CN103094410A - 一种用于太阳能电池硅片的磷扩散控制方法 - Google Patents

一种用于太阳能电池硅片的磷扩散控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种用于太阳能电池硅片的磷扩散控制方法，将硅片装片后推进加工炉，往加工炉内通入氧气并升温，硅片在高温下氧化生成二氧化硅保护层，再对加工炉降温直到五氧化二磷可沉积的温度，通入三氯氧磷、氧气和氮气，三氯氧磷分解生成的五氧化二磷沉积在硅片表面，与硅片发生反应生成磷，然后磷向硅片体内扩散，最后通入氧气再升高温度，使得三氯氧磷能够充分反应，并向硅片体内扩散形成结深的PN结，该方法主要通过对硅片进行高温氧化和低温沉积，从而有效降低硅片的硅格损伤，提高硅片表面少子的寿命，改善形成的PN结的均匀性。

Description

一种用于太阳能电池硅片的磷扩散控制方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体涉及一种用于太阳能电池硅片的磷扩散控制方法。
背景技术
太阳能电池，也称光伏电池，是一种将太阳的光能直接转化为电能的半导体器件。由于它是绿色环保产品，不会引起环境污染，而且是可再生资源，所以在当今能源短缺的情形下，太阳能电池是一种有广阔发展前途的新型能源。
其中，制造太阳能电池的核心工艺是通过磷扩散在硅片上形成发射极，即PN结，而传统扩散工艺的流程为：装硅片进炉→氮气氛中升温→稳定温度→氮气携带POCL3+O2于加工炉内进行扩散反应→降温出加工炉。
而本发明的发明人在实施上述技术方案时发现，PN结是由磷扩散形成的高浓度区域，在这个高浓度区域中，一些不活泼的磷处于硅片晶格间隙引起晶格畸变，而且，由于磷和硅原子的半径不匹配，高浓度的磷还会造成晶格失配，降低多硅片表面少子的寿命，而被硅片表面吸收的短波光子还未能转换成电能就会被复合掉，从而形成一死层；另外的，若磷扩散形成的PN结不均匀，将会影响后续PN结的烧结。其中，PN结的均匀性主要体现在PN结各处的方块电阻Rsq的均匀性，特性不同的PN结对应不同的烧结曲线，不同的方块电阻Rsq也对应不同的烧结温度，通常采用PN结方块电阻为50～80Ω的硅片。请参阅图1和图2，图1是磷扩散后硅片表面少子寿命的曲线图，在图1中，硅片表面少子的寿命维持在3～6us之间，绝大面积上的少子寿命在4.5us左右，只有少部分少子寿命高于5us；图2是磷扩散后硅片的方块电阻的曲线图，在图2中，方块电阻主要分散在50～70Ω之间，在这个范围内，每个值都占有差不多的比例，没有趋向于一个合适的方块电阻值，差值比较大。总的来说，扩散形成的PN结不均匀直接影响烧结的效果，而在上述技术方案中，只单纯通过POCL3的流量来保证磷扩散后PN结的均匀性，可操作性不高，如果磷浓度太高又反过来加剧硅片表面死层的产生。
发明内容
针对上述缺陷，本发明实施例提供了一种用于太阳能电池硅片的磷扩散控制方法，通过控制磷在硅片表面扩散的速度，改善磷在硅片表面扩散的均匀性，从而减少硅片表面形成的死层，提高了硅片表面的少子寿命和磷扩散后形成的PN结的均匀性。
一种用于太阳能电池硅片的磷扩散控制方法，包括：
对硅片进行装片并推进加工炉内；
向所述加工炉中通入氧气并开始升温，使所述加工炉内的温度达到所述硅片可氧化的氧化温度并停止升温；
让所述硅片在所述氧化温度下进行氧化，直至所述硅片表面生成一层二氧化硅氧化层；
向所述加工炉中通入氮气并开始降温，使所述加工炉内温度降至五氧化二磷可沉积的沉积温度，然后保持所述加工炉内所述沉积温度不变；
向所述加工炉内通入三氯氧磷、氧气和氮气，其中，所述三氯氧磷分解生成五氯化磷和五氧化二磷，所述五氯化磷与所述氧气反应生成五氧化二磷和氯气，所述五氧化二磷沉积在所述硅片表面上，并且与所述硅片反应生成磷和二氧化硅，所述磷向硅片体内扩散；
