Waiting
Login processing...

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

Engineering

Lys Enhanced Flussyre Acid Passivering: En følsom teknik til påvisning af Bulk Silicon Fejl

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

Summary

En RT væskeoverfladen passivering teknik til at undersøge rekombinationsaktivitet af bulk silicium defekter er beskrevet. For teknikken at være en succes, er tre kritiske trin kræves: (i) kemisk rensning og ætsning af silicium, (ii) neddypning af silicium i 15% flussyre og (iii) belysning til 1 min.

Abstract

En procedure til måling af bulk-levetid (> 100 psek) af siliciumskiver ved midlertidigt at opnå et meget højt overfladepassivering når nedsænke vaflerne i flussyre (HF) er præsenteret. Ved denne fremgangsmåde er nødvendigt med tre kritiske trin at nå hovedparten levetid. For det første, før nedsænkning siliciumskiver til HF, de er kemisk renset og efterfølgende ætset i 25% tetramethylammoniumhydroxid. For det andet er de kemisk behandlede skiver anbringes derefter i en stor plastikbeholder fyldt med en blanding af HF og saltsyre, og derefter centreret over en induktiv spole til photoconductance (PC) målinger. For det tredje, for at inhibere overfladen rekombination og måle hovedparten levetid, er vaflerne belyst ved 0,2 sole i 1 minut under anvendelse af en halogenlampe, er belysningen slukket, og en PC måling straks taget. Ved denne fremgangsmåde, kan egenskaberne af råsilicium fejl bestemmes nøjagtigt. Pelsdere, forventes det, at en følsom RT overflade passivering teknik vil være bydende nødvendigt for behandlingen bulk-silicium fejl, når deres koncentration er lav (<10 12 cm -3).

Introduction

Høj levetid (> 1 ms) monokrystallinsk silicium bliver stadig vigtigere for højeffektive solceller. Forståelse af rekombination karakteristika af indlejrede urenheder har været og er stadig et vigtigt emne. En af de mest udbredte teknikker til at undersøge rekombination aktivitet af voksne i defekter, er ved en photoconductance metode 1. Ved denne teknik er det ofte vanskeligt at helt adskilt overflade fra bulk-rekombination, hvilket gør det vanskeligt at undersøge de rekombination karakteristika voksne i defekter. Heldigvis findes der flere dielektriske film, der kan opnå meget lave effektive overflade rekombinations hastigheder (S EFF) af <5 cm / sek, og således effektivt hæmmer overflade rekombination. Disse er, siliciumnitrid (SiN x: H) 2, aluminiumoxid (Al 2 O 3) 3 og amorft silicium (a-Si: H) 4. Aflejring og ennealing temperaturer (~ 400 ° C) af disse dielektriske film anses for at være lav nok til ikke at permanent deaktivere rekombinationsaktivitet af voksne i defekter. Eksempler på dette er de jern-bor 5 og bor ilt 6 defekter. Men for nylig blev det konstateret, ledig-oxygen- og ledig-fosfor defekter i n -type Czochralski (CZ) silicium kan helt deaktiveres ved temperaturer på 250-350 ° C 7,8. Ligeledes en defekt i float-zone (FZ) p -type silicium fandtes at deaktivere ved ~ 250 ° C 9. Derfor kan konventionelle passivering teknikker såsom plasmaforstærket kemisk dampudfældning (PECVD) og atomare lag deposition (ALD) ikke være egnet til inhibering af overfladen rekombination at undersøge voksne i løs defekter. Endvidere sin x: H og a-Si: H film er blevet vist at deaktivere silikonemasse defekter ved hydrogenering 10,11. Derfor at undersøge rekombinationsaktivitet o f vokset i defekter, ville en RT overfladepassivering teknik være ideelt. Vådkemisk overfladepassivering opfylder dette krav.

I 1990'erne Horanyi et al. Viste, at nedsænkning af siliciumskiver i iod-ethanol (IE) opløsninger tilvejebringer et middel til at passivere siliciumskiver, opnå S eff <10 cm / sek 12. I 2007 Meier et al. Har vist, at iod-methanol (IM) løsninger kan reducere overfladen rekombination til 7 cm / sek 13, mens i 2009 Chhabra et al. Viste, at S eff af 5 cm / sek kan opnås ved at nedsænke siliciumskiver i Kinhydron-methanol (QM) opløsninger 14,15. På trods af den fremragende overfladepassivering opnås ved IE, IM og QM løsninger, de ikke giver tilstrækkelig overfladepassivering (S eff <5 cm / sek) for at måle hovedparten levetid høj renhed silicium wafers.

nt "> Et andet middel til at opnå et højt niveau af overfladevand passivering er ved at nedsænke siliciumskiver i HF syre. Begrebet bruge HF til at passivere silicium wafers blev først introduceret af Yablonavitch et al. i 1986, der viste en rekordlav S eff af 0,25 ± 0,5 cm / sek 16. Selvom fremragende overflade passivering blev opnået på høje resistivitet wafers, vi har fundet teknikken til at være ikke-gentagelig, således at tilføje en stor usikkerhed til levetiden målingen. Derfor at begrænse usikkerheden ved konsekvent at opnå en meget lav S eff (~ 1 cm / sek), har vi udviklet et nyt HF passivering teknik, der inkorporerer tre kritiske trin, (i) kemisk rensning og ætsning af silicium wafers, (ii) nedsænkning i en 15% HF-opløsning og (iii) belysning til 1 min 17,18. Denne procedure er både enkel og tidsbesparende i forhold til den traditionelle PECVD og ALD aflejringsteknikker anført ovenfor.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Eksperimentel opsætning

