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PROYECTO FINAL DE CARRERA

Fabricación de un sensor solar de alta precisión

en dos ejes para el satélite SeoSat

(Fabrication of a high accuracy two axis sun sensor for

the satellite SeoSat)

Estudios: Enginyeria de Telecomunicació

Autor: Eric Calle Martín

Director: Pablo Ortega Villasclaras

Septiembre 2011

[Fabricación de un sensor solar de alta precisión en dos ejes para el satélite SeoSat] 3

Índice

Resumen del Proyecto ................................................................................ 5

Resum del Projecte ..................................................................................... 6

Abstract .................................................................................................... 7

Introducción ..................................................................................... 9

1. Fundamentos teóricos ......... ................................................................ 11

1.1. El efecto fotovoltaico ............................................................... 11

1.2. El espectro solar ...................................................................... 13

1.3. Materiales usados en la fabricación de células solares ................ 14

1.4. Características eléctricas de la célula solar ideal ......................... 15

1.5. La célula solar real.................................................................... 20

1.6. La célula solar de alta eficiencia ................................................ 21

1.7. El multivectorsol ...................................................................... 25

2. Procesos de fabricación en sala blanca ................................................... 31

2.1. Limpieza RCA .......................................................................... 31

2.2. Oxidación térmica .................................................................... 33

2.3. Difusión térmica ...................................................................... 35

2.4. Medida de la resistencia de cuadro ........................................... 37

2.5. Medida del tiempo de vida de portadores minoritarios ................ 38

2.6. Medida del grosor de óxido ...................................................... 39

2.7. Fotolitografía ........................................................................... 40

2.8. Stripper de resina .................................................................... 42

4 [Fabricación de un sensor solar de alta precisión en dos ejes para el satélite SeoSat]

2.9. Metalización ............................................................................ 43

2.10. Lift Off .................................................................................... 44

2.11. Recocido ................................................................................. 46

3. Fabricación de un sensor solar en dos ejes ............................................. 47

3.1. Fotodiodos ................................................................................ 47

3.2. Contactos frontales .................................................................... 54

3.3. Contacto trasero ........................................................................ 61

3.4. Tapaderas ................................................................................. 63

3.5. Ensamblado .............................................................................. 66

4. Resultados ........................................................................................... 67

4.1. Codificación .............................................................................. 67

4.2. Evaluación y test de dispositivos ................................................. 68

4.3. Medida de dispositivos finales ..................................................... 70

5. Conclusiones ........................................................................................ 77

6. Referencias bibliográficas ...................................................................... 79


Resumen del Proyecto

El objetivo de este proyecto es la fabricación de un sensor solar de alta precisión en

dos ejes para su integración en el control de actitud del satélite SeoSat. Este sensor debe

detectar la posición del sol con una precisión elevada y con un ángulo FOV (Field Of Vision)

de ±60º. Asimismo, debe presentar bajo consumo, tamaño y peso.

La fabricación de este sensor, bautizado como multivectorsol, se ha realizado

íntegramente en la sala blanca de que dispone el Departamento de Ingeniería Electrónica de

la Universidad Politécnica de Cataluña.

En cuanto a los resultados finales obtenidos, cabe destacar la elevada precisión

conseguida (el error en la medida es inferior a 0.05º) y el elevado yield (tasa de dispositivos

funcionales respecto al total).


Resum del Projecte

L'objectiu d'aquest projecte és la fabricació d'un sensor solar d'alta precisió en dos

eixos per a la seva integració en el control d'actitud del satèl·lit SeoSat. Aquest sensor ha de

detectar la posició del sol amb una precisió elevada y amb un angle FOV (Field Of Vision) de

±60º. Tanmateix, ha de presentar baix consum, pes i mides reduïdes.

La fabricació d'aquest sensor, batejat com a multivectorsol, s'ha realitzat íntegrament

a la sala blanca del Departament d'Enginyeria Electrònica de la Universitat Politècnica de

Catalunya.

En quant als resultats finals obtinguts, cal destacar l'elevada precisió conseguida

(l'error es inferior a 0.05º) i el gran yield (taxa de dispositius funcionals respecte al total).


Abstract

The goal of this project is the fabrication of a two axis sun sensor for the attitude

control of the SeoSat satellite. This sensor should detect the position of the sun with high

accuracy and at an angle FOV (Field Of Vision) ±60 º. It must present low size and weight.

This sensor, named multivectorsol, is manufactured entirely in the clean

room available to the Department of Electronic Engineering of the Polytechnic University

of Catalonia.

The final results show the high accuracy achieved (the error is of 0.05°) and

high yield resulting of the process.


Introducción

El objetivo de este proyecto es la fabricación y validación del sensor multivectorsol:

un sensor solar de alta precisión de bajo consumo, tamaño y peso, capaz de detectar la

posición del sol con alta precisión (±0.05º) y un ángulo de visión FOV (Field Of View) de

±60º. La electrónica auxiliar necesaria para procesar la señal resultante y proporcionar la

información en un formato útil es desarrollada por el Departamento de Ingeniería

Electrónica de la Universidad de Sevilla. Esta colaboración viene heredada del proyecto

Vectorsol, que consistió en el desarrollo de un sensor solar de posición, bautizado como

vectorsol, a petición del INTA (Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial), para ser

integrado en el satélite Nanosat-1B. El Nanosat-1B fue lanzado con éxito en Julio de 2009.

El multivectorsol se basa en los mismos principios de funcionamiento, pero presenta

un diseño modificado con el objetivo de maximizar la sensibilidad del sensor. Además su

proceso de fabricación se ha simplificado, lo que se traduce en una reducción del coste.

La motivación para su desarrollo es su integración en el sistema de control de actitud

del satélite SeoSat. Este control es fundamental en cualquier satélite, puesto que sirve para

resolver el problema del movimiento del satélite dentro de su trayectoria orbital.

El Nanosat-1B, en órbita desde Julio del 2009.


El principio fundamental en el que basa su funcionamiento el sensor multivectorsol,

del mismo modo que el vectorsol original, es que la corriente fotogenerada por una célula

fotovoltaica es proporcional al área iluminada. A partir de este concepto, se disponen

fotodiodos situados bajo una tapadera provista de ranuras que permiten el paso de luz: en

función de la incidencia de la luz, las regiones iluminadas de los fotodiodos varían, y por lo

tanto sus corrientes fotogeneradas también. Así pues, gracias al efecto fotovoltaico y a un

montaje ingenioso es posible trasladar un problema geométrico en dos dimensiones a un

simple problema eléctrico de cuantificación de corrientes.

La memoria del proyecto está dividida en cuatro capítulos:

El primero introduce la tecnología fotovoltaica, mediante el desarrollo de la teoría

básica y conceptos clave para comprender el funcionamiento de una célula solar. Asimismo,

se presentan las principales ecuaciones de funcionamiento y características a tener en

cuenta en su diseño. Una vez expuesto el funcionamiento básico de esta tecnología, se

presenta el funcionamiento del multivectorsol.

A continuación, en el segudo capítulo, se describen los procesos necesarios para la

fabricación de células solares en general (y en concreto, los utilizados para el desarrollo del

sensor), que se han llevado a cabo en la sala blanca. Este capítulo sirve para presentar

estos procesos con detalle, e introducir las técnicas fundamentales que permiten la

realización de dispositivos fotovoltaicos a partir del desarrollo de los conceptos mostrados en

el capítulo anterior.

El tercero detalla paso a paso el proceso de fabricación del multivectorsol, desde una

oblea virgen hasta el dispositivo final, mediante la aplicación de las técnicas presentadas en

el capítulo 2. Se muestran las medidas intermedias que posibilitan el seguimiento del

proceso en todo momento.

En el cuarto y último capítulo, se analizan las medidas realizadas sobre dispositivos

acabados y se exponen las conclusiones extraídas tras la ejecución de este proyecto.


Capítulo 1: Fundamentos teóricos

En este capítulo se pretende familiarizar al lector con los conceptos básicos que rigen

el funcionamiento de las células solares y presentar los principales parámetros que las

caracterizan, así como algunos fundamentos de diseño. Por último, se describe el

funcionamiento del sensor multivectorsol, cuya teoría elemental se corresponde con las

expuestas en los puntos precedentes, al tener una estructura análoga a la de una célula

solar.

1.1.- El efecto fotovoltaico

El efecto fotovoltaico es un fenómeno físico consistente en la transformación de

energía luminosa (o radiaciones ópticas) en energía eléctrica. Los fotones (partículas

elementales portadoras de energía lumínica) incidentes sobre un determinado material, lo

ionizan al ser absorbidos por los electrones de su capa externa. Debido a esta ionización

aparecen cargas eléctricas (pares electrón-hueco). Para la generación de energía eléctrica es

necesario separar las cargas de distinto signo mediante un campo eléctrico interno. Por lo

tanto, para que se produzca el efecto fotovoltaico, el material debe presentar una energía

para romper un enlace entre átomos y liberar un electrón que sea igual o inferior a la de los

fotones de la radiación incidente. Asimismo, deberá estar compuesto por una estructura

heterogénea capaz de producir un campo eléctrico interno. Este campo eléctrico puede

conseguirse de forma sencilla mediante el uso de una unión p-n, puesto que entre ambas

regiones se produce, incluso en equilibrio, un campo eléctrico elevado. La unión p-n es un

material semiconductor con una región tipo p (predominio de huecos respecto a los

electrones) y otra tipo n (electrones como portadores mayoritarios), obtenidas a partir de

procesos de dopado. Debido a sendas ionizaciones (la región N presenta cationes, y la P

aniones) existe un campo eléctrico que va de N a P, confinando así a los portadores

mayoritarios en sus respectivas regiones. Este campo eléctrico es el que permite separar los

pares electrón-hueco generados mediante la absorción de fotones por el material

semiconductor. La conexión entre ambas zonas del material a través de un circuito externo

dará lugar a la corriente eléctrica que circulará por el sistema foto-electrónico (formado por

el material y el circuito externo).


El dispositivo semiconductor en el que se produce el efecto fotovoltaico, y que, por lo

tanto, tiene las propiedades anteriores, es la célula fotovoltaica. Existen algunos materiales

no semiconductores en los cuales se observa el efecto fotovoltaico, pero presentan muy

bajo rendimiento de conversión (por lo que no sirven para este propósito).

La luz incide sobre la cara superior de la célula solar, siendo parte de ella reflejada

por los contactos y por la superficie del semiconductor. Los fotones refractados atraviesan la

región del emisor (zona n de poco grosor) y son absorbidos en la región de base (la

mayoría, ya que algunos son absorbidos en la zona n y otros simplemente pueden no ser

absorbidos), que corresponde a la zona p. Esta absorción de energía por parte del

semiconductor da lugar a la generación de pares electrón-hueco, que son separados por el

campo eléctrico interno de la unión p-n.

La energía necesaria para liberar un electrón de un semiconductor es igual a la

banda prohibida, que es la diferencia entre la banda de conducción y la banda de valencia.

La banda prohibida es un parámetro propio de cada semiconductor (para el silicio es de 1.12

eV). Los fotones refractados en la superficie del emisor con mayor carga energética que la

banda prohibida aportan la energía necesaria para generar un par electrón-hueco y liberar la

energía adicional en forma de calor, mientras que el resto (con energía menor a la banda

prohibida) recorre el material semiconductor, sin contribuir al efecto fotovoltaico.

