Waiting
Login processing...

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

Engineering

Luz Enhanced pasivación ácido fluorhídrico: una técnica sensible para la detección de defectos de silicio a granel

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

Summary

Una técnica de pasivación de la superficie de líquido RT para investigar la actividad de recombinación de defectos de silicio a granel se describe. Para la técnica tenga éxito, se requieren tres pasos críticos (i) la limpieza química y el grabado de silicio, (ii) inmersión de silicio en 15% de ácido fluorhídrico y (iii) la iluminación durante 1 min.

Abstract

Un procedimiento para medir el tiempo de vida mayor (> 100 microsegundos) de obleas de silicio por alcanzar temporalmente un nivel muy alto de pasivación de la superficie cuando la inmersión de las obleas en ácido fluorhídrico (HF) se presenta. Por este procedimiento se requieren tres pasos críticos para alcanzar el tiempo de vida mayor. En primer lugar, antes de la inmersión de las obleas de silicio en HF, se limpian químicamente y posteriormente grabados en 25% de hidróxido de tetrametilamonio. En segundo lugar, las obleas tratadas químicamente se colocan entonces en un recipiente grande de plástico llena con una mezcla de HF y ácido clorhídrico y, a continuación centradas sobre una bobina inductiva para fotoconductancia mediciones (PC). En tercer lugar, para inhibir la recombinación superficial y medir el tiempo de vida mayor, las obleas se iluminan a 0.2 soles durante 1 min usando una lámpara de halógeno, la iluminación se apaga, y una medición de PC se toma inmediatamente. Por este procedimiento, las características de los defectos de silicio a granel se pueden determinar con precisión. PelajeAde-, se prevé que una técnica de pasivación superficie sensible RT será imprescindible para el examen de los defectos de silicio a granel cuando su concentración es baja (<10 12 cm -3).

Introduction

Alta vida (> 1 ms) silicio monocristalino es cada vez más importante para las células solares de alta eficiencia. La comprensión de las características de recombinación de impurezas incrustadas ha sido y sigue siendo un tema importante. Una de las técnicas más utilizadas para examinar la actividad de recombinación de defectos crecido-in por un método fotoconductancia 1. Mediante esta técnica a menudo es difícil a la superficie completamente separada de la recombinación a granel, por lo que es difícil examinar las características de recombinación de defectos en adultos. Afortunadamente existen varias películas dieléctricas que puede alcanzar velocidades muy bajas efectivas de recombinación superficial (S eff) de <5 cm / s, y por lo tanto inhibir eficazmente la recombinación superficial. Estos son, nitruro de silicio (SiN x H) 2, óxido de aluminio (Al 2 O 3) 3 y silicio amorfo (a-Si: H) 4. La deposición y unanealing temperaturas (~ 400 ° C) de estas películas dieléctricas se consideran lo suficientemente bajo como para no desactivar permanentemente la actividad de recombinación del adulto en los defectos. Ejemplos de esto son el oxígeno hierro-boro y boro 5 6 defectos. Sin embargo, recientemente se encontró que los defectos de vacantes de oxígeno y fósforo en vacante-n de tipo Czochralski (Cz) de silicio pueden ser completamente desactivadas a temperaturas de 250-350 ° C 7,8. Del mismo modo se encontró un defecto en flotador-zona (FZ) de silicio tipo p para desactivar a ~ 250 ° C 9. Por lo tanto, las técnicas de pasivación convencionales, tales como plasma mejorada deposición de vapor químico (PECVD) y la deposición de capa atómica (ALD) no pueden ser adecuados para la inhibición de recombinación superficial para examinar defectos a granel en adultos. Además, sen x: H y a-Si: H películas se han demostrado para desactivar defectos de silicio a granel a través de hidrogenación 10,11. Por lo tanto para examinar la actividad de recombinación o f cultiva en defectos, una técnica de pasivación de superficie RT sería ideal. Wet pasivación de la superficie química cumple este requisito.

En la década de 1990 Horanyi et al. Demostró que la inmersión de las obleas de silicio en soluciones de yodo-etanol (IE) proporciona un medio para pasivar las obleas de silicio, logrando S eff <10 cm / seg 12. En 2007 Meier et al. Mostró que las soluciones de yodo-metanol (IM) pueden reducir la recombinación superficie a 7 ​​cm / s 13, mientras que en 2009 Chhabra et al. Demostró que S eff de 5 cm / seg se puede lograr mediante la inmersión de las obleas de silicio en soluciones 14,15 quinhydrone-metanol (QM). A pesar de la excelente pasivación de la superficie alcanzada por IE, mensajería instantánea y soluciones de gestión de calidad, que no proporcionan pasivación de la superficie adecuada (S eff <5 cm / seg) para medir el tiempo de vida mayor de obleas de silicio de alta pureza.

