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一篇文章读懂低压扩散炉
发布时间:2017-07-12

1.扩散现象

  扩散现象(diffusion)是指物质分子从高浓度区域向低浓度区域转移直至均匀分布的现象,速率跟物质的浓度梯度成正比。扩散是由于分子热运动而产生的质量迁移现象,主要是由于密度差引起的。分子热运动目前认为在绝对零度不会发生。扩散现象等大量事实表明,一切物质的分子都在不停地做无规则的运动。

  举个简单的例子,拿墨水或红糖放入水杯,墨水或红糖就会被水逐渐稀释和扩散,摇晃水杯,则会加速这个扩散混合速度。


2.光生伏特效应

  光生伏特效应的英文名称是Photovoltaic effect。光生伏特效应是指半导体在受至光照射时产生电动势的现象。 光生伏特效应可被用来制作光电池、光敏二极管、光敏三极管和半导体位置敏感器件传感器,侧向光生伏特效应(即殿巴效应)可被用于制作半导体位置敏感器件(如反转光敏二极管)传感器,p-n结光生伏特效应可被用于制作太阳能电池、光敏二极管和光敏三极管传感器。

  太阳能电池发电的原理是基于半导体的光生伏特效应将太阳辐射直接转换为电能。在晶体中电子的数目总是跟核电荷数相一致,所以p型硅和n型硅对外部来说是电中性的。如将p型硅或n型硅放在阳光下照射,仅是被加热,外部望不出变化。完管通过光的能量电子从化学键中被释放,由此产生电子-空穴对,但在很短的时间内(在μS范围内)电子又被捕获,即电子和空穴“又合”。

  当p型和n型半导体结合在一起时,在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层,界面的p型一侧带负电,n型一侧带正电。这是由于p型半导体多空穴,n型半导体多自由电子,出现了浓度差。n区的电子会扩散至p区,p区的空穴会扩散至n区,一旦扩散就形成了一个由n指向p的“内电场”,从而阻挡扩散进行。达至平衡后,就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差,这就是p-n结。

  至今为止,大多数太阳能电池太阳能电池厂家都是通过扩散工艺,在p型硅片上形成n型区,在两个区交界就形成了一个p-n结(即N+/P)。太阳能电池的基本结构就是一个大面积平面p-n结。


3.扩散在半导体行业中的应用

  在半导体行业,扩散现象被大规模用于制造p-n结,扩散工艺又被成为掺杂,意即将一种物质掺入另一种物质,从而形成p-n结。

在半导体行业,制作p-n结的主要方法有合金法、扩散法、生长法和离子注入法等。在大规模生产的晶体硅太阳能电池制造工艺中,主要采用扩散法制作电池片的p-n结,将电池片加热至800℃以上,使用氮气携带三氯氧磷(化学分子式POCl3,无色透明发烟液体,分子量约153.33)或三溴化硼扩散掺杂,通常的工艺过程包括进料、落温、通源、推进、降温、取料等步骤。

  p-n结是晶体硅太阳能电池的心脏,晶体硅太阳能电池的磷扩掺杂工艺是向P型衬底硅片表面掺杂磷元素(硼扩就是向N型衬底硅片表面掺杂硼元素),使其在衬底和扩散面接触处形成p-n结,利用p-n结的光生伏特效应产生电动势,再通过后道丝网印刷和烧结工已褒入正负电极栅线(通常是银浆或铝浆),将电动势引出来。


4.常压合管扩散炉及其面临的挑战

  由于离子注入设备购入和维护成本高昂,对成本更为敏感的晶体硅太阳电池制造行业主要使用卧式扩散炉进行p-n结的制作。卧式扩散炉是太阳能电池生产线前道工序的核心工艺设备,主要用途是对硅片进行掺杂,从而改变和控制硅片内杂质的类型、浓度和分布,以便建立起不同的电特性区域。它对p-n结的质量和电池片的效率起着至合重要的作用。卧式扩散炉主要有加热炉体、石英管、气路系统,取送料装置等组成。

