CN109659224B - 单晶硅片硼磷同扩的工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体分立器件领域，具体涉及一种单晶硅片硼磷同扩的工艺。本发明的工艺包括以下的步骤：（1）将扩散炉升温，将附磷、附硼后的硅片放入扩散炉炉口，预热；（2）在扩散炉中持续通入洁净的空气；（3）再次将炉温升高；（4）将附磷的硅片推至恒温区，并且减少通气量；（5）核定扩散时间；（6）达到扩散时间后，降温，改为通氮气，并保温；（7）降温度，并保温；（8）保温结束后，将硅片拉至炉口；（9）预冷，将硅片取出，扩散完毕。采用本发明的工艺，通过一次就扩散完毕，大大的降低了产品的生产周期，提高了效率，节约成本，由于材料少了一次进炉高温的影响，大大的提高了产品的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于半导体分立器件领域，具体涉及一种单晶硅片硼磷同扩的工艺。
背景技术
关于单晶硅片的扩散工艺，杨超等人在《半导体光电》2011年6月第32卷第3期《Ⅱ类单晶硅片太阳电池扩散工艺的优化研究》一文中提出，该文通过改变扩散时间来改变发射区的掺杂浓度和结深，研究了扩散时间对太阳能电池性能的影响。发现改变扩散时间后，太阳能电池的开路电压和短路电流密度呈现相反的变化趋势，当扩散温度为850℃，主扩时间和再分布时间分别为50min和5min时，电池得到最高的开路电压为668mV，但短路电流密度仅32.8mA/cm2，填充因子EF也只有70.51％，转换效率为15.45％；当扩散温度为850℃，主扩时间和再分布时间分别为10min和15min，电池得到最大的短路电流密度为33.87mA/cm2，但开路电压仅为621mV，填充因子EF为72.59％，转换效率为15.27％。
以上的文章所解决的主要问题是研究了扩散时间对于单晶硅片太阳能电池的扩散影响，关于将磷和硼同时进炉进行高温扩散，却并未披露，目前也鲜有相关的文献披露。
目前制作STD扩散片的工艺是先附磷高温扩散，然后出炉，另一面附硼后再进炉高温扩散，产品需要通过两次进炉，两次高温才能将磷和硼扩散完毕。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种将磷和硼同时进炉进行高温扩散、提高产品效率的同时，提高产品稳定性的单晶硅片硼磷同扩工艺。
本发明的工艺是将磷和硼同时进炉进行高温扩散，与传统工艺中通过两次进炉，两次高温才能将产品扩散完毕相比，本发明大大的降低了产品的生产周期，提高了效率，节约成本，由于材料少了一次进炉高温的影响，大大的提高了产品的稳定性。
本发明是通过下述的技术方案来实现的：
单晶硅片硼磷同扩的工艺，包括下述的步骤：
(1)将扩散炉升温，将附磷、附硼后的硅片放入扩散炉炉口，
预热；
(2)在扩散炉中持续通入洁净的空气；
(3)再次将炉温升高；
(4)将附磷的硅片推至恒温区，并且减少通气量；
(5)核定扩散时间；
(6)达到扩散时间后，降温，改为通氮气，并保温；
(7)降温度，并保温；
(8)保温结束后，将硅片拉至炉口；
(9)预冷，将硅片取出，扩散完毕。
更具体的，本发明的方法包括以下的步骤：
(1)将扩散炉的温度升至580～620℃，将附磷、附硼后的硅片放入扩散炉炉口，预热12～18分钟；
(2)在扩散炉中通洁净的空气，保持空气流速为8～12L/分钟；
(3)在55～65分钟之内将炉温升至1255～1270℃；
(4)将附磷的硅片推至恒温区，并且将通空气流速调整为4～6L/分钟；
(5)根据硅片的电阻率和厚度及所需要的电压情况，核定扩散时间；一般情况下，电压要求1250V，需要扩散25-27小时；
(6)达到扩散时间后，用280～320分钟将温度降至770～800℃，改为通氮气4～6L/分钟，并保温50～70分钟；
(7)再用时170～190分钟，将温度降至580～620℃，并保温55～65分钟；
(8)保温结束后，用时4～6分钟将硅片拉至炉口；
