CN116895715B - 一种太阳能电池硼扩散控制方法、设备及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种太阳能电池硼扩散控制方法、设备及系统，所述方法包括：（1）将硅片置于反应腔室内，同时通入氧气和氮气；（2）在840~880℃和80~120 mbar下进行一次通源；（3）在840~880℃和160~200 mbar下进行二次通源；（4）在1010~1030℃和830~870mba下进行氧化反应；至少有一个步骤中包括检漏工序、流量测定工序和抽气速率测定工序中的一个或多个。本发明采用检漏工序、流量测定工序和抽气速率测定工序中的一个或多个及时发现设备异常，中止工艺，避免工艺在异常条件下持续运行，出现大批量的方阻不良片。采用两次通源的方式，控制反应速率，提高反应效率，控制产物质量和提高安全性，加深PN结的结深。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，特别是涉及一种太阳能电池硼扩散控制方法、设备及系统。
背景技术
光伏硼扩散工艺原理是在晶体硅太阳能电池的制备过程中，通过在硅片表面掺杂硼原子，并在高温下使硼原子向硅片内部推进形成PN结，PN结使得太阳能电池具备了半导体器件的特性，能够将光能转化为电能，当光线照射到太阳能电池表面时，硼扩散层中的硼元素会吸收光能，并产生电子-空穴对（光生载流子），这些光生载流子会被PN结分离，电子向N型硅层移动，空穴向P型硅层移动硼扩散层中的硼元素可以提高电子在P型硅层中的迁移率，从而减小电子在输运过程中的损失，有助于提高太阳能电池的效率，因此，硼扩散工艺是太阳能电池制备工艺中的关键部分。
采用低压硼扩散工艺可以实现精确的控制、减少硅片损伤、提高掺杂均匀性和节约能源，但是低压硼扩散工艺，对真空度和硼源分布均匀性要求都很高；一旦在工艺过程中出现真空腔室的漏气、真空管道或气路管道堵塞的情况，没有及时被发现，继续进行工艺的话，就会造成整管硅片的方阻不良，导致产品的良率下降，影响后续制备工艺的顺利进行，导致太阳能电池的光电转化效率降低。
中国专利文献上公开了“一种硼扩散处理控制方法、装置和炉管”，其公告号为CN114068758A，该发明通过控制炉管从待机温度升温至沉积温度；当炉管的温度达到述沉积温度时，对炉管内的硅片进行沉积处理、升温推进处理和高温氧化处理；当控制炉管降温至低温氧化温度，在此过程中利用引气对炉管内引入预设压力和预设蒸汽温度的水蒸气，并持续预设时长；对炉管执行第二次降温操作，以使炉管内温度降低至待机温度。该发明利用水气氧化与常规干氧的差异，解决掺杂过程中高温氧化导致掺入硅基中的硼原子迅速进入到硼硅玻璃体中造成的掺杂初始浓度过低问题，从而解决了硅与金属电极间接触电阻较高的问题，使P型掺杂发射极与金属电极形成良好的欧姆接触，进而能够有效提高硅电池的光电转化效率。但是，该发明并没有解决上述硼扩散工艺中硅片良率下降的问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种太阳能电池硼扩散控制方法、设备及系统，用于解决现有硼扩散工艺可控性差，容易出现真空腔室的漏气、真空管道或气路管道堵塞的情况，导致硅片良率下降，影响太阳能电池的光电转化效率的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种太阳能电池硼扩散控制方法，包括以下步骤：
步骤（1）：将硅片置于反应腔室内，同时通入氧气和氮气，所述氧气的流量为2800~3200mL/min，所述氮气的流量为1200~1800mL/min，通入时间为150~200s；
步骤（2）：在840~880℃和80~120 mbar条件下进行一次通源；