nt "> Otro medio para lograr un alto nivel de pasivación de la superficie está sumergiendo obleas de silicio en ácido HF. La idea de utilizar HF para pasivar obleas de silicio se introdujo por primera vez por Yablonavitch et al., en 1986, que demostró un mínimo histórico S eff de 0,25 ± 0,5 cm / seg 16. Aunque excelente pasivación superficial se logró en obleas de alta resistividad, que hemos encontrado la técnica para ser no repetibles, lo que añade una gran incertidumbre a la medición de por vida. Por lo tanto, para limitar la incertidumbre al lograr consistentemente un baja S ef (~ 1 cm / seg), hemos desarrollado una nueva técnica de pasivación HF que incorpora tres pasos críticos, (i) la limpieza y el grabado de obleas de silicio químicamente, (ii) la inmersión en una solución de HF al 15% y (iii) iluminación para 1 min 17,18. Este procedimiento es a la vez simple y eficiente en el tiempo en comparación con la PECVD tradicional y técnicas de deposición ALD enumerados anteriormente.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Configuración Experimental

  1. Localiza una campana de ventilación adecuado para la técnica de medición, y retire cualquier equipo irrelevante para permitir un mejor flujo de aire y reducir estorba. No utilice ningún producto químico a excepción del ácido fluorhídrico (HF) en la campana de humos.
  2. Prueba de la calidad de la (DI) agua desionizada de la llave dentro de la campana de humos con un medidor de conductividad. Asegúrese de que el agua DI tiene una conductancia de a lo sumo 0,055 S / cm a una temperatura de 20 ° C.
  3. Coloque un probador de vida de portadores minoritarios en la campana de humos. Conecte los cables a un ordenador, que está situado en una mesa fuera de la campana de humos.
  4. Encienda el probador de equipo y toda la vida. Abra el archivo probador de por vida en el ordenador y haga clic en el botón de "medida" para garantizar una comunicación correcta entre el ordenador y el probador de toda la vida. La fuente de luz en el probador de por vida debe parpadear si el ordenador y el probador se han conectado correctamente. Coloque una lámpara halógena dentro de la campana de humos. Colocar la lámpara de tal manera que puede iluminar el escenario probador de toda la vida en la que se encuentra la muestra.
  5. Conecte la lámpara halógena a una fuente de alimentación que debe ser situado fuera de la campana de humos. Cuando la lámpara halógena está encendido, su intensidad debe ser de al menos 0,02 W / cm 2 en el escenario probador de toda la vida.

2. Preparación de la Solución HF 15%

Nota: HF es una sustancia química peligrosa y debe tratarse con cuidado. Causa lenta, sostenida y daño profundo al cuerpo después de la exposición. HF no se quema fácilmente la piel como otros ácidos - sino que se absorbe rápidamente en la piel y causa profunda formación de ampollas y el daño a los huesos. Esto significa que los huesos se vuelven frágiles y ampollas como el flúor reacciona con el calcio. HF también se une con el calcio libre que se utiliza en la regulación de los nervios y el equilibrio osmótico celular, por lo que la unión del calcio libre en el cuerpo puede ser fatal. Es primordial queel usuario sigue los protocolos de seguridad de laboratorio cuando se utiliza HF, y se asegura de que saben la ubicación del botiquín de primeros auxilios HF y Hexafluorine (o gel de gluconato de calcio).

  1. Colocar un recipiente limpiado químicamente redonda de plástico (H: 55 mm, D: 170 mm) en la campana de humos (igual que en la sección 1). El recipiente debe tener una tapa de plástico transparente. Véase la Sección 6 sobre cómo limpiar químicamente el envase antes de su uso.
  2. Despeje el área alrededor del recipiente de plástico en la campana de humos por lo que la solución de HF se puede preparar sin obstrucciones cerca.
  3. Aplicar todo el equipo de protección personal (EPP).
  4. PRECAUCIÓN: Añadir 50 ml de HF a 100 ml de agua DI (H 2 O) en el recipiente.
  5. PRECAUCIÓN: Añadir 20 ml de ácido clorhídrico (HCl) al recipiente y mezclar el H 2 O: HF: solución de HCl usando pinzas de plástico. Enjuagar las pinzas a fondo después.
  6. PRECAUCIÓN: Coloque la tapa en el recipiente de plástico y deje que el solutia asentarse durante 1 hora. Durante este tiempo, los humos de HF se condensará en la tapa.
  7. Adecuadamente la etiqueta del envase, y dejar claro que contiene HF.
    Nota: La solución de HF va a durar 1-2 meses con un uso intensivo. Por lo tanto no hay necesidad de reemplazar la solución cada vez una medición se va a realizar.

