晶体硅太阳电池扩散工艺研究.pdf

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第33卷第8期2012年8月太阳能学报ACTAENERGIAESOLARISSINICAVol_33No8Aug，2012文章编号：

0254-0096（2012）081375-06晶体硅太阳电池扩散工艺研究刘金虎，徐征，赵谡玲，刘志平2，李栋才，2（1北京交通大学太阳能研究所，北京100044；2北京中联科伟达技术股份有限公司，北京100044）摘要：

作为晶体硅太阳电池制作的心脏环节，扩散的效果也就是扩散后方块电阻的均匀性显得尤为重要。

影响方块电阻均匀性的主要因素有：

大小氮的流量、0：

的流量、通源时间、再分布时间和中心温度。

通过逐一改变这些因素，分析所得数据，得到一个能有效控制方块电阻大小、使方块电阻均匀性达到最佳的规律：

大小氮流量的变化共同影响方块电阻均匀性；方块电阻大小的改变主要靠温度、时间、小氮的流量的改变来调节。

通过以上实验规律的研究，便于常规工艺的调试和高方块电阻工艺中高方块电阻的制备和极差的优化。

关键词：

扩散工艺；通源时问；再分布时间；方块电阻；均匀性中图分类号：

TM9144文献标识码：

A0引言扩散是一种基本的掺杂技术，通过扩散将一定种类和一定数量的杂质掺杂到硅片或其他晶体中，以改变其电学性能。

太阳电池由半导体材料硅制成，如果硅晶体纯度较高，不含其他杂质元素，且晶体结构完美、无缺陷，这种半导体称为本征半导体。

太阳电池的心脏是一个PN结。

而PN结不能简单地用两块不同类型（P型和N型）的半导体接触在一起就能形成。

要制造一个PN结，实质上是想办法使受主杂质在半导体晶体内的一个区域中占优势（P型），而使施主杂质在半导体内的另外一个区域中占优势（N型），这样在晶体内部便实现了P型和N型半导体的接触。

目前晶体硅生产线上采用的P型硅衬底，可通过在本征硅中掺入族元素来实现，同理，掺入少量的V族元素可获得N型硅，掺杂浓度的范围是1OH10cm，而硅的原子密度是510cm，所以掺杂浓度为10”cm，相当于掺杂百万分之一的杂质。

1生产线管式扩散原理由于整个扩散过程在830870C下进行，单晶固体中会产生空位和填隙原子之类的点缺陷，当存在主原子或杂质原子的浓度梯度时，点缺陷会影响原子的运动。

在固体中的扩散可认为是扩散物质借助于空位或自身填隙在晶格中的原子运动。

图1所示为晶格常数为口的简化二维晶体结构中的原子扩散模型。

空心圆表示占据低温晶格位置的主原子，实心圆既表示主原子也表示杂质原子。

在高温情况下，晶格原子在其平衡位置附近振动。

某一晶格原子偶然获得足够的能量而离开晶格位置，成为一个填隙原子，同时产生一个空位。

邻近的原子向空位跃迁称为空位扩散。

填隙原子从一处移向另一处而并不占据晶格位置，称为填隙扩散。

填隙原子扩散所需的激活能比按空位机理扩散的原子所需的激活能低。

图1空位和填隙扩散Fig1Vacancydiffusionandcalkingdiffusion从以上分析中可看到，浓度差别的存在是产生收稿日期：

2010-09-06基金项目：

国家自然科学基金（60978060；10974013）；北京市科委（zO9O8O3O44009001）；教育部博士点基金（20090009110027；20070004024）；博士点新教师基金（20HD70Oo4031）；北京市科技新星计划（2007A024）；国家重点基础研究发展（973）计划（2010CB327704）通讯作者：

