扩散工艺培训以及常见异常分析处理XXXX1122

扩散工艺培训以及常见异常分析处理张洪栋2015.11.221•扩散基本原理2•吸杂技术分类形式3•机台常识与基本操作4•异常问题及解决方法5•安全常识1.扩散基本原理1.1扩散的基本概念扩散现象：气体在空气（气体）中的扩散气体在液体中的扩散液体在液体中的扩散固体在液体中的扩散固体内的扩散：气体、液体、固体在固体中的扩散当物质内有梯度（化学位、浓度、应力梯度等）存在时，由于物质的热运动而导致质点的定向迁移过程。扩散是一种传质过程扩散的本质是质点的热运动扩散的概念：扩散系统：扩散物质、扩散介质1.1扩散的基本概念1.2扩散的基本特点不同物态下质点的迁移方式气（液）体中：对流、扩散固体中：扩散注：对流（convection）：流体各部分之间发生相对位移，依靠冷热流体互相掺混和移动所引起的热量传递方式。扩散的分类顺扩散（下坡扩散）：由高浓度区向低浓度区的扩散逆扩散（上坡扩散）：由低浓度区向高浓度区的扩散（1）按浓度均匀程度分互扩散：有浓度差的空间扩散自扩散：没有浓度差的扩散（2）按扩散方向分体扩散：在晶粒内部进行的扩散表面扩散：在表面进行的扩散晶界扩散：沿晶界进行的扩散（3）按原子的扩散途径分1.2扩散的基本特点这种杂质原子或离子大小与Si原子大小差别不大，它沿着硅晶体内晶格空位跳跃前进扩散，杂质原子扩散时占据晶格格点的正常位置，不改变原来硅材料的晶体结构。硼、磷、砷等是此种方式。1.3扩散方式替位式扩散Si原子杂质原子晶格空位这种杂质原子大小与Si原子大小差别较大，杂质原子进入硅晶体后，不占据晶格格点的正常位置，而是从一个硅原子间隙到另一个硅原子间隙逐次跳跃前进。镍、铁等重金属元素等是此种方式。1.3扩散方式Si原子杂质原子填隙式扩散恒定源扩散22xCDtC扩散方程：整个扩散过程中，硅片表面浓度CS保持不变.1.4扩散方程限定源扩散22xCDtC扩散方程：杂质源限定在硅片表面薄的一层，杂质总量Q是常数.1.4扩散方程氧化增强扩散（oxidationenhanceddiffusion）OED：对于原子B或P来说，其在硅中的扩散可以通过间隙硅原子进行。氧化时由于体积膨胀，造成大量Si间隙原子注入，增加了B和P的扩散系数。1.4扩散方程杂质在硅中的固溶度：杂质扩散进入硅中后，与硅形成固溶体。在一定的温度下，杂质在硅中有一个最大的溶解度，其对应的杂质浓度，称该温度下杂质在硅中的固溶度。固溶度在一定程度上决定了硅片的表面浓度。1.4扩散方程1.5PN结的形成当P型半导体和N型半导体接触后，由于交界两侧半导体类型不同，存在电子和空穴的浓度差。这样P区的空穴向N区扩散，N区的电子向P区扩散。由于扩散运动，在P区和N区的接触面就产生正负离子层。N区失掉电子产生正离子，P区得到电子产生负离子。通常称这个正、负离子层为PN结。在PN结的P区一侧带负电，N区一侧带正电。PN结便产生了内电场，内电场的方向是从N区指向P区。内电场对扩散运动起到阻碍作用，电子和空穴的扩散运动随着内电场的加强而逐步减弱，直至达到平衡，在界面处形成稳定的空间电荷区。如下图：液态磷源扩散工艺利用载气（N2）通过液态杂质源，携带着杂质蒸汽进入高温扩散反应管，杂质蒸汽在高温下分解，并与硅表面硅原子发生反应，释放出杂质原子向硅中扩散。1.5PN结的形成液态磷源扩散源三氯氧磷(POCl3)5POCl3P2O5+3PCl52P2O5+5Si=5SiO2+4P(向硅中扩散)PCl5难分解，会腐蚀硅，故还要通入少量O24PCl5+5O22P2O5+10Cl2600C1.5PN结的形成1.5PN结的形成进片回温扩散推结降温退舟方阻测试卸片装片液态磷源扩散流程液态磷源扩散流程用扩散法制得的PN结一般为缓变结，杂质浓度逐渐变化。1.5PN结的形成但对高表面浓度的浅扩散结，用突变结近似。1.5PN结的形成四根探针和四个针尖都保持在一条直线上（linear），并以等压力压在半导体样品表面。