1、扩散工艺工艺技术部高勇Summaryu电池工作原理u扩散原理uTempress扩散炉u异常情况2025/7/102SRPVSummary2025/7/103SRPV电池工作原理电池工作原理晶体硅太阳能电池的生产工序晶体硅太阳能电池的生产工序制绒扩散刻蚀去PSGPECVD印刷烧结分检入库发电原理示意图u当用适当波长的光照射非均匀半导体(pn结等)时，由于内建电场的作用，半导体内部产生电动势（光生电压）；如将pn结短路，则会出现电流（光生电流）。这种由内建电场引起的光电效应，称为光生伏特效应。2025/7/104SRPVu太阳能发电利用了光射入半导体时引起的光生伏特效应。当太阳光照射到电池片正表面
2、时，光子会透过减反射膜，照射到硅表面，导带电子吸收了光子能量后被激发，跃迁成为自由电子，留下一个带正电的空位形成空穴。电子和空穴在内建电场的作用下分别向PN结的两端运动，形成光电流，两种电荷聚集在PN结两端形成了电位差。此时在PN结两端加上负载，便会形成回路，有电流通过负载。扩散原理扩散原理PN结的作用结的作用这就是太阳能电池的发电原理，PN结起电源的作用。2025/7/10SRPV5扩散原理扩散原理u在一块本征半导体的两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。在P型半导体中有许多带正电荷的空穴和带负电荷的电离杂质。在电场的作用下，空穴是可以移动的，而电离杂质（离子）是固定不动的
3、N型半导体中有许多可动的负PN结的形成结的形成电子和固定的正离子。u当P型和N型半导体接触时，在界面附近空穴从P型半导体向N型半导体扩散，电子从N型半导体向P型半导体扩散。空穴和电子相遇而复合，载流子消失。因此在界面附近的结区中有一段距离缺少载流子，却有分布在空间的带电的固定离子，称为空间电荷区。2025/7/10SRPV6扩散原理扩散原理u在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。u因浓度差，多子的扩散运动，由杂质离子形成空间电荷区，空间电荷区形成内电场，内电场促使少子漂移内电场阻止多子扩散，最后多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。在P型半导体和N型半导体的结合面两侧，留下离子薄层，这个
4、离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。PN结的内电场方向由N区指向P区。PN结的形成结的形成2025/7/10SRPV7扩散原理扩散原理uPN结的正向导通性当P-N结正向连接时，PN结正向电阻很小，通过PN结的正向电流很大，这是由于外加电场在PN结中所产生的电场方向相反，空间电荷区变窄。P区的空穴和N区的电子再这个外加的电场的作用下不断地流过PN结，使它的电阻大大降低,电流很容易通过。若外加电压继续上升，则自建电场被减弱和抵消，所以正向电流随着外加正向电压的增加而逐渐上升。PN结的特性结的特性2025/7/10SRPV8扩散原理扩散原理uPN结的反向截止性当P-N结反向连接时，P-N结呈现很大的
5、电阻，通过P-N结中的电流很小。这是由于外加电池在P-N结中所产生的电场方向用P-N结自建电场方向相同。电场变强，空间电荷区变厚，阻止电子和空穴流通，从而电流很难流过。这就是反方向连接的电流很小的原因。PN结的特性结的特性2025/7/10SRPV9扩散原理扩散原理扩散扩散关于扩散车间洁净度：u硅片的扩散是一种半导体掺杂过程，各种形式的污染都将严重影响成品率和可靠性。u生产中的污染，除了由于化学药剂不纯、气体纯化不良、去离子质量不佳引入之外，环境中的尘埃、杂质及有害气体、工作人员、设备、工具、日用杂品等引入的尘埃、毛发、皮屑、油脂、手汗、烟雾等都是重要污染来源。所以洁净技术是半导体芯片制造过程
6、中的一项重要技术。uSRPV的扩散间净化等级为10000级（即每立方米0.5um以上直径微粒小于35w个)，与外通道及其他车间保持3pa正压。2025/7/10SRPV10u扩散是一种高温制程，是常规硅太阳电池工艺中，形成PN结的主要方法。u扩散是一种由热运动所引起的杂质原子和基体原子的输运过程，将掺杂杂质沉积到硅片表面，由于热运动，原子从一个位置运动到另一个位置，基体原子与杂质原子不断地相互混合，从而改变基片表面层杂质掺杂。u在以硅为底材的半导体制程中,主要有两种不同形态的Dopant：P-type,N-type。u扩散的目的在于控制PN结的性能，半导体中特定区域内杂质的类型、浓度、深度。扩
