CN107452832A - 退火处理装置以及退火处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种退火处理装置以及退火处理方法。该退火处理装置为晶系太阳能电池用的退火处理装置，包括：加热室，具有用于对杂质掺杂的基板进行热处理的内部空间；以及前室，被配置为经由闸式阀与所述加热室的内部空间连通。所述加热室具备：盒基座，放置盒支架，所述盒支架为在所述加热室的内部空间中，使多个以所述基板的表面和背面暴露的状态来保持所述基板的外周部的盒，在以规定的距离分隔开的状态下，多段重叠而成；以及气体供给单元，用于热处理。所述气体供给单元具有气体供给口，所述气体供给口朝向所述基板之间分隔开的空间且针对每个该空间为一个以上。

Description

退火处理装置以及退火处理方法
技术领域
本发明涉及一种晶系太阳能电池用的退火处理装置以及退火处理方法，其在离子注入处理之后，在为了促进硅基板的再结晶化而进行的热处理中，能够抑制从扩散了杂质离子的部位中脱离的离子对对置配置的硅基板所造成的影响。
背景技术
以往，利用晶体硅作为基体的晶系太阳能电池因转换效率和制造成本的优势而成为最广泛利用的太阳能电池。在晶系太阳能电池的领域中，为了实现转换效率的进一步提高，开发了在硅基板的表面和背面两个面配置p型、n型半导体层的背面电场(BSF：BackSurface Field)型、从其发展而来的钝化发射极背面接触电池(PERC：Passivated Emitterand Rear Cell)型、钝化发射极背面局域扩散(PERL：Passivated Emitter and RearLocally Diffused)型电池结构，并期待具有这些电池结构的晶系太阳能电池进行量产(专利文件1)。
在这种电池结构中，需要使杂质离子在硅基板的表面和背面这两面扩散。另外，一般而言，在这种电池结构中，pn结的深度为1μm以下，具有比通常更浅的倾向(专利文件2)。因此，在进行离子注入时，需要通过低注入能量来形成。
另一方面，作为对硅基板导入杂质的方法，已知一种将作为杂质的原子电离，在施加加速能量的基础上，将离子照射到硅基板的表面并导入到硅基板内部的所谓的离子注入法。
在离子注入法中，能够对欲作为杂质而注入的离子进行质量分离以进行选择。另外，通过对离子施加加速能量，从而能够针对硅基板的所需区域，以良好的控制性来注入离子直至很深的区域。
进而，在对大型基板的处理及装置的小型化方面值得期待的是作为非质量分离型的离子注入法的等离子体掺杂法(专利文件3)。
利用这些离子注入法进行杂质导入时，在进行注入处理之后，为了促进硅基板的再结晶化，需要进行热处理。这种热处理通常使用热壁型的热处理炉，通过在盒中以多段式来保持多块硅基板并同时加热，从而具有能够同时对多块硅基板进行热处理的优点(专利文件4)。为了实现量产成本的降低，在离子注入之后进行的、热处理炉中的工序需要对多块基板同时进行再结晶化处理。
在热处理炉中，在对在表面和背面两个面导入了杂质的多块硅基板同时进行热处理的情况下，当杂质离子残存在硅基板的表面上时，存在着其向外方扩散，污染其他硅基板的表面的问题。
另外，即使在杂质离子被导入硅基板内部的情况下，当导入深度浅时，硅基板的表层的离子因加热而得到能量，有时也会从硅基板中脱离，这些脱离的离子也会成为污染其他硅基板的表面的主要原因。
在上述的质量分离型的离子注入法中，在导入深度浅时(较浅地形成pn结时)，存在着将注入能量抑制得较低，离子无法全部导入到硅基板内部而残存在表面上、硅基板内部的离子因热处理而脱离的问题。由此，担心对对置配置的基板的污染。
另外，在等离子体掺杂法中，与具有加速机构的离子注入法不同，仅存在用于将在等离子体空间中电离的离子引出至硅基板的电极。因此，即使在等离子体掺杂法中，也与上述质量分离型的离子注入法同样地，会产生离子无法全部导入到硅基板内部而残存在表面上、硅基板内部的离子因热处理而脱离的问题。据此，寻求对对置配置的基板的污染的防止对策。
进而，在等离子体掺杂法中，由于与在导入到等离子体空间中的原料气体中所包含的欲注入的杂质不同的原子也同时被电离，因此能量也会分散到这些离子中，还会出现对欲作为杂质离子而注入硅基板的离子所分配的能量减小的现象。因此，在等离子体掺杂法中，存在着离子无法全部导入到硅基板内部而残存在表面上、硅基板内部的离子因热处理而脱离的问题明显化的倾向(专利文件5)。
也就是说，无法全部导入到硅基板内部而残存在表面上的离子、因热处理而从硅基板内部脱离的离子成为对对置配置的硅基板的污染源的现象并不依赖于非质量分离型或质量分离型，不论是在离子注入法中还是在等离子体掺杂法中，都会多多少少地发生，因而期待开发出其对策。
专利文件1：日本特开2004-6565号公报
专利文件2：日本特开2012-199517号公报
专利文件3：日本特开2013-16552号公报
专利文件4：日本特开2010-272720号公报
专利文件5：日本特开2013-105887号公报
发明内容
本发明是有鉴于这种以往的实际情况而设计的，其目的在于提供一种晶系太阳能电池用的退火处理装置以及退火处理方法，能够抑制因热处理而从杂质掺杂的基板中脱离的离子对对置配置的基板所造成的影响。
本发明的第一方式所涉及的退火处理装置为晶系太阳能电池用的退火处理装置，包括：加热室，具有用于对杂质掺杂的基板进行热处理的内部空间；以及前室，被配置为经由闸式阀与所述加热室的内部空间连通，所述加热室具备：盒基座，放置盒支架，所述盒支架为在所述加热室的内部空间中，使多个以所述基板的表面和背面暴露的状态来保持所述基板的外周部的盒，在以规定的距离分隔开的状态下，多段重叠而成；以及气体供给单元，用于热处理，所述气体供给单元具有气体供给口，所述气体供给口朝向所述基板之间分隔开的空间且针对每个该空间为一个以上。
