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Engineering

Luz reforçada Passivation ácido fluorídrico: uma técnica sensível para a detecção de defeitos de silício em massa

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

Summary

A RT técnica passivation superfície do líquido para investigar a atividade de recombinação de defeitos de silício em massa é descrito. Para que a técnica seja bem sucedido, três passos críticos são necessários: (i) a limpeza química e corrosão de silício, (ii) a imersão de silício em 15% de ácido fluorídrico e (iii) iluminação durante 1 min.

Abstract

Um procedimento para medir o tempo de vida maior (> 100 ms) de pastilhas de silício por atingir temporariamente um nível muito elevado de passivação da superfície, quando as bolachas de imersão em ácido fluorídrico (HF) é apresentada. Por este procedimento três passos críticos são necessários para atingir o tempo de vida maior. Em primeiro lugar, antes da imersão de placas de silício em HF, eles estão quimicamente limpas e subsequentemente gravado em 25% de hidróxido de tetrametilamónio. Em segundo lugar, as pastilhas tratadas quimicamente são então colocadas num recipiente de plástico grande preenchido com uma mistura de HF e ácido clorídrico, e, em seguida, centrada sobre uma bobina indutiva para medições photoconductance (PC). Em terceiro lugar, para inibir a recombinação de superfície e medir o tempo de vida em massa, as bolachas são iluminados em 0.2 sóis para 1 min usando uma lâmpada de halogéneo, a iluminação é desligada, e uma medição PC é imediatamente retirado. Por este procedimento, as características de defeitos de silício em massa pode ser determinado com precisão. PeleThermore, antecipa-se que uma técnica de RT sensível passivação de superfície será imperativo pela análise de defeitos de silício em massa quando a sua concentração é baixa (<10 12 cm -3).

Introduction

Alta vida (> 1 ms) silício monocristalino está se tornando cada vez mais importante para as células solares de alta eficiência. Compreender as características de recombinação de impurezas embarcados tem sido, e continua a ser um tema importante. Uma das técnicas mais largamente usadas para examinar a actividade de recombinação de defeitos em adultos é através de um método photoconductance 1. Por meio desta técnica é muitas vezes difícil de superfície completamente separada da recombinação grandes quantidades, tornando-se assim difícil de examinar as características de recombinação de defeitos em adultos. Felizmente existem várias películas dieléctricas que pode atingir velocidades muito baixas de recombinação eficaz da superfície (s) de eff <5 cm / seg, e, assim, inibem eficazmente a recombinação superfície. Estes são, de nitreto de silício (sen x: H) 2, óxido de alumínio (Al 2 O 3) 3 e de silício amorfo (a-Si: H) 4. A deposição e umnealing temperaturas (~ 400 ° C) destes filmes dieléctricos são considerados para ser suficientemente baixa para não desactivar permanentemente a actividade de recombinação do adulto em defeitos. Exemplos disso são o ferro-boro 5 e 6 de boro oxigênio defeitos. No entanto, recentemente, verificou-se que os defeitos de vacância de oxigênio e vaga-fósforo no n -tipo Czochralski (Cz) de silício pode ser completamente desativado em temperaturas de 250-350 ° C 7,8. Da mesma forma um defeito no flutuador-zone (FZ) de silício do tipo p foi encontrado para desativar a ~ 250 ° C 9. Portanto, as técnicas de passivação convencionais, tais como deposição de vapor químico de plasma melhorado (PECVD) e deposição de camada atómica (ALD) podem não ser adequados para a inibição da recombinação da superfície a analisar defeitos granel em adultos. Além disso, sen x: H e a-Si: H filmes foram mostrados para desactivar defeitos de silício em massa por meio de hidrogenação 10,11. Portanto, para examinar a actividade de recombinação S F-cultivadas em defeitos, uma técnica de passivação de superfície RT seria ideal. Wet passivation químicos de superfície cumpre este requisito.

Na década de 1990 Horányi et ai. Demonstraram que a imersão das bolachas de silício em soluções de iodo-etanol (IE) proporciona um meio para passivar bolachas de silício, conseguindo S ef <10 cm / seg 12. Em 2007 Meier et ai. Mostraram que o iodo-metanol soluções (IM) podem reduzir a recombinação superfície a 7 ​​cm / seg de 13, enquanto em 2009 Chhabra et ai. Demonstraram que S ef de 5 cm / seg pode ser alcançado por imersão bolachas de silício em soluções 14,15 quinhydrone-metanol (QM). Apesar do excelente passivation superfície alcançado pelo IE, IM e soluções QM, eles não fornecem adequada passivation superfície (S ef <5 cm / s) para medir o tempo de vida maior parte dos wafers de silício de alta pureza.

