|
|
больше ...
Термины запроса в документе
Реферат
[RU] Изобретение относится к области оптоэлектроники и фотовольтаики и может быть использовано при структурировании поверхности и создании фотовольтаических структур на основе кремния дырочного типа проводимости различной кристаллографической ориентации. Задачей изобретения является создание радиационно и термически стойких фотовольтаических структур с развитой поверхностью за счёт формирования потенциального барьера, обусловленного образованием дислокаций в модифицированном слое. Задача решается тем, что в способе обработки поверхности монокристаллического кремния, включающем обработку компрессионным плазменным потоком в среде рабочего газа в постоянном магнитном поле, кремний предварительно очищают в спиртосодержащей ультразвуковой ванне, нагревают до температуры 200-400°С, после чего одновременно воздействуют на кремний направленным перпендикулярно его поверхности постоянным электрическим полем напряженностью 10-20 кВ/м, постоянным магнитным полем с индукцией 0,22-100 мТл и компрессионным плазменным потоком длительностью 90-110 мкс с плотностью поглощенной энергии 15-35 Дж/см 2 под углом 40-70° к его поверхности, затем обработанный кремний отжигают при температуре 400°С в течение 30 мин.
Полный текст патента
(57) Реферат / Формула:
Изобретение относится к области оптоэлектроники и фотовольтаики и может быть использовано при структурировании поверхности и создании фотовольтаических структур на основе кремния дырочного типа проводимости различной кристаллографической ориентации. Задачей изобретения является создание радиационно и термически стойких фотовольтаических структур с развитой поверхностью за счёт формирования потенциального барьера, обусловленного образованием дислокаций в модифицированном слое. Задача решается тем, что в способе обработки поверхности монокристаллического кремния, включающем обработку компрессионным плазменным потоком в среде рабочего газа в постоянном магнитном поле, кремний предварительно очищают в спиртосодержащей ультразвуковой ванне, нагревают до температуры 200-400°С, после чего одновременно воздействуют на кремний направленным перпендикулярно его поверхности постоянным электрическим полем напряженностью 10-20 кВ/м, постоянным магнитным полем с индукцией 0,22-100 мТл и компрессионным плазменным потоком длительностью 90-110 мкс с плотностью поглощенной энергии 15-35 Дж/см 2 под углом 40-70° к его поверхности, затем обработанный кремний отжигают при температуре 400°С в течение 30 мин.
Евразийское (21) 201600106 (13) A1
патентное
ведомство
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОЙ ЗАЯВКЕ
(43) Дата публикации заявки (51) Int. Cl. H01L 21/306 (2006.01)
2017.07.31 H01L 21/3065 (2006.01)
(22) Дата подачи заявки 2015.12.30
(54) СПОСОБ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ
(96) 2015/EA/0165 (BY) 2015.12.30
(71) Заявитель: БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ (БГУ) (BY)
(72) Изобретатель:
Анищик Виктор Михайлович, Углов Владимир Васильевич, Квасов Николай Трофимович, Асташинский Валентин Миронович, Подсобей Григорий Захарович, Кудактин Роман Сергеевич (BY)
(57) Изобретение относится к области оптоэлек-троники и фотовольтаики и может быть использовано при структурировании поверхности и создании фотовольтаических структур на основе кремния дырочного типа проводимости различной кристаллографической ориентации. Задачей изобретения является создание радиационно и термически стойких фотовольтаических структур с развитой поверхностью за счёт формирования потенциального барьера, обусловленного образованием дислокаций в модифицированном слое. Задача решается тем, что в способе обработки поверхности монокристаллического кремния, включающем обработку компрессионным плазменным потоком в среде рабочего газа в постоянном магнитном поле, кремний предварительно очищают в спиртосодержащей ультразвуковой ванне, нагревают до температуры 200-400°С, после чего одновременно воз- I действуют на кремний направленным перпендикулярно его поверхности постоянным электрическим полем напряженностью 10-20 кВ/м, постоянным магнитным полем с индукцией 0,22-100 мТл и компрессионным плазменным потоком длительностью 90-110 мкс с плотностью поглощенной энергии 15-35 Дж/см2 под углом 40-70° к его поверхности, затем обработанный кремний отжигают при температуре 400°С в течение 30 мин.
МПК G03F7/075, НОЮ 1/00
Способ обработки поверхности монокристаллического кремния
Изобретение относится к области оптоэлектроники и фотовольтаики и может быть использовано при структурировании поверхности и создании фотовольтаических структур на основе кремния дырочного типа проводимости различной кристаллографической ориентации.
