扩散原理及工艺培训

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PN结的作用及太阳能电池工作原理
当适当波长的光照射到半导体系统上，系统吸收光能后在两端产生电动 势，这种现象称为光生伏特效应。当光照在由P型N型两种导电类型的半导 体材料构成的PN结上，在一定的条件下，光能被半导体吸收后，产生了非 平衡载流子—电子和空穴。由于PN结在势垒区存在较强的内建电场，因而 产生在势垒区中的非平衡载流子电子和空穴，或产生在势垒区外但扩散进 势垒区的非平衡电子空穴对，在内建电场的作用下，各自相反方向运动， 离开势垒区，结果使P区电势升高，N区电势降低。PN结两端产生光生电动 势，由于光照产生的非平衡载流子各向相反的方向漂移，从而在内部构成 自N区流向P区的光生电流，如果将外电路与PN结连通，只要光照不停止就 会不断有电流流过电路，PN结起了电源的作用，这就是太阳电池的原理。
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扩散和扩散工艺控制
扩散是微观粒子（原子、分子等）的一种极为普遍的 热运动形式，运动的结果使浓度分布趋于均匀。半导 体行业中的扩散工艺，简称扩散，是将一定数量的某 种杂质掺入到硅晶体中或其他半导体晶体中去，以改 变电学性质，并使掺入的杂质数量、分布形式和浓度 等满足要求。 间隙式扩散：存在于晶格间隙的杂质称为间隙式杂质。 间隙式杂质从一个间隙位置到另一个间隙位置的运动 称为间隙式扩散。主要是那些半径较小、且不容易和 硅原子键合的原子 替位式扩散：占据晶格位置的外来原子称为替位式杂 质。替位式杂质从一个晶格位置到另一个晶格位置称 为替位式扩散。
TCA工艺 步骤号 1 2 3 4 5 6 时间 400 100 14400 300 3600 500 温度 1000 1050 1050 950 950 600 扩散小氮 0 0 0 0 1600 0 大氮 22000 22000 0 22000 22000 22000 氧气 0 3000 25000 1000 3500 0 清洗小氮 0 0 400(清洗) 0 0（饱和） 0 化学反应 / / C2H3Cl3+O2→Cl2+H2O+CO2 C2H3Cl3+O2→Cl2+H2O+CO２ / /
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金属材料发射的光电子数和照射发光强度成正比。 仅当照射物体的光频率不小于某个确定值时，物体才能发 出光电子，这个频率叫做极限频率(或叫做截止频率)，相应 的波长λ。 太阳电池的工作过程 吸收光子，产生电子空穴对 电子空穴对被内建电场分离，在PN结两端产生电势 将PN结用导线连接，形成电流 在太阳电池两端连接负载，实现了将光能向电能的转换
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r
（ 阳）
The End，Thanks! ，
为了同时满足表面浓度、杂质数量和结深等方面 的要求，实际生产中采用的扩散方法是上述的两 步扩散，其中第一步成为预扩或预淀积；第二步 成为主扩或再分布。 有两步扩散机理可以看出，扩散的速度和两个因 素有关。 首先，与和载气的速度有关。扩散到硅中的杂质 是由二氧化硅中的杂质得到，所以扩散到二氧化 硅中的杂质越快，扩散到硅中的速度也就越快； 其次，与二氧化硅的厚度有关。不难看出，二氧 化硅越厚，杂质进行疏运的路程越长，扩散的速 度越慢。相反，二氧化硅厚度越薄，扩散的速度 就越快。
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半导体：电阻率介于金属和绝缘体之间并有负的电阻 温度系数的物质。按化学成分可分为元素半导体和化 合物半导体 。 如硅和锗是最常见的元素半导体。元 素半导体都是晶体。 半导体的特性： a)当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。 b)向纯净的半导体中掺入杂质，会使它的导电能力明显 改变。 。
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扩散控制
扩散可以通过时间、温度和浓度进行控制。 1、 刚开始进管的温度---进管时硅片热胀，温度变化过快，容易造成裂纹，温度越高 越容易造成裂纹。 2 、进管结束的温度---进管结束后我们要开始通各种气体，特别是 通源 POCL3的分 解温度>650度，所以在通源前要保证扩散管里的实际温度超过700度，确保 POCL3能够充分的分解，并且确保在规定的时间内达到扩散温度，否则整个扩散 工艺的时间就会超过产能的要求。 3 、沉积的温度---沉积的温度一般都是从低到高变化，特别注意沉积结束时的温度不 能太低，否则升温到扩散的温度就需要更多的时间 4 、扩散的温度---扩散的温度与表面的掺杂的磷的浓度有直接的关系，并且体内的杂 质的沉积会随着温度的变化而变化，温度设定不能太高。 5 、退管前的温度---硅片在降温过程中也容易造成碎片 拉恒温 面板上面的设定温度与实际温度都是扩散炉内温度测试，只是起到控制与保护的 作用，真正可以看出实际温度的是我们热电偶测试的温度值。为了减少通过后面 热电偶测试的麻烦，所以我们一般都通过拉恒温将面板上的温度与热电偶测试的 温度对应起来，又由于工作温度是的温度最重要，所以拉恒温时的温度一般都选 定在扩散的温度。且拉恒温时将面板设定的温度设定成一致，减少不同温区间的 相互影响。拉恒温结束后要将原来工艺号上的温度进行更改并且跟踪方块电阻的 变化。一般情况下1个月要对温度进行校准。
