扩散工艺培训
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2.虽然链式扩散比较均匀，但由于磷酸水溶液的表面张力，势必导致扩散后硅 片四周电阻高于中心电阻，即有边缘效应存在，而且在湿法刻蚀后情况会更 加明显，造成最边缘方阻过高。
3.要使扩散后硅片方块电阻比较均匀，就要求有良好的磷酸喷涂效果，扩散炉 温度要恒定。这对磷酸喷涂稳定性与磷源涂布均匀性要求很高，对设备要求 比较苛刻。
• 1.2.2 恒量源扩散
在扩散前，用预扩散或沉积法，使硅片表面具有一定量的杂质源Q，整个扩散过 程中不再加源，因而整个扩散过程中杂质源总量Q保持不变，随着扩散深度增加，表 面浓度不断下降，称这种情况为恒量源扩散。杂质源限定在硅片表面薄的一层，杂质 总量Q是常数。
N（x，t）=（Q/（Dt）1/2）*exp（-X2/4Dt）
当磷酸分散成雾滴喷到硅片表面时如果硅片表面不显示亲水性，就容易 受`表面张力的影响凝聚成许多小液滴分散在硅片表面，扩散后硅片表面呈花 斑状（雪花片）。
• 改善方向： 1.减小磷酸液滴的表面张力：溶液中加入添加剂（如无水乙醇）；提高溶液 温度；减少溶液浓度等。
2.增强硅片表面的亲水性：增加润湿程度，形成氧化硅膜。效果最好的是湿 润的氧化膜。（硝酸湿法氧化）
结深（Depth ）随扩散温度和扩散时间的变化趋势（具体数据仅供参考）
方块电阻
在扩散工艺中，方块电阻是反映扩散层质量是否符合设计要求的重要标志之一。 对应于一对确定数值的结深和薄层电阻，扩散层的杂质分布就是确定的。
方块电阻大小对电性能的影响 ①方块电阻偏低，扩散浓度大，则引起重掺杂效应，使电池开路电压和短路 电流均下降； ②方块电阻偏高，扩散浓度低，则横向电阻高，使Rs上升； 因此，实际电池制作中，会根据前后工序匹配性，考虑到各个因素。现在 P4工艺方块电阻控制在45～50/□上下。
偏磷酸再进一步脱水形成P2O5 : 2HPO3 脱水 P2O5+H2O
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 （ ↓ ）
• 1.4 磷扩散工艺主要参数 1. 结深 2. 表面浓度 3. 扩散电阻 以上这三项参数与掺杂浓度、扩散时间、扩散温度、等密切相关。
所以我们现在采用的工艺是清洗制绒后用硝酸氧化，形成氧化膜，以增加亲 水性；在磷源中，加入乙醇减小表面张力，从而达到一个良好的喷涂效果。
1.3 .2 磷源扩散过程
磷酸是三元中强酸，分三步电离，不易挥发，不易分解，几乎没有氧 化性。具有酸的通性。扩散过程中，磷酸受强热脱水，依次生成焦磷酸、 三磷酸和多聚的偏磷酸。三磷酸是链状结构，多聚的偏磷酸是环状结构。
电阻
成本 结深 安全性 操作
链式扩散
管式扩散
整面均匀性较好，方阻四周 整面均匀性略差，方阻四周低于
高于中心
中心
磷酸价格较低
三氯氧磷较贵
浅
较深
好
磷源毒性大
方便，利于自动化
操作比较麻烦
• 但是链式扩散有以下弊端：
1.链式扩散炉不是一个密闭空间，容易受污染。而且一旦受污染，不易清洗， 需要较长一段时间才能恢复。所以良好的清洗效果、保持环境洁净度以及员 工的规范操作至关重要。
因此限定源扩散时的杂质分布是高斯函数分布。由以上的求解公式，可以看出扩散系 数D以及表面浓度对恒定表面扩散的影响相当大。
实际扩散过程常介于上述两种分布之间，根据不同工艺或近似高斯分布或近似余 误差分布。常规太阳电池工艺中，因为扩散较浅，常采用余误差分布近似计算。
• 1.2.3 扩散系数
扩散系数是描述杂质在硅中扩散快慢的一个参数，用字母D表示。D大，扩散速率 快。D与扩散温度T、杂质浓度N、衬底浓度NB、扩散气氛、衬底晶向、缺陷等因素有 关。磷在氧化硅的扩散系数远远小于在硅中的扩散系数。
扩散工艺培训
德鑫工艺部
扩散目的：形成PN结
扩散原理
1.1 替位式扩散
硼、磷、砷等杂质原子或离子大小与Si原子大小差别不大，它沿 着硅晶体内晶格空位跳跃前进扩散，杂质原子扩散时占据晶格格点的正 常位置，不改变原来硅材料的晶体结构。 磷扩散的扩散方程式为:
