晶体硅太阳能电池扩散工艺培训

原子这个空位有两个特点：
1、它可以接受从邻近硅原子上跳来的价电子，在晶体中造成
一个空穴。这时硼原子就成为负离子。
2、硅原子的价电子只须要获得很小的能量就能从硅原子跳到
硼原子的空位上，硼原子实际上起着接受电子的作用，所
以叫硼原子为受主型杂质。
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4、PN结
PN结是将P型和N型半导体通过一定的掺杂工艺结合而成的。
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1、磷扩散的方法
太阳电池制造工艺中，磷扩散一般有三种方法： ➢三氯氧磷（POCl3）液态源扩散 ➢喷涂磷酸水溶液后链式扩散 ➢丝网印刷磷浆料后链式扩散
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2、POCl3液态源扩散
⑴ POCl3 简介 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，高温下蒸气 压很高 ； POCl3有剧毒，对眼睛、呼吸道粘膜有刺激作用。
3、杂质半导体
杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多， 多子浓度越高，导电性越强，实现导电可控性。
N型半导体
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当硅晶体中掺入磷后，磷原子就以替代 的方式占据着硅的位置。磷是周期表第五 族的元素，磷原子最外层有五个电子是价 电子。由于磷原子比硅原子多一个最外层 电子，因此当磷原子的四个价电子与周围 最近邻的四个硅原子的价电子形成共价键 收，还剩余一个价电子，并被束缚在磷原 子附近，但这种束缚力比已经形成共价键 的电子的束缚力要弱得多，它只要很小的 能量就可以使这个价电子脱离磷原子的束 缚而成为晶体中的自由电子，这就叫杂质 原子的电离。
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4、PN结
在动态平衡下， 交界面的正、负空间电荷区就是PN结。
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二、扩散基本原理
半导体掺杂工艺的主要目的在于控制半导体中特定区域 内杂质的类型、浓度、深度和pn结，而扩散技术至今仍是实 现这一目的的简单而又方便的途径。
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1、扩散的定义
扩散是一种由微观粒子不规则的热运动引起的杂质原子 和基体原子的输运过程。
余误差分布图
③在实际的操作过程中，扩散杂质气氛不能 维持表面浓度为恒定值，或者硅片中存在较 严重的缺陷时，都会造成实际分布于理论分 布的偏离。
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三、磷扩散的方法
我们制作太阳电池的晶硅片是P型的，如果扩散进去的磷 原子浓度高于P型硅晶片原来受主杂质浓度，这就使得P型硅 晶片靠近表面的薄层转变成为N型了。
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3、杂质半导体
P型半导体
当硅晶体中掺入杂质硼后，硼原 子就以替代的方式占据着硅的位置。
硼是周期表第三族的元素，硼原子最
外层只有三个电子，比硅原子少一个
最外层电子，因此当硼原子的三个价
电子与周围最近邻的三个硅原子的价
电子形成共价键时，在与第四个最邻
近的硅原子方向上留下一个空位。硼
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2、POCl3液态源扩散
⑷扩散机理
磷是以替位式扩散，这种 扩散机构的特征是杂质原子占 据晶体内晶格格点的正常位置 ，不改变原材料的晶体结构。
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2、POCl3液态源扩散
在靠近硅晶片表面的 薄层内扩散进去的磷原子 最多，距表面愈远，磷原 子愈少。也就是说，杂质 浓度（磷浓度）随着距硅 表面距离的增加而减少。
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2、POCl3液态源扩散
⑷扩散机理
磷在硅片中的扩散可以看成 是磷原子在晶格中以空位形式进 行的原子移动。空心圈表示在晶 格平衡位置的硅原子，实心点表 示磷原子。在高温下，构成晶体 的这些原子都围绕着自己的平衡 位置不停地振动，其中总有一些 原子振动的比较厉害，可以具有 足够高的能量，克服周围原子对 它的作用，离开原来的位置跑到 其它地方去，这样就在原来的位 置上留下一个空位。
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3、扩散杂质分布
⑶两步扩散
为了同时满足对表面浓度、杂质总量以及结深等的要求， 实际生产中常采用两步扩散工艺：
第一步称为预扩散或预淀积，在较低的温度下，采用恒 定表面浓度扩散方式在硅片表面扩散一薄层杂质原子，目的在 于确定进入硅片的杂质总量；
第二步称为主扩散或再分布或推进扩散，在较高的温度 下，采用恒定杂质总量扩散方式，让淀积在表面的杂质继续向 硅片中扩散，目的在于控制扩散深度和表面浓度。
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2、POCl3液态源扩散
