3、磷扩散工艺
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31
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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P2O5水解生成偏磷酸（HPO3）， 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，连接管道，打开出 气阀门、再打开进气阀门。
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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。
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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
磷扩散
—太阳电池制造的核心工序
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1
PN结——太阳电池的心脏
• 扩散的目的：形成PN结
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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 。
• 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。
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12
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 ４．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。
气源柜 进气 炉体柜 总电源进线
净化操作台
计算机控制柜
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8
扩散炉气路系统
压缩 空气 O2 N2 N2
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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0.3～0.5m，方 块电阻均20～70/□ 。
5POCl3====P2O5+3PCl5
• 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：
2P2O5+5Si====5SiO2+4P↓
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16
POCl3磷扩散原理
• 由上面反应式生成的PCl5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：
• 源瓶要严加密封，切勿让湿气进入源瓶，因为POCl3易 吸水汽而变质，使扩散表面浓度上不去，其反应式如 下： 2POCl3+ 3H2O＝P2O5 + 6HCl
所以如果发现POCl3出现淡黄色时就不能再用了。
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15
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：
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.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。
方块电阻偏低
1.扩散温度偏高； 2.源温较高于20度。
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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
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11
影响扩散的因素
• 管内气体中杂质源浓度的大小决定着硅片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。
果该薄层材料的电阻率为 ρ，则该整个薄层的电阻 为：
• 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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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。
1.减少扩散温度； 2.减少扩扩散气流不均匀； 2.单片上源沉积不均匀。
1.调整扩散气流量； 2.调整扩散片与片之间的距离。
扩散后硅片上 1.清洗甩干时没有甩干； 有色斑 2.扩散过程中有偏磷酸滴落。
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1.调整甩干机工艺参数等；
2.对扩散管定期做HF浸泡清洗。
• 清洗结束后，将石英管连接扩散源瓶，待扩散。
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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℃下通源饱和1小时以上。
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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、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。
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5
扩散装置示意图
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6
扩散装置图片
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7
扩散炉正视图
排废口
排风
排废口
• 扩散装置图片
推舟机构
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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。
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13
各种扩散方法比较
扩散方法 简单涂布
源扩散
二氧化硅 乳胶源涂
布扩散 液态源扩
散
比
较
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，ｐ-ｎ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，ｐ-ｎ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，ｐ-ｎ结面 平整，均匀性，重复性较好，工艺成熟。
氮化硼固 设备简单，操作方便，扩散硅片表面状态好，ｐ-ｎ结面 态源扩散 平整，均匀性，重复性比液态源扩散好适合于大批量生
产。
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14
POCl3 简介
• POCl3是无色透明有窒息性气味的毒性液体，所以要求 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。
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18
磷扩散工艺过程
石英管清洗
扩散
饱和 装片
回温
关源，退舟 卸片
送片
方块电阻测量
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19
清洗
• 初次扩散前，扩散炉石英管首先连接TCA（三 氯乙烷C2H5Cl3）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。
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23
关源、退舟、卸片
• 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。
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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。
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22
回温、扩散
• 打开O2，等待石英管升温至设定温度。 • 打开小N2，以设定流量通小N2（携源）进行扩散
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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，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。
4PCl5+5O2=====2P2O5+10Cl2↑
• 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 。
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17
POCl3磷扩散原理
• 在有氧气的存在时，POCl3热分解的反应式为：
2Si+2POCl3+O2===2SiO2+2P↓+3Cl2↑
• 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。
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29
检验标准
• 扩散方块电阻控制在47-52Ω/□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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30
扩散工艺常见故障
故障表现
诊断
措施
扩散不到 方块电阻偏高
1.携带气体大氮气量太小，不能将 源带到管前；
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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P2O5水解生成偏磷酸（HPO3）， 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，连接管道，打开出 气阀门、再打开进气阀门。
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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。
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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
磷扩散
—太阳电池制造的核心工序
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1
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。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 。
• 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。
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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 ４．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。
气源柜 进气 炉体柜 总电源进线
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计算机控制柜
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扩散炉气路系统
压缩 空气 O2 N2 N2
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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0.3～0.5m，方 块电阻均20～70/□ 。
5POCl3====P2O5+3PCl5
• 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：
2P2O5+5Si====5SiO2+4P↓
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POCl3磷扩散原理
• 由上面反应式生成的PCl5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：
• 源瓶要严加密封，切勿让湿气进入源瓶，因为POCl3易 吸水汽而变质，使扩散表面浓度上不去，其反应式如 下： 2POCl3+ 3H2O＝P2O5 + 6HCl
所以如果发现POCl3出现淡黄色时就不能再用了。
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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：
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.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。
方块电阻偏低
1.扩散温度偏高； 2.源温较高于20度。
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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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影响扩散的因素
• 管内气体中杂质源浓度的大小决定着硅片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。
果该薄层材料的电阻率为 ρ，则该整个薄层的电阻 为：
• 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。
1.减少扩散温度； 2.减少扩扩散气流不均匀； 2.单片上源沉积不均匀。
1.调整扩散气流量； 2.调整扩散片与片之间的距离。
扩散后硅片上 1.清洗甩干时没有甩干； 有色斑 2.扩散过程中有偏磷酸滴落。
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1.调整甩干机工艺参数等；
2.对扩散管定期做HF浸泡清洗。
• 清洗结束后，将石英管连接扩散源瓶，待扩散。
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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℃下通源饱和1小时以上。
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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、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。
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扩散炉正视图
排废口
排风
排废口
• 扩散装置图片
推舟机构
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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。
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各种扩散方法比较
扩散方法 简单涂布
源扩散
二氧化硅 乳胶源涂
布扩散 液态源扩
散
比
较
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，ｐ-ｎ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，ｐ-ｎ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，ｐ-ｎ结面 平整，均匀性，重复性较好，工艺成熟。
氮化硼固 设备简单，操作方便，扩散硅片表面状态好，ｐ-ｎ结面 态源扩散 平整，均匀性，重复性比液态源扩散好适合于大批量生
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POCl3 简介
• POCl3是无色透明有窒息性气味的毒性液体，所以要求 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。
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磷扩散工艺过程
石英管清洗
扩散
饱和 装片
回温
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（三 氯乙烷C2H5Cl3）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。
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关源、退舟、卸片
• 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。
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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。
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回温、扩散
• 打开O2，等待石英管升温至设定温度。 • 打开小N2，以设定流量通小N2（携源）进行扩散
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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。
4PCl5+5O2=====2P2O5+10Cl2↑
• 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 。
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POCl3磷扩散原理
• 在有氧气的存在时，POCl3热分解的反应式为：
2Si+2POCl3+O2===2SiO2+2P↓+3Cl2↑
• 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。
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检验标准
• 扩散方块电阻控制在47-52Ω/□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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扩散工艺常见故障
故障表现
诊断
措施
扩散不到 方块电阻偏高
1.携带气体大氮气量太小，不能将 源带到管前；