Figura 1.1. Esquema funcional de una célula solar.


1.2.- El espectro solar

La distribución espectral de la energía procedente del sol se extiende en una región

de longitudes de onda que abarca aproximadamente desde 250 nm a 3 µm. Principalmente

son dos los espectros que tienen interés: el AM0 y el AM1.5. Las siglas de AM significan Air

Mass, y el número que las sigue es la medida del camino óptico que recorren los fotones del

sol dentro de la atmósfera del planeta, normalizado al camino óptico recorrido cuando el sol

está en el cénit. El espectro solar AM0 corresponde al espectro solar extra atmosférico,

próximo al espectro de emisión de un cuerpo negro a 5762 K, y presenta una irradiancia de

1353 W/m2 (valor tomado como constante solar). El AM1.5 es el espectro de referencia para

aplicaciones terrestres y presenta una irradiancia (calculada a partir de una normalización de

su espectro) de 1000 W/m2.

En la gráfica 1.1 se observa con claridad el efecto de la atmósfera, causante de la

pérdida de irradiancia del espectro AM1.5 respecto al AM0, debida a la reflexión, difracción y

absorción por los gases y partículas que la forman.

Gráfica 1.1. Composición del espectro solar. [7]


1.3- Materiales usados en la fabricación de células solares

Existen diversos materiales semiconductores a partir de los cuales se pueden fabricar

células fotovoltaicas, que según su ordenación atómica, se dividen en: amorfos (sin

estructura cristalina), como el silicio hidrogenado, policristalinos (con diferentes planos

cristalinos), como el telurio de cadmio y monocristalinos (estructura de planos cristalinos

tridimensionales) como el arseniuro de galio. En el caso de las células solares, los materiales

utilizados están limitados por el espectro de la luz solar, puesto que la energía de un fotón

está directamente ligada con la energía que transporta, según la siguiente relación:

Siendo h la constante de Planck, c la velocidad de la luz, E la energía y λ la longitud

de onda del fotón. Substituyendo los valores de las constantes físicas h y c, queda:

En el apartado anterior se ha visto que los fotones procedentes del sol presentan

longitudes de onda de 250 a 3000 nm, lo que, por la relación anterior, es equivalente a decir

que transportan una energía comprendida en el rango entre 0.41 y 4.96 eV. Por

consiguiente, para que pueda producirse el efecto fotovoltaico, y aprovechar el máximo de

espectro solar, la célula solar deberá estar compuesta de un material semiconductor que

presente una banda prohibida (o band gap) suficientemente estrecha. No obstante, a menor

anchura de la banda prohibida, se produce menor fotovoltaje, lo que se traduce en una baja

eficiencia energética. Teniendo en cuenta los factores que limitan el rendimiento, se obtiene

que la banda prohibida que debe presentar un semiconductor debe estar en el rango de los

0.7 eV a 2.2 eV. En la siguiente gráfica se puede la variación de la eficiencia en función del

valor de la banda prohibida, para los dos espectros de referencia.

(1.1)

(1.2)


En la industria fotovoltaica, el material más utilizado es el silicio, debido a su

abundancia en la naturaleza (el silicio es el segundo elemento del planeta más abundante, el

primero es el oxígeno). El silicio utilizado para la fabricación de células fotovoltaicas se

caracteriza por un grado de impurezas inferior a 1 ppba (partes por billón de átomos). El

uso de purezas mayores aumenta mucho el coste del dispositivo.

1.4.- Características eléctricas de la célula solar ideal

En este apartado, se expone el comportamiento eléctrico de la célula solar y se

presentan su circuito equivalente y sus los parámetros de mayor interés. En oscuridad, por

lo tanto, en ausencia de efecto fotovoltaico (al no haber fotones incidentes), la célula solar

se comporta como un diodo ordinario, pues ambos son, básicamente, una unión pn. Así

pues, la característica I-V en oscuridad es como se muestra a continuación.

Gráfica 1.2. Eficiencia vs Banda prohibida .[3]


Al iluminar la célula solar, se generan en su interior pares electrón-hueco que

contribuyen al a generación de corriente. El resultado eléctrico del efecto fotovoltaico puede

apreciarse en la curva I-V como una traslación proporcional a la cantidad de fotones

absorbidos de la característica en oscuridad, de la característica en oscuridad.

Por lo tanto, la respuesta eléctrica de la célula solar se puede determinar mediante la

superposición de su comportamiento en iluminación y en oscuridad. Esta dualidad queda

patente en su circuito equivalente, compuesto por un diodo (que modela el comportamiento

en oscuridad) y por una fuente de corriente (que modela la fotogeneración de corriente),

Gráfica 1.3. Comportamiento en oscuridad de un diodo.

Gráfica 1.4. Comportamiento de un diodo.


cuyo funcionamiento se describe como

siendo:

If: la corriente fotogenerada.

Sin: la irradiancia, Io la corriente inversa de saturación.

Vt: el potencial térmico, que es igual a ; con k la constante de Boltzmann, T la

temperatura en grados Kelvin y q la carga del electrón.

En una célula solar, la máxima corriente fotogenerada se da si por cada fotón

incidente se genera un par electrón-hueco y, a su vez, estos portadores son colectados por

los contactos (generando así, corriente eléctrica). Su valor es

siendo:

AIL el área iluminada de la célula.

q: la carga del electrón.

Φin(λ): el flujo de fotones incidentes, expresado en número de fotones por unidad de

área y de tiempo.

Figura 1.2. Circuito equivalente de una célula solar ideal.

(1.3)

(1.4)


Para determinar la calidad de una célula solar fotovoltaica se emplean los siguientes

parámetros:

La corriente de cortocircuito (ISC), que se define como la intensidad de corriente que

circula por la célula en cortocircuito (V=0). Su valor es proporcional a la cantidad de fotones

recibidos.

La tensión de circuito abierto (VOC) es el voltaje en bornes de la célula fotovoltaica

cuando entre ellos no circula ninguna corriente (I=0). Su valor depende de la corriente

fotogenerada, la corriente inversa de saturación y la temperatura; y se puede determinar a

partir de la siguiente expresión:

El Fill Factor o Factor de Forma (FF) es un indicador que cuantifica, en condiciones

de iluminación, la relación entre la potencia máxima (PM) que puede suministrar la célula

fotovoltaica, y la máxima que se podría obtener de este dispositivo: esto es, si la unión pn

constituyera un diodo cuya curva I(V) fuese ideal.

Resulta muy esclarecedor representar el Fill Factor como una relación entre áreas.

Cuanto mayor es el Fill Factor más se aproxima la curva I-V de la célula a la

característica ideal (de máxima potencia).

Figura 1.3. Representación geométrica del Fill Factor.

(1.5)

(1.6)


El rendimiento ( ) de una célula solar es la relación entre la potencia máxima

entregada por la célula, y la potencia recibida en forma de luz.

La eficiencia cuántica (QE (λ)) se define como el cociente entre el número de

portadores colectados y el número de fotones incidentes para una determinada longitud de

onda.

La respuesta espectral (SR) es la relación entre la corriente fotogenerada a partir de

una luz incidente monocromática de una determinada longitud de onda y la irradiancia a esa

longitud de onda.

Resultan de especial interés las representaciones gráficas de la eficiencia cuántica y

la respuesta espectral, en función de la longitud de onda, ya que sirven para describir el

comportamiento de la célula para toda una gama de longitudes de onda (por ejemplo, el

espectro solar).

(1.7)

(1.8)

(1.9)

Gráfica 1.5. Respuesta espectral de una célula solar.


1.5.- La célula solar real

Al modelo anteriormente dado, hay que añadirle una serie de efectos y

consideraciones para que sea válido y útil para caracterizar células fotovoltaicas reales.

En cuanto a la corriente fotogenerada, existen mecanismos de pérdidas que hacen

que sea inferior. En la expresión 1.4, se ha considerado que cada fotón incidente en la

superficie de la célula es absorbido por la célula y genera un par electrón-hueco, que es

colectado por los contactos. Por lo tanto, es necesario tener en cuenta que no todos los

fotones incidentes contribuyen a la generación de corriente. Esto se hace añadiendo a la

expresión la relación de portadores colectados por fotón incidente, es decir, la eficiencia

cuántica (QE(λ)).

Esta eficiencia cuántica tiene en cuenta todos los efectos, tanto ópticos como

eléctricos, que ocasionan pérdidas, y suele ser llamada eficiencia cuántica externa, (EQE),

para distinguirla de la interna (IQE) que solo comprende los efectos eléctricos

(recombinación de portadores en el interior del semiconductor). La relación entre ambas es:

siendo:

fm: el factor de metal, que es la relación entre la superficie de la cara frontal a la sombra

de los contactos y el área total de la cara.

R(λ): la reflectancia de la superficie frontal.

FA(λ): Factor de Absorción, que relaciona el número de fotones absorbidos con los

fotones refractados al interior del material.

Además de las pérdidas en la corriente fotogenerada, existen otros efectos que

hacen que la corriente proporcionada por la célula fotovoltaica sea menor que la teórica.

Estos parámetros son las fugas causadas por defectos en el dispositivo, modeladas en el

circuito equivalente por una resistencia en paralelo, y el aumento de la resistencia serie del

dispositivo (modelado así mismo) producido por la no idealidad de los contactos y caminos

de metalización; resistencia de los contactos.

(1.10)

(1.11)


Considerando estos efectos, el circuito equivalente queda modificado como se

muestra en la figura 1.4:

1.6.- La célula solar de alta eficiencia

Con el fin de obtener células solares que ofrezcan buen rendimiento es necesario

minimizar los mecanismos de pérdidas, lo que permite aprovechar de forma más eficiente el

efecto fotovoltaico. Por lo tanto, hay que considerar en el diseño de una célula los distintos

tipos de pérdidas y las causas que las producen, para poder reducirlas.

1.6.1.- Diseño de los contactos eléctricos

Del diseño de esta parte de la célula fotovoltaica depende directamente la magnitud

de las pérdidas provocadas por la reducción de área iluminada, la resistencia paralelo y la

resistencia serie. En cuanto al contacto trasero, puede cubrir toda la superficie, ofreciendo

una baja resistencia serie y minimizando así posibles fugas por defectos (baja resistencia

paralelo). En cambio, en la cara frontal existe un importante compromiso de diseño: un

contacto que ocupe mucha área, presentara baja resistencia, pero reducida eficiencia de la

conversión, ya que todos los fotones incidentes sobre él dejan de participar en el efecto

fotovoltaico (al no poder penetrar en el semiconductor). Por el contrario, un contacto muy

pequeño maximiza el área activa iluminada, pero posee una reducida capacidad de colección

de portadores, a causa de la elevada resistencia eléctrica de la capa superior del

semiconductor.

Figura 1.4. Circuito equivalente de la célula solar real.


Los contactos frontales se diseñan en forma de rejilla, tal y como se muestra en la

siguiente imagen:

Los segmentos metálicos más estrechos se denominan fingers y el más ancho,

busbar.