N / t = D*2N / x2 N=N（x，t）杂质的浓度分布函数，单位是cm-3 D：扩散系数，单位是cm2/s 上式已假定D是一个常数。事实上，扩散系数D是表征扩散速度的物理常 数，随着固体的温度上升而变大，同时还受到杂质浓度、晶体结构等因 素的影响。
D=D0exp（-E/kT）
T：绝对温度；
K ：波尔兹曼常数；
E：扩散激活能； D0 ：频率因子
1.3 扩散方法-链式
• 太阳电池磷扩散方法大概有三种： 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 • 目前P4-A栋采用的是第二种扩散方法，其与管式对比情况如下：
1.2 扩散方式
1.2.1 恒定源扩散 整个扩散过程中，硅片周围的杂质浓度恒定，不随时间而改变，硅片
表面的杂质浓度Ns保持不变，始终等于源相中的杂质浓度，称这种情况 为恒定源扩散。
N（x，t）=NSerfc（x/（2*（Dt）1/2）） 式中erfc称作余误差函数，因此恒定表面浓度扩散分布符合余误差 分布。
4. 由于在扩散原理或设备上的差异，对elkem等一些特殊硅片的扩散效果来自百度文库不 理想，暂时还未找到比较合适的改善方法。
1.3 .1 磷酸喷涂效果分析
• 喷涂要求： 磷源喷涂后，源液颗粒由于所处条件不同，处于界面的分子与处于体内
的分子所受力是不同的。在液体内部的一个水分子受到周围水分子的作用力 的合力为零，但在表面的一个液体分子却不如此。其合力方向垂直指向液体 内部，结果导致液体表面具有自动缩小的趋势，这种收缩力即是表面张力。
结深
• 扩散的要求就是获得适合于太阳电池PN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，但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。 我们常规电池链式扩散后结深较浅，一般在0.25~0.28 m左右。结深可 以随着扩散温度和时间的增加而有所增加（如下图所示）。
3.要使扩散后硅片方块电阻比较均匀，就要求有良好的磷酸喷涂效果，扩散炉 温度要恒定。这对磷酸喷涂稳定性与磷源涂布均匀性要求很高，对设备要求 比较苛刻。
• 1.2.2 恒量源扩散
在扩散前，用预扩散或沉积法，使硅片表面具有一定量的杂质源Q，整个扩散过 程中不再加源，因而整个扩散过程中杂质源总量Q保持不变，随着扩散深度增加，表 面浓度不断下降，称这种情况为恒量源扩散。杂质源限定在硅片表面薄的一层，杂质 总量Q是常数。
N（x，t）=（Q/（Dt）1/2）*exp（-X2/4Dt）
当磷酸分散成雾滴喷到硅片表面时如果硅片表面不显示亲水性，就容易 受`表面张力的影响凝聚成许多小液滴分散在硅片表面，扩散后硅片表面呈花 斑状（雪花片）。
• 改善方向： 1.减小磷酸液滴的表面张力：溶液中加入添加剂（如无水乙醇）；提高溶液 温度；减少溶液浓度等。
2.增强硅片表面的亲水性：增加润湿程度，形成氧化硅膜。效果最好的是湿 润的氧化膜。（硝酸湿法氧化）
结深（Depth ）随扩散温度和扩散时间的变化趋势（具体数据仅供参考）
方块电阻
在扩散工艺中，方块电阻是反映扩散层质量是否符合设计要求的重要标志之一。 对应于一对确定数值的结深和薄层电阻，扩散层的杂质分布就是确定的。
方块电阻大小对电性能的影响 ①方块电阻偏低，扩散浓度大，则引起重掺杂效应，使电池开路电压和短路 电流均下降； ②方块电阻偏高，扩散浓度低，则横向电阻高，使Rs上升； 因此，实际电池制作中，会根据前后工序匹配性，考虑到各个因素。现在 P4工艺方块电阻控制在45～50/□上下。
偏磷酸再进一步脱水形成P2O5 : 2HPO3 脱水 P2O5+H2O
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 （ ↓ ）