从以上分析中我们可以看到，浓 度差别的存在是产生扩散运动的 必要条件，环境温度的高低则是 决定扩散运动快慢的重要因素。 环境温度愈高，分子的运动越激 烈，扩散过程进行得就越快。当 然，扩散时间也是扩散运动的重 要因素，时间愈长，扩散浓度和 深度也会增加。
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4、实际分布与理论分布的偏差
一般来说，上述两种理论分布与实际的杂质分布相近 似，能够较好的反应实际分布所遵循的客观规律，对实际 工作有指导作用。但由于理论推算中，对工艺条件做了一 些理想化的假设和简化，而实际工艺条件中影响因素往往 是多方面的，所以实际分布于理论分布在不同的条件下总 存在一定的偏差。
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2、本征半导体
半导体——硅、锗，它们原子 的最外层电子受到原子核的束 缚力介于导体与绝缘体之间。
物质的导电性能决定于原 子结构,以硅和锗为例, 硅和锗的 原子序数分别是14和32,图中最 外层的电子称为价电子,它们都 有四个价电子,属于四价元素。
本征半导体——完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体 称为本征半导体。
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2、本征半导体
空穴因失去一个电子而带正
电。由于正负电电荷相互吸引， 空穴附近的电子会填补这个空位 置从而产生新的空穴……，如此 进行下去就形成了空穴运动。
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外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参 与导电，且运动方向相反。由于载流子数目很少，故本征 半导体导电性很差。
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4、实际分布与理论分布的偏差
实际分布与理论分布的偏离，一般认为 可能有以下几种因素造成：
实测杂质分布图
①当扩散杂质浓度足够高时，扩散系数随杂 质浓度的增加而增大，因此扩散把扩散系数 视为常数的假设不成立；
②理论分析时，没有考虑杂质原子之间的相 互作用以及当硅片推入扩散炉后，硅片表面 要建立起恒定的表面浓度需要一定的时间。
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2、本征半导体
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由于热运动，具有足 够能量的价电子挣脱共价 键的束缚而成为自由电子 ，自由电子的游离使共价 键中留有一个空位置，称 为空穴。
一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度 升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子 与空穴对的浓度加大。
运载电荷的粒子称为载流子。
5POCl3 >600℃ 3PCl5 + P2O5
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2、POCl3液态源扩散
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。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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3、扩散杂质分布
⑵ 恒定杂质总量扩散
恒定杂质总量扩散的主要特点： ①在整个扩散过程中，杂质总量保持不变; ②扩散时间越长，扩散温度越高，则杂质扩散得越深； ③扩散时间越长，扩散温度越高，表面浓度越低，即表面 杂质浓度可控。
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3、扩散杂质分布
⑶两步扩散
恒定表面浓度扩散适宜于制作高表面杂质浓度的浅结， 但是难以制作低表面浓度的结。而恒定杂质总量扩散则需要 事先在硅中引入一定量的杂质。
②扩散时间越长，扩散温度越高，则扩散进入硅片内单位面 积的杂质总量（称为杂质剂量）就越多；
③扩散时间越长，扩散温度越高，则杂质扩散得越深。
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3、扩散杂质分布
⑵ 恒定杂质总量扩散 扩散开始时，表面放入一定量的杂质源，而在后面
的扩散过程中不再有杂质加入。
恒定杂质总量扩散分布（高斯函数分布）
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硅太阳电池生产中常用的几种元素:硅（Si）、磷 （P）、硼（B）元素的原子结构模型如下：
第三层4个电子 第二层8个电子 第一层2个电子
最外层5个电子
最外层3个电子
Si +14
P +15
B
si
P
B
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1、半导体
导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。
