СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОМОДИФИЦИРОВАННОЙ СТРУКТУРЫ НА ПОВЕРХНОСТИ КРЕМНИЯ
METHOD FOR OBTAINING A NANOMODIFIED STRUCTURE ON THE SURFACE OF SILICON

Изобретение относится к области изготовления оптоэлектронных приборов, в частности солнечных фотоэлектрических элементов. (СФЭ), в частности к способам структурирования поверхности монокристаллического кремния с помощью лазера.
Уровень техники
Для уменьшения коэффициента отражения света от поверхности СФЭ используется процесс структурирования полупроводниковой пластины с применением лазерного излучения.
-6
2
Известен 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. Предпочтительным режимом обработки, при котором происходит формирование равномерной столбчатой текстуры на поверхности кремния, является его обработка в вакууме при остаточном давлении 10 мм рт.ст. и плотности энергии 3-5 Дж/см и числом импульсов 10000.
Недостатками способа являются большие размеры столбчатой структуры, достигающей размеров до 10 мкм, а также высокие трудоемкость и энергозатратность процесса. Кроме этого необходимость использования вакуума и атмосферы диоксида углерода значительно усложняют процесс лазерного структурирования.
2
Прототипом изобретения является патент RU 2501057, 10.12.2013 «Способ обработки поверхности монокристаллического кремния ориентации (111)». В соответствии с этим способом обработку ведут с помощью импульсного излучения лазера, сфокусированного перпендикулярно поверхности обработки с длительностью импульса 15 нс, длиной волны 266 нм и частотой 6 Гц на воздухе. Предпочтительный режим обработки, при котором происходит формирование равномерной текстуры на поверхности кремния: число импульсов составляет 5500-7000 с плотностью энергии на обрабатываемой поверхности 0,3 Дж/см.
Недостатками способа являются: большие размеры пирамидальной структуры, достигающей размеров до 5-8 мкм, а также высокие трудоемкость и энергозатратность процесса.
Техническая задача
Технической задачей изобретения является: снижение времени и энергозатратности процесса обработки поверхности кремния; улучшение морфологии и геометрических размеров сформированных структур.
Решение
2
Технический результат достигается за счет способа равномерного структурирования поверхности монокристаллического кремния, включающего обработку с помощью импульсного излучения лазера наносекундной длительности, направленного перпендикулярно поверхности обработки. Причем предварительно на пластину монокристаллического кремния наносится тонкая пленка оптически прозрачного диэлектрика, а обработку лазером ведут импульсами с длиной волны от 193 до 355 нм с плотностью энергии на обрабатываемой поверхности менее 0,3 Дж/см.
Способ может быть реализован таким образом, что количество импульсов для обработки каждого участка поверхности кремния составляет от 300 до 1800.
Описание чертежей
На фиг. 1 и 2 показаны фотографии среза кремниевой пластины в разных масштабах, полученных на растровом электронном микроскопе Jeol JSM66110LV, где 1 - тело исходной кремниевой пластины, 2 - колончатые кремниевые наноструктуры, формируемые на поверхности кремниевой пластины.
На фиг. 3 показана спектральная характеристика колончатой структуры, сформированной на поверхности кремниевой пластины, полученная с помощью установки NTEGRA Spectra.
Детальное описание
2
Задача решается за счет того, что при обработке поверхности монокристаллического кремния, включающей обработку с помощью импульсного излучения лазера, предварительно на поверхность монокристаллического кремния наносится слой тонкого оптически прозрачного диэлектрика (например: нитрид кремния, окись кремния, окись цинка), после чего поверхность монокристаллического кремния обрабатывают с помощью импульсного излучения лазера, сфокусированного перпендикулярно поверхности обработки наносекундной длительности, длиной волны от 193 до 355 нм с плотностью энергии на обрабатываемой поверхности менее 0,3 Дж/см.
Преимущество заявляемого способа заключается в том, что данный способ позволяет при минимальных временных и энергозатратах формировать равномерные периодические структуры, имеющие монокристаллическую колончатую структуру с нанокристаллической вершиной с характерным размером порядка 1-2 мкм.
Пример реализации
Конкретный пример реализации способа обработки поверхности монокристаллического кремния ориентации (100). На пластины монокристаллического кремния ориентации (100) размером 156×156 мм, прошедшие операцию травления нарушенного слоя, нанесли пленку силикатного стекла из золь-гель раствора следующего состава, %:
бутанол
30-80
тетраэтоксисилан
10-19
вода деионизованная
5-30
После деструкции при температуре 700°C толщина пленки силикатного стекла на различных образцах варьировалась от 100 нм до 300 нм.
2
2
Далее пластины монокристаллического кремния закреплялись в держателе перпендикулярно импульсному излучению Nd:YAG лазера. Лазерное излучение с длиной волны λ=266 нм фокусировалось посредством линзы и гомогенизатора на обрабатываемой поверхности. После чего проводили обработку поверхности пластины наносекундными импульсами с длительностью τ=18 нс, частотой 10 Гц и плотностью энергии 0,3 Дж/см на обрабатываемой поверхности. Количество импульсов составляло N=1000 в атмосфере воздуха при комнатной температуре. При этих условиях на поверхности кремния сформировались колончатые наноструктуры размером 200×1000 нм (фиг. 1 и фиг. 2). Увеличение плотности энергии до 0,6-0,7Дж/см или количества импульсов более 5000 приводило к пропаданию эффекта образования данных структур. Процесс формирования структур происходил без плавления поверхности кремния. Оставшаяся после обработки лазером пленка силикатного стекла стравливалась в 5% растворе плавиковой кислоты.
При исследовании полученных таким образом структур с помощью установки NTEGRA Spectra была получена карта спектров комбинационного рассеяния света (КРС) торцевой поверхности пластины, содержащей столбчатые образования (фиг. 3). Анализ данных колончатых наноструктур показал, что это монокристаллический кремний.