步骤（3）：在840~880℃和160~200 mbar条件下进行二次通源；
步骤（4）：在1010~1030℃和830~870mbar条件下进行氧化反应；
所述一次通源和二次通源用于使得硅片、三氯化硼和氧气发生硼扩散反应；二次通源中三氯化硼的流量小于一次通源中三氯化硼的流量；每次通源前后均设有吹扫步骤和抽气步骤，所述吹扫步骤和抽气步骤用于清理反应腔室内的残留气体；
至少有一个步骤还包括检漏工序、流量测定工序和抽气速率测定工序中的一个或多个；
所述检漏工序包括：真空保压状态下获取1min内，第一秒和第60秒时反应腔室的压力测定值1和压力测定值2，计算压力测定值1与压力测定值2的压力差，当压力差≥3bmar/min，判定该步骤中反应腔室发生漏气，中止工艺；当压力差＜3mbar/min，判定该步骤中反应腔室未发生漏气，继续工艺；
所述流量测定工序包括：获取气路系统中各气路管道的流量测定值，分别计算流量测定值与其相对应的气体的预设流量值的流量相对误差，当流量相对误差＞1.5%，判定该气路管道堵塞或者流量计损坏，中止工艺；当流量相对误差≤1.5%，判定该气路管道正常，继续工艺；所述流量相对误差为流量测定值与预设流量值的差值与预设流量值的百分比；
所述抽气速率测定工序包括：采用变频隔膜泵抽取反应腔室内的气体，实时获取变频隔膜泵的抽气速率，当抽气速率＞阀值，判定抽气管道堵塞，中止工艺；当抽气速率≤阀值，判定该抽气管道正常，继续工艺；所述阀值为变频隔膜泵的全功率的70%。
本发明通过在硼扩散工艺运行过程中，采用检漏工序、流量测定工序和抽气速率测定工序中的一个或多个及时发现设备异常，中止工艺，避免工艺在异常条件下持续运行，导致出现大批量的方阻不良片。三氯化硼容易发生液化，可能会导致扩散速率的不稳定性和不均匀性，本发明的硼扩散工艺采用两次通源的方式，并且在二次通源时增加反应腔室内的压力，降低三氯化硼的流量，控制反应速率，提高反应效率，控制产物质量和提高安全性，加深PN结的结深；本申请采用相对于通源阶段较高的温度和压力下进行氧化反应，在硅片表面形成隧穿氧化层，为硼扩散层提供保护和隔离作用，同时可以改善硅片的电学性能，例如减少漏电和提高绝缘性能。
在本申请的上述技术方案中，在一次通源之前，先向反应腔室内同时通入氧气和氮气工序，该工序采用较短时间的大流量的通氧工序可以预先清扫反应腔室及气路系统中的残留气体，为通源工序做准备。为避免氧气与硅片表面发生氧化反应，该步骤中氧气的通入时间不宜过长，控制在上述范围内为宜。
一次通源和二次通源的温度对硼扩散反应很关键，温度低于840℃会导致方阻过高，高于880℃会导致方阻过低。本申请中一次通源在较低的压力下进行，具有方阻均匀性较高，硼源消耗量较低的效果；当一次通源的压力低于80 mbar，如果要达到相同的PN结深，就要消耗更多的硼源；当一次通源的压力高于120 mbar，牺牲了方阻均匀性，会导致片间的方阻均匀性变差；二次通源在相对较高的压力下进行，使硼源在工艺腔室内停留更多的时间，有利于靠近抽气口附近的硅片PN结的形成；当二次通源的压力低于160 mbar会发生源被很快的抽走，导致靠近抽气管口的硅片附近硼源浓度较低，方阻偏高；当二次通源的压力高于200 mbar会导致靠近进气口附近的硅片附近硼源浓度较高，方阻偏低。
优选地，所述一次通源包括：向反应腔室内同时通入氧气、氮气和三氯化硼，所述氧气的流量为800~1200mL/min，所述氮气的流量为3500~4500mL/min，所述三氯化硼的流量为210~230mL/min。
优选地，所述二次通源包括：向反应腔室内同时通入氧气、氮气和三氯化硼，所述氧气的流量为800~1200mL/min，所述氮气的流量为3500~4500mL/min，所述三氯化硼的流量为170~200mL/min。