硅晶体内的共价键 硅晶体的特点是原子之间靠共有电子对连接在一起。硅 原子的4个价电子和它相邻的4个原子组成4对共有电子对。 这种共有电子对就称为“共价键”。
这个输运过程总是由粒子浓度较高的地方向着浓度较低 的地方进行，从而使得粒子的分布逐渐趋于均匀。浓度越大， 温度越高，扩散就越快。
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2、扩散机构Байду номын сангаас
杂质原子和载流子在半导体中的输运是通过半导体晶格 格点的无规则运动完成的。一般认为，杂质在硅中有如下几 种扩散机构：
⑴替位式扩散机构
这是一种杂质原子沿着硅晶体 内晶格空位跳跃前进的扩散。 其特征是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 。
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一、半导体基础知识
导体——铜、铁、铝等低价元素，其最外层电子在 外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。
绝缘体——惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电 子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到相当 程度时才可能导电。
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1、半导体
导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。
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4、实际分布与理论分布的偏差
实测杂质分布图 余误差分布图
对实际工艺结果的测试分布表明， 对于恒定表面浓度扩散，当扩散深度 在几微米以上，或者扩散浓度比较低 时，其分布与余误差函数分布符合的 很好。但对常规电池的高浓度浅结扩 散，其扩散分布往往与余误差函数分 布产生偏离。试验结果指出，在靠近 表面处的杂质分布不是理论分布图所示 的衰减，而是在一定深度范围内杂质浓 度为常量。实测分布图就是一个典型的 磷的浅结扩散的杂质分布曲线。
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2、POCl3液态源扩散
⑵反应原理
在有氧气的存在时，POCl3热分解的反应式为： 4 POCl3 + 3O2 >600℃ 2P2O5 + 6Cl2
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，反应式如 下所示：
P区的空穴浓度大，大量的空穴将通过 交界面向N区扩散，同时，N区的电子浓 度大，电子将向P区扩散。两类多数载 流子的扩散运动形成扩散电流，方向从 P区流入N区。交界面两侧分别留下不能 移动的正、负离子，在另一边N区内留 下带正电的施主杂质离子，形成正空间 电荷层。在正、负空间电荷层之间建立 一定的电位差和内电场，电场方向由N 区指向P区。内电场将削弱扩散运动， 直至扩散电流等于漂移电流，达到动态 平衡。
替位杂质运动
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2、扩散机构
⑵填隙式扩散机构 杂质原子进入硅晶体后，不
占据晶格格点的正常位置，而是 从一个硅原子间隙到另一个硅原 子间隙逐次跳跃前进。
⑶填隙－替位扩散机构
除了上述两种主要的扩散机构外 ，杂质原子在硅中的扩散过程既 有填隙式又有替位式。当填隙杂 质原子遇到硅晶格空位时，可以 被空位俘获而成为替位式杂质原 子，或相反。
2、POCl3液态源扩散
⑶扩散装置
扩散时，采用两股氮气，一股氧气。其中小股的氮气通过源 瓶鼓泡携源进入石英管，大股氮气和氧气则直接进入石英管。
所有气体均需进行纯化、干燥处理。所使用的系统，扩散前 要经过饱和处理。
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2、POCl3液态源扩散
通源结束后，小股氮气的阀门关闭，继续通大股氮气和 氧气数分钟到数十分钟，其目的在于推进结深，使沉积于硅 片表面的磷活化，并使炉管内残留的磷源蒸汽排出。
2P2O5 + 5Si 5SiO2 + 4P
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2、POCl3液态源扩散
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，这对于制作具有大的结面积的太 阳电池是非常重要的。
如果没有外来的氧（O2）参与，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：
间隙杂质运动
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3、扩散杂质分布
⑴恒定表面源扩散 在整个扩散过程中，杂质不断进入硅中，前表面杂质浓
度始终保持不变。
恒定表面浓度杂质分布（余误差函数分布）
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3、扩散杂质分布
⑴恒定表面源扩散 恒定表面浓度扩散的主要特点： ①杂质表面浓度由该种杂质在扩散温度下的固溶度所决定。 当扩散温度不变时，表面杂质浓度维持不变;