CN114171377A - 一种新型扩散方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型扩散方法，在炉管进气端增加匀流装置，使得气体进入炉管后被均匀打散，避免气流直接对硅片进行冲击，改善了炉尾上中下的片间差异。本发明通源时在近出气口处补充氮气，稀释掺杂源，将气体混合并推动，改善了局部掺杂源的浓度差异，提高了硅片方阻均匀性，可以在不改变现有的排气结构下改善排气管进口位置片间的均匀性，且对其他舟内的方阻无影响，可实现单独调控区域方阻。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造及太阳能光伏电池制造领域，具体涉及一种新型扩散方法。
背景技术
目前的光伏电池片的制备设备，如扩散炉、退火炉、氧化炉、LPCVD、PECVD等大多是使用多管设备，多管设备共用一个净化台和上下料设备。扩散是制备PN结的重要工艺过程。常规扩散方法是：将硅片放入石英舟中，将在有硅片的石英舟推送入管式扩散炉罐内，将扩散炉升温至第一预设温度，向扩散炉内通入工艺气体，保持温度一定时间，进行源沉积，停止通入工艺气体，更改至第二预设温度，进行源扩。
目前扩散工艺，无论是水平放片还是竖直放片的扩散工艺，无论炉口进气炉尾抽气或者炉尾进气炉口抽气，出气口或进气口会出现方阻不均匀，极差很大。常规方法有2种，(1)减少硅片量，避免不良比例；(2)通过压力、气体流量等来调整方阻不均匀性。但效果都不明显，甚至会影响原本方阻均匀区域的硅片。
发明内容
针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种新型扩散方法。
为了实现上述目的，本发明提供以下技术发明：
一种新型扩散方法，包括以下步骤：
(1)将载有硅片的舟送入炉管中，将匀流桶放置于炉管内部，匀流桶靠近炉尾部。
(2)抽真空检漏；
(3)炉管升温至770-790℃后，通入氧气和氮气，炉管压力为150-170mbar；
(4)恒温770-790℃，小氮携带POCl3源，混合氧气和大氮从炉尾进气，炉管压力为150-170mbar；
(5)由770℃斜率升温至845℃，时间10min，升温过程中通入氧气、氮气，炉管压力为160mbar；
(6)恒温845℃，时间10min，在恒温的过程中，补充氮气，炉管压力为160mbar；
(7)降温，通氮气回到常压，出炉。
进一步地，步骤(4)中，补气管从炉尾插入炉管，伸向炉口；补气管靠近炉口的那一端封闭，另一端开口，用于通入气体，补气管上设有气体出口；补气管中通入的气体为惰性气体或/和氮气。
进一步地，步骤(4)中，小氮流量为1.2-1.5L/min，氧气流量为0.8-1L/min，大氮流量为3-3.5L/min，通入时间为12-15min。
进一步地，步骤(4)中，补气管中通入的气体为氮气。
进一步地，步骤(4)中，通入氮气的流量为0.5-2L/min。
进一步地，步骤(5)中，氧气流量1-1.5L L/min，氮气流量3-3.5L/min。
进一步地，步骤(6)中，氮气流量为3-3.5L/min。
进一步地，步骤(7)中，降温至800℃。
进一步地，步骤(3)中，氧气流量1-1.5L/min，氮气流量3-3.5L/min，通入时间5-7min。
进一步地，匀流装置采用桶状结构，包括桶体，桶体一端开口，桶体另一端连接封闭面，封闭面上设有开孔。
进一步地，匀流装置下部设有支撑件，支撑件与桶体固定连接。
进一步地，所述支撑件为圆柱形。
进一步地，支撑件内部中空。
进一步地，支撑件一端开口。
进一步地，匀流装置还包括连接件，连接件连接支撑件。
进一步地，连接件位于桶体开口这一侧。
进一步地，补气管被配置为能够用于补充气体，所述气体可以是氮气或/和惰性气体。
进一步地，补气管采用堵头的形式，补气管一端封闭，另一端开口，用于通入气体，补气管上设有气体出口。
进一步地，补气管从炉尾插入炉管，伸向炉口；补气管靠近炉口的那一端封闭，另一端开口。
本发明的有益效果是：