在本发明的第一方式所涉及的退火处理装置中，所述气体供给单元的气体供给口的开口部的形状可以为椭圆形形状或狭缝状，所述椭圆形形状在与所述基板的表面和背面平行的方向上具有长轴。
在本发明的第一方式所涉及的退火处理装置中，所述气体供给单元可以具备一个以上的对气体流量进行调整的单元。
本发明的第二方式所涉及的退火处理方法为晶系太阳能电池用的退火处理方法，为了在基板的表面和背面两个面或任意一个面形成杂质区域，在包含退火气体的气氛下对所述基板进行热处理，在进行所述热处理的空间内，通过盒以所述基板的表面和背面暴露的状态来保持所述基板的外周部，并且将多个所述盒配置为以规定的距离分隔开的状态，一边从具有气体供给口的气体供给源导入包含杂质元素的气体一边进行热处理，所述气体供给口朝向所述基板之间分隔开的空间且针对每个该空间为一个以上。
在本发明的第二方式所涉及的退火处理方法中，所述气体供给口在所述基板之间分隔开的空间中，使所述退火气体以雷诺数成为3000以下的方式流过。
在本发明的第一方式所涉及的退火处理装置中，在具有用于对杂质掺杂的基板进行热处理的内部空间的加热室中，保持该基板的表面和背面暴露的状态，并且将其配置为以规定的距离分隔开的状态。另外，气体供给单元被配置为具有气体供给口，所述气体供给口朝向所述基板之间分隔开的空间且针对每个该空间为一个以上。通过这些配置，被导入加热室的气体并不是单纯释放到加热室的内部空间，而是被严密诱导到基板之间分隔开的空间内。
也就是说，根据本发明的第一方式，能够一边朝向基板之间分隔开的空间内针对各空间来控制所希望的气体的流动方向和流速等，一边对基板的两个面(表面和背面)进行热处理。在这里，“针对各空间来控制”是指例如当在加热室的内部空间中重叠配置有50块基板且具有基板之间分隔开的空间时，在50块基板的重叠方向上，对于位于一个端部附近的空间、位于中央部附近的空间、以及位于另一个端部附近的空间，采用单独设定了条件的气体的流动方式。
因此，本发明的第一方式的贡献在于提供一种能够抑制因热处理而从杂质掺杂的基板中脱离的离子对对置配置的基板所造成的影响的晶系太阳能电池用的退火处理装置。
在本发明的第二方式所涉及的退火处理方法中，在如前所述的基板的配置结构中，通过一边从具有气体供给口的气体供给源导入包括杂质元素的气体一边进行热处理，从而能够“针对各空间来控制”热处理条件，其中气体供给口朝向所述基板之间分隔开的空间且针对每个该空间为一个以上。据此，对于单独设定了条件的气体的流动方式，能够针对各空间，一边保持精密且一直管理的状态，一边进行单独设定。也就是说，根据本发明的第二方式所涉及的退火处理方法，能够在所述基板的表面和背面的两个面或任意一个面形成杂质区域。此外，在本发明中，有时也将所述基板的表面和背面称为被处理面。
因此，本发明(退火处理方法)并不限定于对基板的两个面(表面和背面)注入杂质并对两个面同时进行退火处理的情况，还能够适用于仅对单面进行处理的情况(例如，如背面接触(BC)型太阳能电池这样，仅在基板的单面设置p型、n型两者的杂质区域的情况、各单面反复进行“杂质掺杂-退火处理”的情况)，并且是有效的。即，即使仅对基板的单面进行处理时，在以表面和背面两个面露出的方式来保持基板的情况下，本发明作为能够降低未处理面的污染的方法而发挥了效果。
因此，本发明带来一种能够抑制因热处理而从杂质掺杂的基板中脱离的离子对对置配置的基板所造成的影响的晶系太阳能电池用的退火处理方法。
附图说明
图1是示出本发明所涉及的晶系太阳能电池的一实施方式的示意剖视图。
图2是示出杂质掺杂处理的步骤的示意剖视图。
图3是示出本发明所涉及的晶系太阳能电池的制造工序的流程图。
图4是示出本发明所涉及的离子注入装置的示意剖视图。
图5是本发明所涉及的退火处理装置(气体的流动为层流)的示意图。图5的(a)是从上方看到的剖视图，图5的(b)是从侧方看到的剖视图，图5的(c)是在图5的(b)中气体供给单元附近的放大剖视图。
图6是示出在图5的(c)中，位于上下的基板与气体供给单元的开口部的关系的放大剖视图。
图7是示出气体供给单元的开口部的开口形状的概略图。图7的(a)示出圆形形状的情况，图7的(b)示出椭圆形的情况。
图8是在本发明所涉及的电极膜形成中所用的成膜装置的示意剖视图。
图9是示出实施例1(将气体导入设为多点且层流，对单面注入杂质的情况)的图。图9的(a)是基板的配置图，图9的(b)是评价结果一览表。
图10是示出比较例1(设为一点气体导入，对单面注入杂质的情况)的图。图10的(a)是基板的配置图，图10的(b)是评价结果一览表。
图11是示出薄层电阻值的表面分布的等高线图。图11的(a)和图11的(b)示出样品2(实施例1)的退火处理前和退火处理后。图11的(c)和图11的(d)示出样品6(比较例1)的退火处理前和退火处理后。
图12是示出实施例2(将气体导入设为多点且层流，对两面注入杂质的情况)的图。图12的(a)是基板的配置图，图12的(b)是评价结果一览表。
图13是示出实施例3(将气体导入设为多点且层流，对单面注入杂质，评价向背面的绕回的情况)的图。图13的(a)是基板的配置图，图13的(b)是评价结果一览表。
图14是以往的退火处理装置(气体导入为一点)的示意图。图14的(a)是从侧方看到的剖视图，图14的(b)是在图14的(a)中气体供给单元附近的放大剖视图。
图15是示出注入了杂质的面(一个基板)对与其对置配置的面(另一个基板)所造成的影响的示意剖视图。
