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一篇文章讀懂低壓擴散爐
發布時間:2017-07-12

1.擴散現象

??擴散現象(diffusion)是指物質分子從高濃度區域向低濃度區域轉移直到均勻分布的現象,速率與物質的濃度梯度成正比。擴散是由于分子熱運動而產生的質量遷移現象,主要是由于密度差引起的。分子熱運動目前認為在絕對零度不會發生。擴散現象等大量事實表明,一切物質的分子都在不停地做無規則的運動。

??舉個最簡單的例子,拿墨水或紅糖放入水杯,墨水或紅糖就會被水逐漸稀釋和擴散,搖晃水杯,則會加速這個擴散混合速度。


2.光生伏特效應

??光生伏特效應的英文名稱是Photovoltaic effect。光生伏特效應是指半導體在受到光照射時產生電動勢的現象。 光生伏特效應可被用來制作光電池、光敏二極管、光敏三極管和半導體位置敏感器件傳感器,側向光生伏特效應(即殿巴效應)可被用于制作半導體位置敏感器件(如反轉光敏二極管)傳感器,p-n結光生伏特效應可被用于制作太陽能電池、光敏二極管和光敏三極管傳感器。

??太陽能電池發電的原理是基于半導體的光生伏特效應將太陽輻射直接轉換為電能。在晶體中電子的數目總是與核電荷數相一致,所以p型硅和n型硅對外部來說是電中性的。如將p型硅或n型硅放在陽光下照射,僅是被加熱,外部看不出變化。盡管通過光的能量電子從化學鍵中被釋放,由此產生電子-空穴對,但在很短的時間內(在μS范圍內)電子又被捕獲,即電子和空穴“復合”。

??當p型和n型半導體結合在一起時,在兩種半導體的交界面區域里會形成一個特殊的薄層,界面的p型一側帶負電,n型一側帶正電。這是由于p型半導體多空穴,n型半導體多自由電子,出現了濃度差。n區的電子會擴散到p區,p區的空穴會擴散到n區,一旦擴散就形成了一個由n指向p的“內電場”,從而阻止擴散進行。達到平衡后,就形成了這樣一個特殊的薄層形成電勢差,這就是p-n結。

??至今為止,大多數太陽能電池太陽能電池廠家都是通過擴散工藝,在p型硅片上形成n型區,在兩個區交界就形成了一個p-n結(即N+/P)。太陽能電池的基本結構就是一個大面積平面p-n結。


3.擴散在半導體行業中的應用

??在半導體行業,擴散現象被大規模用于制造p-n結,擴散工藝又被成為摻雜,意即將一種物質摻入另一種物質,從而形成p-n結。

在半導體行業,制作p-n結的主要方法有合金法、擴散法、生長法和離子注入法等。在大規模生產的晶體硅太陽能電池制造工藝中,主要采用擴散法制作電池片的p-n結,將電池片加熱到800℃以上,使用氮氣攜帶三氯氧磷(化學分子式POCl3,無色透明發煙液體,分子量約153.33)或三溴化硼擴散摻雜,通常的工藝過程包括進料、升溫、通源、推進、降溫、取料等步驟。

??p-n結是晶體硅太陽能電池的心臟,晶體硅太陽能電池的磷擴摻雜工藝是向P型襯底硅片表面摻雜磷元素(硼擴就是向N型襯底硅片表面摻雜硼元素),使其在襯底和擴散面接觸處形成p-n結,利用p-n結的光生伏特效應產生電動勢,再通過后道絲網印刷和燒結工藝引入正負電極柵線(通常是銀漿或鋁漿),將電動勢引出來。


4.常壓閉管擴散爐及其面臨的挑戰

??由于離子注入設備購入和維護成本高昂,對成本更為敏感的晶體硅太陽電池制造行業主要使用臥式擴散爐進行p-n結的制作。臥式擴散爐是太陽能電池生產線前道工序的核心工藝設備,主要用途是對硅片進行摻雜,從而改變和控制硅片內雜質的類型、濃度和分布,以便建立起不同的電特性區域。它對p-n結的質量和電池片的效率起著至關重要的作用。臥式擴散爐主要有加熱爐體、石英管、氣路系統,取送料裝置等組成。

