Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние технологии кремниевых солнечных элементов для солнечных батарей
1.1 Зарубежные и отечественные фотопреобразователи для солнечных батарей 9
1.2 Технологические решения 12
1.3 Методы контроля электрических параметров солнечных элементов 24
1.4 Технологические решения, направленные на снижение отражения света 28
1.5 Выводы по главе 32
2 Методы оценки и оптимизации основных параметров структур для солнечных элементов
2.1 Методика определения рекомбинационных параметров кремниевых структур солнечных элементов 33
2.2 Определение тока короткого замыкания солнечных элементов по измерению спектральной ампер-ваттной чувствительности 35
2.3 Анализ чувствительности солнечных элементов в ультрафиолетовой области спектра 38
2.4 Методика и программа для оптимизации параметров многослойных антиотражающих покрытий и структур солнечных элементов 42
2.5 Выводы по главе 49
3 Разработка технологии и методик контроля параметров полупроводниковых структур для кремниевых солнечных элементов
3.1 Анизотропное травление и изготовление экспериментальных мембранных образцов структур солнечных элементов на пластинах кремния с ориентацией [100] 50
3.2 Прецизионная регулировка толщины диффузионного слоя элементов солнечных батарей 65
3.3 Оптимизация топологии металлизации солнечных элементов 68
3.4 Стенд для измерения спектральной зависимости тока короткого замыкания солнечных элементов 73
3.5 Контроль механических напряжений в элементах солнечных батарей и полупроводниковых структурах 76
3.6 Выводы по главе 80
4 Исследование возможности использования алмазоподобных пленок в качестве просветляющих и защитных элементов солнечных батарей
4.1 Получение АПП и исследование их электрофизических параметров 81
4.2 Исследование возможности применения АПП в технологии изготовления СЭ 91
4.3 Влияние облучения на свойства алмазоподобных пленок и солнечных элементов, покрытых алмазоподобными пленками 97
4.4 Выводы по главе 100
Заключение 101
Список использованной литературы 102
Приложение 1. Текст программы 111
- Методы контроля электрических параметров солнечных элементов
- Определение тока короткого замыкания солнечных элементов по измерению спектральной ампер-ваттной чувствительности
- Прецизионная регулировка толщины диффузионного слоя элементов солнечных батарей
- Исследование возможности применения АПП в технологии изготовления СЭ
Введение к работе
Актуальность работы
Совершенствование энерго-массовых характеристик систем
энергоснабжения космических аппаратов, основанных на фотопреобразовании солнечной энергии в электрическую, являлось актуальной научно-технической задачей в течение всего времени существования практической космонавтики, так как' непосредственно влияло на эффективность применения космических средств. Возникшие в последние годы потребности увеличения сроков активного существования космических аппаратов и их энерговооруженности выявили проблемы повышения начальной эффективности солнечных элементов (СЭ), снижения веса солнечных батарей (СБ) и уменьшения деградационных потерь в течение срока активного существования летательных аппаратов и спутников.
Таким образом, возникает ряд задач, в том числе и конструкторско-технологического характера. Увеличение чувствительности СЭ в ультрафиолетовой области спектра и повышение радиационной стойкости возможно, во-первых, за счет уменьшения глубины залегания p-n-перехода, во-вторых, за счет уменьшения толщины самого СЭ. Это же позволит одновременно значительно снизить массу СБ.
Реализация этих задач требует создания методики комплексного контроля параметров как уже готовых СЭ, так и на различных этапах технологического процесса их изготовления, а главное — требуется усовершенствование технологии изготовления структур для таких СЭ.
Цель работы
Разработка технологии изготовления мембранных полупроводниковых
структур для использования в СЭ космического назначения с уменьшенной
массой и повышенной радиационной стойкоствіо^0и національная і
БИБЛИОТЕКА |
4 Для достижения указанной цели в процессе работы решались следующие задачи:
- разработка новых методик определения свойств СЭ;
анализ влияния «мертвого слоя», т.е. слоя, не вносящего вклад в фототок, вблизи лицевой поверхности на параметры СЭ;
разработка новых методик и программ для расчета многослойных просветляющих покрытий;
- создание методики определения и разработка программ для расчета тока
короткого замыкания СЭ по спектральной чувствительности с подсветкой;
- разработка методик и аппаратуры для исследования спектральной
чувствительности СЭ, параметров диэлектрических и металлических слоев СЭ,
определения механических напряжений, толщины и показателя преломления
диэлектрических и просветляющих слоев СЭ;
разработка технологии «мембранных» структур для СЭ космическою назначения с уменьшенной массой и повышенной радиационной стойкостью;
разработка технологии прецизионного утонения диффузионных слоев с целью получения СЭ с повышенной фоточувствительностью в коротковолновой области спектра;
- определение возможности использования алмазоподобных пленок
(АПП) в технологии изготовления СЭ в качестве просветляющих и защитных
покрытий.