1.6.2.- La capa antireflectante y el texturizado

Un tipo importante de pérdidas ópticas es el debido a la reflexión de fotones

incidentes en la zona activa de la célula solar. El silicio refleja en media más de un 30% de

la luz que recibe. Esta alta reflectancia puede reducirse mediante la aplicación de técnicas

de texturizado y capas antireflejo. Las propiedades ópticas de esta capa dependen del

material y del grosor; éste puede ser calculado para maximizar la refracción de los rayos de

una determinada longitud de onda mediante la relación 1.12.

Figura 1.6. Contacto frontal típico de una célula solar.

(1.12)


Siendo d el grosor de la capa antireflejo, la longitud de onda y n el índice de

refracción del material que constituye la capa.

La capa antireflectante es una fina cubierta de dieléctrico de unas propiedades

ópticas que hacen que la luz reflejada sea mínima. Una de las capas antireflectantes más

comunes en dispositivos fabricados con silicio es la de dióxido de silicio (SiO2), debido a su

bajo coste y facilidad de generación (basta con un proceso de oxidación), frente a las

ventajas que presenta.

El texturizado es un proceso mediante el cual se consigue crear un patrón en relieve

en la superficie de la cara frontal, que permite reducir la reflexión en la misma.

Figura 1.7. Superficie de silicio texturizada.

Gráfica 1.5. Estudio mediante simulación con el PC-1D de la

eficiencia cuántica con y sin capa antireflejo de 100nm.


1.6.3.- Light trapping

Es un mecanismo que consiste en retener los fotones en el interior del

semiconductor tanto cuanto sea posible, con el fin de aumentar la probabilidad de que los

fotones sean absorbidos. La absorción de luz depende del coeficiente de absorción

(parámetro característico del material y que varía con la longitud de onda) y del camino

óptico recorrido por los fotones. A mayor camino óptico, mayor tiempo de tránsito por el

semiconductor y mayor probabilidad de absorción.

El texturizado, además de disminuir la cantidad de luz reflejada, también modifica en

ángulo con el que es refractada al interior, generando un camino óptico más largo.

Que el contacto trasero cubra toda la superficie, no solo elimina los adversos efectos

resistivos propios de contactos pequeños, sino que además actúa de capa reflectora,

enviando hacia la cara frontal los fotones que hayan atravesado al célula sin ser absorbidos.

Figura 1.7. Superficie de silicio texturizada.


1.7.- El multivectorsol

El multivectorsol es un sensor solar de alta precisión capaz de detectar la posición

del sol con una precisión de 0.05º. El desarrollo de la electrónica auxiliar necesaria para

procesar la señal resultante y proporcionar la información en un formato útil corre a cargo

del Departamento de Ingeniería Electrónica de la Universidad de Sevilla. La colaboración

entre la Universidad de Politécnica de Catalunya y la Universidad de Sevilla ya mostró

resultados positivos en el proyecto Vectorsol. El proyecto Vectorsol surgió a partir de una

petición del INTA (Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial), del diseño, fabricación y

validación de un sensor de pequeñas dimensiones y peso, que permitiera detectar la

posición del sol. El sensor vectorsol fue implementado en el satélite español Nanosat-1B,

que se lanzó al espacio en Julio de 2009.

El multivectorsol ha sido diseñado para conseguir una precisión máxima a partir de

los mismos principios de funcionamiento que el vectorsol. Su proceso de fabricación también

ha sido alterado, siendo más simple, lo que reduce el coste de fabricación.

1.7.1.- Principios de funcionamiento

El dispositivo está formado por seis fotodiodos rectangulares fabricados sobre un

sustrato de silicio, dispuestos tal y como se muestra en la figura 1.8.

Figura 1.8. Layout del multivectorsol.


Los fotodiodos se cubren con una tapadera de vidrio Borofloat sobre la cual se ha

depositado aluminio, dejando tres ventanas libres de metal (representadas en 1.8 en rosa).

A través de ésta, la luz penetrará hasta los fotodiodos.

Para ilustrar el funcionamiento del dispositivo se puede partir del estudio de un caso

más sencillo, en el que el dispositivo conste de solamente dos fotodiodos:

En los fotodiodos, la luz incidente genera sendas fotocorrientes proporcionales a las

áreas iluminadas de cada uno. Estas áreas dependen del haz proyectado sobre el dispositivo

y, por tanto, del ángulo de incidencia de la luz. Si el haz es normal a la superficie del

dispositivo (al estar la ventana perfectamente centrada), las áreas iluminadas de los

fotodiodos serán iguales (A1=A2) y, por tanto, la corriente fotogenerada también. Así pues,

en este caso la diferencia de fotocorrientes será nula. En cambio, si el haz presenta cierto

ángulo no nulo respecto a la normal a la superficie, las áreas expuestas serán distintas y, en

consecuencia, las corrientes fotogeneradas también. En este caso, el valor absoluto de la

diferencia de corrientes será no nulo y creciente con el ángulo de incidencia. El valor de

estas fotocorrientes en función del ángulo de incidencia sobre el fotodiodo puede hallarse

mediante las siguientes expresiones:

Figura 1.9. Esquema de funcionamiento.


siendo W, T y h las longitudes indicadas en la figura 1.9, θ, θi los ángulos refractado e

incidente a la tapadera respectivamente, A1 y A2 sendas áreas iluminadas, Sin la irradiancia

solar en el plano horizontal, SC la constante solar (1366 W/m2), ε la excentricidad de la

órbita terrestre, y K el parámetro que relaciona la corriente que se puede obtener de la

célula en función de la potencia óptica incidente.

El parámetro K depende de la tecnología de fabricación, el espectro de iluminación y

la reflectancia de la capa antirreflejo (que a su vez depende del ángulo de incidencia).

Además, depende del día del año (es decir, de la distancia al sol) y con el tiempo puede

variar debido a la degradación causada por la radiación.

Dado que el parámetro K y la irradiancia son iguales para ambos fotodiodos, se

emplea el algoritmo 1.14 que relaciona el ángulo de incidencia de los fotones con las

corrientes fotogeneradas, con independencia del valor de dichos parámetros, evitando así el

efecto de la fluctuación de su valor por causas difícilmente controlables.

Por lo tanto:

Una especificación de diseño importante de un sensor solar es el ángulo de campo

de visión o FOV (Field of View), que corresponde al máximo ángulo detectable respecto a la

recta normal al dispositivo.

Así pues, en el caso extremo, el ángulo de incidencia del haz es igual al valor del

FOV (θmax). Además, al tratarse del caso límite, hay que considerar que el área iluminada

pertenecerá a uno solo de los fotodiodos. Por lo tanto, de la expresión 1.14,

(1.13)

(1.14)

(1.15)

(1.16)


luego,

La ecuación 1.17 muestra la relación que se debe cumplir entre la amplitud de la

ventana (W) y el grosor del vidrio de la tapadera (h) en función del ángulo de incidencia

sobre el fotodiodo en el caso límite. Dado que por construcción, el ángulo θ siempre

pertenecerá al primer cuadrante, dicha especificación se traduce en la siguiente inecuación.

El valor es el valor del ángulo de incidencia del haz sobre el fotodiodo (que es

igual al refractado por la tapadera) para el caso límite (incidencia del haz sobre el dispositivo

de 60º) y puede hallarse mediante la Ley de Snell de la refracción (1.20).

Siendo el índice de refracción en el vacío y el índice de refracción en la

tapadera, iguales a 1 y 1.47 respectivamente.

Aumentando el tamaño del dispositivo, se consigue una relación w/h mayor, y por

tanto, mayor FOV. Asimismo, se disminuye la vulnerabilidad al ruido, al ser las corrientes

fotogeneradas mayores. No obstante, otra especificación de diseño es que el dispositivo sea

de reducido tamaño; así pues, existe un compromiso entre la sensibilidad en la detección, el

FOV y las dimensiones de los fotodiodos.

El factor G de la expresión 1.15 indica cuan grande es la variación en la diferencia de

fotocorrientes según la variación del ángulo . Concretamente, a mayor valor de este factor,

mayor es el incremento en la diferencia de fotocorrientes por grado aumentado en la

inclinación respecto a la normal. Por lo tanto, la sensibilidad del dispositivo aumentará. No

obstante, el aumento de este parámetro implica la reducción del cociente W/h, y en

consecuencia, la disminución del FOV (expresión 1.19).

(1.17)

(1.18)

(1.19)

(1.20)


Este mismo razonamiento puede realizarse desde un punto de vista geométrico:

Para una variación angular dada, y manteniendo el tamaño de la ventana, si el

grosor de la tapadera es mayor, entonces la sombra causada por ésta también, y así pues,

la región iluminada se desplazará más distancia. Por lo tanto, la diferencia entre las

corrientes fotogeneradas también se verá incrementada. Asimismo, al avanzar más la zona

iluminada, se llegará al caso de detección límite para un ángulo incidente menor.

Con el objetivo de maximizar la precisión, se propone la sectorización del FOV, que

consiste en el uso de múltiples pares de fotodiodos, dispuestos de tal forma que cada par

trabaje en una pequeña región angular. Se diseñan tres pares de fotodiodos con unas

dimensiones tales que cada uno presente alta sensibilidad y un FOV de almenos 40º. Cada

par actuará de la misma forma que un vectorsol, en un sector angular determinado. Así

pues, el par central determina la posición del sol, si la inclinación de este respecto a la recta

normal a la superficie del sensor es igual o menor a ±20º. Los otros dos pares de

fotodiodos presentan las mismas características, pero sus ventanas han sido diseñadas para

cubrir la detección entre -60º y -20º, y entre 20º y 60º; obteniendo así un FOV total de

±60º. Además el uso de múltiples ventanas, permite trabajar en la región más lineal de la

función tangente (argumentos alrededor de 0º).

Para una completa detección de la dirección en la que se haya el sol, es necesario el

uso de dos dispositivos como los descritos orientados ortogonalmente, ya que estos solo son

sensibles a variaciones en la posición del sol según el eje sobre el que se disponen los

fotodiodos.

Figura 1.10. Comparativa de distintos grosores de tapadera.


1.7.2.- Diseño final del dispositivo

La tapadera es de vidrio Borofloat de 1.7 mm de grosor y tiene 4.5 mm de lado,

mientras que la ventana central es de 1.9 mm. Estas dimensiones cumplen holgadamente la

condición 1.18. Además el diseño garantiza fotocorrientes para el peor caso (ángulo de

incidencia de 60º) suficientemente grandes (del orden de los 100 µA) como para

enmascarar el ruido. Los pads de acceso a los cátodos de los fotodiodos son cuadrados de

400 µm de lado, están numerados y no los cubre la tapadera, con el fin de no entorpecer el

proceso de wire bonding cuando se encapsule el dispositivo. Por su parte, la cara trasera,

cubierta completamente de aluminio, sirve de contacto común de los ánodos de los

fotodiodos. Las dimensiones del sensor antes del encapsulado son 13.8mm x 6.8mm.

Figura 1.12. Dimensiones del multivectorsol.


Capítulo 2: Procesos de fabricación en sala blanca

En este segundo capítulo se describen procesos necesarios para la fabricación de

células solares (y otros dispositivos basados en esta tecnología). Estos procesos se aplicarán

a lo largo de la realización del sensor de alta precisión multivectorsol, detallada en el

siguiente capítulo.

