光伏电池制备工艺-项目三-扩散.ppt

太阳电池磷扩散方法 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目前多采用的是第一种方法 二 扩散 扩散的目的 1 在p型晶体硅上进行n型扩散 形成p n结 它是半导体器件工作的 心脏 2 通过扩散磷工艺 形成外吸杂 需要强调指出 p n结是不能简单地用两块不同类型 p型和n型 的半导体接触在一起就能形成的 要制造一个p n结 必须使一块完整的半导体晶体的一部分是P型区域 另一部分是n型区域 也就是在晶体内部实现p型和n型半导体的接触 P N 3 工作间 扩散间 扩散气氛场结构示意图 常用扩散的液态源 三氯氧磷 POCl3 POCl3性质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 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 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 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 在有氧气的存在时 POCl3热分解的反应式为 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 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 一 工艺 质量要求 1扩散后硅片表面呈咖啡色 颜色均匀 2表面清洁 无染色 无明显斑迹 3单晶薄层电阻在50 60 之间 多晶薄层电阻在55 65 之间 单片方块电阻控制在正负5 以内 4P N结深为0 2 0 4 m 任务二扩散工艺操作流程 方块电阻 简称方阻 指一个正方形的薄膜导电材料边到边之间的电阻 其值与薄膜的电阻率 厚度有关 二 原材料和器件 1 主要原材料 扩散炉 超净台 石英真空吸笔 石英舟 舟叉石英舟托四探针测试仪 2 主要仪器设备及工具 三 扩散工艺 1准备工作2安装源瓶3开机4石英管进源5装片6扩散7取舟8取片9测试方阻10扩散炉保温和关机 1 准备工作 戴上橡胶手套和口罩 对未使用过的石英器件 首先要用丙酮棉球把石英器件擦拭一遍 再用酒精棉球把石英器件擦拭一遍 把石英器件放入配有氢氟酸溶液 1 25的氢氟酸和纯水 的清洗槽中 二次清洗工序 打开进气阀 让溶液轻度鼓泡 持续10分钟 关闭进气阀 把槽中的溶液抽到另一个槽中 打开纯水阀 让纯水完全淹没石英器件 再关闭纯水阀 打开进气阀 让它轻度的鼓泡 持续5分钟 关闭进气阀 排水 放水 充气 多次循环清洗后 用电阻率仪测量清洗后水的电阻率 直到清洗后水的电阻率大于2M CM 打开排液阀门 把水排掉 氮气吹干 戴上橡胶手套 取出石英器件 然后将石英器件拿到扩散间 1 石英器件 悬臂浆的清洗 2 更换源瓶 一般60 70批次换源 1 换源前 作业员将工控机里是工艺次数记入 换源记录表 并清零2 操作员带上橡胶手套和口罩 头罩 安全眼镜 另有一人监督 3 在扩散间内 打开源瓶的包装箱 小心的取出源瓶 注意源瓶内部两根管子的长度 玻璃长管子为进气口如下图1 接口处粗管为出气管 细管为进气管如图2 确定进气口和出气口然后将源瓶接好 注意 搬运源瓶时 要非常小心 以防打碎源瓶 如有源从源瓶中流出 将非常危险 在这种情况下马上要求所有车间人员紧急撤离到室外 待室外制定通风排毒计划后可以带防毒面具实施计划 3 把进气 