Научная новизна
1. Предложенная методика расчета параметров многослойных просветляющих покрытий СЭ, особенностью которой является учет влияния
защитного стекла на лицевой поверхности СЭ и подбор толщин и показателей преломления слоев по критерию «достижение максимальной плотности тока короткого замыкания», позволяет определять оптимальные значения толщин и показателей преломления просветляющих покрытий;
-
Предложенная конструкция кремниевых мембранных структур и, в частности, новая конструкция мембранных структур СЭ с линиями периферии, не совпадающими с кристаллографическими направлениями легкого скола, может использоваться для создания СЭ толщиной 80-120 мкм с повышенной механической прочностью, предназначенных для ультралегких панелей СБ;
-
Новая методика прецизионного утонения диффузионного п+-слоя, основанная на организации циклов «окисление в кипящей HN03 - стравливание оксида в HF», позволяет регулировать толщину удаляемых слоев кремния с точностью до 5 нм;
-
Разработанная методика определения основных параметров СЭ по измерению спектральной фоточувствительности СЭ на переменном сигнале с одновременной подсветкой, обеспечивает возможность проведения измерений в режиме тока короткого замыкания;
-
Показано, что АПП, полученные нанесением из ионного источника и СВЧ-методом с использованием электронного циклотронного резонанса (ЭЦР), могут быть использованы в качестве многослойных антиотражающих и защитных покрытий СЭ.
Практическая ценность
-
Разработана методика и аппаратура, позволяющая определять основные параметры СЭ (ток короткого замыкания 1„з, напряжение холостого хода Uxxj напряжение и ток, соответствующие максимальной отдаваемой мощности ІмакСі имакс) на основе измерения спектральной фоточувствительности СЭ с подсветкой с последующим измерением нагрузочной характеристики;
-
Создана установка, позволяющая определять значения механических напряжений в полупроводниковых структурах («кремний — диэлектрик», «кремний — диффузионный слой», «кремний — металлизационный слой», «кремниевая основа СЭ - металлизационная система» и др.);
-
Получены, исследованы и внедрены для использования в ФГУП НПО «КВАНТ» при разработке СБ космического назначения с улучшенными
масс-энергетическимш характеристиками и повышенной, радиационной стойкостью «мембранные» структуры-СЭ на «основе монокристаллического, кремния.
На защиту выносятся следующие положения и выводы
-
Оптимальные параметры многослойных просветляющих покрытий солнечных элементов могут быть рассчитаны при учете влияния защитного -стекла на лицевой поверхности СЭ методом подбора толщин»и показателей» преломления слоев по критерию «достижение максимальной плотности тока короткого замыкания». При этом учитываются: спектральная плотность мощности солнечного излучения, толщина «СЭ, толщина «мертвого» слоя, вблизи поверхности СЭ, коэффициент отражения на тыльной стороне СЭ;
-
Конструкции, и технология полупроводниковых «мембранных» структур на основе монокристаллического кремния могут быть использованы в СЭ с уменьшенной массой и повышенной радиационной стойкостью;
-
Методика прецизионной регулировки толщины»и поверхностного сопротивления, диффузионных слоев, основанная» на сочетании циклов «окисление кремния в кипящей НЫОз - стравливание оксида в HF», обеспечивает регулировку толщины удаляемых слоев кремния с точностью 5 нм;
-
Методика и аппаратура для» измерения спектральной-фоточувствительности СЭ с подсветкой позволяет определять, основные' параметры СЭ, контролировать технологические процессы изготовления СЭ, определять диффузионную длину и скорость поверхностной рекомбинации на. тыльной стороне кремниевых СЭ.
-
На основе, исследований параметров АПП сделан вывод о возможности, их использования в качестве антиотражающих и защитных-покрытийСЭ.'