nt "> Outro meio para atingir um alto nível de passivação de superfície é por imersão wafers de silício em ácido HF. A noção de usar HF para passivar wafers de silício foi introduzido pela primeira vez por Yablonavitch et al., em 1986, que demonstraram um recorde de baixa S ef de 0,25 ± 0.5 cm / s 16. Embora excelente passivation superfície foi atingido em wafers de alta resistividade, temos encontrado a técnica a ser não-repetível, acrescentando assim uma grande incerteza para a medição da vida. Portanto, para limitar a incerteza de forma consistente alcançar uma muito baixo S FEP (~ 1 cm / seg), desenvolvemos uma nova técnica de passivação HF que incorpora três passos críticos, (i) quimicamente a limpeza e decapagem de bolachas de silício, (ii) a imersão numa solução de HF a 15% e (iii) iluminação durante 1 min 17,18. Este procedimento é simples e eficiente do tempo em comparação com o tradicional PECVD e técnicas de deposição de ALD listados acima.

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Protocol

1. Setup Experimental

  1. Localize um exaustor adequado para a técnica de medição e retire qualquer equipamento irrelevante para permitir um melhor fluxo de ar e reduzir a desordenar. Não utilize com excepção do ácido fluorídrico (HF) produtos químicos na coifa.
  2. Testar a qualidade da (DI) de água desionizada a partir da torneira no interior do exaustor de fumos utilizando um medidor de condutividade. Assegure-se que a água Dl tem uma condutividade de no máximo 0,055 S / cm a uma temperatura de 20 ° C.
  3. Coloque uma vida tester portadores minoritários na coifa. Ligar os cabos a um computador, que está situado sobre uma mesa fora da coifa.
  4. Ligue o computador e tempo de vida testador. Abra o arquivo tester vida no computador e clique no botão 'medida' para garantir uma comunicação correta entre o computador eo tempo de vida testador. A fonte de luz sobre a vida testador deve piscar se o computador e testador foram conectados corretamente. Coloque uma lâmpada de halogéneo no interior da capela. Posicionar a lâmpada tal que pode iluminar o palco vida testador em que a amostra será localizado.
  5. Ligue a lâmpada de halogéneo com uma fonte de energia que deve situar-se fora da coifa. Quando a lâmpada de halogéneo está ligado, a sua intensidade deve ser pelo menos de 0,02 W / cm2 na fase vida testador.

2. Preparar a Solução IC 15%

Nota: HF é uma substância química perigosa e deve ser tratado com cuidado. Isso faz com que lenta, sustentada, de profundidade e danos para o corpo após a exposição. HF não prontamente queimar a pele como os outros ácidos - em vez disso, absorve rapidamente na pele e provoca profunda bolhas e danos aos ossos. Isto significa que os ossos se tornam frágeis e com bolhas como o flúor reage com o cálcio. HF também se liga com cálcio livre que é usado na regulação do nervo e equilíbrio osmótico celular, assim que a ligação de livre cálcio no organismo pode ser fatal. É fundamental queo usuário segue protocolos de segurança de laboratório quando usar HF, e assegura que eles sabem a localização do kit ajuda HF primeiro e hexafluorine (ou cálcio gel gluconato).

  1. Coloque um recipiente limpo quimicamente rodada de plástico (H: 55 mm, D: 170 milímetros) na coifa (o mesmo que na Seção 1). O recipiente deve ter uma tampa de plástico transparente. Ver Secção 6 sobre a forma de limpar quimicamente o recipiente antes da sua utilização.
  2. Limpar a área em torno do recipiente de plástico, na hotte de modo que a solução de HF pode ser preparada sem quaisquer obstruções nas proximidades.
  3. Aplicar todos os equipamentos de proteção individual (EPI).
  4. CUIDADO: Adicionam-se 50 ml de HF a 100 ml de água Dl (H 2 O) no recipiente.
  5. CUIDADO: Adicionar 20 ml de ácido clorídrico (HCl) ao recipiente e misture-a H 2 O: HF: solução de HCI utilizando uma pinça de plástico. Lavar as pinças completamente mais tarde.
  6. CUIDADO: Colocar a tampa sobre o recipiente de plástico e permitir que a solução queem que se contentar com 1 hr. Durante este tempo, os fumos HF irá condensar-se na tampa.
  7. Rotular adequadamente o recipiente, e deixar claro que ele contém HF.
    Nota: A solução HF vai durar 1-2 meses com uso pesado. Portanto, não há necessidade de se substituir a solução de cada vez uma medição está a ser executada.

