低壓擴散機理及其對擴散方阻均勻性的影響研究

張寶鋒，陳暉

（中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南長沙410111）

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低壓擴散機理及其對擴散方阻均勻性的影響研究

張寶鋒，陳暉

（中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南長沙410111）

摘要：傳統(tǒng)的太陽能電池擴散工藝采用常壓擴散，隨著高效晶硅電池的發(fā)展，擴散結深的不斷變淺，常壓擴散已難以滿足晶體硅太陽能電池高效、低成本發(fā)展的技術要求。低壓擴散通過在反應管內(nèi)提供低壓工藝環(huán)境，提升擴散制結的性能。通過對低壓擴散機理的詳細分析，從擴散分子自由程、摻雜原子分壓比和氣場均勻性等方面詳細分析了低壓擴散對高方阻均勻性的影響關系。采用新型低壓擴散爐進行工藝實驗測試，結果表明，低壓擴散在可達到擴散方阻目標值110 Ω時獲得更好的均勻性，載片量較常壓擴散大幅度提升，具有無可比擬的生產(chǎn)優(yōu)勢，是未來擴散技術的主要發(fā)展方向。

關鍵詞：低壓擴散；高方阻；均勻性

擴散是半導體器件制造的重要工序，主要用途是在高溫條件下對半導體晶圓進行摻雜，從而改變和控制半導體內(nèi)雜質的類型、濃度和分布，以便建立起不同的電特性區(qū)域。在太陽能晶硅電池制造工藝中，常采用熱擴散工藝制備PN結，即在加熱條件下將V族雜質元素磷摻入P型硅或將III族雜質硼摻入N型硅中，擴散制備PN結的質量對于太陽能電池的轉換效率有重要影響，是太陽能電池性能的決定性因素之一。目前傳統(tǒng)的太陽能生產(chǎn)線主要采用常壓擴散工藝，即擴散過程中，擴散爐工作腔內(nèi)壓力保持常壓或微正壓，然而，隨著太陽能電池向高效、低成本方向發(fā)展，硅片表面摻雜濃度不斷降低，PN結的結深越來越淺，方塊電阻從40到100 Ω不斷增加，常壓擴散對硅片摻雜均勻性的控制越來越差，難以制備高質量的淺結高方阻PN結，此外，常壓擴散中化學品的吸收率低，消耗量大，難以滿足太陽能電池高效、低成本發(fā)展的技術要求。

低壓擴散反應管內(nèi)為負壓，通過管內(nèi)負壓環(huán)境提升擴散制結的性能，為晶體硅太陽能電池性能的進一步提高、光伏發(fā)電成本的進一步降低奠定了基礎。

1　低壓擴散機理

1.1 低壓擴散工藝

低壓擴散工藝總體思路可概況為：低溫低壓沉積、高溫低壓推進、常壓氧化。低壓沉積和高溫推進階段都是在低壓環(huán)境下完成。低壓擴散工藝為：（1）關閉放有硅片的擴散爐爐門后，抽氣使反應管內(nèi)壓力達到設定值進行高溫氧化，在硅片表面生成一薄層SiO2。（2）通入小氮和氧氣，采用三步擴散法制備PN結，即：第一步低溫預擴散，擴散溫度維持在較低水平，反應速率慢，實現(xiàn)預擴散，在表面沉積磷源；第二步高溫擴散，促進磷源的分解和向硅內(nèi)的擴散，同時增加表面磷源濃度；第三步氧化，增加PN結深度和優(yōu)化表面摻雜濃度。（3）退火，改變擴散爐內(nèi)部壓強除去雜質。

1.2 低壓擴散對方阻均勻性的影響分析

低壓擴散通過管內(nèi)負壓環(huán)境提升擴散制結的性能，對方阻均勻性的影響主要體現(xiàn)在以下3個方面：

（1）通過低壓環(huán)境使分子自由程增長，增強穿透力，從而提升摻雜均勻性。

隨著反應管真空度的提升，分子平均自由行程加大，增強分子的穿透力（見表1），使源摻雜均勻性更好，消減了傳統(tǒng)擴散的光環(huán)效應（即硅片中間方阻值高，而四周方阻值低），提高了擴散的均勻性。由于分子的穿透能力變強，石英舟槽間距設計可由目前標準的4.76 mm降為2.38 mm，甚至可降至2 mm以下，在擴散爐恒溫區(qū)不變的前提下產(chǎn)能得以大幅度提升。

