CN103531449B - 一种能提升冶金级硅片少子寿命的扩散工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及物理冶金级硅太阳能电池制造过程中的扩散工艺，尤其是一种能提升冶金级硅片少子寿命的扩散工艺。其特点是，包括如下步骤：（1）低温进舟、初步升温；（2）通源扩散；（3）恒温推进；（4）降温、退舟。本发明的有益效果是：1.采用喷淋式扩散可节省磷源，同时提高扩散结深的均匀性，并且适合做高方阻；2.针对物理冶金硅的特性，采用双面磷吸杂，增强吸杂效果，提升硅片少子寿命；3.通过温度与时间的协调，有效改善扩散工艺；4.控制通氧与通源量的比例，减少由于直接扩散引起的缺陷，改善PN结结深，也可改善表面钝化效果，提高短路电流与开路电压，进而提升冶金硅太阳能电池转换效率及成品率。
Description
技术领域
本发明涉及物理冶金级硅太阳能电池制造过程中的扩散工艺，尤其是一种能提升冶金级硅片少子寿命的扩散工艺。
背景技术
扩散是太阳能电池制造过程中的核心工序，扩散的目的是为了形成太阳能电池的心脏PN结，同时获得有效的体少子寿命及方块电阻，体少子寿命的高低及片内方块电阻是否均匀直接影响太阳能电池片的短路电流、开路电压、暗电流等电性能参数，最终影响电池片效率及成品率。然而，冶金级硅不同于西门子法硅，一般利用物理法提纯生产，含有大量的铁、碳、硼、氧、铜等杂质及晶格缺陷，而大量的铁、碳、硼、氧、铜等杂质的存在会增加光生载流子的复合几率，因而使得扩散形成PN结后硅片的体少子寿命很低，最终制造出来的太阳能电池一般效率较低、无法提高产品的成品率。
然而，目前国内应用物理法生产冶金级硅片的企业屈指可数，以冶金级硅片为原料生产太阳能电池片的企业更是寥寥无几，所以，目前还未形成相对成熟的针对于物理冶金级硅的扩散工艺。行业内一般利用液态磷源扩散工艺形成太阳能级硅电池PN结，由于物理冶金级晶体硅原硅片内存在金属杂质以及位错缺陷等，通常借鉴常规的西门子硅片扩散工艺进行扩散制结，虽然能形成较好的PN结，但除杂效果不理想、片内方阻不均匀。目前，针对物理冶金级硅片的扩散工艺依然借鉴西门子法硅片的扩散工艺，采用液态磷源尾部进气的方式进行高温扩散，插片方式为硅片背靠背插入石英舟，两两一对，在扩散炉内只对硅片的一个面进行磷掺杂，故称单面扩散。
发明内容
本发明的目的是提供一种能提升冶金级硅片少子寿命的扩散工艺，能够减少扩散死层，减少表面高浓度扩散层的复合，有效控制结深并且增强吸杂效果，提高硅片少子寿命。
一种能提升冶金级硅片少子寿命的扩散工艺，其特别之处在于，包括如下步骤：
(1)低温进舟、初步升温：在初始温度为810-820℃时开始向炉管内推进承载硅片的石英舟，控制进舟速度为400-500mm/min，进舟完成后将温度升至830-840℃并在氮氧共存的气氛下保温5-7min，氧、氮的流量分别控制在1200-1400mL/min、23000-29000mL/min；
(2)通源扩散：在保温过程后，由氮气携带液态的三氯氧磷进入炉管在氮气气氛下与氧气及硅表面发生反应生成磷原子扩散进入硅片来进行通源扩散；
(3)恒温推进：通源扩散后，将温度保持在840-850℃，在氮氧共存的气氛下保温360-600s，氧、氮的流量分别控制在1800-2000mL/min、23000-29000mL/min；
(4)降温、退舟：停止通氧，在氮气气氛下，将炉内温度降至810-820℃，控制退舟的速度保持在300-400mm/min进行退舟。
其中在整个扩散工艺过程中气体总量保持不变，从而使工艺过程中炉管内压力恒定。
其中石英舟的每个卡槽只有一片硅片，从而实现双面扩散。
其中通源扩散分三步完成，三步中携带三氯氧磷的氮气、氧气、大氮的流量分别控制在1200-1400mL/min、1200-1400mL/min、23000-29000mL/min，三者流量比例在1:1:20，三步扩散温度依次递增3-5℃，三步通源扩散的时间分别在500-600s、300-420s、300-360s。
本发明的有益效果是：1.采用喷淋式扩散可节省磷源，同时提高扩散结深的均匀性，并且适合做高方阻；2.针对物理冶金硅的特性，采用双面磷吸杂，增强吸杂效果，提升硅片少子寿命；3.通过温度与时间的协调，有效改善扩散工艺；4.控制通氧与通源量的比例，减少由于直接扩散引起的缺陷，改善PN结结深，也可改善表面钝化效果，提高短路电流与开路电压，进而提升冶金硅太阳能电池转换效率及成品率。