3. A calibração do Tester Lifetime

  1. Localize pelo menos 6 bolachas de silício de resistividade conhecido e condutância. Idealmente, a gama de resistividade deve abranger 0,1-100 Ω-cm.
  2. No computador, abra o arquivo de calibração tester vida. Digite a resistividade de cada wafer na tabela e, em seguida, clique em "Atualização # de wafers '.
  3. Clique no botão "Obter dados" no arquivo de calibração e digite os detalhes da vida testador.
  4. Aplicar todos os EPI necessário.
  5. CUIDADO: Coloque o recipiente de plástico cheio com a solução de HF na fase vida tester e posicioná-lo sobre a bobina indutiva (bluregião círculo e).
  6. Quando solicitado para medir a 'tensão do ar' no computador, medir a tensão da solução de HF, clicando no botão 'Ok'. Neste caso, o ar foi substituído pela condutância da solução de HF.
  7. CUIDADO: Retire cuidadosamente o recipiente com HF do palco e colocá-lo no banco coifa. Cuidadosamente retire a tampa.
  8. CUIDADO: Quando a tampa tenha sido removida do recipiente, mergulhar a primeira bolacha de silício na solução de HF com uma pinça de plástico. Colocar a tampa de volta sobre o recipiente.
  9. CUIDADO: Coloque o recipiente de plástico de volta para o palco vida tester e posicioná-lo sobre a bobina indutiva. Garantir a bolacha de silício é centrado sobre a bobina (região círculo azul).
  10. Quando solicitado para medir a 'tensão sample' no computador, clique no botão "OK" mais uma vez. Retire o recipiente do palco e colocá-lo no banco coifa.
  11. CUIDADO: Cuidadosamente r etirar o wafer de silício a partir da solução de HF, usando uma pinça de plástico e lave a hóstia nas taças de lavagem dedicados. Faça um enxágüe final com água da torneira na coifa.
  12. CUIDADO: Coloque a tampa de volta para o recipiente e posicione o recipiente de volta para o palco vida testador.
  13. Repita os passos 3.6 para 3.12 até que todas as amostras tiverem sido medidas.
  14. Uma vez que todas as amostras foram medidos, clicar no botão '' Fit ​​dados no arquivo de calibração. Isso vai caber uma curva parabólica para os dados medidos e fornecer coeficientes de calibração A, B e C que são específicos para esta configuração.
  15. No computador, abra o arquivo tester vida útil e clique na guia "Configurações". Digite os novos coeficientes de calibração A, B e C para a configuração do HF. Salve o arquivo com um novo nome.
    Nota: A configuração de HF requer apenas uma calibração a cada 6 meses. Portanto, não há necessidade de calibrar a configuração de cada vez uma medição está a ser executada.
jove_title "> 4. Wet Chemical Tratamento de Silicon Wafers Antes de Medição