表1　不同真空度環(huán)境下的分子平均自由行程

（2）減少紊流，提高氣氛均勻性。

擴散爐的爐內(nèi)壓力越低越有利于氣流的穩(wěn)定。研究表明：爐內(nèi)壓力為10 kPa時，即使在擴散爐管的末端，氣流依舊穩(wěn)定，幾乎沒有湍流產(chǎn)生；隨著氣壓的升高，當壓力為100 kPa時，擴散爐管中出現(xiàn)湍流；當壓力為100 kPa時，擴散爐管內(nèi)湍流非常明顯。由此可見，降低管內(nèi)的壓力可減少湍流產(chǎn)生，提高氣氛均勻性，從而提高擴散的均勻性。

（3）快速排空，減少表面復合、降低摻雜源耗。

低壓擴散爐，可以實現(xiàn)快速排空，利于形成淺結，減少表面復合，適應高效晶體硅太陽能電池淺結高方阻擴散的發(fā)展趨勢，此外，在低壓擴散環(huán)境中，摻雜原子分壓比大，降低摻雜源耗，降低成本。

2　低壓擴散設備及其關鍵技術

低壓擴散爐采用防腐泵對反應管內(nèi)的尾氣進行抽氣強制排放，配備壓力調(diào)節(jié)器，形成管內(nèi)局部負壓（見圖1）。

低壓擴散爐設備的關鍵技術主要有：

圖1　 低壓擴散基本原理圖

（1）低壓高溫環(huán)境下反應管可靠密封技術。低壓擴散爐管內(nèi)的壓力為負壓，工藝過程對反應管的密封性要求極高。如果密封不良，一方面無法形成低壓擴散所需要的低壓環(huán)境，達不到工藝要求；另一方面，在外部大氣壓力作用下，反應管外氣體、雜質等可進入反應管中，影響PN結制備的質量，導致產(chǎn)品報廢。在一般的液壓和真空結構中，常采用密封圈實現(xiàn)結構的密封，然而，擴散爐的工藝環(huán)境具有一定的特殊性，擴散過程中爐管溫度很高，磷擴散工藝溫度為820～900℃，硼擴散的工藝溫度更高，達到950～1 000℃。在如此高的溫度環(huán)境下，密封圈直接跟爐管接觸很容易因溫度過高而老化甚至損壞，導致密封失效。如何實現(xiàn)低壓擴散爐反應管在低壓、高溫環(huán)境下的可靠密封，是低壓擴散爐設備的關鍵技術之一。

（2）高溫酸性尾氣高效處理技術。低壓擴散爐為了在反應管內(nèi)形成負壓環(huán)境，在尾氣排放系統(tǒng)中采用真空泵對反應管進行抽氣，并配備壓力調(diào)節(jié)器，形成管內(nèi)特定的負壓環(huán)境。真空泵為低壓擴散爐的關鍵部件，尾氣從反應管導出時溫度很高，具有很強的酸性和腐蝕性，尾氣直接進入真空泵容易造成真空泵腐蝕，影響真空泵的使用壽命，嚴重時導致真空泵損壞。此外，未經(jīng)處理的高溫酸腐蝕性氣體直接排放會造成空氣污染。高溫酸性尾氣高效處理是低壓擴散爐設備的關鍵點。

（3）反應管壓力精確控制技術。反應管壓力是低壓擴散的重要工藝參數(shù)。在過程準備階段反應管內(nèi)壓力降低至設定值；為了提高設備生產(chǎn)效率和產(chǎn)能，反應管的抽真空時間要求盡可能縮短；在擴散工藝過程中，反應管內(nèi)壓力的精確性對于氣氛場均勻性、擴散方阻的均勻性有著非常重要的影響。如何兼顧反應管壓力控制的快速性和精確度是低壓擴散爐壓力控制系統(tǒng)的關鍵技術難點。

（4）低壓高方阻擴散工藝技術。隨著太陽能電池向高效、低成本方向發(fā)展，硅片表面摻雜濃度不斷降低，PN結的結深越來越淺，方塊電阻從40到120 Ω不斷提高，未來的高效晶體硅太陽能電池正在向淺結高方阻擴散的方向發(fā)展。低壓擴散通過低壓環(huán)境，為優(yōu)質淺結高方阻擴散提供了技術手段。低壓擴散工藝中氣流、壓力、溫度和時間等工藝參數(shù)關系復雜，低壓擴散工藝技術是低壓擴散爐的核心技術。

3　低壓擴散工藝實驗研究

實驗目的：

測試常壓擴散和低壓擴散的方阻均勻性和電池效率，定量論證低壓擴散的優(yōu)勢。

測試地點：

中國電子科技集團公司第四十八研究所光電公司電池四廠。

測試儀器：

四探針測試儀，電池片效率測試分選設備，M5111-6/UM型全自動低壓擴散爐等。實驗方案：選取同樣的制絨片源，分成兩批進行擴散工藝：第一批在中國電子科技公司第四十八研究所的M5111-5WK/UM擴散爐上采用槽間距為4.76 mm的標準舟滿載工藝片進行常壓擴散工藝；第二批在中國電子科技集團公司第四十八研究所研制的M5111-6/UM型全自動低壓擴散爐上采用2.38 mm間距密舟滿載工藝片進行低壓擴散工藝。完成工藝后分別抽取擴散工藝片，采用5點測試法（如圖2所示）測試樣片方阻，統(tǒng)計試驗數(shù)據(jù)，計算均勻性。各個批次進行后續(xù)工藝流片，進行效率跟蹤。

