2. gyakorlat Készítette: Földváry Árpád

Az előadások a következő témára: "2. gyakorlat Készítette: Földváry Árpád"— Előadás másolata:

1 2. gyakorlat Készítette: Földváry Árpád e-mail: foldvary@eet.bme.hu

2 Földváry ÁrpádNapelemek - 2. gyakorlat2/39 Si adalékolása Ionimplantáció –hideg eljárás –adalékbevitel elektromos energiával –kristályroncsolódás –helyreállító hőkezelés –tetszőleges profil!

3 Földváry ÁrpádNapelemek - 2. gyakorlat3/39 Si adalékolása

4 Földváry ÁrpádNapelemek - 2. gyakorlat4/39 Si adalékolása napelemben Szelektív emitter –egyszerű és folyamatos eljárás –teljesen automatizálható –nagy hatásfok is elérhető

5 Földváry ÁrpádNapelemek - 2. gyakorlat5/39 Si adalékolása Szilárd fázisú diffúzió –magas hőmérsékletű folyamat –adalékbevitel termikus energiával, hajtóerő: koncentráció gradiens –párhuzamosan oxidréteg kialakítható –profil: exponenciális függvények, felületi maximum

6 Földváry ÁrpádNapelemek - 2. gyakorlat6/39 Si adalékolása

7 Földváry ÁrpádNapelemek - 2. gyakorlat7/39 Diffúziós mechanizmus Az adalékanyag mozgása két mechanizmussal történhet: - rácsközi (intersticiális) módon - rácsponti (szubsztitúciós) módon Si adalék atom vakancia Si adalék atom IntersticiálisSzubsztitúciós

8 Földváry ÁrpádNapelemek - 2. gyakorlat8/39 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.

9 Földváry ÁrpádNapelemek - 2. gyakorlat9/39 Diffúziós állandó Feltételezzük, hogy a diffúziós állandó NEM függ az adalékkoncentrációtól, valamint D 0 függ a hőmérséklettől, de a diffúzióra használt hőmérsékleteken elhanyagolható. A diffúzió hőmérsékletfüggése exponenciális, a diffúziós állandón keresztül jellemezhető.

10 Földváry ÁrpádNapelemek - 2. gyakorlat10/39 Diffúziós állandók Si-ban

11 Földváry ÁrpádNapelemek - 2. gyakorlat11/39 Diffúziós állandók SiO 2 -ban

12 Földváry ÁrpádNapelemek - 2. gyakorlat12/39 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:

13 Földváry ÁrpádNapelemek - 2. gyakorlat13/39 A diffúzió matematikája Fick II. egyenlet: kimondja, hogy a membránon keresztül a koncentráció időbeli megváltozása arányos az ugyanitt fellépő koncentráció gradiens megváltozásának sebességével: A koncentráció hely szerinti függésének, N(x) meghatározásához megadott határfeltételek mellett kell megoldani, de D nem helyfüggő feltételezéssel.

14 Földváry ÁrpádNapelemek - 2. gyakorlat14/39 Kezdeti feltétel: N(x>0, t=0) = 0 Határfeltételek: N(x=0, t>0) = N 0 = állandó (szilárd oldékonyság szabja meg az adott hőfokon) Állandó felületi koncentráció biztosításának esete, anyagfelvitel a felületre. Diffúzió állandó felületi koncentráció mellett

15 Földváry ÁrpádNapelemek - 2. gyakorlat15/39 Szilárd oldékonyság

16 Földváry ÁrpádNapelemek - 2. gyakorlat16/39 Leválasztás

17 Földváry ÁrpádNapelemek - 2. gyakorlat17/39 Diffúzió állandó felületi koncentráció mellett A határfeltételek behelyettesítésével megkapjuk a profil- egyenletet, amely egy erfc függvény: Hibafüggvény menete A p-n átmenet mélysége abból a feltételből határozható meg, hogy a p-n átmeneten N(x)=N B N B – szelet adalékkoncentrációja

18 Földváry ÁrpádNapelemek - 2. gyakorlat18/39 Diffúzió állandó felületi koncentráció mellett t l3 > t l2 > t l1 t l = leválasztás ideje Q a bevitt anyagmennyiség, vagyis a görbe alatti terület X, μm N0N0 lgN N o = állandó felületi koncentráció x 1 x 2 x 3 t l1 t l2 t l3 NBNB

19 Földváry ÁrpádNapelemek - 2. gyakorlat19/39 Leválasztás paramétereinek számítása N B /N 0 hányadoshoz tartózó z értékét megkeresni a diffúziós profil erfc függvényén. pl: N 0 =4∙10 20 ; N B =10 15 ; T=1000°C; D l =3∙10 -14 cm 2 /s; t l =1500s

