РПЗ (Технология изготовления фотоэлектрических кремниевых солнечных коллекторов), страница 3

К основным источникам примесей относятся жидкие, газообразные, твердые, твердые планарные источники а также поверхностные источники. Газообразные, жидкие, твердые и твердые планарные источники объединяет то, что при их использовании применяется газовая система. К поверхностным источникам относятся источники на основе простых неорганических соединений, стеклообразные диффузанты, а также легированные окислы. Такие источники наносятся на полупроводниковую пластину кремния различными методами до проведения процесса диффузии. Важной особенностью применения поверхностных источников является возможность проведения процесса диффузии в атмосфере воздуха, что может существенно удешевить технологию производства кремниевых СЭ.

Твердые планарные источники (ТПИ)

При методе диффузии с использованием твердых планарных источников пластины кремния и ТПИ устанавливают в кварцевой кассете параллельно друг другу (рис. 5), вводят в реакционную зону диффузионной печи и выдерживают в ней заданное время. Газообразный окисел легирующего элемента, выделяющийся твердым источником, диффундирует к поверхности кремния и взаимодействует с ним с образованием слоя стекла, из которого происходит диффузия примесей вглубь пластины.

Рис. 5 Установка ТПИ и пластин кремния в кварцевой кассете: 1- кварцевая кассета; 2 - ТПИ; 3 - пластины кремния; 4 - пары P2O5.

Параметры диффузионных слоев определяются температурой и временем диффузии, а также давлением газообразного окисла легирующего элемента. Поскольку последний образуется непосредственно в реакционной зоне в результате физико-химических процессов, происходящих в материале источника при нагревании, параметры диффузии практически не зависят от скорости газа-носителя. Таким образом, способ диффузии с использованием ТПИ лишен основных недостатков методов с применением жидких и газообразных источников, а также твердых окислов легирующих элементов и имеет ряд существенных достоинств:

• высокая производительность за счет большой плотности загрузки пластин кремния и возможность использования всей рабочей зоны диффузионной печи;

• хорошая воспроизводимость параметров диффузионных слоев благодаря сведению к минимуму числа влияющих на них технологических факторов и простоте управления процессом;  

• однородность уровня легирования по поверхности, что особенно существенно в связи с тенденцией перехода на пластины большого диаметра;

• простота используемого технологического оборудования;

• высокая экономичность.

Источники для диффузии бора

Твердые источники для диффузии бора создают в реакционной зоне пары B2O3,  молекулы которой диффундируют к поверхности кремниевых пластин и взаимодействуют с кремнием:

2B₂O₃ + 3Si → 4B + 3SiO₂.

Из образующегося слоя боросиликатного стекла происходит диффузия бора вглубь кремния.

Основным материалом для изготовления твердых источников бора является нитрид бора (BN). Благодаря физико-химическим и механическим свойствам BN твердые источники на его основе отличаются стабильностью и длительным сроком службы. Перед эксплуатацией ТПИ на основе   BN  окисляют с целью образования на его поверхности тонкого слоя  B₂O₃, который при температурах диффузии (700 – 1250°С) находится в жидком состоянии. Переход  B₂O₃ в газовую фазу происходит в результате испарения слоя.

Источники для диффузии фосфора

Твердые планарные источники фосфора при нагревании выделяют пятиокись фосфора  (P₂O₅) в газовую фазу, молекулы которой диффундируют к поверхности кремниевых пластин и в результате реакции

2P₂O₅ + 5Si → 5SiO₂ + 4P

образуют слой фосфоросиликатного стекла , из которого происходит диффузия фосфора в объем кремния.

В качестве ТПИ фосфора используется нитрид фосфора, фосфид кремния или материалы, содержащие P₂O₅ в связанном виде, которая выделяется при термическом разложении (метафосфат алюминия, пирофосфат кремния).

Жидкие источники

Суть метода диффузии из жидких источников заключается в следующем. Пластины кремния помещают в кварцевую трубу, находящуюся внутри нагретой однозонной печи. Через трубу пропускается поток газа-носителя, чаще всего азота или аргона, к которому добавляется примесь источника диффузанта, находящегося при обычных условиях в жидком состоянии. Кроме того, в газовую смесь на все время или на часть времени процесса добавляется некоторое количество кислорода. Метод в основном используется для диффузии бора и фосфора, причем в качестве источников диффузантов применяют такие вещества, как PCl₃, POCl₃, PBr₃, BBr₃ и борнометиловый эфир.

Рис. 6. Диффузия в потоке газа-носителя из жидкого источника: 1 – однозонная печь; 2 – жидкий источник.