符号说明
500 退火处理装置
501 盒
501S 基板
502 盒基座
503 盒支架
510 加热室
512 加热室的内部空间
515 气体供给单元
515LP1、515LP2、……515LPN 气体供给口
517 闸式阀
520 前室
522 前室的内部空间
具体实施方式
下面，基于附图对本发明所涉及的退火处理装置以及退火处理方法的最佳方式进行说明。此外，本实施方式是为了更好地理解发明宗旨而具体进行说明，只要没有特别指定，就不用以限定本发明。
<实施方式>
图1是示出使用本发明所涉及的退火处理装置以及退火处理方法而制作的、晶系太阳能电池100的一实施方式的示意剖视图。
在图1中，构成晶系太阳能电池100E(100)的基体101由体现光电转换功能的第一导电型(例如n型半导体)的晶系硅构成。在基体101的背面(图1中为下表面)101b上，掺杂有p型离子的区域(也称为A:p+部位)102以按照所希望的图案而局部存在(相互分隔开)的方式配置有多个。在基体101的表面(图1中为上表面)101a上，掺杂有n型离子的区域(也称为B:n+部位)103以按照所希望的图案而局部存在(相互分隔开)的方式配置有多个。在图1中，朝向基体101的表面101a(向下的)的箭头表示光入射方向。
这种对于基体101的杂质掺杂处理例如经过图2所示的工序(a)～(e)来进行。
此外，在本实施方式中，为了形成n+部位和p+部位而使用非质量分离型的离子注入法，如果是以离子的状态将杂质原子导入到基体101，则方法并不限于非质量分离型的离子注入法，质量分离型的离子注入法等也能够进行杂质导入。但是，在以下的说明中，使用非质量分离型的离子注入法作为杂质导入法的代表例来进行详细描述。
图2是表示制造图1的晶系太阳能电池的步骤的示意剖视图。
对于用于制造第一实施方式所涉及的晶系太阳能电池101E的各工序，使用图2～图4，特别是在图3中，对于设为附图标记α的各工序[Si基板的前处理→利用离子注入形成部位(A)→利用离子注入形成部位(B)→退火处理]进行详细描述。
此外，对于相当于设为附图标记α的各工序的后段的、设为附图标记β的各工序[电极膜形成→图案化(光刻)→绝缘膜形成]，保留适于电极膜形成的成膜装置的示例。
电极膜形成是以覆盖包括p+部位(A)102和n+部位(B)103的基体101的上下表面的全部区域的方式来形成金属膜(例如Cu膜)的工序。然后，金属膜通过实施所希望的图案化处理，从而作为电极来利用。作为金属膜，除了Cu膜以外，还优选使用Ag膜等。但是，电极并不限定于金属膜，还可以使用透明导电膜来代替金属膜。
在上述金属膜的形成中，例如使用图8所示的组合式的溅射装置800来进行。
在图8的制造装置800中，基板858[相当于形成有部位(A)102和部位(B)103的基板101]通过未图示的运送单元，能够在放入取出室(L/UL)851、加热室(H)852、成膜室(S1)853的内部移动。在上述的各室851、852、853中分别配置有可用于对其内部空间进行减压的排气单元851P、852P、853P。
首先，将基板858从制造装置向由外部(大气气氛)设为大气压的放入取出室851导入。然后，使用排气单元851P将放入取出室851设为减压气氛。接着，将基板858从被设为减压气氛的放入取出室851向加热室852运送，通过加热单元859实施所希望的热处理。
接着，将热处理后的基板858从加热室852向成膜室853运送，通过使其在由Cu构成的靶862前通过，从而在基板858上形成Cu膜。
此时，通过在靶862的对置位置处设置与靶862同样的靶861，从而还可以在基板858的表面和背面两个面上形成Cu膜。将靶862放置在背板863上，在进行溅射时从气体供给源865导入所希望的工艺气体，并且从电源864对背板863供给所希望的电力。
而后，将形成有Cu膜的基板858从成膜室853向放入取出室851运送，并从制造装置向外部(大气气氛)取出。这里，在成膜室865中，当不在靶862的对置位置处设置靶861时，将被取出到外部的基板858的表面和背面交换，并重新放置在未图示的运送单元上，通过重复上述的步骤，从而在基板101的表面和背面两个面上形成Cu膜。
接着，通过实施所希望的图案化处理，从而以分别覆盖p+部位(A)102和n+部位(B)103的方式来获得局部存在的电极。
在上文中，作为电极膜形成工序，对使用了溅射装置的金属膜的成膜进行了说明，但本发明并不限定于此。还可以通过印刷法进行图案化以形成电极来代替金属膜的成膜。
在下文中，返回图3，对设为附图标记α的各工序[Si基板的前处理→利用离子注入形成部位(A)→利用离子注入形成部位(B)→退火处理]进行详细的说明。
首先，对于由晶系硅构成的基板101，进行例如使用氢氧化钾(KOH)或氢氧化钠(NaOH)来作为蚀刻剂的湿法刻蚀处理。而后，使用氟硝酸将残存在处理后的基板101上的有机物和金属污染物去除。据此，如图2的(a)所示，将基板101的表面101a和基板101的背面101b加工为具有纹理的形状[Si基板的前处理工序(第一工序)：图3]。
对于上述的被加工为具有纹理的形状的、基板101的背面101b和基板101的表面101a，分别使用规定的掩膜M1和M2，并分别注入所希望的离子。在图2的(b)、图2的(d)中，在掩膜M1的下方或掩膜M2的上方所示的箭头表示离子的注入方向。
如图2的(b)所示，将掩膜M1设置在基板101的背面101b附近。
而后，通过设置于掩膜M1的开口部S1，将硼(B)离子等p型离子局部注入到基板101的背面101b(向上的箭头)。据此，如图2的(c)所示，在基板101的背面101b形成p+部位(A)102[利用离子注入形成部位(A)的工序(第二工序)：图3]。
