МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
Херсонский государственный технический университет
Кафедра Физической электроники и энергетики
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к дипломной работе на тему:
РАЗРАБОТКА ИСТОЧНИКОВ ДИФФУЗИОННОГО ЛЕГИРОВАНИЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА КРЕМНИЕВЫХ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Выполнил
студент группы 5Ф Гречаник В.А.
Руководитель работы к.т.н. Литвиненко В.Н.
Консультанты:
Экспериментальная часть к.т.н. Литвиненко В.Н.
Экономическая часть к.т.н. Фролов А.Н.
Охрана труда Лысюк В.Н.
Норм. контроль к.т.н. Литвиненко В.Н.
Зав. кафедрой д.т.н. Марончук И.Е.
2003
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Херсонський державний технічний університет
Кафедра Фізичної електроніки та енергетики
ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА
до дипломної роботи на тему:
РОЗРОБКА ДЖЕРЕЛ ДИФУЗІЙНОГО ЛЕГУВАННЯ ДЛЯ ВИРОБНИЦТВА КРЕМНІЄВИХ СОНЯЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ
Виконав
студент групи 5Ф Гречаник В.О.
Керівник роботи к.т.н. Литвиненко В.М.
Консультанти:
Експеріментальна частина к.т.н. Литвиненко В.М.
Економічна частина к.т.н. Фролов О.М.
Охорона праці Лисюк В.М.
Норм. контроль к.т.н. Литвиненко В.М.
Зав. кафедрою д.т.н. Марончук І.Є.
РЕФЕРАТ
Пояснительная записка содержит 102 страницы текста, 11 таблиц, 17 рисунков, 20 источников использованной литературы.
Данный дипломный проект направлен на рассмотрение процесса диффузии при изготовлении кремниевых солнечных элементов. В работе дан анализ различных источников диффузионного легирования кремния, а также методов проведения диффузии.
В работе были разработаны поверхностные источники для диффузии бора и фосфора на основе спиртовых растворов борной и ортофосфорной кислот. Приведена технология, позволяющая получать диффузионные слои с заданным значением глубины залегания p – n перехода.
Были проведены исследования по методу диффузии из поверхностного источника на основе легированного окисла. Необходимо заметить, что в технологии диффузионного легирования с использованием данного источника наиболее важным является разработка технологии приготовления раствора и нанесения его на полупроводниковые пластины кремния.
Данные источники могут найти промышленное применение в технологии изготовления кремниевых солнечных элементов, так как их использование не требует сложного оборудования, метод диффузии сравнительно прост, возможно проведение процесса диффузии в атмосфере воздуха.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение....................................................................................................... 6
1. Источники примесей для диффузионного легирования кремния и
технология диффузии примесей в кремний................................................. 10
1.1. Источники примесей для диффузионного легирования кремния........ 10
1.1.1. Твердые планарные источники (ТПИ) .............................................. 11
1.1.1.1. Источники для диффузии бора ....................................................... 12
1.1.1.1.1. ТПИ на основе нитрида бора........................................................ 13
1.1.1.1.2.ТПИ на основе материалов, содержащих B2O3............................. 14
1.1.1.2. Источники для диффузии фосфора................................................. 15
1.1.1.2.1. ТПИ на основе нитрида фосфора (PN) ........................................ 16
1.1.1.2.2. ТПИ на основе метафосфата алюминия........................................ 17
1.1.1.2.3. ТПИ на основе пирофосфата кремния.......................................... 18
1.1.2. Жидкие источники.............................................................................. 19
1.1.3. Газообразные источники.................................................................... 22
1.1.4. Твердые источники............................................................................ 25
1.1.5. Поверхностные источники на основе простых неорганических
соединений................................................................................................... 27
1.1.6. Стеклообразные диффузанты............................................................. 29
1.1.7. Легированные окислы ....................................................................... 32
1.1.7.1. Получение пленок стекла методом пиролитического разложения. 32
1.1.7.2. Источники, полученные осаждением пленок стекла из пленкообразующих растворов..................................................................................................... 35
1.1.7.2.1. Приготовление пленкообразующих растворов, их нанесение и термодеструкция...................................................................................................................... 37
1.1.7.2.2. Диффузия бора и фосфора в кремний из пленок двуокиси
кремния, полученных из пленкообразующих растворов............................ 42
1.2. Технология диффузии примесей в кремний ....................................... 45
1.2.1. Диффузия в запаянной и откачанной кварцевой ампуле................... 46
1.2.2. Метод открытой трубы....................................................................... 49
1.2.3. Диффузия в замкнутом объеме (бокс-метод) .................................... 52
1.2.4. Стимулированная диффузия............................................................... 55
2. Технология и оборудование для проведения процесса диффузии и контроля параметров диффузионных слоев................................................................ 56
3. Разработка технологии изготовления источников диффузионного легирования кремния бором и фосфором и их исследование........................................................ 62
