Development of an electrochemical capacitance-voltage profiler for highly doped silicon wafers

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Santos, Eduardo Jerónimo dos
Data de Publicação: 2022
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10451/56063
Resumo: Tese de Mestrado Integrado, Engenharia de Energia e Ambiente, 2022, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências
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spelling Development of an electrochemical capacitance-voltage profiler for highly doped silicon wafersCapacitância-tensão ElectroquímicaJunções de TúnelSolidWorksSemicondutoresDopagemTeses de mestrado - 2022Domínio/Área Científica::Engenharia e Tecnologia::Engenharia do AmbienteTese de Mestrado Integrado, Engenharia de Energia e Ambiente, 2022, Universidade de Lisboa, Faculdade de CiênciasAs the solar energy production industry evolves it becomes more and more necessary to study with good definition the doping of solar cells in a laboratory. Today it is possible to acquire the equipment to do so, but all the options are costly. The measurements can be done using a Secondary Ion Mass Spectroscopy (SIMS), Glow Discharge Optical Emission Spectroscopy (GD-OES) and Electrochemical Capacitance-Voltage (ECV). The first option offers results with great resolution, however it is a very expensive option. The GD-OES also emits results with good resolution but with low depth. The latter, the ECV, is easier to use and has great resolution, yet the commercial version of the equipment values 100 000¿. The motivation of this work is to reproduce ECV equipment, in a way that produces results with the same great resolution but at a lower price point. This work was done by researching and studying papers that used an ECV system and learning about all the physics behind the process. After compiling all the information, a first sketch was made for each component in AutoCAD, taking into account all the needs and safety measures until all the conditions were satisfied. In the end, all the components were designed and assembled in SolidWorks and then analyzed as a whole. To our knowledge this is the first study achieving a much cheaper ECV system with the same theoretical precision and little manual work. This method is more accessible to smaller laboratories with less resources, making it possible to study more doping pro les than ever before, thus accelerating the rate of solar energy investigation and related fields.À medida que a indústria de produção de energia solar evolui torna-se cada vez mais necessário estudar com boa definição a dopagem de células solares em laboratório. Hoje é possível adquirir o equipamento para tal efeito, mas todas as opções são bastante dispendiosas. As medições podem ser feitas usando uma Espectroscopia de Massa de Íons Secundários (SIMS) que oferece resultados com ótima resolução, mas é bastante caro e com uso muito exclusivo do equipamento, o Glow Discharge Optical Spectroscopy (GD-OES) em que os resultados são emitidos com grande resolução porém a baixa profundidade, ou a Capacitância-Tensão Eletroquímica (ECV) que apesar de ter uma fácil utilização e uma boa resolução, a versão comercial do equipamento tem um custo de cerca de 100 000 ¿. A motivação deste trabalho é reproduzir um equipamento ECV, de forma que produza os mesmos resultados com a mesma grande resolução, mas a um preço mais acessível. Tal é feito através do estudo de artigos que usaram uma versão antiquada, no caso de artigos mais antigos, ou uma versão comercial, em livros que explicam como as medições são feitas, e finalmente aplicar engenharia reversa dessa informação, obtendo um design que, embora mais simples e menos automatizado, possa funcionar como um ECV comercial. Os primeiros modelos dos componentes foram feitos em AutoCAD, tendo em atenção todas as medidas de segurança necessárias. Posteriormente, os componentes foram desenhados em SolidWorks e montados em conjunto. A técnica ECV mede os portadores de cargas eletricamente ativas à superfície da amostra de silício, alternando entre medição e dissolução da superfície da amostra, de modo a serem feitas medições em profundidade maiores. O ECV desenhado trata-se de uma célula eletroquímica, composta por 3 grupos principais de componentes. O reservatório de onde é introduzido o eletrólito, os componentes de translação onde a célula é transportada e posicionada, e o conjunto de elétrodos pelos quais são feitas as medições. O material pelo qual é constituído o reservatório é uma das suas principais características. Dado que o eletrólito que nele é introduzido é de natureza nociva para a saúde humana e altamente corrosivo para a maioria dos materiais, foi então decidido a utilização de PTFE. Este polímero é inerte a ácido fluorídrico (HF) mesmo em altas concentrações. A célula contruída tem diversos orifícios, cada um deles com um propósito único, sendo eles, posicionamento de elétrodos, introdução de eletrólito, remoção do mesmo e ejetor de eletrólito, estando estes presentes na tampa da célula. Na face frontal e traseira, encontra-se a zona de contacto com amostra e o orifício para a entrada de iluminação, respetivamente. A tampa foi desenhada com duas camadas, em que, na camada inferior estão presentes