徐征（1959一），男，博士、教授，主要从事发光学和太阳电池方面的研究。

zhengxubjtueducnooooooooooooo太阳能学报33卷扩散运动的必要条件，环境温度的高低则是决定扩散运动快慢的重要因素。

环境温度越高，分子的运动越激烈，扩敞过程进行得越快。

当然，扩散时问也是扩散运动的重要影响因素，随着时间加长，扩散浓度和深度也会增加。

硅片是P型的，如果扩散进去的磷原子浓度高于P型硅片原来受主杂质浓度，就会使P型硅片靠近表面的薄层转变成N型。

由于越靠近硅片表面，硼原子的浓度越高，因此可以想象：

在距离表面为置的地方，扩散进去的磷原子浓度和晶体硅中原来的硼原子浓度相等。

在与表面距离小于；的薄层内，磷原子浓度高于原来硅片的硼原子浓度，因此这一层变为N型硅半导体。

在与表面距离大于的地方，由于原来硅片中的硼原子浓度大于扩散进去的磷原子浓度，因此仍为P型。

由此可见，在与表面距离置处，形成了N型半导体和P型半导体的交界面，即形成了PN结。

；即为PN结的结深。

这样就可利用杂质原子向半导体晶片内部扩散的方法，改变半导体晶片表面层的导电类型，从而形成PN结，这就是用扩散法制造PN结的基本原理。

2生产线管式扩散方式太阳电池制造工艺中，磷扩散一般有三氯氧磷（POC1）液态源扩散、喷涂磷酸水溶液后链式扩散及丝网印刷磷浆料后链式扩散3种方法。

本文采用第一种方法。

POC1分解产生的P0淀积在硅片表面，P：

0与硅反应生成SiO，和磷原子，并在硅片表面形成一层磷一硅玻璃，然后磷原子再向硅中进行扩散。

5POC13=3PC1+P，O（大于600oC）在有氧气存在时，POC1热分解的反应式为：

4POC13+302=2P205+6C122P2O5+5Si=5SiO2+4P整个扩散过程是在石英管内完成的，将含磷的气体通人石英管，在830870C的中心温度下进行反应。

目前，扩散炉的装载系统主要有悬臂式（1oadingunloading）和软着陆（softcontactloading，简称SCL）两种J，国内扩散炉以悬臂式为主，国外以SCL为主。

相对于配置悬臂装载机构的扩散炉，SCL式扩散炉因其炉口密封性更易保障，并不采用石英保温档圈来保证炉门低温状态。

本文采用的是管壁式扩散炉，炉口的均匀性不易保证，针对管式扩散炉的特点，在大规模生产中，主要通过调整工艺反应时间、气体流量和反应温度实现扩散的均匀性控制，采取温区补偿技术对扩散的均匀性进行优化。

3实验方法针对工艺方面影响扩散后硅片方块电阻的6个因素进行分组，分析每组实验数据，得出实验结论。

采用北京中联科伟达股份有限公司的管壁式扩散炉，采用125mm125mm、对角线为156mm的原硅片，片源全部为江苏正信新能源科技集团有限公司生产，原硅片电阻率为13ncnl，少子寿命为1530ps，钝化后的少子寿命为401001xs。

生产线常规工艺为：

大N26000sccm，小N1850sccm，021300sccm，通源时问1000s，再分布时间1100s，温度860，所实现的方块电阻为401）口。

逐一改变各影响参数，记录方块电阻、片内均匀性、片问均匀性及少子寿命。

测试设备为RTS4型四探针测试仪和wT一2000型少子寿命测试仪，片内均匀性靠监测硅片中心和边缘五点的方块电阻并计算极差实现，片间均匀性是靠测量炉口、炉前、炉中（两片）、炉后、炉尾的方块电阻并计算极差来实现。

31中心温度的影响其他条件不变，改变中心温度值，如图2，分析实验数据，实验结果如下（为确保实验的一致性及准确性，片内极差针对每一组实验的炉中的相同位置的其中一片进行测试）：

温度升高，方块电阻降低，主要原因是由于在高温下分子热运动剧烈，不管是空位扩散还是填隙扩散都较剧烈；方块电阻降低的速度随温度的升高而减慢，硅片表面磷硅玻璃层随温度升高而增厚，反过来阻碍磷的进一步扩散；对于方块电阻的均匀性，在方块电阻下降较多的情况下，温度越高，均匀性越好，与第二点结论温度越高，方块电阻改变越慢相吻合；在不同温度下进行扩散，对硅片的少子寿命有一定影响，少子寿命曲线随温度升高而下降，这说明高温情况下会引入一些新的缺陷，提高载流子复合速率，最终使少子寿命降低，但在低温情况下扩散炉内的磷未完全被激活。

综上所述，在温度为820850C进行扩散为最佳。

8期刘金虎等：

晶体硅太阳电池扩散工艺研究温度1口圜椒图2中心温度对方块电阻、均匀性及少子寿命的影响Fig2Effectofthecoretemperatureonsquareresistance，uniformityandtheminoritycarrierlifetime32O流量的影响其他条件不变，改变氧气流量值，得到图3，由图可知：

