扩散工艺

扩散工艺培训

一、扩散目的

在P型衬底上扩散N型杂质形成PN结。达到合适的掺杂浓度ρ/方块电阻R□。即获得适合太阳能电池PN结需要的结深和扩散层方块电阻。

R□的定义：一个均匀导体的立方体电阻 ,长L，宽W，厚d

R= ρ L / d W =(ρ/d) (L/W)此薄层的电阻与（L / W）成正比，比例系数为（ ρ /d）。这个比例系数叫做方块电阻，用R□表示：

R□ = ρ / d

R = R□（L / W）

L= W时R= R□，这时R□表示一个正方形薄层的电阻，与正方形边长大小无关。

单位Ω/□，方块电阻也称为薄层电阻Rs

在太阳电池扩散工艺中，扩散层薄层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。

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。必须使一块完整的半导体晶体的一部分是P型区域，另一部分是N型区域。也就是晶体内部形成P型和N型半导体接触。

目前绝大部分的电池片的基本成分是硅，在拉棒铸锭时均匀的掺入了B(硼)，B原子最外层有三个电子，掺B的硅含有大量空穴，所以太阳能电池基片中的多数载流子是空穴，少数载流子是电子，是P型半导体.在扩散时扩入大量的P(磷)，P原子最外层有五个电子，掺入大量P的基片由P型半导体变为N型导电体，多数载流子为电子,少数载流子为空穴。

在P型区域和N型区域的交接区域，多数载流子相互吸引，漂移中和，最终在交接区域形成一个空间电荷区，内建电场区。在内建电场区电场方向是由N区指向P区。当入射光照射到电池片时，能量大于硅禁带宽度的光子穿过减反射膜进入硅中，在N区、耗尽区、P区激发出光生电子空穴对。光生电子空穴对在耗尽区中产生后，立即被内建电场分离，光生电子被进入N区，光生空穴则被推进P区。光生电子空穴对在N区产生以后,光生空穴便向PN结边界扩散，一旦到达PN结边界，便立即受到内建电场作用，被电场力牵引做漂移运动,越过耗尽区进入P区，光生电子(多子)则被留在N区。P区中的光生电子(少子)同样的先因为扩散，后因为漂移而进入N区，光生空穴(多子)则留在P区.在PN结的两侧形成了正负电荷的积累，产生了光生电压,这就是“光生伏特效应” 。

二、太阳电池磷扩散方法

1、三氯氧磷（POCl3）液态源扩散（本公司现在采用的方法）

2、喷涂磷酸水溶液后链式扩散

3、丝网印刷磷浆料后链式扩散

三、磷扩散的基本原理

三氯氧磷（POCl3）在高温下（>600℃）分解生成五氯化磷（PCl5）和五氧化二磷（P2O5），其反应式如下：

生成的五氧化二磷（P2O5）在扩散温度下与硅反应，生成二氧化硅（SiO2）和磷原子，其反应式如下：

由上面反应式可以看出，三氯氧磷（POCl3）热分解时，如果没有外来的氧（O2）参与其分解是不充分的，生成的五氯化磷（PCl5）是不易分解的，并且对硅有腐蚀作用，破坏硅片的表面状态。但在有外来O2存在的情况下，五氯化磷（PCl5）会进一步分解成五氧化二磷（P2O5）并放出氯气（Cl2）其反应式如下：

生成的五氧化二磷（P2O5）又进一步与硅作用，生成二氧化硅(SiO2)和磷原子，由此可见，在磷扩散时，为了促使五氯化磷（PCl5）充分的分解和避免五氯化磷（PCl5）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。在有氧气的存在时，三氯氧磷（POCl3）热分解的反应式为：

三氯氧磷（POCl3）分解产生的五氧化二磷（P2O5）淀积在硅片表面，五氧化二磷（P2O5）与硅反应生成二氧化硅（SiO2）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。三氯氧磷（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。

五氧化二磷（P2O5）与空气中的水会发生反应，生成偏磷酸。偏磷酸对呼吸道有刺激性。眼接触可致灼伤，造成永久性损害。皮肤接触可致严重灼伤。

四、扩散工艺基本程序

1、清洗饱和：

初次扩散前扩散炉石英舟首先进行TCA清洗。清洗结束后对石英管进行饱和，即运行正常扩散工艺。（初次扩散前或停产后恢复生产及石英舟清洗后，必须对石英管及石英舟进行饱和。）

