Способ обработки поверхности монокристаллического кремния ориентации (111)
Владельцы патента RU 2501057:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Оренбургский государственный университет" (RU)
Изобретение относится к области микроэлектроники, фотовольтаики, к не литографическим технологиям структурирования кремниевых подложек, в частности к способам структурирования поверхности монокристаллического кремния с помощью лазера. Способ согласно изобретению включает обработку поверхности монокристаллического кремния ориентации (111) с помощью импульсного излучения лазера, сфокусированного перпендикулярно поверхности обработки с длительностью импульса 15 нс, при этом предварительно монокристаллический кремний ориентации (111) помещают в ультразвуковую ванну и обрабатывают в спирте в течение 30 минут, 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. Изобретение обеспечивает формирование периодических пирамидальных структур на поверхности монокристаллического кремния, имеющих монокристаллическую структуру и три кристаллографические грани ориентации (111). 1 табл., 5 ил.
Изобретение относится к области микроэлектроники, фотовольтаики, к нелитографическим технологиям структурирования кремниевых подложек, в частности, к способам структурирования поверхности монокристаллического кремния с помощью лазера.
Аналогом изобретения является способ обработки поверхности кремниевой подложки солнечного элемента (патент RU (11)2450294), техническим результатом которой является формирование множества структур с возвышенными или углубленными участками на кремниевой поверхности. Структуры имеют форму эллиптического конуса или усеченного эллиптического конуса. На первом этапе на поверхности кремниевой подложки формируют слой резиста, затем посредством обработки слоя резиста лазерным излучением формируют скрытое изображение на поверхности подложки. На следующем этапе формируют конфигурацию маски из слоя резиста путем его проявления. Далее сформированная маска подвергается процессу травления с использованием фторуглеродного газа, в результате чего формируются структуры с углублениями в форме конуса на поверхности кремниевой подложки.
Недостатком аналога является высокая трудоемкость способа, включающая формирование слоя резиста на поверхности кремниевой подложки, сложную конструкцию устройства для лазерной экспозиции, включающей вращение подложки и перемещение лазерного луча в радиальном направлении относительно вращения подложки, формирование конфигурации маски путем проявления слоя резиста и последующее его травление. Данный недостаток преодолен в настоящем изобретении, в соответствие с которым под действием импульсной лазерной обработки имеет место формирование упорядоченных кремниевых структур с использованием эффектов самоорганизации поверхности кремния. При этом не требуется дополнительных операций обработки поверхности кремния и сложной конструкции устройства для лазерной экспозиции.
Прототипом изобретения является способ обработки поверхности мультикристаллического кремния (Е.В. Хайдуков «Лазерное текстурирование кремния для создания солнечных элементов». Известия Вузов. Приборостроение. - 2011. - Т.54. - №2), включающий обработку с помощью импульсного излучения лазера, сфокусированного перпендикулярно поверхности обработки с длительностью импульса 15 нс, длиной волны 532 нм и частотой 10 Гц в вакууме и в атмосфере диоксида углерода, при этом число импульсов составляет 10-104 с плотностью энергии на обрабатываемой поверхности от 0,5-4 Дж/см2. Предпочтительным режимом обработки, при котором происходит формирование равномерной столбчатой текстуры на поверхности кремния, является его обработка в вакууме при остаточном давлении 10-6 мм рт.ст. и плотности энергии 3,5 Дж/см2.
Недостатками прототипа являются недостаточная разрешающая способность, формирование неоднородных структур неправильной формы, а также высокие трудоемкость и энергозатратность процесса. Данный способ непригоден для структурирования кремниевых подложек в микроэлектронике, поскольку необходимы регулярные структуры с четкой кристаллографической огранкой для возможности размещения на их гранях элементов микросхемы. С другой стороны, высокая плотность энергии, требующаяся для модификации поверхности кремния, необходимость присутствия вакуума, атмосферы диоксида углерода усложняют процесс лазерного структурирования.
Технической задачей изобретения является: увеличение разрешающей способности способа, улучшение морфологических и структурных характеристик формирующихся периодических структур; снижение трудоемкости и энергозатратности процесса обработки поверхности кремния.
Задача решается тем, что при обработке поверхности монокристаллического кремния ориентации (111), включающем обработку с помощью импульсного излучения лазера, предварительно монокристаллический кремний ориентации (111) помещают в ультразвуковую ванну и обрабатывают в спирте в течение 30 минут, после чего поверхность монокристаллического кремния ориентации (111) обрабатывают с помощью импульсного излучения лазера, сфокусированного перпендикулярно поверхности обработки с длительностью импульса 15 нс, 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.
