СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ШУНТИРУЮЩЕГО ДИОДА ДЛЯ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
METHOD OF MAKING SHUNT DIODE FOR SPACECRAFT SOLAR BATTERIES

Изобретение относится к области изготовления дискретных полупроводниковых приборов и может быть использовано при изготовлении шунтирующих диодов для солнечных батарей космических аппаратов.
Для обеспечения надежной работы солнечных батарей космических аппаратов применяется диодная защита, которая обеспечивается блокирующими и шунтирующими (байпасными) диодами. Солнечная батарея состоит из отдельных генераторов, включающих цепочки фотопреобазователей, внутри генераторов встречно-параллельно с фотопреобразователями устанавливают шунтирующие диоды.
3
5
В последние годы на смену кремниевым пришли более эффективные фотопреобазователи, включающие несколько каскадов гетеропереходов, на основе соединений АВ, которые выращены на германиевой подложке (см. P.R.Sharps, M.A.Stan, D.J.Aiken, B.Clevenger, J.S.Hills and N.S.Fatemi. HIGH EFFICIENCY, MULTI-JUNCTION CELLS WITH MONOLITHIC BYPASS DIODES. NASA/CP. 2005-213431, p.108-115).
Каждый такой фотопреобразователь защищается диодом, расположенным с преобразователем в одной плоскости, причем диод имеет такую же толщину, как и фотопреобазователь. Обычно в фотопреобазователе выполнены по углам срезы, в которых размещается диод треугольной формы (см. патенты на изобретения US 6353176, US 6034322, Cell Type: S By-Pass Diode. Azur Space Corp.Solar Power GMBH, заявку на изобретение US 2008/0000523).
Из уровня техники известен способ изготовления как дискретных приборов, так и интегральных схем, формируемых в полупроводниковой подложке, которая затем утоняется с помощью химического травления.
Равномерность травления обеспечивается за счет формирования с обратной стороны пластины геттерирующего слоя и последующего геттерирующего отжига, которые позволяют уменьшить и упорядочить концентрацию микродефектов в объеме пластины. Геттерируюгций отжиг проводят перед утонением пластины и перед формированием активных областей, совмещая его с формированием активных областей при температуре 1100-1200°С в инертной или слабоокислительной среде в течение 1-4 ч. Подготовка к сборочным операциям включает в себя создание планарной поверхности с обратной стороны: после утонения обратной стороны пластины перед ее транспортировкой углубленные области заполняют легкоудаляемым полимерным материалом, например фоторезистом (см. патент РФ на изобретение 2109371).
К недостаткам известного способа изготовления относится низкая технологичность и воспроизводимость процесса изготовления из-за сложности защиты сформированной структуры на лицевой стороне подложки при ее утонении жидкостным химическим травлением в агрессивной среде.
3
5
3
5
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту техническим решением является способ изготовления шунтирующих диодов для каскадных фотопреобразователей на основе соединений АВ, включающий формирование структуры планарного диода, проведение всех термических операций, металлизацию лицевой стороны, операции фотолитографии, утонение обратной стороны жидкостным травлением, металлизацию обратной стороны и присоединение электропроводящих шин (см. Шунтирующие диоды для каскадных фотопреобразователей на основе соединений АВ. А.А.Басовский, Л.В.Анурова и др. Труды Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий». Под ред. Ю.М.Урличича, А.А.Романова.- М.: ФИЗМАТЛИТ. 2009 - 376, 357-363 стр.).
К недостаткам известного технического решения относится низкая воспроизводимость и технологичность из-за сложности защиты сформированной структуры на лицевой стороне подложки при ее утонении жидкостным травлением в агрессивной среде.
Техническим результатом заявленного изобретения является создание способа изготовления шунтирующего диода для солнечных батарей космических аппаратов, позволяющего повысить воспроизводимость процесса изготовления и технологичность изделия.
Отличительными признаками предложенного способа изготовления шунтирующего диода для солнечных батарей космических аппаратов являются следующие: утонение полученной структуры проводят после формирования на поверхности структуры планарного диода предварительно облученного УФ-лучом фоточувствительного слоя последовательно абразивной обработкой нерабочей стороны подложки, плазмохимическим травлением на глубину не менее 10 мкм при температуре не более 120°С, после чего фоточувствительный слой удаляют в проявителе, причем толщину фоточувствительного слоя выбирают из соотношения:
фч
р
h≥h,
фч
p
где h - толщина фоточувствительного слоя, h - толщина металлизации на рабочей стороне подложки.