2.1.- Limpieza RCA

Antes de cualquier paso de alta temperatura (por ejemplo, difusiones y oxidaciones)

es necesario efectuar una limpieza de las obleas que se van a procesar, con el fin de

eliminar de la superficie cualquier partícula contaminante, ya que podría ser difundida hacia

el interior de ésta, degradando la pureza y la calidad del semiconductor utilizado (en el caso

de este proyecto, silicio de grado solar). El proceso de limpieza estandarizado es el conocido

como RCA, siglas correspondientes a la Radio Corporation of America, para la cual fue

diseñado este proceso por Werner Kern en 1965. El proceso consiste en dos etapas:

En la primera, llamada RCA1, se eliminan los posibles restos orgánicos, mediante la

inmersión de la oblea en una mezcla de agua desionizada (H2O DI), peróxido de hidrógeno

(H2O2) y amoniaco (NH3). Una vez introducida la oblea, se eleva la temperatura de la

solución hasta 70ºC, y se mantiene 10 minutos. Pasado este tiempo, se procede a diluir la

mezcla aplicando un flujo abundante de agua desionizada y dejando que rebose durante

unos 4 o 5 minutos. Esta técnica, denominada Quenching, sirve para aclarar la muestra,

bajar su temperatura y erradicar las partículas en suspensión que hayan podido quedar en la

mezcla.

Durante el proceso RCA aparece una fina capa de óxido en la superficie del silicio al

reaccionar éste con el oxígeno presente en la mezcla. En este óxido, pueden quedar

impurezas atrapadas, por lo que conviene atacarlo. Este ataque se hace con ácido

fluorhídrico (HF) muy diluido (al 1% o 2%) durante una breve periodo (alrededor de 60

segundos). El silicio es un material hidrófugo, mientras que el óxido de silicio es hidrófilo.

Estas propiedades físicas pueden ayudar a percibir por inspección visual tanto la formación

del óxido, como su eliminación; así pues, la oblea es introducida en el HF hidrófila (habrá

salido mojada del quenching), y sale hidrófuga (seca).


La segunda etapa, RCA2, sirve para eliminar restos de metales pesados, hidrógenos

metálicos e iones alcalinos. La solución empleada está compuesta por agua desionizada

(H2O DI), peróxido de hidrógeno (H2O2) y ácido clorhídrico (HCl). Tanto la proporción del

RCA1, como del RCA2 suele ser 6:1:1, si bien ésta puede ser alterada según se desee hacer

una limpieza más o menos agresiva. En el RCA2 se procede de forma análoga al RCA1 , es

decir, subida a 70ºC, mantenimiento durante 10 minutos, quenching y ataque con HF (con

la salvedad de que la oblea es introducida cuando la mezcla ya ha alcanzado los 70ºC).

RCA 1 RCA 2

Producto Cantidad (ml) Producto Cantidad (ml)

H2O DI 1500 H2O DI 1500

H2O2 250 H2O2 250

NH3 250 HCl 250

La siguiente imagen corresponde a los enseres de que dispone la sala blanca del

Departamento de Ingeniería Electrónica de la UPC utilizados para realizar las limpiezas RCA.

Tabla 2.1. Cantidades necesarias para el proceso la

realización del proceso RCA en botes de 2 litros.

Imagen 2.1. Material para la realización de un RCA.


2.2.- Oxidación térmica

El silicio se oxida de forma natural en contacto con una atmósfera oxidante. En

condiciones normales se forma una capa muy fina de dióxido de silicio (SiO2), conocida

como óxido nativo. Para poder conseguir capas de SiO2 de mayor grosor se puede facilitar

este fenómeno de naturaleza espontánea aumentando la temperatura y generando una

atmósfera altamente oxidante. Ésta es generada mediante el uso de oxígeno (O2) en forma

gaseosa (oxidación seca) o de vapor de agua (oxidación húmeda). Todos los procesos de

oxidación llevados a cabo para la elaboración del sensor han sido oxidaciones secas. En este

tipo de oxidaciones, se usa un horno de baja contaminación, cuya atmósfera es enriquecida

mediante el suministro de oxígeno y dicloroetileno (DCE). El dicloroetileno es usado como

solvente y permite disponer de un entorno más limpio en el interior del horno.

El grosor de los óxidos generados depende del caudal de oxígeno, la temperatura del

horno y el tiempo de oxidación. En las oxidaciones realizadas en este proyecto, se han fijado

los flujos de los gases y se ha variado el tiempo de oxidación, ya que es el parámetro más

fácil de controlar, y además presenta una relación aproximadamente lineal con el grosor. En

las oxidaciones realizadas, el flujo de DCE se ha fijado a 35 mm para la limpieza y 65 para el

proceso.

Gráfica 2.1. Relación entre el grosor de óxido y el tiempo de oxidación.


Antes de una oxidación térmica es necesario asegurar la ausencia de impurezas y

contaminantes tanto en el horno, como en la oblea. Para ello se realizan sendas limpiezas.

La limpieza del horno consiste en un proceso de alta temperatura, con DCE y O2, mientras

que las obleas son lavadas siguiendo el proceso RCA. En el proceso de oxidación térmica es

muy importante la sincronización entre ambas limpiezas, con el fin de poder introducir las

obleas en el horno justo al acabar el RCA, evitando así la exposición innecesaria de las

obleas al ambiente

Al acabar el RCA, se procede a introducir las obleas en el horno, que debe estar

estabilizado a una temperatura adecuada (600ºC). A continuación se inicia una rampa de

subida; al alcanzar determinadas temperaturas se introducirán el oxígeno y el dicloroetileno,

dando así comienzo a la oxidación de la oblea. Tanto antes de la introducción del

dicloroetileno como después de su retirada, hay que purgar las válvulas de suministro. Esta

purga consiste en flujo de DCE a través de ellas mediante un circuito de bypass.

Figura 2.1. Sincronización del proceso RCA con la limpieza del horno de oxidación.


Al llegar al tiempo de oxidación deseado (calculado previamente para la obtención de

un grosor de óxido concreto), se retiran el DCE y el oxígeno, y se inicia una suave rampa de

bajada hasta la temperatura a la que pueden ser extraídas las obleas del horno.

2.3.- Difusión térmica

La difusión es un proceso térmico en el que partículas materiales se introducen en un

medio. Este es el proceso empleado para conseguir una estructura heterogénea que genere

un campo eléctrico interno y posibilite el efecto fotovoltaico.

En concreto en este proyecto se ha partido de obleas tipo p, y se han difundido

impurezas de fósforo; elemento que al incorporarse a la red cristalina, libera un electrón de

valencia (al tener sus átomos uno más que el de silicio), generando así un exceso de

portadores tipo N (electrones).

La técnica usada ha sido la difusión térmica, que desde el punto de vista del proceso

de fabricación es bastante similar al proceso de oxidación térmica: las obleas a difundir son

introducidas junto con obleas dopantes en un horno de alta temperatura. Al llegar a una

temperatura suficientemente alta, las obleas dopantes liberan átomos de fósforo al

ambiente, que se depositan sobre la superficie del silicio, y son absorbidos por éste. El único

gas introducido en el horno es el nitrógeno (N2), que es un gas inerte que sirve para

Gráfica 2.2. Evolución de la temperatura del horno durante el proceso de oxidación.


conservar libre de suciedad el ambiente en el interior del horno limpio. El dopado resultante

de una difusión térmica depende de la temperatura del proceso y del tiempo de difusión.

Como en la oxidación térmica, es necesario un proceso térmico antes de ejecutar el

proceso en sí, para estabilizar el horno. Este proceso es muy importante y suele durar entre

1 y 6 horas (o incluso más), dependiendo de la actividad reciente del horno (a mayor tiempo

de reposo, mayor tiempo de estabilización se requiere). Asimismo es de suma importancia

realizar una limpieza RCA a las obleas a difundir, para evitar la contaminación por difusión

de impurezas no deseadas. La sincronización de ambos procesos vuelve a ser clave para

obtener unos buenos resultados.

Gráfica 2.3. Evolución de la temperatura del horno durante el proceso de estabilización.

Gráfica 2.4. Evolución de la temperatura del horno durante el proceso de difusión.


2.4.- Medida de la resistencia de cuadro

Un indicativo del dopado de una zona es la medida de la resistencia de cuadro. A

mayor dopado, mayor conductancia presenta el material, y, por tanto, menor resistencia. Se

aplica un nivel de corriente constante y se mide el voltaje obtenido. Esta medida se realiza a

cuatro puntas para lograr la máxima precisión, y junto con la ecuación 2.1, que aplica un

factor corrector, permite calcular la resistencia de cuadro.

(2.1)

Figura 2.2. Sincronización del proceso RCA con la estabilización del horno de difusión.


2.5.- Medida del tiempo de vida de portadores minoritarios

Tanto tras el proceso de oxidación, como de difusión se realiza la medida del tiempo

de vida, puesto que es un parámetro fundamental en los semiconductores. El tiempo de vida

se define como el tiempo medio que transcurre entre la generación de un par electrón-

hueco, tras la absorción de fotones incidentes, y su recombinación.

Estas medidas se realizan con el dispositivo Sinton WCT-120, que cuenta con varios

filtros y configuraciones que permiten la medida del tiempo de vida para distintos niveles de

inyección.

Imagen 2.2. Sinton WCT-120.


2.6.- Medida del grosor de óxido

El grosor de una capa de óxido, así como su índice de refracción, puede ser hallado

mediante elipsometría espectroscópica. Para ello, la sala blanca dispone del equipo Plasmos

SD 2100. Este instrumento basa su funcionamiento en la detección del cambio de

polarización, tras la reflexión en la superficie a estudiar, de un haz de luz monocromática,

polarizada y colimada (rayos paralelos entre sí).

El elipsómetro está compuesto por un emisor del haz incidente y un receptor del

reflejado, y facilita dos parámetros ajustables relacionados con la polarización de la onda

luminosa; llamados ángulos δ y ѱ. A su vez, estos ángulos están relacionados con el grosor

de la capa a medir, su índice de refracción y su coeficiente de absorción.

La medida se realiza determinando qué ángulos δ y ѱ minimizan el valor de la onda

reflejada. Tras hallar ambos valores se pueden conocer los parámetros del óxido mediante

un software específico.

Imagen 2.3. Elipsómetro PlasMos SD 2100.


2.7.- Fotolitografía

Este proceso consiste en transferir un patrón desde una máscara a la superficie de

una oblea. El primer paso del proceso es limpiar dicha superficie con acetona e isopropanol

y cubrirla con fotoresina, sensible a la luz ultravioleta. Este depósito se realiza por spin

coating; una técnica en la que se dispone la resina en el centro de la oblea. El equipo

específico usado para este propósito es el Spinner Model P6700. El grosor depuesto

depende del tipo de resina y la velocidad de giro, que puede ser programada en el spinner.

Para la elaboración del sensor multivectorsol (descrita en el siguiente capítulo) se han

empleado resinas de 1.2 µm (fina) y 7 µm (gruesa), y todos los depósitos han sido

realizados a 3000 rpm.