3. La calibración del probador de por vida

  1. Localice al menos 6 obleas de silicio de resistencia y conductancia conocida. Lo ideal sería que el rango de resistividad debe abarcar desde 0,1 hasta 100 Ω-cm.
  2. En el equipo, abra el archivo de calibración probador vida. Introduzca la resistividad de cada oblea en la tabla y haga clic en 'Actualizar # de obleas'.
  3. Haga clic en el botón "Obtener datos" en el archivo de calibración y entrar en los detalles del probador de toda la vida.
  4. Aplicar todo el PPE necesario.
  5. PRECAUCIÓN: Coloque el recipiente de plástico lleno de la solución de HF en el escenario probador de por vida y colóquelo sobre la bobina inductiva (blucorreo región círculo).
  6. Cuando se le pida para medir la 'tensión de aire "en el equipo, medir el voltaje de la solución de HF haciendo clic en el botón" Aceptar ". En este caso, el aire ha sido reemplazado por la conductancia de la solución de HF.
  7. PRECAUCIÓN: Retire con cuidado el recipiente lleno de HF desde el escenario y colocarlo en el banco campana de humos. Retire con cuidado la tapa.
  8. PRECAUCIÓN: Cuando la tapa ha sido retirado del recipiente, sumergir la primera oblea de silicio en la solución de HF usando pinzas de plástico. Coloque la tapa en el recipiente.
  9. PRECAUCIÓN: Coloque el recipiente de plástico de nuevo en el escenario probador de por vida y colóquelo sobre la bobina inductiva. Asegúrese de que la oblea de silicio se centra sobre la bobina (región de círculo azul).
  10. Cuando se le pida para medir la "tensión de la muestra" en el equipo, haga clic en el botón "Aceptar" una vez más. Retire el recipiente de la etapa y colocarlo en el banco campana de humos.
  11. PRECAUCIÓN: Con cuidado r quítelo la oblea de silicio de la solución de HF usando pinzas de plástico y enjuague la oblea en los vasos de enjuague dedicados. Hacer un enjuague final bajo el grifo en la campana de humos.
  12. PRECAUCIÓN: Coloque la tapa de nuevo en el recipiente y coloque el recipiente de nuevo en la etapa de probador de toda la vida.
  13. Repita los pasos 3.6 a 3.12 hasta que se hayan medido todas las muestras.
  14. Una vez que todas las muestras se han medido, haga clic en el botón "Fit data 'en el archivo de calibración. Esto se ajustan a una curva parabólica a los datos medidos y proporcionar coeficientes de calibración A, B y C que son específicos para esta configuración.
  15. En el equipo, abra el archivo probador de toda la vida y haga clic en la pestaña "Configuración". Introducir en los nuevos coeficientes de calibración A, B y C para la configuración de la IC. Guarde el archivo con un nuevo nombre.
    Nota: La configuración de HF sólo requiere una calibración cada 6 meses. Por lo tanto no hay necesidad de calibrar la configuración cada vez que una medición se va a realizar.
jove_title "> 4. Wet Tratamiento Químico de Silicon Obleas Antes de medición