Известен способ формирования силицидов металлов [1], включающий осаждение металла на кремний и его плавление, при котором плавление осуществляют воздействием компрессионного плазменного потока продолжительностью 50-200 мкс, плотностью энергии 8-20 Дж/см2 в переменном магнитном поле, направленным перпендикулярно плоскости осажденного металла, с частотой 1300-2100 Гц и индукцией 0,22-12,50 мТл.
Известный способ не обеспечивает стр уктурирование поверхности кремния, а также получение фотовольтаического эффекта.
Известен способ обработки поверхности монокристаллического кремния ориентации (111) [2], включающий обработку с помощью импульсного излучения лазера, сфокусированного перпендикулярно поверхности обработки с длительностью импульса 15 не, при котором монокристагшический кремний ориентации (111) предварительно помещают в ультразвуковую ванну и обрабатывают в спирте в течение 30 мин, а обработку лазером ведут импульсами с длиной волны 266 нм и частотой 6 Гц, при этом число импульсов составляет 5500-7000 с плотностью энергии на обрабатываемой поверхности 0,3 Дж/см2.
Известный способ обеспечивает структурирование поверхности только для кремния ориентации (111), характеризуется малой площадью обрабатываемой поверхности и большой длительностью, непериодичностью расположения структур и их большими размерами и также не обеспечивает формирования фотовольтаической структуры.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ структурной модификации поверхности кремния [3], включающий обработку кремния в вакуумной камере компрессионным плазменным потоком под углом 90° к поверхности с плотностью поглощенной энергии 5-25 Дж/см2 при одновременном воздействии внешнего постоянного магнитного поля с индукцией 0,1 Тл.
Известный способ обеспечивает создание на поверхности монокристаллического кремния различной кристаллографической ориентации периодических цилиндрических структур ргзмером 0,3-2 мкм, обработку за один импульс поверхности площадью не менее 1 см2, но не обеспечивает формирование фотовольтаической структуры из-за отсутствия потенциальных барьеров, обусловленных дислокациями.
Задачей изобретения является создание радиационно и термически стойких фотовольтаических структур с развитой поверхностью за счёт формирования потенциального барьера, обусловленного образованием дислокаций в модифицированном слое.
Задача решается тем, что в способе обработки поверхности монокристаллического кремния, включающем обработку компрессионным плазменным потоком в среде рабочего газа в постоянном магнитном поле, кремний предварительно очищают в спиртосодержащей ультразвуковой ванне, нагревают до температуры 200-400 °С, после чего одновременно воздействуют на кремний направленным перпендикулярно его поверхности постоянным электрическим полем напряженностью 10-20 кВ/м, постоянным магнитным полем с индукцией 0.22-100 мТл и компрессионным плазменным потоком длительностью 90-110 мкс с плотностью поглощенной энергии 15-35 Дж/см2 под углом 40-70° к его поверхности, затем обработанный кремний отжигают при температуре 400 °С в течение 30 минут.
Отличием является то, что кремний очищают в спиртосодержащей ультразвуковой ванне, нагревают до температуры 200-400 °С, после чего одновременно воздействуют на кремний направленным перпендикулярно его поверхности постоянным электрическим полем напряженностью 10-20 кВ/м, постоянным магнитным полем с индукцией 0.22-100 мТл и компрессионным плазменным потоком длительностью 90-110 мкс с плотностью поглощённой энергии 15-35 Дж/см2 иод углом 40-70 градусов к его поверхности, затем обработанный кремний отжигают при температуре 400 °С в "ечение 30 минут.
Дополнительный нагрев кремния и увеличение плотности поглощённой энергии за счёт воздействия под уменьшенным углом обеспечивает формирование дислокационной структуры, являющейся гаиболее устойчивой к термическим, радиационным и другим внешним воздействиям. Воздействие внешнего электрического поля обеспечивает удаление акцепторной примеси с поверхностного слоя кремния и компенсацию дырок электронами от дислокационных доноров, что приводит к образованию потенциального барьера и получению фотовольтаического эффекта. При этом одновременно обеспечивается формирование структур на поверхности кремния, размерами которых управляют магнитным полем, что, в свою очередь, обеспечивает возможность управления поглощающей способностью кремния. Термический отжиг обеспечивает устранение точечных дефектов, снижающих уровень фото-ЭДС.
