光伏电池制备工艺-项目三-扩散.ppt

1、A,1,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。,A,2,二、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,A,3,3,工作间,扩散间,A,4,扩散气氛场结构示意图,A,5,常用扩散的液态源

2、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。,A,6,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：,A,7,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

3、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 。,A,8,一、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5060/之间； 多晶薄层电阻在5565/之间，单片方块电阻控制在正负5/以内； 4 P-N结深为0.20.4m,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

4、薄膜的电阻率、厚度有关,A,9,二、原材料和器件,1、主要原材料,A,10,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,A,11,三、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,A,12,1、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

5、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,A,13,（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

6、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）。,A,14,3）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

7、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。,A,15,9）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

8、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。,A,16,3 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）。,A,17,5、装片,1）操作员坐在凳子

9、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,A,18,3）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

10、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。,A,19,6、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；,A,20,（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

11、,恒温,氧化,扩散,深扩散,方块电阻测量,取舟,A,21,7 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。,A,22,8 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

12、入泡沫盒内 ，每次卸片应控制在十片以内 。,发暗面朝上,A,23,9、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。,A,24,10 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）,A,25,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）

13、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,A,26,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,A,27,A,28,炉尾,石英炉管,Paddle TC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,A,29,1 石英管的拆装流程,A,30,A,31,A,32,石英管清洗机,2 石英管清洗,A,33,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

14、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,A,34,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,A,35,2 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

15、管为止 ; 7) 打开启动按钮使石英管转动进行清洗,间隔1520分钟检查一下管子的位置，谨防破裂,A,36,石英管清洗,8) 11.5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,A,37,3. 安装石英管,A,38,A,39,1. 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

16、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,？,A,40,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。,A,41,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

17、以方阻也是烧结条件的重要指标。,深,浅,方阻 小,方阻 大,A,42,方阻的测试法,1 铜棒法测方阻 2 四探针法测方阻,A,43,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，AB CD 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。,A,44,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，

18、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。,A,45,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,A,46,1. 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

19、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,A,47,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

20、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。,A,48,（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

21、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,A,49,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,A

22、,50,扩散故障与解决措施,A,51,扩散故障与解决措施,A,52,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

23、两扇门不能同时打开。,A,53,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。,A,54,2、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,A,55,A,56,2.1 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

24、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。,A,57,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。,A,58,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。,A,59,2.4阀

25、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。,A,60,3 .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,A,61,2）点击左窗口“炉管1”下的Nomal。,A,62,3）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。,A,63,4）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。,A,64,

26、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）,A,65,6）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”,A,66,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。,A,67,扩散间所有人

27、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。,A,68,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）,A,69,4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