  1. Preparar norma limpia 1 (SC 1).
    1. PRECAUCIÓN: En una campana de extracción alcalina asignado, añadir 185 ml de hidróxido de amonio (NH 4 OH) a 1.295 ml de agua DI en un vaso de vidrio de 2 l.
    2. PRECAUCIÓN: Coloque el recipiente sobre un plato caliente y calentar el H 2 O: solución de NH4OH a una temperatura de ~ 50 ° C. Utilice un vidrio de reloj para cubrir el vaso de precipitados.
    3. PRECAUCIÓN: Una vez que el H 2 O: solución de NH4OH ha alcanzado una temperatura de ~ 50 ° C, añadir 185 ml de peróxido de hidrógeno (H 2 O 2) y continuar calentando hasta que la temperatura llega a ~ 75 ° C. Este H2O: NH4OH: H 2 O 2 solución se conoce como SC 1.
      Nota: SC 1 debe cambiarse diariamente para obleas de silicio limpiar eficazmente.
  2. Preparar norma limpia 2 (SC 2).
    1. PRECAUCIÓN: En un ácido asignado campana de humos,añadir 185 ml de HCl a 1.295 ml de agua DI en un vaso de precipitados de vidrio de 2 L.
    2. PRECAUCIÓN: Coloque el recipiente sobre un plato caliente y calentar el H 2 O: solución de HCl a una temperatura de ~ 50 ° C. Utilice un vidrio de reloj para cubrir el vaso de precipitados.
    3. PRECAUCIÓN: Una vez que el H 2 O: solución de HCl ha alcanzado una temperatura de ~ 50 ° C, añadir 185 ml de H 2 O 2 y continuar calentando hasta que la temperatura llega a ~ 75 ° C. Este H2O: HCl: H 2 O 2 solución se conoce como SC 2.
      Nota: Cambiar SC 2 diariamente para obleas de silicio limpiar eficazmente.
  3. Prepare la solución de grabado de silicio.
    1. En una campana de extracción alcalina asignado, añadir 1.600 ml de hidróxido de tetrametilamonio (TMAH) a un 2 L vaso de vidrio químicamente limpia. Por favor, consulte la Sección 6 sobre cómo limpiar químicamente el vaso antes de su uso.
    2. Colocar el vaso de precipitados sobre una placa caliente y se calienta la solución de TMAH a una temperatura de 85 ~6; C. Utilice un vidrio de reloj para cubrir el vaso de precipitados.
      Nota: La solución de TMAH no necesitará cambiar hasta que empiece a cristalizar, es decir, después de 1 mes.
  4. Realizar el tratamiento químico húmedo.
    1. Muestras de carga en una base de cuarzo y colocarlos en una solución de HF comunal en el laboratorio. La concentración no es crítica.
    2. Después de ~ 10 segundos o una vez que las muestras se convierten hidrofóbica (tirar seco), retire el soporte de la solución de HF y enjuague con 3 vasos llenos de agua DI.
    3. Transporte la cuna de obleas para la campana de humos donde SC 1 se ha preparado. Cuando SC 1 se ha estabilizado en ~ 75 ° C, sumerja lentamente la cuna de obleas en SC 1.
    4. Limpie las obleas en SC 1 durante 10 min.
    5. Una vez transcurrido 10 minutos, remueva la cuna de obleas de SC 1 y enjuague con tres vasos de vidrio 2 L llenos de agua DI. Químicamente limpia estos vasos de vidrio antes de su llenado con agua DI. Por favor, consulte la Sección 6 decómo limpiar químicamente los vasos.
    6. Después de aclarar, colocar las muestras en una solución de HF que se dedica únicamente para post SC 1 de procesamiento. La concentración no es crítica.
    7. Después de ~ 10 segundos o una vez que las muestras se convierten hidrofóbica (tirar seco), retire el soporte de la solución de HF y enjuague con 3 vasos llenos de agua DI. Utilice los mismos vasos como en el paso 4.4.5.
    8. Transporte la cuna de obleas para la campana de humos donde SC 2 ha sido preparado. Cuando SC 2 ha estabilizado en ~ 75 ° C, sumerja lentamente la cuna de obleas en SC 2.
    9. Limpie las obleas en SC 2 durante 10 minutos.
    10. Una vez transcurrido 10 minutos, remueva la cuna de obleas de SC 2 y enjuagarlos con 3 vasos llenos de agua DI. Utilice los mismos vasos como en el paso 4.4.5.
      Nota: La cuna de obleas podría ser almacenado en uno de los vasos de precipitados de enjuague con agua DI llenas hasta el día siguiente.
    11. Después de aclarar, colocar las muestras en una solución de HF que se dedica sólo para despuésSC 2 procesamiento. La concentración no es crítica.
    12. Después de ~ 10 segundos o una vez que las muestras se convierten hidrofóbica (tirar seco), retire el soporte de la solución de HF y enjuague con 3 vasos llenos de agua DI. Utilice los mismos vasos como en el paso 4.4.5.
    13. Transporte la cuna de obleas a la campana de extracción, donde la solución de TMAH se ha preparado. Cuando la solución de TMAH se ha estabilizado a ~ 85 ° C, sumerja lentamente la cuna de obleas en la solución de TMAH.
    14. Etch las obleas en TMAH de 5 min. Esto eliminará ~ 5 micras de silicio.
    15. Una vez transcurrido 5 minutos, retirar la cuna de obleas de la solución de TMAH y enjuagarlos con 3 vasos llenos de agua DI. Utilice los mismos vasos como en el paso 4.4.5. Más de 3 aclarados podrían ser requeridos como TMAH es muy "pegajosa".
    16. Transporte la cuna de obleas en agua DI a la campana de extracción en el que el experimento ha sido configurado. Vea la sección 1.1.
    17. Medir las obleas de silicio preparados dentro de 2 horas después de step 04/04/16.

