Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Обзор используемой литературы и проблематика работы
1.1. Типовые конструкции солнечных элементов и их эффективность
1.2. Физические основы работы солнечных фотопреобразователей
1.3. Технологические методы получения солнечных фотопреобразователей
1.4. Постановка задачи исследования
1.5. Выводы
Глава II. Моделирование процесса осаждения и расчет основных параметров ионно-лучевой установки
2.1. Методика распыления вещества в плазме
2.2. Источник ионов Ошибка! Закладка не определена .
2.3. Система формирования и управления ионным пучком
2.3.1. Система экстракции
2.3.2. Система фокусировки
2.3.3. Система сканирования
2.4. Нанесение покрытия управляемым ионным пучком
2.5. Вывод
Глава III. Особенности вакуумной системы для ионного осаждения
3.1. Вакуумные параметры системы
3.2. Система откачки вакуумной арматуры установки
3.3. Система управления вакуумными насосами
3.4.. Выводы
Глава IV. Расчетные и экспериментальные параметры тонкопленочных Si-x солнечных элементов
4.1. Физические принципы осаждения тонких пленок
4.2. Математическая модель расчета физико-механических свойств покрытий и экспериментальные данные образцов ионно-лучевого осаждения
4.3. Расчетные и экспериментальные данные получения омических контактов, полупроводниковых слоев и металлической гребенки при ионно-лучевом осаждении
4.4. Вывод
Выводы
Список используемой литературы
- Физические основы работы солнечных фотопреобразователей
- Источник ионов Ошибка! Закладка не определена
- Система откачки вакуумной арматуры установки
- Математическая модель расчета физико-механических свойств покрытий и экспериментальные данные образцов ионно-лучевого осаждения
Введение к работе
Основная тенденция развития технологии полупроводниковых приборов
и солнечных элементов в частности - повышение контролируемости
технологических процессов и степени их совместимости.
Способ локальной эпитаксии из пучков низкоэнергетических ионов
выделяется возможностью контроля и управления важнейшими параметрами
потока осаждаемых частиц (энергия, плотность потока, состав и др.). Это
позволяет получать пленочные материалы с определенной топологией и
заданными свойствами и структурой, обладающие повышенной адгезией к
подложке, а также квантово-размерные структуры, использование которых очень
перспективно. Интересным приложением эпитаксии пленок из ионных пучков
<к является возможность получения метастабильных при нормальных условиях
структур, нереализуемых традиционными методами.
Другой отличительной особенностью данного метода является
возможность реализации технологической обработки пластины в замкнутом
цикле, что исключает нарушающее воздействие внешней среды, исключает
необходимость создания условий дорогостоящей чистой комнаты и позволяет
полностью автоматизировать процессы обработки, поскольку все управление
'* установкой можно осуществлять путем изменения соответствующих
электрических величин. Кроме того, безмасочный и безрезистивный процесс на основе данного метода значительно упрощает технологию в целом, исключив обычные способы формирования рисунка и благодаря упрощению процесса, увеличивается выход годных приборов.
Ионное осаждение возможно проводить как сфокусированным пучком,
для получения локальных структур, так и пучком, разведенным в растр, если
{\ необходимо нанесение слоев на всю площадь пластины. С помощью ионного
осаждения можно получать слои самых различных элементов: полупроводников, металлов, оксидов, нитридов. С точки зрения изготовления приборов еще более важен тот факт, что одним и тем же методом можно в принципе последовательно осаждать полупроводниковые, изолирующие и металлические слои в чистых вакуумных условиях. Вариацией энергии падающих на подложку ионов в технологической камере могут проводится различные операции: очистка подложки, синтез сложных соединений, эпитаксиальный рост различных
структур. Ионно-лучевая технология позволяет применять наиболее эффективный и качественный метод тонкой очистки поверхностей от загрязнений — ионную бомбардировку, при которой происходит распыление поверхностных слоев мишени. Происходит очиска поверхности подложки, контактировавшей с окружающей средой, удаляются загрязнения вызванные
ф адсорбированными атомами газа, слоем естественного окисла, атомами и
молекулами, сорбированные поверхностью в процессе предшествующих химических обработок, данный процесс высоко и эффективен и не требует больших энергетических затрат.
