磷擴(kuò)散工藝PPT精選文檔

1、1磷磷擴(kuò)散擴(kuò)散太陽(yáng)太陽(yáng)電池制造的核心工序電池制造的核心工序2PN結(jié)結(jié)太陽(yáng)電池的心臟太陽(yáng)電池的心臟 擴(kuò)散的目的：形成PN結(jié)3PN結(jié)的制造結(jié)的制造 制造一個(gè)PN結(jié)并不是把兩塊不同類型（P型和N型）的半導(dǎo)體接觸在一起就能形成的。也就是要在晶體內(nèi)部實(shí)現(xiàn)P型和N型半導(dǎo)體的接觸。 制造PN結(jié)，實(shí)質(zhì)上就是想辦法使受主雜質(zhì)（P型）在半導(dǎo)體晶體內(nèi)的一個(gè)區(qū)域中占優(yōu)勢(shì)，而使施主雜質(zhì)（N型）在半導(dǎo)體內(nèi)的另外一個(gè)區(qū)域中占優(yōu)勢(shì)，這樣就在一塊完整的半導(dǎo)體晶體中實(shí)現(xiàn)了P型和N型半導(dǎo)體的接觸 。4PN結(jié)的制造結(jié)的制造制作太陽(yáng)電池的硅片是P型的，也就是說(shuō)在制造硅片時(shí)，已經(jīng)摻進(jìn)了一定量的硼元素，使之成為P型的硅片。如果我們把這種硅

2、片放在一個(gè)石英容器內(nèi)，同時(shí)對(duì)此石英容器內(nèi)加熱到一定溫度，并將含磷的氣體通入這個(gè)石英容器內(nèi)，這時(shí)施主雜質(zhì)磷可從化合物中分解出來(lái)，在容器內(nèi)充滿著含磷的蒸汽，把硅片團(tuán)團(tuán)包圍起來(lái)，因此磷原子能從四周進(jìn)入硅片的表面層，并且通過(guò)硅原子之間的空隙向硅片內(nèi)部滲透擴(kuò)散。在硅片的整個(gè)外表面就形成了N型，而其內(nèi)部還是原始的P型，這樣就達(dá)到了在硅片上形成了所要的P-N結(jié)。-這就是所說(shuō)的擴(kuò)散。5擴(kuò)散的原理擴(kuò)散的原理 1、擴(kuò)散：由于物體內(nèi)部的雜質(zhì)濃度或溫度不均勻而產(chǎn)生的一種使?jié)舛然驕囟融呌诰鶆虻亩ㄏ蜻\(yùn)動(dòng)。 2、雜質(zhì)在半導(dǎo)體中的擴(kuò)散：由雜質(zhì)濃度梯度引起的一種使雜質(zhì)濃度趨于均勻的雜質(zhì)定向運(yùn)動(dòng)。 3、間隙式擴(kuò)散：雜質(zhì)進(jìn)入晶體后

3、，僅占據(jù)晶格間隙，在濃度梯度作用下，從一個(gè)原子間隙到另一個(gè)相鄰的原子間隙逐次跳躍前進(jìn)。每前進(jìn)一個(gè)晶格間距，均必須克服一定的勢(shì)壘能量。 4、替位式擴(kuò)散：雜質(zhì)進(jìn)入晶體后，占據(jù)晶格原子的原子空位（空格點(diǎn)），在濃度梯度作用下，向鄰近原子空位逐次跳躍前進(jìn)。每前進(jìn)一步，均必須克服一定的勢(shì)壘能量。6擴(kuò)散裝置示意圖7擴(kuò)散裝置圖片擴(kuò)散裝置圖片8擴(kuò)散爐正視圖擴(kuò)散爐正視圖 擴(kuò)散裝置圖片排 風(fēng)排廢口推舟機(jī)構(gòu)計(jì)算機(jī)控制柜 凈化操作臺(tái) 總電源進(jìn)線 爐體柜進(jìn)氣氣源柜排廢口9擴(kuò)散爐氣路系統(tǒng)擴(kuò)散爐氣路系統(tǒng)壓縮空氣O2 N2 N210太陽(yáng)電池對(duì)擴(kuò)散的要求太陽(yáng)電池對(duì)擴(kuò)散的要求 對(duì)擴(kuò)散的要求是獲得適合于太陽(yáng)電池p-n結(jié)需要的結(jié)深和擴(kuò)