Сущность заявленного технического решения поясняется чертежом, на котором схематично (в виде поперечного сечения) представлена последовательность операций, иллюстрирующая предлагаемый способ изготовления шунтирующего диода для солнечных батарей космических аппаратов.
++
+
На чертеже обозначены: эпитаксиальный слой (1) на кремниевой монокристаллической подложке n(2), диэлектрическая изоляция (3), р слой (4), металлизация рабочей стороны (5), фоточувствительный слой (6), металлизация нерабочей стороны (7), электропроводящая шина рабочей стороны (8), электропроводящая шина нерабочей стороны (9), кристалл диода после резки (10).
Предложенный способ изготовления шунтирующего диода для солнечных батарей космических аппаратов состоит из следующей последовательности технологических операций: на рабочей стороне в эпитаксиальном слое (1) кремниевой монокристаллической подложки (2) (чертеж, а) создают слой диэлектрической изоляции (3), затем загонкой с последующей разгонкой формируют р-n-переход (1, 4), металлизацию (5) и фоточувствительной слой (6), который по всей поверхности облучают УФ-лучом (чертеж, в). Затем полученную структуру с нерабочей стороны подложки последовательно утоняют абразивной обработкой и плазмохимическим травлением на глубину не менее 10 мкм при температуре не более 120°С, удаляют фоточувствительный слой (6) и формируют металлизацию обратной стороны подложки (7) (чертеж, г), проводят резку подложки на кристаллы диодов (10) и сваркой присоединяют электропроводящие шины (8, 9) к металлизированным рабочей и нерабочей сторонам (8) кристалла (чертеж, д).
Предложенный способ был использован при реализации групповой технологии шунтирующих диодов солнечных батарей космических аппаратов. В качестве исходной подложки использовали монокристаллическую легированнную мышьяком низкоомную кремниевую подложку с высокоомным эпитаксиальным слоем диаметром 76 мм и толщиной 400 мкм. Поверхность эпитаксиального слоя покрывали слоем диоксида кремния, в котором методом фотолитографии формировали отверстия - окна. После этого методами диффузии формировали р-n-переход и методами вакуумного напыления и фотолитографии окончательно формировали металлизацию рабочей стороны на основе слоев никеля и серебра. Полученную структуру покрывали полностью фоточувствительным слоем, причем толщину фоточувствительного слоя выбирают из соотношения:
фч
р
h≥h,
фч
p
где h - толщина фоточувствительного слоя, h - толщина металлизации на рабочей стороне подложки, в качестве которого использовали фоторезист толщиной не менее 2 мкм, сушили и облучали УФ-лучом. Затем подложку механически утоняли с нерабочей стороны абразивной обработкой до толщины 160 мкм и плазмохимическим травлением на глубину не менее 10 мкм при температуре не более 120°С. Указанные режимы выбирали исходя из соображений воспроизводимости технологического процесса (при формировании металлизации на нерабочей стороне и при резке на кристаллы на подложках образуются трещины, а при присоединении электропроводящих шин сваркой точка сварки вырывается вместе с кремнием, см. таблицу) и возможности удаления фоторезиста без его задубливания в процессе плазмохимического травления.
В таблице представлено количество выходных годных диодов в зависимости от величины удаленного плазмохимическим травлением слоя.
Величина удаленного плазмохимическим травлением слоя, мкм
Выход годных диодов, %
При металлизации нерабочей стороны
При сварке электропроводящих шин
Всего
2
70
60
30
3,5
90
80
70
7
95
90
85
10
100
95
95
12
98
96
96
После этого, облученный фоторезист удаляли в проявителе и проводили формирование металлизации на основе трехслойной структуры, включающей слои ванадия или титана, никеля и серебра на нерабочей стороне. Затем подложку разделяли на кристаллы одним из стандартных промышленных способов, после чего точечной сваркой к кристаллам присоединяли серебряные электропроводящие шины.
3
5
По предложенному способу изготавливали бескорпусные шунтирующие диоды треугольной формы (в плане) с обратным напряжением 100 В и прямым током 2 А для каскадных фотопреобразователей на основе соединений АВ.
Предложенный способ изготовления шунтирующего диода для солнечных батарей космических аппаратов обеспечивает воспроизводимость технологического процесса и позволяет получать шунтирующие диоды, сформированные в едином технологическом цикле на одной подложке с идентичными характеристиками.