée de vie en vrac des échantillons sera faible, et donc la durée de vie mesurée avant et après l'illumination sera le même, contrairement à la figure 2. Dans ce cas, même si l'éclairage sera toujours de réduire la recombinaison de surface, aucune amélioration de la après l'illumination de la durée de vie sera observée parce vrac recombinaison est beaucoup plus élevé que la surface. Lors de la mesure d'un échantillon de ce genre, par rapport à une plaquette de contrôle peut élucider si il ya un problème avec la configuration de mesure ou de la carte SIM de plaquette mesuréecouche a une recombinaison vrac très élevé.

Pour démontrer que HF passivation ne réaliser des mesures de la durée de vie en vrac, FZ 1 Ω-cm n -. Et des tranches de silicium p -Type ont été passivées par ALD Al 2 O 3 et PECVD SiN x, comme le montre la Figure 4 La figure 4 montre que pour deux types de dopage, HF passivation peut atteindre la même durée de vie que réalisé avec Al 2 O 3 et sin x films. La durée de vie inférieure réalisés par le SiN x film sur l'échantillon de type p est due à la région d'appauvrissement recombinaison provoquée par la charge positive contenue dans le SiN x film. En revanche, l'épuisement région recombinaison, si elle est présente, ne semble pas affecter de manière significative la mesure de la durée de vie de l'une des n - p ou de type silicium lors de l'utilisation de la technique de passivation HF 9,17,18. Cela rend également la technique souhaitable pour analyser vrac defECTS, parce que toute dépendance d'injection observée à partir de la mesure de la durée de vie peut être attribuée à la recombinaison vrac et non en surface.

Figure 1
Figure 1. Configuration HF de passivation. (A) de schématique de la passivation de HF lumière améliorée et la mesure configuration 17. Reproduit avec la permission de J. Solide Sci État. Technol., 1 (2), P55 (2012). Copyright 2012, Le Electrochemical Society. (B) une photographie de la configuration. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 2
Figure 2. Amélioration de la passivation de surface par l'IL lumination. de durée de vie effective d'une plaquette de silicium haute résistivité immergé dans 15% de HF, avant (triangles bleus) et directement après (cercles rouges) illumination. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 3
Figure 3. Dégradation de l'éclairage passivation de surface de poste. De durée de vie effective d'un 5 Ω-cm de type n plaquette de silicium immergé dans HF directement après l'illumination (cercles rouges) et 1 min après l'illumination (cercles bleus). La figure montre comment la passivation peut être récupéré par étapes d'éclairage ultérieures. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

t "fo: keep-together.within-page =" 1 "> Figure 4
Figure 4. Comparaison avec d'autres films diélectriques / vie vrac efficace de FZ 1 Ω-cm N -. Et plaquettes de silicium p -Type passivées avec HF (cercles oranges), PECVD SiN x (carrés verts) et ALD Al 2 O 3 (bleu diamants). S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

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Discussion

La mise en œuvre réussie de la technique de mesure de la durée de vie du silicium massif décrit ci-dessus est basé sur trois étapes essentielles: (i) nettoyage par voie chimique et la gravure des plaquettes de silicium, (ii) immersion dans une solution de HF à 15% et (iii) l'illumination pendant 1 min 17, 18,19. Sans ces étapes, la durée de vie en vrac ne peut être mesurée avec certitude.

Comme la technique de mesure est effectuée à la température ambiante, la qualité de passivation de surface est très sensible à la contamination de surface des métaux (organiques), des films. Ainsi, pour éliminer efficacement les contaminants de surface, une solution SC 1 est utilisé (H 2 O: NH4OH: H 2 O 2) 20. Lorsque les plaquettes de silicium sont immergés dans SC 1, la solution élimine les films de surface organiques par décomposition oxydative et de la dissolution, ainsi que des contaminants métalliques tels que l'or, l'argent, le cuivre, le nickel, le cadmium, le zinc, le cobalt et le chrome 20. Poster SC 1 nettoyage, il est possible que l'artertains oligo-éléments restent piégés dans le film d'oxyde hydraté résultant de la propre, et donc un plongeon de HF est nécessaire pour retirer le film. Après un plongeon de HF, les surfaces de silicium sont ensuite nettoyés dans SC 2 (H 2 O: HCl: H 2 O 2) 20. Bien que SC 1 élimine efficacement la plupart des impuretés, SC 2 est conçu pour éliminer les ions et les cations alcalins tels que l'aluminium, le fer et le magnésium. En outre, SC 2 va également supprimer d'autres contaminants métalliques qui ne sont pas retirés dans SC 1. Suite à un SC 2 propre, les plaquettes peuvent être trempés HF pour éliminer la pellicule d'oxyde hydraté. Une fois que les plaquettes de silicium ont été nettoyés de contaminants de surface par SC 1 SC et 2, ils nécessitent une attaque chimique de la surface en court TMAH. TMAH est une solution de gravure anisotrope, ce qui signifie qu'il ne décape long (111) plaines de cristal. Par conséquent, pendant l'attaque chimique, de petites pyramides de silicium sont formées sur les surfaces, exposant (111) plaines, qui frottant les surfaces et contribue à améliorer la couverture d'hydrogène lorsque immersed dans HF 21,22. Par conséquent, avec un état de surface optimisée, la recombinaison de surface peut être inhibé lorsque les plaquettes de silicium traitées sont immergées dans du HF et ensuite allumés.