  1. Find en passende stinkskab til måleteknik, og fjern eventuelle irrelevante udstyr til at muliggøre en bedre luftgennemstrømning og reducerer rod. Brug ikke andre end flussyre (HF) kemikalier i stinkskab.
  2. Teste kvaliteten af ​​deioniseret (DI) vand fra hanen i stinkskabet ved hjælp af en ledningsevnemåler. Sikre, at DI vand har en ledningsevne på højst 0,055 uS / cm ved en temperatur på 20 ° C.
  3. Placer et mindretal luftfartsselskab levetid testeren ind i stinkskabet. Tilslut kablerne til en computer, der ligger på et bord uden for stinkskabet.
  4. Tænd for computeren og levetid tester. Åbn levetiden testeren fil på computeren og klik på knappen »foranstaltning« for at sikre korrekt kommunikation mellem computer og levetiden testeren. Lyskilden på livstid testeren skal blinke, hvis computeren og testeren er blevet tilsluttet korrekt. Placer en halogenlampe inde i stinkskabet. Placer lampen, således at den kan belyse levetid testeren fase, hvor prøven vil blive placeret.
  5. Slut halogenlampe til en strømkilde, som bør være beliggende uden for stinkskabet. Når halogenlampen tændes, bør dens intensitet være mindst 0,02 W / cm2 på levetiden testeren fase.

2. Forberedelse af 15% HF Løsning

Bemærk: HF er en farlig kemisk og skal behandles med varsomhed. Det forårsager langsom, vedvarende og dyb skader på kroppen efter eksponering. HF ikke let brænde huden ligesom andre syrer - snarere absorberer hurtigt ind i huden og forårsager dybe blærer og skader på knogler. Det betyder, at knoglerne bliver skøre og blæret som fluor reagerer med calcium. HF binder også med frit calcium, som anvendes i nerve regulering og osmotisk balance celle, så binding af frit calcium i kroppen kan være dødelig. Det er altafgørende, atbrugeren følger laboratorium sikkerheds protokoller, når du bruger HF, og sikrer, at de kender placeringen af ​​HF førstehjælpskasse og hexafluorine (eller calciumgluconat gel).

  1. Placer en kemisk renset rund plastbeholder (H: 55 mm, D: 170 mm) ind i stinkskabet (samme som i afsnit 1). Beholderen skal have en klar plast låg. Se afsnit 6 om hvordan man kemisk rense beholderen før brug.
  2. Rydde området omkring plastbeholder i stinkskab, så HF opløsningen kan fremstilles uden nogen forhindringer i nærheden.
  3. Anvend alle personlige værnemidler (PPE).
  4. ADVARSEL: Tilføj 50 ml HF til 100 ml DI-vand (H2O) i beholderen.
  5. ADVARSEL: Der tilsættes 20 ml saltsyre (HCI) til beholderen og blandes i H2O: HF: HCI-opløsning ved hjælp af plast pincet. Skyl pincetten grundigt bagefter.
  6. ADVARSEL: Placer låget på plastbeholder og tillade solutiom at nøjes med 1 time. I løbet af denne tid, vil HF dampe kondenserer på låget.
  7. Tilstrækkeligt mærke beholderen, og gøre det klart, at det indeholder HF.
    Bemærk: HF-løsningen vil vare 1-2 måneder med tunge forbrug. Der er derfor ikke behov for at udskifte løsning, hver gang en måling skal udføres.

3. Kalibrering af Lifetime Tester

  1. Find mindst 6 siliciumskiver med kendt modstand og ledningsevne. Ideelt resistiviteten området skal spænde 0,1-100 Ω-cm.
  2. På computeren skal du åbne levetid testeren kalibrering fil. Indtast resistivitet hver wafer i tabellen og derefter klikke på 'Opdater # af wafers «.
  3. Klik på knappen 'Hent data "i kalibrering filen og indtast detaljerne i livet testeren.
  4. Anvend alle nødvendige personlige værnemidler.
  5. ADVARSEL: Placer plastbeholder fyldt med HF løsning på livstid testeren scenen og placer det over induktive spole (blue cirkel regionen).
  6. Når du bliver bedt for at måle den "luften spænding 'på computeren, måle spændingen af ​​HF løsning ved at klikke på" OK "knappen. I dette tilfælde er luften blevet erstattet af ledningsevnen i HF opløsningen.
  7. ADVARSEL: Fjern forsigtigt container fyldt med HF fra scenen og placere den på stinkskabet bænken. Fjern forsigtigt låget.
  8. ADVARSEL: Når låget er fjernet fra beholderen, nedsænkes den første siliciumskiven i HF opløsningen ved hjælp af plast pincet. Sæt låget tilbage på beholderen.
  9. ADVARSEL: Placer plastikbeholder tilbage på livstid testeren scenen og placer det over induktive spole. Sikre siliciumskiven er centreret over spolen (blå cirkel område).
  10. Når du bliver bedt for at måle den "prøve spænding 'på computeren, skal du klikke på" OK "knappen igen. Fjern beholderen fra scenen og placere den på stinkskabet bænken.
  11. ADVARSEL: r forsigtigt EFlyt silicium wafer fra HF løsning ved hjælp af plast pincet og skyl wafer i de dedikerede skyl bægre. Gør en sidste skylning under hanen i stinkskab.
  12. ADVARSEL: Placer låget tilbage på beholderen, og placer beholderen tilbage på livstid testeren scenen.
  13. Gentag trin 3,6-3,12 indtil alle prøver er blevet målt.
  14. Når alle prøverne er blevet målt, skal du klikke på knappen "Fit data 'i kalibreringen filen. Dette vil passe en parabolsk kurve til de målte data og give kalibreringskoefficienter A, B og C, der er specifikke for denne opsætning.
  15. På computeren skal du åbne levetiden testeren fil, og klik på fanen 'Indstillinger'. Indtast de nye kalibreringskoefficienter A, B og C for HF opsætning. Gem filen under et nyt navn.
    Bemærk: HF setup kræver kun en kalibrering hver 6. måned. Derfor er det ikke nødvendigt at kalibrere setup, hver gang en måling skal udføres.
jove_title "> 4. Våd kemisk behandling af siliciumskiver Før Måling