方块电阻随O：

流量的变化而产生微小的规律性变化，随O流量升高先下降后升高，由于在500700sccm刚好进行反应，低于500sccm时，O流量不足，通人的POCI未完全反应，高于700sccm时O流量过量，在密闭的腔体内会抑制反应的进行；在O流量为300500sccm时方块电阻改变速率为001（口sccm），在O流量为7002100sccm时方块电阻改变速率为000519（口sccm）；片内极差和片间变化无明显规律，基本围绕中心值上下波动，可认为是设备和测试水平所导致的误差，影响片内片间均匀性的主要因素并不是0的流量；少子寿命随O：

流量升高而呈上升趋势，在通人O，的量升高的情况下，一方面与POCI的反应较彻底，更好地实现了磷吸杂的过程，另一方面，O与si反应，形成SiO键，弥补晶格缺陷、饱和悬挂键J，使少子寿命得到提升。

据横氧气流量sccm口c：

醴脚椒图3氧气流量对方块电阻、均匀性及少子寿命的影响Fig3EffectoftheflowofOxygenonsquareresistance，uniformityandtheminoritycarrierlifetime33小氦流量的影响其他条件不变，改变小氮流量，如图4，分析可知：

随着小氮流量的增加，方块电阻呈下降趋势的主要原因是小氮是携源气体，POC1会随小氮流量的增加而增加，上述实验中已说明1300seem的0是过量的，POC1含量增加会导致炉体内含磷量增加，最终导致上述空位扩散和填隙扩散加剧，改变速率为0013（口sccm）；片内片问均匀性呈围绕中心位置波动的现象，需对炉口、炉前、炉中（2片）、炉后、炉尾进行分析，总结小氮对整体均匀性的影响（如图5），图5主要反映了片间均匀性，从图中可看出随小氮流量的增加，片间均匀性有很大改善，但整体呈下降趋势，曲线走势未明显改变，不会改变这种炉口偏高、炉尾偏低的情况；少子寿命有所下降，原因是随着小氮流量的升高，在相同条件下进行扩散的磷的表面浓度上升，导致死层加厚，表面浓度上升，复合速率上升，少子寿命下降。

小氮流量sccm口圈衄图4小氮流量对方块电阻、均匀性和少子寿命的影响Fig4Effectoftheflowofthelittlenitrogenonsquareresistance，uniformityandtheminoritycarrierlifetime口巍脚椒炉口炉前炉中1炉中2炉后炉尾硅片位置图5不同小氮流量下不同位置方块电阻的均匀性Fig5Uniformityofsquareresistanceindifferentflowofthelittlenitrogenanddifferentlocation34大氮流量的影响铝拍加：

201378太阳能学报其他条件不变，改变大氮流量值，如图6。

可得出：

随着大氮流量的升高，方块电阻只会缓慢增加，因为除了作为清洗气体，大氮还起到很重要的辅助作用，一方面它将由小氮携带人炉体内的POC1携带人炉口位置，使气体分布更均匀，另一方面，由于大氮流量较大会导致炉体内温度分布的改变，大氮流量的增加，在一定程度上减小了小氮的量，使方块电阻平均值有所升高；片内极差改变不大，但片间极差有所改变，在2600027000seem时极差最小，过高或过低都会使极差偏大，需对炉口、炉前、炉中（2片）、炉后、炉尾进行数据统计和分析，从图7可看出，随着大氮流量的增加，炉口、炉前、炉中（2片）、炉后、炉尾的方块电阻均有较大变化，在22000seem由下降趋势变为上升趋势，在2400026000seem之间的均匀性较好，说明大氮流量的改大氮流量xlOsccm口岛图6大氮流量对方块电阻、均匀性和少子寿命的影响Fig6Effectofthedifferentflowofthebignitrogenonsquareresistance，uniformityandtheminoritycarrierlifetime口C：

图7不同小氮流量下不同位置方块电阻的均匀性Fig7Uniformityofsquareresistanceindifferentflowofthebignitrogenanddifferentlocation变对片间均匀性有较大影响，原因有两个方面：

一方面，由于大氮一个作用是携带小氮携带人炉体内的POC1，大氮流量较多的情况下炉口位置磷的含量会相对较高而炉尾磷的含量相对较低，所以会导致炉口的方块电阻降低，炉尾的方块电阻升高；另一方面，由于大氮的流量过高，在不同流量大氮流入的情况下，会导致相应温区的温度变化，炉尾温度偏低，以致方块电阻升高；少子寿命无明显改变，可见大氮的改变基本对载流子的复合无大影响。

分析实验结果如下：

方块电阻的值随通源和再分布时间的延长而降低，类似于图1中方块电阻随温度变化的关系，整体呈下降趋势，且方块电阻的降低幅度有所减缓。

出现这种趋势的原因是随着通源时间的延长，磷的扩散也较充分，但随时间的进一步加长，表面的磷硅玻璃层已趋于饱和，形成一层阻挡层，反过来阻碍磷的进一步扩散，导致扩散速度的减慢；就少子寿命而言，通源时间加长，少子寿命下降，再分布时间加长，少子寿命升高。