优选地，步骤（4）中，所述氧化反应包括向所述反应腔室内通入氧气，所述氧气的流量为12000~18000mL/min。氧化阶段采用较大的流量，可以更好地覆盖整个硅片表面，可以在硅片表面快速形成氧化层，减少氧化层的不均匀性，有助于提高太阳能电池的一致性和光电转换性能，提高生产效率，缩短制造周期。
优选地，在向反应腔室内同时通入氧气、氮气和三氯化硼之前，还包括氧气与氮气预混合工序。氧气和三氯化硼直接接触会快速发生反应，本申请通过增加氧气与氮气预混合工序可以有效稀释氧气的浓度，使得硼扩散反应更为平稳，提高硼源分布均匀性，有助于提高太阳能电池的一致性和光电转换性能。
本发明还提供了一种太阳能电池硼扩散控制设备，包括至少一个处理器和存储器，其中：
所述存储器用于存储计算机程序或指令；
所述处理器用于执行所述计算机程序或指令，以使所述太阳能电池硼扩散控制设备执行上述太阳能电池硼扩散控制方法。
本发明还提供了一种太阳能电池硼扩散控制系统，包括硼扩散装置和上述太阳能电池硼扩散控制设备。
如上所述，本发明的太阳能电池硼扩散控制方法、设备及系统，具有以下有益效果：通过在硼扩散工艺运行过程中，采用检漏工序、流量测定工序和抽气速率测定工序中的一个或多个及时发现设备异常，中止工艺，避免工艺在持续运行，造成出现大批量的方阻不良片。三氯化硼容易发生液化，可能会导致扩散速率的不稳定性和不均匀性，本发明的硼扩散工艺采用两次通源的方式，并且在二次通源时增加反应腔室内的压力，降低三氯化硼的流量，控制反应速率，提高反应效率，控制产物质量和提高安全性，加深PN结的结深；本申请采用相对于通源阶段较高的温度和压力下进行氧化反应，在硅片表面形成隧穿氧化层，为硼扩散层提供保护和隔离作用，同时可以改善硅片的电学性能，例如减少漏电和提高绝缘性能。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
须知，下列实施例中未具体注明的工艺设备或装置均采用本领域内的常规设备或装置。
此外应理解，本发明中提到的一个或多个方法步骤并不排斥在所述组合步骤前后还可以存在其他方法步骤或在这些明确提到的步骤之间还可以插入其他方法步骤，除非另有说明；还应理解，本发明中提到的一个或多个设备/装置之间的组合连接关系并不排斥在所述组合设备/装置前后还可以存在其他设备/装置或在这些明确提到的两个设备/装置之间还可以插入其他设备/装置，除非另有说明。而且，除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的便利工具，而非为限制各方法步骤的排列次序或限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容的情况下，当亦视为本发明可实施的范畴。
实施例1
本申请实施例提供了一种太阳能电池硼扩散控制方法，包括以下步骤：
步骤（1）：将硅片置于反应腔室内，向反应腔室内同时通入氧气和氮气，所述氧气的流量为3000mL/min，所述氮气的流量为1500mL/min，通入时间为180s；
步骤（2）：采用氮气吹扫，采用变频隔膜泵抽取反应腔室内的气体，清理反应腔室内的残留气体；在860℃和100mbar条件下进行一次通源：先将氧气与氮气预混合，然后向反应腔室内同时通入氧气、氮气和三氯化硼，所述氧气的流量为1000mL/min，所述氮气的流量为4000mL/min，所述三氯化硼的流量为220mL/min；该步骤中采用变频隔膜泵抽取反应腔室内的气体以确保压力稳定，实时获取变频隔膜泵的抽气速率，测得抽气速率≤阀值，判定该抽气管道正常，继续工艺；