7、散原理扩散原理扩散扩散2025/7/10SRPV11扩散机制扩散机制扩散原理扩散原理a.空位扩散b.填隙扩散c.替位填隙扩散 d.直接交换e.环形交换acdebu磷在硅中的扩散机制分为空位式扩散和替位填隙式扩散。u在高温情况下，硅原子在其平衡位置附近振动。当某一原子偶然地获得足够的能量而离开晶格位置，成为一个填隙原子，同时产生一个空位。当邻近的原子向空位迁移时，这种机理称为空位扩散。u假如填隙原子从一处移向另一处而并不占据晶格位置，则称为填隙扩散。一个比主原子小的原子通常做填隙式运动。2025/7/10SRPV12扩散原理扩散原理多晶扩散的一般步骤分为：升温 氧化 预沉积 再分布 氧化 吸杂（
8、黑字步骤不可缺少）u升温：将炉管内温度升到工艺需要的温度；u氧化：减少死层影响，提高表面钝化；u预沉积：在硅片表面进行杂质的沉积；u再分布：表面沉积的杂质向硅片内部扩散；u吸杂：将多晶硅片内部的金属杂质分凝并吸除，减少少子复合。POCL3POCL3扩散步骤扩散步骤2025/7/10SRPV13扩散原理扩散原理氧化的作用氧化的作用u透过氧化层进行扩散，可以减少高浓度浅结扩散中造成的晶格损伤（晶格缺陷和失配），从而减少死层的影响，使电池的短波响应提高，使得Voc和Isc提高，故而提高效率。u二氧化硅膜对杂质的掩蔽作用：由于硼、磷、砷、锑等杂质，在二氧化硅中的扩散速度比在硅中慢得多，所以这些杂质可以
9、利用一定厚度的二氧化硅膜作为扩散时的掩蔽膜。此原理可以用来设计SE电池。2025/7/10SRPV14扩散原理扩散原理影响氧化的因素影响氧化的因素u衬底掺杂杂质浓度：杂质会增强氧化速率；u压力影响：压力增大，氧化速率增大；u温度：温度升高，氧化速率增大；u氧化方式：方式不一样，速率也会有差异，如湿氧氧化比干氧氧化快得多；u原有氧化层厚度：氧化所需要的氧需要穿透先前生长的氧化层才能到达硅表面与硅反应形成SiO2。2025/7/10SRPV15扩散原理扩散原理扩散的过程扩散的过程2025/7/10SRPV16扩散原理扩散原理u扩散的杂质源是由N2通过源瓶将POCL3蒸汽带入扩散炉而引入的；u在高温
10、600）下，POCl3分解生成五氯化磷（PCl5）和五氧化二磷（P2O5），其反应式如下：u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：扩散的过程扩散的过程2025/7/10SRPV17扩散原理扩散原理u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：u生成的P2O5又进一步与硅作用，生成SiO2和磷原子，由此可见，在磷扩散时，为了促使POCl3充分的分解
11、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。扩散的过程扩散的过程2025/7/10SRPV18扩散原理扩散原理u在有氧气的存在时，POCl3热分解的反应式为：uPOCl3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。u用扩散工艺制作太阳能电池的PN结时需要进行两步扩散，即预沉淀和再分布。这两种扩散方式的不同之处在于扩散是表面源不同。前者属于恒定表面源扩散，后者属于限定表面源扩散，扩散后，杂质在硅片中的分布不同。扩散的过程扩散的过程2025/7/10SRPV19扩散原理扩散原理u整个
12、扩散过程中，硅片表面浓度保持不变；u这类扩散的特点是:在整个扩散过程中，硅片表面始终暴露在具有恒定而均匀的杂质源的气氛中。u这种分布曲线的特点是：硅片表面杂质浓度始终不变,它与时间无关,只与扩散的杂质和扩散的温度有关。硅片内部的杂质浓度则随时间增加而增加随距离增加而减少。恒定表面浓度扩散（恒定表面浓度扩散（Predeposition）2025/7/10SRPV20扩散原理扩散原理u杂质源限定在硅片表面薄的一层；u这类扩散的特点是：在整个扩散过程中，硅片内的杂质总量保持不变，没有外来杂质补充，只依靠扩散前在硅片表面上已淀积的那一薄层内有限数量的杂质原子，向硅片体内扩散。随着扩散时间的增长，表面杂
