Transcript 2_gyakorlat
2. gyakorlat Készítette: Földváry Árpád e-mail: [email protected] Si adalékolása • Ionimplantáció – hideg eljárás – adalékbevitel elektromos energiával – kristályroncsolódás – helyreállító hőkezelés – tetszőleges profil! Földváry Árpád Napelemek - 2. gyakorlat 2/39 Si adalékolása Földváry Árpád Napelemek - 2. gyakorlat 3/39 Si adalékolása napelemben • Szelektív emitter – egyszerű és folyamatos eljárás – teljesen automatizálható – nagy hatásfok is elérhető Földváry Árpád Napelemek - 2. gyakorlat 4/39 Si adalékolása • Szilárd fázisú diffúzió – magas hőmérsékletű folyamat – adalékbevitel termikus energiával, hajtóerő: koncentráció gradiens – párhuzamosan oxidréteg kialakítható – profil: exponenciális függvények, felületi maximum Földváry Árpád Napelemek - 2. gyakorlat 5/39 Si adalékolása Földváry Árpád Napelemek - 2. gyakorlat 6/39 Diffúziós mechanizmus Az adalékanyag mozgása két mechanizmussal történhet: - rácsközi (intersticiális) módon - rácsponti (szubsztitúciós) módon Intersticiális Si Si Szubsztitúciós Si Si Si Si vakancia Si Si Si Si Si Si adalék atom Si Si Si Si adalék atom Földváry Árpád Napelemek - 2. gyakorlat 7/39 Diffúziós mechanizmus • Valamennyi adalékatom (P, As, Sb, B, In, Ga, stb.) szubsztitúciós mechanizmussal diffundál a Si-ban. • Au és egyes fém atomok jellemzően intersticiális mechanizmussal diffundálnak (igen gyors diffúzió!). • Szubsztitúciós diffúzió vakanciák megléte esetén mehet végbe. • Vannak olyan diffúziós mechanizmusok is, melyek folyamán szubsztitúciós adalékok mind a vakanciákat, mind az intersticiális helyeket kihasználják. Földváry Árpád Napelemek - 2. gyakorlat 8/39 Diffúziós állandó Feltételezzük, hogy a diffúziós állandó NEM függ az adalékkoncentrációtól, valamint D0 függ a hőmérséklettől, de a diffúzióra használt hőmérsékleteken elhanyagolható. E A D D exp 0 kT E A aktivációs energia eV ban Boltzmann állandó 8.62 10 k D 0 és E A táblázatb ól meghatároz -5 eV/K ható A diffúzió hőmérsékletfüggése exponenciális, a diffúziós állandón keresztül jellemezhető. Földváry Árpád Napelemek - 2. gyakorlat 9/39 Diffúziós állandók Si-ban Földváry Árpád Napelemek - 2. gyakorlat 10/39 Diffúziós állandók SiO2-ban Földváry Árpád Napelemek - 2. gyakorlat 11/39 A diffúzió matematikája A diffúzió olyan mechanizmus, melyben az atomok véletlenszerű (Brown) mozgással haladnak keresztül egy testen. Az 1800-as évek közepén Fick két differenciál egyenletet adott meg, egy vékony membránon keresztüli anyagáramlás jellemzésére. Fick I. egyenlet: J D N x J - a diffúziós fluxus D - az adalék diffúziós N - adalék koncentrác x - távolság Földváry Árpád (atom/cm állandója 2 /sec) 2 (cm /sec) ió (atoms/cm 3 ) (cm) Napelemek - 2. gyakorlat 12/39 A diffúzió matematikája Fick II. egyenlet: kimondja, hogy a membránon keresztül a koncentráció időbeli megváltozása arányos az ugyanitt fellépő koncentráció gradiens megváltozásának sebességével: N 2 D x 2 N t A koncentráció hely szerinti függésének, N(x) meghatározásához megadott határfeltételek mellett kell megoldani, de D nem helyfüggő feltételezéssel. Földváry Árpád Napelemek - 2. gyakorlat 13/39 Diffúzió állandó felületi koncentráció mellett • Állandó felületi koncentráció biztosításának esete, anyagfelvitel a felületre. N 2 D x 2 N t • Kezdeti feltétel: N(x>0, t=0) = 0 • Határfeltételek: N(x=0, t>0) = N0 = állandó (szilárd oldékonyság szabja meg az adott hőfokon) Földváry Árpád Napelemek - 2. gyakorlat 14/39 Szilárd oldékonyság Földváry Árpád Napelemek - 2. gyakorlat 15/39 Leválasztás Földváry Árpád Napelemek - 2. gyakorlat 16/39 Diffúzió állandó felületi koncentráció mellett A határfeltételek behelyettesítésével megkapjuk a profilegyenletet, amely egy erfc függvény: x N(x, t) N 0 erfc 2 D l t l x j 2 D l t l erfc 1 NB N 0 A p-n átmenet mélysége abból a feltételből határozható meg, hogy a p-n átmeneten N(x)=NB NB – szelet adalékkoncentrációja Hibafüggvény menete Földváry Árpád Napelemek - 2. gyakorlat 17/39 Diffúzió állandó felületi koncentráció mellett tl3 > tl2 > tl1 lgN tl = leválasztás ideje No = állandó felületi koncentráció N0 Q a bevitt anyagmennyiség, vagyis a görbe alatti terület tl1 tl2 tl3 Q(t) N(x, t)dx 0 NB x1 Földváry Árpád x2 x3 X, μm Napelemek - 2. gyakorlat Q(t) 2 D lt l π N0 18/39 Leválasztás paramétereinek számítása x N(x, t) N 0 erfc 2 D l t l NB N0 x erfc 2 D l t l NB/N0 hányadoshoz tartózó z értékét megkeresni a diffúziós profil erfc függvényén. z 2 x xj 2 D ltl z 4D l t l 10 8 x j μm D cm 2 s pl: N0=4∙1020; NB=1015; T=1000°C; Dl=3∙10-14 cm2/s; tl=1500s NB 2,5 10 N0 Földváry Árpád -6 z 3,35 Napelemek - 2. gyakorlat x j 0,45 μm 19/39 Diffúzió profilja (erfc függvény) Földváry Árpád Napelemek - 2. gyakorlat 20/39 Diffúziós állandók Si-ban Földváry Árpád Napelemek - 2. gyakorlat 21/39 Kétlépéses diffúzió: leválasztás (elő-diffúzió) • Állandó felületi koncentráció biztosítása: leggyakrabban kemencében, 900-1100ºC közötti hőmérsékleten, állandó diffúziós forrásból választjuk le N2 gázban. Így a felületen nem alakul ki „védőréteg”. • Időtartama 30-60 perc. • A forrás lehet szilárd, folyadék vagy gáz halmazállapotú. • xj ≤ 0.5μm (többnyire tized μm) SiO2 Si Földváry Árpád Napelemek - 2. gyakorlat adalékolt tartomány SiO2 xj 22/39 Diffúziós források A gyakorlatban alkalmazott adalékanyagok: • p: B, Ga, In, Al • n: P (nagy szilárd oldékonyság, anomáliák), As (kis D), Sb Diffúziós források típusai: • szilárd: B2O3; P2O5; As2O3 • folyadék: Foszfor-oxid-klorid (POCl3); BBr3; AsCl3 • gáz: Diborán (B2H6); Foszfin (PH3); AsH3 Legjobban kezelhetők a technológia szempontjából a gáz halmazállapotú források, inert vivőgázba keverve (0,1-1%), de: mérgezőek vagy robbanásveszélyesek. Földváry Árpád Napelemek - 2. gyakorlat 23/39 Diffúziós kályha és a gázrendszer Kifújás Gáztisztító berendezés Gáz vezérlő PH3 N2 Földváry Árpád O2 Gáz égetés Diffúziós cső H2 Napelemek - 2. gyakorlat 24/39 Diffúzió szilárd forrásból bór tárcsából: 2B2O3 + 3Si → 4B + 3SiO2 A leválasztás csak semleges gázban történhet Földváry Árpád Napelemek - 2. gyakorlat 25/39 Behajtás Földváry Árpád Napelemek - 2. gyakorlat 26/39 Diffúzió véges anyagmennyiségből Behajtás: az adalékatomokat a felület közeléből a megkívánt mélységbe juttatjuk. N 2 D x 2 N t • Kiindulási feltétel: már van felvitt anyag a felület közelében. • Határfeltétel: N x, t x 0 azaz nem vész el adalékatom az oxidba x 0 Q= állandó Földváry Árpád Napelemek - 2. gyakorlat 27/39 Diffúzió véges anyagmennyiségből • A behajtás rendszerint oxidációval együtt történik (további maszkolás céljából), ezért a ∂N(x,t)/∂x|x = 0 feltétel NEM IGAZ! • Adalékanyag mindig átkerül az oxidba, részben a befelé növekedő oxid miatt, részben az adalékatomok szegregációja miatt. • Továbbá: annak feltétele, hogy a határfeltétel szerint x=0 helyről számíthassuk a profilt az, hogy az ott lévő anyag valóban végtelenül kis mélységben legyen. Dt N(x, t) Földváry Árpád Q πD l t l e behajtás x Dt leválasztá s 2 4D b t b xj Napelemek - 2. gyakorlat 4D b t b ln NB πD l t l Q 28/39 Diffúzió véges anyagmennyiségből A kialakult diffúziós profil Gauss eloszlású lgN N0 Q = állandó (görbe alatti terület) tb3 > tb2 > tb1 tb = behajtás ideje N0 tb1 NB Földváry Árpád x1 tb2 x2 tb3 Q 2 Q πD l t l D lt l π N0 x3 X, μm Napelemek - 2. gyakorlat 29/39 Behajtás paramétereinek számítása N(x, t) N 0 e x 2 NB 4D b t b e x 2 4D b t b ~ ye z 2 N0 NB/N0 hányadoshoz tartózó z értékét megkeresni a diffúziós profil Gauss függvényén. z 2 x xj 2 Dbtb z 4D b t b 10 8 x j μm D cm 2 s pl: N0=4∙1020; NB=1015; T=1100°C; Dl=3∙10-13 cm2/s; tb=1500s NB 2,5 10 N0 Földváry Árpád -6 z 3,6 Napelemek - 2. gyakorlat x j 1,5 μm 30/39 Diffúzió profilja (Gauss függvény) Földváry Árpád Napelemek - 2. gyakorlat 31/39 Diffúziós állandók Si-ban Földváry Árpád Napelemek - 2. gyakorlat 32/39 Kétlépéses diffúzió: behajtás • Termikus úton a megkívánt xj mélységig hajtjuk a diffundáltatandó anyagot. • Q ≈ állandó, állandó anyagmennyiséget diffundáltatunk. • Általában kemencében 1000-1300ºC között végzik. • Időtartama: 30 perctől akár 10 óráig. • Oxigén áramban végezhető, ekkor SiO2 nő további maszkolás céljából. SiO2 Si Földváry Árpád Napelemek - 2. gyakorlat SiO2 SiO2 xj 33/39 Diffúzió minősítése Földváry Árpád Napelemek - 2. gyakorlat 34/39 A diffúziós réteg minősítése: négytűs mérés Kimutatható, hogy: Rs π V I S V ln2 I 4.53 V S A S Ω/ I A szelet Négy tű ρ 1 σ R s négyzetes ellenállás ρ diffúziós réteg átlagos fajl. ellenállás σ diffúziós réteg átlagos vezet ővez essége Földváry Árpád Napelemek - 2. gyakorlat a 35/39 Fajlagos ellenállás (Irvin görbe) 4 tűs mérés → Rs R s ρ R w s ρ x j A diffundáltatott réteg p-típusú, valamint w = xj Rs= 50 Ω/□ xj= 1,5 μm ρ 7,5 10 3 N 0 5,2 10 Földváry Árpád Napelemek - 2. gyakorlat 19 Ωcm atom cm 3 36/39 Diffúziós mélység meghatározása Gömbcsiszolással: • Egy nagy átmérőjű gömbbel belecsiszolunk a szeletbe. • A csiszolatra ezüst-nitrátot cseppentünk és előhívjuk. • Az előhívás hatására az n-típusú rétegre kiválik az ezüst. Földváry Árpád Napelemek - 2. gyakorlat 37/39 Diffúziós mélység meghatározása xj d d 2 2 2 1 4D D=44,5mm – csiszoló gömb átmérője d1=belső kör átmérője d2=külső kör átmérője d1 d2 Földváry Árpád Napelemek - 2. gyakorlat 38/39 Diffúziós mélység meghatározása SRP: spreading resistance probe Földváry Árpád Napelemek - 2. gyakorlat 39/39