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались
на Второй Российской Конференции по материаловедению и. физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния («Кремний — 2000»), МИСиС, Москва, 2000 г.;
на конференции молодых специалистов ГУЛ НПП «Пульсар». «Твердотельная электроника. Комплексированные изделия. Экономика научных разработок», Москва, 2001 г.;
на 50-ой юбилейной научно-технической конференции МИРЭА; Москва, 2001г.;
на Всероссийской научно-технической Конференции «Микро- и наноэлектроника2001» г. Звенигород, 2001 г.;
на 51-ой научно-технической конференции МИРЭА, Москва,
2002 г.;
на 14-й научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления «Датчик-2002», Крым, Судак, 2002 г.;
на конференции молодых специалистов ГУЛ НПП «Пульсар» «Твердотельная электроника. Комплексированные изделия. Экономика научных разработок», Москва, 2002 г.;
на Научной конференции ГУП НПП «Пульсар» «Твердотельная СВЧ электроника, приборы силовой электроники, микроэлектроника и изделия на основе ПЗС» Москва, 2003 г.;
на 52-ой научно-технической конференции МИРЭА, Москва,
2003 г.;
на 15 научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления «Датчик-2003», Крым, Судак, 2003 г.
Публикации
По результатам диссертационной/работы опубликовано, 17 печатных работ.
Структура и объем диссертации
Диссертация 1 состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, и приложения. Общее содержание работы изложено па 118 страницах машинописного текста, содержит 57 иллюстраций и 15 таблиц.
Методы контроля электрических параметров солнечных элементов
Стенд для измерения ВАХ включает в себя солнечный имитатор, испытательную подложку с приспособлениями для крепления эталонного СЭ и испытуемых образцов, электрическую схему измерений, состоящую из вольтметра, амперметра и переменного сопротивления,
Исследуемые СЭ или группы СЭ (системы, состоящие из последовательно - параллельно соединенных между собой СЭ) устанавливаются на медной подложке с приспособлениями для измерений. Измерения ВАХ проводят при фиксированной температуре, поддерживаемой в результате теплового контакта образца с полой медной подложкой, охлаждаемой водой, прогоняемой через термостат.
Измерение ВАХ осуществляется путем измерения значений сопротивления нагрузки от «О» до бесконечности. На основе полученной ВАХ рассчитываются основные фотоэлектрические параметры: плотность тока короткого замыкания (JK3), напряжение холостого хода (U ), оптимальное напряжение (Uom), напряжение на СЭ, при котором генерируется максимальная мощность (Рт), коэффициент заполнения ВАХ (FF), коэффициент полезного действия (КПД).
Перед измерениями проводится настройка имитатора с помощью эталонного СЭ. Такая процедура необходима, поскольку даже у высококачественных имитаторов внеатмосферного излучения энергетическое распределение излучения отличается от стандартных условий AM 0 (мощность солнечного излучения за пределами земной атмосферы, равная 1353 Вт/м2). Градуировка эталонов применительно к мощности потока и спектру внеатмосферного солнечного излучения осуществляется в стандартных условиях облучения.
Использование эталонных СЭ позволяет проводить удовлетворительные по точности измерения на имитаторах с плохой коррекцией спектра и даже при использовании источников излучения с произвольным спектральным распределением энергии.