Таким образом, учитывая все вышесказанное, можно придти к выводу, что основной отличительной особенностью проектируемой установки является ее универсальность и перспективность. Солнечные элементы, полученные с
'& помощью установки ионно-лучевого осаждения, будут отличаться качеством и
низкой себестоимостью.
г*
*
Физические основы работы солнечных фотопреобразователей
Создание новых технологий получения дешевых солнечных элементов с относительно высоким КПД является одним из приоритетных направлений в области энергетики. Подробнее рассмотрим виды солнечных элементов 1X1. На рисунке 1.1 схематически показаны поперечный разрез и вид сверху солнечного элемента на основе л-р-гамоперехода в Si. Основой элемента является пластина толщиной 500 мкм из монокристалла Si. Толщина пластин выбирается исходя из конструктивных критериев, чем из требований полного поглощения света. В солнечных элементах толщиной 50 мкм получен КПД rjs= 11,8% .
При соответствующем подборе нагрузочного сопротивления вырабатываемая энергия может достигать 80 % произведения Ію Vxx (Ікз — ток короткого замыкания, Vxx — напряжение холостого хода элементов) /31.
Текстурированный или не отражающий свет элемент Comsat-Comsat nonreflecting cell-CNR - пример солнечного элемента совершенной конструкции. Его лицевая сторона текстурирована, т.е. преобразована в трехмерную поверхность, содержащую маленькие пирамидки высотой 1-2 мкм, которые образуются, например, при травлении поверхности (100) Si в анизотропном травителе, содержащем 2-3% NaOH. В этом случае появляются четырехгранные пирамиды, ограненные плоскостями (111), с углом при вершине 70,5. После формирования текстурированной поверхности проводят диффузию фосфора и осаждают лицевой сетчатый токосъем состава Ті - Pd - Ag. Коэффициент отражения чистого кремния уменьшается с -35 % для плоской поверхности до 20 % для текстурированной поверхности. Нанесение дополнительного просветляющего покрытия снижает потери на отражение вплоть до нескольких процентов. Уменьшение отражения приводит к возрастанию как тока короткого замыкания, так и напряжения холостого хода, что в свою очередь повышает эффективность преобразования 151. Для текстурированных элементов в условиях АМО получен КПД выше 15 %.
Траектории световых лучей на идеализированной текстурированной поверхности солнечного элемента при показателе преломления среды n = 1,0 и nSi = 3.8
Гетеропереходы представляют собой переходы, образующиеся при контакте двух полупроводников с различными энергетическими положениями запрещенной зоны. Типичная энергетическая диаграмма п-р-гетероперехода, находящегося в состоянии термодинамического равновесия, показана на рисунке 1.2.
Фотоны с энергией, меньшей Egi, но большей Eg2, будут проходить через слой первого полупроводника, который играет роль оптического окна, и поглощаться во втором полупроводнике. Носители, генерируемые излучением внутри обедненного слоя и в электронейтральном объеме полупроводника в пределах диффузионной длины от перехода, будут коллектироваться переходом подобно тому, как это имеет место в солнечных элементах с п—р-гомопереходами. Фотоны с энергией, большей Egi, поглощаются в первом полупроводнике, и переход будет коллектировать носители, генерируемые этим излучением на расстоянии от перехода, не превышающем диффузионную длину, либо непосредственно в области пространственного заряда перехода.
Преимущества солнечных элементов с гетеропереходами перед обычными солнечными элементами ср—л-переходами состоят в следующем: а) в увеличении спектрального отклика в коротковолновом диапазоне при условии, что энергия Egi достаточно велика и фотоны с высокой энергией поглощаются в обедненном слое второго полупроводника; б) в понижении последовательного сопротивления при условии, что первый полупроводник можно сильно легировать, не ухудшая при этом условия прохождения света через него; в) в высокой радиационной стойкости, если первый слой полупроводника достаточно толстый и полупроводник имеет широкую запрещенную зону /20/. Интересным примером солнечного элемента с гетеропереходом является гетеропереход проводящее стекло - полупроводник. К проводящим стеклам относятся окисные полупроводники, такие, как окисел индия (ІП2О3 с Eg=3,5 эВ и электронным сродством х=4 45 эВ), окисел олова (БпОг с Eg=3,5 эВ и электронным сродством X = 4,8 эВ) и окисел сплава индия и олова (ITO, смесь ІП2О3 и SnCh с Eg=3,7 эВ и электронным сродством х от 4,2 до 4,5 эВ). Эти окисные полупроводники в виде тонких пленок обладают замечательным сочетанием хорошей электрической проводимости и высокой оптической прозрачности. Поэтому они играют роль части гетероперехода и просветляющего покрытия. Значения КПД лежат в диапазоне 12 - 15 %. Для солнечных элементов n-ITO/p-InP в условиях климата России КПД =14%.
