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1、磷扩散,太阳电池制造的核心工序,1,PN,结太阳电池的心脏,?,扩散的目的：形成,PN,结,2,PN,结的制造,?,制造一个,PN,结并不是把两块不同类型（,P,型和,N,型）的半导体接触在一起就能形成的。也就,是要在晶体内部实现,P,型和,N,型半导体的接触。,?,制造,PN,结，实质上就是想办法使受主杂质（,P,型）在半导体晶体内的一个区域中占优势，而,使施主杂质（,N,型）在半导体内的另外一个区,域中占优势，这样就在一块完整的半导体晶体,中实现了,P,型和,N,型半导体的接触,。,3,PN,结的制造,制作太阳电池的硅片是,P,型的，也就是说在制造硅片时，,已经掺进了一定量的硼元素，使之成
2、为,P,型的硅片。如,果我们把这种硅片放在一个石英容器内，同时对此石,英容器内加热到一定温度，并将含磷的气体通入这个,石英容器内，这时施主杂质磷可从化合物中分解出来，,在容器内充满着含磷的蒸汽，把硅片团团包围起来，,因此磷原子能从四周进入硅片的表面层，并且通过硅,原子之间的空隙向硅片内部渗透扩散。在硅片的整个,外表面就形成了,N,型，而其内部还是原始的,P,型，这样,就达到了在硅片上形成了所要的,P-N,结。,-,这就是所,说的扩散。,4,扩散的原理,?,1,、扩散：由于物体内部的杂质浓度或温度不均匀而产生的,一种使浓度或温度趋于均匀的定向运动。,?,2,、杂质在半导体中的扩散：由杂质浓度梯度
3、引起的一种使,杂质浓度趋于均匀的杂质定向运动。,?,3,、间隙式扩散：杂质进入晶体后，仅占据晶格间隙，在浓,度梯度作用下，从一个原子间隙到另一个相邻的原子间隙,逐次跳跃前进。每前进一个晶格间距，均必须克服一定的,势垒能量。,?,4,、替位式扩散：杂质进入晶体后，占据晶格原子的原子空,位（空格点），在浓度梯度作用下，向邻近原子空位逐次,跳跃前进。每前进一步，均必须克服一定的势垒能量。,5,扩散装置示意图,6,扩散装置图片,7,扩散炉正视图,排废口,排,风,排废口,推舟机构,?,扩散装置图片,气源柜,进气,炉体柜,总电源进线,净化操作台,计算机控制柜,8,扩散炉气路系统,压缩,空气,O,2,N,2
4、,N,2,9,太阳电池对扩散的要求,?,对扩散的要求是获得适合于太阳电池,p-n,结需要的,结深和扩散层方块电阻。浅结死层小，电池短波响,应好，而浅结引起串联电阻增加，只有提高栅电极,的密度，才能有效提高电池的填充因子，这样，增,加了工艺难度；结深太深，死层比较明显，如果扩,散浓度太大，则引起重掺杂效应，使电池开路电压,和短路电流均下降，实际电池制作中，考虑到各个,因素，,太阳电池的结深一般控制在,0.3,0.5,?,m,，方,块电阻均,20,70,?,/,。,10,影响扩散的因素,?,管内气体中杂质源的浓度,?,扩散温度,?,扩散时间,11,影响扩散的因素,?,管内气体中杂质源浓度的大小决定
5、着硅片,N,型区域磷浓度,的大小。但是沉积在硅片表面的杂质源达到一定程度时，,将对,N,型区域的磷浓度改变影响不大。,?,扩散温度和扩散时间对扩散结深影响较大。扩散温度决定,了磷在硅晶体中扩散速度的大小。扩散速度和扩散时间的,乘积确定,P-N,的深度。,?,N,型区域磷浓度和扩散结深共同决定着方块电阻的大小。,方块电阻的大小与磷杂质浓度和扩散结深成正比。,12,太阳电池磷扩散方法,三氯氧磷（,POCl,3,）液态源扩散,喷涂磷酸水溶液后链式扩散,丝网印刷磷浆料后链式扩散,固态源扩散,用三氯氧磷液态源扩散是目前太阳电池行业里普,遍采用的方法。,13,各种扩散方法比较,扩散方法,比,较,简单涂布,