出气阀拧紧 源瓶小心放回包装箱 搬到扩散间准备装源 4 把源瓶放入恒温槽 一般20 左右 水位离源瓶顶部1CM左右水位 确定装源瓶时不能带入纸屑等杂物 包括贴在源瓶上的标签 以防把恒温槽循环泵的进出水口堵塞 把进气管和出气管接好 5 先在PLC控制面板上把小氮出气的电磁阀打开 把源瓶出气阀慢慢的拧开 目的释放瓶内压力 6 然后在PLC控制面板上把小氮进气的电磁阀打开 设定小氮流量 500 7 把源瓶进气阀慢慢的拧开 不用眼睛看 手可以感觉到冒泡引起的震动 注意换源时重点保护的是眼睛 慢慢拧到全开 8 把电源柜门关上 9 看PLC上实际流量是否达到设定值 如果一致 再设定小氮流量 增大到扩散时小氮流量值的一半 流量稳定且达到设定值后 再隔着玻璃看源瓶是否漏源 注意未稳定前不能直接看源瓶是否漏源 以免流量增大时可能导致的喷源 造成人员伤害 10 实际流量和设定值一致后 把流量设定为扩散时的流量 再隔着玻璃看源瓶是否漏源 11 如果实际流量和设定值一致 把小氮设为零 在PLC控制面板上关小氮进气电磁阀 关小氮出气电磁阀 12 把大氮电磁阀打开 大氮设为25000 13 检查恒温槽中纯水量是否达到恒温槽容积的2 3 3开机打开扩散炉设备电源 启动扩散控制程序 缓慢升温 在手动操作下 检查设备正常情况下是否正常运转 设备正常时悬臂浆处于原点 正在等待装满的石英舟正常运行状态 4石英管进源1 安装好石英管和碳化硅桨后 把清洗后的石英舟放在桨上 送入炉管 2 先在150 条件下保温4小时 然后在400 条件下保温2小时 3 最后让程序空走2次 通源 不放硅片 5 装片 1 操作员坐在凳子上 用吸笔将硅片从花篮里面取片并插入石英舟里 一槽插一片或两片 2 将多晶硅片的发亮面朝向炉门 右边 装片过程中如发现来片有破损时应及时做好记录 同时将碎片分类放入指定的盒子内 统一处理 如有绒面不良的硅片需及时将情况反应给清洗组长 并将硅片隔离 3 把一个批次硅片装入石英舟内 并排放整齐 等待装舟 发亮面朝向炉门 3 把一个批次硅片装入一个石英舟内 一般一个石英舟能装100片硅片 并排放整齐 等待装舟 4 两手抬起舟叉 同时确保舟叉上翘30度 把石英舟小心地放上碳化硅桨上面的石英舟托上 5 戴好防护用品 检查源瓶液位 注意 1 装片过程轻拿轻放 2 装片过程发现来片有破损 应及时作好记录 将碎片分类放在指定盒子里 3 如有绒面不良的硅片需及时将情况反应给清洗组长 并将硅片隔离 4 装完一个批次 核对硅片数量是否与流程卡上一致 5 上下舟人员每次放舟时应观察舟托是否偏移 并确保进出舟过程安全后方可离开 6 扩散 扩散的参数 在屏幕上选择扩散要求的参数组 扩散工艺参数设定 按 运行 键 按的时间稍微长些 直到运行开关亮起 开始扩散 2 扩散炉中的程序 注意 扩散运行时 由专人负责监视开关 流量和温度的状态以及机械手的进出 如有撞舟等特殊情况发生时 需立即按下急停按钮 及时通知工序长或工程师处理 开始 放舟 升温 恒温 氧化 扩散 深扩散 方块电阻测量 取舟 7取舟 程序运行完毕后 炉门自动打开 悬臂桨自动将石英舟从扩散炉中取出 等悬臂桨运行停止后 操作员戴上橡胶手套或者棉手套 口罩 将带石英板的搪瓷盘放在碳化硅桨下面 两手各拿一根舟叉 尖头在前 插入石英舟的两端的孔内 平抬起舟叉 朝上倾斜三十度 如图 将装载有硅片的石英舟从碳化硅桨上面取下放到净化台上 并将下一批待扩散的硅片装入扩散炉中 8取片 操作员戴上橡胶手套或指套 口罩 单晶取片方式 单手拿住硅片两边进行卸片 正面 扩散面 朝上放置 多晶取片方式 双手握住硅片的两边 