CN104143589A - 一种太阳能电池的双面扩散方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种太阳能电池的双面扩散方法，包括：将两个晶圆的背面相对贴合放置在晶舟中；对两个晶圆的正面进行第一掺杂元素扩散，在晶圆正面形成第一扩散层，同时在晶圆背面和边缘形成第一杂质层；去除第一杂质层；将两个晶圆的正面相对贴合放置在晶舟中；对两个晶圆的背面进行第二掺杂元素扩散，在晶圆背面形成第二扩散层，同时在晶圆正面和边缘形成第二杂质层；去除第二杂质层。本发明的双面扩散方法，不仅与现有工艺设备相兼容，有利于实现工业化大规模生产；并且，相比于现有的工艺，无需另外增加晶圆边缘刻蚀的步骤，简化了制备工艺，进一步降低了生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种太阳能电池的双面扩散方法。
背景技术
随着社会工业的发展，常规的化石燃料日益消耗，可持续能源成为最有潜力的替代能源，其中，太阳能是最具环保的能源之一。偶遇硅材料在地壳中的储量丰富，并且晶硅太阳能电池相比于其他类型的太阳能电池，具有优异的电学性能和机械性能，因此，晶硅太阳能电池在光伏领域占据着重要的地位。
传统的晶硅太阳能电池的制备工艺中，双面扩散方法既可以对非受光面进行吸杂，提高太阳能电池的电压输出，又能使太阳能电池的两面都能够接收到入射光，从而提高太阳能电池的输出功率。
目前双面扩散方法主要有以下三种：
方法一：采用离子注入的方法，离子注入设备昂贵、产量低，且离子注入工艺会对硅片造成严重的晶格损伤，即使通过后续的退火工艺也无法完全消除。
方法二：采用涂层携带杂质元素来进行扩散：例如，在掺硼面涂覆含硼原子的液体；高温硼扩散；在硅片的掺磷面涂覆含磷原子的液体；高温磷扩散。该方法中液体涂覆操作麻烦，产量低。
方法三：采用气态源进行扩散，通过惰性气体携带磷源、或硼源进行气相双面扩散。该方法工艺简单，产量高，成为现在业界普遍采用的方法。
请参阅图1，为现有的采用气态源进行双面扩散的方法的流程示意图，以N型硅衬底为例，其具体包括以下步骤：
步骤L01：对晶圆进行双面硼扩散工艺；
步骤L02：双面沉积氮化硅薄膜；
步骤L03：正面沉积二氧化硅薄膜；
步骤L04：采用热磷酸去除半导体衬底背面的氮化硅薄膜；
步骤L05：再对半导体衬底背面进行磷扩散形成N+层；
步骤L06：采用氢氟酸溶液去除上述二氧化硅薄膜和正面的氮化硅薄膜；
步骤L07：刻蚀去除由于上述磷扩散在硅片侧面边缘形成的扩散层。
可以看出，该方法需要多次制备掩膜及清洗，工艺步骤繁琐，成本较高。
因此，上述3种双面扩散方法由于设备昂贵、成本高、工艺步骤复杂，不利于工业化生产、以及不利于和现有工艺相兼容，目前仍主要应用于实验研究阶段，较难应用在规模化生产中。并且这三种方法扩散完成后只能采用干法刻蚀的方法进行边缘刻蚀。然而，边缘干法刻蚀会造成太阳能电池的漏电现象加重，从而导致产量降低，目前已经很少使用；而相比于干法刻蚀，边缘湿法刻蚀形成的太阳能电池的漏电水平低，产量高。
发明内容
为了克服以上问题，本发明旨在提供一种工艺简单、成本低且可实现工业化大规模生产的太阳能电池的双面扩散方法，通过两次扩散过程-化学腐蚀过程交替进行，实现晶圆双面扩散，不仅简化工艺步骤、降低成本，还可以与现有的生产工艺相兼容，进而实现工业化大规模生产；并且，在化学腐蚀过程中，将晶圆边缘的杂质层同时去除，能够避免现有方法中额外增加干法刻蚀晶圆边缘步骤而导致电池漏电升高、产量降低的弊端。