Способ осуществляют следующем образом. Образцы пластин монокристаллического кремния дырочного типа проводимости (КДБ-4.5, 10 и 12) различной кристаллографической ориентации (для примера взяты ориентации (111) и (100)) размером 10x10 мм очищали от загрязнений в ультразвуковой спиртосодержащей ванне. Очищенные образцы поочерёдно помещали на держатель в вакуумной камере магнитоплазменного компрессора, который устанавливали под углом 40-70 градусов к оси симметрии катода. На каждый образец поочерёдно воздействовали постоянным магнитным полем с индукцией 0.22-100 мТл. В вакуумную камеру вводили рабочий газ (азот, или водород, или гелий), образец нагревали посредством электрического подогрева до температуры 200-400 °С и создавали посредством подачи потенциала 1.5-3 кВ перпендикулярное его поверхности постоянное электрическое поле напряжённостью 10-20 кВ/м . На образец воздействовали компрессионным плазменным потоком с плотностью поглощённой энергии 15-35 Дж/см2 и длительностью импульса 90-110 мкс. Затем
поочерёдно обработанные таким образом образцы отжигали в печи при температуре 400 °С для удаления точечных дефектов.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1 - фиг. 5, где на фиг. 1 показана структура поверхности кремния, обработанного под углом 30 градусов; на фиг. 2 - то же при обработке под углом 40 градусов; на фиг. 3 - то же при обработке под углом 60 градусов; на фиг. 4 приведен график зависимости размера периодических структур от индукции магнитного поля (на вставке указаны значения размеров периодических структур в интервале индукции магнитного поля 0-0.3 мТл); на фиг. 5 приведены дифрактограммы исходного и обработанного гремния.
Полученные образцы охлаждали до температуры окружающей среды и испытывали на наличие фотовольтаического эффекта посредством измерения фото-ЭДС по показаниям вольтметра при освещении симулятором солнечного света. Тип проводимости поверхности образцов опреде;гяли прибором для измерения термо-ЭДС, один из контактов которого нагревают до температуры 100-200 °С. Морфологию поверхности и структуру поперечного сечения исследовали методом растровой электронной микроскопии на микроскопе LEO 1455VP фирмы "Карл Цейсе" (Karl Zeiss). Также структуру поперечного сечения исследовали посредством просвечивающего электронного микроскопа. Фазовый состав кремния исследовали на дифрактометре Ultima-IV фирмы Rigaku с использованием медного излучения. Образцы испытывали на термическую стойкость посредством их выдержки при температуре 100-900 °С в течение 3 часов, охлаждения и последующего измерения фото-ЭДС, а также испытывали на радиационную стойкость путём облучения электронами и ионами. Электронное облучение проводили с энергией 2 МэВ и дозой 1016-1017 см"2. Ионное облучение проводили ионами Хе с энергией 167 МэВ и дозой 1012-1013 см"2. Затем облученные образцы отжигали при температуре 600 °С и измеряли фото-ЭДС.
Результаты испытаний и исследований приведены в таблицах, где в таблице 1 приведены изменения типа проводимости поверхности кремния марки КДБ-4.5 и значения фото-ЭДС в зависимости от температуры предварительного нагрева, угла воздействия компрессионного плазменного потока, напряжённости электрического поля и плотности поглощённой энергии; в таблице 2 - значения фото-ЭДС в зависимости от температуры отжига точечных дефектов; в таблице 3 - режимы достижения максимального значения фого-ЭДС для кремния с различной концентрацией бора; в таблице 4 - значения фото-ЭДС при различном термическом воздействии; в таблице 5 - значения фото-ЭДС в зависимости от дозы ионного облучения; в таблице 6 - значения фото-ЭДС в зависимости от дозы электронного облучения; в таблице 7 - значения фото-ЭДС в зависимости от времени воздействия плазменным потоком.
106
208
260
234
283
184
100
289
316
114
330
372
205
200
273
303
223
211
257
192
101
297
329
269
104
314
368
283
300
111
325
377~1
290
163
310
Г 361
287
294
340
267
314
366
285
400
109
326
377
289
158
322
367
293
184
279
319
256
> 40
271
314
240
287
344
267
500
294
350
270
127
286
330
264
164
284
329
255
113
233
287
265
311
207
100
200
124
307
350
133
353
406
223
290
328
241
200
238
290
219
121
321
359
283
128
343
399
295
300
141
359
405
304
187
327
392
301
106
317
365
280
105
331
391
310
400
127
343
408
314
174
346
399
319
203
298
352
281
300
340
253
313
378
280
500
105
318
386
282
149
303
357
279
181
305
355
269
112
221
283
252
318
215
100
0 1
120
300
341
131
348
403
220
200
281
334
233
235
297
226
124
320
362
274
125
339
397
287
300
143
346
405
309
178
319
392
311
Данные, приведенные в таблице 1 свидетельствуют о том, что при углах воздействия плазменным потоком 40-70 градусов тип проводимости поверхностного слоя кремния изменяется с дырочного на элезстронный, что обеспечивает образование барьерной структуры и формирование фото-ЭДС. При значениях напряжённости электрического поля 10-20 кВ/м и температуре предварительного нагрева 200-400 °С достигается максимальное значение фото-ЭДС. При угле воздействия 80 градусов фото-ЭДС незначительно или не проявляется ( < 100 мВ). При плотности поглощенной энергии 10 Дж/см2 фотовольтаический эффе: <т отсугствует, а при 40 Дж/см2 образец разрушается.