6、源扩散,二氧化硅,乳胶源涂,布扩散,液态源扩,散,氮化硼固,态源扩散,设备简单，操作方便。工艺要求较低，比较成熟。扩散,硅片中表面状态欠佳，,-,结面不太平整，对于大面积,硅片薄层电阻值相差较大。,设备简单，操作方便，扩散硅片表面状态良好，,-,结,平整。均匀性，重复性较好。改进涂布设备。可以适用,自动化，流水线生产。,设备和操作比较复杂。扩散硅片表面状态好，,-,结面,平整，均匀性，重复性较好，工艺成熟。,设备简单，操作方便，扩散硅片表面状态好，,-,结面,平整，均匀性，重复性比液态源扩散好适合于大批量生,产。,14,POCl,3,简介,?,POCl,3,是无色透明有窒息性气味的毒性液体，所
7、以要求,扩散系统必须有很高的密封性，特别是源瓶进出口两,端最好用聚四氟乙烯来连接，若用其它塑料管或乳胶,管连接时易被腐蚀，需要经常更换新管。接口处用聚,四氟带封闭，由系统流出的气体应通进排风管道连接,到室外，不能泄露在室内。,?,源瓶要严加密封，切勿让湿气进入源瓶，因为,POCl,3,易,吸水汽而变质，使扩散表面浓度上不去，其反应式如,下：,2POCl,3,+3H,2,O,P,2,O,5,+6HCl,所以如果发现,POCl,3,出现淡黄色时就不能再用了。,15,POCl,3,磷扩散原理,?,POCl,3,在高温下（,600,）分解生成五氯化磷,（,PCl,5,）和五氧化二磷（,P,2,O,5,
8、），其反应式如下：,5POCl,3,=,P,2,O,5,+3PCl,5,?,生成的,P,2,O,5,在扩散温度下与硅反应，生成二氧化硅,（,SiO,2,）和磷原子，其反应式如下：,2P,2,O,5,+5Si,=,5SiO,2,+4P,16,POCl,3,磷扩散原理,?,由上面反应式生成的,PCl,5,是不易分解的，并且对硅片表面,有腐蚀作用，破坏硅片的表面状态。但在有外来,O,2,存在的,情况下，,PCl,5,会进一步分解成,P,2,O,5,并放出氯气（,Cl,2,）其反,应式如下：,4PCl,5,+5O,2,=,2P,2,O,5,+10Cl,2,?,生成的,P,2,O,5,又进一步与硅作用，
9、生成,SiO,2,和磷原子，由此,可见，在磷扩散时，为了促使,POCl,3,充分的分解和避免,PCl,5,对硅片表面的腐蚀作用，,必须在通氮气的同时通入一,定流量的氧气,。,17,POCl,3,磷扩散原理,?,在有氧气的存在时，,POCl,3,热分解的反应式为：,2Si+2POCl,3,+O,2,=2SiO,2,+2P,+3Cl,2,?,POCl,3,分解产生的,P,2,O,5,淀积在硅片表面，,P,2,O,5,与硅反,应生成,SiO,2,和磷原子，并在硅片表面形成一层磷,-,硅玻,璃，然后磷原子再向硅中进行扩散,。,?,POCl3,液态源扩散方法具有生产效率较高，得到,PN,结,均匀、平整和
10、扩散层表面良好等优点，这对于制作具,有大面积结的太阳电池是非常重要的。,18,磷扩散工艺过程,石英管清洗,扩散,饱和,回温,装片,关源，退舟,卸片,送片,方块电阻测量,19,清洗,?,初次扩散前，扩散炉石英管首先连接,TCA,（三,氯乙烷,C,2,H,5,Cl,3,）装置，当炉温升至设定温度，,以设定流量通,TCA60,分钟清洗石英管。清洗开,始时，先开,O,2,，再开,TCA,，清洗结束后，先关,TCA,，再关,O,2,。,?,清洗结束后，将石英管连接扩散源瓶，待扩散。,20,饱和扩散,?,每班生产前，需对石英管进行饱和扩散。,?,炉温升至设定温度时，以设定流量通小,N,2,（携源）,和,O