为了实现上述目的，本发明提供了一种太阳能电池的双面扩散方法，其包括：
步骤S01：将两个晶圆的背面相对贴合；
步骤S02：对两个所述晶圆的正面进行第一掺杂元素扩散，在每个所述晶圆正面形成第一扩散层，同时在所述晶圆背面和边缘形成第一杂质层；
步骤S03：将两个所述晶圆分开，并采用湿法刻蚀去除每个所述晶圆背面和边缘的第一杂质层；
步骤S04：将两个所述晶圆的正面相对贴合；
步骤S05：对两个所述晶圆的背面进行第二掺杂元素扩散，在每个所述晶圆背面形成第二扩散层，同时在所述晶圆正面和边缘形成第二杂质层；
步骤S06：将两个所述晶圆分开，并采用湿法刻蚀去除每个所述晶圆正面和边缘的第二杂质层。
上述工艺步骤，与目前的P型电池生产线相兼容，无需另行增加工艺设备；相比于现有的双面扩散方法，无需采用任何掩膜的保护即可完成两次双面扩散，节省了工艺步骤和成本；通过调整化学腐蚀法中的工艺参数，可以控制湿法腐蚀的深度，去除晶圆表面和边缘的杂质层，保留晶圆表面的扩散层，从而无需另外进行晶圆边缘的刻蚀，即可完成双面扩散过程。
在上述技术方案中，分别采用化学腐蚀法去除第一杂质层和第二杂质层，为了力求工艺简单，避免过多的步骤而不利于大规模生产，步骤S03中采用化学腐蚀法去除所述第一杂质层，具体包括：将所述晶圆的背面向下接触药液，所述晶圆的正面向上而不接触所述药液；步骤S06中采用化学腐蚀法去除所述第二杂质层，具体包括：将所述晶圆的正面向下接触药液中，所述晶圆的背面向上而不接触所述药液；例如，在现有的湿法刻蚀设备中，晶圆靠滚轮的旋转而蘸取到药液；现有的湿法刻蚀设备中，在非腐蚀面会有一层水膜进行保护，则不会遭受到腐蚀，因此无需对非腐蚀面额外增加工序进行保护。
在上述技术方案中，由于进行两次掺杂工艺，会在晶圆正面形成共掺杂层，因此，在所述晶圆正面的所述第二杂质层为：由所述第二掺杂元素和所述第一掺杂元素形成的共掺杂层。
优选地，所述化学腐蚀法所采用的药液为酸性药液。进一步地，所述化学腐蚀法所采用的温度为0～25℃，浸泡时间为1～800秒；进一步地，所述酸性药液为氢氟酸、硝酸和水的混合溶液；较佳的，所述氢氟酸与硝酸的比例为1:(5～10)。
优选地，所述化学腐蚀法所采用的药液为碱性药液。进一步地，所述化学腐蚀法所采用的温度为60～90℃，浸泡时间为1～800秒；进一步地，所述碱性药液为氢氧化钠或氢氧化钾与异丙醇的混合溶液；较佳的，所述氢氧化钠或氢氧化钾的质量分数为0.5～2.5％，所述异丙醇的质量分数为1～3％。
由此，本发明的太阳能电池的双面扩散方法，巧妙地结合了扩散过程-化学腐蚀过程的两次交替进行，即可实现晶圆的双面扩散，并且，无需借用任何掩膜保护措施，不仅简化了工艺步骤，降低了成本，还有利于工业化大规模生产；更进一步的，本发明的方法与现有生产工艺相兼容，即可以采用现有的生产设备，促进了双面扩散方法应用于工业化大规模生产的实现。此外，在采用化学腐蚀的过程中，既可以去除晶圆非扩散面的杂质层，也可以去除晶圆边缘的杂质层，还可以去除晶圆表面的第一和第二掺杂元素形成的共掺杂层，可见，相比于现有方法，无需另外增加晶圆边缘刻蚀工艺，简化了工艺步骤，降低了成本，更加有利于工业化大规模生产。