Для получения высокой эффективности преобразования был предложен каскадный солнечный элемент с гетеропереходами он представлен на рисунке 1.3. Прибор состоит из широкозонного (Eg=l,59 эВ) и узкозонного (Eg=0,95 эВ) элементов, последовательно соединенных туннельным диодом на гетеропереходе. Туннельный диод создается во время единого цикла изготовления такой монолитной структуры. На рисунке также показана лицевая гетероповерхность, которая служит оптическим окном и позволяет снизить потери от поверхностной рекомбинации. Свет, который проходит первый элемент, не поглощаясь в нем, не поглотится также в сверхтонком туннельном диоде, а приведет к генерации и коллектированию носителей в узкозонном элементе. Оптимизировав соотношение между запрещенными зонами этих двух элементов, можно уравнять значения их рабочих токов. При этом предельное теоретическое значение КПД в климатических условиях России при комнатной температуре оказывается выше 30 %. К недостаткам этих элементов относится высокая энергоемкость, дороговизна материалов и относительно низкий КПД для большинства элементов. Известен солнечный элемент с барьером Шоттки, на лицевую поверхность которого наносят слой металла. Слой металла должен быть достаточно тонким, чтобы основная доля света достигала полупроводника /23/. Можно выделить три компоненты фототока.
Источник ионов Ошибка! Закладка не определена
Для образования ионов, используемых при бомбардировке поверхности распыляемой мишени, между анодом и катодом в вакуумной камере создается тлеющий разряд. Он характеризуется наличием двух основных областей: небольшой по протяженности прикатодной, в которой сосредоточено основное падение потенциала, называемое прикатодным падением потенциала и области столба разряда, представляющей собой сильно ионизированный газ - плазму с высокой проводимостью. При сближении электродов анода и катода в первую очередь уменьшается протяженность положительного столба разряда. Электроны могут выходить из катода под действием фотоэмиссии. Для увеличения плотности эмиссии электронов применяют термоэмиссионные катоды. В сильном электрическом поле катодного падения потенциала электроны набирают энергию, определяемую напряженностью электрического поля и их подвижностью в данной области. Ионизация ведет к образованию положительных ионов газа. Ионы устремляются к мишени, на которую подан отрицательный потенциал относительно плазмы разряда, и распыляют ее /1/.
Явление физического распыления обусловлено передачей ускоренным ионом атому мишени энергии, превышающей пороговую энергию смещения, последующим перемещением атома в направлении к поверхности мишени и вылетом из нее. Основным механизмом катодного распыления является процесс передачи импульса либо путем непосредственного столкновения ускоренного иона с атомом мишени, либо путем ряда вторичных столкновений первично смещенных атомов. Очевидно, что при нормальном падении ионного пучка на мишень распыление может происходить только при последовательных вторичных столкновениях.
Пользуясь соотношением (2.4) определим значение коэффициента Ко. Пользуясь соотношением (2.5) Найдем максимальный коэффициент распыления, где N2=5,91 10 см" - число атомов мишени, распыленных с единицы поверхности при облучении ее потоком ионов с максимальной дозой.
Особое место в формировании ионных пучков принадлежит устройству экстракции пучка, которое является первым, а иногда и единственным фокусирующим элементом инжектора. Система извлечения и первичного формирования пучка для слаботочных источников ионов обычно представляет собой трехэлектродную одиночную или иммерсионную линзу с аксиально-симметричной оптикой. В сильноточных экстракторах используется щелевая оптика.
Для стабильной работы экстрактора от ионного источника требуется неизменность во времени полной интенсивности ионного пучка, его состав /15/.