7பைடு நூலகம்
+4 +5
+4 +4 磷原子 多余 电子
N 型半导体 中的载流子 是什么？ 是什么？
1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。 1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。 由施主原子提供的电子 2.本征半导体中成对产生的电子和空穴 本征半导体中成对产生的电子和空穴。 2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。
掺杂浓度远大于本征半导体中载 流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多 流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多 8 数载流子（多子），空穴称为少数载流子 少子）。 ），空穴称为少数载流子（ 数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。
二、P 型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼， 在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼，晶体点阵中的某 些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子， 些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的 空穴
半导体原子形成共价键时，产生一个 半导体原子形成共价键时， 空穴。 空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来 填补， 填补，使得硼原子成为不能移动的带 负电的离子。由于硼原子接受电子， 负电的离子。由于硼原子接受电子， 所以称为受主原子 受主原子。 所以称为受主原子。 硼原子
P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。 型半导体中空穴是多子，电子是少子。
+4
+4
+3
+4
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太阳能电池的心脏是一个PN结，需要强调的是， PN结不 是简单地将两块不同类型的半导体连接在一起。要制造一个 PN结，必须使一块完整的晶体硅的一部分是P型区域，另一部 分是N区域，也就是在晶体内实现P型和N型半导体的接触。 我们制造PN结，实质上是想办法使P型杂质在半导体晶体内部 的一个区域占优势，而使N型杂质在半导体内部的另一个区域 占优势，这样就在一块完整的半导体体硅中实现了P型和N型 半导体的接触。 我们用的硅片都是P型衬底的硅片，扩散是向硅片表面内 掺入五族元素磷，使其在衬底和扩散面接触处形成PN结。 PN结
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扩散工艺 步骤号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 时间 360 60 600 600 300 1400 300 500 360 温度 780 830 820 820 863 863 840 750 780 扩散小氮 0 0 0 1000 1500 2000 0 0 0 大氮 22000 22000 22000 22000 22000 22000 22000 22000 22000 氧气 0 0 2000 2400 2600 3400 2500 2000 0 步骤名 进舟 升温 氧化 分解 预扩 主扩 清洗1 清洗2 出舟 化学反应 / / Si+O2→SiO2 5POCl3→PCl3+P2O5 5POCl3→PCl3+P2O5、P2O5+Si→5SiO2+4P P2O5+Si→5SiO2+4P 4POCl3+O2→2P2O5+6Cl2 4PCl5+O2→2P2O5+10Cl2 /
（ 阳）
扩散
晶体和硅
晶体：晶体的重要特点是组成晶体的 原子、分子、离子按一定规则周期排 列着的。任一晶体都可以看成由微观 粒子在三维空间按一定规则周期重复 性排列所构成。晶体可以分为单晶体 和多晶体。 晶格：晶体的周期性结构称为晶体格 子，简称晶格。 单晶体：如果整个晶体是由单一的晶 格连续组成，这种晶体称为单晶体。 多晶体：如果一个晶体是由相同结构 的很多小晶粒无规则地堆积而成，成 为多晶体。