附图说明
图1为现有的采用气态源进行双面扩散的方法的流程示意图
图2为本发明的太阳能电池的双面扩散方法的流程示意图
图3-8为本发明的一个较佳实施例的太阳能电池的双面扩散方法的各个制备步骤所对应的截面结构示意图
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
如前所述，现有的采用气相源进行的太阳能电池的双面扩散方法，需要通过制备掩膜对非扩散面的保护，工艺步骤繁琐，成本高，不利于工业化大规模生产，为此，本发明提供了一种工艺简单、成本低的双面扩散方法，其采用两次‘扩散-化学腐蚀’交替的工艺路线，从而实现双面扩散，该方法不仅可以采用现有的工艺设备，在降低成本的同时，可以实现工业化大规模生产；并且，相比于现有的工艺步骤，无需另外增加晶圆边缘刻蚀的工艺，简化了工艺步骤，进一步降低了生产成本。
以下将结合附图2-8和具体实施例对本发明的太阳能电池的双面扩散方法作进一步详细说明。其中，图3-8为本发明的一个较佳实施例的太阳能电池的双面扩散方法的各个制备步骤所对应的截面结构示意图。需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、清晰地达到辅助说明本实施例的目的。
请参阅图2，为本发明的太阳能电池的双面扩散方法的流程示意图。本发明的太阳能电池的双面扩散方法，包括以下步骤：
步骤S01：请参阅图3，将两个晶圆1、2的背面相对贴合；
这里所采用的晶圆1和2可以是通常的硅片，例如，八边形等。需要说明的是，晶圆的背面和正面并没有统一定论，只是在本发明中，将进行第一次扩散的晶圆表面(具有第一扩散层的晶圆表面)定义为正面，经进行第二次扩散的晶圆表面(具有第二扩散层的晶圆表面)定义为背面，但晶圆正面和背面并不用于任何晶圆表面的性能限定。需要说明的是，第一次扩散时，由于采用背面贴合方式，在晶圆正面更容易进行扩散，但也不可避免地在晶圆背面会有少许掺杂离子进入，此时，在晶圆正面形成的掺杂层称为第一扩散层，在晶圆背面形成的掺杂层称为第一杂质层；同理，第二次扩散中，在晶圆背面形成的掺杂层称为第二扩散层，在晶圆正面形成的掺杂层称为第二杂质层；这里，将两个晶圆按照‘背靠背’的方式贴合在一起，贴合的方式可以采用现有的方法，本发明对此不作限制。
本发明中，首先对晶圆正面进行元素扩散，再对晶圆背面进行扩散，因此，该步骤S01中，为了避免背面遭受到元素掺杂扩散，则将两个晶圆1、2的背面贴合在一起，然后可以将背面贴合的两个晶圆1、2放置于晶舟中。需要说明的是，晶圆贴合放置为了减少贴合面的扩散，但不能完全避免，比如，未贴合的正面扩散的深度为600nm，则贴合的背面边缘扩散深度可能为300nm，而背面的中心扩散元素较少，扩散深度也较浅。
本发明中，晶圆的材料可以为单晶硅、无定形硅、或多晶硅。
步骤S02：请参阅图4，对两个晶圆1、2的正面进行第一掺杂元素扩散，在晶圆1、2正面分别形成第一扩散层101、201；同时，在晶圆1、2背面不可避免地形成了第一杂质层(未画出)；
在本发明中，由于晶圆背面形成的第一杂质层厚度较小，在附图4中不作显示，但并不表示没有第一杂质层。
具体的，可以采用现有的扩散工艺进行第一掺杂元素扩散，例如，可以但不限于包括：将晶舟置于扩散炉中、低温预扩散、升温推进处理、高温扩散、高温推进处理、降温处理、取出晶舟。在两次扩散和两次推进处理过程中，可以通过调节温度、时间、气体流量和扩散炉内气体压力来控制扩散的深度、扩散元素分布等。