具体实施方式
现有技术采用尾部进气扩散方式，气体从尾部进入，从炉口排废管处被抽走，整个过程中管内气压很难维持在一个恒定值，而且造成炉口、炉尾与炉中的温度梯度较大，影响片间扩散结深的均匀性，且不适合做高方阻扩散工艺。
对于冶金级硅，单面磷扩散的吸杂效果欠佳，扩散后硅片体少子寿命改善不明显。由于设备自身的缺陷，升温和降温速率相对较慢，使得工艺时间与工艺温度不匹配，吸杂效果不好。通源前不通氧，直接扩散会造成表层P的浓度过导致扩散死层过厚，影响扩散结深的均匀性，钝化效果较差。
本发明工艺采用喷淋式扩散，在有效降低炉管内的温度梯度的同时，保证整个炉管内压力恒定，提高PN结的均匀性的同时降低磷源消耗，实现双面磷吸杂，吸杂效果明显。此外，针对设备自身的缺陷，设定分步升温、降温，并控制通氧与通源量的比例，减少扩散死层，减少表面高浓度扩散层的复合，有效控制结深，增强吸杂效果，提高硅片体少子寿命的目的，最终达到提高短路电流与开路电压，提升冶金硅太阳能电池转换效率及成品率。
整个工艺过程大体如下：
(1)低温进舟、初步升温：在初始温度为810-820℃时开始向炉管内推进承载硅片的石英舟，控制进舟速度为400-500mm/min。进舟完成后将温度升至830-840℃并在氮氧共存的气氛下保温5-7min，氧、氮的流量分别控制在1200-1400mL/min、23000-29000mL/min。
(2)同步升温、通源扩散：在830-840℃的保温过程后，由氮气携带液态的三氯氧磷进入炉管在氮气气氛下与氧气及硅表面发生反应生成磷原子扩散进入硅片。通源扩散分三步完成，三步中携带三氯氧磷的氮气、氧气、大氮的流量分别控制在1200-1400mL/min、1200-1400mL/min、23000-29000mL/min三者流量比例约在1:1:20，三步扩散温度依次递增3-5℃。三步通源扩散的时间分别在500-600s、300-420s、300-360s。
(3)恒温推进：三步通源扩散后，将温度保持在840-850℃，在氮氧共存的气氛下保温360-600s，氧、氮的流量分别控制在1800-2000mL/min、23000-29000mL/min。从而恒温推进扩散深度来提高结深的均匀性，并使间隙杂质扩散并聚集到富磷层。
(4)缓慢降温、退舟：停止通氧，在氮气氛下，将炉内温度降至810-820℃，根据不同扩散炉的降温能力尽量拉长降温时间，尽量大于420s，从而使还残留在硅片内的杂质不要因快速退火呈弥散细小的状态存在，因为以此种状态存在的杂质会对硅片少子寿命产生致命影响，即热衰减，尤其以铁杂质最甚。因为经高温的硅片由于内部应力变化而易碎，所以从炉管内退出石英舟时速度要更尽量小，一般退舟的速度保持在300-400mm/min。
整个扩散工艺过程中气体总量不保持变，即携带液态三氯氧磷的氮气(小氮)、大氮及参与反应的氧气的气体总量在整个工艺过程中保持不变，因为小氮与氧气的比例对方阻等影响比较大，都是固定比例1:0.9-1:1.1，确定了小氮和氧气的量后，根据初始总气体量调整每个工艺步的大氮量，使总量始终为初始总量，从而保证工艺过程中炉管内压力恒定。
实施例1：
一种能提升冶金级硅片少子寿命的扩散工艺，包括如下步骤：
(1)低温进舟、初步升温：在初始温度为810℃时开始向炉管内推进承载硅片的石英舟，保持400mm/min的速度将满载硅片的石英舟(石英舟的每个卡槽只有一片硅片，以实现双面扩散)送入炉管，关闭炉门后，依据扩散的升温能力在600s内升温至840℃，然后在此温度通氧保温600s。
(2)同步升温、通源扩散：保温在840℃后，通入三氯氧磷进行磷扩散，并在此过程中分三步升温9℃。总通源时间为25min。携带液态三氯氧磷的氮气(小氮)流量及氧气流量都控制在1200mL/min，比例在1:1。大氮量依据初始总量减去小氮和氧气量。
(3)恒温推进：停止通源，在有氧条件下保持最后一步的扩散温度849℃，恒温推进扩散深度从而提高结深的均匀性，控制推进时间为360s；
(4)缓慢降温、退舟：在氮气氛下，缓慢降温至810℃，以300mm/min的速度出舟。
其中整个扩散工艺过程中气体总量保持不变，从而保证工艺过程中炉管内压力恒定。
实施例2：
(1)低温进舟、初步升温：在初始温度为820℃时开始向炉管内推进承载硅片的石英舟，控制进舟速度为500mm/min，进舟完成后将温度升至830℃并在氮氧共存的气氛下保温7min，氧、氮的流量分别控制在1200mL/min、23000mL/min；其中石英舟的每个卡槽只有一片硅片，从而实现双面扩散；