  1. Forbered standard clean 1 (SC 1).
    1. ADVARSEL: I basisk tildelt stinkskab, tilsættes 185 ml ammoniumhydroxid (NH4OH) til 1,295 ml DI-vand i en 2 L bægerglas.
    2. ADVARSEL: Anbring bægerglasset på en varmeplade og opvarmes H2O: NH4OH-opløsning til en temperatur på ~ 50 ° C. Brug et urglas at dække bægeret.
    3. ADVARSEL: Når H2O: NH4OH-opløsning har nået en temperatur på ~ 50 ° C, tilsættes 185 ml hydrogenperoxid (H 2 O 2) og fortsætte med at opvarme, indtil temperaturen når ~ 75 ° C. Denne H2O: NH4OH: H2O 2-opløsning er kendt som SC 1.
      Bemærk: SC 1 ændres dagligt til effektivt at rense siliciumskiver.
  2. Forbered standard rene 2 (SC 2).
    1. ADVARSEL: I en syre tildelt stinkskab,tilføje 185 ml HCI til 1.295 ml DI-vand i en 2 L bægerglas.
    2. ADVARSEL: Anbring bægerglasset på en varmeplade og opvarmes H2O: HCI-opløsning til en temperatur på ~ 50 ° C. Brug et urglas at dække bægeret.
    3. ADVARSEL: Når H2O: HCI-opløsning har nået en temperatur på ~ 50 ° C, tilsættes 185 ml H 2 O 2 og fortsætter med at opvarme, indtil temperaturen når ~ 75 ° C. Denne H2O: HCI: H 2 O 2 opløsning er kendt som SC 2.
      Bemærk: Skift SC 2 dagligt til effektivt rene silicium wafers.
  3. Forbered silicium Ætseopløsning.
    1. I en alkalisk tildelt stinkskab, tilsættes 1.600 ml tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) til en kemisk ren 2 L bægerglas. Se afsnit 6 om, hvordan man kemisk rense bægerglasset før brug.
    2. Anbring bægerglasset på en varmeplade og opvarmes TMAH opløsningen til en temperatur på ~ 856; C. Brug et urglas at dække bægeret.
      Bemærk: Den TMAH løsning behøver ikke at ændre, indtil det begynder at krystallisere, dvs efter 1 måned.
  4. Udfør den våde kemisk behandling.
    1. Indlæs prøver til et kvarts vugge og placere dem i et fælles HF løsning i laboratoriet. Koncentrationen er ikke kritisk.
    2. Efter ~ 10 sek eller når prøverne bliver hydrofobe (pull tør), fjerne holderen fra HF opløsningen og skyl bruge 3 bægre fyldt med DI-vand.
    3. Transportere vugge vafler til stinkskabet, hvor SC 1 er udarbejdet. Når SC 1 har stabiliseret sig på ~ 75 ° C, langsomt nedsænkes vugge wafers i SC 1.
    4. Rengør vafler i SC 1 i 10 min.
    5. Efter 10 minutter er gået, fjernes vugge wafers fra SC 1, og skyl dem ved hjælp af tre 2 L glas bægre fyldt med DI vand. Kemisk ren disse glas bægre før fylde dem med DI-vand. Se afsnit 6 omhvordan man kemisk rense bægre.
    6. Efter skylning, placere prøver til et HF-løsning, som er dedikeret udelukkende til post SC 1 behandling. Koncentrationen er ikke kritisk.
    7. Efter ~ 10 sek eller når prøverne bliver hydrofobe (pull tør), fjerne holderen fra HF opløsningen og skyl bruge 3 bægre fyldt med DI-vand. Brug de samme bægre som i trin 4.4.5.
    8. Transportere vugge vafler til stinkskabet, hvor SC 2 er udarbejdet. Når SC 2 har stabiliseret sig på ~ 75 ° C, langsomt nedsænkes vugge wafers i SC 2.
    9. Rengør vafler i SC 2 i 10 min.
    10. Efter 10 minutter er gået, fjernes vugge wafers fra SC 2 og skyl dem ved hjælp af 3 bægre fyldt med DI-vand. Brug de samme bægre som i trin 4.4.5.
      Bemærk: vugge vafler kan lagres i en af ​​skyllestationerne bægre fyldt med deioniseret vand, indtil den følgende dag.
    11. Efter skylning, skal du placere prøverne i en HF-løsning, som er dedikeret udelukkende til postSC 2 behandling. Koncentrationen er ikke kritisk.
    12. Efter ~ 10 sek eller når prøverne bliver hydrofobe (pull tør), fjerne holderen fra HF opløsningen og skyl bruge 3 bægre fyldt med DI-vand. Brug de samme bægre som i trin 4.4.5.
    13. Transportere vugge vafler til stinkskabet hvor TMAH løsningen er udarbejdet. Når TMAH løsning har stabiliseret sig på ~ 85 ° C, langsomt nedsænkes vugge wafers i TMAH opløsningen.
    14. Etch vaflerne i TMAH i 5 minutter. Dette vil fjerne ~ 5 um af silicium.
    15. Efter 5 min er gået, fjernes vugge wafers fra TMAH opløsningen og skyl dem ved hjælp af 3 bægre fyldt med DI-vand. Brug de samme bægre som i trin 4.4.5. Mere end 3 skylninger kan kræves som TMAH er helt 'klistret'.
    16. Transportere vugge vafler i DI vand til stinkskabet hvor forsøget har været setup. Se afsnit 1.1.
    17. Mål tilberedte siliciumskiver indenfor 2 timer efter stes 4.4.16.