  1. Prepare padrão limpo 1 (SC 1).
    1. CUIDADO: Em um exaustor de fumos alcalinos atribuído, adicionar 185 ml de hidróxido de amónio (NH4OH) para 1.295 ml de água desionizada numa proveta de vidro de 2 litros.
    2. CUIDADO: Colocar a proveta sobre uma placa quente e aquecer a H2O: solução de NH4OH a uma temperatura de ~ 50 ° C. Utilizar um vidro de relógio para cobrir o copo.
    3. CUIDADO: Uma vez que o H2O: solução de NH4OH atingiu uma temperatura de ~ 50 ° C, adicionar 185 ml de peróxido de hidrogénio (H 2 O 2) e continuar a aquecer até a temperatura atingir ~ 75 ° C. Este H2O: NH4OH: H2O 2 solução é conhecido como SC 1.
      Nota: SC 1 deve ser trocado diariamente para wafers de silício efetivamente limpas.
  2. Prepare padrão limpo 2 (SC 2).
    1. CUIDADO: Em um ácido alocados exaustor,adicionar 185 mL de HCl a 1.295 ml de água desionizada numa proveta de vidro de 2 litros.
    2. CUIDADO: Colocar a proveta sobre uma placa quente e aquecer a H2O: solução de HCl a uma temperatura de ~ 50 ° C. Utilizar um vidro de relógio para cobrir o copo.
    3. CUIDADO: Uma vez que o H 2 O: HCl solução atingiu uma temperatura de ~ 50 ° C, adicionar 185 ml de H 2 O 2 e continuar a aquecer até a temperatura atingir ~ 75 ° C. Este H2O: HCl: H 2 O 2 a solução é conhecido como SC 2.
      Nota: Alterar SC 2 diária para wafers de silício efetivamente limpas.
  3. Preparar a solução de gravação de silício.
    1. Em um alcalina alocados fume hood, adicionar 1,600 ml de hidróxido de tetrametilamónio (TMAH) a um quimicamente limpo 2 L taça de vidro. Por favor, consulte a Seção 6 sobre como limpar quimicamente o copo antes de usar.
    2. Colocar a proveta sobre uma placa quente e aquecer a solução de TMAH a uma temperatura de ~ 856; C. Utilizar um vidro de relógio para cobrir o copo.
      Nota: A solução TMAH não vai precisar mudar até que ele começa a se cristalizar, ou seja, após 1 mês.
  4. Realize o tratamento químico molhado.
    1. Amostras de carga em um berço de quartzo e colocá-los em uma solução de HF comum no laboratório. A concentração não é crítica.
    2. Depois de ~ 10 segundos ou uma vez que as amostras se tornar hidrófobo (puxar a seco), retirar o suporte da solução de HF e enxagúe com 3 copos cheios de água DI.
    3. Transportar o berço de wafers para o exaustor onde SC 1 foi preparada. Quando SC 1 estabilizou em ~ 75 ° C, mergulhe lentamente o berço de wafers em SC 1.
    4. Limpe os wafers em SC 1 para 10 min.
    5. Após 10 minutos decorrido, retirar o suporte de wafers de SC 1 e lavá-los usando três taças 2 L de vidro cheios de água DI. Quimicamente limpo estes copos de vidro antes de enchê-los com água DI. Por favor, veja a Seção 6,como limpar quimicamente os copos.
    6. Após a lavagem, coloque as amostras em uma solução de HF que é dedicado apenas para pós SC 1 processamento. A concentração não é crítica.
    7. Depois de ~ 10 segundos ou uma vez que as amostras se tornar hidrófobo (puxar a seco), retirar o suporte da solução de HF e enxagúe com 3 copos cheios de água DI. Use as mesmas taças como no passo 4.4.5.
    8. Transportar o berço de wafers para o exaustor onde SC 2 foi preparado. Quando SC 2 estabilizou em ~ 75 ° C, mergulhe lentamente o berço de wafers em SC 2.
    9. Limpe os wafers em SC 2 para 10 min.
    10. Após 10 minutos decorrido, retirar o suporte de wafers de SC 2 e lavá-los com 3 copos cheios de água DI. Use as mesmas taças como no passo 4.4.5.
      Nota: O suporte de bolachas podem ser armazenados em uma das provetas de enxaguamento cheios com água desionizada até ao dia seguinte.
    11. Após a lavagem, coloque as amostras em uma solução de HF que é dedicado apenas para pósSC 2 processamento. A concentração não é crítica.
    12. Depois de ~ 10 segundos ou uma vez que as amostras se tornar hidrófobo (puxar a seco), retirar o suporte da solução de HF e enxagúe com 3 copos cheios de água DI. Use as mesmas taças como no passo 4.4.5.
    13. Transportar o suporte de bolachas para o exaustor de fumos onde a solução TMAH foi preparado. Quando a solução TMAH estabilizou em ~ 85 ° C, mergulhe lentamente o berço de wafers na solução TMAH.
    14. Etch as bolachas em TMAH para 5 min. Isto irá remover ~ 5 uM de silício.
    15. Após 5 min tiver decorrido, retirar o suporte de wafers da solução TMAH e lavá-los com 3 copos cheios de água DI. Use as mesmas taças como no passo 4.4.5. Mais de 3 lavagens podem ser exigidos como TMAH é bastante "pegajoso".
    16. Transportar o berço de wafers em água DI para o exaustor onde o experimento foi configurado. Consulte a seção 1.1.
    17. Meça as pastilhas de silício preparados dentro de 2 horas após ste4.4.16 p.