Одной из важнейших характеристик СЭ, наряду с ВАХ является его спектральная фоточувствительность, т. е. зависимость плотности тока короткого замыкания (JK3), рассчитанного на единицу энергии падающего излучения (Е), от длины волны (Я). Спектральное распределение квантовой эффективности Q используется для определения рекомбинациопных параметров СЭ, таких как диффузионная длина ННЗ в базе и легированном слое СЭ [39, 40]. Интенсивность света на выходе монохроматора на несколько порядков величины меньше интенсивности света для условий внеатмосферного солнечного излучения. Известно, что эффективность СЭ определяется условиями рекомбинации генерированных светом носителей заряда [41]. Следует отметить, что рекомбинационные параметры СЭ, полученные из спектральной фоточувствительности, могут сильно отличаться от тех, которые определяют КПД СЭ в рабочем режиме, т.е. в условиях AM 0. В связи с этим актуальной задачей является разработка методики, при которой исключаются указанные ограничения. Спектральная характеристика фоточувствительности СЭ является важным инструментом для определения электрофизических параметров прибора в легированной и базовой областях СЭ. Анализ различных спектральных областей фоточувствительности позволяет проводить оценку глубины залегания р-п-перехода, скорости поверхностной рекомбинации на лицевой стороне СЭ, диффузионной длины носителей заряда в высоколегированной и базовой областях СЭ. В ранних статьях и патентах, посвященных методам изготовления СЭ, были рассмотрены вопросы создания текстурированной поверхности и двухслойных антиотражающих покрытий [42-44]. В частности, рассматривались двухслойные покрытия Si02 (7,5-10 нм) + Біз ( 100 нм) Применение однослойных и двухслойных антиотражающих покрытий является стандартной технологической операцией при создании СЭ, в основном, космического применения. Уже достаточно давно используются подобного рода покрытия с толщиной первого слоя - 60-80 нм и nj=2,3 и с толщиной второго слоя 100 нм И ГІ2 І,7-1,8. Для предотвращения разрушения пленки нитрида кремния в качестве защитного покрытия СЭ от воздействия излучения с длиной волны 180-200 нм на ее поверхность наносят фильтр из органического полимерного материала, который срезает излучение с этой длиной волны [45] Текстурирование поверхности СЭ также является стандартной операцией. Некоторые новые режимы текстурирования приведены в [46]. Однако необходимо заметить, что методы [46] являются весьма сложными в технологическом плане и в практических условиях они не применяются. В патенте [47] детально расписан весь технологический процесс создания СЭ с текстурированной поверхностью, создаваемой без использования процесса фотолитографии методом анизотропного травления. Указано, что создание оксида кремния на лицевой стороне толщиной ПО нм пригодно для минимизации отражения солнечного света. В работе [48] рассмотрены различные методы получения антиотражающих покрытий. В качестве таких покрытий, используются MgF2, SiC 2, SiO, Т1О2 и Та2С 5 они уменьшают отражения до 10% в диапазоне длин волн от 0,4 мкм до 1,1 мкм. Как изложено в работе [48], двойные антиотражающие покрытия уменьшают отражение до 3-5% в указанном диапазоне. Для СЭ без антиотражающих покрытий с текстурированной фронтальной поверхностыо, с созданием регулярных пирамидок или пористого кремния, коэффициент отражения понижается до 12-18%. Для текстурированной поверхности, которая покрыта двойными слоями антиотражающих покрытий, таких как ZnS/MgF2, Ti02/MgF2, ТІО2/АІ2О3, коэффициент отражения в среднем падает до 2-5%. При использовании таких покрытий получены коэффициенты преобразования порядка 24%, при AM 1,5 Т=25С и 20,3% при АМО соответственно.
Определение тока короткого замыкания солнечных элементов по измерению спектральной ампер-ваттной чувствительности
Технологический процесс создания мембранных образцов включает следующие основные этапы.
Исходной структурой является пластина кремния диаметром 76 мм с р-п-переходом, из которой вырезаются квадраты 54x54 мм. Проводится создание на поверхности пластины слоев ЗЮг и Si3N4, а затем фотолитография для создания окон под анизотропное травление для создания утоненной области -«мембраны» элемента. После удаления маскирующих слоев проводится ионная имплантация бора с тыльной стороны пластины для создания подконтактных областей для тыльных контактов. Затем проводится создание рисунка металлизации на лицевой стороне при использовании фотошаблона, специально разработанного для этих целей, по стандартной технологии ФГУП НПО «КВАНТ». Создается оксид кремния на тыльной поверхности элемента и проводится фотолитография по оксиду с целью вскрытия окон под создание металлических контактов тыльной стороны. Далее наносится алюминий по всей поверхности для создания контактной металлизации к кремнию и одновременно - зеркального слоя, отражающего длинноволновую часть спектра. После этого проводится нанесение системы «титан-палладий-серебро» по всей площади тыльной поверхности. В заключении осуществляется гальваническое осаждение серебра на металлизацию лицевой и тыльной сторон СЭ. Структура СЭ представлена на рис. 3.1.