Previo al depósito de resina, para incrementar la adherencia de la resina, se saca la

humedad de la oblea tras limpiarla (introduciéndola en un horno a unos 150ºC), y se hace

un depósito de una fina capa de hexametildisilazano (HDMS), que es una sustancia

hidrófuga que es usada como promotor de adherencia. Este promotor no se usa sobre

superficies en las que la adherencia ya es suficientemente buena (ya que podría llegar a

dificultar el revelado, que es la etapa final), como el vidrio o las superficies totalmente

cubiertas de metal.

Tras cubrir la superficie de la oblea con resina, es necesario secarla. Este secado se

hace en un horno de convección a 105ºC (para resina gruesa), o en Hot Plate (es una

plancha térmica) a 115ºC (para resina fina). La finalidad del secado es que la fotoresina se

endurezca y libere disolventes que contiene, dejando la cara a litografiar de la oblea con una

capa sólida, uniforme y fotosensible.

En ocasiones se requerirá cubrir ambas caras de la oblea con resina (por ejemplo, en

la primera litografía del proceso multivectorsol, ver 3.3.1.2). Si estos depósitos se realizan

por spin coating (como es el caso), es recomendable hacer en primer lugar el de la cara que

no será expuesta a la luz, para evitar defectos en la litografía, por falta de uniformidad en el

depósito. Esto se debe a que durante el spin coating aparecen gotas cerca de los bordes en

la cara opuesta de la oblea.


Al hacer el depósito en la cara útil (para la litografía) en segundo lugar, se logra

enmascarar las gotas resultantes, logrando un depósito uniforme.

Una vez seca la fotoresina, se procede a la alineación de la máscara y la exposición

a la luz ultravioleta. Con este propósito se dispone de una máquina llamada alineadora, que

permite una alineación precisa entre la máscara y la oblea, el contacto de ambas con el fin

de minimizar la difracción y la exposición a la radiación UV.

Figura 2.3. Problemática del depósito mediante spin coating.

Imagen 2.4. Alineadora Kart Suss MA4.


La resina de las zonas de la oblea en las que la máscara sea transparente, serán

expuestas a la luz, mientras que el resto quedará protegida bajo los dibujos de la máscara.

Esta exposición causará cambios en la estructura química de la resina. Según la naturaleza

de éstos, se puede distinguir entre fotoresinas positivas y negativas. Estos cambios no son

instantáneos, requieren un tiempo de espera tras la exposición, conocido como hold time.

Para la resina gruesa este tiempo es de 45 minutos, mientras que para la fina es de 2

minutos.

La etapa final del proceso se llama revelado, y consiste en aplicar un baño a la oblea

en una sustancia (revelador) que elimina la fotoresina expuesta, en el caso de que se

trabaje con resina positiva, o bien la no expuesta, si la resina es negativa. A lo largo de la

elaboración de este proyecto se ha trabajado con resinas positivas y el revelador MF-24A.

2.8.- Stripper de resina

En determinados puntos del proceso de fabricación es necesario eliminar la resina

depositada sobre la oblea (como ser observará en el capítulo 3). Esto se hace mediante un

baño de acetona y otro de isopropanol. El primero elimina la resina, mientras que el

segundo sirve para disolver trazas de acetona en la oblea.

Tras el stripper se aclara la oblea en agua desionizada y se seca (mediante pistola de

N2 o centrifugado).


2.9.- Metalización

La metalización es el proceso que consiste en el depósito de metales. En este

proyecto se ha optado por hacerlas todas mediante la técnica de sputtering.

El sputtering o pulverización catódica es un proceso físico en el que se produce la

vaporización de los átomos de un material sólido (material a depositar), llamado target (o

blanco) a través del bombardeo con iones energéticos. La colisión de estos iones contra los

átomos de la superficie del material hace que algunos de éstos sean expulsados. El número

de átomos arrancados por ion incidente es un parámetro importante del proceso conocido

como “sputter yield”. Los átomos expulsados colisionan con la oblea y quedan incrustados

en ella.

Los iones energéticos se obtienen de un plasma que se genera en el interior de la

máquina de sputtering, por medio del uso de un generador de corriente alterna de

radiofrecuencia, campos magnéticos y la aplicación de un potencial de polarización sobre el

target. La sala blanca cuenta con dos máquinas de sputtering.

El paso previo a una metalización, consiste en la puesta a punto de la máquina: abrir

válvulas de gas, llaves de agua, encender los sensores de presión y preparar el target del

material que se desee depositar. Seguidamente, se coloca la muestra en el interior de la

campana de la máquina, se protege con el shutter (pieza que se puede mover desde el

exterior de la campana y que en una de sus dos posiciones retiene las partículas

pulverizadas, evitando que se depositen en la oblea) y se encienden las bombas de vacío. Al

Imagen 2.5. Máquina de Sputtering Edwards Imagen 2.6. Máquina de Sputtering Leybold


bajar la presión en el interior de la cámara se elimina la humedad del ambiente, mejorando

así las condiciones del depósito.

Al llegar a una presión suficientemente baja, del orden de 10-5 mbar (se tarda

alrededor de una hora en alcanzar), se procede a realizar el depósito. Primero se abre el

paso de argón y a continuación se enciende el plasma mediante la puesta en marcha del

generador de radiofrecuencia. Con el plasma encendido, se fija el nivel de potencia deseado

y la presión de trabajo (que para todos los depósitos realizados en este proyecto ha sido de

1,2·10-5 mbar). En este punto, la pulverización catódica ha comenzado, pero no el depósito

en sí, pues el shutter está cerrado (evitando la salida de partículas del cátodo hasta la

oblea). Esta situación conviene mantenerla durante unos minutos para evitar que la

suciedad que pueda haber en la superficie del target se deposite con las primeras capas de

metal. Tras estos minutos de limpieza del target, se abre el shutter y comienza el depósito.

Transcurrido el tiempo de depósito se cierra el shutter, se apaga el generador de

RF, se cierra la entrada de argón, y se sube la presión de la campana mediante la

introducción de un gas inerte (N2) para poder abrirla y extraer la oblea metalizada.

2.10.- Lift Off

En las metalizaciones realizadas con la técnica de sputtering, como sucede también

con otras técnicas como la evaporación por efecto Joule o la implantación iónica, se cubre

toda la superficie de la oblea. Por lo general, interesa metalizar zonas concretas (contactos,

busbar, fingers, etc.). Por ello, tras la metalización habrá que eliminar el metal depositado

no deseado.

Una manera de hacerlo es, tras la metalización, hacer una litografía que proteja las

zonas que deban conservar el metal, y atacar el resto con algún producto al que la resina

sea resistente.


Otra técnica es la conocida como lift off, en la que la litografía se hace antes de la

metalización, y tras ésta, se elimina toda la resina de la oblea; y con ella, el material

depositado sobre la misma. Para ello, tras el depósito se introduce la oblea en un horno a

115ºC, con lo que se consigue agrietar la capa metálica. A continuación se sumerge la oblea

en un baño de acetona que penetra a través de las grietas y elimina la resina, dejando el

metal desligado al sustrato. Ocasionalmente se aplica ultrasonidos para facilitar este

desprendimiento, aunque con cautela, pues zonas en las que se quiere conservar el metal

pueden resultar dañadas.

En función de parámetros como el grosor de metal depositado o las capas de metal

ya presentes en el dispositivo, será más conveniente optar por una u otra técnica. Y ésta

debe ser elegida en el momento de diseñar las máscaras de fotolitografía, puesto que, para

un mismo proceso, la máscaras para un ataque tras la metalización y para realizar un lift off

serían opuestas.

Figura 2.7. Retirada del excedente mediante ataque al metal.

Figura 2.8. Retirada del excedente mediante lift off.


2.11.- Recocido

La metalización por sputtering, como en el caso de implantación iónica, es una

técnica agresiva con la superficie de la oblea, ya que al impactar los átomos del target se

generan defectos en la estructura cristalina, que se traducen en un mal contacto entre el

material depositado y el semiconductor y, en consecuencia, en una degradación de las

características eléctricas del conjunto.

Este contacto se puede mejorar mediante un tratamiento térmico conocido como

recocido, consistente en introducir la oblea a una temperatura comprendida entre 100ºC y

450ºC. Con esto se consigue reorganizar la red cristalina, eliminando los defectos aparecidos

en el proceso de metalización.

Figura 2.9. Máscara de Lift Off Figura 2.10. Máscara de Ataque Húmedo

New µFineSensor Lift-off (3/4)

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New µFineSensor ataque humedo Au (4/4)


Capítulo 3: Fabricación de un sensor solar en dos ejes

En este apartado se detallan paso a paso las distintas etapas de fabricación, que

permiten la realización del sensor multivectorsol. Con el fin de guiar a lector, se han

agrupado los diversos pasos en distintas etapas, atendiendo al objetivo de estos.

3.1.- Fotodiodos

Esta primera etapa consiste en la creación de los fotodiodos, partiendo de una oblea

de silicio tipo P.

Tipo de oblea Zona Flotante Tipo P. Pulida a una cara

Diámetro 4''

Grosor 283 µm

Resistividad 0.38 Ω·cm

3.1.1.- Oxidación térmica

El primer paso consiste en el crecimiento de una gruesa capa de óxido que servirá

para proteger las zonas que no se deseen difundir (paso 3.3.1.5). Esta oxidación se realiza a

una temperatura de 1060ºC y con un tiempo de oxidación de 4 horas, siguiendo el

procedimiento explicado en el segundo apartado del capítulo 2).

Tabla 3.1. Datos de la oblea 07FZ-283-VEC-0.38 F.

Figura 3.1. Esquema crecimiento de óxido.

.......protector


3.1.2.- Litografía de zona activa

.

Este paso tiene como objetivo delimitar las regiones que serán difundidas; es decir,

se define la ubicación de los fotodiodos. Es necesario un doble depósito de resina, ya que

hay que proteger la cara trasera del ataque al óxido que se llevará a cabo en el siguiente

paso. El depósito de la cara trasera se realizará con resina gruesa (7 µm), mientras que el

de la frontal se hará con fina (1.2 µm), puesto que en este paso interesa disponer de una

alta resolución en la litografía. Al hacerse sobre una capa de óxido, se utiliza HDMS. Al

trabajar con resina fina y máscara de acetato, el tiempo de exposición es de 20 segundos y

tras esta, se endurece la resina mediante el uso del hot plate.

New µFineSensor Difusion N+ (1/4)

N+

N+

N+

N+

N+ N+

N+ N+

N+

N+N+

N+

P+ CW

Au_LLIT50 Au

50 Met

P+ CW

Au_LL IT50 Au

50 Met

P+ CW

Au_LLIT50 Au

50 Met

P+ CW

Au_LL IT50 Au

50 Met

P+ CW

Au_LLIT50 Au

50 Met

P+ CW

Au_LL IT50 Au

50 Met

P+ C W

Au_LLIT50 Au

50 Met

P+ C W

Au_LLIT50 Au

50 Met

P+ CW

Au_LLIT50 Au

50 Met

P+ CW

Au_LLIT50 Au

50 Met

Figura 3.2. Esquema de la litografía de zona activa.

Figura 3.3. Máscara de zona activa.