5. Medição Processo

  1. Aplicar todos os EPI necessário.
  2. Encha dois copos de plástico 2 L com água DI e colocá-los no exaustor. Estes serão utilizados para enxaguar a medição pós amostras de silício.
  3. Coloque uma pinça de plástico em um vazio 500 ml copo de plástico e coloque dentro do exaustor perto as taças de lavagem. Estas pinças irá ser usadas para lidar com as amostras de silício.
  4. No computador, abra o arquivo vida testador. Verifique se o arquivo contém os coeficientes de calibração corretas para a configuração de medição HF. Consulte a seção 3.
  5. No arquivo tester vida útil, selecione o modo «transitório». Entre os detalhes da bolacha de silício a ser medido, por exemplo, espessura, tipo de resistividade e dopante.
  6. CUIDADO: Coloque o recipiente (tampa) preenchido com HF para o palco da vida testador e centralizá-lo sobre a bobina indutiva (região círculo azul). Deixar depositar o solução para1 minuto.
  7. No computador, clique no botão 'Zero instrumento' no arquivo de vida testador. Isto irá medir a voltagem da solução.
    Nota: Com o tempo, a tensão de solução irá diminuir pois a composição da solução muda com o tempo. Independentemente disso, a solução de HF não mostra qualquer degradação da sua qualidade passivador, razão pela qual a solução pode ser utilizada durante 1-2 meses, sem ser alterado.
  8. CUIDADO: Retire cuidadosamente o recipiente do palco vida tester e colocá-lo no banco coifa.
  9. CUIDADO: Cuidadosamente remover a tampa do recipiente cheio com a solução de HF. Se houver alguma condensação na tampa, lavar cuidadosamente a tampa em água desionizada utilizando a torneira na hotte.
  10. CUIDADO: mergulhe cuidadosamente o primeiro wafer de silício na solução de HF. Usando a pinça de plástico, pressione levemente para baixo no wafer de silício para garantir que ele está sentado no fundo do recipiente.
  11. Lavar a pinças e colocá-los de volta para o vazio 500 ml copo de plástico.
  12. ATENÇÃO: Com cuidado, coloque a tampa de volta no recipiente e, em seguida, colocar o recipiente no palco vida testador. Assegurar a bolacha de silício é posicionado sobre a bobina indutiva (região círculo azul).
  13. Lave e seque as luvas. Removê-los antes de operar o computador.
  14. Se a luz fluorescente do exaustor está ligado, ele deve ser desligado antes de uma medição está a ser conduzido. Luz mínima é necessária durante a medição.
  15. Mudar a lâmpada de halogéneo, e garantir que ele está iluminando o wafer de silício através da tampa do recipiente de plástico. Tempo durante 1 min (o tempo exacto não é crítica).
  16. Durante o período de iluminação, clique no botão 'Medida' no arquivo de vida no computador. Uma pequena janela chamada "dados Tomando 'aparecerá.
  17. No "Tomando os dados de janela, digite um nome para o arquivo. Em 'amostra média' s10 eleitos.
  18. Quando o wafer de silício foi iluminado por 1 min, mude a lâmpada de halogéneo fora e imediatamente clique no botão 'Média' na janela 'Tirar dados'. O tempo de vida tester pisca 10 vezes e calcular a média das medições ao longo da vida.
    Observação: Uma vez que a lâmpada de halogéneo está desligado, a passivação da bolacha de silício começa a degradar, e, portanto, é importante medir imediatamente depois de iluminação para conseguir os melhores resultados.
  19. Quando a média é completa, clique no botão "OK" na janela "Tomando dados '.
  20. Se outra medida é necessária, repita os passos de 5,15-5,18.
  21. CUIDADO: Quando a medição estiver concluída, remova o recipiente do palco vida tester e colocá-lo no banco coifa.
  22. CUIDADO: Cuidadosamente remover a tampa do recipiente cheio com a solução de HF. Se houver alguma condensação na tampa, a tampa lavar cuidadosamente em água da torneira usando DIna hotte.
  23. CUIDADO: Retire cuidadosamente o wafer de silício a partir da solução de HF, usando uma pinça de plástico e lave a hóstia nas taças de lavagem dedicados. Faça um enxágüe final com água da torneira na coifa.
  24. Se mais amostras estão a ser medido, repita os passos de 5,10-5,23.
  25. Uma vez que todas as amostras tiverem sido medidas, assegurar a tampa é colocada no recipiente e armazenar a solução de HF na hotte. Certifique-se de que o recipiente é adequadamente rotulados.
  26. Lave todas as taças e pinças e armazená-los em seus lugares atribuídos em laboratório.
  27. Permitir que o tempo de vida tester para permanecer no exaustor durante 1 hora após o uso e, em seguida, retire-o do exaustor.

6. Chemical Lavagem de taças e recipientes

  1. Em um alcalina alocados fume hood, preparar uma solução 1 SC, conforme descrito nas secções 4.1.1-4.1.4.
  2. Para taças quimicamente limpos e recipientes, despeje a solução SC 1 para as taças / contentores. As taças caN só podem ser limpas uma de cada vez.
  3. Deixe a solução de limpeza do copo / recipiente, durante 10 min. Se o copo / recipiente de plástico, que não podem ser colocados sobre uma placa quente e, portanto, a solução SC 1 irá arrefecer durante a limpeza. Isso não afetará o processo de limpeza.
  4. Após 10 minutos, despeje a solução SC 1 em outro copo / container se eles exigem limpeza também. Caso contrário, deixe a solução SC 1 fresco em um copo grande. Uma vez arrefecido, SC 1 pode ser derramado na pia com água corrente.
  5. Enxágüe SC 1 copo limpo / recipiente de água DI.
  6. Em um ácido alocados fume hood, preparar uma solução SC 2, conforme descrito nas secções 4.2.1-4.2.4.
  7. Despeje a solução no copo 2 / SC recipiente a partir do passo 6.5. Permitir que a solução de limpar a taça / recipiente, durante 10 min.
  8. Após 10 minutos, despeje a solução SC 2 em outro copo / container se eles exigem limpeza também. Caso contrário, deixe a solução SC 2 fresco em um copo grande. Uma vez arrefecido, SC 2 pode ser derramado para baixo tele pia com água corrente.
  9. Enxágüe SC 2 limpo copo / recipiente de água DI. A proveta / recipiente está agora limpo quimicamente.

