1、擴(kuò)散工藝培訓(xùn) 德鑫工藝部擴(kuò)散目的：形成PN結(jié)擴(kuò)散原理 1.1 替位式擴(kuò)散 硼、磷、砷等雜質(zhì)原子或離子大小與Si原子大小差別不大，它沿著硅晶體內(nèi)晶格空位跳躍前進(jìn)擴(kuò)散，雜質(zhì)原子擴(kuò)散時(shí)占據(jù)晶格格點(diǎn)的正常位置，不改變?cè)瓉?lái)硅材料的晶體結(jié)構(gòu)。 磷擴(kuò)散的擴(kuò)散方程式為: N / t = D*2N / x2 N=N（x，t）雜質(zhì)的濃度分布函數(shù)，單位是cm-3 D：擴(kuò)散系數(shù)，單位是cm2/s上式已假定D是一個(gè)常數(shù)。事實(shí)上，擴(kuò)散系數(shù)D是表征擴(kuò)散速度的物理常數(shù)，隨著固體的溫度上升而變大，同時(shí)還受到雜質(zhì)濃度、晶體結(jié)構(gòu)等因素的影響。1.2 擴(kuò)散方式1.2.1 恒定源擴(kuò)散 整個(gè)擴(kuò)散過程中，硅片周圍的雜質(zhì)濃度恒定，不隨時(shí)間而

2、改變，硅片表面的雜質(zhì)濃度Ns保持不變，始終等于源相中的雜質(zhì)濃度，稱這種情況為恒定源擴(kuò)散。 N（x，t）=NSerfc（x/（2*（Dt）1/2） 式中erfc稱作余誤差函數(shù)，因此恒定表面濃度擴(kuò)散分布符合余誤差分布。1.2.2 恒量源擴(kuò)散 在擴(kuò)散前，用預(yù)擴(kuò)散或沉積法，使硅片表面具有一定量的雜質(zhì)源Q，整個(gè)擴(kuò)散過程中不再加源，因而整個(gè)擴(kuò)散過程中雜質(zhì)源總量Q保持不變，隨著擴(kuò)散深度增加，表面濃度不斷下降，稱這種情況為恒量源擴(kuò)散。雜質(zhì)源限定在硅片表面薄的一層，雜質(zhì)總量Q是常數(shù)。 N（x，t）=（Q/（Dt）1/2）*exp（-X2/4Dt） 因此限定源擴(kuò)散時(shí)的雜質(zhì)分布是高斯函數(shù)分布。由以上的求解公式，可以

3、看出擴(kuò)散系數(shù)D以及表面濃度對(duì)恒定表面擴(kuò)散的影響相當(dāng)大。 實(shí)際擴(kuò)散過程常介于上述兩種分布之間，根據(jù)不同工藝或近似高斯分布或近似余誤差分布。常規(guī)太陽(yáng)電池工藝中，因?yàn)閿U(kuò)散較淺，常采用余誤差分布近似計(jì)算。1.2.3 擴(kuò)散系數(shù) 擴(kuò)散系數(shù)是描述雜質(zhì)在硅中擴(kuò)散快慢的一個(gè)參數(shù)，用字母D表示。D大，擴(kuò)散速率快。D與擴(kuò)散溫度T、雜質(zhì)濃度N、襯底濃度NB、擴(kuò)散氣氛、襯底晶向、缺陷等因素有關(guān)。磷在氧化硅的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于在硅中的擴(kuò)散系數(shù)。 D=D0exp（-E/kT） T：絕對(duì)溫度； K ：波爾茲曼常數(shù)； E：擴(kuò)散激活能； D0 ：頻率因子 太陽(yáng)電池磷擴(kuò)散方法大概有三種：三氯氧磷（POCl3）液態(tài)源擴(kuò)散噴涂磷酸水溶液