13、质浓度不断下降，并不断地向内部推进扩散，这时表面杂质深度都发生了变化。限定源扩散（限定源扩散（Drive-in）2025/7/10SRPV21扩散原理扩散原理u多晶硅中铁、铜、镍等重金属杂质含量很高，这些杂质形成深能级，成为少数载流子的复合中心，影响了少子寿命和太阳电池的电性能。u通常采用吸杂来提高硅片的钝化，吸杂是把金属杂质束缚在预先设置好的区域来降低它们在器件工作区的浓度的一种方法。u吸杂的温度、冷却速度、吸杂的时间、硅中碳氧含量、金属杂质的含量及类型、位错密度和微缺陷是吸杂效率的重要影响因素。u金属杂质除了以间隙位、替代位形式存在外，易在多晶硅生长过程中同其它杂质和缺陷形成高结合能的复合
14、物，通过吸杂也无法导致这些复合物分解,此时吸杂效果不佳。吸杂的作用吸杂的作用2025/7/10SRPV22扩散原理扩散原理u杂质的释放：金属杂质在多晶硅体内的存在方式有间隙位、替位态、沉淀或和其它杂质形成复合体,而这些形态中只有间隙态的才是可移动的,所以只有把以其它形态的金属变为间隙形态才可以被快速吸杂。u杂质的快速扩散：这些已变为间隙态的金属杂质快速扩散,到达吸杂点。u杂质在预定的吸杂位置被捕获：这些预定的吸杂位置可以是缺陷、空位或固溶度增强的区域,而且这些吸杂区域要对杂质原子具有更牢固的束缚能,以使这些被吸杂的杂质不致于被再次释放。吸杂的过程吸杂的过程 2025/7/10SRPV23扩散原
15、理扩散原理u变温吸杂是在吸杂的过程中通过改变吸杂的温度和时间来达到最佳的吸杂效果。具体要求是先高温吸杂一段时间，然后再缓慢冷却到较低的温度再吸杂一段时间。u变温吸杂优于恒温吸杂的原因是：在变温吸杂中，首先采用高温吸杂，这可以快速有效的溶解金属沉淀或金属复合体，使杂质原子从不同的形态变为可以快速移动的间隙原子；而接下来进行的低温吸杂，极大地增加了吸杂的驱动力杂质原子在吸杂区域的分凝，此情况下金属在不同区域的分凝系数相差很大，所以显著地改善了材料的性能。变温吸杂变温吸杂2025/7/10SRPV24扩散原理扩散原理扩散层质量的要求，主要体现在扩散的深度（结深），扩散层的表面杂质浓度等方面。u结深：
16、在硅片中掺入不同导电类型的杂质时，在距离硅片表面xj的地方，掺入的杂质浓度与硅片的本体杂质浓度相等，即在这一位置形成了pn结。xj称为结深。u表面浓度：做完扩散后在硅片表面的扩散层中的杂质含量。反映着两个参数的量就是我们超净间测量的方块电阻（Rs Sheet Resistance)ohm/square，方块电阻的大小由掺杂浓度和结深决定，即由掺杂杂质总量决定。一般薄层方块电阻的测量采用四探针电阻测试仪。扩散层的质量扩散层的质量2025/7/10SRPV25扩散原理扩散原理u表面浓度增加，将改善N区硅与金属的欧姆接触，导致电池片串联电阻的下降以及填充因子的增大，这有助于电池片效率的提高。u表面浓
17、度增大，同时也放大了硅片表面的“死层”现象，加剧了表面复合作用，导致短路电流的减小，从而对效率有负面影响。u死层：由于P原子扩散造成的晶格畸变，在电池表层，少子寿命极低，表层吸收的短波(400-600nm)光子所产生的光生载流子对电池电流输出贡献很少，故名之。综上，就扩散工艺而言，表面杂质浓度、表面晶格变异程度与结深是对电池性能有较大影响的因素。表面浓度的影响表面浓度的影响2025/7/10SRPV26扩散原理扩散原理uLN2流量及时间：温度和时间一定的情况下，源流量越大会表面浓度越大，但是沉积在硅片表面的杂质源达到固溶度时，将对N型区域的磷浓度改变影响不大。u工艺温度：工艺温度会影响杂质在硅
18、中的固溶度，从而影响表面掺杂浓度；时间一定的情况下，温度越高结深越深，扩散温度和扩散时间对扩散结深影响较大。u源温：源温的变化会影响源气的挥发量，使带入炉管的杂质总量发生变化。u炉内气压和排风：炉管内的气压会影响到气体的反应速度和反应生成物的沉积，排风不畅，会使掺杂气体不能及时排出，集中在炉管之内，使掺杂电阻大小、均匀性变化。影响扩散的因素影响扩散的因素SRPV使用的扩散设备是Tempress System公司的卧式扩散炉:它所具有的特点：u软着陆装载系统u密闭的压力回路控制系统uDigital input/output和Analog input/output2025/7/10SRPV27Te
19、mpressTempressTEMPRESS2025/7/10SRPV28TempressTempressu主要部件主要部件（main parts）：1.Load Station 装载区2.Furnace 炉体3.Gas Cabinet 气体装置4.Main Power Cabinet 主电源装置5.DPC(Digital Process Controller)数字程序控制器6.DTC(Digital Temperature Controller)数字温度控制器7.ETC(Excess Temperature Controller)扩展温度控制器8.Torch Screen 触摸屏9.TSC-