(2)通源扩散：在保温过程后，由氮气携带液态的三氯氧磷进入炉管在氮气气氛下与氧气及硅表面发生反应生成磷原子扩散进入硅片来进行通源扩散；
通源扩散具体分三步完成，三步中携带三氯氧磷的氮气、氧气、大氮的流量分别控制在1200mL/min、1200mL/min、23000-29000mL/min，三者流量比例在1:1:20，三步扩散温度依次递增5℃，三步通源扩散的时间分别在500s、300s、300s。
(3)恒温推进：通源扩散后，将温度保持在840-850℃，在氮氧共存的气氛下保温360s，氧、氮的流量分别控制在1800mL/min、23000mL/min；
(4)降温、退舟：停止通氧，在氮气气氛下，将炉内温度降至810℃，控制退舟的速度保持在300mm/min进行退舟。
其中在整个扩散工艺过程中气体总量保持不变，从而使工艺过程中炉管内压力恒定。
以下是采用本实施例的技术方案后，不同扩散工艺及形式后硅片的少子寿命对比表(表一)，经不同扩散工艺及形式制造的太阳电池电性能参数对比(表二)：
表一：不同扩散工艺及形式后硅片的少子寿命对比：
表二：经不同扩散工艺及形式制造的太阳电池电性能参数对比：
以下是本发明改进后扩散工艺表：
本发明技术方案的要点如下：
1、扩散方式的改变，由尾部进气改为喷淋式扩散方式，降低炉管各温区的温度梯度，提高扩散结深的均匀性，也可降低磷源、氧气、氮气的消耗，而且适合做高方阻扩散工艺。
2、工艺温度与时间的合理优化，扩散温度过高，一方面会激活一些金属杂质成为复合中心，另一方面会使PN结结深过深，所以通源温度保持在840℃至850℃。同时，配合设备的升、降温速度将扩散通源前的升温时间和保温时间加长并分两步进行，先是将由于开关炉门而使炉体内各温区不均匀的温度达到基本一致(820-830℃)，然后再使各温区的温度同步上升到通源需要的温度(840-850℃)。
3、小氮及氧气通入量的变化，为了形成低浓度的扩散表面和浅的扩散结深，将原有的小氮和氧气量同比例下降，即分别由原来的1650mL/min和1800mL/min降至1300mL/min和1400mL/min。与此同时为保证片内方阻均匀性，将大氮量由原来的29000mL/min降至24000mL/min，这使炉内三氯氧磷的浓度依然保持在5.5％左右。
4、通源前通氧情况的变化，直接扩散主要会造成表层P的浓度过高造成“死层”，而在通源前先通一步氧(600s)生成SiO2层，可以促使P的均匀分布，减少由于直接扩散引起的缺陷。并可有效控制扩散深度，改善表面钝化效果。
Claims (3)
1.一种能提升冶金级硅片少子寿命的扩散工艺，其特征在于，包括如下步骤：
(1)低温进舟、初步升温：在初始温度为810-820℃时开始向炉管内推进承载硅片的石英舟，控制进舟速度为400-500mm/min，进舟完成后将温度升至830-840℃并在氮氧共存的气氛下保温5-7min，氧、氮的流量分别控制在1200-1400mL/min、23000-29000mL/min；
(2)通源扩散：在保温过程后，由氮气携带液态的三氯氧磷进入炉管在氮气气氛下与氧气及硅表面发生反应生成磷原子扩散进入硅片来进行通源扩散；
(3)恒温推进：通源扩散后，将温度保持在840-850℃，在氮氧共存的气氛下保温360-600s，氧、氮的流量分别控制在1800-2000mL/min、23000-29000mL/min；
(4)降温、退舟：停止通氧，在氮气气氛下，将炉内温度降至810-820℃，控制退舟的速度保持在300-400mm/min进行退舟；
步骤(2)中通源扩散分三步完成，三步中携带三氯氧磷的氮气、氧气、大氮的流量分别控制在1200-1400mL/min、1200-1400mL/min、23000-29000mL/min，三者流量比例在1:1:20，三步扩散温度依次递增3-5℃，三步通源扩散的时间分别在500-600s、300-420s、300-360s。
2.如权利要求1所述的一种能提升冶金级硅片少子寿命的扩散工艺，其特征在于：其中在整个扩散工艺过程中气体总量保持不变，从而使工艺过程中炉管内压力恒定。
3.如权利要求1所述的一种能提升冶金级硅片少子寿命的扩散工艺，其特征在于：其中石英舟的每个卡槽只有一片硅片，从而实现双面扩散。
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