在本发明的一个较佳实施例中，采用的第一掺杂元素为硼。可以采用BBr3液态源扩散法，氮气携带BBr3进入扩散炉中，主要的反应方程为：
4BBr3+3O2＝2B2O3+6Br2 (1)
2B2O3+3Si＝4B+3SiO2 (2)
需要说明的是，在元素扩散过程中，除了在晶圆扩散面进行扩散之外，还会在晶圆的边缘和非扩散面进行掺杂；而由于两个晶圆相贴合的那面由于相互遮挡，其掺杂效果较弱，元素扩散的主要表面还是在晶圆所暴露的扩散面。在该较佳实施例的该步骤中，在硼元素晶圆正面形成含硼扩散面。并且可以通过调整扩散工艺参数，控制含硼扩散层的深度，较佳的，硼扩散温度可以为870～950℃，深度大于600nm。
步骤S03：请参阅图5，将两个晶圆1、2分开，并采用湿法刻蚀去除晶圆1、2背面和边缘的第一掺杂元素形成的第一杂质层；
具体的，如前所述，在晶圆表面的掺杂元素扩散过程中，即使采用‘背靠背’的方式，在晶圆的非扩散面(此时为背面)以及边缘位置也不可避免地会遭受到掺杂元素的或多或少的扩散，从而形成杂质层；由于非扩散面和晶圆边缘上的杂质层均是工艺中需要去除的，否则会影响器件的电性能，因此，在本发明的一个实施例中，采用化学腐蚀的方法可以将晶圆非扩散面和边缘上的杂质层一起去除掉。
在本发明中，由于晶圆背面形成的第一杂质层厚度较小，在附图5中不作显示，但并不表示没有第一杂质层。采用化学腐蚀法可以将晶圆1、2背面的第一杂质层、晶圆1、2边缘的第一杂质层一起腐蚀去除；所采用的药液可以为酸性药液或碱性药液。
在本发明的上述较佳实施例中，采用的第一掺杂元素为硼，在晶圆1、2正面所形成的第一扩散层101、201为硼扩散层，则相应的会在晶圆1、2背面和边缘形成硼杂质层；针对硼杂质层，可以采用酸性药液也可以采用碱性药液来去除。
例如，采用氢氟酸、硝酸和水的混合溶液作为酸性药液；较佳地，氢氟酸与硝酸的比例为1:(5～10)；可以根据杂质层的厚度来设定化学腐蚀工艺参数，较佳地，所采用的温度为0～25℃，腐蚀时间为1～800秒。
再例如，采用氢氧化钠或氢氧化钾与异丙醇的混合溶液作为碱性药液；较佳地，氢氧化钠或氢氧化钾的质量分数为0.5～2.5％，异丙醇的质量分数为1～3％；可以根据杂质层的厚度来设定化学腐蚀工艺参数，较佳地，所采用的温度为60-90℃，腐蚀时间为1～800秒。
步骤S04：请参阅图6，将两个晶圆1、2的正面相对贴合；
具体的，经过上述过程，对晶圆1、2正面进行了扩散，接下来需要对晶圆1、2背面进行扩散，因此，将晶圆1、2正面贴合起来；然后可以将正面贴合的两个晶圆1、2放置于晶舟中。
步骤S05：请参阅图7，对两个晶圆1、2的背面进行第二掺杂元素扩散，在晶圆1、2背面分别形成第二扩散层102、202；在晶圆1、2正面均形成第二杂质层(未画出)。
本发明中，由于晶圆背面形成的第二杂质层厚度较小，在附图7中不作显示，但并不表示没有第二杂质层。
第二掺杂元素扩散的过程可以采用现有的工艺进行，前述已有描述，再次不再赘述。
在本发明的一个较佳实施例中，采用的第二掺杂元素为磷。可以采用POCl3液态源扩散法，氮气携带POCl3进入扩散炉中，主要的反应方程为：
5POCl3＝P2O5+4PCl5 (3)
