什么是扩散工艺

扩散工艺实际上是与热处理工艺同时进行的扩散工艺的研究。

如前所述，高温热处理主要解决Fe2+→Fe3+的转变，从而改变Fe2+/Fe3+值，在此过程中，使蓝宝石材料的晶格发生微变，如Ti4+部分置换Al3+，所形成的氧空位，通过“O”的迁移扩散而填充，从而使材料内部结构达到电价平衡（电中性）（图4-5）。

图4-5　蓝宝石扩散机理示意图（据Hughes W.Richards,1997）

扩散处理所要解决的问题及措施：

（1）氧扩散（进入或逸出）：为了使反应影响到整个材料的任何部位，氧扩散必需要通过一个相当远的距离甚至达到材料的中心部位，这是需要时间的。通常要在1000℃高温条件下加热若干小时才能实现，然而快速扩散（是我们所希望的）之所以能做到，是因为氧化物的结构特点使得我们不需要让氧原子通过这么长的迁移距离。图4-6为氧化铝的晶体结构示意图，图中靠左一侧空缺一个氧，而图右侧的一个氧系指晶体表面外空气中的氧，按箭头所指方向，经过一系列中间原子的跃动而最终使得晶体内的氧空位得以充填，此时每一个氧原子的位移只有数毫微米（百万分之几毫米），当外部环境增加氧浓度（氧蒸气压）或温度更高时，这种扩散就会更快。

图4-6　氧原子从空气中向刚玉晶体内部扩散示意图（据K.Nassau,1983）

氧含量的变化通常影响杂质离子的价态，如在Al2O3中，Fe可以以Fe2+，即FeO的形式存在，也可以以Fe3+即Fe2O3的形式存在，在高温条件下，Fe通常以Fe2+或FeO的形式存在，当Fe2+代替Al3+后，相当于每两个Fe2+就会造成晶体结构内存在一个氧空位，这样才会使晶体保持电中性，在刚玉中，这种形式的晶体通常是无色的，或者当Fe2+的浓度很高时显非常浅的绿色。

（2）金属离子扩散：主要解决颜色的均匀性，力图通过长时间（几十个小时）加热降低致色离子的浓度梯度，使其均匀分布。据报道，铁在1000℃以上，经较长时间，铁可以从材料的中心（或Fe浓度较高处）向外运移。在较长时间于某个温度段时，有的杂质包裹体开始熔解，并改变其分布状态，使包裹体得到改善。由于改变了杂质浓度分布，使色带也同时得到了改善——使色带变宽或变浅。

（3）解决表面Ti流失问题：搞蓝宝石改色的同行认为，高温氧化处理后的蓝宝石有Ti流失的问题，Ti的流失可以改变Fe/Ti比值，从而影响色调。

我们在填料（Al2O3）中掺入一定比例的TiH4（自制），能起到增Ti保Ti的作用。

山东昌乐蓝宝石矿物学及其改色

TiH4约在450～500℃分解后，一是形成活泼的Ti，与O2有较强的亲和力，二是逸出的H2在局部环境中形成微还原气氛，可改善表面富Fe2O3的比例，从而改善宝石表面的色调。此项工作有待进一步的探讨。

目前，国内外扩散处理法主要用于宝石表面的着色处理，如将无色或淡色透明的天然刚玉通过表面扩散Fe、Ti以得到透明的蓝宝石，扩散Cr（铬）而获得红宝石等。我们的专题主要研究深色蓝宝石变浅的问题，在这个方面热处理工艺效果较好，所以扩散工艺的研究还有待进一步加强。

热扩散法的工艺步骤。

1、施主或受主杂质原子的半径一般都比较大，它们要直接进入半导体晶格的间隙中去是很困难的。只有当晶体中出现有晶格空位后，杂质原子才有可能进去占据这些空位，并从而进入到晶体。

2、为了让晶体中产生出大量的晶格空位，就必须对晶体加热，让晶体原子的热运动加剧，以使得某些原子获得足够高的能量而离开晶格位置、留下空位（与此同时也产生出等量的间隙原子，空位和间隙原子统称为热缺陷），也因此原子的扩散系数随着温度的升高而指数式增大。

3、对于Si晶体，要在其中形成大量的空位，所需要的温度大致为1000度[C]左右，这也就是热扩散的温度。

扩散的目的：太阳能电池的基本就够就是一个PN结，而扩散就是为了形成PN结。

扩散的原理：太阳能电池一般选用的是P型掺杂的单晶硅片或者是多晶硅片，我们就需要通过扩散在上面形成一个N型的扩散层，从而形成PN结。现在一般采用的都是磷扩散。扩散源是三氯氧磷（pocl3），在900℃的高温下，它与硅片反应，生成二氧化硅和磷。具体的反应过程如下：

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