??2007年開始,國內外最先進的晶體硅電池設備制造商(如德國某廠商,中國北京的Sevenstar等)研發出全自動軟著陸閉管擴散系統,單管產能達到400/管,方塊電阻最高達到90 Ohm,方塊電阻均勻性達到了 6%5%4%,而且實現了生產過程自動化。

??但隨著技術不斷進步,晶體硅太陽能電池片逐漸向大尺寸、超薄化、更高產能(單次工藝大于1000/管甚至更高)、更低的表面雜質濃度(表面方塊電阻80~120 Ohm)、更好方阻均勻性(均勻性4%以內)和更高能效比方向的發展,傳統閉管常壓擴散爐已不能滿足要求,這些需求將帶來對新型擴散技術和設備制造水平的進一步挑戰,光伏行業市場亟待新一代的高性能擴散技術。

??常規閉管擴散爐的主要問題有:

1) 由于要保證微正壓的管內氛圍,需要在工藝過程中持續通入10~15 L/min的大氮氣,浪費氣體。

2) 由于大量的基礎氮氣通入,導致通入的氧氣和三氯氧磷相對含量很低,不能夠精確控制反應物的量。

3) 由于尾氣管均連入一根排酸管道風壓,不同管之間干擾很大,壓力波動頻繁,導致批次間工藝不穩定。

4) 為了盡量保證不同管的壓力參數,引入充氣調壓方式,使用閉環控制的充氣系統充入尾氣管,調節速度慢,而且又浪費10~15L/min的氮氣,同時成本相應增加。

5) 由于管內較大的氣體量,極易產生湍流,導致分解的五氧化二磷難以均勻涂敷在電池片表面,進而導致方塊電阻均勻性差,工藝效果不夠理想。

6) 由于不夠理想的控制精度,此種閉管擴散爐的方塊電阻區間為40~90 Ohm

7) 為節省成本,尾氣管連入排酸管道風壓的部分使用了手動PFA閥,但由于擴散摻雜工藝反應物為酸且滯留在手動閥附近,需要頻繁調整手動閥大小來保證壓差調節的精確性。


5.低壓擴散技術及優點

??經世界各大光伏行業設備供應商的不斷研究,發現低壓擴散技術優勢非常明顯,經過行業內技術研發人員的不懈努力,低壓擴散逐漸成為下一代高性能擴散爐的核心技術。

??它對156~162mm尺寸的電池片在每批次產能高達1000/管甚至更高的情況下,其擴散方塊電阻均勻性仍優于4%,與常壓擴散爐相比片均能耗降低50%以上,化學品消耗降低更是超過50%,也不用額外增加工藝時間,是高品質擴散的首選與環境友好型的生產方式。


低壓擴散爐是在常壓閉管擴散爐的基礎上,增加真空控制系統、源壓力控制系統等一系列強化功能,在真空環境下(絕對壓力50~200mbar)進行摻雜擴散,簡單來說,低壓擴散爐是在常規閉管擴散爐的基礎上進行全面升級強化。

??但由于反應尾氣富含五氧化二磷,遇到水蒸氣后快速生成偏磷酸,偏磷酸甚至可以腐蝕316L不銹鋼,在高達800℃以上的條件下,使用非金屬材料密封真空系統,是低壓擴散爐制造的核心難點技術。

由于引入了真空反應系統,這會增大氣體的分子自由程,而且大幅減少湍流的產生,從而得到大幅改善的擴散方阻均勻性,這是低壓擴散爐有別于常規閉管擴散爐最大的優勢。

大幅改善的方塊電阻均勻性


6.低壓擴散爐已成為新增產線擴散類設備的主流

??隨著低壓擴散爐制造技術不斷進步和完善,自2016年來,晶體硅太陽能電池行業擴產和技術升級的太陽能電池制造商幾乎都選擇產能密度更高的低壓擴散爐作為首選的摻雜設備。低壓擴散爐已經遍布在中國的江蘇、浙江、四川、安徽、山東、陜西、臺灣,以及東南亞的馬來西亞、泰國、越南甚至埃及的光伏電池制造工廠內高效生產。


北方華創微電子?臥式爐BU

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