3.1.3.- Ataque al óxido y stripper de resina

Se elimina el óxido de las regiones en las que se emplazarán los emisores de los

fotodiodos, mediante la inmersión de la oblea en fluoruro de amonio. Tras el ataque con

fluoruro de amonio, se recicla el producto, se aclara la oblea con agua desionizada y se

realiza el stripper de la resina. Aunque la resina protege el óxido cubierto, conviene un

control estricto del tiempo de ataque (como en el resto de ataques húmedos), para evitar un

sobreataque.

Figura 3.4. Esquema del ataque al óxido y el stripper de resina.

Figura 3.5. Sobreataque al óxido.


3.1.4.- RCA 1 y ataque con TMAH

El objetivo de este paso es marcar sobre el silicio los patrones ya transmitidos al

óxido (mediante los pasos anteriores), con la finalidad de que sean visibles tras eliminar el

óxido, facilitando así la alineación de las máscaras de las litografías venideras.

Esto se consigue mediante un breve ataque de 6 minutos con TMAH. Para conseguir

que el ataque sea satisfactorio es necesario asegurarse de que la oblea no contenga trazas

de resina, ni suciedad. Con este fin, se realiza una limpieza RCA1 antes del ataque, y justo

antes de sumergir las obleas en el TMAH se elimina el óxido nativo con un ataque de HF al

1%.

3.1.5.- Difusión de fósforo

Mediante difusión térmica, se crean los pozos N en las zonas no cubiertas por el

óxido. Es decir, se forman los cátodos de los diodos, que junto al sustrato tipo P forman la

estructura heterogénea que posibilita el efecto fotovoltaico.

Esta difusión se realiza siguiendo el procedimiento explicado en el apartado 2.3, a

una temperatura de 870ºC y con 30 minutos de tiempo de difusión. Lo que supone que la

oblea estará unos 50-55 minutos en el horno, teniendo en cuenta que se requieren 5

minutos de estabilización tras la introducción de las obleas, y que las rampas de subida y de

bajada son de unos 10 minutos cada una.

Figura 3.6. Difusión de fósforo.


Tras la difusión se elimina el óxido crecido debido al proceso térmico (también

llamado vidrio), mediante un ataque con HF.

Para evaluar los resultados de la difusión y observar el efecto del óxido nativo, se

miden los tiempos de vida y la resistencia de cuadro de la oblea, antes y después.

Con vidrio Sin vidrio

Tiempo de vida (µs) 40 31

Resistencia de cuadro (Ω) 79 82

3.1.6.- Eliminación del óxido

A continuación se elimina el óxido crecido en el primer paso, ya que ha finalizado su

cometido (delimitar los pozos n, protegiendo el resto de la oblea de la difusión). Se realiza

un ataque de 8 minutos con fluoruro de amonio. Si bien conviene no excederse demasiado,

en este caso el control del tiempo no es tan crítico como en 3.3.1.3, dado que al eliminar

todo el óxido, no existe posibilidad de sobreataque.

En la oblea 07FZ-283-0.38 F se ha medido el tiempo de vida también después de la

eliminación del óxido, para estudiar su evolución:

Tabla 3.2. Medidas de evaluación del proceso de

difusión de la oblea 07FZ-283-VEC-0.38 F

Figura 3.7. Supresión del óxido de silicio.


Minority-Carrier Lifetime (no Auger correction) vs. Carrier Density

1.0E-06

1.0E-05

1.0E-04

1.0E-03

1.0E-02

1.0E+13 1.0E+14 1.0E+15 1.0E+16 1.0E+17

Minority- Carrier Density (cm-3)

Measu

red

Lif

eti

me (

sec)

Minority-Carrier Density

Specif ied Carrier Density

Apparent Carrier Density

C

Tau = 73.9 µs at 1.0E+15 cm-3


1.0E-06

1.0E-05

1.0E-04

1.0E-03

1.0E-02

1.0E+13 1.0E+14 1.0E+15 1.0E+16 1.0E+17


Measu

red

Lif

eti

me (

sec)




C

Tau = 63.2 µs at 1.0E+15 cm-3

Gráfica 3.1. Medida del tiempo de vida tras la difusión

con vidrio de la oblea 07FZ-283-VEC-0.38 F.

Gráfica 3.2. Medida del tiempo de vida tras la difusión

sin vidrio de la oblea 07FZ-283-VEC-0.38 F.


3.1.7.- Pasivación

La pasivación es una técnica que consiste en el crecimiento de una fina capa que

material dieléctrico, en este caso SiO2, que actúa de capa antirreflejo y reduce la

recombinación superficial, aumentando considerablemente el tiempo de vida. La capa

pasivante del multivectorsol se obtiene mediante una difusión térmica de 85 minutos a 1060

grados, con la que se pretende obtener un grosor de unos 115 nm. La diferencia principal

en la ejecución entre este proceso de oxidación y el llevado a cabo incialmente (al margen


1.0E-06

1.0E-05

1.0E-04

1.0E-03

1.0E-02

1.0E+13 1.0E+14 1.0E+15 1.0E+16 1.0E+17


Measu

red

Lif

eti

me (

sec)




C

Tau = 100.1 µs at 1.0E+15 cm-3

Figura 3.8. Crecimiento de la capa pasivante.

Gráfica 3.3. Medida del tiempo de vida tras la difusión sin

vidrio y sin óxido de la oblea 07FZ-283-VEC-0.38 F.


de los parámetros), es que ésta debe ser aún más precisa, puesto que ahora el óxido

crecido debe presentar unas características eléctricas y ópticas óptimas. Asimismo, la

limpieza previa a la introducción de la oblea en el horno también es fundamental, dado que

se trata del crecimiento de una capa definitiva, y cualquier impureza o resto de suciedad

afectaría irremediable y críticamente al dispositivo final. Esta capa se diseña maximizando la

absorción de los rayos de longitud de onda igual a 600 nm, ya que son los más abundantes

en el espectro solar. Así pues, aplicando la expresión 1.12 (y sabiendo que el índice de

refracción del silicio es de 1.46) se obtiene que el grosor óptimo es de 103 nm. Tras la

oxidación, la calidad de la capa pasivante se puede valorar mediante la medida del tiempo

de vida y del grosor de la misma. A continuación se muestran los resultados obtenidos de la

oblea 07FZ-283-VEC-0.38 F:

Grosor 113 nm

Tiempo de vida en la cara frontal 63.3 µs

Tiempo de vida en la cara trasera 61.2 µs

3.2.- Contactos frontales

En esta segunda etapa se procede a la fabricación de los pads de acceso a los

cátodos de los fotodiodos. La última capa de metal de estos debe ser de oro (Au), puesto

que el wire bonding para su encapsulado se realiza de este metal. Las otras dos capas

metálicas sirven como interfaz entre el oro y el silicio: el titanio (Ti) ofrece buen contacto

eléctrico con el silicio, mientras que el platino evita la difusión del oro hacia el interior de la

red cristalina de silicio y vicerversa (átomos de Si hacia Au) a través del titanio. Este

fenómeno se debe a una reacción eutéctica entre Si y Au que sucede a temperaturas

superiores a 360ºC (los recocidos superan esta temperatura límite, por lo que es necesario

tratar este problema).

Tabla 3.3. Medidas de evaluación de la pasivación.


3.2.1.- Litografía de abertura de contactos

Este y el siguiente paso son análogos a los pasos dos y tres de la anterior etapa,

tanto en objetivo, abrir ventanas el óxido para poder acceder al silicio, como en ejecución

(grosso modo). Pero esta vez, se emplea resina gruesa para ambas caras de la oblea,

puesto que no se requiere tanta resolución y resulta más cómoda para trabajar (los

depósitos son más robustos frente a imperfecciones, cubren mejor). Al trabajar con resina

de 7µm, el tiempo de exposición se incrementa hasta 90 segundos, y al hacerlo sobre SiO2,

vuelve a ser necesario el uso de HDMS.

New µFineSensor CW_emitter (2/4)

LIT

CW50

L IT

CW50

LITCW50

L ITCW50

LITCW50

L ITCW50

LITCW50

LITCW50

LITCW50

LITCW50

Figura 3.9. Litografía de abertura de contactos

Figura 3.10. Máscara de abertura de contactos.


3.2.2.- Ataque al óxido y stripper de resina

Se elimina el óxido de las regiones en las que se ubicarán los contactos sumergiendo

la oblea en fluoruro de amonio durante 5 minutos. Este tiempo es inferior al del anterior

ataque (apartado 3.1.3), ya que el grosor a atacar también es menor. Tras el ataque, se

recicla el fluoruro de amonio y se retira la resina mediante un stripper con acetona e

isopropanol.

3.2.3.- Limpieza RCA y litografía de Lift Off

Figura 3.12. Litografía de Lift Off.

Figura 3.11. Ataque al óxido y el stripper de resina.


Conviene ejecutar una limpieza RCA de la oblea para garantizar en la medida de lo

posible que no queda suciedad de ningún tipo, que empeoraría la unión Ti-Si. No es

necesario efectuar el HF2, puesto que tras la limpieza, se continúa con un proceso

litográfico, lo que implica un lapso de tiempo suficientemente largo entre ésta y la

metalización, como para que vuelva a aparecer óxido nativo. En esta litografía se realizará

un único depósito con resina gruesa (previo HDMS), porque el grosor de resina al de metal

depositado para que el lift off salga bien. El tiempo de exposición también será de 90

segundos (ya que la máscara y el depósito de resina son de las mismas características que

en la litografía anterior).

3.2.4.- Metalización Ti/Pt

New µFineSensor Lift-off (3/4)

1

2

3 4

5 6

P.O

UPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.O

UPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.O

UPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.O

UPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.O

UPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.O

UPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.O

UPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.O

UPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.O

UPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.O

UPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.O

UPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.O

UPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.O

UPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.O

UPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.O

UPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.O

UPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.OUPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.OUPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.OUPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.OUPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.OUPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.OUPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.OUPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.OUPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.OUPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.OUPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.OUPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.OUPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.OUPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.OUPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.OUPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.OUPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.OUPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.OUPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.OUPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.OUPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.OUPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.OUPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.OUPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.OUPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.OUPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.OUPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.OUPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.OUPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.OUPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.OUPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.OUPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.OUPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.OUPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.OUPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.OUPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.OUPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.OUPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.OUPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.OUPC

MNT

1

2

3 4

5 6

P.OUPC

MNT

762762

762

762762

762

762 762

762

762 762

762

762 762

50 LIT

50 LIT

Met

50 LIT

50 LIT

Met

50 LIT

50 LIT

Met

50 LIT

50 LIT

Met

50 LIT

50 LIT

Met

50 LIT

50 LIT

Met

50 LIT

50 LIT

Met

50 LIT

50 LIT

Met

50 LIT

50 LIT

Met

50 LIT

50 LIT

Met

Figura 3.14. Depósito de Titanio/Paladio.

Figura 3.13. Máscara de Lift Off.


Justo antes de metalizar hay que eliminar el óxido nativo, mediante un ataque con

HF, ya que el SiO2 es dieléctrico (con lo que el contacto presentaría unas características

eléctricas pésimas).

Tras el ataque, se introduce la oblea en la campana de la máquina de sputtering,

que debe estar correctamente preparada (llaves de agua y válvulas de gases abiertas,

targets montados, etc.), y se activan las bombas de vacío (mecánica y turbo). El vacío sirve

para extraer la suciedad y la humedad del ambiente. Al llegar a una presión suficientemente

baja (del orden de 1.2·10-5 mbar), se procede al depósito de metal mediante la técnica de

sputtering.