Геометрия элементов источника в процессе эксплуатации подвергается непрерывным изменениям из-за износа в результате катодного распыления. Поэтому форма границы плазмы меняется во времени и должна регулироваться воздействием тока и напряжения разряда, напряженностью магнитного поля и скоростью изменения давления газов или паров рабочих веществ, а также изменением потенциала экстракции. Форма границы плазмы может считаться первым наиболее важным электродом линзы, определяющим качество и расходимость пучка ионов /18/.
Ионная оптика экстрактора достаточно хорошо изучена применительно к ускорительной технике и технике электромагнитного разделения изотопов. На конечную расходимость пучка оказывают воздействие различные факторы: кривизна границы плазмы, пространственный заряд, геометрия электродов, фокусирующее воздействие второго электрода системы, нестабильность плазмы разряда. Исследования этих процессов посвящено большое число работ. При расчетах ионной оптики экстрактора используют теоретическую зависимость Ленгмюра — Блоджетта, описывающую поток заряженных частиц между электродами различной формы /37/.
Для более детальной оценки используется несколько корректирующих коэффициентов, полученных экспериментальным путем зависящих от реальной геометрии пучка и системы экстракции и состава плазменного пучка /41/. Сложность и трудоемкость машинных расчетов геометрии экстракторов не позволяет использовать эту методику в инженерной практике, так же как и принятую в электронной оптике методику расчета пирсовской геометрии электродов из-за различия форм границы плазмы (расчетной и экспериментальной). В процессе расчетов применялся метод Монте-Карло разбиение расчета на составляющие: количественный расчет движения каждого составляющего иона в ионном пучке.
Введение третьего электрода, находящегося под отрицательным потенциалом по отношению к экстрактору, создает потенциальный барьер на пути движения электронов из одного пучка в разрядную камеру, тем самым, нейтрализуя пространственный заряд пучка ионов в области между вторым и третьим электродами, и изменяет угловую расходимость пучка, не меняя его энергии. Многие системы экстракции не содержат третьего электрода, при этом под небольшим отрицательным потенциалом находится второй электрод. В этом h
Схема ионно-оптической системы случае роль третьего электрода отводится корпусу источника, находящемуся под нулевым потенциалом относительно высоковольтного терминала инжектора. Как уже отмечалось, наибольшее влияние на угловую расходимость ионного пучка и извлекаемый ионный ток оказывает межэлектродное расстояние d. Это расстояние выбирается из условий, чтобы искрение было минимальным, и не возник пробой. Максимальное напряжение экстракции составляет С/в«6-104 d.
Однако это выражение относится к источникам, использующим конденсирующиеся пары, где пробой может возникать из-за осаждения рабочего вещества на поверхностях электродов. Поэтому в некоторых сильноточных конструкциях применяются подвижные системы экстракции /43/.
Важнейшим параметром пучка является нестабильность тока. При высокой нестабильности возможна декомпенсация пространственного заряда интенсивного пучка. Кроме того, низкочастотные колебания могут привести к неоднородности осаждения.
Однако если низкочастотные колебания вызваны в основном нестабильностями в электрических цепях питания ионного источника, то высокочастотные колебания (на уровне 20-500 кГц) вызваны "шумами" в плазме ионного источника. При этом изменяется постоянно и форма границы плазмы. Уровень «шума» может быть значительно ослаблен при увеличении давления в разрядной камере в области катода.
Для получения устойчивой и стабильной границы плазмы, из которой происходит отбор ионов, применяют различные системы регулирования. Все они основаны на использовании системы датчиков, фиксирующих значение каждого из параметров, поддающихся непосредственному регулированию и управлению их значениями. Тем самым обеспечиваются необходимые характеристики пучка /45/.