Преимущество заявляемого способа заключается в том, что данный способ позволяет при минимальных энергозатратах формировать периодические структуры, имеющие монокристаллическую структуру и четкие кристаллографические грани ориентации (111); дает возможность управления размерами и количеством периодических структур посредством варьирования параметров лазерной обработки; не требует специального оборудования помимо лазерной установки, больших трудо- и временных затрат; не требует специальной обработки образцов после лазерного облучения; полезен для разработок устройств микроэлектроники и фотовольтаики.
Рассмотрим конкретный пример реализации способа обработки поверхности монокристаллического кремния ориентации (111). Пластины монокристаллического кремния ориентации (111) размером до 1 см2 помещают в стеклянную тару, содержащую этиловый спирт, которую затем устанавливают в ультразвуковую ванну, дно и стенки которой совершают механические колебания с частотой ультразвука, и подвергают обработке в течение 30 минут с целью удаления органических загрязнений с поверхности кремниевых пластин. Предполагается, что в течение данного времени происходит полное очищение поверхности от органических загрязнений.
Далее пластины монокристаллического кремния вынимают и закрепляют в держателе перпендикулярно импульсному излучению Nd:YAG лазера. Лазерное излучение с длиной волны λ=266 нм фокусируют посредством линзы с фокусным расстоянием 15 см в пятно диаметром 1,5 мм на обрабатываемой поверхности. После чего проводят обработку поверхности монокристаллического кремния наносекундными импульсами с длительностью τ=15 нс, частотой 6 Гц и плотностью энергии 0,3 Дж/см2 на обрабатываемой поверхности в количестве N=5500-7000 в атмосфере воздуха при комнатной температуре.
Лазерная обработка с числом импульсов 5500-7000 приводит к плавлению поверхностных слоев монокристаллического кремния. При этом на поверхности расплава самопроизвольно формируются периодические структуры, каждая из которых представляет собой трехгранную монокристаллическую пирамидальную структуру. Каждая грань пирамидальной структуры представляет собой плоскость ориентации (111) и обусловлена кристалличностью монокристаллического кремния.
Формирующиеся пирамидальные структуры проявляют чувствительность к количеству импульсов обработки. При 5500 лазерных импульсов формируются как обособленные пирамидальные структуры, так и их скопления (фиг.1, 2). Однако площадь, занимаемая данными структурами, незначительна. При 6000 лазерных импульсов увеличивается площадь скоплений пирамидальных структур (фиг.3). При 6500 лазерных импульсов пирамидальные структуры образуют практически сплошное покрытие на поверхности зоны облучения (фиг.4). Увеличение количества лазерных импульсов до 7000 приводит к ухудшению морфологических характеристик пирамидальных структур и значительному снижению площади их скоплений (фиг.5). Количественные характеристики пирамидальных структур, сформировавшихся при числе импульсов 5500-7000, приведены в таблице 1.
| Таблица 1 | ||||
| N | 5500 | 6000 | 6500 | 7000 |
| <dпс>, мкм | 11 | 11 | 10 | 8 |
| S, мм2 | 0,07 | 0,16 | 0,41 | 0,03 |
| ρ×106, см-2 | 0,9 | 0,95 | 1,05 | 0,9 |
| Примечание: <dпс> - размер пирамидальных структур; S - суммарная площадь, занимаемая скоплениями пирамидальных структур; ρ - плотность пирамидальных структур (количество пирамидальных структур, приходящихся на единицу площади). |
Таким образом, лазерная обработка на длине волны 266 нм при числе импульсов 5500-7000 вызывает плавление поверхностных слоев кремния и формирование на поверхности расплава пирамидальных структур. Данные структуры чувствительны к количеству импульсов облучения: с ростом числа импульсов площадь пирамидальных скоплений увеличивается. Пирамидальные структуры имеют монокристаллическую структуру и четкую кристаллографическую огранку. Оптимальным режимом лазерной обработки поверхности монокристаллического кремния является режим при числе импульсов 6500, при котором пирамидальные структуры относительно однородны по размерам и форме, образуют практически сплошное покрытие на поверхности зоны облучения. Разработанный метод может быть полезен для структурирования кремниевых подложек в микроэлектронике и фотовольтаике.
Способ обработки поверхности монокристаллического кремния ориентации (111), включающий обработку с помощью импульсного излучения лазера, сфокусированного перпендикулярно поверхности обработки с длительностью импульса 15 нс, отличающийся тем, что предварительно монокристаллический кремний ориентации (111) 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.