4、散層方塊電阻。淺結(jié)死層小，電池短波響應(yīng)好，而淺結(jié)引起串聯(lián)電阻增加，只有提高柵電極的密度，才能有效提高電池的填充因子，這樣，增加了工藝難度；結(jié)深太深，死層比較明顯，如果擴(kuò)散濃度太大，則引起重?fù)诫s效應(yīng)，使電池開路電壓和短路電流均下降，實(shí)際電池制作中，考慮到各個(gè)因素，太陽(yáng)電池的結(jié)深一般控制在太陽(yáng)電池的結(jié)深一般控制在0.30.5 m，方塊電阻均2070/ 。11影響擴(kuò)散的因素 管內(nèi)氣體中雜質(zhì)源的濃度 擴(kuò)散溫度 擴(kuò)散時(shí)間12影響擴(kuò)散的因素管內(nèi)氣體中雜質(zhì)源濃度的大小決定著硅片N型區(qū)域磷濃度的大小。但是沉積在硅片表面的雜質(zhì)源達(dá)到一定程度時(shí)，將對(duì)N型區(qū)域的磷濃度改變影響不大。 擴(kuò)散溫度和擴(kuò)散時(shí)間對(duì)擴(kuò)散結(jié)深影響

5、較大。擴(kuò)散溫度決定了磷在硅晶體中擴(kuò)散速度的大小。擴(kuò)散速度和擴(kuò)散時(shí)間的乘積確定P-N的深度。 N型區(qū)域磷濃度和擴(kuò)散結(jié)深共同決定著方塊電阻的大小。方塊電阻的大小與磷雜質(zhì)濃度和擴(kuò)散結(jié)深成正比。13太陽(yáng)電池磷擴(kuò)散方法三氯氧磷（POCl3）液態(tài)源擴(kuò)散噴涂磷酸水溶液后鏈?zhǔn)綌U(kuò)散絲網(wǎng)印刷磷漿料后鏈?zhǔn)綌U(kuò)散固態(tài)源擴(kuò)散用三氯氧磷液態(tài)源擴(kuò)散是目前太陽(yáng)電池行業(yè)里普遍采用的方法。14各種擴(kuò)散方法比較各種擴(kuò)散方法比較擴(kuò)散方法 比 較 簡(jiǎn)單涂布源擴(kuò)散 設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便。工藝要求較低，比較成熟。擴(kuò)散硅片中表面狀態(tài)欠佳，-結(jié)面不太平整，對(duì)于大面積硅片薄層電阻值相差較大。 二氧化硅乳膠源涂布擴(kuò)散 設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，擴(kuò)散硅片表面

6、狀態(tài)良好，-結(jié)平整。均勻性，重復(fù)性較好。改進(jìn)涂布設(shè)備。可以適用自動(dòng)化，流水線生產(chǎn)。 液態(tài)源擴(kuò)散設(shè)備和操作比較復(fù)雜。擴(kuò)散硅片表面狀態(tài)好，-結(jié)面平整，均勻性，重復(fù)性較好，工藝成熟。 氮化硼固態(tài)源擴(kuò)散 設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，擴(kuò)散硅片表面狀態(tài)好，-結(jié)面平整，均勻性，重復(fù)性比液態(tài)源擴(kuò)散好適合于大批量生產(chǎn)。 15POCl3 簡(jiǎn)介 POCl3是無(wú)色透明有窒息性氣味的毒性液體，所以要求擴(kuò)散系統(tǒng)必須有很高的密封性，特別是源瓶進(jìn)出口兩端最好用聚四氟乙烯來(lái)連接，若用其它塑料管或乳膠管連接時(shí)易被腐蝕，需要經(jīng)常更換新管。接口處用聚四氟帶封閉，由系統(tǒng)流出的氣體應(yīng)通進(jìn)排風(fēng)管道連接到室外，不能泄露在室內(nèi)。 源瓶要嚴(yán)加密封，切勿

