晶體硅電池的低壓擴散工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于晶體硅電池的制備工藝中的擴散加工領(lǐng)域，具體涉及一種能夠提高低 壓擴散爐擴散片間均勻性和電池性能穩(wěn)定性的擴散工藝。
【背景技術(shù)】
[0002] 在晶體硅電池產(chǎn)業(yè)化方面，通常采用高溫擴散法制備PN結(jié)，而產(chǎn)業(yè)化制備片間、 片內(nèi)均勻性好的高方阻發(fā)射極是提高電池轉(zhuǎn)換效率和電性能穩(wěn)定性的重要途徑，不僅可從 整體上提高擴散工藝優(yōu)化空間，而且可降低電池效率分檔數(shù)量。隨著高方阻漿料不斷開發(fā) 成功過，提高發(fā)射極的方塊電阻值大小、摻雜濃度縱向分布一致性及片間均勻性已成為提 高電池產(chǎn)業(yè)化競爭力的重要手段。
[0003] 目前主要以常壓高溫擴散方式制備PN結(jié)，但常壓下氣體分子自由程較小，各區(qū)域 硅片接觸磷源幾率差距較大，無法保證片內(nèi)及片間均勻性及PN結(jié)縱向摻雜濃度的一致性， 從而影響PN結(jié)深度和電性能的一致性。
[0004] 初期低壓擴散技術(shù)主要用于半導(dǎo)體芯片產(chǎn)業(yè)，目前國際知名Centrotherm和 SEMC0等公司陸續(xù)推出針對晶體硅電池的低壓擴散爐。根據(jù)流體力學理論分析，壓強越小， 氣體分子自由程越大，而且氣流場穩(wěn)定性越好，這樣擴散管內(nèi)各位置硅片及其各區(qū)域接觸 氣體分子幾率一致性越好，即利于提高片內(nèi)、片間均勻性。
[0005] 采用三氯氧磷（P0C13)為液態(tài)源，利用真空栗抽真空，在低氣壓條件下進行高溫擴 散制備PN結(jié)，方阻值大小、摻雜縱向濃度分布一致性和片內(nèi)、片間均勻性是低壓擴散爐擴 散特性最主要表征手段。傳統(tǒng)低壓擴散工藝，由于磷源固定從尾部送氣，依靠大氮攜帶通過 整個爐管到達爐口，管口通過真空栗抽真空達到低氣壓狀態(tài)，不可避免的導(dǎo)致磷源濃度一 端濃度高、另一端濃度低的現(xiàn)象，即爐口磷源分布偏低，這樣易造成導(dǎo)致片間擴散方阻大小 不均勻。由于擴散磷源流量和低氣壓值大小直接決定爐口、爐尾磷源濃度差大小，可通過降 低氣壓改善爐口和爐尾磷源濃度差。但是氣壓值越小，對真空栗要求越苛刻，會降低真空栗 的使用壽命。若單純采用溫度補償方式解決整管片間擴散方阻大小均勻性問題，由于磷源 濃度較低，管口溫度通常比管尾高20°C以上，從爐尾到爐口溫度呈現(xiàn)梯度式分布導(dǎo)致了爐 管內(nèi)熱量的擾動，很難提高片間擴散摻雜縱向濃度分布一致性，使得硅片內(nèi)摻雜均勻性受 到嚴重制約，不利于電池后續(xù)工藝的改進。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種提高擴散片間均勻 性，降低爐口溫區(qū)溫度，即提高擴散管各溫區(qū)溫度一致性、解決擴散爐爐口方阻大幅度波動 問題、提高真空栗使用壽命、降低擴散工序生產(chǎn)成本的低壓擴散工藝。
[0007] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0008] -種晶體硅電池的低壓擴散工藝，包括以下步驟：
[0009] (1)擴散前高溫氧化：高溫氧化硅片，在硅片表面預(yù)生長一層納米級厚度的Si02;
[0010] ⑵低壓擴散：采用分步擴散法制備PN結(jié)，具體擴散步驟如下：
[0011] (2. 1)低壓預(yù)擴散，工藝參數(shù)為：爐內(nèi)壓強為50mbar~lOOmbar，擴散溫度為 750°C~780°C ;擴散時間為 lOOsec ~200sec ;大氮流量為 10000ml/min ~15000ml/min ; 小氮流量為 500ml/min ~700ml/min ;氧氣流量為 500ml/min ~2000ml/min ;
[0012] (2. 2)升溫推進，工藝參數(shù)為：升壓至lOOOmbar，溫度升至800°C~820°C，推進時 間為300sec~600sec，大氮流量為1000ml/min~10000ml/min，小氮流量Oml/min，氧氣流 量 Oml/min ;
[0013] (2. 3)低壓擴散，工藝參數(shù)為：抽低壓至250mbar~600mbar后開始低壓擴散，擴 散溫度為800°C~820°C;擴散時間為300sec~600sec，大氮流量為2000ml/min~3000ml/ min ;氧氣流量為 100ml/min ~300ml/min ;小氮流量為 100ml/min ~200ml/min ;