4PCl5+5O2＝2P2O5+10Cl2 (4)
2P2O5+5Si＝4P+5SiO2 (5)
需要说明的是，如前所述，在元素扩散过程中，除了在晶圆扩散面进行扩散之外，还会在晶圆的边缘和非扩散面进行掺杂；而两个晶圆相贴合的面由于相互遮挡，其掺杂效果较弱，元素扩散的主要表面还是在晶圆所暴露的扩散面。在该较佳实施例的该步骤中，在晶圆背面形成磷扩散面。并且可以通过调整扩散工艺参数，控制磷扩散层的深度，较佳的，磷扩散温度可以为800-850℃，深度小于600nm。
步骤S06：请参阅图8，将两个晶圆1、2分开，并采用湿法刻蚀去除晶圆1、2正面和边缘的第二掺杂元素形成的第二杂质层。
具体的，本发明中，由于进行两次掺杂工艺，会在晶圆正面形成共掺杂层，即晶圆正面的第二杂质层为第二掺杂元素和第一掺杂元素形成的共掺杂层。因此，去除晶圆正面和边缘的第二杂质层的过程包括：去除晶圆正面的第二掺杂元素和第一掺杂元素形成的共掺杂层，以及去除晶圆边缘的第二掺杂元素形成的第二杂质层；此时，去除共掺杂层之后，在晶圆1、2正面露出第一扩散层101、201，需要说明的是，去除共掺杂层的过程中，不可避免地会腐蚀到第一扩散层101、201，对第一扩散层101、201的少量的去除不会影响到整个工艺的质量。
这里，由于晶圆1、2正面形成的第二杂质层厚度较小，在附图8中不作显示，但并不表示没有第二杂质层。可以采用化学腐蚀法将晶圆1、2正面的第二杂质层(共掺杂层)、以及边缘的第二杂质层一起腐蚀去除，所采用的药液可以为酸性药液或碱性药液。
例如，采用的第二掺杂元素为磷，所形成的第二扩散层为磷扩散层，则相应的会在晶圆背面形成磷硼共掺杂层，以及在晶圆边缘形成含磷杂质层；则针对晶圆背面的磷硼共掺杂层以及边缘的含磷杂质层，可以采用酸性药液或碱性药液去除；例如，可以采用氢氟酸、硝酸和水的混合溶液作为酸性药液；较佳地，氢氟酸与硝酸的比例为1:(5～10)；可以根据杂质层的厚度来设定化学腐蚀工艺参数，较佳地，所采用的温度为0～25℃，浸泡时间为1～800秒。再比如，采用氢氧化钠或氢氧化钾与异丙醇的混合溶液作为碱性药液；较佳地，氢氧化钠或氢氧化钾的质量分数为0.5～2.5％，异丙醇的质量分数为1～3％；可以根据杂质层的厚度来设定化学腐蚀工艺参数，较佳地，所采用的温度为60-90℃，浸泡时间为1～800秒。
需要说明的是，为了简化工艺，不增加过多的工艺步骤，以有利于大规模工业生产，本发明中在进行化学腐蚀过程中无需额外增加制备掩膜的步骤来保护非腐蚀面；例如，将晶圆放入药液容器中，将晶圆非腐蚀面向上而不接触药液，将晶圆腐蚀面向下接触药液，因此，不需要针对非腐蚀面而进行额外制备掩膜或其它保护层的步骤，即可实现对腐蚀面的腐蚀；在本发明的一个较佳实施例中，在药液容器中去除第一杂质层的过程中，将晶圆的背面向下接触药液，晶圆的正面向上而不接触药液；在药液容器中去除第二杂质层的过程中，将晶圆的正面向下接触药液，晶圆的背面向上而不接触药液。
例如，采用药液槽，在药液槽底部具有滚轮，将晶圆背面向下接触药液，在滚轮的转动下，晶圆向前移动，药液对晶圆的边缘和背面进行腐蚀；考虑到药液挥发会对晶圆正面造成一些腐蚀，可以简单地在晶圆正面喷上一层水膜，水膜可以保护晶圆正面不受到挥发药液的腐蚀；只是简单地喷上一层水膜，该工艺是现有的湿法刻蚀设备自带的功能，而无需增加繁琐的工艺步骤和过多的成本，因此也是在本发明的宗旨范围之内的。