(1)在炉管进气端增加匀流装置，使得气体进入炉管后被均匀打散，避免气流直接对硅片进行冲击，改善了炉尾上中下的片间差异。本发明通源时在近出气口处补充氮气，稀释掺杂源，将气体混合并推动，改善了局部掺杂源的浓度差异，提高了硅片方阻均匀性，可以在不改变现有的排气结构下改善排气管进口位置片间的均匀性，且对其他舟内的方阻无影响，可实现单独调控区域方阻。
(2)本发明提供了一种扩散方法，提高扩散方阻均匀性，减少方阻极差，可增加设备产能。
(3)本发明增加一氮气管道，在底部充氮气，可以稀释出气口处的高浓度掺杂气体，将此处的气流向上推动混合均匀，降低尾排管对此处的抽力。同时配合此处热场温度的调整(通过调节第一温区、第二温区的温度调整小舟的方阻)，能够获得方阻极差小的硅片。
(4)本发明通过对炉口均匀性的改善可以使得产能及硅片均匀性都得到提升，不需要增加炉管长度，使硅片远离气流不稳定区域，节省了机台空间与机台制造成本。
(5)本发明中，匀流装置采用桶状结构，包括桶体，桶体另一端连接封闭面(即另一端封闭)，封闭面上设有开孔；桶体的设置能够将进入匀流装置的气体集中起来，避免气体向四周扩散。气体从封闭面上的开孔流出，被均匀打散，避免气流直接对硅片进行冲击，能够改善炉尾上中下硅片方阻的片间差异。
(6)本发明中，匀流装置的封闭面不是整个面都设有开孔，开孔区域的形状与小舟形状对应(可以根据小舟的形状设置)，有利于气体更集中的去往小舟而不是从小舟边上流走。这种桶状的匀流装置在炉管内的稳定性更好，不会晃动，且增加了连接件，便于放进炉管和从炉管中拿出来。
(7)本发明中，匀流装置的连接件的形状类似于拱形拉手，连接件的两端分别连接两个圆柱形支撑件的一端，连接件便于使用者抓握，有利于向炉管中拿取或者放置匀流装置，同时，连接件位于桶体开口这一侧，可以平衡整个装置的重量分布，使得整个结构较为稳定。
(8)本发明中，采用补气管，可以用于补充氮气，可以在不改变现有的抽气结构下改善抽气口位置片间的均匀性，且几乎对其他舟内的方阻无影响，可实现单独调空区域方阻。本发明通过对炉口片间均匀性的改善可以使得产能及均匀性都得到提升，不需要增加炉管长度，节省了机台空间与机台制造成本。扩散后方阻的均匀性较好有利于后续工艺的匹配，整体电性能也更加稳定。
附图说明
图1是采用常规进气方式的示意图(图中显示出了气流的变化)。
图2是本发明进气方式的示意图(图中显示出了气流的变化)。
图3是匀流桶的结构示意图。
图4是从另一个方向看，匀流桶的结构示意图(显示出了横向连接件与圆柱的连接结构)。
图5是匀流装置安装在炉管内部的示意图(显示出了一种安装示例)。
图6是补气管在炉管内部的结构示意图(隐去了炉管中其他部件)。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术发明做进一步详细说明，应当指出的是，具体实施方式只是对本发明的详细说明，不应视为对本发明的限定。
实施例1
以磷扩散为例：
(1)将载有硅片的舟送入炉管中；
(2)抽真空检漏；
(3)炉管升温至770℃后，通入氧气和氮气，氧气流量1L/min，氮气流量3L/min，炉管压力为160mbar，时间5min；
(4)恒温770℃，小氮携带POCl3源，混合氧气和大氮从炉尾进气，小氮流量为1.2L/min，氧气流量为0.8L/min，大氮流量为3L/min，炉管压力为160mbar，时间为12min；
本实施例中，第1，2号舟对应第一温区，将第一温区的温度调整为795℃。第3号舟对应第二温区，将第二温区的温度调整为780℃。
第一温区，第二温区是第1，2，3小舟所对应的热场的位置。
(5)由770℃斜率升温至845℃，时间10min；氧气流量1L/min，氮气流量3L/min，炉管压力为160mbar；
(6)恒温845℃，时间10min，在恒温的过程中，补充氮气，氮气流量为3L/min，炉管压力为160mbar；
(7)降温至800度，通氮气回到常压，出炉。
本实施例中采用的进气方式示意图如图2所示，其中，1表示尾部匀流板(现有技术中的匀流板，板面设有小孔)，2表示炉管，3表示热场，4表示炉口隔热板，5表示炉门，6表示桨，7表示尾排管，8表示进气管，9表示补气管。
从炉口至炉尾依次取8个舟中的硅片，每个舟从上到下，等间距取5片，每片测试5处方阻，计算5片中25个测量点的极差。硅片尺寸182mmx182mm，目标方阻160Ω/□的对比方阻、极差数值如下表1所示。
表1
实施例2
在实施例1的基础上，将原来的匀流板拆除，在炉尾增加匀流桶，N2，O2，POCl3等气体通过匀流桶进入炉管；使得气体进入炉管后被均匀打散，避免气流直接对硅片进行冲击。具体地，将匀流桶放置于炉管内部，匀流桶距离炉尾部进气管端部10-15cm。
本实施例中，采用实施例1a中所述的匀流桶，匀流桶距离炉尾部进气管端部10cm，匀流桶如图3-4所示，采用桶状设计。
本实施例中，在使用时，让气体先通过封闭面上的开孔3a,再经过桶体流出。在其他实施方式中，也可以先让气体通过桶体1a，再从开孔3a流出。在其他实施方式中，可以采用其他结构的匀流装置。
本实例中其余的步骤与实例1中相同。
同样的取片方式，测算的方阻极差如表2所示。
表2
实施例3
在实施例2的基础上，增加补气管，补气管从炉尾插入伸向炉口。本实施例中采用的是石英补气管，补气管靠近炉口的那一端封闭，另一端开口通气，具体的补气管的结构如实施例2a所描述的那样，如图6所示。
本实施例中，第1号舟靠近炉口隔热板，第2、3、4…8号舟，向炉尾方向依次排列。
在补气管上，分别在对应1号舟沿炉管长度方向1/4，1/2，3/4处开3个孔；对应2号舟沿炉管长度方向分别在1/3，2/3处开2个孔；对应3号舟沿炉管长度方向分别在1/2处开1个孔；孔径均为1.5mm。
本实施例中，开孔是圆形孔，在其他实施例中，可以将开孔的形状设置成其他形状，本发明不对其进行具体的限定。
在实施例1的工艺基础上，将步骤(4)修改为：
(4)恒温770度，小氮携带POCl3源，混合氧气和大氮从炉尾进气，小氮流量为1.2L/min，氧气流量为0.8L/min，大氮流量为3L/min，炉管压力为160mbar，时间为12min，在补气管中通0.95L/min的氮气，第1，2，3号舟对应第一温区和第二温区的温度相比实施例1提高5度。
本实施例中，在通源的情况下才通入氮气(即开启氮气补偿)，其余时间关闭，氮气通入时间和通源时间一致。在其他实施方式中，在补气管中通入惰性气体，比如，氦气。
本实施例中的其余步骤与实施例2相同。
同样的取片方式，测算的方阻极差如下表3。
表3
实施例4
在实施例3的工艺基础上，将步骤(4)修改为:
(4)恒温770度，小氮携带POCl3源，混合氧气和大氮从炉尾进气，小氮流量为1.2L/min，氧气流量为0.8L/min，大氮流量为3L/min，炉管压力为160mbar，时间为12min，在补气管中通0.5L/min的氮气，第1，2，3号舟对应第一温区和第二温区的温度相比实施例1提高3度。
本实施例中的其余步骤与实施例1相同。
同样的取片方式，测算的方阻极差数据见表4。
表4
实施例5
在实施例1的工艺基础上，将步骤(4)修改为：
(4)恒温770度，小氮携带POCl3源，混合氧气和大氮从炉尾进气，小氮流量为1.2L/min，氧气流量为0.8L/min，大氮流量为3L/min，炉管压力为160mbar，时间为12min，在补气管中通2L/min的氮气，第1，2，3号舟对应第一温区和第二温区的温度相比实施例1提高9度。
本实施例中的其余步骤与实施例1相同。
测算的方阻极差数据见表5。
表5
实施例1a
如图3-4所示，一种匀流装置，匀流装置采用桶状结构，包括桶体1a，桶体1a一端开口(此为第一开口7a)，桶体1a另一端连接封闭面(即将桶体另一端封闭)，封闭面2a上设有开孔3a。桶体1a能够将进入匀流装置的气体集中起来，避免气体向四周扩散；气体从封闭面2a上的开孔3a流出，被均匀打散，避免气流直接对硅片进行冲击。
在一些优选的方式中，开孔3a的形状可以为圆形、椭圆、方形、三角形等形状，本申请不对开孔的形状进行限制。开孔的数量也可以根据实际需要进行设置。本实施例中，开孔形状为圆形。