  2007年开始,国内外先进的晶体硅电池设备制造商(如德国某厂商,中国北京的Sevenstar等)研发出都自动软着陆合管扩散系统,单管产能达至400/管,方块电阻高达至90 Ohm,方块电阻均匀性达至了 6%5%4%,而且实现了生产过程自动化。

  但随着技术不断进步,晶体硅太阳能电池片逐渐向大尺寸、超薄化、更高产能(单次工艺大于1000/管甚至更高)、更低的表面杂质浓度(表面方块电阻80~120 Ohm)、更好方阻均匀性(均匀性4%以内)和更高能效比方向的发展,传统合管常压扩散炉已不能满足要求,这些需求将带来对新型扩散技术和设备制造水平的进一步挑战,光伏行业市场亟待新一代的高性能扩散技术。

  常规合管扩散炉的主要问题有:

1) 由于要保证微正压的管内氛围,需要在工艺过程中持续通入10~15 L/min的大氮气,浪费气体。

2) 由于大量的基础氮气通入,导致通入的氧气和三氯氧磷相对含量很低,不能够精确控制反应物的量。

3) 由于尾气管均连入一根排酸管道风压,不同管之间干扰很大,压力波动频繁,导致批次间工艺不稳定。

4) 为了完量保证不同管的压力参数,引入充气调压方式,使用合环控制的充气系统充入尾气管,调节速度慢,而且又浪费10~15L/min的氮气,同时成本相应增加。

5) 由于管内较大的气体量,极易产生湍流,导致分解的五氧化二磷难以均匀涂敷在电池片表面,进而导致方块电阻均匀性差,工艺成效不佳。

6) 由于不够正确的控制精度,此种合管扩散炉的方块电阻区间为40~90 Ohm

7) 为节约成本,尾气管连入排酸管道风压的部分使用了手动PFA阀,但由于扩散掺杂工艺反应物为酸且滞留在手动阀附近,需要频繁调整手动阀大小来保证压差调节的精确性。


5.低压扩散技术及优点

  经世界各大光伏行业设备供应商的不断探究,发觉低压扩散技术优势非常明显,经过行业内技术研发人员的不懈努力,低压扩散逐渐成为下一代高性能扩散炉的核心技术。

  它对156~162mm尺寸的电池片在每批次产能高达1000/管甚至更高的情形下,其扩散方块电阻均匀性仍优于4%,跟常压扩散炉相比片均能耗降低50%以上,化学品消耗降低更是超过50%,也不用额外增加工艺时间,是高品质扩散的首选跟环境友好型的生产方式。


低压扩散炉是在常压合管扩散炉的基础上,增加真空控制系统、源压力控制系统等一系列康化功能,在真空环境下(绝对压力50~200mbar)进行掺杂扩散,简单来说,低压扩散炉是在常规合管扩散炉的基础上进行都面落级康化。

  但由于反应尾气富含五氧化二磷,遇至水蒸气后快速生成偏磷酸,偏磷酸甚至可以腐蚀316L不锈钢,在高达800℃以上的条件下,使用非金属材料密封真空系统,是低压扩散炉制造的核心难点技术。

由于引入了真空反应系统,这会增大气体的分子自由程,而且大幅减少湍流的产生,从而得至大幅改善的扩散方阻均匀性,这是低压扩散炉有别于常规合管扩散炉的优势。

大幅改善的方块电阻均匀性


6.低压扩散炉已成为新增产线扩散类设备的主流

  随着低压扩散炉制造技术不断进步和完善,自2016年来,晶体硅太阳能电池行业扩产和技术落级的太阳能电池制造商几乎都选择产能密度更高的低压扩散炉作为首选的掺杂设备。低压扩散炉已经遍布在中国的江苏、浙江、四川、安徽、山东、陕西、台湾,以及东南亚的马来西亚、泰国、越南甚至埃及的光伏电池制造工厂内高效生产。


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