1和4称为电流探针，由稳压电源恒电流供电；2和3称为电位探针，测量这两个探针之间的电位差。VISSS2143t四探针法测方块电阻IVIVxRxIVjsj53.42ln2ln1.5PN结的形成考虑一块长为l、宽为a、厚为t的薄层如右图。如果该薄层材料的电阻率为ρ，则该整个薄层的电阻为：))((altatlR当l=a（即为一个方块）时，R=ρ/t。可见，ρ/t代表一个方块的电阻，故称为方块电阻，特记为R□=ρ/t(Ω/□)。1.5PN结的形成ECV（电化学微分电容电压）：利用电解液来形成势垒并对半导体施加偏压进行表面腐蚀去除已电解的材料，测量结的反偏电容和电压的关系可以测得扩散层的掺杂分布。ECV测试具有电活性的杂质浓度。杂质分布、结深的测量1.5PN结的形成SIMS（二次离子质谱）：利用质量分析器接收分析二次离子质量—电荷比值（m/Z）获得二次离子质谱，判断试样表面的元素组成和化学状态。SIMS测试所有杂质浓度。1.5PN结的形成同一标片ECV与SIMS测试对比1.5PN结的形成2.吸杂技术与复合形式2.1吸杂技术吸杂技术：是指在硅片的内部或背面有意的造成各种晶体缺陷，以吸引金属杂质在这些缺陷处沉淀，从而在器件的近表面区域形成一个无杂质、无缺陷的洁静区。吸杂技术内吸杂外吸杂通过高温-低温-高温等多步热处理工艺，利用氧在热处理时扩散和沉淀的性质，在晶体硅内部产生大量的氧沉淀，诱生位错和层错等二次缺陷，造成晶体缺陷，吸引金属杂质沉淀；而在硅片的近表面，由于氧在高温下的外扩散，形成低氧区域，从而在后续的热处理中不会在此近表面区域形成氧沉淀及二次缺陷，使得近表面区域成为无杂质、无缺陷的洁静区。利用磨损、喷砂、多晶硅沉淀、磷扩散等方法，在硅片背面造成机械损伤，引起晶体缺陷，从而引起金属杂质沉淀。2.1吸杂技术内吸杂不适合硅太阳电池：虽然与外吸杂相比，内吸杂有很多优势，它不附加设备和投资，不会因吸杂而引起额外的金属杂质污染，而且吸杂效果能保持到最后工艺，因此，内吸杂技术在集成电路中具有吸引力。但对于硅太阳能电池而言，其工作区域为整个截面，当太阳能电池的P-N结产生光生载流子时，需要经过晶体的整个截面扩散到前后电极，而内吸杂产生的缺陷区域恰好在体内，会成为少数载流子的复合中心，降低太阳能电池的转换效率。所以内吸杂不适合硅太阳电池。2.1吸杂技术关于磷吸杂机理，有人认为PSG层中含有大量缺陷能够吸引金属杂质沉淀；也有人认为在PSG层中金属杂质的固溶度要远远大于金属杂质在硅中的固溶度，因此PSG层中可以沉淀更多的金属杂质。另外，磷在内扩散时，在近表面形成高浓度磷层，由于磷原子处于替换位置，因此有大量的自间隙硅原子被“踢出”晶格位置，成为自间隙硅原子，它们聚集在一起就会形成高浓度的位错等缺陷，同样可能成为金属杂质的沉积点，起到吸杂作用。2.1吸杂技术吸杂过程：原金属沉淀的溶解金属原子的扩散，扩散到吸杂位置金属杂质在吸杂点处的重新沉淀2.1吸杂技术吸杂机理分凝机理松弛机理它是在器件的有源区之外制备一层具有高浓度的吸杂层，在热处理过程中，金属杂质从低固溶度的晶体硅中扩散到吸杂层内沉淀，达到金属吸杂和去除的目的，其优点是不需要高的过饱和度，从原则上讲，可以将晶体硅中的金属杂质浓度降到最低。需要在器件的有源区之外制备大量的缺陷作为吸杂点，同时金属杂质要有过饱和度，在高温处理后的冷却过程中吸杂。2.1吸杂技术3.