原因是通源时间延长的情况下，磷的浓度有所上升，在表面形成一层死层，引入了一些新的位错和缺陷，增加少子复合速率，降低少子寿命，虽然伴随着这个过程还有吸杂的作用，但这个过程不足以完全弥补少子寿命的降低，少子寿命总体上有所下降。

而再分布时是不通源的，所以吸杂的作用较明显，使少子寿命有所升高。

针对少子寿命的变化，之后在优化工艺时应适当缩短通源时间，延长再分布时间。

35通源时间、再分布时间的影响其他条件不变，改变通源时问和再分布时问，如图8毒据艟口c=盟椒8期刘金虎等：

晶体硅太阳电池扩散工艺研究1379i据搬H1再分布时间sb口-圈盎：

图8通源时间和再分布时间对方块电阻和少子寿命的影响Fig8Effectofthesourceconnecttimeandredistributiontimeonsquareresistanceandtheminoritycarrierlifotime4结论通过分析实验数据和曲线，可得出：

1）方块电阻随着温度，小氮流量，通源时间和再分布时间的升高而降低，大氮流量增大会使方块电阻有所升高；2）调节扩散的均匀性主要靠调节大氮和小氮的流量来实现，大氮能改变整个炉体的均匀性，可通过调节大氮的流量来调节片间均匀性，在生产上片间均匀性一般靠调节炉体的温度补偿来实现，事实上要在大氮的流量已基本能保证炉体均匀性后才改变温度补偿，如果单纯改变各温区的温度补偿，设定温度可能较高，而高温会影响扩散后的表面浓度、结深及少子寿命；小氮流量的改变有助于片内、片间的均匀性的改善；3）温度、小氮流量和再分布时间对少子寿命的影响较大，共同改变扩散结深、硅片表面浓度，所以合理控制温度、小氮流量和再分布时间一方面会导致磷吸杂的进一步实现，另一方面会起到弥补晶格缺陷、饱和悬挂键的作用；4）针对少子寿命的变化，之后在优化工艺时应适当缩短通源时间，延长再分布时间。

参考文献CoerJE，GuoJH，CousinsPJ，eta1Ptypeversusntypesiliconwafer：

Prospectsforhighefficiencycon-mericalsiliconce11JIEEETransactiononElectronDevices，2006，53（8）：

18931901刘玉玲，檀柏梅微电子技术工程一材料工艺与测试M北京：

电子工业出版社，2004，323-355何堂贵晶体硅太阳电池制作中的扩散工艺研究D太原：

电子科技大学，2009，17WurfelP，TrnpkeT，PuzzerTDiffusionlengthsofsiliconsolarcellsfromluminescenceimagesJJournalofAppliedPhysics，2007，101（12）：

1231l012311010钟华，盛金龙适用于200mm太阳能电池片的闭管扩散氧化系统设计J电子工业专用设备，2007，（5）：

5154ZhongHua，ShengJinlongDiffusionoxidationsystemdesignfor200mmsolarsquarewaferJEquipmentforElectronicProductsManufacturing，2007，（5）：

5154向小龙，彭志虹，朱晓明，等应用于扩散工艺中的闭管扩散技术J微细加工技术，2006，6（6）：

6364XiangXiaolong，PengZhihong，ZhuXiaoming，eta1TechnologyofdissfusioninclsoedtubeiJ1MicrofabricationTechnology，2006，6（6）：

6364罗培青，李友杰，黄建华，等磷扩散对晶体硅太阳电池发射结钝化和吸杂作用的研究A中国太阳能光伏进展C，上海，2002，5356王振交，季静佳，施正荣，等DirectPECVDaSiOHaSiN：

H叠层系统对多晶硅电池的钝化研究J人工晶体学报，2009，38

（2）：

387391WangZhenjiao，JiJingjia，ShiZhengrong，eta1Investi-gationonmcSipassivationusingdirectPECVDaSiO：

HaSiN：

HstacksystemJJournalofSyntheticCrystals，200938

（2）：

387391张忠文，刘祖明使用温区补偿技术改进扩散均匀性A21世纪太阳能新技术_2003年中国太阳能学会学术年会论文集C，上海，20031Jj1J1J1J1J1jJ1J1Jl23455667889I二心1380太阳能学报33卷DIFFUSIONPROCESSOFCRYSTALLINESILICONSOLAR