5. Procedimiento de medición

  1. Aplicar todo el PPE necesario.
  2. Llene dos vasos de plástico 2 L con agua DI y colóquelos en la campana de humos. Estos serán utilizados para el lavado de la medición posterior muestras de silicio.
  3. Colocar las pinzas de plástico en un vaso de precipitados de 500 ml de plástico vacía y el lugar dentro de la campana de extracción cerca de los vasos de enjuague. Estas pinzas se utilizan para manejar las muestras de silicio.
  4. En el equipo, abra el archivo probador vida. Asegúrese de que el archivo contiene los coeficientes de calibración correctos para la configuración de la medición de HF. Vea la sección 3.
  5. En el archivo probador vida, seleccionar el modo 'transitoria'. Introducir los datos de la oblea de silicio que han de medirse, por ejemplo, el grosor, la resistividad y el tipo dopante.
  6. PRECAUCIÓN: Coloque el recipiente (tapa) lleno de HF en el escenario del probador de toda la vida y centrarlo sobre la bobina inductiva (región de círculo azul). Deje que el settle solución para1 minuto.
  7. En el equipo, haga clic en el botón 'instrumento Cero' en el archivo probador vida. Esto medir la tensión de la solución.
    Nota: Con el tiempo, la tensión de solución disminuirá debido a que la composición de la solución cambia con el tiempo. Independientemente de esto, la solución de HF no muestra ninguna degradación en su calidad de pasivación, por lo que la solución se puede utilizar durante 1-2 meses sin ser cambiado.
  8. PRECAUCIÓN: Retire con cuidado el recipiente de la etapa de probador de la vida y lo coloca en el banco campana de humos.
  9. PRECAUCIÓN: Retire con cuidado la tapa del recipiente lleno con la solución de HF. Si hay algo de condensación en la tapa, enjuague cuidadosamente la tapa en agua DI con el grifo en la campana de humos.
  10. PRECAUCIÓN: sumergir cuidadosamente la primera oblea de silicio en la solución de HF. Usando las pinzas de plástico, presione ligeramente hacia abajo en la oblea de silicio para asegurarse de que está sentado en el fondo del recipiente.
  11. Enjuague la pinzas y colocarlos de nuevo en el vacío 500 ml vaso de plástico.
  12. PRECAUCIÓN: Con cuidado, coloque la tapa en el recipiente y coloque el recipiente en el escenario probador vida. Asegúrese de que la oblea de silicio se coloca sobre la bobina inductiva (región de círculo azul).
  13. Enjuague y seque sus guantes. Eliminarlos antes de operar el equipo.
  14. Si la luz fluorescente en la campana de extracción está encendido, debe estar apagado antes de una medición se va a realizar. Se requiere luz mínimo durante la medición.
  15. Cambie la lámpara halógena de, y asegúrese de que está iluminando la oblea de silicio a través de la tapa del recipiente de plástico. Tiempo durante 1 minuto (el tiempo exacto no es crítico).
  16. Durante el período de iluminación, haga clic en el botón 'Medida' en el archivo de toda la vida en el equipo. Aparecerá una pequeña ventana con la etiqueta 'Tomando datos'.
  17. En el 'Tomando los datos de la ventana, escriba un nombre para el archivo. Bajo 'muestra promedio' selegidos 10.
  18. Cuando la oblea de silicio se ha iluminado durante 1 minuto, cambiar la lámpara halógena y fuera de inmediato, haga clic en el botón 'media' en la ventana 'Datos Tomar. El probador de la vida parpadea 10 veces y promediar las mediciones de toda la vida.
    Nota: Una vez que la lámpara halógena está apagado, la pasivación de la oblea de silicio comenzará a degradarse, y por lo tanto es importante para medir inmediatamente después de la iluminación para lograr los mejores resultados.
  19. Cuando el promedio se ha completado, haga clic en el botón "Aceptar" en la ventana de "datos Tomar.
  20. Si se requiere otra medición, repita los pasos 05.15 a 05.18.
  21. PRECAUCIÓN: Una vez que se complete la medición, retirar el recipiente de la etapa de probador de la vida y lo coloca en el banco campana de humos.
  22. PRECAUCIÓN: Retire con cuidado la tapa del recipiente lleno con la solución de HF. Si hay algo de condensación en la tapa, enjuague cuidadosamente la tapa en agua DI usando el grifoen la campana de humos.
  23. PRECAUCIÓN: Retire con cuidado la oblea de silicio de la solución de HF usando pinzas de plástico y enjuague la oblea en los vasos de enjuague dedicados. Hacer un enjuague final bajo el grifo en la campana de humos.
  24. Si más muestras se van a medir, repita los pasos 5,10-5,23.
  25. Una vez que se han medido todas las muestras, asegurar la tapa se coloca en el envase y almacenar la solución de HF en la campana de humos. Asegúrese de que el contenedor está etiquetado adecuadamente.
  26. Enjuague todos los vasos y las pinzas y almacenarlos en sus lugares asignados en el laboratorio.
  27. Deje que el probador de vida para permanecer en la campana de humos durante 1 hora después de su uso y luego sacarlo de la campana de humos.

6. Limpieza química de los cubiletes y Contenedores

  1. En una campana de extracción alcalina asignado, preparar una solución de 1 SC como se indica en las secciones 4.1.1-4.1.4.
  2. Para vasos y contenedores químicamente limpio, vierta la solución SC 1 en los vasos / contenedores. Los vasos de can solamente ser limpiado uno a la vez.
  3. Deje que la solución de limpiar el vaso / recipiente durante 10 minutos. Si el vaso de precipitados / el recipiente es de plástico, no se puede colocar sobre una placa caliente, y por lo tanto la solución SC 1 se enfriará durante la limpieza. Esto no afectará el proceso de limpieza.
  4. Después de 10 minutos, se vierte la solución SC 1 en otro vaso de precipitados / envase si requieren de limpieza también. De lo contrario, dejar que la solución SC 1 fresco en un gran vaso de precipitados. Una vez enfriado, SC 1 se puede verter en el fregadero con agua corriente.
  5. Enjuague SC 1 limpiado vaso / recipiente en agua DI.
  6. En una campana de extracción de ácido asignado, preparar una solución SC 2 como se indica en las secciones 4.2.1-4.2.4.
  7. Vierta la solución SC 2 en el vaso / recipiente desde el paso 6.5. Deje que la solución para limpiar el vaso / recipiente durante 10 min.
  8. Después de 10 minutos, se vierte la solución SC 2 en otro vaso de precipitados / envase si requieren de limpieza también. De lo contrario, dejar que la solución SC 2 fresco en un gran vaso de precipitados. Una vez enfriado, SC 2 se puede verter abajo tél fregadero con agua corriente.
  9. Enjuague SC 2 limpiado vaso / recipiente en agua DI. El vaso de precipitados / contenedor está ahora limpia químicamente.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