11、,2,，使石英管饱和，,20,分钟后，关闭小,N,2,和,O,2,。,?,初次扩散前或停产一段时间以后恢复生产时，需,使石英管在,950,下通源饱和,1,小时以上。,21,装片、送片,?,戴好防护口罩和干净的塑料手套，将清洗甩干,的硅片从传递窗口取出，放在洁净台上。,?,用吸笔依次将硅片从硅片盒中取出，插入石英,舟。,?,用舟叉将装满硅片的石英舟放在碳化硅臂浆上，,保证平稳，缓缓推入扩散炉。,22,回温、扩散,?,打开,O,2,，等待石英管升温至设定温度。,?,打开小,N,2,，以设定流量通小,N,2,（携源）进行扩散,23,关源、退舟、卸片,?,扩散结束后，关闭小,N,2,和,O,2,，将石
12、英舟缓缓退,至炉口，降温以后，用舟叉从臂桨上取下石英,舟。并立即放上新的石英舟，进行下一轮扩散。,?,如没有待扩散的硅片，将臂浆推入扩散炉，尽,量缩短臂桨暴露在空气中的时间。,?,等待硅片冷却后，将硅片从石英舟上卸下并放,置在硅片盒中，放入传递窗传至下道工序。,24,扩散层薄层电阻及其测量,?,在太阳电池扩散工艺中，扩散层薄层电阻（方块电,阻）是反映扩散层质量是否符合设计要求的重要工,艺指标之一。,?,方块电阻也是标志进入半导体中的杂质总量的一个,重要参数。,?,还有一个重要参数是少子寿命。,25,方块电阻的定义,?,考虑一块长为,l,、宽为,a,、,厚为,t,的薄层如右图。如,果该薄层材料的
13、电阻率为,，则该整个薄层的电阻,为：,?,当,l=a,（即为一个方块）时，,R=,t,。可见，,t,代表一,个方块的电阻，故称为方块,电阻，特记为,R,=,t(/,),26,扩散层薄层电阻的测试,?,目前生产中，测量扩散层薄,层电阻广泛采用四探针法。,测量装置示意图如图所示。,图中成直线陈列四根金属探,针（一般用钨丝腐蚀而成）,排列在彼此相距为,S,一直线,上，并且要求探针同时与样,品表面接触良好，外面一对,探针用来通电流、当有电流,注入时，样品内部各点将产,生电位，里面一对探针用来,测量,2,、,3,点间的电位差。,27,磷扩散注意事项（一）,工艺卫生,?,所有工夹具必须永远保持干净的状态，
14、包括吸笔、石英,舟、石英舟叉子、碳化硅臂桨。,?,吸笔应放在干净的玻璃烧杯内，不得直接与人体或其它,未经清洗的表面接触。,?,石英舟和石英舟叉应放置在清洗干净的玻璃表面上。碳,化硅臂桨暴露在空气中的时间应做到越短越好。,28,磷扩散注意事项（二）,安全操作,?,磷扩散的系统应保持清洁干燥，如果石英管内有水汽,存在，就会使管内,P,2,O,5,水解生成偏磷酸（,HPO,3,），,使管道内出现白色沉积物和粘滞液体，石英舟容易粘,在管道上，不易拉出。因此对扩散气体脱水是十分重,要的。,?,所有的石英器具都必须轻拿轻放。,?,源瓶更换的标准操作过程：依次关闭进气阀门、出气,阀门，拔出连接管道，更换源瓶
15、，连接管道，打开出,气阀门、再打开进气阀门。,29,检验标准,?,扩散方块电阻控制在,47-,52/,之间。同一炉扩散方块,电阻不均匀度,20%,，同一硅片扩散方块电阻不均匀,度,10%,。,?,表面无明显因偏磷酸滴落或其他原因引起的污染。,30,扩散工艺常见故障,故障表现,诊,断,措,施,1.,携带气体大氮气量太小，不能将,源带到管前；,2.,炉门没关紧，有源被抽风抽走；,3.,管口抽风太大。,1.,扩散温度偏低；,2.,源量不够，不能足够掺杂；,.,石英管饱和不够。,1.,扩散温度偏高；,2.,源温较高于,20,度。,1.,扩散气流不均匀；,2.,单片上源沉积不均匀。,1.,清洗甩干时没有甩干；,2.,扩散过程中有偏磷酸滴落。,1.,增大,N2,的携带流量；,2.,将炉门重新定位，确保石英,门与石英管口紧贴合。,1.,加大源量；,2.,延长扩散时间；,3.,通入足够量的小,N2,和,O2,。,1.,减少扩散温度；,2.,减少扩散时间。,1.,调整扩散气流量；,2.,调整扩散片与片之间的距离。,1.,调整甩干机工艺参数等；,2.,对扩散管定期做,HF,浸泡清洗。,31,扩散不到,方块电阻偏高,方块电阻偏低,扩散后单片上,电阻不均,匀,扩散后硅片上,有色斑,