Жидкие источники позволяют двухступенчато разбавлять пары потоком газа, проходящим через дозатор, и общим потоком, идущим непосредственно в кварцевую трубу. Схема диффузии при использовании жидкого источника диффузии представлена на рис. 6.

К преимуществам метода диффузии из жидких диффузантов следует отнести:

• простое осуществление и ненадобность второй высокотемпературной зоны

• осуществление процесса, напоминающего двухстадийную диффузию(не является ей, так как перед второй стадией с поверхности не удаляется фосфорно-силикатное или боро-силикатное стекло

• метод позволяет осуществить процесс в замкнутой системе и не требует частой смены источника.

Газообразные источники

Диффузия примесей в кремний может также осуществляться из газообразных источников – гидридов  фосфора, бора и мышьяка – фосфина PH₃, диборана B₂H₆ и арсина AsH3, а также из BCl₃.

Схема установки для диффузии фосфора с использованием фосфина напоминает схему на рис. 6 с той разницей, что источником диффузанта служит не поток газа носителя, пробулькивающий или проходящий над жидким источником, а баллон, содержащий смесь PH₃ и инертного газа, например аргона. В качестве газа-носителя может использоваться азот в смеси с кислородом.

По поводу методов диффузии из газообразных источников можно сделать одно общее замечание: при слишком малом содержании O₂ в газовой смеси на поверхности могут образовываться трудно устранимые пленки.

Достоинства методов диффузии из газообразных диффузантов те же, что и в случае диффузии из жидких источников, и недостаток тот же – токсичность исходных диффузантов.

Твердые источники

Наиболее распространенными твердыми источниками диффузии бора в кремний являются окись бора B₂O₃ и борная кислота H₃BO₃ (обе в виде порошка), которые разлагаются при 200°С с образованием B₂O₃ и H₂O. Эффективное испарение B₂O₃ начинается с 770 – 800°С, а максимальная температура, до которой обычно нагревают B₂O₃, равна 1200°С. Источник диффузанта необходимо вводить в печь медленно, чтобы предотвратить его вскипание и вытекание из контейнера и загрязнение самого реактора. Элементарный металлический бор обычно непригоден для диффузии в потоке газа из-за низкого давления его паров.

Диффузию бора в полупроводниковый материал с использованием борной кислоты проводят в открытой трубе в двухзонной печи или в контейнере в атмосфере воздуха. После проведения диффузии на поверхности полупроводниковых пластин образуются пленки, стойкие к кислотам и щелочам. После диффузии эту пленку удаляют механическим способом.

В качестве твердого источника фосфора обычно используется безводная пятиокись фосфора P₂O₅. Применяются и другие соединения, содержащие фосфор, например, фосфат аммония NH₄H₂PO₄, однако конечной стадией в обоих случаях является взаимодействие паров P₂O₅ с поверхностью кремниевой подложки:

2 P₂O₅ + 5Si ⇄ 4P + 5SiO₂.

Образующееся фосфоросиликатное стекло (ФСС) – жидкость при температуре диффузии.

Использование одно- и двухосновных фосфатов аммония требует более высоких, чем для P₂O₅, температур источника (450 – 900°С). Они также менее чувствительны к влаге, в этом их главное преимущество над P₂O₅ .

Элементарный красный фосфор применяется редко. Давление его паров непостоянно, поэтому воспроизводимость поверхностной концентрации низкая.

Рис.7 Диффузия в потоке газа-носителя из твердого источника

Наивысшей производительностью диффузия из твердых источников осуществляется в проточной системе (рис. 7). Этот способ диффузии осуществляется в инертной среде, благодаря чему параметры легирования не зависят от кинетики химической реакции, однако метод требует специальных печей (печей с двухзонным профилем температуры), а его воспроизводимость определяется распределением температур и скорости газа-носителя.

 К недостаткам диффузии из раздельных твердых источников можно также отнести недостаточную воспроизводимость значений поверхностной концентрации из-за сложности точного поддержания концентрации паров источника и из-за изменения площади испарения при растекании источника, хорошо смачивающего поверхность контейнера. Кроме того, трудно получить низкие поверхностные концентрации и невозможно провести отжиг в чистой газовой атмосфере, так как пары источника на всем протяжении процесса находятся в газовой фазе.

Составление математической модели для расчета

глубины легирования

где x₁ время диффузии на первом этапе, x₂-температура на первом этапе, х₃,х₄-время и температура соответственно на втором этапе диффузии, у-выходной параметр, глубина диффузии.

= 1,374

Дисперсия воспроизводимости:

Дисперсия факторов:

Коэффициенты уравнения регрессии:

Полученное уравнение регрессии: