CN113555468A - 一种提升n型硅片硼扩散方阻均匀性的工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种提升N型硅片硼扩散方阻均匀性的工艺，采用台阶状分段升温进行两次扩散，再进行高温推进的方法，先在较低温度进行第一次扩散，使硅片表面形成富硼层，再在较高温度降低硼源流量扩大氧气流量进行第二次扩散，使硅片表面形成更加均匀的富硼层，最后高温推进一段时间形成最终PN结，降低硼源耗量、提升扩散方阻均匀性的同时不会产生过厚的BSG层，有利于电性的收集。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池生产制造领域，具体涉及一种提升N型硅片硼扩散方阻均匀性的工艺。
背景技术
近年来，能源危机与环境压力促进了太阳电池研究和产业的迅速发展。目前，晶体硅太阳电池是技术最成熟、应用最广泛的太阳电池，在光伏市场中的比例超过90％，并且在未来相当长的时间内都将占据主导地位。其中，单晶硅的晶体结构完美，禁带宽度仅为1.12eV，自然界中的原材料丰富，特别是N型单晶硅具有杂质少、纯度高、少子寿命高、无晶界位错缺陷以及电阻率容易控制等优势，如何提高其转换效率是太阳电池研究的核心问题。
由于异质结中两种半导体材料的禁带宽度、导电类型、介电常数、折射率和吸收系数等不同，比同质结的应用更加广泛。理论计算表明，N型异质结有利于太阳电池获得更高的开路电压，从而获得较高的电池效率。扩散是制备太阳能电池PN结的核心。硼是N型半导体硅的掺杂源，更是N型晶硅太阳电池制备高质量PN结的重要手段，其液态的BBr3/BCl3通过氮气携带的方式在管式扩散炉内高温扩散形成PN结，该方法能够保持较高的有效寿命，且具有低发射极的饱和电流密度。扩散方阻的均匀性是高质量PN结的重要指标，直接影响着电池片的转换效率。
但是在掺杂浓度及深度的ECV曲线上相较难以控制，硼原子在扩散时容易向(表面的)氧化层聚集，造成扩散不均匀；所以改善扩散方阻的均匀性将是提升电池片转换效率的重要一环。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种提升N型硅片硼扩散方阻均匀性的工艺。
一种提升N型硅片硼扩散方阻均匀性的工艺，主要包括以下步骤：
S1：以N型硅片作为衬底材料，通过制绒使硅片表面产生金字塔状表面结构后，将硅片垂直或水平插入低压扩散炉的石英晶舟内；
S2：升温至830℃-850℃，并抽空及检漏；
S3：温度保持在830℃-850℃，恒压抽空后通入氮气，以稳定管内气压及硅片温度；
S4：温度保持在830℃-850℃，通入氧气和氮气，制作一层薄氧化层；
S5：温度保持在830℃-850℃，通入氮气、氧气和硼源对硅片表面进行沉积扩散，使硅片表面形成富硼层；
S6：升温至860℃-890℃，并通入氮气稳定气体量；
S7：温度保持在860℃-890℃，通入氧气和氮气，带氧推进,同步形成较浅PN结；
S8：温度保持在860℃-890℃，通入氮气、氧气和硼源对硅片表面进行二次沉积扩散，使硅片较浅PN结的表面形成富硼层；
S9：升温至920℃-1000℃，并通入氮气稳压；
S10：温度保持在920℃-1000℃，并恒温推进一段时间，形成最终PN结后，进行氧化吸杂；
S11：氮气氛围下缓慢降温吹扫，出管取片，得到硼扩散后的硅片。
优选的，步骤S2中的升温时间设定在900s。
优选的，步骤S3-S6及S8-S10中，炉管内的气体总流量始终保持在2500sccm。
优选的，步骤S4中通入的氧气的流量为300-500sccm，氮气的流量为2000-2200sccm。
优选的，步骤S5中通入的氮气的流量为1100sccm-1750sccm，硼源的流量为250-350sccm，氧气的流量为500-1050sccm，其中，硼源和氧气的气体流量比为1:2-1:3，且氧气流量按照硼源流量的比例设置。
优选的，步骤S8中通入的氮气流量为700sccm-1750sccm，硼源的流量为150-200sccm，氧气的流量为600-1600sccm，其中，硼源和氧气的气体流量比为1:4-1:8，且氧气流量按照硼源流量的比例设置。
优选的，步骤S10中的推进时间在1800-2400s。
优选的，步骤S7中，炉管内的气体总流量为2500-2800sccm，其中氧气的流量为200-400sccm，氮气的流量为2100-2600sccm。
优选的，所述硼源为BBr3/BCl3蒸汽。