步骤（3）：采用氮气吹扫，采用变频隔膜泵抽取反应腔室内的气体，清理反应腔室内的残留气体，在860℃和180 mbar条件下进行二次通源：先将氧气与氮气预混合，然后向反应腔室内同时通入氧气、氮气和三氯化硼，所述氧气的流量为1000mL/min，所述氮气的流量为4000mL/min，所述三氯化硼的流量为200mL/min；实时获取气路系统中各气路管道的流量测定值，分别计算流量测定值与其相对应的气体的预设流量值的流量相对误差，均≤1.5%，判定该气路管道正常，继续工艺；真空保压状态下获取1min内，第一秒和第60秒时反应腔室的压力测定值1为182mbar和压力测定值2为180 mbar，计算压力测定值1与压力测定值2的压力差为2mbar＜3mbar/min，判定该步骤中反应腔室未发生漏气，继续工艺；
步骤（4）：采用氮气吹扫，采用变频隔膜泵抽取反应腔室内的气体，清理反应腔室内的残留气体，在1030℃和850mbar条件下进行氧化反应：向所述反应腔室内通入氧气，所述氧气的流量为15000mL/min。
实施例2
本申请实施例提供了一种太阳能电池硼扩散控制方法，包括以下步骤：
步骤（1）：将硅片置于反应腔室内，向反应腔室内同时通入氧气和氮气，所述氧气的流量为2800mL/min，所述氮气的流量为1200mL/min，通入时间为150s；
步骤（2）：采用氮气吹扫，采用变频隔膜泵抽取反应腔室内的气体，清理反应腔室内的残留气体；在840℃和120 mbar条件下进行一次通源：先将氧气与氮气预混合，然后向反应腔室内同时通入氧气、氮气和三氯化硼，所述氧气的流量为800mL/min，所述氮气的流量为3500mL/min，所述三氯化硼的流量为210mL/min；该步骤中采用变频隔膜泵抽取反应腔室内的气体以确保压力稳定，实时获取变频隔膜泵的抽气速率，测得抽气速率≤阀值，判定该抽气管道正常，继续工艺；
步骤（3）：采用氮气吹扫，采用变频隔膜泵抽取反应腔室内的气体，清理反应腔室内的残留气体，在840℃和200 mbar条件下进行二次通源：先将氧气与氮气预混合，然后向反应腔室内同时通入氧气、氮气和三氯化硼，所述氧气的流量为1200mL/min，所述氮气的流量为4500mL/min，所述三氯化硼的流量为200mL/min；实时获取气路系统中各气路管道的流量测定值，分别计算流量测定值与其相对应的气体的预设流量值的流量相对误差，计算得流量相对误差≤1.5%，判定该气路管道正常，继续工艺；该步骤中还采用变频隔膜泵抽取反应腔室内的气体以确保压力稳定，实时获取变频隔膜泵的抽气速率，测得抽气速率≤阀值，判定该抽气管道正常，继续工艺；真空保压状态下获取1min内，第一秒和第60秒时反应腔室的压力测定值1为195mbar和压力测定值2为200 mbar，计算压力测定值1与压力测定值2的压力差为5 bmar≥3bmar/min，判定该步骤中反应腔室发生漏气，中止工艺，进行检修后再恢复工艺；
步骤（4）：采用氮气吹扫，采用变频隔膜泵抽取反应腔室内的气体，清理反应腔室内的残留气体，在1010℃和830mbar条件下进行氧化反应：向所述反应腔室内通入氧气，所述氧气的流量为12000mL/min；真空保压状态下获取1min内，第一秒和第60秒时反应腔室的压力测定值1为828mbar和压力测定值2为830 mbar，计算压力测定值1与压力测定值2的压力差为2 bmar＜3mbar/min，判定该步骤中反应腔室未发生漏气，继续工艺。
实施例3
本申请实施例提供了一种太阳能电池硼扩散控制方法，包括以下步骤：
步骤（1）：将硅片置于反应腔室内，向反应腔室内同时通入氧气和氮气，所述氧气的流量为3200mL/min，所述氮气的流量为1800mL/min，通入时间为200s；