Процесс травления кристалла может быть представлен как поэтапное удаление атомных слоев с его поверхности. Особенностью анизотропного травления (AT) является то, что в разных кристаллографических направлениях скорость удаления атомных слоев с поверхности травления неодинакова. Это объясняется различной плотностью упаковки атомов в разных кристаллографических плоскостях и различным характером их связи между собой и внутренними атомами объема кристалла, то есть в основе механизма AT лежит кристаллическая структура. Из двух наиболее употребляемых плоскостей (111) и (100) плотность упаковки атомов: наибольшая в (111), наименьшая — в (100). В соответствии с этим наименьшую скорость травления во всех травителях имеет плоскость (111).
Наряду с ориентацией исходной поверхности пластины кремния форма фигур анизотропного травления определяется [87] следующими факторами: видом маски (для формирования лунок или мезаструктур), формой и ее ориентацией на поверхности пластины, типом анизотропного травителя, концентрацией компонентов, температурой и временем травления. Эти факторы можно условно разделить на две категории; структурные и технологические. Первые определяются взаимным отношением топологии маски для локального травления и кристаллической структурой полупроводникового материала, вторые - режимом процесса AT.
Огранку фигуры травления образуют грани, ребра и углы. Равновесной формой «внутренних» фигур локального травления (окон в слое маскирующего покрытия) является форма, ограниченная плоскостями {111}, которые во всех известных анизотропных травителях имеют минимальную скорость травления. Для «внешних» фигур (локальные участки поверхности, защищенные слоем маскирующего покрытия) равновесная форма ограничена плоскостями с наибольшими скоростями травления, а ребра и углы фигуры травления формируются плоскостями с малыми скоростями травления.
Плоскость (100) пересекается четырьмя плоскостями {111} под углом 54,74. В этом случае при ориентации сторон прямоугольного окна в окисле вдоль направления [110] или перпендикулярно к нему получаются фигуры травления пирамидальной формы с боковыми стенками, ограниченными плоскостями {111}, и дном, ограниченным плоскостью {100}. Аналогичная картина наблюдается при непосредственном травлении пластин (100) в анизотропных травителях. Анизотропные травители растворяют кремний в плоскости (100) до тех пор, пока травление не дойдет до плоскостей (111), начинающихся у края окна в пленке SiC 2. После того, как участки плоскостей (100), выходящие на поверхность, стравливаются, скорость травления резко падает, так как дальнейшее травление идет со скоростью травления плоскости (111). В работе [87] дан обзор анизотропных травителей, в составе которых используются такие вещества, как гидразин, этилеидиамии, пирокатехин, различные виды щелочных травителей. При выборе анизотропного травителя были учтены следующие соображения: 1) гидразин представляет собой сильнейший яд, работа с ним опасна. 2) использование травителя на основе этилендиамина - пирокатехина требует специального оборудования, хотя преимуществом этого травителя является низкая скорость растворения в нем двуокиси кремния. 3) щелочные травители являются наиболее удобными и простыми для работы. К их недостатку относится более высокая скорость травления в них S1O2 по сравнению с другими анизотропными травителями. 4) сравнение характеристик анизотропных травителей и анализ отечественного и зарубежного опыта привело нас к выводу об использовании в дальнейших экспериментах травителей на основе щелочных растворов.