4、后鏈?zhǔn)綌U(kuò)散絲網(wǎng)印刷磷漿料后鏈?zhǔn)綌U(kuò)散目前P4-A棟采用的是第二種擴(kuò)散方法，其與管式對(duì)比情況如下： 鏈?zhǔn)綌U(kuò)散管式擴(kuò)散電阻整面均勻性較好，方阻四周高于中心整面均勻性略差，方阻四周低于中心成本磷酸價(jià)格較低 三氯氧磷較貴 結(jié)深淺較深安全性好磷源毒性大操作方便，利于自動(dòng)化操作比較麻煩1.3 擴(kuò)散方法-鏈?zhǔn)降擎準(zhǔn)綌U(kuò)散有以下弊端： 1.鏈?zhǔn)綌U(kuò)散爐不是一個(gè)密閉空間，容易受污染。而且一旦受污染，不易清洗，需要較長(zhǎng)一段時(shí)間才能恢復(fù)。所以良好的清洗效果、保持環(huán)境潔凈度以及員工的規(guī)范操作至關(guān)重要。 2.雖然鏈?zhǔn)綌U(kuò)散比較均勻，但由于磷酸水溶液的表面張力，勢(shì)必導(dǎo)致擴(kuò)散后硅片四周電阻高于中心電阻，即有邊緣效應(yīng)存在，而且在濕

5、法刻蝕后情況會(huì)更加明顯，造成最邊緣方阻過高。 3.要使擴(kuò)散后硅片方塊電阻比較均勻，就要求有良好的磷酸噴涂效果，擴(kuò)散爐溫度要恒定。這對(duì)磷酸噴涂穩(wěn)定性與磷源涂布均勻性要求很高，對(duì)設(shè)備要求比較苛刻。 4. 由于在擴(kuò)散原理或設(shè)備上的差異，對(duì)elkem等一些特殊硅片的擴(kuò)散效果很不理想，暫時(shí)還未找到比較合適的改善方法。1.3 .1 磷酸噴涂效果分析噴涂要求： 磷源噴涂后，源液顆粒由于所處條件不同，處于界面的分子與處于體內(nèi)的分子所受力是不同的。在液體內(nèi)部的一個(gè)水分子受到周圍水分子的作用力的合力為零，但在表面的一個(gè)液體分子卻不如此。其合力方向垂直指向液體內(nèi)部，結(jié)果導(dǎo)致液體表面具有自動(dòng)縮小的趨勢(shì)，這種收縮力即是

6、表面張力。 當(dāng)磷酸分散成霧滴噴到硅片表面時(shí)如果硅片表面不顯示親水性，就容易受表面張力的影響凝聚成許多小液滴分散在硅片表面，擴(kuò)散后硅片表面呈花斑狀（雪花片）。 改善方向： 1.減小磷酸液滴的表面張力：溶液中加入添加劑（如無(wú)水乙醇）；提高溶液溫度；減少溶液濃度等。 2.增強(qiáng)硅片表面的親水性：增加潤(rùn)濕程度，形成氧化硅膜。效果最好的是濕潤(rùn)的氧化膜。（硝酸濕法氧化） 所以我們現(xiàn)在采用的工藝是清洗制絨后用硝酸氧化，形成氧化膜，以增加親水性；在磷源中，加入乙醇減小表面張力，從而達(dá)到一個(gè)良好的噴涂效果。 1.3 .2 磷源擴(kuò)散過程 磷酸是三元中強(qiáng)酸，分三步電離，不易揮發(fā)，不易分解，幾乎沒有氧化性。具有酸的通性