La Figura 1a muestra un esquema y la Figura 1b muestra una fotografía de la configuración experimental. Cuando una oblea de silicio se sumerge en la solución de HF, posteriormente colocado en el escenario probador de toda la vida y se realiza una medición (antes de la iluminación), una curva de vida útil que está limitada por recombinación superficial dará como resultado, como se muestra por los triángulos azules en la Figura 2. Sin embargo, cuando la muestra se ilumina durante 1 min (mientras se está inmerso en HF), como se muestra en la Figura 1, y una medición se realiza inmediatamente después de la iluminación, un aumento en el tiempo de vida se producirá, como se muestra por los círculos rojos en la Figura 2. Este aumento en el tiempo de vida después de los resultados de iluminación debido a una reducción en la recombinación de superficie, y por lo tanto los círculos rojos en la Figura 2 representan el tiempo de vida que ahora está limitado por recombinación a granel y no la superficie. El aumento en la post vida iluminación harávariar de muestra a muestra, sin embargo, si la técnica funciona correctamente, un aumento de la vida siempre debe ocurrir siempre que el tiempo de vida mayor no es baja (<100 microsegundos), por el que cualquier reducción en la recombinación de superficie por la iluminación no va a mejorar la vida útil debido a la recombinación mayor se vuelve dominante.

Aunque el tiempo de vida mayor se alcanza después de la iluminación de la oblea de silicio durante 1 min 19, la pasivación de la superficie es temporal y comenzará a degradarse dentro de segundos de la lámpara de halógeno de la desconexión. Por lo tanto es importante que la medición se realice directamente después del período de iluminación para lograr la recombinación superficial más baja, como se demuestra en la Figura 3. Los círculos rojos en la Figura 3 corresponden a la vida útil cuando la muestra se mide directamente después de la lámpara se apaga y los círculos azules corresponden a la vida útil cuando la muestra se mide 1 min después de la illuminatioperiodo n. A partir de la figura, es evidente que el alto nivel de pasivación de la superficie es temporal y se degrada dentro de segundos de la fuente de iluminación está terminada. Por lo tanto es imperativo que una medición se realiza directamente después de la iluminación para alcanzar el tiempo de vida mayor de la oblea de silicio. En contraste, la Figura 3 también demuestra que, incluso cuando se degrada el curso de la vida (círculos azules), que pueden ser completamente recuperados mediante la iluminación de la oblea de silicio, una vez más. Este proceso se puede repetir muchas veces sin ningún incremento permanente en la recombinación de superficie, como se muestra en la Figura 3.

Para asegurar la técnica está funcionando correctamente cada vez que se lleva a cabo una medición, se deben utilizar las obleas de silicio de control. Las obleas de silicio de control representan muestras que se han medido por los tiempos de técnica múltiple y han producido la misma vida cada vez. Las muestras de control siempre debe someterse a la misma pretreatm químico húmedoent como las muestras a medir. Antes de medir el tiempo de vida mayor de obleas de silicio, las muestras de control deben medirse primero. Así, si su vida no está dentro de ± 20% de su medición vida anterior, ha ocurrido un problema y la medida debe ser abortada hasta que se resuelva el problema. Por el contrario, si las muestras de control producen tiempos de vida dentro de ± 20% de su tiempo de vida medido previamente, las mediciones pueden proceder. En algunos casos, el tiempo de vida mayor parte de las muestras será baja, y por lo tanto el tiempo de vida medido antes y después de la iluminación será el mismo, contrariamente a la Figura 2. En este caso, a pesar de que la iluminación será todavía reducir la recombinación de superficie, ninguna mejora en la Se observará poste de iluminación curso de la vida debido a la recombinación mayor es mucho mayor que la superficie. Cuando se mide una muestra tal como esta, la comparación con una oblea de control puede dilucidar si existe un problema con la configuración de la medición o la oblea medido simply tiene una muy alta recombinación granel.