Как следует из приведенных в таблице 2 данных, при температуре 400 °С обеспечивается отжиг точечных дефектов.
Из данных в таблице 3 следует, что максимальные значения фото-ЭДС для приведенных марок кремния достигаются прл указанных режимах воздействия.
Данные, приведенные в таблице 4, показывают, что в интервале температур 100-700 °С обеспечивается термическая стойкость фотовольтаических структур, а при 800-900 °С фото-ЭДС уменьшается на 30 %.
Приведенные в таблице 5 данные показывают, что при облучении высокоэнергетическими ионами с дозой 1-10 2 см"2 значение фото-ЭДС составляет 56 % от исходного. А из приведенных в таблице 6 данных следует, что фотовольтаическая структура устойчива при дозе электронного облучения 2.5-1016 см"2, а при дозе облучения 2.5-1017 см"2 значения фото-ЭДС составляют 67 % от исходных.
Исходя из данных, приведенных в таблице 7, видно, что максимальное значение фото-ЭДС обеспечивается при времени воздействия 90-110 мкс.
Как следует из фиг. 1-3, угол воздействия плазменным потоком 30 градусов не обеспечивает формирование на поверхности кремния периодических структур; угол воздействия 40 градусов обеспечивает формирование периодических структур, покрытых порами; угол воздействия 60 градусов обеспечивает формирование периодических структур.
Из графика на фиг. 4 видно, что необходимые размеры периодических структур 0.3-2.0 мкм обеспечиваются при значениях индукции магнитного поля 0.22100 мТл.
Как видно из рентгенограмм на фиг. 5, кремний ориентации (111) после обработки плазменным потоком остаётся моиокристаллическим.
Таким образом, заявляемый способ позволяет создать радиационно и термически стойких фотовольтаических структур с развитой поверхностью.
Источники информации
1. Патент РФ №2405228; МПК H01L21/24. Бюл. № 33. 27.11.2010.
2. Патент РФ №2501057; МПК НОЮ 1/18, 21/268, G03F7/075. Бюл. № 34. 10.12.2013.
3. В.В. Углов, В.М. Анищик, В.В Асташинекий и др. "Структурная модификация поверхности кремния в результате воздействия компрессионным плазменным
потоком". Труды XII международного совещания "Радиационная физика твердого тела". Москва. - 2002. - Прототип, с. 16-22.
ФОРМУЛА
Способ обработки поверхности монокристаллического кремния, включающий обработку компрессионным плазменным потоком в среде рабочего газа в постоянном магнитном поле, отличающийся тем, что кремний предварительно очищают в спиртосодержащей ультразвуковой ванне, нагревают до температуры 200-400 °С, после чего одновременно воздействуют на кремний направленным перпендикулярно его поверхности постоянным электрическим полем напряженностью 10-20 кВ/м, постоянным магнитным полем с индукцией 0.22-100 мТл и компрессионным плазменным потоком длительностью 90-110 мкс с плотностью поглощенной энергии 15-35 Дж/см2 под углом 40-70° к его поверхности, затем обработанный кремний отжигают при температуре 400 °С в течение 30 минуг.
2,51
2.2 2,0^ 1.8 1,61.4
1,21,0' 0.8 0,60,4 -0.2
1,5 J
2,0-
о.о 0,1 о.2 о,;
-i 1 1-
20 40 60 80 100
Индукция магнитного поля, мТл
Фж. 4
40000 -, 35000 ¦ 30000 ¦ 25000 • (111)
(222)
(333)
40 !:" 80
Угол дифракции, град.
Фиг. 5
обработанный кремний
исходный кремний
Наименование и адрес Международною поискового органа: Федеральный институт промышленной собственности
РФ, 125993,Москва, Г-59, ГСП-3, Бережковская наб., д. 30-1 .Факс: (499) 243-3337, телетайп: 114818 ПОДАЧА
XSf^f О. В. Кишкович
Телефон № (499) 240-25-91
(19)
продолжение таблицы 1
Способ обработки поверхности монокристаллического кремния
Способ обработки поверхности монокристаллического кремния
100
Способ обработки поверхности монокристаллического кремния
100
Способ обработки поверхности монокристаллического кремния
100
Способ обработки поверхности монокристаллического кремния
100
Способ обработки поверхности монокристаллического кремния
100
Способ обработки поверхности монокристаллического кремния
100
|