如图2的(d)所示，将掩膜M2配置在基板101的表面101a附近。
而后，通过设置于掩膜M2的开口部S2，将磷(P)离子等n型离子局部注入到基板101的表面101a(向下的箭头)。据此，如图2的(e)所示，在基板101的表面101a形成n+部位(B)103[利用离子注入形成部位(B)的工序(第三工序)：图3]。
进而，本发明所涉及的晶系太阳能电池的制造方法是在基板101的背面101b形成p+部位(A)102之后，或者在基板101的背面101b形成p+部位(A)102，进而在基板101的表面101a形成n+部位(B)103之后，进行退火处理[退火处理(第四工序)]。
在上述离子注入中，通过使用开口部的形状不同的掩膜M1和M2，从而能够针对基板101的背面101b和表面101a，自如地制作注入离子的部位(A)102和部位(B)103。此时，通过变更离子注入条件，从而能够分别针对部位A和部位B，自由地对其深度方向上的浓度分布和注入剖面进行控制。
上述的第一工序和第二工序中的离子的注入例如使用图4所示的离子注入装置400来进行。
图4是在本发明中，在p型离子注入工序(第二工序)和n型离子注入工序(第三工序)中所用的、离子注入装置400的剖视图。离子注入装置400具备：真空槽401、基于使用了永磁铁405、RF导入线圈406和RF导入窗(石英)412的ICP放电的等离子体发生单元、以及真空排气单元(未图示)。
真空槽401的内部通过具有多个开口(例如、网眼状的)电极408、409，被分离为等离子体发生室和等离子体处理室。在等离子体处理室中配置有对作为被处理体的基板403(相当于纹理形成工序后的基板101)进行支撑的基板支撑台404。此外，电极408被设为浮动电位，具有使等离子体407的电位稳定的功能。另外，电极409被施加负电位，具有从等离子体407引出正离子的功能。即，图4的离子注入装置400为非质量分离型的离子注入装置。
对真空槽401内进行减压，将包含有欲注入到基板403的杂质原子的气体导入到等离子体发生室。而后，通过使用等离子体发生单元来使等离子体407被激发，从而能够使杂质原子电离，使经由电极408、409而引出的p型或n型离子被注入到基板403。
这里，在晶系太阳能电池的制造中，寻求廉价进行制造的方法，需要利用同时一并处理多块基板的制造装置来进行退火处理工序(图3)。该退火处理以往例如使用如图14所示的退火处理装置1300。
图14是以往的退火处理装置(气体导入为一点)的示意图，图14的(a)是从侧方看到的剖视图，图14的(b)是在图14的(a)中气体供给单元附近的放大剖视图。
图14所示的退火处理装置1300采用纵型加热炉，在一盒中设置一块基板(通过第二工序和第三工序，p型和n型离子注入工序后的基板)，能够以批处理方式，同时对多个该盒进行热处理。
图14的退火处理装置1300由加热室1310和前室1320构成，加热室1310的内部空间1312和前室1320的内部空间1322可通过闸式阀1317被遮断。加热室1310具备将退火气体供给到内部空间1312的气体供给单元1315。
在前室1320的内部空间1322中，将盒支架1303配置在盒基座1302上，所述盒支架1303是将多个以表面和背面暴露的状态来保持基板的外周部的盒1301多段重叠而成。
在将加热室1310的内部空间1312向大气开放的状态下打开闸式阀1317，通过未图示的移动单元，使处于该状态的盒基座1302从前室1320的内部空间1322向着加热室1310的内部空间1312上升(向上箭头)。然后，关闭闸式阀1317，使用排气单元(P)1314将加热室1310的内部空间1312设为减压气氛。此外，也可以不将加热室1310的内部空间1312设为减压气氛，而是直接导入后述的退火气体来进行大气压退火。
然后，从气体供给单元1315中将退火气体供给到加热室1310的内部空间1312，在被管理的气氛下，通过规定的温度分布来进行大气压退火处理。这里，导入的气体为氮气(N2)或氧气(O2)，还可以在其中添加氢气(H2)来使用。
如此，通过对退火气体添加氢，从而能够在第二、第三工序中修复形成在基板101的最表面的不饱和键(ダングリングボンド)。
将基板温度设为规定的温度以下之后，停止导入上述气体，将加热室1310的内部空间1312设为大气开放的状态并打开闸式阀1317。然后，通过未图示的移动单元，使盒基座1302从加热室1310的内部空间1312向着前室1320的内部空间1322下降(向下箭头)。
通过以上的步骤来进行本发明的退火处理。此时，退火处理的条件被确定为与基板内部中的n型离子和p型离子的扩散系数相应的最佳条件。对于退火处理的温度，根据杂质导入单元的方式及其条件、欲作为杂质而导入的离子的种类等来选择合适的温度，约为400℃至1100℃的范围。另外，退火处理花费的时间与温度同样地，根据杂质导入单元的方式及其条件、用于导入杂质的离子的种类等来选择合适的时间，约为10分钟～3小时的范围。
在以往的退火装置1300中，如图14的(a)所示，供给退火气体的气体供给单元1315被设置在加热室1310的内部空间1312之中的下方或上方的一部分中。具体而言，如图14的(b)所示，朝向被重叠配置的最下段的基板1301S1与盒基座1302之间的空间，并且在释放退火气体1315A的位置处，设置有气体供给单元1315。据此，设为如下结构，即，在将从气体供给单元1315供给的退火气体1315A朝向加热室1310的内部空间1312而一并局部性导入之后，通过进行扩散，从而到达位于比最下段的基板1301S1更上方的各基板间。