3.1. Разработка и испытание поверхностного источника бора на основе спиртового раствора борной кислоты............................................................................ 62
3.2. Разработка и испытание поверхностного источника фосфора на основе спиртового раствора ортофосфорной кислоты.............................................................. 66
3.3. Исследование твердого планарного источника на основе нитрида бора 68
3.4. Разработка и испытание источника на основе легированного окисла. 73
4. Практическое использование разработанных источников диффузанта
для изготовления структур кремниевых солнечных элементов.................. 75
4.1. Изготовление кремниевого СЭ на основе кремния p-типа.................. 75
4.2. Создание омических контактов на структурах солнечных элементов электрохимическим осаждением никеля..................................................... 76
4.3. Измерение основных параметров на структурах солнечных элементов 77
Выводы......................................................................................................... 82
5. Охрана труда............................................................................................ 83
5.1. Анализ условий труда............................................................................ 83
5.2. Электробезопасность............................................................................ 85
5.3. Расчет защитного заземления............................................................... 85
5.4. Техника безопасности при работе с химическими веществами........... 89
5.5. Освещенность рабочего места.............................................................. 90
5.6. Оздоровление воздушной среды.......................................................... 92
5.7. Пожарная безопасность........................................................................ 93
6. Экономическая часть............................................................................... 95
Литература.................................................................................................... 99
ВВЕДЕНИЕ
Среднее количество солнечной энергии, попадающей в атмосферу Земли огромно – около 1,353 кВт/м2 или 178000 ТВт. Среднегодовая цифра, характеризующая энергию, попадающую на свободные необрабатываемые поверхности Земли, значительно меньше, но тем не менее составляет около 10000 ТВт [1]. В настоящее время большая часть этой энергии не используется.
Среди широкого разнообразия возобновляемых альтернативных источников энергии фотоэлектричество выглядит наиболее обещающим в качестве энергетической технологии будущего. Одним из перспективных направлений использования солнечной энергии является ее непосредственное преобразование в электрическую энергию полупроводниковыми системами фотопреобразования.
Прямое преобразование солнечной энергии в электрическую имеет ряд преимуществ, а именно [2]:
- чистота и неисчерпаемость солнечной энергии;
- простота конструкции и эксплуатации установок;
- возможность получения одного и того же КПД для генераторов в широком диапазоне вырабатываемых энергий;
- модульный тип солнечных элементов (СЭ), что по аналогии с такими полупроводниковыми приборами как транзисторы или интегральные схемы, обуславливает снижение цены с ростом масштаба производства;
- может действовать при рассеянных источниках света, например комнатного или даже при свете люминисцентных ламп.
Часто подчеркивается, что эффективность преобразования СЭ составляет менее половины эффективности атомных станций или парогенераторных систем. Такое сравнение некорректно при определении политики развития энергоресурсов будущего. Поскольку 38 % КПД паровой турбины означает, что оставшиеся 62 % затраченной нефти являются не только бесполезно утраченными, но и вредными, так как загрязняют окружающую среду, тогда как даже 10 % фотоэлектрического преобразования означает эффективное использование солнечной энергии, которая в противном случае просто теряется. Преобразование солнечной энергии не сопровождается побочными вредными эффектами. Это представляет основное различие между системами, использующими солнечную энергию и традиционными системами, использующими полезные ископаемые.
Фотоэлектрические преобразователи обладают высокой надежностью, практически не требуют обслуживания. В то же время их широкое внедрение в энергетику в настоящее время сдерживается рядом факторов, среди них одним из основных является высокая стоимость электроэнергии, вырабатываемой полупроводниковыми СЭ. Последний фактор непосредственно связан с высокой стоимостью СЭ.
Альтернативный путь снижения стоимости СЭ – повышение КПД за счет совершенствования технологии их изготовления. КПД СЭ, изготовленных в опытном производстве из монокристаллического кремния, поликристаллического кремния и аморфного кремния (α-Si) составляет соответственно 17 – 18 %, 13 – 14 и 9 – 10 %. Коммерчески оправданное использование солнечных модулей (СМ) для энергоустановок начинается со значения КПД = 10 – 12 % [2].
Относительно производства электроэнергии, следует отметить, что более высокий КПД вызывает существенное удешевление вспомогательных систем и фотоэлектрических установок. При выборе СЭ для фотоэлектрической энергостанции должны учитываться также срок службы фотомодуля и срок его окупаемости. Следует отметить, что гарантийный срок службы СЭ из монокристаллического кремния составляет порядка 20 лет при 25 % падении мощности от начального уровня, а у СЭ из α-Si уже в течение первого года службы КПД снижается от 9 – 10 % до 5 – 6 % с последующей годовой деградацией 15 % [2].