5. Måling Procedure

  1. Anvend alle nødvendige personlige værnemidler.
  2. Fyld to 2 L plast bægerglas med DI-vand og placere dem i stinkskab. Disse vil blive anvendt til at skylle silicium prøver post måling.
  3. Placer plastik pincet i en tom 500 ml plast bæger og sted inde i stinkskabet nær skylle bægre. Disse pincet vil blive anvendt til at håndtere silicium prøver.
  4. På computeren skal du åbne levetiden testeren fil. Sørg for, at filen indeholder de korrekte kalibreringskoefficienter for opsætning HF måling. Se afsnit 3.
  5. I levetiden testeren filen, vælge 'Transient' mode. Indtast detaljerne i siliciumskiven, der skal måles, for eksempel, tykkelse, modstand og doterende type.
  6. ADVARSEL: Sted beholderen (låget på) fyldt med HF ind på scenen af ​​levetiden testeren og centrere det over den induktive spole (blå cirkel-regionen). Lad løsningen nøjes med1 min.
  7. På computeren skal du klikke på "Nul instrument" knappen i levetid testeren fil. Dette vil måle spændingen af ​​opløsningen.
    Bemærk: Med tiden vil opløsningen spænding falde, fordi sammensætningen af ​​opløsningen ændrer sig med tiden. Uafhængigt af dette, er HF opløsningen ikke nogen nedbrydning i sin passivering kvalitet, hvilket er grunden til opløsningen kan bruges til 1-2 måneder uden at blive ændret.
  8. ADVARSEL: Fjern forsigtigt beholderen fra levetiden testeren scenen og placere den på stinkskabet bænken.
  9. ADVARSEL: Fjern forsigtigt låget fra beholderen fyldt med HF opløsningen. Hvis der er noget kondens på låget, skyl omhyggeligt låget i DI-vand ved hjælp af hanen i stinkskab.
  10. ADVARSEL: Nedsænk forsigtigt første siliciumskiven i HF opløsningen. Brug af plast pincet, let tryk ned på siliciumskiven for at sikre, at det sidder på bunden af ​​beholderen.
  11. Skyl pincettens og placere dem tilbage ind i det tomme 500 ml plastbæger.
  12. ADVARSEL: Placer forsigtigt låget på beholderen og derefter placere beholderen på livstid testeren scenen. Sikre siliciumskiven er placeret over induktionsspolen (blå cirkel område).
  13. Skyl og tør dine handsker. Fjern dem, før du betjener computeren.
  14. Hvis fluorescerende lys i stinkskab er tændt, skal den slukkes, før en måling skal gennemføres. Mindste lys er nødvendig under målingen.
  15. Tænd for halogenlampe på, og sikre, at det lysende silicium wafer gennem låget af plastbeholder. Tid for 1 min (det nøjagtige tidspunkt ikke kritisk).
  16. I belysningen periode, skal du klikke på knappen "Mål" i levetid fil på computeren. Et lille vindue mærket "Tager data 'vises.
  17. I "Brug af data" vinduet, skriv et navn til filen. Under 'prøve gennemsnitsberegning' svælger 10.
  18. Når silicium wafer er blevet belyst i 1 min, slukke for halogenlampe slukket og straks klikke på "middel" knappen i "Taking data 'vindue. Levetid testeren blinker 10 gange, og gennemsnittet af levetid målinger.
    Bemærk: Når halogenlampen er slukket, vil passivering af siliciumskiven begynder at nedbrydes, og det er således vigtigt at måle umiddelbart efter belysning for at opnå de bedste resultater.
  19. Når gennemsnitsberegning er færdig, skal du klikke på "OK" knappen i "Taking data 'vindue.
  20. Hvis en anden måling er påkrævet, skal du gentage trin 5,15-5,18.
  21. ADVARSEL: Når målingen er afsluttet, fjernes beholderen fra levetiden testeren scenen og placere den på stinkskabet bænken.
  22. ADVARSEL: Fjern forsigtigt låget fra beholderen fyldt med HF opløsningen. Hvis der er noget kondens på låget, skyl omhyggeligt låget i DI-vand ved hjælp af haneni stinkskab.
  23. ADVARSEL: Fjern forsigtigt silicium wafer fra HF løsning ved hjælp af plast pincet og skyl wafer i de dedikerede skyl bægre. Gør en sidste skylning under hanen i stinkskab.
  24. Hvis flere prøver skal måles, skal du gentage trin 5,10-5,23.
  25. Når alle prøver er blevet målt, sikrer låget er anbragt på beholderen og opbevar HF opløsningen i stinkskab. Sørg for, at beholderen er forsynet med fyldestgørende mærkning.
  26. Skyl alle bægre og pincet og gemme dem i deres tildelte pletter i laboratoriet.
  27. Tillad levetiden testeren til at forblive i stinkskab i 1 time efter brug, og derefter fjerne det fra stinkskabet.

6. Kemisk Rensning af bægre og beholdere

  1. I en alkalisk tildelt stinkskab, udarbejde en SC 1 løsning som skitseret i afsnit 4.1.1-4.1.4.
  2. Til kemisk rene bægre og beholdere, hæld SC 1 opløsningen i bægerglassene / containere. De bægre Californienn kun rengøres én ad gangen.
  3. Lad opløsningen rense bægerglasset / beholderen i 10 minutter. Hvis bægeret / beholderen er plast, kan det ikke placeres på en varmeplade, og derfor SC 1 løsning vil afkøle under oprensningen. Dette vil ikke påvirke renseprocessen.
  4. Efter 10 minutter hældes SC 1 opløsningen i et andet bægerglas / beholderen, hvis de kræver rengøring også. Ellers lad SC 1 løsning køligt i et stort bægerglas. Når afkølet, kan SC 1 hældes ned i vasken med rindende vand.
  5. Skyl SC 1 renset bægerglas / beholderen i DI vand.
  6. I en syre tildelt stinkskab, udarbejde en SC 2 løsning som skitseret i afsnit 4.2.1-4.2.4.
  7. Hæld SC 2 opløsningen i bægerglasset / beholderen fra trin 6.5. Lad opløsningen at rense bægerglasset / beholderen i 10 minutter.
  8. Efter 10 minutter hældes SC 2-opløsning i en anden bægerglas / beholderen, hvis de kræver rengøring også. Ellers lad SC 2 opløsningen afkøles i et stort bægerglas. Når afkølet, SC 2 kan hældes ned than vask med rindende vand.
  9. Skyl SC 2 renset bægerglas / beholderen i DI vand. Bægerglasset / container er nu kemisk renses.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 1a viser et skematisk og Figur 1B viser et fotografi af forsøgsopstillingen. Når en siliciumskive nedsænkes i HF opløsningen, anbringes efterfølgende på levetiden testeren fase og en måling udføres (før belysning), en levetid kurve, som er begrænset af overfladen rekombination vil resultere, som det fremgår af de blå trekanter i figur 2. Men når prøven belyses i 1 min (mens nedsænket i HF), som vist i figur 1, og en måling udføres umiddelbart efter belysning vil en stigning i levetiden opstå, som det fremgår af de røde cirkler i figur 2. Denne forøgelse af levetiden efter belysning resultater på grund af en reduktion i overfladen rekombination, og dermed de røde cirkler i figur 2 repræsenterer levetid, som nu er begrænset ved bulk rekombination og ikke overflade. Stigningen i levetiden indlæg belysning vilvarierer fra prøve til prøve, men hvis teknikken fungerer korrekt, en stigning i levetiden bør altid forekomme forudsat hovedparten levetid er ikke lav (<100 psek), hvorved enhver reduktion i overfladen rekombination ved belysning vil ikke forbedre levetiden, fordi hovedparten rekombination bliver dominerende.

Selvom hovedparten levetid opnået efter belysning siliciumskiven for 1 min 19, overfladen passivering er midlertidig og vil begynde at nedbrydes i løbet af sekunder halogenlampen er slukket. Det er derfor vigtigt for målingen, der skal udføres umiddelbart efter belysningen periode for at opnå den laveste overflade rekombination, som vist i figur 3. De røde cirkler i figur 3 svarer til levetiden, når prøven måles direkte, når lampen er slukket og de blå cirkler svarer til levetiden, når prøven måles 1 min efter illumination periode. Ud fra figuren, er det klart, at det høje niveau af overfladepassivering er midlertidig og nedbrydes inden sekunder af belysningskilden er afsluttet. Det er derfor vigtigt, at en måling udføres direkte efter belysning at nå hovedparten levetid siliciumskiven. I modsætning hertil Figur 3 viser også, at selv når de nedbrydes levetid (blå cirkler), kan det være helt udvindes ved belysning siliciumskiven igen. Denne proces kan gentages mange gange uden nogen permanent stigning i overfladen rekombination som vist i figur 3.

For at sikre teknikken fungerer korrekt, hver gang en måling udføres, bør anvendes kontrol siliciumskiver. De kontrol silicium wafers repræsenterer prøver, der er blevet målt ved teknikken flere gange og har produceret den samme levetid hver gang. Kontrolprøverne bør altid underkastes samme våde kemiske pretreatment som de prøver, der skal måles. Forud for måling af bulk-levetid siliciumskiver, skal måles først kontrolprøverne. Således hvis deres levetid ikke er inden for ± 20% af deres tidligere liv måling, har et problem opstod, og målingen skal afbrydes, indtil problemet er løst. Tværtimod, hvis kontrolprøver producerer levetider inden for ± 20% af deres tidligere målt levetid, kan målingerne fortsætte. I nogle tilfælde vil størstedelen levetid prøverne være lav, og dermed den målte levetid før og efter belysning vil være den samme i modsætning til figur 2. I dette tilfælde, selv om belysning vil stadig mindske overfladen rekombination, ingen forbedring af den levetid indlæg belysning vil blive observeret, fordi hovedparten rekombination er meget højere end overfladen. Ved måling af en prøve som denne kan sammenligning med en kontrol wafer belyse, om der er et problem med opsætning af målinger eller den målte wafer simlag har en meget stor fylde rekombination.

For at demonstrere at HF passivering ikke opnå målinger af hovedparten levetid, FZ 1 Ω-cm n -. Og p-type silicium wafers blev passiveret med ALD Al 2 O 3 og PECVD sin x, som vist i Figur 4 Figur 4 viser, at for både doping typer, kan HF passivering opnå den samme levetid som opnået med Al 2 O 3 og sin x film. Den lavere levetid opnås ved sin x film på p-type prøven skyldes udtynding region rekombination forårsaget af den positive ladning indeholdt i sin x filmen. I modsætning hertil depletionsområdet rekombination, hvis til stede, synes ikke at have væsentlig betydning levetiden måling af enten n - eller p-type silicium ved anvendelse af HF passivering teknik 9,17,18. Dette gør det også teknikken ønskeligt at analysere bulk-defECTS, fordi enhver injektion afhængighed observeret fra levetiden målingen kan tilskrives bulk-rekombination og ikke overfladen.