将硅片从石英槽内取出 及时放入泡沫盒内 每次卸片应控制在十片以内 发暗面朝上 9 测方块电阻 方阻测试员 取炉口 炉中 炉尾各两片 或每舟取5片 同一批次取10片 测其硅片发暗面的四个角及中间的方阻并将数值记录在电脑上 注意 不合格的扩散片 需及时隔离 返回清洗 统一返工 10扩散炉保温和关机 在无生产任务时 扩散炉应处于保温状态 将扩散炉的温度设定为400 600 保温 关机 扩散炉需要维修或者长期不用时 注意事项 1 员工进入扩散间之前必须进行风淋 同时着装必须满足扩散间要求 2 扩散装片和取片 严禁用手直接接触所有石英器件 所有的石英器具都必须轻拿轻放 3 保持工装夹具和超净台的清洁 扩散间需要使用专用清洁工具 每天进行打扫 4 物品和工具定点放置 用过的工具要放回原位 严禁乱放 任务三石英管的拆装与清洗 1石英管的拆装流程2石英管清洗 炉尾 石英炉管 PaddleTC放置口 工艺气体进气管 炉尾挡板的拆卸必须要两人一起操作 一人负责固定住挡板 另外一人负责拧螺丝 以防挡板掉下砸断进气石英管和尾气管 尾气管放置口 1石英管的拆装流程 石英管清洗机 2石英管清洗 控制面板由开关 电源按钮 急停和操作面板组成 开机时先开总电源 再按电源开关 关机时先按电源开关 再关总电源 遇到紧急情况时按急停按钮 记住复位 石英管清洗机控制面板 2石英管清洗 石英管清洗机控制面板操作方法 J1 1清洗槽进水 C0 1腐蚀槽排水 C1 1清洗槽排水 DO 1腐蚀槽转动 D1 1清洗槽转动 中 机械臂停止 后 机械臂移动到清洗槽 前 机械臂移动到腐蚀槽 JO 1腐蚀槽进水 2石英管清洗 1 石英管清洗槽的清洗2 领取所需化学品 HF 3 戴好防毒面具和长乳胶手套进行配液4 将石英管运至清洗机边 使用纸盒包装内充海绵 将石英管放入HF槽中 三人操作 尾端先放入 注意不要碰断进气管和热偶管 6 加水稀释至液位淹没进气管为止 7 打开启动按钮使石英管转动进行清洗 间隔15 20分钟检查一下管子的位置 谨防破裂 石英管清洗 8 1 1 5小时后将管子取出 放入清水槽中漂洗9 先提高管尾 将管中HF倒出10 再提高管口 将热偶管中HF倒出11 排水 用水枪反复冲洗管子的内外壁12 用氮气枪将管子吹干 吹时保持管子的旋转状态 13 关闭清洗机电源14 将管子装入纸盒中备用15 将盖板全部盖好16 打扫卫生 保持洁净 3 安装石英管 1 方阻 方阻就是方块电阻 又称面电阻 指一个正方形的薄膜导电材料边到边之间的电阻用Rs或R口表示 如图所示 即B边到C边的电阻值 方块电阻有一个特性 即任意大小的正方形边到边的电阻都是一样的 不管边长是1m还是0 1m 它们的方阻都是一样的 任务四扩散工艺要求及常见问题分析 金属导体的电阻公式R l s 与之类似 薄层电阻的大小为 R口 l at 如右图 当l a即为一个方块时 R口 t这样 方阻仅与导电膜的厚度 电阻率等因素有关 利用方阻监控扩散 扩散深度 会影响电性能参数扩散深度无法测量 所以只能通过测方阻来大概反映扩散深度和扩散浓度 测试方阻跟最后的烧结工序的影响也很重要 因为结的深度也会影响最后烧结的深度 有可能出现R口异常 所以方阻也是烧结条件的重要指标 深 浅 方阻小 方阻大 方阻的测试法 1铜棒法测方阻2四探针法测方阻 铜棒法测方阻 用四根光洁的圆铜棒压在导电薄膜上 如图所示 四根铜棒用ABCD表示 它们上面焊有导线接到毫欧计上 设 W L ABCD之间的距离没有要求 一般在10 20mm就可以了 接通毫欧计以后 毫欧计显示的阻值就是材料的方阻值 铜棒法测方阻的优点 