Поэтому в настоящее время существующие электростанции используют в основном модули из монокристаллического и поликристаллического кремния. Ведущие фирмы продолжают выпускать высокоэффективные монокристаллические СЭ, несмотря на их высокую стоимость.
Солнечные элементы на монокристаллическом кремнии с p – n переходом – первые СЭ, на которых получены реальные результаты. КПД первых конструкций СЭ соответствовал приблизительно 10 %. В 60-е годы монокристаллические СЭ на кремнии нашли применение в качестве генераторов для космических аппаратов. Тогда основное внимание уделялось увеличению КПД за счет усовершенствования технологий и конструкций, а стоимость генерируемой энергии не была критичной. Однако в дальнейшем с развитием технологии расширяются работы по созданию и улучшению СЭ наземного назначения, и основным направлением развития становится поиск путей по снижению стоимости СЭ.
Одна из возможностей снижения стоимости СЭ из монокристаллического кремния в серийном производстве – замена дорогостоящих процессов фотолитографии (4 – 6 фотолитографий в маршруте изготовления СЭ) и вакуумного напыления более дешевыми – техникой печатного нанесения контактов.
Однако в последнее время все большее внимание уделяется альтернативному пути – повышение КПД солнечного элемента, несмотря на удорожание его изготовления. Комплексный технико-экономический анализ фотоэнергетических установок в целом показывает во многих случаях целесообразность использования сравнительно более дорогих СЭ с большим КПД и сроком службы. Увеличение КПД связано с усовершенствованием конструкции СЭ и развитием технологии изготовления. Применение тыльного подлегирования, фотолитография для нанесения контактной сетки с одновременным уменьшением площади, затеняемой лицевым токосъемником, снижением толщины “мертвого” слоя (менее 0,3 мкм), текстурированием фронтальной поверхности, применение противоотражательных покрытий обеспечили увеличение КПД до 17 % [2].
Современная тенденция в развитии солнечных элементов предполагает переход на полупроводниковые пластины все большего диаметра (начиная от 100 мм). Это позволяет увеличить коэффициент заполнения площади фотомодуля и снижает стоимость монтажа солнечной батареи. Кроме того, переходы, используемые в СЭ для формирования эмиттерной области, являются мелкими. Технология получения кремниевых солнечных элементов базируется на методах, разработанных в микроэлектронике – наиболее развитой промышленной технологии.
Традиционно мелкие переходы получали ионным легированием, которое характеризуется высокой однородностью и воспроизводимостью примесной дозы, а также чистотой процесса. Однако с переходом на пластины большого диаметра реализация мелких p – n переходов возможна лишь при использовании диффузионных методов легирования [3]. Наибольшего распространения в микроэлектронике при производстве полупроводниковых приборов и микросхем получил метод диффузии в потоке газа-носителя (метод открытой трубы). Но данный метод при использовании пластин большого диаметра позволяет получать результаты, удовлетворяющие требованиям современной полупроводниковой технологии, только при значительном усложнении аппаратуры. Кроме того, при диффузии в потоке газа-носителя однородность по глубине залегания достигается путем проведения двухстадийного процесса, что невозможно при формировании мелких переходов.
Диффузия примеси из примесных, предварительно сформированных на поверхности пластины при низкой температуре покрытий позволяет избежать возникновения многих недостатков, присущих методу диффузии в потоке газа-носителя. Метод прост, не требует сложного оборудования, возможно проведение диффузионных процессов в атмосфере воздуха. Именно на исследование поверхностных источников, предназначенных для проведения процесса диффузии примесей в кремний, направлен данный дипломный проект.
1. ИСТОЧНИКИ ПРИМЕСЕЙ ДЛЯ ДИФФУЗИОННОГО ЛЕГИРОВАНИЯ КРЕМНИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ДИФФУЗИИ ПРИМЕСЕЙ В КРЕМНИЙ
В данном разделе рассматриваются основные известные источники примесей бора и фосфора для проведения диффузии в кремнии. Помимо хорошо известных и нашедших применение в промышленности источников рассматриваются также менее известные источники, интерес к которым возник в связи с разработкой технологии изготовления кремниевых солнечных элементов. Такими источниками являются поверхностные источники диффузии.
Также будут рассмотрены методы проведения диффузии, так как эффективность использования конкретного источника диффузанта в значительной степени определяется методом проведения процесса диффузии.
1.1. Источники примесей для диффузионного легирования кремния
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. Поэтому рассмотрению поверхностных источников уделено большее внимание.
1.1.1. Твердые планарные источники (ТПИ)
При методе диффузии с использованием твердых планарных источников пластины кремния и ТПИ устанавливают в кварцевой кассете параллельно друг другу (рис. 1.1), 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. 1.1. Установка ТПИ и пластин кремния в кварцевой кассете: 1- кварцевая кассета; 2 - ТПИ; 3 - пластины кремния; 4 - пары P2O5.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9