El primer depósito es el de titanio, que se realiza a 100W durante 6 minutos. Al

disponer de dos cátodos en la máquina de sputtering Edwards, se puede realizar el depósito

de platino (Pt), sin necesidad de abrir la campana, manteniendo así las condiciones de

presión. Este segundo depósito se realiza de 15 minutos a 60W de potencia.

Ambos depósitos se realizan a una presión de proceso de 1.1·10-3 mbar; esta presión

se fija ajustando la válvula de alto vació, que comunica la campana con la bomba turbo.

3.2.5.- Lift Off

A continuación se elimina el exceso de metal mediante la técnica de lift off.

Previamente al baño de acetona. Previamente al baño de acetona, se introduce la oblea en

un horno a unos 115ºC durante 15 minutos. La resina se dilata agrietando la capa metálica,

lo que permite el acceso de la acetona hasta la resina. Además se aplica ultrasonidos de

forma muy moderada para facilitar el proceso.

Figura 3.15. Lift Off.


3.2.6.- Recocido

Este paso térmico tiene como objetivo mejorar el contacto eléctrico Ti-Si, puesto que

la técnica de sputtering es agresiva con la superficie de la oblea (esta problemática está

explicada con más detalle en el capítulo 2). El recocido se realiza con forming gas a 375ºC

durante 15 minutos.

3.2.7.- Metalización Au

La técnica elegida para esta metalización es también el sputtering. Este se realiza

con el generador de RF suministrando una potencia de 90 W durante 15 minutos. El proceso

es análogo al seguido en la anterior metalización (Ti/Pt).

3.2.8.- Litografía de ataque al Au

Figura 3.16. Sputtering de Au.

Figura 3.17. Litografía de ataque al oro.


A diferencia de la metalización de Ti/Pt (tras la que se ha usado lift off), se ha

optado por eliminar el metal excedente mediante un ataque húmedo. Para ello es necesario

proteger las regiones en las que se desea conservar el metal (es decir, los pads) con resina.

Para esta litorgrafía se usa resina de 7 µm y un tiempo de exposición de 90 s. En

contraposición las litografías anteriores, en está no se usa HDMS, por estar toda la superficie

cubierta de metal (oro).

3.2.9.- Ataque al Au y stripper de resina

50 Au_L

Au50 Au_L

Au

50 Au_L

Au50 Au_L

Au

50 Au_L

Au50 Au_L

Au

50 Au_L

Au

50 Au_L

Au

50 Au_L

Au

50 Au_L

Au

762762

762

762762

762

New µFineSensor ataque humedo Au (4/4)

Figura 3.19. Ataque al oro y stripper de la resina

Figura 3.18. Máscara de ataque al oro


El excedente de oro se elimina mediante la inmersión de la oblea en una mezcla

compuesta por 2 gramos de yodo (I2), 8 de ioduro de potasio (KI) y 80 ml de agua (H2O).

Tras este ataque, se recicla el producto de ataque y se realiza el stripper de la resina

con acetona e isopropanol.

3.2.10.- Recocido

Este paso tiene como objetivo mejorar la adherencia entre los metales que

constituyen el contacto. Se realiza con forming gas, a 250ºC durante 10 minutos.

3.3.- Contacto trasero

La última etapa sobre el silicio, consiste en la elaboración del contacto trasero, que

cubre toda la cara posterior de la oblea.

3.3.1.- Protección de la cara frontal y ataque al óxido

Para proteger la cara frontal del ataque al óxido, necesario para eliminar la capa

pasivante de la cara trasera (y permitir así el contacto eléctrico entre el silicio y el metal), se

cubre con un depósito de resina gruesa (7 µm).

Figura 3.20. Protección de la cara frontal y supresión del óxido trasero.


Una vez seca la resina (tras 15 minutos en el horno), se expone la cara trasera a la

luz ultravioleta, y se revela, con el fin de eliminar gotas de resina aparecidas durante el spin

coating (problemática ya vista en el punto 3.1.2), que protegerían zonas de la cara trasera

del ataque.

Tras el revelado se procede a la eliminación del óxido trasero con fluoruro de

amonio.

3.3.2.- Metalización Al

Como el resto de metalizaciones llevadas a cabo en este proyecto, esta ha sido

realizada por sputtering. Pero a diferencia de las dos anteriores, esta se ha llevado a cabo

en la máquina de sputtering Leybold, a una potencia de 400W, durante 1 hora, con el fin de

obtener 1 µm de grosor.

3.3.3.- Stripper de resina y recocido

Figura 3.21. Déposito de alumnio en la cara trasera

Figura 3.22. Depósito de aluminio por sputtering en la cara trasera.


Tras el depósito, se elimina la resina y se efectúa un recocido de 15 minutos con

forming gas a 435ºC, para reparar la superficie del silicio que contacta con el aluminio,

dañada durante el depósito por sputtering, y mejorar el contacto y la adherencia de las

capas de metal depositadas a lo largo del proceso.

3.3.4.- Láser firing contacts

Finalmente, con el objetivo de incrementar la calidad del contacto trasero, se dispara

con láser sobre toda la superficie trasera, formando una maya regular de impactos. En los

puntos en los que actúa el láser, se fuerza la penetración del aluminio en el silicio, y hace

que ambos materiales se fundan, formando una unión eléctrica muy conductiva.

3.4.- Tapaderas

Para la fabricacion de las tapaderas se parte de una oblea cuadrada de 10 cm de

lado de vidrio borofloat de 1.7 mm de grosor. Debido a este tamaño (la diagonal es de unos

14 cm) es requiere el uso de recipientes específicos para su tratamiento (baños de acetona,

isopropanol, revelado), ya que los de uso común disponibles en la sala blanca son del

tamaño justo para albergar obleas de 4 pulgadas; es decir, son redondos y de algo menos

de 11 cm de diámetro.

Figura 3.23. Disparo mediante láser de la superficie con Al.


3.4.1.- Litografía de lift off

El primer paso es medir el grosor del vidrio (para comprobar que concuerda con las

especificaciones del fabricante), limpiarlo con acetona e isopropanol y realizar la litografía

que delimita las regiones en las que habrá o no metal. Se utiliza resina gruesa, puesto que

el uso de fina dificultaría el posterior lift off, y no se aplica HDMS. Como en el resto de

litografías hechas con máscara de acetato y resina gruesa, el tiempo de exposición es de 90

segundos.

Tapaderas µFineSensor 14.2 mm x 5.6 mm

Carriles de corte 500 µm (sierra 400 µm)Pablo Ortega

Figura 3.24. Litografía de Lift Off de las tapaderas.

Figura 3.25. Máscara de Lift Off de las tapaderas.


3.4.2.- Metalización de aluminio

Se realiza una capa de aluminio mediante sputtering, de grosor suficiente como para

no ser atravesado por los rayos solares. Este grosor se estima alrededor de 0.2 µm, y para

obtenerlo se hace un depósito de 13 minutos a 400 W, en la máquina de sputtering Leybold.

3.4.3.- Lift Off

Tras agrietar la capa metálica, mediante la introducción de la oblea en un horno a

115ºC, se efectúa el lift off. Es recomendable evitar en la medida de lo posible el uso de

ultrasonidos, puesto que cualquier desprendimiento de metal se traduce en una tapadera

inservible.

Figura 3.26. Metalización de aluminio.

Figura 3.27. Lift Off del Al sobrante.


3.5.- Ensamblado

Una vez listas las obleas y de vidrio son enviadas al IMB-CNM (Instituto de

Microtecnología de Barcelona - Centro Nacional de Microtecnología), situado en Bellaterra,

para ser cortadas.

Tras recibir las obleas cortadas, se procede a la última etapa del proceso de

fabricación del sensor multivectorsol: el pegado de tapaderas.

El primer paso consiste en la limpieza con acetona, isopropanol y agua desionizada

de los dispositivos y las cubiertas. Se secan son nitrógeno a presión y se procede a preparar

la epoxi que servirá para unirlas. La epoxi usada es la EPO-TEK 302-3M, no conductora

transparente y certificada para aplicaciones aeroespaciales, y su preparación consiste en la

mezcla de las dos partes que la constituyen según las proporciones indicadas por el

fabricante.

A continuación se deposita la epoxi sobre el dispositivo y se coloca la tapadera,

alineándola manualmente. Para evitar que la resina epoxi afecte al funcionamiento del

sensor, se requiere que no quede bajo las ventanas de la tapadera. Por ello, se realiza el

depósito en pequeñas en las regiones sobre las que descansaran las esquinas de la cubierta.

La precisión en la colocación es fundamental para el correcto funcionamiento del sensor; no

obstante, hasta este punto, el proceso es reversible, ya que el lavado con acetona e

isopropanol diluye la epoxi y limpia las dos partes del sensor.

Tras la correcta alineación de los fotodiodos con la tapadera y asegurarse que la

epoxi no se ha desplazado hacia el centro de las ventana, se procede a su curado, tras el

cual la epoxi se endurece y fija férreamente la tapadera al sustrato de silicio. El curado

consiste en introducir el dispositivo en un horno a 105ºC durante 15 minutos.


Capítulo 4.- Resultados

En este capítulo se presentan los métodos de evaluación que se han utilizado tras la

fabricación del sensor multivectorsol, y se comentan los resultados obtenidos.

4.1.- Codificación

En todo proceso de fabricación es muy importante mantener un riguroso control de

los dispositivos realizados, puesto que permite la localización de fuentes de error y el

seguimiento detallado de los efectos de cada acción sucedida a lo largo del proceso. Con

este fin, se codifican tanto las obleas como los dispositivos. En cuanto a la codificación de

las obleas, no solo sirve para distinguir unas de otras, sino que además aporta información

sobre sus características físicas. La preparación previa al proceso de fabricación en sí,

consiste en medir el grosor y la resistividad de la oblea que se va a procesar, y asignarle un

identificador en consecuencia, que se graba con una punta de diamante en su cara trasera.

Este identificador consta de cuatro campos:

El primero corresponde al identificador de la caja de origen de la oblea. Éste viene

dado por el fabricante y consta de un número de dos cifras y dos letras que indican la

técnica empleada para su producción; FZ designa el sistema de zona flotante y CZ el

método Czochralski.

El segundo es el valor medido del grosor de la oblea en µm.

El tercer campo vincula la oblea al proyecto para el que va a ser usada (para éste:

VEC, de multivectorsol).

Por último se sigue con la resistividad medida, expresada en Ω·cm, y se le adjunta

una letra, que permitirá distinguirla si se da la situación de utilizar obleas de una misma caja

que presenten características iguales. Asimismo, sirve para atajar la distinción (evitar leer

todo el nombre). A modo de ejemplo, de codificación se puede consultar la tabla 3.1, en la

que figura el identificador de una oblea junto a sus características físicas.


Los dispositivos se codifican a partir de su posición en la oblea. Se construye una

matriz cuyas celdas resulten delimitadas por los carriles de corte, de manera que cada

dispositivo quede albergado en una de ellas. A continuación se numeran las filas y se

nombran las columnas de izquierda a derecha siguiendo las letras del alfabeto. El

identificador de cada dispositivo es la letra y el número que indican su posición en la matriz.

