CN104393107B - 一种高方阻晶体硅电池低压扩散工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种高方阻晶体硅电池低压扩散工艺，为有效提高扩散管产能从而降低单片扩散成本，并且提高量产电池性能均匀性以提高量产电池整体性价比，本发明采用减压扩散工艺，对原有常压扩散工艺进行较大变革。和常压扩散工艺相比，本工艺可有效减小小氮总流量和总时间，能较好的控制扩散掺杂浓度纵向分布，并且可有效提高片内及片间扩散方阻均匀性。本发明的扩散工艺应用于减压扩散炉，该工艺与减压扩散炉匹配性强，适用于产业化生产，可大幅度提高产能，从而大规模应用于晶体硅电池生产线。
Description
技术领域
本发明属于晶体硅电池的制备工艺中的扩散加工领域，具体涉及一种能够提高扩散炉产能，并能提高扩散方阻值大小及片内间均匀性的扩散工艺。
背景技术
PN结是晶体硅电池的核心，制备均匀性好的高方阻发射极是提高晶体硅电池转换效率的重要途径，不仅可以降低前表面复合，以提高开路电压，而且可以较大程度的提高短波的光谱响应，以提高短路电流。高方阻银浆开发不断取得突破，已解决因方阻值高产生的串联电阻过大和发射极易烧穿问题，提高发射极的方块电阻及均匀性已成为提高电池效率的重要手段。
目前主要采用三氯氧磷(POCl3)为液态源以常压高温扩散方式制备，方阻值大小和片内间均匀性是扩散炉扩散特性最主要表征手段。常压高温扩散管通常选在管口或管尾进气，通过大氮气流带到另一端，易造成一端浓度高、另一端浓度低的现象，而且常压下气体分子自由程较小，各区域硅片接触磷源几率差距较大，只能通过调节温度控制方块电阻值，但仍旧无法保证片内及片间均匀性。常压扩散会降低扩散PN结纵向掺杂浓度的一致性，从而影响PN结深度和电性能的一致性，在相同丝网印刷烧结条件下制备电极，会提高因漏电流较大产生的不良片比例，同时降低电池性能的一致性，提高低级(B片)电池片比例，极大影响电池制备成本的降低。
考虑到常压扩散产生的以上缺陷，尝试采用低压扩散工艺技术解决扩散PN结纵向掺杂浓度不一致问题。
初期低压扩散技术主要用于半导体芯片产业，目前国际知名Centrotherm和SEMCO等公司陆续推出针对晶体硅电池的低压扩散炉。根据流体力学理论分析，压强越小，气体分子自由程越大，而且气流场稳定性越好，这样扩散管内各位置硅片及其各区域接触气体分子几率一致性越好，即片内均匀性和片间均匀性越好。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种高方阻晶体硅电池减压扩散工艺。
为了达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
所述高方阻晶体硅电池低压扩散工艺，该工艺在扩散炉中实现，包括抽气降压和升
压过程，该低压扩散工艺分如下三步进行：
(1)关闭放有硅片的扩散炉炉门后，抽气使炉内压强至设定压强并用高温氧化硅片，在硅片表面生成一薄层SiO2；
(2)通入小氮和氧气，采用两步扩散法制备PN结：第一步低温预扩散，第二步高温扩散；
(3)退火，改变扩散炉内部压强除去杂质；
步骤(1)至(3)中设定的工艺参数如下：
设定一个大气压强(常压)为1000mbar；
所述步骤(1)设定的工艺参数为：
炉内压强为50～100mbar；氧化温度为780～800℃；氧化时间为200～800sec；大氮流量为10000～30000ml/min；氧气流量为500～2000ml/min；
所述步骤(2)设定的工艺参数为：
第一步低温预扩散工艺参数为：炉内压强为50～100mbar；炉内温度为780～800℃；扩散时间为250～800sec；大氮流量为10000～30000ml/min；小氮流量为600～1000ml/min；氧气流量为500～2000ml/min；
第二步高温扩散工艺参数为：炉内压强为50～100mbar；炉内温度为800～830℃；扩散时间为250～800sec；大氮流量为10000～30000ml/min；小氮流量为600～1000ml/min；氧气流量为500～2000ml/min；
所述步骤(3)设定的工艺参数为：
设定退火温度550～650℃、优选600℃、时间为1000～3000sec；炉内压强从设定的50～100mbar升至1000mbar，再从1000mbar降至设定的50～100mbar，反复改变2～4次，每个压强改变周期在400sec以内。
优选地，所述硅片间距为1.5～5mm，高方阻值为90～130Ω/□，硅片内方阻的不均
匀度为2％～5％。
优选地，所述晶体硅电池的硅片是P型多晶硅片或P型单晶硅片，硅片电阻率在1～3
Ω·cm，厚度在180～200μm。
上述小氮即为携源氮气，大氮即为氮气，干氧即为干燥的氧气
下面结合原理及优点对本发明作进一步说明：
