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磷扩散


磷扩散
太阳电池制造的核心工序
邵爱军

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PN结——太阳电池的心脏
扩散的目的:形成PN结

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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。 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。 也就是在晶体内部实现P型和N型半导体 的接触 。
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扩散装置示意图

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PN结的形成过程

PN结的形成

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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

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太阳电池磷扩散方法
1.三氯氧磷(POCl3)液态源扩散 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

本公司目前采用的是第一种方法。

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POCl3 简介
POCl3是目前磷扩散用得较多的一种杂质源 无色透明液体,具有刺激性气味。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,POCl3极易挥发。

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POCl3磷扩散原理
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:

5POCl ?> 600°C → 3PCl + P O ??
3 5 2

5

生成的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:

2P O + 5Si = 5SiO + 4P ↓
2 5 2

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由上面反应式可以看出,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,PCl5会进一步分 解成P2O5并放出氯气(Cl2)其反应式如下:

4PCl + 5O ?? ?→ 2P O + 10Cl ↑ ?
过量O 2
5 2 2 5 2

生成的P2O5又进一步与硅作用,生成SiO2和磷原子, 由此可见,在磷扩散时,为了促使POCl3充分的分解和 避免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,POCl3热分解的反应式 为:

POCl + O → 2P O + 6Cl ↑
3 2 2 5 2

POCl3分解产生的P2O5淀积在硅片表面, P2O5与硅反应生成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 。

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。

磷扩散工艺过程
清洗 扩散

饱和 回温 装片

关源,退舟

卸片

送片

方块电阻测量
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清洗
初次扩散前,扩散炉石英管首先连接 TCA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O2,再开TCA;清洗 结束后,先关TCA,再关O2。 清洗结束后,将石英管连接扩散源瓶, 待扩散。
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饱和
每班生产前,须对石英管进行饱和。 炉温升至设定温度时,以设定流量通小 N2(携源)和O2,使石英管饱和,20分 钟后,关闭小N2和O2。 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℃通源饱和1小 时以上。
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装片
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teflon夹子依次将硅片从硅片盒中取出, 插入石英舟。

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送片
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。

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回温
打开O2,等待石英管升温至设定温度。

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扩散
打开小N2,以设定流量通小N2(携源) 进行扩散

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关源,退舟
扩散结束后,关闭小N2和O2,将石英舟 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暴露在空气中 的时间。

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卸片
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。

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磷扩散工艺条件
TCA清洗
炉温 时间 小N2 O2 1050℃ 30min 0.3L/min 10L/min

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饱和
炉温 时间 大N2 小N2 O2 900℃ 30min 18L/min 2L/min 2.5L/min

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磷扩散
炉温 源温 操作状态 STP103E STP125E 进炉 3min STP103E 875℃ 20℃ 回温 20min 25min 大N2,O2 18 2.5 18 2.5 STP125E 882℃ 20℃ 磷扩散 40min 出炉 3min

3min 流量(L/min) 大N2 STP103E 18 STP125E 18

40min 3min 大N2,O2,小N2 大N2 18 2.5 1.8 25 18 2.5 1.8 25
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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。 方块电阻是标志扩散到半导体中的杂质 总量的一个重要参数。

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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 果该薄层材料的电阻率 为ρ,则该整个薄层的电 阻为

l ρ l R=ρ = ( )( ) t ?a t a

当l=a(即为一个方块) 时,R= ρ/t。可见, (ρ/t)代表一个方块的电 阻,故称为方块电阻,特记 为R□= ρ/t (Ω/□)
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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。
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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,包括 teflon夹子、石英舟、石英舟夹子、碳化硅臂桨。 teflon夹子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。 石英舟和石英舟夹子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。

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磷扩散注意事项(二)——安全操作
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,连接管道,打开出 气阀门、进气阀门。

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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。

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