Прецизионная регулировка толщины диффузионного слоя элементов солнечных батарей
Известно [78], что коэффициент полезного действия и вид спектральной характеристики кремниевых фотоэлектрических датчиков и элементов солнечных батарей с p-n-переходом определяется, в том числе, и рекомбинационными потерями во фронтальном слое р-п-перехода прибора, на которое падает прямое излучение. Эти потери генерированных излучением носителей сказываются, в основном, на коротковолновой области спектральной характеристики. Для коротких длин волн коэффициент собирания «Q», равный отношению количества электронно-дырочных пар, разделенных полем р-п перехода, к общему количеству генерированных светом электронно-дырочных пар, зависит от величины потерь в области п+-слоя с высокой Оже-рекомбинацией. Поэтому для увеличения коротковолновой чувствительности необходимо, в частности, снижать толщину фронтального слоя, которая в современных СЭ составляет доли микрометра. Такой подход на практике связан с решением двух проблем: 1) необходима технология контролируемого прецизионного стравливания кремния равномерно по всей поверхности прибора, площадь которого составляет единицы и десятки квадратных сантиметров, с точностью не хуже сотой доли микрометра; 2) увеличение сопротивления растекания носителей тока во фронтальном слое из-за уменьшения его толщины приводит к росту электрических потерь и уменьшению общей чувствительности; поэтому необходим контроль сопротивления оставшегося слоя. Экспериментальная практика реализации такого подхода [1] подтверждает справедливость сказанного: уменьшение глубины залегания р-п-перехода с 0,4 мкм до 0,2 мкм позволяет существенно увеличить фоточувствительность в коротковолновой (X 0,6 мкм) области спектра, но при этом возрастают электрические потери. Для экспериментальной проверки развитых выше положений проводились измерения спектральной чувствительности СЭ при различном воздействии на поверхность образцов. Образцы СЭ имели толщину около 300 мкм и полосковую металлизацию на лицевой поверхности. Просветляющее покрытие на лицевой стороне СЭ не наносилось. Обратная сторона была полностью металлизирована. Металлизация лицевой стороны выполнялась на основе системы «титан-платина» с последующим гальваническим нанесением серебра. При этом подслой обеспечивал необходимое малое контактное сопротивление к п-поверхности СЭ. Исследуемые образцы подвергались послойному травлению лицевой поверхности следующими методами: ионное травление (скорость травления 80 А/мин, величина энергии ионов аргона 2 кэВ); жидкостное химическое травление в смеси плавиковой, азотной и уксусной кислот (скорость травления 0,5 мкм/мин); обработка в плазме кислорода (величина энергии ионов 0,6 кэВ, толщина полученного окисного слоя составила 80 А); обработка в плазме водорода (величина энергии ионов 0,4 кэВ). Исследования показали, что при всех видах ионных обработок параметры образцов ухудшаются во всем диапазоне спектра, если не принимать меры к экранировке края периметра образца. При экранировке с помощью специальной металлической маски параметры образцов не ухудшались.
В конечном счете, воздействие ионных бомбардировок не привело к улучшению параметров СЭ в спектральном диапазоне 300 - 500 нм. Параллельные измерения сопротивления диффузионного п+-слоя показало, что сопротивление слоя Rs увеличивалось от начального значения 100 Ом/D до 500 Ом/О, что свидетельствовало о существенном утонении n-области СЭ. Таким образом очевидно, что воздействие ионов приводит к появлению «мертвого» слоя, который компенсирует ожидаемое улучшение параметров в коротковолновой области спектра за счет утонения р-п+-перехода. Исходя из этого, для прецизионного утонения эмиттерного п+-слоя выбрано химическое травление.
В процессе работы была создана новая технология послойного стравливания за счет реализации цикла «оксидирование - стравливание оксида» [89]. Оксидирование кремния проводилось в кипящей азотной кислоте с последующим удалением слоя оксида в плавиковой кислоте. Контроль процесса осуществлялся путем измерения сопротивления растекания фронтального слоя р-n- перехода. На рис. 3.14 представлена типичная кривая изменения сопротивления растекания фронтального слоя в процессе послойного травления.
Суммарная толщина стравленного слоя в этом случае составляет 120 нм, т.е. за один цикл «оксидирования-стравливания» удаляется слой толщиной 4 нм. При этом можно получать необходимую величину сопротивления растекания с точностью не хуже 1...2%. Существующие методики расчета потерь, связанных с падением напряжения во фронтальном слое, позволяют надежно связать допустимую величину сопротивления растекания с геометрией токосъемных контактных шин, расположенных на лицевой стороне фотопреобразователя и своевременно прекратить процесс утонения фронтального слоя, не допуская нежелательного увеличения сопротивления омических потерь.
Разработанная методика была опробована на кремниевых СЭ с начальной глубиной залегания р-п-перехода 0,4 мкм и расстоянием между токосъемными контактными дорожками 800 мкм. Уменьшение толщины фронтального слоя до значения -0,28 мкм при возрастании сопротивления растекания в 1,7 раза позволило увеличить чувствительность в диапазоне длин волн больших 0,5 мкм в 1,3 раза при этом суммарный КПД элемента возрос от 14,5% до 15,3%.
Исследование возможности применения АПП в технологии изготовления СЭ
АПП были изготовлены в ФТИАН (Ю.П. Маишевым и С.Л. Шевчуком), в НИИ им. Векшинского (Е.А. Митрофановым) и в МИРЭА (В.И. Ткачевым) [96].
