太阳能电池片扩散工艺

扩散（diffusion）：物质分子从高浓度区域向低浓度区域转移，直到均匀分布的现象。扩散的用途：金属表面处理，半导体器件生产等。1.1扩散的概念在P（N）型衬底上扩散N（P）型杂质形成PN结。达到合适的掺杂浓度ρ。2.2扩散工艺的目的制造PN结原理：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，而此时半导体晶体内部就形成PN结。利用磷原子(N型)向晶硅片(P型)内部扩散的方法，改变晶硅片表面层的导电类型，从而形成PN结。这就是用POCl3液态源扩散法制造P-N结的基本原理。扩散的工艺原理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优点：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。太阳电池磷扩散方法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。升温下与水接触会反应释放出腐蚀有毒易燃气体。POCl3简介PClO3极易水解，在潮湿的空气中，因水解产生酸雾，水解生的HCl溶于源中会使源变成淡黄色，此时须换源。工艺生成物HPO3是一种白色粘滞性液体，对硅片有腐蚀作用，并会使石英舟粘在管道上不易拉出。POCl3简介磷扩散工艺过程7清洗饱和装片送片回温扩散关源，退舟方块电阻测量卸片清洗清洗开始时，先开O2，再开TCA；清洗结束后，先关TCA，再关O2。三氯乙烷（C2H3Cl3）高温氧化分解，产生的氯分子与重金属原子化合后被气体带走，达到清洗石英管道的目的。其反应式为：C2H3Cl3+O2=Cl2+H2O+CO2+……当炉温升至预定温度（1050℃）后直接运行TCA工艺，直至TCA+饱和工艺结束。8清洗化学品：C2H3CL3(三氯乙烷)特性：无色液体，不溶于水危害性：遇明火、高热能燃烧，并产生剧毒的氯化氢烟雾。急性中毒主要损害中枢神经系统。对皮肤有轻度脱脂和刺激作用。9饱和每班生产前，需对石英管进行饱和。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。10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。用吸笔依次将硅片从硅片盒中取出，插入石英舟。11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。12回温打开O2，等待石英管升温至设定温度。13扩散打开小N2，以设定流量通小N2（携源）进行扩散14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。15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。16检验原理ⅱVR=F×V/I四探针可以排成不同的几何形状，最常见的是排成一条直线。探针间距远大于结深时，几何修正因子为4.5325。I四探针法原理关于四探针用途：测量半导体材料的电阻率。原理：使用四根处于同一水平面上的探针压在所测材料上，1,4探针通电流。2,3探针间产生一定的电压。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。工艺参数TCA清洗预饱和温度（℃）时间（min）小N2(L/min)O2(L/min)参数设置1050240-4800.510-25温度（℃）时间（min）小N2(L/min)大N2(L/min)O2(L/min)参数设置900-950601-218-251-2.5工艺参数扩散参数时间（min）温度（℃）大N2（L/min）小N2（L/min）O2（L/min）源温（℃）进炉6840~90025~300020稳定9840~90025~300020通源20~30840~90025~301.6~2.01.8~2.220吹氮10840~90025~300020出炉10840~90025~300020扩散装置示意图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：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：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：生成的P2O5又进一步与硅作用，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。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。五氧化(二)磷1.物质的理化常数:国标编号81063CAS号1314-56-3中文名称五氧化(二)磷英文名称Phosphoruspentoxide；Phosphoricanhydride别名磷酸酐分子式P2O5外观与性状白色粉末，不纯品为黄色粉末，易吸潮分子量141.94蒸汽压0.13kPa(384℃)熔点563℃溶解性不溶于丙酮、氨水，溶于硫酸密度相对密度(水=1)2.39；相对密度(空气=1)4.9稳定性稳定危险特性：接触有机物有引起燃烧危险。受热或遇水分解放热，放出有毒的腐蚀性烟气。具有强腐蚀性。燃烧(分解)产物：氧化磷。Cl2①颜色\气味\状态：通常情况下为有刺激性气味黄绿色的气体。②密度：比空气密度大，标况时是ρ=M/V(m)=(71g/mol)/(22.4L/mol)=3.17g/L。③易液化。熔沸点较低，在101kPa下，熔点-107.1°C，沸点-34.6°C，降温加压可将氯气液化为液氯，液氯即Cl2，其与氯气物理性质不同，但化学性质基本相同。④溶解性：可溶于水，且易溶于有机溶剂，难溶于饱和食盐水。1体积水在常温下可溶解2体积氯气，形成氯水，密度为3.170g/L。影响扩散的因素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，而扩散时间则是决定扩散的浓度和深度的因素。27ChintSolarConfidential高温氧化/扩散系统的设备简介•高温氧化/扩散系统设备的总体结构分为四大部分：控制部分、推舟净化部分、电阻加热炉体部分、气源部分。28ChintSolarConfidential高温氧化/扩散系统的设备简介•闭管的炉体尾部气路尾气液收集瓶气源进气口炉体尾气管尾气排放管道29ChintSolarConfidential高温氧化/扩散系统的设备简介•控制部分：位于控制柜的计算机控制系统分布在各个层面，而每个层面的控制系统都是相对的独立部分，每层控制对应层的推舟、炉温及气路部分，是扩散/氧化系统的控制中心。在每层相应的前面板上，左侧分布15寸触摸屏，右侧分布状态指示灯、报警器、急停开关和控制开关。30ChintSolarConfidential高温氧化/扩散系统的设备简介•推舟净化部分：•推舟净化柜的顶部装有照明灯；正面是水平层流的高效过滤器及推舟的丝杠、导轨副传动系统及SiC悬臂浆座，丝杠的右端安装有驱动步进电机，导轨两端是限位开关。一是为硅片进出提供高洁净区，二是将高温热气流驱散，以免灼热的气流将过滤器及净化台顶部烤焦。限位开关极限保护开关净化系统步进电机31ChintSolarConfidential高温氧化/扩散系统的设备简介•电阻加热炉体部分电阻加热炉体部分也细分三部分，顶层部分配置水冷散热器及排热风扇，废弃室顶部设有抽风口，与外接负压抽风管道连接后，可将工艺过程残余气体带走。中间部分为加热炉体部分，配置炉管、控温热电偶、超温保护热电偶。炉柜的底层安装有加热炉的功率部件（可控硅、散热器、接触器、变压器、可控硅过零触发器等）及散热风机。热电偶32ChintSolarConfidential高温氧化/扩散系统的设备简介•气源部分气源柜顶部设置有排毒口，用以排除在换源过程中泄露的有害气体。柜顶设置有三路工艺气体及一路CDA的进气接口，接口以下安装有减压阀、截止阀，用以对进气压力进行控制及调节。对应于气路，分别装有相应的电磁阀、气动阀、过滤器、单向阀、MFC及源瓶冷阱等。柜子底部装有MFC电源、控制开关、保险等电路转接板及设备总电源进线转接板。33ChintSolarConfidential高温氧化/扩散系统的设备简介•气源气路小N2MFCO2MFC大N2MFC