20、2 电脑连接基本构造基本构造2025/7/10SRPV29TempressTempress设备设备构造构造2025/7/10SRPV30TempressTempress软着陆装载系统软着陆装载系统与硬着陆系统相比：软着陆系统有以下优点：u能获得更好的气密性；u减少炉管污染；u易于获得稳定的扩散气氛场。Tempress的详细气路如右图所示：u最上面为氧气管；u第二管为大氮管；u第三为小氮管；u第四为氮补足管。每管都由Mass Flow Controller和阀门共同控制。右下角为测量压力炉内压力和炉外压力差的压力表。2025/7/10SRPV31TempressTempress干O2大N2小N2
21、N2补足压力计Mass Flow ControllerValve 所以在BadAbort程序中，虽然小氮的流量设定为1000sccm，但源阀是关闭的，不会有POCL3气体流入，这样也是为了清洗管道。Tempress的压力控制方式主要是通过氮气补足的方法，尾气抽气量是一定的（由厂务决定，当然可能有波动），在尾气管上增加一个由Mass Flow Controller控制的氮气补足管来平衡炉内压力，起到一个气体开关的作用。当炉内压力高的时候，减小补足，低的时候增大补足。气路和压力控制气路和压力控制2025/7/10SRPV32TempressTempressPOCL3 VALVEPOCL3 VALV
22、Eu在源瓶柜里还有两个阀门，它们共同控制小氮的通路，若开启则小氮通过源瓶携带POCL3流如炉内，若关闭，则小氮直接通入炉内。如下图：u所以在BadAbort程序中，虽然小氮的流量设定为1000sccm，但源阀是关闭的，不会有POCL3气体流入，这样也是为了清洗管道。气路和压力控制气路和压力控制2025/7/10SRPV33TempressTempressuTempress的压力控制方式主要是通过氮气补足的方法，尾气抽气量是一定的（由厂务决定，当然可能有波动），在尾气管上增加一个由Mass Flow Controller控制的氮气补足管来平衡炉内压力，起到一个气体开关的作用。当炉内压力高的时候，
23、减小补足，低的时候增大补足。如右图所示：气路和压力控制气路和压力控制2025/7/10SRPV34TempressTempress主菜单：Tempress扩散炉控制界面的主菜单主要分为五部分，分别为：System control 有关于系统设置的菜单Certifications关于各主要参数的设定的菜单Recipe 程序的编写、修改和保存Tube Control 对扩散炉进行控制，如选择、运行和终止程序等Monitor系统状态监视和查看菜单基本操作基本操作2025/7/10SRPV35TempressTempress基本操作基本操作主要操作：u选择程序：Tube Control-Select
24、Recipeu运行/停止程序：Tube Control-Start/Stop Recipeu终止程序：Tube Control-Abort Process Recipeu修改各温区温度：Certifications-Temperature Controller Certificationu图形控制：Tube Control-Graphic Process Controlleru修改程序：可以在主菜单Recipe中直接修改或在TubeControl-Variable Command中修改程序中设置好的重要的可修改参数。2025/7/10SRPV36TempressTempressTempress
25、的输入输出的输入输出Tempress的输入输出分为数字和模拟两种：Digital input/output和Analog input/output。一个为二进制数字信号，一个是模拟信号。u数字信号只有一位，0和1两种状态，主要是控制一些阀门和开关的开闭；u模拟信号是连续电压信号，主要用来控制一些流量计等。输入（input）是从检测装置传送到DPC的信号，是设备状态的一个反馈信号；输出（output）是从DPC发往一些控制装置比如阀门和流量计的控制信号。具体情况如右图所示：Digital Input共有16个，分别为：*数字输入主要是一些设备当前的状态信息，DPC通过他们来判断程序是否正确运行。