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扩散与扩散的分布
扩散的方式主要有两种：恒定 表面扩散和有限表面扩散。 扩散的步骤：第一步扩散源由载 气到达气相—固相界面面，杂 质由气相—固相界面由扩散运 动进入到二氧化硅层（事先进 行了二氧化硅生长）；第二步 当杂质运动到硅—二氧化硅界 面时，再由扩散运动扩散到硅 中。
Si
扩散源
SiO2
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扩散就是向纯净的半导体中掺入杂质，以获得人们需要的导电性能。 扩散就是向纯净的半导体中掺入杂质，以获得人们需要的导电性能。
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硅
硅是最常见的半导体，元素 周期表号是14，因此最外层 有4个电子，不易得电子也不 易失电子，化学性质比较稳 定。太阳能电池是用半导体 硅做成的。 在硅晶体中，原子按四角形 系统组成晶体点阵，每个原 子都处在正四面体的中心， 而四个其它原子位于四面体 的顶点，每个原子与其相临 的原子之间形成共价键，共 用一对价电子。
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P型半导体：向本征半导体中掺入硼等三族元素，使载流子主要为导 电空穴的半导体。 N型半导体：向本征半导体中掺入磷等五族元素，使载流子主要为 自由电子的半导体。
导电空穴
+4 +4
+4 自由电子 +4 束缚电子
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一、N 型半导体
在硅晶体中掺入少量的五价元素磷， 在硅晶体中掺入少量的五价元素磷，晶体点阵中 的某些半导体原子被杂质取代， 的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个 价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必 价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键， 定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚， 定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激 发而成为自由电子， 发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正 电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子 施主原子。 电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。
N
P
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P型半导体 型半导体 － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － －
+ + + +
N型半导体 型半导体 内电场E 内电场 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
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太阳电池工作原理
太阳电池的工作原理 是半导体的光电效应。 光电效应：在光的照 射下，使物体中的电 子逸出的现象叫做光 电效应(Photoelectric effect)。
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氧化增强扩散
与中性气氛相比， 杂质硼磷在氧化 氮化硅 气氛中的扩散存 在明显增强，这 种现象称为氧化 增强扩散。
氧化硅
磷结深度Xj 磷结深度Xj
OED
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硅氧化时，在Si-SiO2界面附近产生了大量的间隙硅原子， 这些过剩的间隙硅原子在向硅内扩散的同时，不断与空位复 合，使这些过剩的间隙硅原子的浓度随深度而降低。但在表 面附近，过剩的间隙硅原子可以和替位磷相互作用，从而使 原来处于替位的磷变成间隙磷。当间隙磷的近邻晶格没有空 位时，间隙磷就以间隙方式运动；如果间隙磷的近邻晶格出 现空位时，间隙磷又可以进入空位变成替位磷。这样，杂质 磷的就以替位-间隙交替的方式运动，其扩散速度比单纯由 替位扩散到替位要快。
Si
+4 +4
+4 +4
共价键 共用电子对
4
PN结
其实纯净的半导体硅是没有大的实用价值，只有通 过对其掺入不同杂质，使其导电性能发生改变，从 而获得人们所需的性能，半导体才有其真正的实用 价值。 没有掺杂的半导体称为本征半导体，掺入杂质的半 导体称为杂质半导体或非本征报导体。 通常掺杂都是掺入三族或五族元素，使其成为P （positive）型或N（negative）型半导体。