在设为图14的(b)的结构时，可知在基板间，会产生如图15所示的问题。图15示出两块基板(Si)被对置配置，在呈对置的一个基板面中注入有n型离子(磷(Phos.))或p型离子(硼(Boron))的状态。在这种状态下，例如，在一边在950～1050℃供给退火气体一边对基板(Si)进行退火处理时，确认了所注入的离子朝向基板间的空间扩散并释放(向外扩散(Out Diffusion)：图15的虚线包围的部分)，对对置配置的基板造成影响，对置配置的基板的面内的薄层电阻值(シート抵抗値)的均匀性(Uniformity)发生较大变化(后述的图10)。
上述的“对置配置的基板的薄层电阻值的均匀性发生较大变化的现象”并不依赖于从气体供给单元1315供给的退火气体1315A被释放的高度位置。即，图14示出其高度位置设置在加热室1310的内部空间1322之中下方的情况，但进而设置在上方的情况也会变为同样的结果。
即，在以往的结构中，即使使退火处理装置中导入气体的位置变化，虽然位于特定的段(气体导入位置的正面附近)的基板得到改善(保持薄层电阻值的均匀性)，但是在其他段还是会产生图15的现象。也就是说，以往的退火装置1300虽然是拥有高量产性的装置，但是在稳定保持薄层电阻值的均匀性这点上还处于应改善的状况。
本发明人等为了实现上述的改善而进行锐意研究的结果是设计了图5～图7所示的退火处理装置。
图5是本发明所涉及的退火处理装置(气体的流动为层流)的示意图，图5的(a)是从上方看到的剖视图，图5的(b)是从侧方看到的剖视图，图5的(c)是在图5的(b)中气体供给单元附近的放大剖视图。
图5的退火处理装置500对于多段重叠配置的多块基板进行退火处理，基本的装置结构承袭以往的退火处理装置1300。两者的不同点在于供给退火气体的气体供给单元515以及气体释放部(开口部)与各基板的位置关系。
本发明所涉及的晶系太阳能电池用的退火处理装置500由加热室510和前室520构成，加热室510的内部空间512与前室520的内部空间522可通过闸式阀517被遮断。加热室510具备将退火气体供给到内部空间512的气体供给单元515。
在前室520的内部空间522中，能够将盒支架503配置在盒基座502上，所述盒支架503是将多个以表面和背面暴露的状态来保持基板的外周部的盒501多段重叠而成。
即，如图5所示，本发明的退火处理装置500包括：加热室510，具有用于对杂质掺杂的基板501S进行热处理的内部空间512；以及前室520，被配置为经由闸式阀517与加热室510的内部空间512连通。
加热室510具备：盒基座502，放置盒支架503，所述盒支架503是在加热室510的内部空间512中，使多个以由基板的表面和背面构成的被处理面暴露的状态来保持所述基板的外周部的盒501，在以规定的距离分隔开的状态下，多段重叠而成；以及气体供给单元515，用于热处理。
通过具备这种结构，如图5的(b)所示，本发明的退火处理装置500在具有用于对上述的杂质掺杂的基板(通过盒501而保持外周部的基板)进行热处理的内部空间512的加热室510中，保持该基板的表面和背面暴露的状态，并且将其配置为以规定的距离分隔开的状态。
如图5的(c)所示，上述的气体供给单元515在加热室510的内部空间512中具备在盒501的重叠方向(基板的重叠方向)上与各盒501的端部以规定的距离保持平行而延伸设置的部位515L。部位515L具有朝向通过盒501被保持外周部的基板之间分隔开的空间且针对每个该空间为一个以上的气体供给口515LP1、515LP2、……515LPN。如图5的(a)所示，部位515L被配置在外周被保持在盒501中的矩形形状的基板的角部(角落部)附近。据此，退火气体的行进方向被控制为沿箭头方向(在基板中从特定的角部朝向位于对置的角部的方向)流动。
也就是说，气体供给单元515被配置为具有朝向所述基板之间分隔开的空间且针对每个该空间为一个以上的气体供给口(515LP1、515LP2、……515LPN)。通过这些配置，被导入加热室510的气体(图5的(c)的粗白箭头)并不是单纯释放到加热室的内部空间，而是被严密诱导到基板之间分隔开的空间内。
换言之，在本发明的退火处理装置500中，能够一边朝向基板之间分隔开的空间内针对各空间来控制所希望的气体的流动方向和流速等，一边对基板的两个面(表面和背面)进行热处理。这里，“针对各空间来控制”是指例如当在加热室的内部空间中重叠配置有50块基板且具有基板之间分隔开的空间时，在50块基板的重叠方向上，对于位于一个端部附近的空间、位于中央部附近的空间、以及位于另一个端部附近的空间，采用单独设定了条件的气体的流动方式。
图6是表示在图5的(c)中，位于上下的基板与气体供给单元的开口部的关系的放大剖视图。
在图6中，附图标记A为保持在盒501中的一个基板(Sub1)的上表面与另一个基板(Sub2)的基板间距离，附图标记B为各基板的板厚。附图标记C为保持在盒501中的基板的端部与气体供给单元515的延伸设置的部位515L的距离。在部位515L中配置有气体供给单元的开口部515LP(附图标记D为开口部的(基板间方向的)口径)，朝向两块基板间的空间来供给退火气体G。附图标记E表示部位515L的内径(在图6中，部位515L的壁厚省略)。箭头X表示基板间的中心位置(短划线)的方向。
图7是示出在气体供给单元的部位515L中设置的开口部515LP的开口形状的概略图，(a)为圆形形状的情况，(b)为椭圆形的情况。
并不依赖于开口部515LP的开口形状，开口部515LP的中心位置之间的分开距离被设定为与基板间距离A相同的距离，通常被设为所希望的一定距离。