步骤（2）：采用氮气吹扫，采用变频隔膜泵抽取反应腔室内的气体，清理反应腔室内的残留气体；在880℃和120 mbar条件下进行一次通源：先将氧气与氮气预混合，然后向反应腔室内同时通入氧气、氮气和三氯化硼，所述氧气的流量为1200mL/min，所述氮气的流量为4500mL/min，所述三氯化硼的流量为230mL/min；该步骤中采用变频隔膜泵抽取反应腔室内的气体以确保压力稳定，实时获取变频隔膜泵的抽气速率，抽气速率≤阀值，判定该抽气管道正常，继续工艺；实时获取气路系统中各气路管道的流量测定值，分别计算流量测定值与其相对应的气体的预设流量值的流量相对误差，计算发现氧气管路的流量相对误差＞1.5%，判定该气路管道堵塞或者流量计损坏，中止工艺，进行检修后再恢复工艺；
步骤（3）：采用氮气吹扫，采用变频隔膜泵抽取反应腔室内的气体，清理反应腔室内的残留气体，在880℃和160 mbar条件下进行二次通源：先将氧气与氮气预混合，然后向反应腔室内同时通入氧气、氮气和三氯化硼，所述氧气的流量为800mL/min，所述氮气的流量为3500mL/min，所述三氯化硼的流量为170mL/min；实时获取气路系统中各气路管道的流量测定值，分别计算流量测定值与其相对应的气体的预设流量值的流量相对误差，流量相对误差≤1.5%，判定该气路管道正常，继续工艺；真空保压状态下获取1min内，第一秒和第60秒时反应腔室的压力测定值1为158mbar和压力测定值2为160 mbar，计算压力测定值1与压力测定值2的压力差为2＜3mbar/min，判定该步骤中反应腔室未发生漏气，继续工艺；
步骤（4）：采用氮气吹扫，采用变频隔膜泵抽取反应腔室内的气体，清理反应腔室内的残留气体，在1030℃和870mbar条件下进行氧化反应：向所述反应腔室内通入氧气，所述氧气的流量为18000mL/min。
对比例1
对比例1与实施例1的区别在于，各步骤均未包含检漏工序、流量测定工序和抽气速率测定工序中的一个，其余工艺完全相同。
对比例2
对比例2与实施例1的区别在于，无二次通源工序，其余工艺完全相同。
对比例3
对比例3与实施例1的区别在于，无氧化工序，其余工艺完全相同。
对采用实施例1~3及对比例1~3的工艺制得的硅片做性能测试，
本申请以上实施例及对比例中，每管对100片硅片进行硼扩散；
方阻测试：沿炉管的进气端至抽气端方向间隔抽取5个硅片产品进行方阻测试，测试方法采用四探针测量法；均匀性（%）的计算公式为：
均匀性（%）=[（最大值-最小值）/(最大值+最小值)]*100%；
产品良率测试：设定单个硅片产品的方阻超过要求方阻±15为不合格，设定方阻110为合格，设定良率为每管硅片中合格品量占全部加工品的百分率。
测试结果如表1所示：
表1. 实施例1~3及对比例1~3的工艺制得的硅片的性能测试结果
从表1可以看出，采用实施例1~3的工艺制得的硅片的方阻均匀性较好，硼扩散硅片良率高达98％及以上。通过比较实施例1与对比例1可以看出，对比例1制得的硅片的方阻良率和均匀性大幅度下降，这可能是因为某个步骤中设备发生了异常，如真空腔室的漏气、真空管道或气路管道堵塞的情况，由于对比例1中没有任何控制工序，这些异常没有被及时发现并中止工艺进行处理，导致出现大批量的方阻不良片；实施例1由于具有完善的控制工序，及时发现设备异常，提高硅片的方阻良率。通过比较实施例1与对比例2可以看出，未采用本申请的两次通源工艺得到的硼扩散硅片方阻均匀性较好，这是因为仅进行一次通源会发生炉口和炉尾方阻差别较大；通过比较实施例1与对比例3可以看出，硼扩散后氧化的目的是为了去除富硼层，若富硼层无法去除，会导致硅片载流子的寿命急剧降低，方阻均匀性受到较大影响。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (7)