В ФТИАН и в НИИ им. Векшинского пленки получались из ионных источников [59, 68, 73]. В МИРЭА пленки изготавливались при использовании СВЧ разряда с применением ЭЦР. Исходными веществами при получении пленок являлись органические и кремнииорганические соединения, такие, как этанол, пропанол, ацетон, метиловый спирт и т.д.
Все пленки наносились на кремниевые подложки при комнатной температуре. Известно, что при этом получается аморфная структура, что было подтверждено методом электронографии. Электронограммы снимались при использовании электронографа ЭР-100 при ускоряющем напряжении 100 кВ (длина волны электрона 0,037 ) методом отражения. Максимальная глубина проникновения пучка электронов в объем образца при этом методе исследования составляет 20-25 нм. На рис. 4.1 приведен пример электронограммы. Измерение удельного веса АПП производилось на пленках, полученных с помощью СВЧ-разряда при давлении в камере 1,5-10 мм рт. ст. (предварительно производилась очистка кремниевой подложки в атмосфере Нг). Величина удельного веса пленки рассчитывалась из измерения на аналитических весах веса АЛЛ. Производилось взвешивание образца с нанесенной АПП, затем осажденная пленка отделялась от подложки при травлении пластин в HF. При этом пленка всплывала, однако следует отметить, что растворения ее в кислоте не наблюдалось. После удаления пленки производилось взвешивание подложки. Площадь образцов составляла 10-12 см. Толщина АПП на измеряемом образце составляла 6,7 мкм. Из измеренной величины веса подложки рассчитывалась площадь образца, на которую была нанесена АПП, затем рассчитывался объем и удельный вес пленки. Полученные результаты представлены в табл. 4.1. Основными оптическими параметрами АПП являются показатель преломления и коэффициент экстинкции (безразмерный показатель поглощения). Показатель преломления и толщина АПП определялись стандартным методом при использовании эллипсометрии [98]. Коэффициент поглощения определялся при использовании спектрофотометра СФ-26 методом Тауца [99]. В процессе работы были исследованы десятки образцов АПП [94, 100]
В данной части описаны экспрессные методы, позволяющие получить качественное представление об адгезии пленок к кремниевым подложкам.
Один из методов основан на обработке пластин с нанесенными пленками в ультразвуковой ванне. Обработка производится на частоте 17 кГц или на частоте 1 МГц в течение 2-х минут. Мощность генераторов ультразвуковых колебаний составляла 250 Вт, В кассету с жидкостью СС14 закладываются партии образцов, в том числе - эталонный образец. Под воздействием ультразвука пленки со слабой адгезией отслаиваются; при этом наглядно видно, какая технология получения АПП дает лучшую адгезию к кремнию.
Указанный метод был опробован при исследовании качества адгезии АПП, полученных СВЧ-методом с применением ЭЦР на полированных кремниевых подложках. В качестве исходных веществ для получения пленок использовались пары органических соединений: спирта, циклогексана и других соединений при комнатной температуре. В ряде случаев наносился подслой при использовании паров гексаметилдисилозана.
На рис.4.7 представлена фотография одного из образцов с нанесенной на него пленкой. Видно, что пленка имеет крайне плохую адгезию к кремниевой подложке. Об этом свидетельствует то, что в центре кремниевой пластины диаметром 76 мм пленка на большой площади пластины отслоилась. Видно, что линии отслоения направлены к периферии пластины, на которой пленка в меньшей степени повреждена.
Вместе с тем, интерференционные линии, отчетливо наблюдаемые на нижней части пластины, показывают, что значительная часть пленки на пластине сохранилась. Величина адгезии на краях пластины выше, чем в центральной области. Возможно, это связано с особенностями распределения ионов по энергии, которая на краях пластины выше, чем в центре. Голубовато-серый цвет - это цвет кремния (на пластине заметен также след от кварцевой пластинки, которая накладывалась на кремниевую пластину; под кварцевой пластиной АПП пленка отсутствует). На рис. 4.8 представлен вид АПП, после проведения контроля качества адгезии методом царапания. Поверхность пленки процарапывалась корундовой иглой. Крайняя слева царапина - нагрузка на иглу минимальная, крайняя справа - максимальная. Видно, что при некоторой нагрузке на иглу наблюдается сильное отслаивание пленки.