向所述加工炉内通入过量氧气并对所述加工炉进行升温，以使得所述三氯氧磷充分分解，并且使得所述磷向所述硅片体内推进，形成结深的PN结；
对所述加工炉进行降温，并将加工后的所述硅片从所述加工炉取出。
本发明实施例提供的一种用于太阳能电池硅片的磷扩散控制方法，通过先将硅片装片加入加工炉内，往加工炉通入氧气并将加工炉的温度升到硅片可氧化的氧化温度，让硅片在该氧化温度下进行氧化反应，于硅片表面生成一层二氧化硅氧化层，该氧化层具有掩膜作用和保护作用，可以降低磷扩散的速度，减缓磷扩散造成的硅片表面晶格的损伤，提高硅片表面少子的寿命；后对加工炉降温，往加工炉内通入三氯氧磷、氧气和氮气，三氯氧磷在高温下分解生成五氯化磷和五氧化二磷，五氯化磷与氧气反应生成五氧化二磷和氯气，五氧化二磷沉积在硅片表面上，与硅片反应生成磷和二氧化硅，磷往硅片体内开始扩散，最后通入过量氧气让三氯氧磷充分反应，升高加工炉温度使磷向硅片体内推进，形成PN结，而降温也是为了控制磷扩散的速度，减少晶硅格损伤，提高PN结的均匀性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术方案中传统工艺磷扩散后硅片表面少子寿命的曲线图；
图2为现有技术方案中传统工艺磷扩散后硅片的方块电阻的曲线图；
图3为本发明实施例提供的一种用于太阳能电池硅片的磷扩散控制方法的实施例流程图；
图4为本发明实施例提供的一种用于太阳能电池硅片的磷扩散控制方法中磷扩散后硅片表面少子寿命的曲线图；
图5为本发明实施例提供的一种用于太阳能电池硅片的磷扩散控制方法中磷扩散后硅片的方块电阻的曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种用于太阳能电池硅片的磷扩散控制方法，能够有效地控制磷扩散的速度从而减少硅片表面的死层，提高硅片表面少子的寿命，改善PN结的均匀性。
请参阅图3，图3为本发明实施例提供的一种用于太阳能电池硅片的磷扩散控制方法的实施例流程图。如图3所示，一种用于太阳能电池硅片的磷扩散控制方法，包括：
310、对硅片进行装片并推进加工炉内；
其中，制造太阳能电池的基础材料是硅片，其中其重要工艺之一是磷扩散，主要是让磷在硅片上扩散形成PN结，而作为磷扩散的磷源是三氯氧磷，扩散过程在加工炉内进行。
320、向所述加工炉中通入氧气并开始升温，使所述加工炉内的温度达到所述硅片可氧化的氧化温度并停止升温；
其中，如果磷扩散速度太快，容易造成硅片表面晶格损伤，产生死层，降低硅片表面少子的寿命。二氧化硅膜具有保护作用和掩膜作用，被广泛应用于半导体器件生产过程中，因此，可以利用二氧化硅的掩膜作用降低磷扩散的速度，其主要操作是在磷扩散前，往加工炉内通入氧气、升高加工炉内温度，使得硅片表层可以氧化，生成二氧化硅氧化层。其中硅片可以氧化的温度较高，加工炉内温度必须达到硅片可氧化的最低温度。
330、让所述硅片在所述氧化温度下进行氧化，直至所述硅片表面生成一层二氧化硅氧化层；
其中，由于硅片杂质和缺陷较多，如果长时间处于高温的环境下也会对硅片少子的寿命产生不良影响，甚至影响生产产量，所以硅片氧化的氧化时间不能太长，以生成的氧化层起到掩膜作用即可。
340、向所述加工炉中通入氮气并开始降温，使所述加工炉内温度降至五氧化二磷可沉积的沉积温度，然后保持所述加工炉内所述沉积温度不变；
其中，二氧化硅氧化层生成后，将加工炉内温度降低，避免温度过高损伤晶格，同时，给三氯氧磷分解后生成的五氧化二磷在硅片上沉积和磷扩散速度提供一个更好的温度环境。
350、向所述加工炉内通入三氯氧磷、氧气和氮气，其中，所述三氯氧磷分解生成五氯化磷和五氧化二磷，所述五氯化磷与所述氧气反应生成五氧化二磷和氯气，所述五氧化二磷沉积在所述硅片表面上，并且与所述硅片反应生成磷和二氧化硅，所述磷向硅片体内扩散；