机台常识与基本操作进水出水总电源进线进气气源柜炉体柜计算机控制柜排风排废口推舟机构排毒口净化操作台3.1机台常识系统设置：温控方式设置流量设置舟设置报警设置管理员登陆设置系统设置3.1机台常识手动设置：温度设置阀门与流量设置手动检测管内、管壁温度电机设置其它手动设置手动设置3.1机台常识工艺编辑：工艺温度、时间、气体流量编辑舟状态编辑净化风、吹扫编辑工艺编辑3.1机台常识事件记录：工艺运行动作断点信息记录事件记录3.1机台常识3.1机台常识1炉膛有效内径φ350mm（适应石英管内径φ320mm）；2温度控制范围：400~1100℃；3恒温区长度及精度：≤±1℃/1080mm（801～1100℃）≤±1.5℃/1080mm（400～800℃）；4单点温度稳定性：≤±2℃/24h（880℃时）；5温度斜变能力:•最大升温速率:16℃/min•最大降温速率:6℃/min；6具有自动斜率升降温及恒温功能；7尾气收集方式：尾部集中收集，冷凝气液分离后定向排放；8具有超温、断偶、短路、断气、源温波动异常等报警和保护功能；9净化工作台净化级别：1000级（环境10000级）；10送片方式：•采用SiC悬臂桨自动送片机构，速度20～500mm/min.连续可调11温控系统：采用五段控温。主要技术参数系统图况系统图况：温度：目标值、设定值、检测值压力：炉内实际压力流量：气体流量设定值、检测值阀门：各气路开闭状态工艺：工艺名、时间、步骤等状态3.1机台常识温控图况：记录、显示并保存各温区情况每6s刷新数据温控图况3.1机台常识曲线图况：显示工艺运行时的温度曲线曲线图况3.1机台常识历史曲线：查看历史曲线记录情况历史曲线史3.1机台常识气路管道3.1机台常识气路阀门、流量计3.1机台常识压力读数3.1机台常识恒温箱红色：设定值绿色：实际值实际值大于520Pa（一期）实际值大于600pa（二期）红色（20）：温度设定值红色（25）：报警设定值绿色（20）：温度实际值温度实际值为设定值±0.5度P2P1=520PaN2ballastGasin稳压系统3.1机台常识3.2基本操作选择运行自动检测状态选择工艺工艺运行操作4.异常分析及解决方法故障原因处理措施1.炉门没关紧，有源被抽风抽走。1.由设备人员将炉门重新定位，确保石英门和石英管口很好贴合。2.携带气体大氮量太小，不能将源带到管前。2.增大携带气体大氮的流量。3.管口抽风太大。3.将石英门旁边管口抽风减小。偏高。1.扩散温度偏低。1.升高扩散温度，加大源量.2.源量不够，不能足够掺杂。2.延长扩散时间。3.源温较低于设置20度。3.增加淀积温度。4.石英管饱和不够。偏低。1.扩散温度偏高。1.减小扩散温度。2.源温较高于20度。2.减少扩散时间。3.减少淀积温度。扩散片与片间方块电阻不均匀扩散温度不均匀重新拉扩散炉管恒温扩散后单片上方块电阻不均匀扩散气流不均匀，单片上源沉积不均匀。1.调整扩散气流量，加匀流板。2.调整扩散片与片之间距离。扩散前硅片没甩干调整制绒风干设备及工艺条件太阳能电池效率忽高忽低扩散间或石英管被污染，特别是在生产线被改造时最明显。清洗石英管及石英制品，加强扩散间工艺卫生，强化清洗饱和。扩散方块电阻正常，但填充因子偏低。品质因子有问题，n趋向于2，J02偏大，表明结区复合严重。方法同上扩散不到扩散方块电阻偏高/偏低扩散后硅片上有色斑扩散过程中偏磷酸滴落长时间扩散后对扩散管定期进行HF浸泡清洗环境湿度过大增大除湿机功率4.方阻异常分析及解决方法问题原因解决方法1.炉门与炉管的密封性不好1.调整炉门密封性2.尾部排气严重2.减少尾部排气气流3.假片数量太少3.使用更多的假片1.炉门与炉管的密封性不好1.调整炉门密封性2.尾部排气严重2.减少尾部排气气流1.POCl3不够1.增加小N2流量2.排气压力过高2.降低排气压力3.沉积温度过高3.降低沉积温度1.舟被污染1.使用新的干净的舟2.硅片在炉管中的位置太高2.使用低脚的舟。3.桨比硅片和炉管温度低3.在升温步后插入回温步骤。1.硅片在炉管中的位置太高1.使用低脚的舟2.桨比硅片和炉管温度低2.在升温步后插入稳定温度步骤1.炉管和舟没有饱和1.预先处理炉管和舟2.石英件或硅片脏2.清洗炉管、舟、和匀流挡板3.沿着扩散炉通风3.使用干净的硅片4.气流不足4.通过关闭可能的通风孔减小通风或者减小洁净室的过压。1.沉积时间过短1.增加沉积时间2.沉积温度过低2.增加沉积温度3.推进时间太短3.增加推进温度4.推进