在一些优选的方式中，如图3-4所示，匀流装置下部设有支撑件4a，支撑件4a与桶体1a固定连接，支撑件4a能够支撑整个匀流装置，同时支撑件4a可以用于将匀流装置稳定放置在某一位置，比如可以将匀流装置放置在炉管内部。在一些优选的方式中，支撑件4a的形状与炉管内部放置区域的形状相匹配，有利于将匀流装置稳定放置于炉管内部。
在一些优选的方式中，所述支撑件4a为圆柱形，圆柱形的支撑件4a与圆形炉管接触部位相匹配。本实施例中，如图3-4所示，匀流装置包括两个圆柱形的支撑件4a。
在一些优选的方式中，如图3所示，支撑件4a内部中空，并且支撑件4a一端开口(此为第二开口8a)，可以将支撑件4a套在相对应的固定件6a上，如图3-4所示，支撑件4a的开口方向与桶体1a的开口方向相反，匀流装置被放置在炉管内部，支撑件4a套在炉管内部的固定件上。因为支撑件4a内部中空，这样还可以减轻整个匀流桶的重量。图5中显示出了一种匀流装置的安装方式，支撑件套在固定件6a上，实现匀流装置与炉管的连接。在其他实施方式中，可以采用其他方式进行安装，比如类似于卡扣形式的安装，炉管内设有卡槽，能够与支撑件配合，实现匀流装置与炉管的连接。
本申请中的匀流装置，在使用时，可以让气体先通过封闭面的开孔3a,再经过桶体流出；也可以先让气体通过桶体1a，再从开孔3a流出。
在一些优选的方式中，如图4所示，匀流装置还包括连接件5a，连接件5a连接支撑件4a，连接件5a配置为能够用于使用者抓握，而且连接件5a与支撑件4a连接在一起，使得整个结构较为稳定。连接件5a可以为多种形状，比如可以是方形连接件、拱形连接件、横向连接件等中的任意一种或者几种形状的结合。
本实施例，连接件5a的形状类似于拱形拉手，如图4所示，连接件5a的两端分别连接两个圆柱形支撑件4a的一端，连接件5a便于使用者抓握，有利于向炉管中拿取或者放置匀流装置，同时，连接件5a位于桶体1a开口这一侧，可以平衡整个装置的重量分布，使得整个结构较为稳定。
在一些优选的方式中，将匀流装置放置在炉管进气端，匀流装置距离进气端部10-15cm，这样可以增大气体与匀流桶的接触面积，更好的分散气流。
在一些优选的方式中，如图3所示，封闭面2a不是整个面都设有开孔3a，开孔3a区域的形状与小舟形状对应(根据小舟的形状设置)，有利于气体更集中的去往小舟而不是从小舟边上流走。这种桶状的匀流装置在炉管内的稳定性更好，不会晃动，且匀流装置包括连接件5a，便于将匀流装置放进炉管和从炉管中拿出来。
实施例2a
在一些优选的方式中，如图6所示，所述进气结构还包括补气管，补气管被配置为能够用于补充气体，所述气体可以是氮气或/和惰性气体，本实施例中，补气管主要用于补充氮气。
在一些优选的方式中，补气管采用堵头的形式，补气管从炉尾插入炉管，伸向炉口；补气管靠近炉口的那一端封闭，另一端开口(此为第三开口9a)，用于通入气体，在一些优选的方式中，补气管上设有气体出口10a。在补气管上开设气体出口，出气位置可以为方阻较低的区域，通过增加局部氮气稀释磷源或者硼源的浓度，从而达到提升方阻的效果。
本实施例中，如图6所示，气体出口位于补气管的正上方，气体出口形状为直径1.5mm的圆孔，在其他实施方式中，气体出口可以不位于补气管的正上方，可以是位于补气管的斜上方或者其他方位，气体出口的具体位置可以根据实际的需要进行设置。
本申请中，气体出口的形状可以为方形、椭圆形等，本申请不对气体出口的形状进行具体的限定。
本实施例中，如图6所示，气体出口位置在进气管的正上方，气体出口形状为直径1.5mm的圆孔，气体出口数量为6个，为3，2，1的组合。靠近炉口第一号舟下方是3个孔，第二号小舟下方是2个孔，第三号小舟下方是1个孔，补气管从匀流装置的下方穿过，伸至炉口小舟下方。
在一些优选的方式中，补气管直径为12mm。在其他实施方式中，补气管直径可以是其他数值，可以根据具体需求进行设置。
在一些优选的方式中，在工艺通源步骤，增加补气管，通入氮气；在一些实施例中，在工艺通源步设置氮气补偿流量0.5-2L/min。