7、。擴(kuò)散過程中，磷酸受強(qiáng)熱脫水，依次生成焦磷酸、三磷酸和多聚的偏磷酸。三磷酸是鏈狀結(jié)構(gòu)，多聚的偏磷酸是環(huán)狀結(jié)構(gòu)。偏磷酸再進(jìn)一步脫水形成P2O5 : 2HPO3 脫水 P2O5+H2O 生成的P2O5在擴(kuò)散溫度下與硅反應(yīng)，生成二氧化硅（SiO2）和磷原子，其反應(yīng)式如下： 2P2O5 + 5Si 5SiO2 + 4P （ ） 1.4 磷擴(kuò)散工藝主要參數(shù) 1. 結(jié)深 2. 表面濃度 3. 擴(kuò)散電阻 以上這三項(xiàng)參數(shù)與摻雜濃度、擴(kuò)散時(shí)間、擴(kuò)散溫度、等密切相關(guān)。擴(kuò)散的要求就是獲得適合于太陽(yáng)電池PN結(jié)需要的結(jié)深和擴(kuò)散層方塊電阻。淺結(jié)死層小，電池短波響應(yīng)好，但淺結(jié)引起串聯(lián)電阻增加，只有提高柵電極的密度，才能有效

8、提高電池的填充因子，這樣，增加了工藝難度；結(jié)深太深，死層比較明顯，如果擴(kuò)散濃度太大，則引起重?fù)诫s效應(yīng)，使電池開路電壓和短路電流均下降。實(shí)際電池制作中，考慮到各個(gè)因素，太陽(yáng)電池的結(jié)深一般控制在0.30.5m。 我們常規(guī)電池鏈?zhǔn)綌U(kuò)散后結(jié)深較淺，一般在0.250.28 m左右。結(jié)深可以隨著擴(kuò)散溫度和時(shí)間的增加而有所增加（如下圖所示）。結(jié)深結(jié)深（Depth ）隨擴(kuò)散溫度和擴(kuò)散時(shí)間的變化趨勢(shì)（具體數(shù)據(jù)僅供參考）方塊電阻 在擴(kuò)散工藝中，方塊電阻是反映擴(kuò)散層質(zhì)量是否符合設(shè)計(jì)要求的重要標(biāo)志之一。對(duì)應(yīng)于一對(duì)確定數(shù)值的結(jié)深和薄層電阻，擴(kuò)散層的雜質(zhì)分布就是確定的。方塊電阻大小對(duì)電性能的影響方塊電阻偏低，擴(kuò)散濃度大，

9、則引起重?fù)诫s效應(yīng)，使電池開路電壓和短路電流均下降；方塊電阻偏高，擴(kuò)散濃度低，則橫向電阻高，使Rs上升；因此，實(shí)際電池制作中，會(huì)根據(jù)前后工序匹配性，考慮到各個(gè)因素?，F(xiàn)在P4工藝方塊電阻控制在4550/上下。方塊電阻公式： R = /d（1）為保持同樣的方塊電阻結(jié)深越深，表面摻雜濃度就應(yīng)越低（2）對(duì)于同樣的結(jié)深，摻雜濃度越重，方塊電阻越低（3）對(duì)于同樣的摻雜濃度，結(jié)深越深方塊電阻越低 其大小就直接反映了擴(kuò)入硅片內(nèi)部的凈雜質(zhì)總量的多少。薄層電阻越小，表示擴(kuò)入硅片的凈雜質(zhì)越多，反之，擴(kuò)入的就越少。還要注意的是：不同的雜質(zhì)分布和結(jié)深可獲得同樣的Rs，這是實(shí)際設(shè)計(jì)和工藝中常遇到的問題。例如下圖中的兩個(gè)分布曲線，可獲得同樣的Rs。日常工藝控制中我們主要通過調(diào)整擴(kuò)散溫度和擴(kuò)散時(shí)間（BTU爐子帶速）兩個(gè)參數(shù)，得到確定的方塊電阻值。少子壽命通常提高少子壽命的途徑：(1)減小基區(qū)和擴(kuò)散區(qū)的摻雜濃度，因?yàn)閾诫s濃度越大，本征復(fù)合和俄歇復(fù)合越厲害，少子壽命越低（但摻雜濃度又