Система откачки вакуумной арматуры установки
Так как для чистоты ионно-лучевой эпитаксии необходим глубокий вакуум, то чтобы его создать использовали двухуровневую вакуумную систему. Первый уровень вакуумной системы состоит из последовательно соединённых форвакуумного насоса, диффузионного насоса и жёстко соединённого с ним гетеро-ионного насоса в совокупности позволяющих получать в рабочей камере необходимый вакуум и поддерживать его в процессе работы. В процессе работы ионного источника будет выходить нейтральный газ, влияющий на процесс эпитаксии, чтобы исключить паразитное влияние источника плазмы ввели второй уровень - диффузионный насос, жёстко скреплённый с рабочей камерой /57/,/60/. Достижение предельных характеристик вакуумной системы связанно с надёжным уплотнением разъёмных соединений. В процессе сборки установки были использованы фланцевые, штуцерные, соединения с применением вакуумных шлангов и соединения с помощью не затвердевающих вакуумных замазок, при чём последние обычно ведут к загрязнению и не были использованы в соединениях с рабочей камерой и нагревательными элементами установки /18/. Во фланцевых соединениях в качестве уплотнителя использовали вакуумную резину и фторопласт, допускающие многократную сборку и доработку конструкции. При соединении рабочей камеры с вакуумными узлами и датчиков вакуума использовалось объёмно сжатое уплотнение обеспечивающие наибольшую герметичность соединений. Схематичное изображение рабочей камеры установки представлено на рисунке 3.2.
При определении сечения уплотнителя исходили из того, что резина несжимаемый материал. В данном случае площадь сечения уплотнителя выбирали из расчёта 90-95% от площади сечения канавки под уплотнитель для более герметичного и долговечного соединения. Величина сжатия уплотнителя по высоте, гарантирующая герметичное соединение при комнатной температуре, оценивается в 20-25% высоты уплотнителя, так как в нашем случае допускается нагревание рабочей камеры, то величина сжатия уплотнителя в соединении рабочей камеры с вакуумными узлами была увеличена до 30-35% для более герметичного соединения. Шероховатость поверхности фланцевых соединений была доведена до 2,5 мкм, данный порядок вполне удовлетворяет требованиям, к герметичности предъявляемым к фланцевым соединениям с резиновым уплотнением. Таким образом, добились того, что суммарное натекание через соединения не превышает 1,0-10"6 л-мкм рт. ст./с). Выделяющиеся из резины в процессе эксплуатации соединений смолянистые вещества налипают на поверхность фланцев, на которых в результате этого скапливаются различные соединения и вырываемые из уплотнителя кусочки резины. Для предотвращения этих процессов перед сборкой поверхности фланцев были очищены и протёрты ацетоном. Для предотвращения газовьщеления из резины перед сборкой в соединение проводилось её обезгаживание /20/.
Для этого её поместили в вакуум и нагревали в течении 10-15 ч. при этом газовыделение значительно снижается, достигая практически постоянной величины. При последующем охлаждении газовыделение резко снижается до величины много меньше первоначального газовыделения при той же температуре /38/. Для закрепления вакуумных датчиков в областях глубокого вакуума использовались штуцерные соединения, обеспечивающие более герметичное соединение вакуумных трубок малого диаметра.
При соединении форвакуумного насоса с вакуумной системой и выхлопов вакуумных насосов использовались соединения трубопровода с помощью резинового вакуумного шланга. Для более плотного сжатия концы трубопровода были расточены приблизительно на 2 диаметра, а само соединение трубки и шланга прижато хомутом. При проектировании вакуумной системы установки были использованы вакуумные клапаны с ручным приводом. Все они были проверенны на герметичность и работоспособность, откорректированы и прочищены ацетоном. Для повышения надёжности и срока службы были подобраны клапаны с ограниченным ходом штока, где исключалась бы возможность скручивание сильфона, и срок его службы был максимальным. Для уменьшения износа и уменьшения трения запорной арматуры во фланец клапана бала введена консистентная смазка.
На границе рабочей камеры и насосов глубокого вакуума был установлен байпас с большим сечением входного и выходного диаметра с резиновым уплотнением запирающей части и манжетным уплотнением Вильсона на передающем вале затвора. Для обеспечения лучшей герметичности и сохранности уплотнителя в качестве смазки использовалось вакуумное масло.
Измерение давления в областях неглубокого вакуума в проектируемой установке происходит с помощью деформационных вакуумметров в качестве чувствительных элементов имеющий герметичную упругую перегородку, способную деформироваться под действием приложенной к ней разности давлений. Соединение вакуумметров с системой осуществлено штуцерным соединением с фторопластовым уплотнителем. В рабочей камере и областях среднего вакуума был применён термопарный вакуумметр, значительно расширивший область измеряемого вакуума. Действие, которого основано на зависимости теплопроводности газа от давления. Для большей точности показаний термопарных вакуумметров были использованы стабилизаторы поддерживающие напряжение питающей сети постоянной и в помещении где расположена установка температура окружающей среды поддерживается постоянной.