如图7的(a)所示，将开口形状设为圆形形状时，退火气体G的释放方向能够使退火气体G沿着以箭头X的方向为中心的圆形(等角的)朝向基板间的空间行进。
如图7的(b)所示，将开口形状设为椭圆形形状时，退火气体G的释放方向能够使退火气体G沿着以箭头X的方向为中心的椭圆形形状(与圆形的情况相比，与基板面呈平行)朝向基板间的空间行进。
在图7中，示例了在基板间设置一个开口部515LP的情况，根据需要，也可以设置两个以上的开口部515LP。例如，通过设置两个以上的开口部515LP，从而能够对流量进行调整。或者，能够针对位于上下的基板而单独地(非对称地)对退火气体G相对于基板间的流动方式进行控制等，从而自由地对退火气体G的干预程度进行调整。
在后述的各实施例中，作为气体供给单元的部位515L，作为管状的石英管，使用内径E为4mm、全长1055mm的物质。石英管的壁厚为1mm，外径为6mm。相对于部位515L的长度方向的中央附近，以6mm间距设置有70个开口部(D＝4mm)515LP。设置有70个开口部515LP的区域为部位515L的总长度的一半以下(6×70＝420mm)，在其上方和下方存在有并不存在开口部的区域。因此，由管状的石英管构成的部位515L具备充分的强度。
在后述的各实施例中，在气体供给单元的部位515L中，设为A＝6mm、B＝180μm、C＝10mm左右、D＝4mm、E＝4mm。
<实施例1>
本例为“将气体导入设为多点且层流，对单面注入杂质的情况”。使用图5的退火处理装置500并设为图6和图7的配置来进行退火处理。
即，如图5的(c)所示，气体供给单元515在加热室510的内部空间512中具备在盒501的重叠方向(基板的重叠方向)上与各盒501的端部以规定的距离保持平行而延伸设置的部位515L。在该部位515L中，配置有朝向两个基板之间分隔开的空间且针对该空间为一个的气体供给口。据此，在两个基板之间分隔开的空间中，退火气体被设为作为“层流”流动的状态。
在对气体的流动进行分类时，能够分类为层流(laminar flow)和湍流(turbulentflow)。将流动从层流向湍流转移称为迁移(transition)，众所周知，根据雷诺数，迁移由作为无因次数的雷诺数(Re)来确定。
例如，在配管内流动的流体中，“层流”正如其名被定义为流动的各层整齐排列一丝不乱地流动的状态，“湍流”被定义为从前面流动的物质的微观来看，各流体微粒在前后左右任意流动的状态。此外，关于“层流”，在后段(实施例3)中详细研究。
图9对实施例1进行说明，图9的(a)表示基板的配置图，图9的(b)表示评价结果一览表。本例如图9的(a)所示为着眼于特定的基板间来进行评价的结果，仅对下方的基板的上表面进行了离子注入。在图9的(b)的一览表中，样品1和样品2为作为p型离子而注入有硼(B)的情况(注入中所用的离子为BF3+)，样品3和样品4为作为n型离子而注入有磷(P)的情况(注入中所用的离子为PH3+)。
也就是说，如图9的(a)所示，位于下方的基板的上表面为注入面，下表面为未注入面。位于上方的基板的上下表面均为未注入面。即，在图9的(b)中，“对置面”是指位于上方的基板的下表面。
在图9的(b)中，示出各样品的处理条件、使用的基板的种类、“对置面”中的薄层电阻值、以及基板的面内的薄层电阻值的均匀性(Uniformity)的、退火处理前与退火处理后的值。
在实施例1中，将在氮气中添加了氧气后的气体以5SLM的流量导入到加热室中以作为退火气体。另外，将退火处理的温度设为1000℃，退火处理花费的时间设为3小时。
根据图9的(b)的评价结果一览表，可以明确以下几点。
(A1)在样品1、2[注入有硼(B)的情况]中，对置面的薄层电阻的均匀性(Uniformity)为退火处理后(13.5％和9.9％)，并未比退火处理前(14.8％和17.5％)劣化。
(A2)在样品3、4[注入有磷(P)的情况]中，也与上述A1同样。即，对置面的薄层电阻的均匀性(Uniformity)为退火处理后(7.8％和9.0％)，并未比退火处理前(13.9％和11.3％)劣化。
根据以上的结果可知，在本发明所涉及的退火处理装置中，被导入加热室的退火气体并不是单纯释放到加热室的内部空间，而是被严密诱导到基板之间分隔开的空间内，因此能够抑制因热处理而从杂质掺杂的基板中脱离的离子对对置配置的基板所造成的影响。所以，本发明的退火处理装置适于制造寻求基板面内的均匀的发电特性的晶系太阳能电池。因此，本发明带来与以往的装置同样地拥有高量产性并且还能够稳定保持薄层电阻值的均匀性的退火处理装置。
另外，根据以上的结果可知，在本发明所涉及的退火处理方法中，在如前所述的基板的配置结构中，通过一边从具有朝向所述基板之间分隔开的空间且针对每个该空间为一个以上的气体供给口的气体供给源导入包含杂质元素的气体一边进行热处理，从而能够“针对各空间来控制”热处理条件。因此，根据本发明的退火处理方法，确认了对于单独设定了条件的气体的流动方式，能够针对各空间，一边保持精密且一直管理的状态，一边进行单独设定。因此，本发明的退火处理方法对抑制因热处理而从杂质掺杂的基板中脱离的离子对对置配置的基板所造成的影响做出贡献。
<比较例1>
本例为“设为一点气体导入，对单面注入杂质的情况”。使用图14的(a)的退火处理装置1300并设为图14的(b)的配置来进行退火处理。
即，在图14的(a)的退火处理装置1300中，从气体供给单元1315中释放退火气体1315A的位置仅被设为下部一点。即，在加热室1310的内部空间1312中，以将退火气体1315A释放到比位于最下方的基板1301S1(1301)更下方的空间的方式来配置气体供给单元1315的开口部。
