扩散工艺培训以及常见异常分析处理20151122.pdf

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1、扩散工艺培训以及常见异常分扩散工艺培训以及常见异常分 析处理析处理 张洪栋 2015 11 22 1 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

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

3、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 2 2 x C D t C 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 2 2 x C D t C 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

4、 1 4 扩散方程 氧化增强扩散 oxidation enhanced diffusion 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 5 PN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

5、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 5 PN结的形成 液态磷源扩散 源 三氯

6、氧磷 POCl3 5POCl3 P2O5 3PCl5 2P2O5 5Si 5SiO2 4P 向硅中扩散 PCl5难分解 会腐蚀硅 故还要通入少量O2 4PCl5 5O2 2P2O5 10Cl2 600 C 1 5 PN结的形成 1 5 PN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 5 PN结的形成 但对高表面浓度的浅扩散结 用突变结近似 1 5 PN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

7、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 V I S S S 2 1 4 3 t 四探针法测方块电阻 I V I V x R x I V j s j 53 4 2ln 2ln 1 5 PN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 则该整个薄层的电阻为 a l tat l R 当l a 即为一个方块 时 R t 可见 t代表一个方块的电 阻 故称为方块电阻 特记为R t 1 5 PN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

8、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 5 PN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 5 PN结的形成 同一标片ECV与SIMS测试对比 1 5 PN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

9、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

10、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

11、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

12、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 350mm 适应石英管内径 320mm 2 温度控制范围 400 1100

13、 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 主要技术参数主要技术参数 系统图况 系统图况 温度 目标值 设

14、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

15、实际值 温度实际值为设定值 0 5度 P2 P1 520Pa N2 ballast Gas in 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

16、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

17、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

18、 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 推进温度太低4 增加推进温度 1 沉积时间过长1 减少沉积时间 2 沉积温度过高2 减少沉积温度 3 推进时间太长3 减少推进温度 4 推进温度太高4 减少推进温度 整管

19、方块电阻太高 整管方块电阻太低 边缘处方块电阻低 中心高 方块电阻均匀性不连续 方块电阻在源一侧低 炉口处高 单片方块电阻在源一侧低 炉口处高 单片方块电阻均匀性差 顶部的方块电阻低 底部的高 4 方阻异常分析及解决方法 方阻异常 人 机 料 工艺调用错误 温度波动 流量偏差 时间 料源切换 电阻率波动 参数调整不当 环 净化等级 环境温湿度 测试失真 压力偏差 厂务 排废 热排 风冷 拉恒温 加热功率 流量计偏差 管路连接 源温液位 系统密封性 抽风量 排气管堵塞 控温方式 法 控制计划 操作规程 SOP 热偶偏差 炉门密封性 石英管缺损 尾气管破损 压缩空气 时钟 管路阀门 工装洁净度 工

20、艺卫生 4 方阻异常分析及解决方法 5 安全常识 POCL3性质 中文名称 氧氯化磷 英文名称 Phosphorus oxychloride 分子式 POCl3 外观与性 状 无色透明发烟液体 有辛辣气味 分子量 153 33 蒸汽压 5 33kPa 27 3 熔 点 1 2 沸点 105 1 溶解性 溶于醇 溶于水 密 度 相对密度 水 1 1 68 相对密度 空气 1 5 3 稳定性 稳定 危险标记 20 酸性腐蚀品 主要用途 用于医药 合成染料及塑料的生产 POCL3 健康危害 侵入途径 吸入 食入 健康危害 毒性与光气类似 对眼睛 呼吸道粘膜有刺激作用 可引起眼 和皮肤灼伤 严重病例有

21、窒息感 紫绀 肺水肿 心力衰竭 亦可发生肝 肿大 蛋白尿 贫血及中性粒细胞增多 毒理学资料及环境行为 急性毒性 LD50380mg kg 大鼠经口 LC5032ppm 4小时 大鼠吸入 亚急性和慢性毒性 大鼠60天吸入实验 浓度33 5mg m3 出现体重增长 缓慢和皮肤溃疡 肺巨噬细胞成活率下降 未见肝肾功能性 器质性改变 危险特性 遇水猛烈分解 产生大量的热和浓烟 甚至爆炸 具有较强的 腐蚀性 燃烧 分解 产物 氯化氢 氧化磷 磷烷 POCL3 POCL3应急处理处置方法 一 泄漏应急处理 疏散泄漏污染区人员至安全区 禁止无关人员进入污染区 建议应急 处理人员戴自给式呼吸器 穿化学防护服

22、合理通风 不要直接接触 泄漏物 勿使泄漏物与可燃物质 木材 纸 油等 接触 在确保安全情 况下堵漏 喷水雾减慢挥发 或扩散 但不要对泄漏物或泄漏点直接喷 水 用沙土 蛭石或其它惰性材料吸收 然后收集运至废物处理场所 处置 如果大量泄漏 最好不用水处理 在技术人员指导下清除 二 防护措施 呼吸系统防护 空气中浓度超标时 应该佩戴直接式防毒面具 半面罩 紧急事态抢救或撤离时 佩戴空气呼吸器 眼睛防护 戴安全防护眼镜 身体防护 穿防毒物渗透工作服 手防护 戴防化学品手套 其它 工作现场禁止吸烟 进食和饮水 工作毕 沐浴更衣 单独存 放被毒物污染的衣服 洗后备用 注意个人清洁卫生 POCL3 三 急救措施 皮肤接触 尽快用软纸或棉花等擦去毒物 继之用3 碳酸氢钠液浸泡 然 后用水彻底冲洗 就医 眼睛接触 立即提起眼睑 用流动清水或生理盐水冲洗至少15分钟 就医 吸入 迅速脱离现场至空气新鲜处 保持呼吸道通畅 呼吸困难时给输氧 呼吸停止时 立即进行人工呼吸 就医 食入 患者清醒时立即漱口 给饮牛奶或蛋清 立即就医 灭火方法 干粉 砂土 禁止用水 POCL3应急处理处置方法 POCL3 Thank you