4.2.- Evaluación y test de dispositivos

Cuando se recibe una oblea de dispositivos ya cortada, se seleccionan varios

dispositivos al azar, situados en distintas zonas de la oblea y se caracteriza su

comportamiento eléctrico mediante la obtención de sus curvas I-V. Esta evaluación de cada

dispositivo por separado sirve para descartar los erróneos, y conocer el yield del proceso de

fabricación.

Imagen 4.1. Oblea 07FZ-282-VEC-0.41 H cortada, sin dispositivos evaluados.


Para caracterizar cada dispositivo se debe medir los seis fotodiodos que lo

componen. Dado que el sensor trabaja con una tensión de polarización comprendida en el

rango entre -6V y 0V, el parámetro más útil es el valor de la corriente en inversa; en

oscuridad, cuanto menor sea su valor absoluto mayor sensibilidad presentará el fotodiodo.

La curva en oscuridad también posibilita la observación de otros parámetros (como la

tensión umbral) y efectos (como el de resistencia serie). Además, como las medidas en

oscuridad son independientes de la colocación de la tapadera, permiten evaluar

características del sensor final sin necesidad del ensamblado de la misma.

En cambio, las medidas con iluminación permiten caracterizar los parámetros que

sirven para determinar la calidad del sensor en cuanto a su comportamiento fotovoltaico,

pero no ofrecen una valoración precisa (sino una orientación) de los niveles de fotocorriente

del sensor ensamblado. Además, para poder medir la corriente fotogenerada por un único

fotodiodo es necesario pinchar los otros tres y cortocircuitar sus terminales, para evitar que

la colección de portadores generados en regiones cercanas de los fotodiodos vecinos.

Un método rápido para la evaluación de los dispositivos antes de la colocación de las

tapaderas consiste en medir en oscuridad cada uno de los seis fotodiodos de cada

dispositivo y asignarle una puntuación sobre diez en función de su comportamiento (nota

eléctrica). A continuación se puntúa el dispositivo: su nota eléctrica es la mínima de las de

sus fotodiodos.

También se hace una inspección visual del dispositivo en busca de posibles defectos,

que podrían afectar al funcionamiento en iluminación del sensor (como suciedad que

sombree la zona central del dispositivo, o desprendimiento del oro en un pad, que

imposibilitaría un buen wire bonding). Se anotan los defectos hallados y se puntúa según la

siguiente valoración binaria (nota física):

OK: dispositivo aparentemente correcto (con pequeños defectos o ninguno).

X: dispositivo inservible (con defectos graves).

Siguiendo este procedimiento han sido evaluados 32 dispositivos pertenecientes a la

oblea 07FZ-283-0.38 F, de los cuales han sido considerados aptos (nota física OK y nota

eléctrica mayor que 5) 27. Lo que significa un yield superior al 84%.


4.3.- Medida de dispositivos finales

En esta sección se muestran los resultados obtenidos de las medidas realizadas en

oscuridad y en iluminación a dispositivos acabados (con la tapadera ensamblada), ambos

correspondientes a la oblea 07FZ-283-VEC-0.38 F. Para las medidas en iluminación se ha

utilizado el simulador solar 68706 de Oriel Instruments, calibrado para ofrecer una

irradiancia normalizada de 100 W/m2 y situado justo encima.

4.3.1.- Caracterización del dispositivo E6

Se ha elegido un dispositivo con nota eléctrica máxima, en concreto el codificado

como E6, y se ha ensamblado, con el fin de realizar medidas sobre el dispositivo montado,

que permitan caracterizar de forma más precisa el sensor.

Imagen 4.2. Simulador solar 68706 de Oriel.


Los fotodiodos del dispositivo E6 presentan comportamientos muy parejos, lo cual,

es muy positivo para el correcto funcionamiento del mismo.

En la gráfica 4.1 se muestra las representaciones en escala logarítmica de las

características corriente-tensión en oscuridad e iluminación. En la región de funcionamiento

del fotodiodo, en oscuridad se tiene un valor de 18 nA, mientras que con luz es de alrededor

de 400 µA. Asimismo, con el fin de obtener una caracterización más completa se mide la

tensión de ruptura, definida el valor de tensión inversa que causa que la corriente en inversa

supere 1µA.

Gráfica 4.1. Medidas del fotodiodo 3 del dispositivo E6.

Imagen 4.3. Dispositivo E6 ensamblado.


A continuación se muestran superpuestas las características corriente tensión de los

seis diodos que componen el sensor en oscuridad (gráfica ) y de los dos centrales con luz

(gráfica ). Puesto que la luz emitida por el simulador solar es perpendicular al sensor, el

ángulo de incidencia visto por el par central del sensor es 0º, con lo que las áreas y, en

consecuencia, las fotocorrientes deben ser iguales entre sí (ver expresiones 3.11 y 3.12).

Gráfica 4.2. Medida de la tensión de ruptura del fotodiodo 4 del sensor E6.

Gráfica 4.3. Medidas del con luz del dispositivo E6.


FD 3 4

Voc (mV) 570 570

Isc (A) -412 -387

Pm (W) 103 122

FF (%) 44 55

En oscuridad, la semejanza entre los seis fotodiodos es vital para el correcto

funcionamiento del sensor. El fotodiodo más ruidoso (con un nivel en oscuridad mayor) será

el que limite la sensibilidad del dispositivo.

Tabla 4.1. Parámetros fotovoltaicos del dispositivo E6.

Gráfica 4.4. Medidas en oscuridad del dispositivo E6.


4.3.2.- Estudio con temperatura

Se realiza un estudio con temperatura, con el fin de conocer el comportamiento del

sensor a distintas temperaturas, dado que en la órbita terrestre se verá expuesto a

temperaturas extremas. A continuación se muestra la respuesta de seis fotodiodos a

diferentes temperaturas, tanto en oscuridad como en iluminación (solo los del par central),

así como la evolución de sus parámetros fotovoltaicos.

Gráfica 4.5. Medidas en oscuridad

del fotodiodo 1 del dispositivo E6. Gráfica 4.6. Medidas en oscuridad

del fotodiodo 2 del dispositivo E6.





Temp. (ºC) 25 35 50 60 70 100 125

Voc (mV) 570 560 520 500 480 410 360

Isc (µA) -412 -414 -417 -419 -405 -420 -430

Pm (mW) 103 101 94 89 104 67 54

FF (%) 44 43 43 42 46 40 35

ocr (mV/ºC) -1.8 Iscr (nA/ºC) 225

Gráfica 4.11. Medidas en iluminación





Gráfica 4.12. Medidas en iluminación


Tabla 4.1. Parámetros fotovoltaicos del fotodiodo 3 del dispositivo E6.


Temp. (ºC) 25 35 50 60 70 100 125

Voc (mV) 570 550 520 500 480 410 360

Isc (µA) -387 -389 -398 -398 -419 -397 -402

Pm (mW) 122 120 115 108 83 84 69

FF (%) 55 56 55 53 47 51 47

ocr (mV/ºC) -2 Iscr (nA/ºC) 204

Se observa como a medida que se va aumentando la temperatura, el sensor se

vuelve menos eficiente, empeorando su relación corriente-tensión. Esta degradación con el

aumento de la temperatura es típica de las células solares; no obstante, en alguno de los

fotodiodos, como el 4 o el 6, puede haberse visto agravado por el deterioro de los pads a

medida que se van realizando medidas (debido a que el contacto con la punta es demasiado

agresivo para la capa de oro, que queda rayada). Esta pérdida de eficiencia se muestra con

claridad en la evolución del Fill Factor. Asimismo es interesante observar la reducción de la

tensión de circuito abierto, ya que es la causa del decremento de potencia (la corriente de

cortocircuito se mantiene estable (de hecho aumento ligeramente con la temperatura).

Asimismo, resulta interesante notar que el factor ocr, definido como la variación de la

tensión de circuito abierto con la temperatura , muestra que la evolución térmica de los

fotodiodos es similar. Los valores de corriente en los fotodiodos 3 y 4 en iluminación son

similares, aunque el primero es unos 20 µA mayor. Esta diferencia bien podrían deberse

una disposición inexacta del sensor al medir (que la luz no le incida perpendicularmente),

puesto que este montaje no es el óptimo para medir con exactitud el caso de incidencia

normal a la superficie (si bien a priori debe serlo), o bien a algún error en la colocación de la

tapadera (aunque aparentemente, parece estar bien).

Tabla 4.2. Parámetros fotovoltaicos del fotodiodo 4 del dispositivo E6.


Capítulo 5: Conclusiones

El objetivo de este proyecto es la fabricación y validación del sensor multivectorsol;

un sensor solar de alta precisión en dos ejes de bajo consumo, tamaño y peso, capaz de

detectar la posición del sol con una alta precisión (presenta un error de ±0.05º) y con un

ángulo de visión FOV (Field Of View) de ±60º. Será integrado en el satélite SeoSat, para

formar parte del control de actitud, un sistema vital para su funcionamiento.

La realización de este proyecto ha servido para consolidar un protocolo de proceso

para la fabricación y caracterización del sensor solar. El protocolo original se desarrolló para

la fabricación del vectorsol (el modelo precedente al multivectorsol). En él se describían de

forma precisa los pasos a seguir en la fabricación de éste. El multivectorsol no sólo ha

supuesto una redefinición en cuanto al diseño y a las prestaciones ofrecidas, sino también

en lo referente a su fabricación. A partir de las innovaciones introducidas, de los resultados

(tanto intermedios como finales) obtenidos del desarrollo de sensores solares y de la

experiencia cosechada de los mismos, se ha revisado cada aspecto del protocolo original y

se ha modificado en la medida que requerida, con el objetivo de mejorar la calidad del

proceso (y en consecuencia del resultado final). Esta mejora se ha fundamentado,

principalmente, en la simplificación del proceso (reduciendo el número de pasos), en la

identificación de las etapas más críticas y en la búsqueda de soluciones alternativas para las

mismas.

Este esfuerzo ha sido recompensado con la obtención de un yield (dispositivos

válidos en relación al total) superior al 80%. Este resultado es doblemente satisfactorio, ya

que además de constituir un éxito en sí mismo, supone la superación del talón de Aquiles

del proceso de fabricación del vectorsol (el bajo yield).


Referencias bibliográficas

[1] Calderer, Josep. Prat, Lluís. "Dispositivos electrónicos y fotónicos: Fundamentos",

Ediciones UPC, 2006.

[2] Castañer, Luís. "Energía Solar Fotovoltaica", Ediciones UPC, 1992.

[3] Jackson, Kenneth. Schröter, Wolfang. "Handbook of Semiconductor

Technology",John Wiley & Sons 2000.

[4] López, Gema. "Sensor solar con tecnología de silicio", Memoria de Proyecto de Final

de Carrera, Mayo 2008.

[5] Ortega, Pablo. "Minisatélite Español (Nanosat 1B). Memoria Técnica. Proyecto

Vectorsol", Abril 2007.

[6] Ortega, Pablo. [et al.]. A Miniaturized Two Axis Sun Sensor for Attitude Control of

Nano-Satellites, IEEE Sensors Journal.

[7] Ortega, Pablo. Transparencias Tema 2 "La célula Solar Ideal. Física del dispositivo"

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