1.一种太阳能电池硼扩散控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤（1）：将硅片置于反应腔室内，同时通入氧气和氮气，所述氧气的流量为2800~3200mL/min，所述氮气的流量为1200~1800mL/min，通入时间为150~200s；
步骤（2）：在840~880℃和80~120 mbar条件下进行一次通源；
步骤（3）：在840~880℃和160~200 mbar条件下进行二次通源；
步骤（4）：在1010~1030℃和830~870mbar条件下进行氧化反应；
所述一次通源和二次通源用于使得硅片、三氯化硼和氧气发生硼扩散反应；二次通源中三氯化硼的流量小于一次通源中三氯化硼的流量；每次通源前后均设有吹扫步骤和抽气步骤，所述吹扫步骤和抽气步骤用于清理反应腔室内的残留气体；
至少有一个步骤还包括检漏工序、流量测定工序和抽气速率测定工序中的一个或多个；
所述检漏工序包括：真空保压状态下获取1min内，第一秒和第60秒时反应腔室的压力测定值1和压力测定值2，计算压力测定值1与压力测定值2的压力差，当压力差≥3bmar/min，判定该步骤中反应腔室发生漏气，中止工艺；当压力差＜3mbar/min，判定该步骤中反应腔室未发生漏气，继续工艺；
所述流量测定工序包括：获取气路系统中各气路管道的流量测定值，分别计算流量测定值与其相对应的气体的预设流量值的流量相对误差，当流量相对误差＞1.5%，判定该气路管道堵塞或者流量计损坏，中止工艺；当流量相对误差≤1.5%，判定该气路管道正常，继续工艺；所述流量相对误差为流量测定值与预设流量值的差值与预设流量值的百分比；
所述抽气速率测定工序包括：采用变频隔膜泵抽取反应腔室内的气体，实时获取变频隔膜泵的抽气速率，当抽气速率＞阀值，判定抽气管道堵塞，中止工艺；当抽气速率≤阀值，判定该抽气管道正常，继续工艺；所述阀值为变频隔膜泵的全功率的70%。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池硼扩散控制方法，其特征在于：所述一次通源包括：向反应腔室内同时通入氧气、氮气和三氯化硼，所述氧气的流量为800~1200mL/min，所述氮气的流量为3500~4500mL/min，所述三氯化硼的流量为210~230mL/min。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池硼扩散控制方法，其特征在于：所述二次通源包括：向反应腔室内同时通入氧气、氮气和三氯化硼，所述氧气的流量为800~1200mL/min，所述氮气的流量为3500~4500mL/min，所述三氯化硼的流量为170~200mL/min。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池硼扩散控制方法，其特征在于：步骤（4）中，所述氧化反应包括向所述反应腔室内通入氧气，所述氧气的流量为12000~18000mL/min。
5.根据权利要求2或3所述的太阳能电池硼扩散控制方法，其特征在于：在向反应腔室内同时通入氧气、氮气和三氯化硼之前，还包括氧气与氮气预混合工序。
6.一种太阳能电池硼扩散控制设备，其特征在于：包括至少一个处理器和存储器，其中：
所述存储器用于存储计算机程序或指令；
所述处理器用于执行所述计算机程序或指令，以使所述太阳能电池硼扩散控制设备执行如权利要求1～5任意一项所述的太阳能电池硼扩散控制方法。
7.一种太阳能电池硼扩散控制系统，其特征在于：包括硼扩散装置和如权利要求6所述的太阳能电池硼扩散控制设备。
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