2、升温装片：

打开大氮,调节气体流量到指定数，使炉管升温。装片时须戴好口罩和干净的棉布及乳胶手套，用石英吸笔依次将硅片从白片盒中吸出插入石英舟。双面扩散一个槽插入一片，单面扩散一个槽插入背靠背两片。

3、进炉稳定：

用石英舟叉将装满硅片的石英舟放在碳化硅桨上，保证平稳，用步进电机缓缓推入炉管。稳定炉管，使炉管内温度达到工艺设定值，管内气体趋于稳定。稳定时通入定量氧气，使硅片表面形成一层SiO2,使扩散速度更均匀。前氧适用于多晶工艺。

4、通源驱入：

待炉管温度均升到设定温度，通入小氮（携带磷源的少量氮气）及氧气，设定气体流量及通入时间。通源是磷在硅片表面扩散的过程。通源指定时间后，关闭小氮，通入大氮，进行驱入。驱入是磷向硅片内部扩散，扩结深，同时降低表面浓度。驱入时通入定量氧气，可与管内残留的磷源充分反应，并可与管内的五氯化磷（PCl5）反应，避免其腐蚀硅片表面

5、出炉检验：

驱入指定时间后，将碳化硅桨退出炉管，待石英舟冷却用石英舟叉抬下。从炉口到炉尾的顺序均匀抽取六片硅片进行方阻测试。检验合格后可卸片，不合格返工。

五、扩散后检验

1、外观检验：

观察硅片表面颜色是否均匀，有无偏磷酸滴落，及崩边缺角等。

2、方块电阻检验：

用四探针测试仪测量方块电阻，记录下测量数据.单晶扩散方块电阻控制在40-50Ω/□之间,多晶扩散方块电阻控制在58-68Ω/□之间。

六、四探针检验原理

四根探针的间距s相等, 针尖在同一平面同一直线上。当被测样品的几何尺寸比探针间距s大许多倍时，R □=Rs

实际上硅片有一定大小，因此采用修正因子C表示。C根据被测硅片的尺寸和探针的间距而定，对于不同的长度l、宽度 a、厚度b和探针间距s，C的参考值会有所不同。

通常四探针间距s约为1mm, 那么a/s远大于40，由下表可知，修正因子C=4.532

七、影响R□大小的因素

1、温度的影响：

温度的高低，将决定硅片表面的杂质浓度的高低和P-N的结深

2、时间的影响：

通源时间、驱入时间

3、小N2的影响：

流量的多少

4、源瓶的温度：

决定瓶内的蒸汽压，温度越高，挥发性能越大

5、氧气流量：

影响到三氯氧磷的反应程度和PSG的厚度，进而影响到磷的扩散

6、其它因素：

设备密封性、硅片电阻率及表面洁净状况、源瓶内三氯氧磷的多少

八、扩散改善方向

扩散改善方向主要为方块电阻的均匀性。方块电阻不均匀性包括片内不均匀性、片间不均匀性及30点不均匀性。现单多晶方块电阻控制范围如下：

　单点控制范围单片平均值控制范围单晶12545±545±3多晶15662±662±3

单晶方阻30点不均匀性现已控制在10%以下。多晶方阻30点不均匀性控制在10%左右。

九、等离子刻蚀的目的

腐蚀硅片表面的SiO2，以及一定厚度的Si，以达成截断硅片内部回路。

十、什么是等离子体

随着温度的升高，一般物质依次表现为固体、液体和气体。它们统称为物质的三态。当气体的温度进一步升高时，其中许多，甚至全部分子或原子将由于激烈的相互碰撞而离解为电子和正离子。这时物质将进入一种新的状态，即主要由电子和正离子（或是带正电的核）组成的状态。这种状态的物质叫等离子体。它可以称为物质的第四态。

十一、等离子刻蚀的原理

等离子体刻蚀是采用高频辉光放电反应，使反应气体激活成活性粒子，如原子或游离基，这些活性粒子扩散到需刻蚀的部位，在那里与被刻蚀材料进行反应，形成挥发性反应物而被去除。这种腐蚀方法也叫做干法腐蚀。

具体到我们公司来说，刻蚀就是去除扩散中在硅片表面形成的磷，以防止电池内部形成回路。主要过程是，先将腔体内抽成真空，然后通过变压器将380V，50Hz的工业用电转化为高压电，再通过缠绕在腔体上的线圈，产生强磁场，将CF4电离，形成F-离子，腐蚀硅片表面的SiO2，以及一定厚度的Si，以达成截断硅片内部回路的目的。