本发明的有益效果是：采用台阶状分段升温进行两次扩散，再进行高温推进的方法，先在较低温度进行第一次扩散，使硅片表面形成富硼层，再在较高温度降低硼源流量扩大氧气流量进行第二次扩散，使硅片表面形成更加均匀的富硼层，最后高温推进一段时间形成最终PN结，降低硼源耗量、提升扩散方阻均匀性的同时不会产生过厚的BSG层，有利于电性的收集。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明实施例的工艺流程与现有扩散工艺流程的对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
一种提升N型硅片硼扩散方阻均匀性的工艺，主要包括以下步骤：
S1：以N型硅片作为衬底材料，通过制绒使硅片表面产生金字塔状表面结构后，将硅片垂直或水平插入低压扩散炉的石英晶舟内；
S2：升温至830℃，升温时间设定在900s，使硅片达到工艺设定的温度，并抽空及检漏，确保炉管的保压没有问题；
S3：温度保持在830℃，恒压抽空后，通入流量为2500sccm的氮气，时间设定在300s，以稳定管内气压及硅片温度；
S4：温度保持在830℃，保持2500sccm的总流量，通入流量为300sccm的氧气和2200sccm的氮气，通氧时间在180s，制作一层薄氧化层；氧气流量太大会造成氧化层偏厚，为后面的扩散推进造成难度，将延长整个工艺时间，氧气流量太小，则会造成硅片四周的氧化层比中心偏厚，不利于整个PN结扩散深度；
S5：温度保持在830℃，保持2500sccm的总流量，通入1750sccm的氮气、500sccm的氧气和250sccm的硼源(BBr3/BCl3蒸汽)对硅片表面进行沉积扩散，使硅片表面形成富硼层，时间在360-540s；其中氧气流量按照硼源流量的比例设置，氮气作为稳定总气体量的补偿气体通入；硼源流量过小会造成沉积不均匀，过大则会产生偏厚的BSG层，以上两种情况都不利于电性的收集；
S6：升温至860℃，保持总流量在2500sccm的氮气流量，时间在240s，达到二次沉积扩散的温度；实际上升温过程中也是第一步扩散的再分布过程，温差太小不足以拉开两次扩散温度与时间的差异，温差太大会使得高温中产生较厚的BSG层；
S7：温度保持在860℃，保持2500sccm的总流量，通入流量为400sccm的氧气和2100sccm的氮气，带氧推进,反应部分硼富集区域的状况，同步形成较浅PN结；
S8：温度保持在860℃，保持2500sccm的总流量，通入1750sccm的氮气、600sccm的氧气和150sccm的硼源(BBr3/BCl3蒸汽)对硅片表面进行二次沉积扩散，使硅片较浅PN结的表面形成均匀的富硼层，时间在240-360s；其中氧气流量按照硼源流量的比例设置，氮气作为稳定总气体量的补偿气体通入；此时的硼源流量要小于步骤S5中的硼源流量，并且大比例的氧气通入能使其不易产生较厚的BSG层；
S9：升温至920℃，保持总流量在2500sccm的氮气流量，时间在600s；
S10：温度保持在920℃，保持2500sccm的总流量恒温推进一段时间，形成最终PN结后，进行氧化吸杂；
S11：氮气氛围下缓慢降温吹扫，时间在1800s；出管取片，得到硼扩散后的硅片。
实施例二
一种提升N型硅片硼扩散方阻均匀性的工艺，主要包括以下步骤：
S1：以N型硅片作为衬底材料，通过制绒使硅片表面产生金字塔状表面结构后，将硅片垂直或水平插入低压扩散炉的石英晶舟内；
S2：升温至850℃，升温时间设定在900s，使硅片达到工艺设定的温度，并抽空及检漏，确保炉管的保压没有问题；
S3：温度保持在850℃，恒压抽空后，通入流量为2500sccm的氮气，时间设定在300s，以稳定管内气压及硅片温度；
S4：温度保持在850℃，保持2500sccm的总流量，通入流量为500sccm的氧气和2000sccm的氮气，通氧时间在180s，制作一层薄氧化层；
S5：温度保持在850℃，保持2500sccm的总流量，通入1100sccm的氮气、1050sccm的氧气和350sccm的硼源(BBr3/BCl3蒸汽)对硅片表面进行沉积扩散，使硅片表面形成富硼层，时间在360-540s；其中氧气流量按照硼源流量的比例设置，氮气作为稳定总气体量的补偿气体通入；
S6：升温至890℃，保持总流量在2500sccm的氮气流量，时间在360s，达到二次沉积扩散的温度；
S7：温度保持在890℃，保持2800sccm的总流量，通入流量为200sccm的氧气和2600sccm的氮气，带氧推进,反应部分硼富集区域的状况，同步形成较浅PN结；
S8：温度保持在890℃，保持2500sccm的总流量，通入700sccm的氮气、1600sccm的氧气和200sccm的硼源(BBr3/BCl3蒸汽)对硅片表面进行二次沉积扩散，使硅片较浅PN结的表面形成均匀的富硼层，时间在240-360s；其中氧气流量按照硼源流量的比例设置，氮气作为稳定总气体量的补偿气体通入；
S9：升温至1000℃，保持总流量在2500sccm的氮气流量，时间在900s；
S10：温度保持在1000℃，保持2500sccm的总流量恒温推进一段时间，形成最终PN结后，进行氧化吸杂；
S11：氮气氛围下缓慢降温吹扫，时间在2400s；出管取片，得到硼扩散后的硅片。
扩散方阻的均匀性用扩散方阻分布的标准差(STDEV)来表示，即扩散后方阻在硅片上分布情况，标准差越小，说明扩散后方阻均匀性越好，反之则越差。上述两次实施例的扩散方阻分布结果如表1所示：
表1
由上表可以看出，本发明实施例一和实施例二的标准差仅为1.86和1.97(行业内现有扩散工艺的标准差通常都为2以上)，足以说明采用本发明提供的工艺方法产出的扩散方阻的均匀性较好。
如图1所示，与常见的一般扩散工艺相比较，本发明采用台阶状分段升温进行两次扩散，再进行高温推进的方法，先在较低温度进行第一次扩散，使硅片表面形成富硼层，再在较高温度降低硼源流量扩大氧气流量进行第二次扩散，使硅片表面形成更加均匀的富硼层，最后高温推进一段时间形成最终PN结，降低硼源耗量、提升扩散方阻均匀性的同时不会产生过厚的BSG层，有利于电性的收集。
对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。
Claims (9)
1.一种提升N型硅片硼扩散方阻均匀性的工艺，其特征在于，主要包括以下步骤：
S1：以N型硅片作为衬底材料，通过制绒使硅片表面产生金字塔状表面结构后，将硅片垂直或水平插入低压扩散炉的石英晶舟内；
S2：升温至830℃-850℃，并抽空及检漏；
S3：温度保持在830℃-850℃，恒压抽空后通入氮气，以稳定管内气压及硅片温度；
S4：温度保持在830℃-850℃，通入氧气和氮气，制作一层薄氧化层；
S5：温度保持在830℃-850℃，通入氮气、氧气和硼源对硅片表面进行沉积扩散，使硅片表面形成富硼层；
S6：升温至860℃-890℃，并通入氮气稳定气体量；
S7：温度保持在860℃-890℃，通入氧气和氮气，带氧推进,同步形成较浅PN结；
S8：温度保持在860℃-890℃，通入氮气、氧气和硼源对硅片表面进行二次沉积扩散，使硅片较浅PN结的表面形成富硼层；
S9：升温至920℃-1000℃，并通入氮气稳压；
S10：温度保持在920℃-1000℃，并恒温推进一段时间，形成最终PN结后，进行氧化吸杂；
S11：氮气氛围下缓慢降温吹扫，出管取片，得到硼扩散后的硅片。
2.根据权利要求1所述的一种提升N型硅片硼扩散方阻均匀性的工艺，其特征在于：步骤S2中的升温时间设定在900s。
3.根据权利要求1所述的一种提升N型硅片硼扩散方阻均匀性的工艺，其特征在于：步骤S3-S6及S8-S10中，炉管内的气体总流量始终保持在2500sccm。
4.根据权利要求3所述的一种提升N型硅片硼扩散方阻均匀性的工艺，其特征在于：步骤S4中通入的氧气的流量为300-500sccm，氮气的流量为2000-2200sccm。
5.根据权利要求3所述的一种提升N型硅片硼扩散方阻均匀性的工艺，其特征在于：步骤S5中通入的氮气的流量为1100sccm-1750sccm，硼源的流量为250-350sccm，氧气的流量为500-1050sccm，其中，硼源和氧气的气体流量比为1:2-1:3，且氧气流量按照硼源流量的比例设置。
6.根据权利要求3所述的一种提升N型硅片硼扩散方阻均匀性的工艺，其特征在于：步骤S8中通入的氮气流量为700sccm-1750sccm，硼源的流量为150-200sccm，氧气的流量为600-1600sccm，其中，硼源和氧气的气体流量比为1:4-1:8，且氧气流量按照硼源流量的比例设置。
7.根据权利要求3所述的一种提升N型硅片硼扩散方阻均匀性的工艺，其特征在于：步骤S10中的推进时间在1800-2400s。
8.根据权利要求1所述的一种提升N型硅片硼扩散方阻均匀性的工艺，其特征在于：步骤S7中，炉管内的气体总流量为2500-2800sccm，其中氧气的流量为200-400sccm，氮气的流量为2100-2600sccm。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的一种提升N型硅片硼扩散方阻均匀性的工艺，其特征在于：所述硼源为BBr3/BCl3蒸汽。
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