抽成低压可提高氧气和各位置硅片接触几率，即降低氧气流量。扩散前在硅片表面生长一薄层SiO2,达到提高扩散方阻均匀性并阻止扩散磷源在表面形成死层目的。
温度越高，扩散速率越大，高温扩散过程起到高温推结的作用，即增加p-n结的深度，高温扩散同时起到优化发射极n++层深度和浓度的目的。因此，本发明工艺中的两步扩散步骤分两步进行：第一步，低温预扩散，在硅片表面形成非活性磷源；第二步，升温扩散，把第一步形成的磷源扩散进硅片，同时起到扩散形成磷源并实现掺杂作用；
扩散后经低温退火实现推结和激活扩散磷元素作用，同时达到退火吸杂目的，从而提高扩散掺杂形成PN结质量，通过多次改变管内压强，提高除杂效果。
本发明通过实际扩散工艺直观性的演示出来，同时通过实验初步取得一定结果，在硅片间距减小一半、小氮总流量减少30％、扩散工艺总时间减少15min以上(常规扩散时间在110min左右)的情况下，方块电阻值达到120Ω/□以上，同时片内方阻不均匀度达到4.5％以内。和常压扩散炉扩散方阻不均匀度对比结果如表1和表2所示：
表1：常规扩散工艺特性表征
表2：本发明扩散工艺特性表征
该种低压扩散工艺使扩散形成的PN结深较浅，扩散掺杂浓度分布梯度变大；具体表现在N++层深度较小，且浓度较低。这样前表面不易形成死层，光生载流子复合速率小，短波的光谱响应高。按照常规工艺清洗后镀SiNx减反射膜，再印刷高方阻浆料烧结形成电池。
总之，本发明工艺基于低压扩散炉，采用浅结高方阻工艺技术路线。该种扩散工艺可提高分子自由程，从而降低对硅片间距要求，使单管扩散产能提高一倍以上；该种扩散工艺可提高片内及片间方阻均匀性，从而减少因方阻均匀性差产生的漏电和电性能不稳定问题，提高电池成品率；因发射极表面掺杂浓度低，且结深浅，可降低发射极暗饱和电流，可达到提高电池开路电压和短路电流目的。该种扩散工艺可提高产能，减小磷源用量，利于降低制备成本，是一种极具大规模推广潜力的扩散技术。
具体实施方式
实施例1
本实施例扩散炉选用中国电子科技集团公司第48研究所的扩散炉，该扩散炉内有五个加热器，分为五个温区。本扩散工艺是保持其他工艺步骤不变的前提下进行的，扩散前三步工艺步骤如下(表3)：
表3：
采用两步升温扩散方式，具体扩散步骤如下：
第一步扩散温度维持在较低水平，反应速率很慢，实现预扩散，在表面沉积磷源。
第二步升温扩散，促进磷源的分解和向硅内的扩散，同时增加表面磷源浓度。
第三步扩散过程，起到增加p-n结深度和优化表面掺杂浓度的作用。
三步的扩散工艺参数如下(表4)：
表4：
退火过程时间较长，扩散后设定温度不变，多次改变内部压强，具体退火工艺参数如下(表5)：
表5：
采用上述低压扩散工艺制备多晶硅片PN结，扩散方阻特性见上述表2，经后续相同工艺制备5000片多晶硅电池，和产线常规电池平均电性能对比如表6：
表6
Claims (2)
1.一种高方阻晶体硅电池低压扩散工艺，所述工艺在扩散炉中实现，其特征在于，所述低压扩散工艺分如下三步进行：
（1）关闭放有硅片的扩散炉炉门后，抽气使炉内压强至设定压强并用高温氧化硅片，在硅片表面生成一薄层SiO2；
（2）采用两步扩散法制备PN结：第一步低温预扩散，第二步高温扩散；
（3）退火，改变扩散炉内部压强除去杂质；
步骤（1）至（3）中设定的工艺参数如下：
所述步骤（1）设定的工艺参数为：
炉内压强为50～100mbar；氧化温度为780～800℃；氧化时间为200～800sec；大氮流量为10000～30000ml/min；氧气流量为500～2000 ml/min；
所述步骤（2）设定的工艺参数为：
第一步低温预扩散工艺参数为：炉内压强为50～100mbar；炉内温度为780～800℃；扩散时间为250～800sec；大氮流量为10000～30000ml/min；小氮流量为600～1000 ml/min；氧气流量为500～2000 ml/ min；
第二步高温扩散工艺参数为：炉内压强为50～100mbar；炉内温度为800～830℃；扩散时间为250～800sec；大氮流量为10000～30000ml/min；小氮流量为600～1000 ml/min；氧气流量为500～2000 ml/min；
所述步骤（3）设定的工艺参数为：
设定退火温度550～650℃、时间为1000～3000sec；炉内压强从设定的50～100mbar升至1000mbar，再从1000mbar降至设定的50～100mbar，反复改变2～4次，每个压强改变周期在400 sec以内；
所述硅片间距为1.5～5mm，经步骤（3）所得硅片的高方阻值为90～130Ω/□，硅片内方阻的不均匀度为2%～5%。
2.如权利要求1所述的扩散工艺，其特征在于，所述晶体硅电池的硅片是P型多晶硅片或P型单晶硅片，硅片电阻率在1～3Ω·cm，厚度在180～200μm。
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