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Representative Results

A Figura 1a mostra uma vista esquemática e a Figura 1b mostra uma fotografia da montagem experimental. Quando uma pastilha de silício é imerso na solução de HF, subsequentemente, colocada sobre o palco vida testador e é realizada uma medição (antes da iluminação), uma curva de tempo de vida que é limitada através de recombinação da superfície resultará, como mostrado pelos triângulos azuis na Figura 2. No entanto, quando a amostra é iluminada durante 1 min (enquanto imerso em HF), como mostrado na Figura 1, e é realizada uma medição imediatamente após a iluminação, um aumento no tempo de vida irá ocorrer, como mostrado pelos círculos vermelhos na Figura 2. Este aumento no tempo de vida depois de resultados de iluminação, devido a uma redução na recombinação da superfície, e, assim, os círculos vermelhos na Figura 2 representam o tempo de vida, que agora está limitada por recombinação grandes quantidades e não superfície. O aumento na iluminação pós vida vaivariam de amostra para amostra, no entanto, se a técnica está funcionando corretamente, um aumento no tempo de vida deve sempre ocorrem desde o tempo de vida em massa não é baixo (<100 ms), em que qualquer redução na recombinação de superfície por iluminação não vai melhorar a vida porque recombinação granel torna-se dominante.

Embora o tempo de vida em massa é atingido após iluminando o wafer de silício para 1 min 19, a passivação de superfície é temporária e vai começar a degradar dentro de segundos da lâmpada halógena de ser desligado. Assim, é importante para a medição seja efectuada imediatamente após o período de iluminação para obter o recombinação superfície menor, tal como demonstrado na Figura 3. Os círculos vermelhos na Figura 3 correspondem ao tempo de vida quando a amostra é medido directamente após a lâmpada ser desligada , e os círculos azuis correspondem ao tempo de vida quando a amostra é medido após 1 min a illuminatioperíodo n. A partir da figura, é evidente que o elevado nível de passivação da superfície é temporária e degrada-se dentro de segundos da fonte de iluminação a ser terminado. Portanto, é imperativo que a medição é realizada directamente após a iluminação para atingir o tempo de vida maior parte da bolacha de silício. Em contraste, a figura 3 também demonstra que, mesmo quando se degrada ao longo da vida (círculos azul), que pode ser totalmente recuperado, iluminando a pastilha de silício, uma vez mais. Este processo pode ser repetido muitas vezes sem qualquer aumento permanente de recombinação da superfície, como mostrado na Figura 3.

Para assegurar a técnica está a funcionar correctamente de cada vez uma medição é feita, bolachas de silício de controlo deve ser utilizado. Os wafers de silício representam amostras de controle que foram medidos pelos tempos técnica múltipla e produziram o mesmo tempo de vida cada vez. As amostras de controlo deve sempre passar pelo mesmo pretreatm química húmidaent que as amostras a serem medidas. Antes de medir o tempo de vida em massa de pastilhas de silício, as amostras de controlo devem ser medida primeiro. Assim, se a sua vida não está dentro de ± 20% da sua mensuração de vida anterior, ocorreu um problema e a medida deve ser interrompida até que o problema seja resolvido. Pelo contrário, se as amostras de controlo produzir tempos de vida dentro de ± 20% do seu tempo de vida medidos anteriormente, as medições podem prosseguir. Em alguns casos, o tempo de vida maior parte das amostras será baixa, e assim o tempo de vida medido antes e após a iluminação será o mesmo, ao contrário da Figura 2. Neste caso, mesmo que a iluminação ainda irá reduzir a recombinação da superfície, qualquer melhoria na iluminação vida post será observado porque a recombinação em massa é muito maior do que a superfície. Quando se mede uma amostra, tal como esta, a comparação a uma bolacha de controlo pode elucidar se há um problema com a configuração de medição ou o sim bolacha medidoply tem uma recombinação volume muito alto.