其中，三氯氧磷是目前磷扩散用得较多的一种杂质源，具有较高生产效率、得到的PN结均匀性、平整和扩撒表层较为良好。三氯氧磷在高于600℃的温度下会分解生成五氯化磷和五氧化二磷，五氯化磷与过量氧气中反应生成五氧化二磷和氯气，生成的五氧化二磷沉积在硅片表面，后与硅反应生成二氧化硅和磷，在硅片表面形成一层磷-硅玻璃，然后磷再向硅片体内扩散。加工炉内主要的化学反应如下：
5POCL3→3PCL5+P2O5；
4PCL5+5O2＝2P2O5+10CL2↑；
2P2O5+5Si＝4P↓+5SiO2。
其中，三氯氧磷分解时，如果氧气不充足会造成分解不充分，而生成的五氯化磷是不易分解的化合物，对硅片还有腐蚀作用，破坏硅片表面的状态，在氧气充分的情况下，五氯化磷进一步反应生成五氧化二磷和氯气。为了避免硅片被腐蚀，通入氮气同时也要通入一定流量的氧气。五氧化二磷与硅反应生成二氧化硅和磷，在硅片表面形成一层磷-硅玻璃，然后磷开始向硅片体内扩散。
360、向所述加工炉内通入过量氧气并对所述加工炉进行升温，以使得所述三氯氧磷充分分解，并且使得所述磷向所述硅片体内推进，形成结深的PN结；
其中，最后再通入过量氧气，保证三氯氧磷充分分解，升高加工炉内温度使得磷向硅体内推进，形成一定结深的PN结。
370、对所述加工炉进行降温，并将加工后的所述硅片从所述加工炉取出。
其中，将硅片取出加工炉，结束一次磷扩散工艺。
本发明实施例中，先对硅片进行高温预氧化，生成二氧化硅具有掩膜作用，能减缓磷在硅片的扩散速度，后降温让五氧化二磷沉积，磷向体内进行扩散，最后一次升温通入氧气，使得三氯氧磷分解充分，磷更好向硅片体内扩散，形成结深的PN结。
另外，硅片氧化的方法很多，本发明实施例中优选干氧氧化，由于干氧氧化生长的氧化层质量较好，结构致密、均匀、掩膜性能强。当然，还可以采用其他的氧化方法，比如水汽氧化、分压氧化、高压氧化、氢氧合成氧化和湿氧氧化掺氯氧化等，都可以达到本发明需要的效果，在此不作限定。
磷扩散工艺在加工炉内进行，加工炉可以选择管式扩散炉。硅片氧化需要一定的温度，在实践中发现较为合适的温度为840℃，氧化的时间大概在15-30分钟之内，只要生成的二氧化硅氧化层的厚度能够起到掩膜作用就可以，一般最小氧化层厚度为10nm。后续管式扩散炉降温，由于炉口到炉尾的温度不一致，控制降温后的管式扩散炉内的温度在780℃-800℃之间，尤以790℃为最佳温度。在最后通入过量氧气并升温，使得三氯氧磷充分分解，也使得三氯氧磷分解生成的五氯化磷在氧气的氛围中反应生成五氧化二磷和氯气，避免五氯化磷腐蚀硅片，同时也让磷向硅片体内扩散形成一定结深的PN结，一般PN结的深度在0.15～0.5um之间，PN结的方块电阻大概在50Ω～80Ω之间。
本发明实施例中，通过在磷扩散之前对硅片进行高温氧化，生成二氧化硅保护层，后面提供一个合适的温度让五氧化二磷沉积在硅片表面，与硅片反应生成磷后向硅片体内扩散，从而提高硅片表面少子的寿命，PN结较为均匀，请参阅图4和图5，图4为本发明实施例提供的一种用于太阳能电池硅片的磷扩散控制方法中磷扩散后硅片表面少子寿命的曲线图；图5为本发明实施例提供的一种用于太阳能电池硅片的磷扩散控制方法中磷扩散后硅片的方块电阻的曲线图。从图4中可以看出，硅片表面少子的寿命普遍得到了提高，维持在5us～24us之间，有50％以上少子寿命维持在10us以上，19％的少子寿命还在19us以上；而图5中，80％以上的方块电阻都在50Ω～60Ω之间，只有少于15％的方块电阻在这个范围之外，说明形成的PN结的均匀性比较好。