圖2　 擴散方阻測試方案圖

實驗結果：

（1）方阻及均勻性。常壓擴散測試得到的方阻及均勻性見表2，低壓擴散測試得到的方阻及均勻性見表3。

表2　 常壓擴散方阻及均勻性 Ω

表3　 低壓擴散方阻及均勻性 Ω

（2）轉換效率及分布。常壓擴散和低壓擴散條件下測試得到的電池效率分布分別見圖3和圖4，測試得到的電池電性能參數(shù)見表4。

圖3　 常壓擴散電池效率分布圖

圖4　 低壓擴散電池效率分布圖

表4　 常壓/低壓擴散電池電性能參數(shù)表

對比常壓擴散和低壓擴散實驗結果，兩者在裝片量、方阻、方阻均勻性、電池轉換效率等指標上均有差異，常壓擴散低壓擴散工藝實驗對比結果如圖5所示。

由常壓擴散低壓擴散工藝實驗對比結果可以得出以下實驗結論：

（1）低壓擴散由于分子的穿透能力變強，摻雜均勻性提高，裝片石英舟槽間距設計可由目前標準的4.76 mm降為標準值的一半約2.38 mm，這樣帶來的效果是在擴散爐爐管恒溫區(qū)長度不變的前提下單管裝片量可由原來的400片/管提升至800～1 000片/管，產(chǎn)能大幅提升。

（2）常壓擴散測試方阻平均值93.71 Ω，方阻均勻性6.88%。低壓擴散密舟400片，爐口放置陪片，采用低壓工藝，測試方阻平均值110 Ω，方阻均勻性3.58%。相對于常壓擴散而言，低壓擴散在高方阻和均勻性方面有大幅提升。

圖5　 常壓擴散低壓擴散工藝實驗對比結果圖

（3）常壓擴散后流片跟蹤的電池轉換效率為18.28%，低壓擴散后流片跟蹤的電池轉換效率為18.41%，電池轉換效率較常規(guī)生產(chǎn)線有小幅提升。

4 結　論

本文對低壓擴散機理進行了詳細分析，從擴散分子自由程、摻雜原子分壓比和氣場均勻性等方面詳細分析了低壓擴散對高方阻均勻性的影響關系，并以中國電子科技集團公司第四十八研究所研制的新型低壓擴散爐為實驗平臺進行了低壓擴散工藝實驗研究，通過實驗得到以下結論：

（1）低壓擴散由于低壓環(huán)境下分子的穿透能力變強，工藝片間距可大幅減小，設備產(chǎn)能大幅提升。

（2）低壓擴散爐可用于優(yōu)質淺結高方阻擴散。低壓擴散對方阻均勻性方面均有大幅改善。

（3）采用低壓擴散太陽能電池轉換效率較常規(guī)生產(chǎn)線有小幅提升。

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中圖分類號：TN305.4

文獻標識碼：A

文章編號：1004-4507（2016）07-0010-05

作者簡介：

張寶鋒（1980-），男，漢族，河南鄭州人，工程師，本科，從事半導體專用設備和光伏裝備的研制工作，主要負責擴散爐等工藝設備的設計和研究。

收稿日期：2016-03-28

Study about Low Pressure Diffusion Mechanism and its Influence of Diffusion Sheet Resistance Uniformity

ZHANG Baofeng CHEN Hui

（The 48th Research Institute of CETC，Changsha 410111，China）

Abstract：The traditional solar cell diffusion process is atmospheric.With the development of efficient crystalline silicon，diffused junction depth becomes shallow，atmospheric diffusion has been difficult to meet the industry demand for high efficiency and low cost.Low pressure diffusion furnace improves the performance of diffused junction，through giving low pressure process environment in the reaction tube.In this paper，the low pressure diffusion mechanism is analyzed in detail from the following several aspects：molecular free path，impurity atom ratio，uniformity of the aura and their influence on the uniformity of high sheet resistance.The experiment results show that low pressure diffusion process can achieve higher sheet resistance uniformity at 110 ohms and more loading quantity then atmospheric diffusion furnace.So low pressure diffusion has incomparable advantages，it is the future main direction of diffusion technique.

Keywords：Low pressure diffusion；High sheet resistance；Uniformity