1 精确度高 用这种方法毫欧计可以测试到几百毫欧 几十毫欧 甚至测试到更小的方阻值 2 干扰小 铜棒和导电膜之间的接触电阻 铜棒到仪器的引线电阻 即使比被测电阻大也不会影响测试精度 在实际操作中 为了提高测试精度和测试长条状材料 W和L不一定相等 就可以使L比W大很多 此时方阻Rs Rx W L为毫欧计读数 这就是我们常用的四探针针头 它由钨钢制造 四探头部得距离相等 分别连接着设备内部的四个接口 其中1针和4针测试时通过电流 2针和3针测试时通过电压 因为方阻越大 产生的电势也越大 数值输入进设备后经过计算 由显示屏显示出来 四探针测试方阻原理 1 3 2 4 1 调整测试电流 使 R I EXCH 1 显示灯亮 将电流档位0 1mA调至10mA 将待测量的硅片取出放在测试台上 扩散面向上 按下降按钮 使针头平压在硅片上 四针平齐 校准电流 调整电流值为4 530mA 根据硅片尺寸规格进行调整 大约每2h校正一次电流 2 测量方块电阻 将 I 的指示灯切换至R 档 读取稳定值 并记录在电池生产记录中 重复以上步骤 注意炉里 炉中 炉口加以区分 3 按上升按钮 测试该硅片的第二 三 四 五点4 判断是否返工根据规定的工艺要求判断是否要返工 并及时调节扩散的温度 将测试完的硅片卸到承载盒中 测量过程完毕 四探针测试方阻步骤 影响探头测试方阻精度的因素 a 探头边缘到材料边缘的距离大于探针间距 一般在10倍以上 b 探头之间的距离相等 不然就会产生等比例的的测试误差 c 理论上讲探头与导电薄膜的接触的点越小越好 但实际应用时 针状电极容易破坏被测试的导电薄膜材料 所以一般采用圆形探头针 实际测量过程中需要注意的问题 如果测试的导电薄膜材料表面上不干净 会影响测试稳定性和测试精度 此时可以把探头用干净的软纸擦拭一下就可以了 2 结深 PN结结深对太阳电池的影响 A 浅结 死层小 光生载流子寿命长 被收集的概率高 但串联电阻大 填充因子降低 需要高栅线密度 并增加了烧结的工艺难度 B 深结 死层明显 光生载流子寿命短 影响太阳电池的光电转化效率 但串联电阻较小 烧结工艺调整范围大 过高的表面杂质浓度会造成 死层 死层 中存在着大量的填隙原子 位错和缺陷 少子寿命远低于1ns以下 光在 死层 中发出的光生载流子都无谓地复合掉 导致效率下降 降低表面杂质浓度 减少缺陷 是提高效率的有效途径 影响扩散的因素 管内气体中杂质源浓度的大小决定着硅片N型区域磷浓度的大小 但是沉积在硅片表面的杂质源达到一定程度时 将对N型区域的磷浓度改变影响不大 扩散温度和扩散时间对扩散结深影响较大 N型区域磷浓度和扩散结深共同决定着方块电阻的大小 方块电阻调整规则在正常情况下 每升高一度 方块电阻下降一个 每下降一度 方块电阻上升一个 如果方块电阻值与要求值相差十个以上及时通知工艺员调整 切勿自行调整 管内气体中杂质源 磷源 的浓度扩散温度扩散时间 扩散故障与解决措施 扩散故障与解决措施 扩散注意点 1 siC桨暴露在空气中的时间应越短越好 2 源瓶要严加密封 实施 双人双锁 制 即工艺 制造员工各一把 换源时通知巡检 然后才可以更换 3 POCl3会与水反应生成P2O5和HCl 所以发现POCl3出现淡黄色时就不可以再去使用了 4 磷扩散系统应保持干燥 如果石英管内有水气存在就会使P2O5水解偏磷酸 使管道内出现白色沉积物和在粘滞液体 污染硅片 4 禁止每台扩散炉四进四出 5 在正常运行工艺时 舟在前进 切不可断点启动 否则舟会停止 不再前行进入炉管 但磷扩散却会继续 6 扩散间传递窗的里外两扇门不能同时打开 