本发明实施例提供了一种用于太阳能电池硅片的磷扩散控制方法，硅片装片后推进管式扩散炉，通入氧气将管式扩散炉温度升到840℃，进行磷扩散前硅片高温氧化，生成最小值为10nm的二氧化硅保护层。如果温度过高会影响磷扩散的速度，造成硅片晶格的损伤，所以在磷扩散前先将管式扩散炉的温度降下，大概降到780℃～800℃之间，在这个温度范围内可以有效控制磷扩散的速度，使得扩散后的PN结较为均匀，提高硅片表面少子的寿命。在780℃～800℃温度间，也是三氯氧磷分解后得到的五氧化二磷在液态环境下能在硅片表面沉积的一个合适的沉积温度，沉积在硅片表面的五氧化二磷与硅片反应生成二氧化硅和磷，并在硅片表面形成一层磷-硅玻璃，然后磷再向硅片体内扩散。由于三氯氧磷分解生成的五氯化磷对硅片有腐蚀作用，所以磷扩散工艺要在氮气氛围中进行，同时要通入一定流量的氧气，保证三氯氧磷充分分解，五氯化磷也能在氧气中反应生成五氧化二磷和氯气，防止五氯化磷腐蚀硅片，最后对管式扩散炉加温，让磷能够更好向硅片体内扩散得到一定结深的PN结，从而完成一次磷扩散工艺，经过该磷扩散工艺加工后的PN结均匀性较好，也提高了硅片表面少子的寿命。
以上对本发明所提供的一种用于太阳能电池硅片的磷扩散控制方法进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种用于太阳能电池硅片的磷扩散控制方法，其特征在于，包括：
对硅片进行装片并推进加工炉内；
向所述加工炉中通入氧气并开始升温，使所述加工炉内的温度达到所述硅片可氧化的氧化温度并停止升温；
让所述硅片在所述氧化温度下进行氧化，直至所述硅片表面生成一层二氧化硅氧化层；
向所述加工炉中通入氮气并开始降温，使所述加工炉内温度降至五氧化二磷可沉积的沉积温度，然后保持所述加工炉内所述沉积温度不变；
向所述加工炉内通入三氯氧磷、氧气和氮气，其中，所述三氯氧磷分解生成五氯化磷和五氧化二磷，所述五氯化磷与所述氧气反应生成五氧化二磷和氯气，所述五氧化二磷沉积在所述硅片表面上，并且与所述硅片反应生成磷和二氧化硅，所述磷向硅片体内扩散；
向所述加工炉内通入过量氧气并对所述加工炉进行升温，以使得所述三氯氧磷充分分解，并且使得所述磷向所述硅片体内推进，形成结深的PN结；
对所述加工炉进行降温，并将加工后的所述硅片从所述加工炉取出。
2.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，所述氧化温度为840℃。
3.根据权利要求1或2中所述的方法，其特征在于，所述氧化的时间范围为15-30分钟。
4.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，所述沉积温度范围为780℃～800℃，具体取值为790℃。
5.根据权利要求1或2或4所述的方法，其特征在于，所述氧化的氧化方法包括干氧化、水汽氧化、分压氧化、高压氧化、氢氧合成氧化和湿氧氧化掺氯氧化。
6.根据权利要求1或2或4所述的方法，其特征在于，所述二氧化硅氧化层的厚度为D，所述D≥10nm。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述加工炉为管式扩散炉。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述PN结的深度范围为0.15～0.5um。
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Address after: 214443 No. 1011 Chengcheng Road, Shengang Town, Jiangyin City, Wuxi City, Jiangsu Province

Patentee after: In building materials jetion science and Technology Co Ltd

Address before: 214443 No. 1011 Chengcheng Road, Shengang Town, Jiangyin City, Wuxi City, Jiangsu Province

Patentee before: China National Building Materials Group Corporation Jetion Solar (China) Co., Ltd.