扩散参数的控制

扩散时的温度和时间是控制电池结深的主要因数，测定扩散结深可以判定扩散温度及时间是否适当。表面薄层电阻是表征杂质总量的一个参数，由此可以判定扩散源的浓度和匹配是否适当。

1．扩散温度与时间

扩散温度应该远低于被扩散半导体材料的熔点，否则扩散时半导体材料会产生显著的挥发。

通常，在不影响PN结特性的前提下，扩散温度选择高一些，可以缩短扩散时间，有利于生产。对于浅扩散的情况，温度选择要适当，既不能使温度过高，使扩散时间过短，以致难以控制工艺；又不利温度过低，而使扩散时间延长到不适当的地步。在一定的温度下，扩散时间与结深的关系如图7－13所示。在恒定表面浓度扩散时，时间增加Δt，扩散进入硅中的杂质总量Q相应增加，结深增加了Δxj。在恒量表面杂质源扩散时，扩散进入硅中的杂质总量Q始终不变，扩散时间增加，表面浓度Ns下降，结深增加。

图7－13　扩散时间对于结深的影响

在生产上，与时间的控制比较，温度的控制更困难些。计算指出，在1 180℃扩硼时，若时间误差±10%，结深误差±5%；而温度误差±1℃，结深误差也是±5%。时间控制1分钟误差也是容易事，但温度精确到±1℃是件困难的事，所以应当精心注意到温度控制及选用好的扩散炉。

2．扩散结深的测定

一般半导体器件的PN结的结深很浅，约为微米数量级。对太阳能电池来说，还要小一个数量级。因此，要在扩散片的侧面直接测出扩散结深是很困难的。通常采用磨角染色法或者阳极氧化法和滚槽法等间接手段来测量结深。

（1）磨角染色法

把扩散过的硅片用加热的腊或松香等粘牢在磨角器上，如图7－14所示，在光滑的玻璃板上加磨料研磨，抛光成光滑平面。磨出的斜角一般在1°～5°之间，通常为2°。

图7－14　扩散片子的磨角抛光

为了把所磨斜面上的PN结显示出来，常用硫酸铜溶液染色法或氢氟酸溶液染色法。常用的PN结染色剂如表7－1所示。硫酸铜染色的原理是根据硅的电化学电位比铜低，故硅能从染色液中把铜置换出来，并在硅片表面形成红色铜镀层。又因为N型硅的电化学电位比P型硅低，所以适当控制反应时间使N型区镀上铜（红色），而P型区仍未镀上铜，如时间过长，P型区也将镀上铜（红色），致使PN结界线会分辨不清。染色液中加少量氢氟酸的目的是去除硅片表面的氧化物。氢氟酸太多容易引起反应加速。

表7－1　常用PN结染色剂表

使反应速率难以控制。硫酸铜过多会引起界面层不整齐，使测量困难。一种常用配方是：

把磨角后的硅片浸入上述溶液中，灯光照射30s左右即可。

染完色后，把硅片放在干涉显微镜下测量斜面的干涉条纹，如图7－16所示。若对基体是N型的硼扩散层来说，数出P型区斜面的干涉条纹数n，则结深xj可按下式计算：

图7－15　结深测试示意图

图7－16　磨斜角法示意图

（2）阳极氧化去层法

太阳能电池的结深很浅，仅0．5μm左右，采用磨角染色法测量时，由于磨角困难而难获准确数据。阳极氧化去层法是较能满足浅结测量要求的一种方法。

图7－17是阳极氧化去层法装置示意图。在室温下，用阳极氧化法在硅片表面生长一定厚度的二氧化硅层，然后用氢氟酸去掉二氧化硅层，测量其薄层电阻，再氧化一层二氧化硅层，用氢氟酸去掉后测方块电阻。如此重复会发现表面薄层电阻增加，并趋向无穷大。若在第n次测量中发现薄层电阻突然变小，那么结深就是第n次去掉氧化层后的位置。

阳极氧化法的溶液可用四氢糖醇和亚硝酸钠的混合液或磷酸等溶液，用铂片做阴极。硅片被吸在阳极上，在两个电极间加100V电压，一分钟后可在硅片表面生长出80nm厚的二氧化硅层。由于生成的二氧化硅的分子数等于去掉的硅原子数，所以：

SiO2的重量/SiO2的分子量＝Si的减少重量/Si的原子量

在硅片表面，除去的硅层表面积和生长二氧化硅层的表面积相同，所以，从硅片上除去的硅厚度为结深Xj：

Xj＝0．43n×80（nm）

该法的测量误差小于35nm。

图7－17　阳极氧化装置示意图

3．薄层电阻的测定

硅片表面扩散的薄层电阻可用四探针法测量。测量装置如图7－18所示。测量头是由四根彼此相距为S的钨丝探针组成，针尖要在同一平面同一直线上。测量时，将探针压在硅片的表面，外面两根探针通电流I，测量中间两根探针间的电压。若被测样品的几何尺寸比探针间距S大许多倍，薄层电阻为

图7－18　四探针法测量薄层电阻原理图

实际的硅片是有一定大小，所以采用校正因子C表示：

校正因子C根据被测硅片的尺寸和探针的间距而定，对不同的长度L、宽度a、厚度b和探针的间距S，C的数值有不同参考值。

4．表面浓度Ns的计算

根据测到的结深xj和薄层电阻R□可以进一步查表计算表面浓度Ns，简述如下：

（1）根据单晶的电阻率查表或图，得到基体掺杂浓度Nb；

（2）从测得的xj和R□计算出薄层的平均电导率

（3）根据 查表中X/Xj＝0的曲线得到Ns，X指距表面的距离，对于不同的扩散方法曲线有区别。