Para demostrar que la pasivación HF no lograr mediciones de la vida útil mayor, FZ 1 Ω-cm n -. Y obleas de silicio de tipo p se pasivadas con ALD Al 2 O 3 y PECVD SiN X, como se muestra en la Figura 4 Figura 4 muestra que para ambos tipos de dopaje, HF pasivación puede alcanzar el mismo tiempo de vida tan logrado con Al 2 O 3 y sen x películas. El tiempo de vida más baja alcanzada por la película de SiN x en la muestra de tipo p se debe a la región de agotamiento recombinación causada por la carga positiva contenida dentro de la película de SiN x. En contraste, el agotamiento región de recombinación, si está presente, no parece afectar significativamente a la medición de tiempo de vida de cualquiera de n - o p de silicio de tipo cuando se utiliza la técnica de pasivación HF 9.17.18. Esto también hace que la técnica deseable para el análisis de def mayorECTS, porque cualquier dependencia de inyección observado partir de la medición de por vida se puede atribuir a la recombinación a granel y no la superficie.

Figura 1
Figura 1. Configuración pasivación HF. (A) esquemática de la pasivación HF luz mejorada y medición de configuración 17. Reproducido con permiso de J. Ciencia del Estado Sólido. Technol., 1 (2), P55 (2012). Derechos de Autor de 2012, la Sociedad Electroquímica. (B) fotografía de la instalación. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2
Figura 2. Mejora de la pasivación superficial por il lumination. curso de la vida efectiva de una oblea de silicio de alta resistividad inmerso en un 15% IC, antes (triángulos azules) y directamente después (círculos rojos) iluminación. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

figura 3
Figura 3. La degradación de la iluminación de superficie posterior pasivación. Curso de la vida efectiva de un 5 Ω-cm n de tipo oblea de silicio inmerso en HF directamente después de la iluminación (círculos rojos) y 1 min después de la iluminación (círculos azules). La figura muestra cómo la pasivación se puede recuperar mediante medidas de iluminación posteriores. Por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

t "fo: keep-together.within-page =" 1 "> Figura 4
Figura 4. Comparación con otras películas dieléctricas Efectiva / tiempo de vida mayor de FZ 1 Ω-cm n -. Y obleas de silicio de tipo p pasivadas con HF (círculos de color naranja), PECVD sen x (cuadrados verdes) y ALD Al 2 O 3 (azul diamantes). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

La aplicación con éxito de la técnica de medición de tiempo de vida de silicio a granel se ha descrito anteriormente se basa en tres pasos críticos, (i) la limpieza química y grabado las obleas de silicio, (ii) la inmersión en una solución de HF al 15% y (iii) la iluminación durante 1 minuto 17, 18,19. Sin estos pasos, el tiempo de vida mayor no se puede medir con cualquier certeza.

Como la técnica de medición se lleva a cabo a temperatura ambiente, la calidad de pasivación de la superficie es altamente susceptible a la contaminación de la superficie (metales, películas orgánicas). Así, para eliminar eficazmente los contaminantes de la superficie, una solución SC 1 se utiliza (H 2 O: NH4OH: H 2 O 2) 20. Cuando las obleas de silicio se sumergen en SC 1, la solución elimina películas superficiales orgánicos por descomposición por oxidación y disolución, junto con los contaminantes metálicos, tales como, oro, plata, cobre, níquel, cadmio, zinc, cobalto y cromo 20. Publicar SC 1 de limpieza, es posible que slgunos oligoelementos permanecen atrapados en la película de óxido hidratado resultante de la limpieza, y por lo tanto se requiere un chapuzón HF para eliminar la película. Tras un chapuzón HF, las superficies de silicio se limpian en SC 2 (H2O: HCl: H 2 O 2) 20. Mientras SC 1 elimina eficazmente la mayoría de las impurezas, SC 2 está diseñado para eliminar los iones alcalinos y cationes tales como aluminio, hierro y magnesio. Por otra parte, SC 2 también se eliminarán todos los otros contaminantes metálicos que no fueron extraídas en SC 1. Tras una limpia SC 2, las obleas se pueden HF sumergen para eliminar la capa de óxido hidratado. Una vez que las obleas de silicio se han limpiado de los contaminantes superficiales por SC 1 y SC 2, requieren un grabado superficial corta en TMAH. TMAH es una solución de grabado anisotrópico, lo que significa que sólo se graba junto (111) llanuras de cristal. Por lo tanto durante el ataque químico, pequeñas pirámides de silicio se forman en la superficie, dejando al descubierto (111) llanuras, que pone áspero las superficies y ayuda a mejorar la cobertura de hidrógeno cuando immersed en la IC 21,22. Por lo tanto, con un estado de la superficie optimizada, la recombinación superficie puede ser inhibida cuando las obleas de silicio tratadas se sumergieron en HF y posteriormente iluminados.

