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1、扩散工艺培训扩散工艺培训德鑫工艺部德鑫工艺部扩散目的：形成扩散目的：形成PN结结扩散原理扩散原理 1.1替位式扩散替位式扩散硼、磷、砷等杂质原子或离子大小与硼、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。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磷扩散的扩散方程式为: N/ t=D*2N/ x2N=N（x，t）杂质的浓度分布函数，单位是）杂质的浓度分布函数，单位是cm-3D：扩散系数，单位是
2、：扩散系数，单位是cm2/s上式已假定上式已假定D是一个常数。事实上，扩散系数是一个常数。事实上，扩散系数D是表征扩散速度的物理常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。素的影响。1.2扩散方式扩散方式1.2.1恒定源扩散恒定源扩散整个扩散过程中，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
3、扩散为恒定源扩散。N（x，t）=NSerfc（x/（2*（Dt）1/2）式中式中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。分布。1.2.2恒量源扩散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，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。度不断下降，称这种情况为恒量源扩散。杂质源
4、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） 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。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 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
5、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。 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 太阳电池磷扩散方法大概有三种：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： 链式扩散链式扩散管式扩散管式扩散电阻整面均匀性较好，方阻四周高于中心整面均匀性略差，方阻四周低于中心成本磷酸价格较低 三氯氧磷较贵 结深浅较深安全性好磷源毒性大操作方便，利于自动化操作比较
6、麻烦1.3 1.3 扩散方法扩散方法- -链式链式但是链式扩散有以下弊端：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。 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。 4. 由于在扩散原理或设备
7、上的差异，对elkem等一些特殊硅片的扩散效果很不理想，暂时还未找到比较合适的改善方法。1.3.1磷酸喷涂效果分析磷酸喷涂效果分析喷涂要求喷涂要求： 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。 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：改善方向： 1.减小磷酸液滴的表面
8、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） 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磷源扩散过程磷源扩散过程磷酸是三元中强酸，分三步磷酸是三元中强酸，分三步电离电离，不易挥发，不易分解，几乎没有氧化，不易挥发，不易分解，几乎没有氧化性。具有酸的通性性。具有酸的通性。扩散过程中，。扩散过程中，磷酸受强热脱水，依次生成焦磷酸、三磷酸受强热脱水，依次生成焦磷酸、三磷酸和多聚的
9、偏磷酸。三磷酸是链状结构，多聚的偏磷酸是环状结构。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。偏磷酸再进一步脱水形成偏磷酸再进一步脱水形成P2O5:2HPO3脱水脱水P2O5+H2O生成的生成的P2O5在扩散温度下与硅反应，生成二氧化硅（在扩散温度下与硅反应，生成二氧化硅（SiO2）和磷原子，其）和磷原子，其反应式如下：反应式如下：2P2O5+5Si5SiO2+4P（） 1.4磷扩散工艺主要参数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。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
10、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0.30.5m。 我们常规电池链式扩散后结深较浅，一般在0.250.28 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）。结深结深结深（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）随扩散温度和扩散时间的变化趋势（具体数据仅供参考）方块电阻方块电阻在扩散工艺中，方块电阻是反映扩散层质
11、量是否符合设计要求的重要标志之一。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。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方块电阻大小对电性能的影响方块电阻偏低，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；电流均下降；方块电阻偏高，扩散浓度低，则横向电阻高，使方块电阻偏高，扩散浓度低，则横向电阻高，使Rs上升；上升；因此，实际电池制作中，因此，实际电池制作中，会根据前后工序匹配性
12、，会根据前后工序匹配性，考虑到各个因素考虑到各个因素。现在。现在P4工艺工艺方块电阻控制在方块电阻控制在4550 /上下。上下。方块电阻公式：方块电阻公式：R=/d（1）为保持同样的方块电阻结深越深，表面掺杂浓度就应越低）为保持同样的方块电阻结深越深，表面掺杂浓度就应越低（2）对于同样的结深，掺杂浓度越重，方块电阻越低）对于同样的结深，掺杂浓度越重，方块电阻越低（3）对于同样的掺杂浓度，结深越深方块电阻越低）对于同样的掺杂浓度，结深越深方块电阻越低其其大小就直接反映了扩入硅片内部的净杂质总量的多少。薄层电阻越小，大小就直接反映了扩入硅片内部的净杂质总量的多少。薄层电阻越小，表示扩入硅片的净杂质
13、越多，反之，扩入的就越少。还要注意的是：不同的杂表示扩入硅片的净杂质越多，反之，扩入的就越少。还要注意的是：不同的杂质分布和结深可获得同样的质分布和结深可获得同样的Rs，这是实际设计和工艺中常遇到的问题。例如下，这是实际设计和工艺中常遇到的问题。例如下图中的两个分布曲线，可获得同样的图中的两个分布曲线，可获得同样的Rs。日常工艺控制中我们主要通过日常工艺控制中我们主要通过调整扩散温度和扩散时间调整扩散温度和扩散时间（BTU炉子带速）炉子带速）两个两个参数，得到确定的方块电阻值。参数，得到确定的方块电阻值。少子寿命少子寿命通常提高少子寿命的途径：通常提高少子寿命的途径：(1)减小基区和扩散区的掺
14、杂浓度，因为掺杂浓度越大，本征复合和俄歇复合越减小基区和扩散区的掺杂浓度，因为掺杂浓度越大，本征复合和俄歇复合越厉害，少子寿命越低（但掺杂浓度又不能过低，否则会引起开压下降）；厉害，少子寿命越低（但掺杂浓度又不能过低，否则会引起开压下降）；(2)钝化，表面钝化能够有效降低表面复合速率钝化，表面钝化能够有效降低表面复合速率(如热氧化如热氧化SiO2对前表面的钝化，对前表面的钝化，铝背场对背表面的钝化铝背场对背表面的钝化)，体钝化能够饱和悬挂键和降低缺陷密度，体钝化能够饱和悬挂键和降低缺陷密度(如如PECVD-H钝化钝化)；(3)吸杂，通常的磷扩散和铝背场均有吸杂的作用。吸杂，通常的磷扩散和铝背场均有吸杂的作用。附表一：扩散常见异常及处理附表一：扩散常见异常及处理附表二：附表二：USI喷涂机培训资料喷涂机培训资料