20 Földváry ÁrpádNapelemek - 2. gyakorlat20/39 Diffúzió profilja (erfc függvény)

21 Földváry ÁrpádNapelemek - 2. gyakorlat21/39 Diffúziós állandók Si-ban

22 Földváry ÁrpádNapelemek - 2. gyakorlat22/39 Kétlépéses diffúzió: leválasztás (elő-diffúzió) Állandó felületi koncentráció biztosítása: leggyakrabban kemencében, 900-1100ºC közötti hőmérsékleten, állandó diffúziós forrásból választjuk le N 2 gázban. Így a felületen nem alakul ki „védőréteg”. Időtartama 30-60 perc. A forrás lehet szilárd, folyadék vagy gáz halmazállapotú. x j ≤ 0.5μm (többnyire tized μm) SiO 2 adalékolt tartomány Si xjxj

23 Földváry ÁrpádNapelemek - 2. gyakorlat23/39 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: B 2 O 3 ; P 2 O 5 ; As 2 O 3 folyadék:Foszfor-oxid-klorid (POCl 3 ); BBr 3 ; AsCl 3 gáz:Diborán (B 2 H 6 ); Foszfin (PH 3 ); AsH 3 Legjobban kezelhetők a technológia szempontjából a gáz halmazállapotú források, inert vivőgázba keverve (0,1-1%), de: mérgezőek vagy robbanásveszélyesek.

24 Földváry ÁrpádNapelemek - 2. gyakorlat24/39 Diffúziós kályha és a gázrendszer PH3PH3 N2N2 O2O2 H2H2 Gáz vezérlő Diffúziós cső Gáz égetés Gáztisztító berendezés Kifújás

25 Földváry ÁrpádNapelemek - 2. gyakorlat25/39 Diffúzió szilárd forrásból bór tárcsából: 2B 2 O 3 + 3Si → 4B + 3SiO 2 A leválasztás csak semleges gázban történhet

26 Földváry ÁrpádNapelemek - 2. gyakorlat26/39 Behajtás

27 Földváry ÁrpádNapelemek - 2. gyakorlat27/39 Diffúzió véges anyagmennyiségből Behajtás: az adalékatomokat a felület közeléből a megkívánt mélységbe juttatjuk. Kiindulási feltétel: már van felvitt anyag a felület közelében. Határfeltétel: azaz nem vész el adalékatom az oxidba Q= állandó

28 Földváry ÁrpádNapelemek - 2. gyakorlat28/39 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.

29 Földváry ÁrpádNapelemek - 2. gyakorlat29/39 Diffúzió véges anyagmennyiségből A kialakult diffúziós profil Gauss eloszlású t b3 > t b2 > t b1 t b = behajtás ideje X, μm lgN Q = állandó (görbe alatti terület) x 1 x 2 x 3 t b1 t b2 t b3 N0N0 NBNB

30 Földváry ÁrpádNapelemek - 2. gyakorlat30/39 Behajtás paramétereinek számítása N B /N 0 hányadoshoz tartózó z értékét megkeresni a diffúziós profil Gauss függvényén. pl: N 0 =4∙10 20 ; N B =10 15 ; T=1100°C; D l =3∙10 -13 cm 2 /s; t b =1500s

31 Földváry ÁrpádNapelemek - 2. gyakorlat31/39 Diffúzió profilja (Gauss függvény)

32 Földváry ÁrpádNapelemek - 2. gyakorlat32/39 Diffúziós állandók Si-ban

33 Földváry ÁrpádNapelemek - 2. gyakorlat33/39 Kétlépéses diffúzió: behajtás Termikus úton a megkívánt x j 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 SiO 2 nő további maszkolás céljából. xjxj SiO 2 Si SiO 2

34 Földváry ÁrpádNapelemek - 2. gyakorlat34/39 Diffúzió minősítése

35 Földváry ÁrpádNapelemek - 2. gyakorlat35/39 Kimutatható, hogy: A szelet S S S I V A Négy tű A diffúziós réteg minősítése: négytűs mérés

36 Földváry ÁrpádNapelemek - 2. gyakorlat36/39 Fajlagos ellenállás (Irvin görbe) A diffundáltatott réteg p-típusú, valamint w = x j R s = 50 Ω/□ x j = 1,5 μm 4 tűs mérés → R s

37 Földváry ÁrpádNapelemek - 2. gyakorlat37/39 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. Diffúziós mélység meghatározása

38 Földváry ÁrpádNapelemek - 2. gyakorlat38/39 Diffúziós mélység meghatározása D=44,5mm – csiszoló gömb átmérője d 1 =belső kör átmérője d 2 =külső kör átmérője d1d1 d2d2

39 Földváry ÁrpádNapelemek - 2. gyakorlat39/39 SRP: spreading resistance probe Diffúziós mélység meghatározása