La optimización de la solución de HF fue examinado en nuestra publicación anterior 17. Se encontró que cuando las obleas de silicio se sumergen en 15% -30% de HF, se alcanza la recombinación superficial más bajo. Esto ocurre porque la concentración de HF es lo suficientemente alta para pasivar la mayor parte del silicio colgando enlaces con el hidrógeno, y proporciona un mecanismo de efecto de campo de pasivación mediante la retención de una carga alta superficie causada por una diferencia en el silicio nivel de Fermi y potencial de reducción de la solución de HF 23 . La elección del 15% de HF fue por razones de seguridad. Otra adición importante a la solución de HF fue la inclusión de HCl. Mediante la adición de una pequeña cantidad de HCl en la solución de HF 15%, la concentración de hidrógeno en la solución de HF se incrementa, lo que a su vez aumenta el amporte de hidrógeno disponible para la pasivación de la superficie de las obleas de silicio, lo que el tiempo de vida de silicio a granel para obtener la iluminación posterior 23.

Iluminación de obleas de silicio sumergidos en HF puede mejorar significativamente la pasivación de la superficie mediante la creación de enlaces adicionales con especies químicas en la solución a través de transferencia de electrones y el agujero a través de la interfaz de silicio / HF 23,24. Hay un número de enlaces químicos que pueden formar en la interfaz de silicio / HF, tales como Si-H, Si-OH y Si-F 23 - 27. La pasivación de silicio inmerso en HF se ha demostrado que provienen principalmente de la creación de enlaces Si-H, que se considera que es uno de los bonos más estables cuando el silicio se encuentra inmersa en la IC 26,27. Sin embargo, mientras que la pasivación de la superficie se mejora la iluminación posterior, como se muestra en la Figura 3, la pasivación se conoce a degradarse en cuestión de segundos después de la fuente de iluminación se ha terminado. losrefore es poco probable que el aumento de la iluminación posterior pasivación se debe principalmente a la creación de enlaces Si-H estables, como la pasivación no debe degradarse si este fuera el caso. Más bien es la hipótesis de que la pasivación superficial mejorada viene de la creación de bonos inestables con grupos hidroxilo (Si-OH) y el flúor (Si-F) 26.

Mientras que los tres pasos críticos enumerados anteriormente están diseñados para dar los mejores resultados, hay circunstancias en las que la medición puede producir resultados erróneos. En la mayoría de los casos, la fuente probable de error es de contaminación de la superficie, que puede provenir de soluciones químicas contaminadas o un sistema DI mal filtrada. En estas condiciones, lo mejor es poner a prueba el sistema de agua DI utilizando un medidor de conductividad. Si el agua DI no se filtra correctamente, el sistema requiere cambiar antes de proceder a las mediciones se van a realizar. Esto también afectará a otros procesos de laboratorio y por lo tanto un sistema de agua DI comprometida afectará a todos.Por el contrario, si el agua DI está dando una lectura sensata en el medidor de conductividad, las posibles fuentes de contaminación son la solución o la solución de TMAH HF 15% (SC 1 y 2 SC no se verá comprometida). En este caso, lo mejor es decantar las soluciones, químicamente limpios (SC 1 y 2) los contenedores y preparar nuevas soluciones. Además, si las obleas de silicio han sido contaminados por una solución, requerirán SC 1 y SC 2 limpiando varias veces antes de que las superficies estén limpias. Para evitar la contaminación solución y mediciones de toda la vida por lo tanto erróneas, lo mejor es preparar soluciones TMAH y HF que sólo se utilizan para esta técnica (y no por otros procesos en el laboratorio). Otra fuente de contaminación de la superficie podría venir de películas dieléctricas o de metal previamente depositados en la oblea de silicio. Así, si las obleas se han sometido a una deposición dieléctrico o metal, las superficies requieren limpieza química y el grabado de silicio antes del proceso de tres etapas de la vida mayortécnica de medición de tiempo.

Aunque la técnica es a la vez simple y eficiente en el tiempo, el uso de ácido HF restringe la técnica para una campana de humos. Independientemente de esto, la técnica proporciona pasivación de la superficie equivalente a los mejores de pasivación películas dieléctricas en el mundo (sen x: H, Al 2 O 3 y un grupo -Si: H), además, esta técnica no requiere ninguna maquinaria compleja, ni requerir temperaturas elevadas. A medida que la pureza de las obleas de silicio mejora, en un intento por mejorar la eficiencia de las células solares, las concentraciones de defectos disminuirá y por tanto su actividad de recombinación se harán difíciles de medir el uso de técnicas como la espectroscopía transitoria nivel profundo y transformada de Fourier espectroscopia infrarroja. Por lo tanto, se prevé que las mediciones de toda la vida de portadores minoritarios que incorporan una técnica de pasivación de la superficie de líquido RT será imperativo para el examen de los defectos de silicio a granel cuando su concentración es baja(<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

Ingeniería número 107 de por vida a granel defectos ácido fluorhídrico iluminación pasivación fotoconductancia la recombinación.
Luz Enhanced pasivación ácido fluorhídrico: una técnica sensible para la detección de defectos de silicio a granel
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