(9)预冷10～20分钟，将硅片取出；扩散完毕。
优选的，上述的步骤中，(1)将扩散炉的温度升至600℃，将附磷、附硼后的硅片放入扩散炉炉口，预热15分钟。
(2)在扩散炉中通洁净的空气，保持空气流速为10L/分钟。
(3)在60分钟之内将炉温升至1263℃。
(4)将附磷的硅片推至恒温区，并且将通空气流速调整为5L/分钟。
(7)再用时180分钟，将温度降至600℃，并保温60分钟。
上述的单晶硅片硼磷同扩的工艺，包括下述的步骤：
(1)将扩散炉的温度升至600℃，将附磷、附硼后的硅片放入扩散炉炉口，预热15分钟；
(2)在扩散炉中通洁净的空气，保持流速为10L/分钟；
(3)在60分钟之内将炉温升至1263℃；
(4)将附磷的硅片推至恒温区，并且将通空气的流速调整为5L/分钟；
(5)根据硅片的电阻率和厚度及所需要的电压情况，核定扩散时间；
(6)达到扩散时间后，用300分钟将温度降至780℃，改为通氮气5L/分钟，并保温60分钟；
(7)再用时180分钟，将温度降至600℃，并保温60分钟；
(8)保温结束后，用时5分钟将硅片拉至炉口；
(9)预冷15分钟，将硅片取出；扩散完毕。
本发明的有益效果在于，采用本发明的工艺，通过一次就扩散完毕，大大的降低了产品的生产周期，提高了效率，节约成本，由于材料少了一次进炉高温的影响，大大的提高了产品的稳定性。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明，以便本领域的技术人员更了解本发明，但并不因此限制本发明。
实施例1
单晶硅片硼磷同扩的工艺，包括下述的步骤：
(1)将扩散炉的温度升至600℃，将附磷、附硼后的硅片放入扩散炉炉口，预热15分钟；
(2)在扩散炉中通洁净的空气，保持流速为10L/分钟；
(3)在60分钟之内将炉温升至1263℃；
(4)将附磷的硅片推至恒温区，并且将通空气的流速调整为5L/分钟；
(5)根据硅片的电阻率和厚度及所需要的电压情况，核定扩散时间；
(6)达到扩散时间后，用300分钟将温度降至780℃，改为通氮气5L/分钟，并保温60分钟；
(7)再用时180分钟，将温度降至600℃，并保温60分钟；
(8)保温结束后，用时5分钟将硅片拉至炉口；
(9)预冷15分钟，将硅片取出；扩散完毕。
对比例1
传统工艺中，其步骤如下：
1、将A炉温升至300℃将附有磷纸的材料放置中，用300分钟升至650℃，保持45分钟，气量10L/分钟(洁净的空气)；
2、将B炉设置温度600℃，在保持45分钟后，将A炉的材料拉出，放到B炉中，保温30分钟，气量10L/分钟；
3、用180分钟，将温度升至1220℃，保温3-6小时(根据所需的电性参数选择保温时间)；
4、用240分钟将温度降至600°，拉至炉口，预冷60分钟，取出；
5、降至室温后，放入氢氟酸中浸泡16-24小时，将材料按片分离；
6、用吹砂机将没有磷的一面去除18-23μm；
7、用酸和纯水清洗干净；
8、将没有磷的一面附上硼源；
9、将C炉升至600℃，将材料放到炉中，通洁净的空气8L/分钟；
10、用360分钟将温度升至1263℃，保温24-28小时(时间根据所需电性设置)
11、用480分钟将温度降至600度，保温60分钟；
12、拉至炉口，预冷60分钟，取出；
13、扩散完毕。
与传统的两次进炉、两次高温方法相比，本发明缩短了生产周期，节约投入，提高利用率，增加产能，提高质量。
表1本发明与对比例1的方法的比较表
单晶硅片由扩之后，外观方面小坑明显的减少，应力方面减少了断片和报废，并且后续继续制作时，断片也明显的减少；本发明中断片率大约在0.5％左右，而上述的传统方法中生产的产品其断片率大约为1.6～1.8％；本发明中的产品麻点率大约在1％左右，而上述的传统方法中生产的产品麻点率较高，一般在5％左右。
本发明中，升温时间和降温时间及气量的大小，对于产品的影响，上述的因素若调整不当，都可能造成产品的失败，比如断片率高、麻点多或者是外观不平整；