[0014] ⑶退火：進行退火以修復(fù)晶格并排除雜質(zhì)。
[0015] 上述的晶體硅電池的低壓擴散工藝，優(yōu)選的，所述步驟（1)中，在恒溫恒壓條件下 進行高溫氧化，工藝參數(shù)為：壓強為50mbar~120mbar ;氧化溫度為760°C~780°C ;氧化 時間為120sec~240sec ;大氮流量為10000ml/min~15000ml/min ;氧氣流量為500ml/ min ~1000ml/min〇
[0016] 上述的晶體硅電池的低壓擴散工藝，優(yōu)選的，所述步驟（3)的工藝參數(shù)為：退火溫 度550°C~700°C，退火時間為600sec~3000sec，退火過程中，爐內(nèi)壓強從lOOOmbar降至 300mbar，再從 300mbar 升為 lOOOmbar。
[0017] 上述的晶體硅電池的低壓擴散工藝，優(yōu)選的，所述步驟（2)中，所述氧氣為干氧。
[0018] 上述的晶體硅電池的低壓擴散工藝，優(yōu)選的，所述硅片的片間距為1. 0~2. Omm， 擴散后所得硅片的方阻值為90~150 Ω/ □，擴散后硅片的片間方阻不均勻度為3%以內(nèi)， 擴散管爐口和爐尾溫區(qū)溫度差值不超過1(TC ;
[0019] 上述的晶體硅電池的低壓擴散工藝，優(yōu)選的，所述硅片為P型多晶硅片，所述P型 多晶娃片的電阻率為1Ω ·〇ιι~3Ω ·〇!!，厚度為100μπι~200 μηι。
[0020] 上述小氮即為攜源氮氣，大氮即為氮氣，干氧即為干燥的氧氣。
[0021] 下面結(jié)合原理及優(yōu)點對本發(fā)明作進一步說明：
[0022] 1、本發(fā)明的低壓擴散工藝，利用兩步擴散方式，通過調(diào)節(jié)擴散各反應(yīng)氣體流量和 氣壓值調(diào)節(jié)氣流量，達到提高片間擴散方阻值均勻性和縱向摻雜濃度分布一致性的目的。 展開來說，本發(fā)明工藝中兩步擴散步驟分為兩步進行：第一步，低壓預(yù)擴散，氣流量較大 (主要是大氮），氣壓值較低，擴散磷源主要集中在管口，在管口區(qū)域硅片表面生成一層濃 度相對較多的非活性磷源；第二步，升溫推進，促進磷源的分解和ΡΝ結(jié)向硅內(nèi)的推進，第三 步，低壓擴散，氣流量較小，氣壓值相對較大，氣體流速相對較慢，擴散磷源主要集中在爐尾 和爐中間區(qū)域，爐口相對較少，與第一步的預(yù)擴散形成了很好的補償，從而達到了平衡各溫 區(qū)溫度、提高片間擴散方阻值均勻性和縱向摻雜濃度分布一致性的目的。同時也降低了擴 散工序生產(chǎn)成本，且降低了對真空栗性能要求，利于提高其壽命。
[0023] 2、擴散前抽成低氣壓進行高溫氧化，可提高氧氣和各位置硅片接觸幾率，達到降 低氧氣流量目的。擴散前在硅片表面生長一薄層Si02，薄層對Ρ原子的推進有一定的阻擋 調(diào)控作用，從而達到提高擴散方阻均勻性的目的，同時可以阻止擴散磷源在表面形成死層 目的。
[0024] 3、擴散后退火，可達到終止PN結(jié)繼續(xù)推進和激活擴散摻雜磷原子的目的，同時起 到晶格修復(fù)、退火吸雜排雜作用，對于擴散摻雜PN結(jié)質(zhì)量的提高起到積極作用。
[0025] 4、本發(fā)明的高均勻性低壓擴散工藝，基于低壓擴散爐，對原有低壓擴散工藝進行 大幅度變革，打破了傳統(tǒng)低壓擴散工藝磷源在爐口與爐尾的差異化分布帶來的弊端，通過 前后兩次擴散實現(xiàn)磷源分布的補償，從而在擴散爐各溫區(qū)溫度一致的條件下達到了提高片 間擴散方阻值均勻性和縱向摻雜濃度分布一致性的目的。本發(fā)明擴散工藝是通過實際擴 散實驗演示出來的，通過重復(fù)實驗初步取得一定成果。在不改變原低壓擴散硅片間距的情 況下，相比常規(guī)低壓擴散工藝，小氮流量減少10%，擴散工藝時間減少lOmin，方塊電阻控 制在120 Ω/ □左右，片間不均勻度可達到2. 5%以內(nèi)。和常規(guī)低壓擴散片間方阻不均勻度 (計算方法：不均勻度=(最大值-最小值V(最大值+最小值）X 100% )對比結(jié)果如表 1和表2所示：
[0026] 表1 :常規(guī)低壓擴散工藝片間方阻特性表
[0028] 表2 :本發(fā)明的低壓擴散工藝片間方阻特性表征
[0031] 可見，和傳統(tǒng)低壓擴散工藝相比，本工藝可有效提高擴散片間均勻性，解決擴散爐 爐口方阻大幅度波動問題，而且可有效降低爐口溫區(qū)溫度，即提高擴散管各溫區(qū)