Optimisation de la solution de HF a été examiné dans notre publication précédente 17. Il a été constaté que, lorsque des tranches de silicium sont immergés dans 15% à 30% de HF, le plus bas recombinaison de surface soit atteinte. Cela se produit parce que la concentration de HF est suffisamment élevée pour passiver la plupart du silicium liaisons pendantes avec de l'hydrogène, et fournit un mécanisme à effet de champ de passivation en conservant une forte charge de surface provoquée par une différence dans le silicium au niveau de Fermi et le potentiel de réduction de la solution de HF à 23 . Le choix de 15% de HF est pour des raisons de sécurité. Un autre ajout important de la solution de HF a été l'inclusion de HCl. En ajoutant une petite quantité de HCl dans la solution de HF à 15%, la concentration d'hydrogène dans la solution d'HF est augmenté, ce qui augmente le hontant de l'hydrogène disponible pour la passivation de surface de plaquettes de silicium, permettant ainsi la durée de vie de silicium en vrac à être obtenue après 23 éclairage.

Eclairage de plaquettes de silicium immergées dans HF peut améliorer de manière significative la passivation de surface en créant des liaisons supplémentaires avec des espèces chimiques dans la solution à travers un transfert d'électrons et de trous à travers l'interface silicium / 23,24 HF. Il existe un certain nombre de liaisons chimiques qui peuvent se former à l'interface silicium / HF, telles que Si-H, Si-OH et Si-F 23 - 27. Passivation de silicium immergé dans HF a été montré provenir principalement de la création de liaisons Si-H, qui est considéré comme l'un des liens les plus stables lorsque le silicium est immergé dans HF 26,27. Toutefois, bien que la passivation de surface est améliorée après illumination, comme le montre la figure 3, la passivation est connue pour se dégrader après quelques secondes la source d'illumination a été terminée. lerefore il est peu probable l'illumination passivation de poste amélioré est principalement due à la création de liaisons stables Si-H, comme la passivation ne devrait pas se dégrader si tel était le cas. Plutôt, il est émis l'hypothèse que la passivation de surface accrue provient de la création de liaisons instables avec des groupes hydroxyle (Si-OH) et de fluor (Si-F) 26.

Alors que les trois étapes essentielles énumérées ci-dessus sont conçus pour donner les meilleurs résultats, il ya des circonstances où la mesure peut produire des résultats erronés. Dans la plupart des cas, la source d'erreur probable est la contamination de surface, qui peut provenir de solutions chimiques contaminés ou un système de DI mal filtrée. Dans ces conditions, il est préférable de tester le système d'eau DI en utilisant un appareil de mesure de conductance. Si l'eau DI est filtré pas correctement, le système nécessite la modification avant que des mesures doivent être effectuées. Cela affectera également d'autres procédés de laboratoire et donc un système d'eau DI compromis va affecter tout le monde.Au contraire, si l'eau de DI est de donner une lecture sensée sur le compteur de conductivité, les sources possibles de contamination sont la solution TMAH ou de la solution de HF à 15% (SC 1 et SC 2 ne seront pas compromises). Dans ce cas, il est préférable de décanter les solutions, chimiquement propres (SC 1 et 2) les conteneurs et de préparer de nouvelles solutions. En outre, si les plaquettes de silicium ont été contaminés par une solution, ils auront besoin SC 1 et SC 2 Nettoyage à plusieurs reprises avant que les surfaces sont propres. Pour éviter la contamination de la solution et des mesures de durée de vie ainsi erronées, il est préférable de préparer des solutions de TMAH et HF qui ne sont utilisés pour cette technique (et non pas par d'autres procédés en laboratoire). Une autre source de contamination de la surface pourrait provenir de films diélectriques ou métalliques précédemment déposées sur la plaquette de silicium. Ainsi, si les tranches aient fait l'objet d'un dépôt de diélectrique ou en métal, les surfaces nécessitent un nettoyage chimique et gravure de silicium avant le processus en trois étapes de la vie en vracTechnique de mesure du temps.

Bien que la technique est à la fois simple et efficace, le temps, l'utilisation de l'acide HF restreint la technique à une hotte de laboratoire. Indépendamment de cela, la technique fournit surface passivation équivalentes aux meilleurs films diélectriques de passivation dans le monde (SiN x: H, Al 2 O 3 et un groupe -Si: H), en outre, cette technique ne nécessite pas de machines complexes, ni le fait exiger des températures élevées. Comme la pureté de plaquettes de silicium améliore, dans une volonté d'améliorer l'efficacité des cellules solaires, des concentrations de défauts vont diminuer et donc leur activité de recombinaison seront difficiles à mesurer en utilisant des techniques telles que la spectroscopie transitoire de niveau profond et Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier. Par conséquent, il est prévu que les porteurs minoritaires mesures de durée de vie qui incorporent une technique de passivation de surface du liquide RT seront impératif pour l'examen de défauts de silicium en vrac lors de leur concentration est faible(<10 12 cm -3).

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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

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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).

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