任务五工艺控制软件的使用 1 软件的启动按下 上电 按钮 启动工控计算机 双击 扩散监控系统 图标后启动工艺控制软件 启动软件后 程序进入登录界面 选择用户名 输入密码 即可登陆 2 进程管理 软件登录后 自动打开进程管理窗口 进程管理 窗口显示设备所有的实际数据 包括 工艺信息 通讯状况 报警信息 温度 阀门状态 气体流量 推拉舟 机械手 状态位置 工艺状态 2 1温度实时显示Sp Spike 外控温仪表温度测量值 外控温仪表用来控温 Pf Profile 内控温仪表温度测量值 显示石英管内部温度 SV 实时显示温度设定值 SV分五段分别控温 可以实现梯度温区 待机状态下 单击文本框 弹出待机温度设定窗口 可以设定待机温度值 警报 警报种类 PLC通讯异常 工艺正常结束 超温跳闸 流量计通讯报警 流量偏差报警警报产生时 指示灯变为红色 并且蜂鸣器响 无报警时 指示灯为绿色 报警一旦产生 就会有相应的报警信息以文本形式记录 打开 事件日志 窗口可以察看到 生产提示 信号指示灯 1 黄色灯 手动状态 警告或在设定模式时警告 没有蜂鸣报警 2 绿色灯 自动状态 暂停状态和准备好可以操作 没有蜂鸣报警 3 红色灯 没有解决的报警和错误 急停状态 有蜂鸣报警 2 4阀门和流量 阀门 气路图中的阀门和流量计实时显示气路的真实状态 并且可以通过单击阀门图标开关阀门 工艺运行结束返回待机 手动状态 所有阀门后流量状态也返回工艺运行前的状态 流量 通过单击流量计图标 弹出流量设定窗口 可以设置待机状态下的流量 3 工艺编辑 1 新建工艺点击 工艺管理 按钮或在 查看 菜单里选择 工艺管理 如下图所示 2 点击左窗口 炉管1 下的Nomal 3 点击右上窗口中的 新建 按钮 工艺列表窗口出现一条新工艺 此时可以改名称 4 双击选中该工艺 在右下方工艺编辑工具栏里选择 创建步 按钮 即可创建一步工艺 5 用鼠标左键单击工艺编辑区 然后工艺编辑工具栏里选择 编辑步 按钮 或者双击要编辑的工艺步 6 工艺编辑完毕单击工艺编辑工具栏的 编译 按钮 编译成功后 切换到进程管理窗口 发送工艺 扩散间所有人员都须知 1 影响扩散方块电阻的因素有 A 源浓度B 时间C 温度2 正常运行工艺时 舟不能自动进出 怎么办 答 A保险丝烧段 由设备换保险 B有可能是面板上的 急停 按纽或限位开关未复位或损坏 C操作面板按了 已保持 3 扩散炉清洗好石英管后 温度无法升上来 原因有那些 答A炉下保险丝烧坏 B温控坏 C热电偶短路 扩散间所有人员都须知 4 换POCl 或 时 由于误操作 将软管接反 源倒流 怎么办 答 立即关闭小 2 把软管卸下 用带有酒精的麻布擦 联系工艺更换软管 将 2开至20000 因为 2是起分解作用的 可将管中残源分解 正确装好再做鼓泡实验 扩散工序工艺的技术关键要点 1 硅太阳能电池实际生产中均采用P型硅片 需要形成N型层才能得到PN结 这通常是通过在高温条件下利用磷源扩散来实现的 2 3 扩散过程结束后 通常利用 四探针法 测量方块电阻以确定扩散到硅片里的磷的总量 方块电阻一般控制在一个范围之内 高于某值并低于某值 磷在高温条件下往P型硅里的扩散 POCl3首先形成P2O5 P2O5在Si表层形成SiO2和磷 磷在SiO2层沉积 4 扩散制结是太阳电池制作的关键的工艺步骤 5 导致少数载流子寿命低 短路电流降低 其原因还有 扩散源的纯度 扩散炉的清洁程度 进炉之前硅片的清洁程度在热扩散过程中硅片的应力等 6 扩散工艺参数对PN结质量的影响 扩散的最高温度处于最高温度的时间升降温的快慢 影响硅片上的温