关于本发明，本发明人进行了大量的实验，才获得了本发明的方案，其中，升温时间、降温时间以及气量的大小，对于整个发明尤为重要，本发明在实验的过程中，尝试了多次；具体的结果如下：
对比例1
与实施例1的不同在于，(1)中，将扩散炉的温度升至500℃，其余步骤与实施例1相同；
对比例2
与实施例1的不同在于，(3)中，在30分钟之内将炉温升至1263℃；其余步骤与实施例1相同；
对比例3
与实施例1的不同在于，(3)中，在90分钟之内将炉温升至1263℃；其余步骤与实施例1相同；
对比例4
与实施例1的不同在于，(6)达到扩散时间后，用200分钟将温度降至780℃，改为通氮气5L/分钟，并保温60分钟；其余步骤与实施例1相同；
对比例5
与实施例1的不同在于，(6)达到扩散时间后，用250分钟将温度降至780℃，改为通氮气5L/分钟，并保温60分钟；其余步骤与实施例1相同；
对比例6
与实施例1的不同在于，(6)达到扩散时间后，用400分钟将温度降至780℃，改为通氮气5L/分钟，并保温60分钟；其余步骤与实施例1相同；
对比例7
与实施例1的不同在于，(6)达到扩散时间后，用350分钟将温度降至780℃，改为通氮气5L/分钟，并保温60分钟；其余步骤与实施例1相同；
对比例8
与实施例1的不同在于，(6)达到扩散时间后，用350分钟将温度降至600℃，改为通氮气5L/分钟，并保温60分钟；其余步骤与实施例1相同；
对比例9
与实施例1的不同在于，(7)再用时250分钟，将温度降至600℃，并保温60分钟；其余步骤与实施例1相同；
对比例10
与实施例1的不同在于，(7)再用时120分钟，将温度降至600℃，并保温60分钟；其余步骤与实施例1相同；
对比例11
与实施例1的不同在于，(7)再用时180分钟，将温度降至500℃，并保温60分钟；其余步骤与实施例1相同；
对比例12
与实施例1的不同在于，(2)在扩散炉中通洁净的空气，保持流速为15L/分钟；其余步骤与实施例1相同；
对比例13
与实施例1的不同在于，(2)在扩散炉中通洁净的空气，保持流速为5L/分钟；(4)中通空气的流速不作调整，仍然保持为5L/分钟；其余步骤与实施例1相同；
对比例14
与实施例1的不同在于，(2)在扩散炉中通洁净的空气，保持流速为10L/分钟；(4)中通空气的流速不作调整，仍然保持为10L/分钟；其余步骤与实施例1相同；
对比例15
与实施例1的不同在于，(2)在扩散炉中通洁净的空气，保持流速为15L/分钟；(4)中通空气的流速调整为10L/分钟；其余步骤与实施例1相同；
对比例16
与实施例1的不同在于，(6)达到扩散时间后，用300分钟将温度降至780℃，改为通氮气10L/分钟，并保温60分钟；
对比例17
与实施例1的不同在于，(6)达到扩散时间后，用300分钟将温度降至780℃，改为通氮气1L/分钟，并保温60分钟；
断片率的计算方法：每炉进料1200片，扩散完成后根据剩余的整片数量计算，如：扩散后剩余1180片，其断片率为20/1200＝1.67％；麻点率的计算方法：根据扩散后，品管人员显微镜下检验的麻点的数量；
表2实施例1与对比例1-17的产品特点对比表
通过以上的对比可以看出，对比例1中，(1)步骤中，扩散炉的温度只有500℃，未达到实施例1中的600℃，其结果是，导致磷纸烧不透，容易产生大量的腐蚀坑；
对比例2中，(3)中其升温的时间只有实施例1的一半，仅仅为30分钟，其结果是，升温过快会导致硅片骤热，容易产生断片；对比例2中的产品其断片率要高于实施例1；
对比例3中，(3)中其升温的时间比实施例1多了一半，为90分钟，其结果是，在慢升温的过程中会导致磷、硼的挥发，扩散完成后边缘部分磷、硼浓度降低，电性的稳定性较实施例1差；
对比例4-7中，(6)达到扩散时间后，降温时间和实施例1相比，或缩短或增加，其结果是，降温快会使片子收缩快，产生断片要多；对比例7中，降温慢会增加时间，增加用电量；产品的品质与实施例1相当，但是基于成本的考虑，不建议采纳对比例7；