Figur 1
Figur 1. HF passivering setup. (A) skematisk af lyset forbedret HF passivering og måling setup 17. Gengivet med tilladelse fra J. Solid State Sci. Technol., 1 (2), P55 (2012). Copyright 2012, de elektrokemiske Society. (B) fotografi af opsætningen. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2
Figur 2. Forbedring af overfladepassivering med IL lumination. Effektiv levetid en høj resistivitet silicium wafer nedsænket i 15% HF, før (blå trekanter) og umiddelbart efter (røde cirkler) belysning. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3
Figur 3. Nedbrydning af overfladen passivering efter belysning. Effektive levetid af en 5 Ω-cm n -type siliciumskive nedsænket i HF direkte efter belysning (røde cirkler) og 1 min efter belysning (blå cirkler). Figuren viser, hvordan passivering kan inddrives ved efterfølgende belysning trin. Klik her for at se en større version af dette tal.

t "fo: holde-together.within-side =" 1 "> Figur 4
Figur 4. Sammenligning med andre dielektriske film Effektiv / bulk-levetid på FZ 1 Ω cm n -. Og p-type silicium wafers passiveret med HF (orange cirkler), PECVD sin x (grønne firkanter) og ALD Al 2 O 3 (blå diamanter). Klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Den vellykkede gennemførelse af bulk silicium måling levetid teknikken beskrevet ovenfor er baseret på tre kritiske trin, (i) kemisk rensning og ætsning af silicium wafers, (ii) nedsænkning i en 15% HF-opløsning og (iii) belysning i 1 min 17, 18,19. Uden disse trin, ikke kan måles hovedparten levetid med sikkerhed.

Da måleteknik udføres ved stuetemperatur, overfladen passivering kvalitet er meget modtagelige for overfladeforurening (metaller, organiske film). Således til effektivt at fjerne overfladeforurening, er en SC 1 anvendte opløsning (H2O: NH4OH: H2O 2) 20. Når siliciumskiver er nedsænket i SC 1, opløsningen fjerner organiske overfladeaktive film ved oxidativ nedbrydning og opløsning, sammen med metalkontaminanter, såsom guld, sølv, kobber, nikkel, cadmium, zink, cobalt og chrom 20. Indlæg SC 1 rengøring, er det muligt at sogle sporstoffer forblive fanget i vandholdige oxid film som følge af den rene, og derfor en HF dip er forpligtet til at fjerne filmen. Efter en HF dip, er silicium overflader derefter rengøres i SC 2 (H2O: HCI: H 2 O 2) 20. Mens SC 1 effektivt fjerner de fleste urenheder, er SC 2 beregnet til at fjerne alkali ioner og kationer, såsom aluminium, jern og magnesium. Desuden vil SC 2 også fjerne eventuelle andre metalliske forureninger, som ikke blev fjernet i SC 1. Efter en SC 2 ren, kan vaflerne skal HF dyppet at fjerne det vandholdige oxidfilm. Når silicium wafers er blevet renset for overfladeforurening af SC 1 og SC 2, de kræver en kort overflade etch i TMAH. TMAH er en anisotropisk ætsning løsning, hvilket betyder at det kun ætser sammen (111) krystal sletter. Derfor under den kemiske ætsning, er små silicium pyramider dannet på overfladerne, udsætter (111) sletter, hvilket roughens overfladerne og hjælper forbedre brint dækning, når jegmmersed i HF 21,22. Derfor, med en optimeret overflade tilstand, kan overfladen rekombination inhiberes, når de behandlede siliciumskiver er nedsænket i HF og efterfølgende belyst.

Optimering af HF opløsningen blev undersøgt i vores tidligere publikation 17. Det blev konstateret, at når siliciumskiver er nedsænket i 15% -30% HF, er den laveste overflade rekombination nået. Dette sker, fordi HF koncentrationen er høj nok til at passivere de fleste af silicium dinglende obligationer med hydrogen og et felt virkning passivering mekanisme ved at fastholde en høj overfladeladning forårsaget af en forskel i silicium Fermi-niveau og potentiel reduktion af HF opløsningen 23 . Valget af 15% HF var af sikkerhedsmæssige årsager. En anden vigtig tilføjelse til HF opløsningen blev tilføjelsen af ​​HCI. Ved tilsætning af en lille mængde HCl i 15% HF-opløsning, er koncentrationen hydrogen i HF opløsningen forøges, hvilket til gengæld øger amount af hydrogen til rådighed for overfladen passivering af siliciumskiver, således at råsilicium levetid skal opnås efter belysning 23.

Belysning af siliciumskiver nedsænket i HF kan markant forbedre overfladen passivering ved at skabe yderligere obligationer med kemiske stoffer i opløsningen gennem elektron og hul overførsel på tværs af silicium / HF-interface 23,24. Der er en række kemiske bindinger, der kan dannes ved silicium / HF grænseflade, såsom Si-H, Si-OH og Si-F 23 - 27. Passivering af silicium nedsænket i HF har vist sig at primært komme fra oprettelsen af Si-H-bindinger, hvilket anses for at være en af de mest stabile bindinger, når silicium er nedsænket i HF 26,27. Men medens overfladen passivering er forbedret efter belysning, som vist i figur 3, er passiveringslaget kendt, at nedbryde inden for sekunder efter at belysningskilden er afsluttet. DeDerfor indgår det er usandsynligt den forbedrede passivering stillingen belysning skyldes primært oprettelsen af ​​stabile Si-H-bindinger, da passivering ikke nedbrydes, hvis dette var tilfældet. Snarere er det en hypotese, at den forbedrede overflade passivering kommer fra oprettelsen af ustabile bindinger med hydroxylgrupper (Si-OH) og fluor (Si-F) 26.