Para demonstrar que a passivação HF não alcançar as medições do tempo de vida maior, FZ-1 Ω cm n -. E bolachas de silício P -tipo foram passivado com ALD Al 2 O 3 e de PECVD sen x, como mostrado na Figura 4 A Figura 4 mostra que, para ambos os tipos de doping, passivation HF pode alcançar a mesma vida como conseguido com Al 2 O 3 e SiN x filmes. O tempo de vida mais baixo alcançado pelo filme SiN x na amostra do tipo p é devido à região de depleção recombinação causado pela carga positiva contido dentro do SiN x filme. Em contraste, a depleção de recombinação região, se estiver presente, não parecem afectar de forma significativa a medição do tempo de vida pode ser n - P ou do tipo de silicone quando se utiliza a técnica de passivação HF 9,17,18. Isto também faz com que a técnica desejável para analisar grandes quantidades defete, porque qualquer dependência injecção observado a partir da medição de tempo de vida pode ser atribuída a recombinação grandes quantidades e não superfície.

figura 1
Figura 1. Configuração passivation HF. (A) esquemática da luz de realce passivation HF e medição de configuração 17. Reproduzido com permissão de J. Sólido Sci Estado. Technol., 1 (2), P55 (2012). Copyright 2012, A Sociedade de Eletroquímica. (B) fotografia do setup. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2
Figura 2. Valorização do passivation superfície por il lumination. vitalícia efectiva de uma pastilha de silício de alta resistividade imersos em 15% IC, antes (triângulos azuis) e imediatamente após (círculos vermelhos) iluminação. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3
Figura 3. Degradação da iluminação superfície passivation post. Vitalícia efectiva de um 5 Ω-cm n do tipo wafer de silício imerso em HF diretamente após a iluminação (círculos vermelhos) e 1 min depois de iluminação (círculos azuis). A figura demonstra como a passivação pode ser recuperada por etapas subseqüentes de iluminação. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

t "fo: manter-together.within-page =" 1 "> Figura 4
Figura 4. A comparação com outros filmes dielétricos efectiva / vida maior parte FZ-1 Ω cm n -. E wafers de silício p -tipo passivadas com HF (círculos laranja), PECVD sen x (quadrados verdes) e ALD Al 2 O 3 (azul diamantes). Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

A implementação bem-sucedida da técnica de medição de vida de silício em massa descrito acima é baseada em três passos críticos, (i) quimicamente limpeza e decapagem os wafers de silício, (ii) imersão em solução de HF a 15% e (iii) a iluminação para 1 min 17, 18,19. Sem estes passos, o tempo de vida em massa não pode ser mensurado com segurança.

À medida que a técnica de medição é conduzida a temperatura ambiente, a qualidade de passivação de superfície é altamente susceptível a contaminação da superfície (metais, filmes orgânicos). Assim, para remover eficazmente os contaminantes da superfície, uma solução de 1 SC é utilizado (H2O: NH4OH: H2O 2) 20. Quando as bolachas de silício são imersos em 1 SC, a solução remove películas superficiais orgânicos por desagregação e dissolução oxidativa, juntamente com os contaminantes metálicos, tais como, ouro, prata, cobre, níquel, cádmio, zinco, cobalto e crómio 20. Publicar SC 1 de limpeza, é possível que some oligoelementos permanecem presas no filme de óxido hidratado resultante da limpeza, e, por conseguinte, um mergulho HF é necessária para remover a película. Na sequência de um mergulho HF, as superfícies de silício são então limpas em SC 2 (H 2 O: HCl: H 2 O 2) 20. Enquanto SC 1 remove eficazmente a maioria das impurezas, SC 2 é concebido para remover os iões alcalinos e catiões tais como o alumínio, ferro e magnésio. Além disso, SC 2 também irá remover quaisquer outros contaminantes metálicos que não foram removidas em SC 1. Na sequência de um SC 2 limpo, as bolachas podem ser HF mergulhou para remover a película de óxido hidratado. Uma vez que as pastilhas de silício foram limpos de contaminantes de superfície por 1 SC e SC 2, eles exigem um curto etch superfície em TMAH. TMAH é uma solução anisotrópica etch, o que significa que só grava junto (111) planícies de cristal. Por conseguinte, durante o ataque químico, pequenas pirâmides silício são formados nas superfícies, expondo planícies (111), que encrespa as superfícies e ajuda a melhorar a cobertura de hidrogénio quandommersed na IC 21,22. Portanto, com uma condição de superfície optimizado, a recombinação de superfície pode ser inibida quando as bolachas de silício tratados são imersos em HF e subsequentemente iluminado.