对比例8中，(6)达到扩散时间后，降低了降温的温度；将其改变为600℃，其结果是，出炉温度要与进炉温度一致，确保稳定性，对比例8中的产品的稳定性较实施例1差；
对比例9-10中，(7)的降温时间与实施例1不同，对比例9中的降温时间较实施例1，对比例10中的降温时间较实施例1短；其结果是，对比例9中降温时间长增加成本；对比例10中降温时间短，容易产生脆片，其断片率较高。
对比例11中，降温所降至的温度与实施例1不同，其结果是，两者在相同的时间内降温的幅度不同，对比例11中的脆片发生率较实施例1高；
对比例12-15中，(2)和(4)中的通气速率与实施例不同，增加或减小其通气的速率，其结果是，通气量过大，会导致含硅片氧量增加，致使片子更脆，更容易断，如果气量减少，氧含量过低会导致反应不好，产生小坑会多。
对比例16、17中，(6)中的氮气通入速率与实施例不同，增大或减小通入氮气的速率，其结果是，氮气量减少，其断片率相应的增加，氮气量增大一点其外观不会受影响，产品表面平整，且腐蚀坑较少，但是氮气量增大会导致物料用量增加，从而增加了成本。
与传统的两次进炉、两次高温方法相比，除了本发明具有上述的短了生产周期，节约投入，提高利用率，增加产能，提高质量的优点以外，本发明的方法扩散后的产品与传统方法相比较，其应力有明显的提升，并且后续封装时不易压碎，确保了产品的稳定性更好。
实施例2
单晶硅片硼磷同扩的工艺，包括下述的步骤：
(1)将扩散炉的温度升至580℃，将附磷、附硼后的硅片放入扩散炉炉口，预热12分钟；
(2)在扩散炉中通洁净的空气，保持空气流速为8L/分钟；
(3)在55分钟之内将炉温升至1255℃；
(4)将附磷的硅片推至恒温区，并且将通空气流速调整为4L/分钟；
(5)根据硅片的电阻率和厚度及所需要的电压情况，核定扩散时间；
(6)达到扩散时间后，用280分钟将温度降至770℃，改为通氮气4L/分钟，并保温50分钟；
(7)再用时170分钟，将温度降至580℃，并保温55分钟；
(8)保温结束后，用时4分钟将硅片拉至炉口；
(9)预冷10分钟，将硅片取出；扩散完毕。
实施例3
单晶硅片硼磷同扩的工艺，包括下述的步骤：
(1)将扩散炉的温度升至620℃，将附磷、附硼后的硅片放入扩散炉炉口，预热18分钟；
(2)在扩散炉中通洁净的空气，保持空气流速为12L/分钟；
(3)在65分钟之内将炉温升至1270℃；
(4)将附磷的硅片推至恒温区，并且将通空气流速调整为6L/分钟；
(5)根据硅片的电阻率和厚度及所需要的电压情况，核定扩散时间；
(6)达到扩散时间后，用320分钟将温度降至800℃，改为通氮气4～6L/分钟，并保温70分钟；
(7)再用时190分钟，将温度降至620℃，并保温65分钟；
(8)保温结束后，用时6分钟将硅片拉至炉口；
(9)预冷20分钟，将硅片取出；扩散完毕。
表3实施例1-3的产品外观及断片率等参数比较表
| 外观 | 断片率％ | 麻点率％ | |
| 实施例1 | 平整，无腐蚀坑 | 0.38 | 0.83 |
| 实施例2 | 不平整，有大量的腐蚀坑 | 0.41 | 0.88 |
| 实施例3 | 不平整，有少量的腐蚀坑 | 0.37 | 0.81 |
Claims (1)
1.单晶硅片硼磷同扩的工艺，包括下述的步骤：
(1)将扩散炉的温度升至600℃，将附磷、附硼后的硅片放入扩散炉炉口，预热15分钟；
(2)在扩散炉中通洁净的空气，保持流速为10 L/分钟；
(3)在60分钟之内将炉温升至1263℃；
(4)将附磷的硅片推至恒温区，并且将通空气的流速调整为5 L/分钟；
(5)根据硅片的电阻率和厚度及所需要的电压情况，核定扩散时间；
(6)达到扩散时间后，用300分钟将温度降至780℃，改为通氮气5L/分钟，并保温60分钟；
(7)再用时180分钟，将温度降至600℃，并保温60分钟；
(8)保温结束后，用时5分钟将硅片拉至炉口；
(9)预冷15分钟，将硅片取出；扩散完毕。
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