Mens de tre kritiske trin anført ovenfor er designet til at give de bedste resultater, der er omstændigheder, hvor målingen kan producere fejlagtige resultater. I de fleste tilfælde den sandsynlige fejlkilde er overfladeforurening, som kan komme fra forurenede kemiske opløsninger eller en dårligt filtreret DI system. Under disse betingelser, er det bedst at teste DI vand under anvendelse af en ledningsevne måler. Hvis DI vandet ikke filtreres korrekt, at systemet kræver forandring, før målinger skal udføres. Dette vil også påvirke andre lab processer og dermed en kompromitteret DI vandsystem vil påvirke alle.Tværtimod, hvis DI-vand giver en fornuftig læsning på ledningsevnemåleren, de mulige forureningskilder er TMAH opløsningen eller 15% HF-opløsning (SC 1 og SC 2 vil ikke blive kompromitteret). I dette tilfælde er det bedst at dekantere løsningerne, kemisk rene (SC 1 og 2) beholderne og forberede nye løsninger. Desuden, hvis de silicium wafers er blevet forurenet af en løsning, vil de kræver SC 1 og SC 2 rengøring flere gange, før overfladerne er rene. For at undgå løsning kontaminering og dermed fejlagtige levetid målinger, er det bedst at forberede TMAH og HF-løsninger, der kun anvendes til denne teknik (og ikke ved andre processer i laboratoriet). En anden kilde til overfladeforurening kunne komme fra dielektriske eller metalfilm tidligere deponeret på silicium wafer. Så hvis skiverne har undergået en dielektrisk eller metal deposition, overfladerne kræver kemisk rensning og silicium ætsning før de tre trin af bulk livtid måleteknik.

Selvom teknikken er både enkel og effektiv tid, anvendelsen af ​​HF-syre begrænser teknik til et stinkskab. Uafhængigt heraf teknikken giver tilsvarende overfladepassivering til de bedste passiverende dielektriske film i verden (sin x: H, Al 2 O 3 og en Si: H), endvidere denne teknik ikke kræver nogen komplekse maskiner, ligesom det heller ikke kræver forhøjede temperaturer. Som renheden af ​​siliciumskiver forbedrer, i en indsats for at forbedre solcelle effektivitet, vil defekt koncentrationer falde og dermed deres rekombinationsaktivitet bliver vanskeligt at måle ved anvendelse af teknikker såsom dyb niveau transient spektroskopi og Fouriertransformation infrarød spektroskopi. Det forventes derfor, at mindretal luftfartsselskab levetid målinger, der inkorporerer en RT flydende overflade passivering teknik vil være bydende nødvendigt for behandlingen bulk-silicium fejl, når deres koncentration er lav(<10 12 cm -3).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Hydrofluoric acid (48%) Merck Millipore,   http://www.merckmillipore.com/AU/en/product/Hydrofluoric-acid-48%25,MDA_CHEM-100334 1003340500 Harmful and toxic. Any supplier could be used provided the chemical is Analytical Reagent (AR) grade.
Hydrochloric acid 32%, AR ACI Labscan, http://www.rcilabscan.com/modules/productview.php?product_id=1985 107209 Harmful and toxic. Any supplier could be used provided the chemical is Analytical Reagent (AR) grade.
Ammonia (30%) Solution AR Chem-supply, https://www.chemsupply.com.au/aa005-500m AA005 Harmful and toxic. Any supplier could be used provided the chemical is Analytical Reagent (AR) grade.
Hydrogen Peroxide (30%) Merck Millipore, http://www.merckmillipore.com/AU/en/product/Hydrogen-peroxide-30%25,MDA_CHEM-107209 1072092500 Harmful and toxic. Any supplier could be used provided the chemical is Analytical Reagent (AR) grade.
Tetramethylammonium hydroxide (25% in H2O) J.T Baker, https://us.vwr.com/store/catalog/product.jsp?product_id=4562992 5879-03 Harmful and toxic. Any supplier could be used provided the chemical is Analytical Reagent (AR) grade.
640 ml round plastic container Sistema, http://sistemaplastics.com/products/klip-it-round/640ml-round This is a good container for storing the 15% HF solution in.
WCT-120 lifetime tester Sinton Instruments, http://www.sintoninstruments.com/Sinton-Instruments-WCT-120.html
Dell workstation with Microsoft Office Pro, Data acquisition card and software including Sinton Software under existing license. Sinton Instruments, http://www.sintoninstruments.com
Halogen optical lamp, ELH 300 W, 120 V OSRAM Sylvania, http://www.sylvania.com/en-us/products/halogen/Pages/default.aspx 54776 Any equivalent lamp could be used.
Voltage power source Home made power supply Any power supply could be used provided it can produce up to 90 Volts and 1-5 Amps.
Conductivity meter WTW, http://www.wtw.de/uploads/media/US_L_07_Cond_038_049_I_02.pdf LF330