o-rings em cada orifício de maneira que, quando ambas as camadas são apertadas uma contra a outra, o o-ring expande horizontalmente apertando assim os elétrodos. Este pormenor foi pensado com o propósito de impedir que os gases e salpicos provenientes do eletrólito alcancem o utilizador, dado que ambos são altamente nocivos. O orifício de iluminação tem como propósito a entrada de um feixe de luz para iluminação de amostras do tipo N, devido à necessidade de cargas positivas para a dissolução química da amostra. O material da janela de iluminação tem como propriedades a transparência para os comprimentos de onda de interesse e ser inerte ou quase inerte ao eletrólito, dado que existe a possibilidade de substituição da janela quando necessário. O equipamento de iluminação não está presente na discussão desta dissertação, sendo, no entanto, possível de descrever as propriedades esperadas do mesmo. É necessário para uma dissolução uniforme da amostra, tal é atingido com a utilização de um feixe de luz horizontal uniforme e controlado na superfície da amostra. Para essa finalidade é utilizado um refletor parabólico. Na técnica de ECV são necessários três elétrodos, o elétrodo de carbono, o elétrodo calomelano saturado e o elétrodo de platina. Ao controlar a corrente DC que passa entre o semicondutor e o elétrodo de carbono, é possível controlar a taxa de dissolução e as condições de medição. Esta corrente DC é em referência ao elétrodo calomelano saturado. Esse processo garante que nenhuma corrente passe para o outro lado da célula e, portanto, esta não seja polarizada. A corrente AC é medida em relação ao elétrodo de platina que está localizado próximo à amostra para reduzir a resistência em série devido ao eletrólito. O ejetor de eletrólito tem como função a remoção das bolhas de hidrogénio formadas na superfície da amostra durante a dissolução química. O ejetor de eletrólito desenhado utiliza uma tetina para fazer a sucção de eletrólito e ejeção do mesmo, sendo assim possível regular a intensidade do fluxo do eletrólito ejetado. O contacto entre o eletrólito presente no reservatório e a amostra é feito a partir de um adaptador que é inserido na célula eletroquímica. Foram desenhados três adaptadores diferentes, em que o fator diferencial entre eles é a área de contacto com a amostra. No primeiro adaptador foi dada como prioridade a segurança, em que o contacto com a amostra é feito com um o-ring de Viton®, também inerte ao eletrólito, e uma margem de segurança. O segundo adaptador é idêntico ao primeiro, mas sem a margem de segurança. Por fim, o terceiro adaptador sem o-ring, em que é abdicado o fator de segurança, mas com a compensação de oferecer melhores resultados devido à menor área de contacto com a amostra. O sistema de introdução e remoção do eletrólito no reservatório é feito através de tubos de Viton®, com o auxílio de uma bomba peristáltica. Esta bomba não tem qualquer contacto com o eletrólito, uma vez que a sucção é feita através do massageamento do tubo onde o eletrólito é transportado. Nos componentes de translação está presente a plataforma de vácuo. Esta tem como propósito o posicionamento e fixação da amostra. O sistema de vácuo foi desenhado de maneira que seja possível fazer o transporte de qualquer amostra independentemente do tamanho. Esta permite que o semicondutor seja posicionado na horizontal e posteriormente transposto em segurança para a posição vertical onde é encostado ao adaptador do reservatório. Na plataforma de vácuo também está presente o contacto elétrico traseiro, sendo desta maneira possível de fechar o circuito elétrico com os elétrodos. A força com que a amostra é pressionada contra o adaptador é controlada por um sistema manual. O sistema consiste num pistão onde numa extremidade está presente a plataforma de vácuo e na outra uma mola. É possível regular com precisão a intensidade da força investida pela mola através do aperto de um parafuso. Todo o componente de translação está suportado por pés ajustáveis, em que é possível o ajuste de altura caso exista alguma discrepância e também seja facilitado a montagem e desmontagem do equipamento. Por fim, três grupos principais de componentes estão fixos numa bacia de acrílico, onde qualquer vazamento do eletrólito será capturado em segurança. Foi concluído que é possível construir um ECV funcional a um preço bastante mais acessível, abdicando de elementos de automação e substituindo-os por componentes de manuseamento manual de alta precisão. Uma vez atingido o objetivo deste trabalho será possível aumentar o alcance de laboratórios com menores possibilidades de adquirir equipamentos dispendiosos, permitindo estudar mais perfis de dopagem onde antes não era possível, acelerando a velocidade de investigação solar e outras.Lobato, Killian Paulo KiernanGaspar, Guilherme Manuel MoraisRepositório da Universidade de LisboaSantos, Eduardo Jerónimo dos2023-01-28T14:25:02Z202220222022-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/56063enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-11-08T17:03:26Zoai:repositorio.ul.pt:10451/56063Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T22:06:37.398170Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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