Математическая модель расчета физико-механических свойств покрытий и экспериментальные данные образцов ионно-лучевого осаждения
Теоретическое описание качественных характеристик тонкопленочных покрытий предполагает построение комплексной математической модели, охватывающей как процессы конденсации покрытия с учетом всей совокупности происходящих на поверхности физических явлений, так и связь структуры сформированного покрытия с качественными характеристиками. Попытки построения модели роста покрытия и формирования его свойств предпринимались неоднократно. Однако существующие модели, во-первых, слишком громоздки для практической реализации, во-вторых, не носят комплексного характера и в большинстве случаев не рассматривают всей совокупности поверхностных явлений, делая упор либо на начальную фазу роста, либо на заключительный этап формирования структуры. Между тем комплексная теория формирования качественных характеристик покрытия должна охватывать все стадии роста пленки и быть пригодной для практического использования в виде пакета прикладных программ /57/.
Модель описания свойств покрытия основана на предположении о формировании структуры из отдельно растущих частиц новой фазы на поверхности подложки /61/. Справедливость данного предположения для приведенных выше условий подтверждена многочисленными экспериментами.
Особенности процесса коалесценции частиц, зависящие от условий на поверхности (температура, поверхностный заряд, наличие или отсутствие адсорбированного слоя) и параметров плазмы (энергия, состав и плотность потока), определяют структуру покрытия. В рамках данной модели зависимость адгезии от структуры определяется неполным контактом пленки (состоящей из коалесцировавших частиц) с подложкой. Сила адгезионного сцепления покрытия с подложкой является одной из важнейших характеристик. В данной модели рассматривается физическая сила адгезионного сцепления. Поскольку составляющие покрытие частицы являются объектами весьма малых размеров, то суммируется энергия взаимодействия входящих в состав пленки атомов с подложкой /64/.
Можно выделить четыре характерные области изменения структурного параметра адгезии в зависимости от радиуса островков, т.е. от условий коалес-ценции (рисунок 4.2). Первая область лежит от Го" до 1. Вторая область лежит от Го до Го". Третья область лежит от 0 до Го . Четвертая область лежит за отметкой Го 1. Область сильного влияния структуры на адгезию (см. область 1, рисунок 4.2). В данной области зоны контакта островков новой фазы не перекрываются.
Малые изменения ширины зоны срастания приводят к существенному изменению площади контакта пленки с подложкой и, следовательно, к существенному изменению величины адгезии. Геометрически условие перекрытия выражается равенством
Эта формула является полным выражением для силы адгезионного сцепления. На рисунке 4.3 показана зависимость силы адгезии от межатомного расстояния, в расчетах в виде подложки использовалось кварцевое стекло.
На рисунке 4.4 приведено схематическое изображение математической модели осаждения эпитаксиальных слоев /13/. Ионный луч сфокусирован отклонение атомов от заданной траектории минимально. Концентрация ионов в луче на единицу площади выше 1018 ион/дм2, скорость роста тонкопленочного слоя максимальна свыше 10 мкм/мии. Происходит формирование поликристаллических тонкопленочных слоев с высокой упаковкой атомов в решетке. Сила адгезии поликристаллических слоев к подложке в данном случае достигает свыше 6 кг/мм . Данная модель осаждения применима к получению металлической гребенки тонкопленочпого солнечного элемента бесшаблонным методом.
На рисунке 4.5 представлено схематическое изображение математической модели осаждения ионов Si растровым ионным пучком на подложку из GaAs с учетом структуры подложки. В данном случае концентрация ионов в луче на единицу площади порядка 10 ион/дм , скорость роста поликристаллических слоев порядка 1 мкм/мин. Адгезия слоя к подложке варьируется в пределах 2-6 кг/мм . Данная модель осаждения применима к получению полупроводниковых слоев поликристаллического солнечного элемента методом ионно-лучевого осаждения.