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Sinton, R. A., Cuevas, A. Contactless determination of current-voltage characteristics and minority-carrier lifetimes in semiconductors from quasi-steady-state photoconductance data. Appl. Phys. Lett. 69 (17), 2510-2512 (1996).
  2. Wan, Y., McIntosh, K. R., Thomson, A. F., Cuevas, A. Low surface recombination velocity by low-absorption silicon nitride on c-Si. IEEE J. Photovoltaics. 3 (1), 554-559 (2013).
  3. Hoex, B., Schmidt, J., Pohl, P., van de Sanden, M. C. M., Kessels, W. M. M. Silicon surface passivation by atomic layer deposited Al2O3. J. App. Phys. 104 (4), 044903 (2008).
  4. Dauwe, S., Schmidt, J., Hezel, R. Very low surface recombination velocities on p.- and n.-type silicon wafers passivated with hydrogenated amorphous silicon films. Conference Record of the Twenty-Ninth IEEE Photovoltaic Specialists Conference, , 1246-1249 (2012).
  5. Macdonald, D., Cuevas, A., Wong-Leung, J. Capture cross-sections of the acceptor level of iron-boron pairs in p-type silicon by injection-level dependent lifetime measurements. J. App. Phys. 89 (12), 7932-7339 (2001).
  6. Schmidt, J., Bothe, K. Structure and transformation of the metastable boron- and oxygen-related defect center in crystalline silicon. Phys. Rev. B. 69 (2), 024107 (2004).
  7. Rougieux, F., Grant, N., Murphy, J., Macdonald, D. Influence of Annealing and Bulk Hydrogenation on Lifetime Limiting Defects in Nitrogen-Doped Floating Zone Silicon. IEEE J. Photovoltaics. 5 (2), 495-498 (2014).
  8. Zheng, P., Rougieux, F., Grant, N., Macdonald, D. Evidence for vacancy-related Recombination Active Defects in as-grown n-type Czochralski Silicon. IEEE J. Photovoltaics. 5 (1), 183-188 (2014).
  9. Grant, N. E., Rougieux, F. E., Macdonald, D., Bullock, J., Wan, Y. Grown-in point defects limiting the bulk lifetime of p.-type float-zone silicon wafers. J. App. Phys. 117 (5), 055711 (2015).
  10. Hallam, B., et al. Hydrogen passivation of B-O defects in Czochralski silicon. Energy Procedia. 38, 561-570 (2013).
  11. Hallam, B., et al. Advanced bulk defect passivation for silicon solar cells. IEEE J. Photovoltaics. 4 (1), 88-95 (2014).
  12. Hornyi, T. S., Pavelka, T., Ttt, P. In situ bulk lifetime measurement on silicon with a chemically passivated surface. App. Surf. Sci. 63 (1-4), 306-311 (1993).
  13. Meier, D. L., Page, M. R., Iwaniczko, E., Xu, Y., Wang, Q., Branz, H. M. Determination of surface recombination velocities for thermal oxide and amorphous silicon on float zone silicon. 17.th. NREL Crystalline Silicon Workshop, , (2007).
  14. Chhabra, B., Bowden, S., Opila, R. L., Honsberg, C. B. High effective minority carrier lifetime on silicon substrates using quinhydrone-methanol passivation. App. Phys. Lett. 96 (6), 063502 (2010).
  15. Chhabra, B., Weiland, C., Opila, R. L., Honsberg, C. B. Surface characterization of quinhydrone-methanol and iodine-methanol passivated silicon substrates using X-ray photoelectron spectroscopy. Phys. Stat. Sol. (a). 208 (1), 86-90 (2011).
  16. Yablonovitch, E., Allara, D. L., Chang, C. C., Gmitter, T., Bright, T. B. Unusually low surface recombination velocity on silicon and germanium surfaces. Phys. Rev. Lett. 57 (2), 249-252 (1986).
  17. Grant, N. E., McIntosh, K. R., Tan, J. T. Evaluation of the bulk lifetime of silicon wafers by immersion in hydrofluoric acid and illumination. J. Solid State Sci. Technol. 1 (2), P55-P61 (2012).
  18. Grant, N. E., et al. Light enhanced hydrofluoric acid passivation for evaluating silicon bulk lifetimes. 28.th. European Photovoltaic Solar Energy Conference. , 883-887 (2013).
  19. Grant, N. E. Surface passivation and characterization of crystalline silicon by wet chemical treatments. , (2012).
  20. Kern, W. The evolution of silicon wafer cleaning technology. J. Electrochem. Soc. 137 (6), 1887-1892 (1990).
  21. Angermann, H., et al. Wet-chemical passivation of atomically flat and structured silicon substrates for solar cell application. App. Surf. Sci. 254 (12), 3615-3625 (2008).
  22. Angermann, H., Henrion, W., Rseler, A., Rebien, M. Wet-chemical passivation of Si(111)- and Si(100)-substrates. Mat. Sci. Eng. B. 73 ((1-3)), 178-183 (2000).
  23. Bertagna, V., Plougonven, C., Rouelle, F., Chemla, M. p- and n-type silicon electrochemical properties in dilute hydrofluoric acid solutions. J. Electrochem. Soc. 143 (11), 3532-3538 (1996).
  24. Bertagna, V., Erre, R., Rouelle, F., Chemla, M. Ionic components dependence of the charge transfer reactions at the silicon/HF solution interface. J. Solid State Electrochem. 4 (1), 42-51 (1999).
  25. Kolasinski, K. The mechanism of Si etching in fluoride solutions. Phys. Chem. Chem. Phys. 5 (6), 1270-1278 (2003).
  26. Trucks, G. W., Raghavachari, K., Higashi, G. S., Chabal, Y. J. Mechanism of HF etching of silicon surfaces: A theoretical understanding of hydrogen passivation. Phys. Rev. Lett. 65 (4), 504-507 (1990).
  27. Zhang, X. G. Electrochemistry of silicon and its oxide. , Kluwer Academic Publishers. (2001).

Tags

Engineering Bulk levetid defekter flussyre belysning passivering photoconductance rekombination.
Lys Enhanced Flussyre Acid Passivering: En følsom teknik til påvisning af Bulk Silicon Fejl
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