本发明中的进气结构可以用于磷扩散，也可以用于硼扩散。
由表中数据可知，实施例3的方阻极差为最小。本发明方法在硅片尺寸182mmx182mm，目标方阻160Ω/□的条件下，通过补充氮气将炉口靠近抽气口(抽气口即尾排管的进气口)的掺杂源浓度稀释降低，也将气流混合，并向上推送，降低了抽气口对此处的影响，减少了浓度差异，从而降低了硅片方阻极差。在炉尾部增加匀流桶，将气流充分打散以后，尽可能多的流向小舟内部，对靠近炉尾几个舟的极差改善较大。在大尺寸硅片，高方阻，高效率电池工艺的前提下，硅片方阻的均匀性要求越来越高，常规扩散工艺的问题逐渐显露出来，需要多方共同改善提高工艺质量。
本发明通过将靠近抽气口(尾排管在炉管中的一端)的硅片处增加补气，解决了近抽气口处硅片方阻的不均匀性，降低了方阻极差。常规方式，需要舍弃近抽气口处的部分硅片，减少单管硅片装载量来获得整管的均匀性。本发明，可以直接将近抽气口的硅片方阻极差改善，使得硅片均匀性达到合格区域内，且提高了产能。
如图1所示，常规进气方式，炉口气流偏向尾排口，导致炉口下部分硅片处气流较大，由于掺杂气体密度一般都较大，在混合气体中下沉，导致炉口下部分气体浓度大，流量大，从而导致下部分硅片方阻偏小，硅片方阻极差变大。常规方式调节炉管压力，改善气流比例，以及改变炉口硅片处的温度来改善炉口处硅片的方阻异常。炉口进气，炉尾抽气的方式同样存在类似问题。此类常规调整能略微减小差异，但要保持其他位置硅片的稳定，改善有限。通常减少出气口处的硅片数量来达到整管硅片的一致性。
本发明在炉口处增加一氮气管道，在底部充氮气，如图2所示，不仅能够稀释此处的高浓度掺杂气体，还可以将此处的气流向上推动混合均匀，降低尾排管对此处的抽力。同时配合此处热场温度的调整，能够获得方阻极差小的硅片。
显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
Claims (8)
1.一种新型扩散方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)将载有硅片的舟送入炉管中，将匀流装置放置于炉管内部，匀流装置靠近炉尾部；
(2)抽真空检漏；
(3)炉管升温至770-790℃后，通入氧气和氮气，炉管压力为150-170mbar；
(4)恒温770-790℃，小氮携带POCl3源，混合氧气和大氮从炉尾进气，炉管压力为150-170mbar；
(5)由770℃斜率升温至845℃，时间10min，升温过程中通入氧气、氮气，炉管压力为160mbar；
(6)恒温845℃，时间10min，在恒温的过程中，补充氮气，炉管压力为160mbar；
(7)降温，通氮气回到常压，出炉。
2.根据权利要求1所述的一种新型扩散方法，其特征是，步骤(4)中，补气管从炉尾插入炉管，伸向炉口；补气管靠近炉口的那一端封闭，另一端开口，用于通入气体，补气管上设有气体出口；补气管中通入的气体为惰性气体或/和氮气。
3.根据权利要求1所述的一种新型扩散方法，其特征是，步骤(4)中，小氮流量为1.2-1.5L/min，氧气流量为0.8-1L/min，大氮流量为3-3.5L/min，通入时间为12-15min。
4.根据权利要求1所述的一种新型扩散方法，其特征是，步骤(3)中，氧气流量1-1.5L/min，氮气流量3-3.5L/min，通入时间5-7min。
5.根据权利要求2所述的一种新型扩散方法，其特征是，步骤(4)中，补气管中通入氮气的流量为0.5-2L/min。
6.根据权利要求1所述的一种新型扩散方法，其特征是，步骤(5)中，氧气流量1-1.5LL/min，氮气流量3-3.5L/min。
7.根据权利要求1所述的一种新型扩散方法，其特征是，步骤(6)中，氮气流量为3-3.5L/min。
8.根据权利要求1所述的一种新型扩散方法，其特征是，步骤(7)中，降温至800℃。
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