需要说明的是，本发明的太阳能电池的双面扩散方法可以但不限于应用于制造双面太阳能电池、PERT太阳能电池等。
综上所述，本发明的太阳能电池的双面扩散方法，与目前的太阳能电池生产线相兼容，无需另行增加工艺设备，可以实现工业化大规模生产；相比于现有的双面扩散方法，无需采用任何掩膜的保护即可完成两次双面扩散，节省了工艺步骤和成本；通过调整化学腐蚀法中的工艺参数，可以控制湿法腐蚀的深度，去除晶圆表面和边缘的杂质层，从而相比于现有工艺，无需另外进行晶圆边缘的刻蚀，即可完成双面扩散过程进一步简化了工艺步骤，降低了成本，有利于工业化大规模生产。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。
Claims (9)
1.一种太阳能电池的双面扩散方法，其特征在于，包括：
步骤S01：将两个晶圆的背面相对贴合；
步骤S02：对两个所述晶圆的正面进行第一掺杂元素扩散，在每个所述晶圆正面形成第一扩散层，同时在所述晶圆背面和边缘形成第一杂质层；
步骤S03：将两个所述晶圆分开，并采用湿法刻蚀去除每个所述晶圆背面和边缘的第一杂质层；
步骤S04：将两个所述晶圆的正面相对贴合；
步骤S05：对两个所述晶圆的背面进行第二掺杂元素扩散，在每个所述晶圆背面形成第二扩散层，同时在所述晶圆正面和边缘形成第二杂质层；
步骤S06：将两个所述晶圆分开，并采用湿法刻蚀去除每个所述晶圆正面和边缘的第二杂质层。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池的双面扩散方法，其特征在于，所述步骤S03采用化学腐蚀法去除所述第一杂质层，具体包括：将所述晶圆的背面向下接触药液，所述晶圆的正面向上而不接触药液；所述步骤S06采用化学腐蚀法去除所述第二杂质层，具体包括：将所述晶圆的正面向下接触药液，所述晶圆的背面向上而不接触药液。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池的双面扩散方法，其特征在于，在所述晶圆正面的所述第二杂质层为：由所述第二掺杂元素和所述第一掺杂元素形成的共掺杂层。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池的双面扩散方法，其特征在于，所述化学腐蚀法所采用的药液为酸性药液。
5.根据权利要求4所述的太阳能电池的双面扩散方法，其特征在于，所述化学腐蚀法所采用的温度为0～25℃，浸泡时间为1～800秒。
6.根据权利要求4所述的太阳能电池的双面扩散方法，其特征在于，所述酸性药液为氢氟酸、硝酸和水的混合溶液；所述氢氟酸与硝酸的比例为1:(5～10)。
7.根据权利要求1所述的太阳能电池的双面扩散方法，其特征在于，所述化学腐蚀法所采用的药液为碱性药液。
8.根据权利要求7所述的太阳能电池的双面扩散方法，其特征在于，所述化学腐蚀法所采用的温度为60～90℃，浸泡时间为1～800秒。
9.根据权利要求7所述的太阳能电池的双面扩散方法，其特征在于，所述碱性药液为氢氧化钠或氢氧化钾与异丙醇的混合溶液；所述氢氧化钠或氢氧化钾的质量分数为0.5～2.5％，所述异丙醇的质量分数为1～3％。
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