• 1.4 磷扩散工艺主要参数 1. 结深 2. 表面浓度 3. 扩散电阻 以上这三项参数与掺杂浓度、扩散时间、扩散温度、等密切相关。
所以我们现在采用的工艺是清洗制绒后用硝酸氧化，形成氧化膜，以增加亲 水性；在磷源中，加入乙醇减小表面张力，从而达到一个良好的喷涂效果。
1.3 .2 磷源扩散过程
磷酸是三元中强酸，分三步电离，不易挥发，不易分解，几乎没有氧 化性。具有酸的通性。扩散过程中，磷酸受强热脱水，依次生成焦磷酸、 三磷酸和多聚的偏磷酸。三磷酸是链状结构，多聚的偏磷酸是环状结构。
电阻
成本 结深 安全性 操作
链式扩散
管式扩散
整面均匀性较好，方阻四周 整面均匀性略差，方阻四周低于
高于中心
中心
磷酸价格较低
三氯氧磷较贵
浅
较深
好
磷源毒性大
方便，利于自动化
操作比较麻烦
• 但是链式扩散有以下弊端：
1.链式扩散炉不是一个密闭空间，容易受污染。而且一旦受污染，不易清洗， 需要较长一段时间才能恢复。所以良好的清洗效果、保持环境洁净度以及员 工的规范操作至关重要。
因此限定源扩散时的杂质分布是高斯函数分布。由以上的求解公式，可以看出扩散系 数D以及表面浓度对恒定表面扩散的影响相当大。
实际扩散过程常介于上述两种分布之间，根据不同工艺或近似高斯分布或近似余 误差分布。常规太阳电池工艺中，因为扩散较浅，常采用余误差分布近似计算。
• 1.2.3 扩散系数
扩散系数是描述杂质在硅中扩散快慢的一个参数，用字母D表示。D大，扩散速率 快。D与扩散温度T、杂质浓度N、衬底浓度NB、扩散气氛、衬底晶向、缺陷等因素有 关。磷在氧化硅的扩散系数远远小于在硅中的扩散系数。
扩散工艺培训
德鑫工艺部
扩散目的：形成PN结
扩散原理
1.1 替位式扩散
硼、磷、砷等杂质原子或离子大小与Si原子大小差别不大，它沿 着硅晶体内晶格空位跳跃前进扩散，杂质原子扩散时占据晶格格点的正 常位置，不改变原来硅材料的晶体结构。 磷扩散的扩散方程式为:
N / t = D*2N / x2 N=N（x，t）杂质的浓度分布函数，单位是cm-3 D：扩散系数，单位是cm2/s 上式已假定D是一个常数。事实上，扩散系数D是表征扩散速度的物理常 数，随着固体的温度上升而变大，同时还受到杂质浓度、晶体结构等因 素的影响。
D=D0exp（-E/kT）
T：绝对温度；
K ：波尔兹曼常数；
E：扩散激活能； D0 ：频率因子
1.3 扩散方法-链式
• 太阳电池磷扩散方法大概有三种： 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 • 目前P4-A栋采用的是第二种扩散方法，其与管式对比情况如下：
1.2 扩散方式
1.2.1 恒定源扩散 整个扩散过程中，硅片周围的杂质浓度恒定，不随时间而改变，硅片
表面的杂质浓度Ns保持不变，始终等于源相中的杂质浓度，称这种情况 为恒定源扩散。
N（x，t）=NSerfc（x/（2*（Dt）1/2）） 式中erfc称作余误差函数，因此恒定表面浓度扩散分布符合余误差 分布。
4. 由于在扩散原理或设备上的差异，对elkem等一些特殊硅片的扩散效果来自百度文库不 理想，暂时还未找到比较合适的改善方法。
1.3 .1 磷酸喷涂效果分析
• 喷涂要求： 磷源喷涂后，源液颗粒由于所处条件不同，处于界面的分子与处于体内
的分子所受力是不同的。在液体内部的一个水分子受到周围水分子的作用力 的合力为零，但在表面的一个液体分子却不如此。其合力方向垂直指向液体 内部，结果导致液体表面具有自动缩小的趋势，这种收缩力即是表面张力。
结深
• 扩散的要求就是获得适合于太阳电池PN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，但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。 我们常规电池链式扩散后结深较浅，一般在0.25~0.28 m左右。结深可 以随着扩散温度和时间的增加而有所增加（如下图所示）。