根据这种结构，从气体供给单元1315的开口部中释放出的退火气体1315A以几乎没有方向性地漂移的方式进入加热室1310的内部空间1312，并在基板间的空间中行进。因此，退火气体1315A的流动难以呈“层流”，大致不可避免地成为“湍流”。因此，根据基板的重叠位置(例如，在加热室1310的内部空间1312中，位于下方的基板间与位于上方的基板间)，在基板间流动的退火气体1315A的流动具有极为不同的倾向。
图10对比较例1进行说明，图10的(a)表示基板的配置图，图10的(b)表示评价结果一览表。本例如图10的(a)所示为着眼于特定的基板间来进行评价的结果，仅对下方的基板的上表面进行了离子注入。在图10的(b)的一览表中，样品5和样品6为作为p型离子而注入有硼(B)的情况(注入中所用的离子为BF3+)，样品7和样品8为作为n型离子而注入有磷(P)的情况(注入中所用的离子为PH3+)。
也就是说，如图10的(a)所示，位于下方的基板的上表面为注入面，下表面为未注入面。位于上方的基板的上表面和下表面均为未注入面。即，在图10的(b)中，“对置面”是指位于上方的基板的下表面。
在图10的(b)中，示出各样品的处理条件、使用的基板的种类、“对置面”中的薄层电阻值、以及基板的面内的薄层电阻值的均匀性(Uniformity)的、退火处理前与退火处理后的值。
在比较例1中，与实施例1同样地，将在氮气中添加了氧气后的气体以5SLM的流量导入到加热室中以作为退火气体。另外，退火处理的温度为1000℃，退火处理花费的时间为3小时。
根据图10的(b)的评价结果一览表，可以明确以下几点。
(B1)在样品5、6[注入有硼(B)的情况]中，对置面的薄层电阻的均匀性(Uniformity)为退火处理后(40.4％和35.1％)，相比退火处理前(5.0％和5.7％)发生了劣化。
(B2)在样品7、8[注入有磷(P)的情况]中，也与上述B1同样。即，对置面的薄层电阻的均匀性(Uniformity)为退火处理后(48.9％和50.2％)，相比退火处理前(8.8％和5.6％)也发生了劣化。
根据以上的结果，在以往的退火处理装置中，由于被导入加热室的退火气体是单纯释放到加热室的内部空间，因此并未被严密诱导到基板之间分隔开的空间内。据此，可知无法抑制因热处理而从杂质掺杂的基板中脱离的离子对对置配置的基板所造成的影响。因此，以往的退火处理装置并不适于制造寻求基板面内的均匀的发电特性的晶系太阳能电池。虽然以往的装置具备高量产性，但是难以稳定地保持薄层电阻值的均匀性。
在这里，图11是示出实施例1的样品2和比较例1的样品6的、各自的“对置面”的薄层电阻值的表面分布的等高线图。图11的(a)表示样品2(实施例1)的退火处理前，图11的(b)表示样品2(实施例1)的退火处理后，另外，图11的(c)表示样品6(比较例1)的退火处理前，图11的(d)表示样品6(比较例1)的退火处理后。
在退火处理前的样品2[图11的(a)]和样品6[图11的(c)]中，薄层电阻值均具有从基板中心几乎成为同心圆状的分布，可以看出薄层电阻值从基板中心向基板外缘增加的趋势，而当观察退火处理后的样品2[图11的(b)]和样品6[图11的(d)]时，在样品2中，在退火处理前看到的同心圆状的分布略微崩溃，但是薄层电阻值从基板中心向基板外缘增加的趋势相同，在样品6中，相反地看出薄层电阻从基板中心向基板外缘减少的趋势，进而，如将基板表面从中心线分割为一半，薄层电阻值的大小的分布变得强烈可见。
<实施例2>
本例为“将气体导入设为多点且层流，对两面注入杂质的情况”。与实施例1同样地，使用图5的退火处理装置500并设为图6和图7的配置来进行退火处理。
即，如图5的(c)所示，气体供给单元515在加热室510的内部空间512中具备在盒501的重叠方向(基板的重叠方向)上与各盒501的端部以规定的距离保持平行而延伸设置的部位515L。在该部位515L中，配置有朝向两个基板之间分隔开的空间且针对该空间为一个的气体供给口。据此，在两个基板之间分隔开的空间内，退火气体被设为作为“层流”流动的状态。
图12对实施例2进行说明，图12的(a)表示基板的配置图，图12的(b)表示评价结果一览表。本例如图12的(a)所示为着眼于特定的基板间来进行评价的结果，为在以实线示出的注入基板(n型)的上下配置了以虚线示出的注入基板的情况。在所有的注入基板中，均在上表面注入有硼(B)(注入中所用的离子为BF3+)，在注入基板的下表面注入有磷(P)(注入中所用的离子为PH3+)的情况。也就是说，实施例2对于两面同时处理的情况进行了研究。
在本例中，对在图12的(a)中以实线示出的注入基板的上表面和下表面进行了评价。在这种情况下，上表面和下表面均为对置的面，为注入了不同类型的杂质的面。
在图12的(b)中，示出上表面和下表面的处理条件、薄层电阻值、以及基板的面内的薄层电阻值的均匀性(Uniformity)的、退火处理后的值。
在实施例2中，将在氮气中添加了氧气后的气体以5SLM的流量导入到加热室中以作为退火气体。另外，退火处理的温度为1000℃，退火处理花费的时间为3小时。
根据图12的(b)，可以明确以下几点。
(C1)在两面同时处理时，不论在注入基板的上表面[硼(B)注入面]中，还是在注入基板的下表面[磷(P)注入面]中，Uniformity的值为5.6％和8.2％，均获得了低于10％的良好的值。