Optimização da solução de HF foi examinada na nossa publicação anterior 17. Verificou-se que, quando as bolachas de silício são imersos em 15% -30% de HF, a recombinação superfície menor é atingido. Isto ocorre porque a concentração de HF é suficientemente elevada para passivar a maior parte do silício ligações erráticas com hidrogénio, e fornece um mecanismo de efeito de campo de passivação pela manutenção de uma carga de alta superfície causados ​​por uma diferença na silício nível de Fermi e potencial redução da solução de HF a 23 . A escolha de 15% de HF foi por razões de segurança. Outra adição importante para a solução de HF foi a inclusão de HCl. Ao adicionar uma pequena quantidade de HCl em solução de HF a 15%, a concentração de hidrogénio na solução de HF está aumentada, o que por sua vez aumenta a AMount de hidrogênio disponível para a passivação de superfície de pastilhas de silício, permitindo que o tempo de vida de silício em massa a serem obtidos iluminação pós 23.

Iluminação de pastilhas de silício imersas em HF pode melhorar significativamente a passivação de superfície, criando ligações adicionais com espécies químicas na solução por meio de transferência de elétrons e buracos em toda a interface de silício / HF 23,24. Há uma série de ligações químicas que podem formar na interface de silício / HF, tais como átomos de Si-H, Si-OH e Si-F 23-27. Passivação de silício imerso em HF tem sido demonstrado que provêm essencialmente da criação de ligações Si-H, o qual é considerado como sendo um dos títulos mais estáveis ​​quando o silício está imerso na IC 26,27. No entanto, enquanto a passivação da superfície de iluminação é aumentada de pós, tal como mostrado na Figura 3, a passivação é conhecido para degradar dentro de segundos após a fonte de iluminação foi terminada. oguinte, é improvável a iluminação pós passivation reforçada se deve principalmente à criação de vínculos estáveis ​​Si-H, como a passivação não deve degradar se fosse esse o caso. Pelo contrário, é a hipótese de que a passivação de superfície reforçada vem da criação de vínculos instáveis ​​com grupos hidroxila (Si-OH) e flúor (Si-F) 26.

Enquanto os três passos críticos listados acima são projetados para dar os melhores resultados, há circunstâncias em que a medição pode produzir resultados errados. Na maioria dos casos, a fonte provável de erro é a contaminação da superfície, o qual pode vir de soluções químicas contaminados ou um sistema DI mal filtrada. Sob estas condições, é melhor para testar o sistema de água desionizada utilizando um medidor de condutância. Se a água Dl não é filtrada correctamente, o sistema requer a alteração antes de quaisquer medições estão a ser realizados. Isso também afetará outros processos do laboratório e, assim, um sistema de água DI comprometida afetará a todos.Pelo contrário, se a água Dl está a dar uma leitura sensível no medidor de condutividade, as possíveis fontes de contaminação são TMAH a solução ou a solução de HF a 15% (1 SC SC 2 e não será comprometida). Neste caso, é melhor para decantar as soluções, quimicamente limpos (SC 1 e 2) os recipientes e preparar novas soluções. Além disso, se as pastilhas de silício foram contaminados por uma solução, eles vão exigir SC 1 e 2 SC limpeza várias vezes antes de as superfícies estão limpas. Para evitar a contaminação da solução e medições ao longo da vida, assim, errôneas, o melhor é preparar soluções TMAH e HF, que são utilizados apenas para esta técnica (e não por outros processos em laboratório). Outra fonte de contaminação da superfície poderia vir de filmes dieléctricos ou metálicos previamente depositados sobre a bolacha de silício. Assim, se as pastilhas foram sujeitas a uma deposição de material dieléctrico ou de metal, as superfícies necessitam de uma limpeza química e condicionamento de silicone, antes do processo de três etapas da vida graneltécnica de medição do tempo.

Embora a técnica é ao mesmo tempo simples e eficaz do tempo, o uso de ácido HF restringe a técnica a um exaustor de fumos. Independentemente disso, a técnica permite a passivação de superfície equivalente aos melhores filmes dieléctricos passivadores no mundo (sen x: H, Al 2 O 3 e uma -Si: H), além disso, esta técnica não requer qualquer tipo de equipamento complexo, nem requerem temperaturas elevadas. Como a pureza de wafers de silício melhora, num esforço para melhorar a eficiência de células solares, concentrações de defeitos vai diminuir e, portanto, a sua actividade de recombinação vai se tornar difícil de medir através de técnicas como espectroscopia de nível profundo transitória e transformada de Fourier espectroscopia de infravermelho. Por conseguinte, antecipa-se que as medições de tempo de vida dos portadores minoritários que incorporam uma superfície líquida técnica RT passivação será imperativo pela análise de defeitos de silício em massa quando a sua concentração é baixa(<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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Luz reforçada Passivation ácido fluorídrico: uma técnica sensível para a detecção de defeitos de silício em massa
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