7、讓濕氣進(jìn)入源瓶，因?yàn)镻OCl3易吸水汽而變質(zhì)，使擴(kuò)散表面濃度上不去，其反應(yīng)式如下：2POCl3+3H2OP2O5+6HCl所以如果發(fā)現(xiàn)POCl3出現(xiàn)淡黃色時(shí)就不能再用了。 16POCl3磷擴(kuò)散原理 POCl3在高溫下（600）分解生成五氯化磷（PCl5）和五氧化二磷（P2O5），其反應(yīng)式如下：5POCl3=P2O5+3PCl5 生成的P2O5在擴(kuò)散溫度下與硅反應(yīng)，生成二氧化硅（SiO2）和磷原子，其反應(yīng)式如下：2P2O5+5Si=5SiO2+4P17 由上面反應(yīng)式生成的PCl5是不易分解的，并且對(duì)硅片表面有腐蝕作用，破壞硅片的表面狀態(tài)。但在有外來(lái)O2存在的情況下，PCl5會(huì)進(jìn)一步分解成P2O5

8、并放出氯氣（Cl2）其反應(yīng)式如下： 4PCl5+5O2=2P2O5+10Cl2 生成的P2O5又進(jìn)一步與硅作用，生成SiO2和磷原子，由此可見，在磷擴(kuò)散時(shí)，為了促使POCl3充分的分解和避免PCl5對(duì)硅片表面的腐蝕作用，必須在通氮?dú)獾耐瑫r(shí)通入一必須在通氮?dú)獾耐瑫r(shí)通入一定流量的氧氣定流量的氧氣 。POCl3磷擴(kuò)散原理18 在有氧氣的存在時(shí)，POCl3熱分解的反應(yīng)式為： 2Si+2POCl3+O2=2SiO2+2P+3Cl2 POCl3分解產(chǎn)生的P2O5淀積在硅片表面，P2O5與硅反應(yīng)生成SiO2和磷原子，并在硅片表面形成一層磷-硅玻璃，然后磷原子再向硅中進(jìn)行擴(kuò)散 。 POCl3液態(tài)源擴(kuò)散方法具有

9、生產(chǎn)效率較高，得到PN結(jié)均勻、平整和擴(kuò)散層表面良好等優(yōu)點(diǎn)，這對(duì)于制作具有大面積結(jié)的太陽(yáng)電池是非常重要的。POCl3磷擴(kuò)散原理19磷擴(kuò)散工藝過(guò)程石英管清洗飽和裝片送片回溫?cái)U(kuò)散關(guān)源，退舟方塊電阻測(cè)量卸片20清洗 初次擴(kuò)散前，擴(kuò)散爐石英管首先連接TCA（三氯乙烷C2H5Cl3）裝置，當(dāng)爐溫升至設(shè)定溫度，以設(shè)定流量通TCA60分鐘清洗石英管。清洗開始時(shí)，先開O2，再開TCA，清洗結(jié)束后，先關(guān)TCA，再關(guān)O2。 清洗結(jié)束后，將石英管連接擴(kuò)散源瓶，待擴(kuò)散。21飽和擴(kuò)散 每班生產(chǎn)前，需對(duì)石英管進(jìn)行飽和擴(kuò)散。 爐溫升至設(shè)定溫度時(shí)，以設(shè)定流量通小N2（攜源）和O2，使石英管飽和，20分鐘后，關(guān)閉小N2和O2。

10、初次擴(kuò)散前或停產(chǎn)一段時(shí)間以后恢復(fù)生產(chǎn)時(shí)，需使石英管在950下通源飽和1小時(shí)以上。22裝片、送片 戴好防護(hù)口罩和干凈的塑料手套，將清洗甩干的硅片從傳遞窗口取出，放在潔凈臺(tái)上。 用吸筆依次將硅片從硅片盒中取出，插入石英舟。 用舟叉將裝滿硅片的石英舟放在碳化硅臂漿上，保證平穩(wěn)，緩緩?fù)迫霐U(kuò)散爐。23回溫、擴(kuò)散 打開O2，等待石英管升溫至設(shè)定溫度。 打開小N2，以設(shè)定流量通小N2（攜源）進(jìn)行擴(kuò)散24關(guān)源、退舟、卸片 擴(kuò)散結(jié)束后，關(guān)閉小N2和O2，將石英舟緩緩?fù)酥翣t口，降溫以后，用舟叉從臂槳上取下石英舟。并立即放上新的石英舟，進(jìn)行下一輪擴(kuò)散。 如沒有待擴(kuò)散的硅片，將臂漿推入擴(kuò)散爐，盡量縮短臂槳暴露在空氣中