(C2)在两面同时处理时，虽然在对置的面中注入有不同类型的杂质，但是退火后的Uniformity的值为低于10％的良好的值，即使基板内部的离子脱离、基板表面的残存离子扩散，也成为表示不会产生对对置面的污染的结果。
根据以上的结果，本发明的退火处理装置中，由于被导入加热室的退火气体并不是单纯释放到加热室的内部空间，而是被严密诱导到基板之间分隔开的空间内，因此确认了在两面同时处理的基板中也是有效的。
因此，本发明的退火处理装置适于制造如下的晶系太阳能电池，该晶系太阳能电池使用对基板的两面注入有逆导电型的离子的基板，并寻求在基板的两面中各个面内的均匀的电气特性。因此，本发明带来拥有高量产性并且还能够稳定保持薄层电阻值的均匀性的退火处理装置。
<实施例3>
在本例中，在实施例1的基板配置中，进而在注入基板的下方重叠配置了未注入基板，针对同一基板(注入基板)中的上表面(表面：硼(B)注入面)侧对下表面(背面：未注入面)所造成的影响进行了评价。
另外，与实施例1和实施例2同样地，使用图5的退火处理装置500并设为图6和图7的配置来进行退火处理。
即，如图5的(c)所示，气体供给单元515在加热室510的内部空间512中具备在盒501的重叠方向(基板的重叠方向)上与各盒501的端部以规定的距离保持平行而延伸设置的部位515L。在该部位515L中，配置有朝向两个基板之间分隔开的空间且针对该空间为一个的气体供给口。据此，在两个基板之间分隔开的空间内，退火气体被设为作为“层流”流动的状态。
图13对实施例3进行说明，图13的(a)表示基板的配置图，图13的(b)表示评价结果一览表。
本例如图13的(a)所示为着眼于特定的基板的上表面和下表面来进行评价的结果，为在注入基板(n型)的上下配置有未注入基板的情况。是在注入基板的上表面注入有硼(B)(注入中所用的离子为BF3+)，注入基板的下表面为未注入面的情况。也就是说，实施例3对同一基板中的背面的污染进行了研究。
在图13的(b)中，示出各样品的处理条件、使用的基板的种类、以及下表面(背面)中的薄层电阻值、以及基板的面内的薄层电阻值的均匀性(Uniformity)的、退火处理前与退火处理后的值。
在实施例3中，将在氮气中添加了氧气后的气体以流量5SLM和10SLM这两个条件导入到加热室中以作为退火气体。在图13的(b)中，样品11的退火气体的流量为5SLM，样品12的退火气体的流量为10SLM。另外，退火处理的温度为1000℃，退火处理花费的时间为3小时。
在这里，若对在直管的内部空间沿长度方向行进的气体的流动进行假设，则雷诺数(Re)小于2300～3000的范围时成为“层流”，处于1×104～1.2×105的范围时成为“湍流”是公知的。
而且，当图5和图6所示的气体供给单元的各结构中的尺寸、以及与基板的位置关系等为上述的值时，在两个基板之间分隔开的空间内流动的退火气体的雷诺数，在退火气体的流量为5SLM时(样品11)被计算为Re＝2027，在退火气体的流量为10SLM时(样品12)被计算为Re＝4053。此时，加热室的内部空间设为大气压。
根据图13的(b)的结果，可以明确以下几点。
(E1)在图13的(b)中，可知气体流量从5SLM增加为10SLM时，退火处理后的Uniformity激增(在样品11中为17.8％，在样品12中为75.3％)。
(E2)另外，样品12的退火处理后的薄层电阻值(335.0Ω/□)与样品11的退火处理后的薄层电阻值(1402.3Ω/□)相比变为较小的值。可以考虑这是因为样品12的基板为n型Si，结果p型的硼离子因湍流而向下表面(背面)绕回，从而产生了污染。
根据以上的结果，判明了为了将退火处理后的Uniformity设为良好的数值，重要的是将气体供给单元的各结构中的尺寸、与基板的位置关系等、以及退火气体的气体流量控制在适当的范围内来进行退火处理。
本发明能够广泛适用于能够抑制因热处理而从杂质掺杂的基板中脱离的离子对对置配置的基板所造成的影响的晶系太阳能电池用的退火处理装置以及退火处理方法。

Claims (5)

1.一种退火处理装置，为晶系太阳能电池用的退火处理装置，包括：加热室，具有用于对杂质掺杂的基板进行热处理的内部空间；以及前室，被配置为经由闸式阀与所述加热室的内部空间连通，
所述加热室具备：盒基座，放置盒支架，所述盒支架为在所述加热室的内部空间中，使多个以所述基板的表面和背面暴露的状态来保持所述基板的外周部的盒，在以规定的距离分隔开的状态下，多段重叠而成；以及气体供给单元，用于热处理，
所述气体供给单元具有气体供给口，所述气体供给口朝向所述基板之间分隔开的空间且针对每个该空间为一个以上。
2.根据权利要求1所述的退火处理装置，
所述气体供给单元的气体供给口的开口部的形状为椭圆形形状或狭缝状，所述椭圆形形状在与所述基板的表面和背面平行的方向上具有长轴。
3.根据权利要求1或2所述的退火处理装置，
所述气体供给单元具备一个以上的对气体流量进行调整的单元。
4.一种退火处理方法，为晶系太阳能电池用的退火处理方法，为了在基板的表面和背面两个面或任意一个面形成杂质区域，在包含退火气体的气氛下对所述基板进行热处理，
在进行所述热处理的空间内，通过盒以所述基板的表面和背面暴露的状态来保持所述基板的外周部，并且将多个所述盒配置为以规定的距离分隔开的状态，
一边从具有气体供给口的气体供给源导入包含杂质元素的气体一边进行热处理，所述气体供给口朝向所述基板之间分隔开的空间且针对每个该空间为一个以上。
5.根据权利要求4所述的退火处理方法，
所述气体供给口在所述基板之间分隔开的空间中，使所述退火气体以雷诺数成为3000以下的方式流过。
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