十二、等离子刻蚀反应

首先，母体分子CF4在高能量的电子的碰撞作用下分解成多种中性基团或离子。

其次，这些活性粒子由于扩散或者在电场作用下到达SiO2表面，并在表面上发生化学反应。

生产过程中，在中CF4掺入O2，这样有利于提高Si和SiO2的刻蚀速率。

十三、刻蚀后的检测

在刻蚀完成后的硅片中，依次选取最上面第三片、中间一片、最下面倒数第三片，共三片用万用表进行测试；每片测试四个周边，每边测试两个点（图二）；

测试时将刻蚀后硅片放在156*156的环氧树脂板中间位置，将两根测试针间距1cm，与环氧板倾角80-90度靠紧硅片边缘，观察电阻测试结果。

若数据高于30KΩ，认为数据无效，需要对该点附近进行重测；对于4KΩ－30KΩ的可以认为该批刻透，可以正常流出；如果测试中发现有一点或一点以上位于2KΩ以下，则认为该批没有刻透，需要追加刻蚀时间。

二次清洗插片前，将万用表指针笔仅靠硅片的一面中间部分，观察万用表上读数，如果万用表计数小于500Ω表示此面是扩散面，如果万用表计数大于5000Ω则表示此面是非扩散面。

十四、扩散间设备介绍

扩散系统的顶部是热交换器，中部是加热炉体，下部是功率调节部件。系统分左右手操作结构型式。整机由六个部分构成，即扩散系统主机、排毒箱、气源柜、净化工作台、送料装置、控制柜。

1、48所扩散炉（一二三五六七中心）

2、centrotherm（五中心及八九中心）

3、Tempress（八九中心）

4、Seven star（八九中心）

48所扩散炉与其他进口扩散炉的区别：

48所扩散炉（除软着陆）其他进口扩散炉外偶控温内外偶双控温无管内压力有管内压力各炉管恒温区长度：一中心48所800mm，其他48所1080mm，TEMPRESS炉管1250mm，CT炉管1000mm。

十五、扩散间洁净度要求

洁净度：万级净化间，净化插片台(净化度：100级)、净化保护柜（净化度:100级）

温度：23±2℃

湿度：<50%

十六、扩散工艺常见的化学用品

1、三氯氧磷（POCL3）：

三氯氧磷（POCL3）理化特性：

无色透明液体，具有刺激性气味，强腐蚀性、毒性，不燃烧。如果纯度不高则呈红黄色。比重为1.67，熔点2℃，沸点107℃，在潮湿空气中发烟。POCL3很容易发生水解，极易挥发。

三氯氧磷（POCL3）的危害：

三氯氧磷（POCL3）遇水或水蒸气剧烈反应生成磷酸与氯化氢等有毒的腐蚀性烟雾，对皮肤、粘膜有刺激腐蚀作用。三氯氧磷可引起急性中毒，在短期内吸入大量三氯氧磷蒸汽可引起上呼吸道刺激症状、咽喉炎、支气管炎，严重者可发生喉咙水中窒息、肺炎、肺水肿、心力衰竭，亦可发生贫血、肝脏损害、蛋白尿。口服三氯氧磷可引起消化道灼伤，眼和皮肤接触引起灼伤，长期低浓度接触可引起口、眼及呼吸道刺激症状。

2、三氯乙烷（C2H3Cl3）：

三氯乙烷（C2H3Cl3）理化特性：

无色透明液体，具有刺激性气味，腐蚀性、毒性，可燃，不溶于水。熔点-32.5℃，沸点74.1℃。遇明火、高热能燃烧，并产生剧毒的光气和氯化氢烟雾。主要用作溶剂、金属清洁剂。与碱金属和碱土金属能发生强烈反应。与活性金属粉末（如镁、铝等）能发生反应，引起分解。三氯乙烷（C2H3Cl3）应储存于阴凉通风的库房避免光照，远离火种、热源。

三氯乙烷（C2H3Cl3）的危害：

三氯乙烷（C2H3Cl3）燃烧产物有一氧化碳、二氧化碳及氯化氢光气。三氯乙烷（C2H3Cl3）可引起急性中毒，中毒主要损害中枢神经系统。轻者表现为头痛、眩晕、步态蹒跚、嗜睡等；重者可出现抽搐，甚至昏迷。可引起心律不齐。对皮肤有轻度脱脂和刺激作用

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