11、的時(shí)間。 等待硅片冷卻后，將硅片從石英舟上卸下并放置在硅片盒中，放入傳遞窗傳至下道工序。25擴(kuò)散層薄層電阻及其測(cè)量在太陽(yáng)電池?cái)U(kuò)散工藝中，擴(kuò)散層薄層電阻（方塊電阻）是反映擴(kuò)散層質(zhì)量是否符合設(shè)計(jì)要求的重要工藝指標(biāo)之一。方塊電阻也是標(biāo)志進(jìn)入半導(dǎo)體中的雜質(zhì)總量的一個(gè)重要參數(shù)。 還有一個(gè)重要參數(shù)是少子壽命。26方塊電阻的定義 考慮一塊長(zhǎng)為l、寬為a、厚為t的薄層如右圖。如果該薄層材料的電阻率為，則該整個(gè)薄層的電阻為： 當(dāng)l=a（即為一個(gè)方塊）時(shí)，R=t?？梢姡瑃代表一個(gè)方塊的電阻，故稱為方塊電阻，特記為R=t(/)27擴(kuò)散層薄層電阻的測(cè)試 目前生產(chǎn)中，測(cè)量擴(kuò)散層薄層電阻廣泛采用四探針法。測(cè)量裝置示意圖如

12、圖所示。圖中成直線陳列四根金屬探針（一般用鎢絲腐蝕而成）排列在彼此相距為S一直線上，并且要求探針同時(shí)與樣品表面接觸良好，外面一對(duì)探針用來(lái)通電流、當(dāng)有電流注入時(shí)，樣品內(nèi)部各點(diǎn)將產(chǎn)生電位，里面一對(duì)探針用來(lái)測(cè)量2、3點(diǎn)間的電位差。 28磷擴(kuò)散注意事項(xiàng)（一）工藝衛(wèi)生 所有工夾具必須永遠(yuǎn)保持干凈的狀態(tài)，包括吸筆、石英舟、石英舟叉子、碳化硅臂槳。 吸筆應(yīng)放在干凈的玻璃燒杯內(nèi)，不得直接與人體或其它未經(jīng)清洗的表面接觸。 石英舟和石英舟叉應(yīng)放置在清洗干凈的玻璃表面上。碳化硅臂槳暴露在空氣中的時(shí)間應(yīng)做到越短越好。29磷擴(kuò)散注意事項(xiàng)（二）安全操作 磷擴(kuò)散的系統(tǒng)應(yīng)保持清潔干燥，如果石英管內(nèi)有水汽存在，就會(huì)使管內(nèi)P2O

13、5水解生成偏磷酸（HPO3），使管道內(nèi)出現(xiàn)白色沉積物和粘滯液體，石英舟容易粘在管道上，不易拉出。因此對(duì)擴(kuò)散氣體脫水是十分重要的。所有的石英器具都必須輕拿輕放。源瓶更換的標(biāo)準(zhǔn)操作過(guò)程：依次關(guān)閉進(jìn)氣閥門、出氣閥門，拔出連接管道，更換源瓶，連接管道，打開出氣閥門、再打開進(jìn)氣閥門。30檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn) 擴(kuò)散方塊電阻控制在47-52/之間。同一爐擴(kuò)散方塊電阻不均勻度20%，同一硅片擴(kuò)散方塊電阻不均勻度10%。 表面無(wú)明顯因偏磷酸滴落或其他原因引起的污染。31擴(kuò)散工藝常見故障故障表現(xiàn)診 斷措 施擴(kuò)散不到1.攜帶氣體大氮?dú)饬刻?，不能將源帶到管前?.爐門沒關(guān)緊，有源被抽風(fēng)抽走；3.管口抽風(fēng)太大。1.增大N2的攜帶流量；2.將爐門重新定位，確保石英門與石英管口緊貼合。方塊電阻偏高1.擴(kuò)散溫度偏低；2.源量不夠，不能足夠摻