26、2025/7/10SRPV37TempressTempress数字输入（数字输入（Digital Input）Nr.MNEMONICConditionAlarm ActiveStatement1Press N2ONYES氮气压力是否正常2PressAirONYES压缩空气，用于气动阀3DoorCLSDOFFYES门是否关闭4RearEXHONYES尾气是否开启5UPSPOWERONYESUPS电源是否开启6UPSLOWONYESUPS电源是否电量太低7TempSCRONYESunknown8OverHeatONYES是否过热9FanSwitchONYES风扇开关是否打开10TempPOCL3O
27、NYES源温是否正常11LevelPOCLONYES源液位是否在可用范围内12EXHDETECONYES厂务端尾气检测输入13GASDETECONYES厂务端气体检测输入14R2DALARMONYES以下是有关R2D装置的输入15*STARTONYES16*LOADINHOFFYESDigital Output共有16个，但只有7个是有效的，分别为：*数字输出主要是控制一些气体阀门的开关，若他们关闭则无相应气体流入。2025/7/10SRPV38TempressTempress数字输出（数字输出（Digital Output）Nr.MNEMONICConditionStatement1N2ON
28、用以控制大氮的阀3O2-LOWOFF用以控制干氧的阀7N2 POCL3OFF用以控制小氮的阀12POCL3 VALVOFF源阀的控制信号14*FINNORMOFF和R2D相关15*FINABNOOFF和R2D相关16*RDY2LDOFF和R2D相关模拟输入(Analog Input)：共有8个，但只有两个有作用。*前者为流量计的设置值，是固定的，后者为氮气补足的流量大小，可供程序参考。模拟输出(Analog Output)：以下几个：*模拟输出信号主要是用来控制和设定一些流量计和源温的参数等。2025/7/10SRPV39TempressTempress模拟输入模拟输入(Analog Inpu
29、t)&)&模拟输出模拟输出(Analog Output)Nr.MNEMONICStatement1N2LMTSETMFC的设置信息6N2ACTEXH氮气补足量大小Nr.MNEMONICConditionStatement1N2大氮的流量3O2-LOW干氧的流量6*EXHAUST尾气压力值7N2 POCL3小氮的流量8TEMPPOCL3设定源温2025/7/10SRPV40TempressTempressRECIPE程序语句程序语句以扩散工艺为例，下面对程序语句进行讲解。在第零步到第二步等待和进出舟中：开启和设置了大N2、O2流量，源温等模拟输出参数，如：N2流量设为5.0slmO2流量设为0s
30、lm源流量设为0slm源温设为21C关闭了从9-16号的数字输出，即关闭了源阀和R2D的输出关闭了模拟输入输出信号限制报警：因为无重要模拟输出。开启数字输入信号报警，以监测系统状态，为程序的进行作准备。若有厂务端气体检测输入警报，则跳至第10步若有厂务端尾气检测输入警报，则跳至第10步若有尾气警报，则跳至第10步2025/7/10SRPV41TempressTempressRECIPE程序语句程序语句在第四步和第五步升温和稳定中：再次关闭数字输出9-16，防止源通入炉内：关闭数字输出9-16若有电源警报，则跳至第10步Step10：Paddle In。2025/7/10SRPV42Tempre
31、ssTempressRECIPE程序语句程序语句在第七步扩散程序中：首先通过开启数字输出12开启了POCL3阀门，使POCL3通入炉内：开启数字输出12扩散步骤需对炉内气体进行精确控制，所以设定气体流量输出的控制范围。若有尾气、电源、厂务端尾气检测输入警报、厂务端气体检测输入警报，则跳至第8步。2025/7/10SRPV43TempressTempressRECIPE程序语句程序语句第八步推进中：首先通过关闭数字输出9-16关闭了源阀，关闭了POCL3：关闭所有数字输出因为预沉积已结束，所以关闭模拟输出和N2的补足。2025/7/10SRPV44方阻异常的原因分析和解决方法方阻异常的原因分析和解决方法异常情况异常情况2025/7/10SRPV45方阻异常的原因分析和解决方法方阻异常的原因分析和解决方法异常情况异常情况THANKS2025/7/1046SRPV
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