張寶鋒，陳暉

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，湖南長(zhǎng)沙410111）

?

低壓擴(kuò)散機(jī)理及其對(duì)擴(kuò)散方阻均勻性的影響研究

張寶鋒，陳暉

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，湖南長(zhǎng)沙410111）

摘要：傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電池?cái)U(kuò)散工藝采用常壓擴(kuò)散，隨著高效晶硅電池的發(fā)展，擴(kuò)散結(jié)深的不斷變淺，常壓擴(kuò)散已難以滿足晶體硅太陽(yáng)能電池高效、低成本發(fā)展的技術(shù)要求。低壓擴(kuò)散通過(guò)在反應(yīng)管內(nèi)提供低壓工藝環(huán)境，提升擴(kuò)散制結(jié)的性能。通過(guò)對(duì)低壓擴(kuò)散機(jī)理的詳細(xì)分析，從擴(kuò)散分子自由程、摻雜原子分壓比和氣場(chǎng)均勻性等方面詳細(xì)分析了低壓擴(kuò)散對(duì)高方阻均勻性的影響關(guān)系。采用新型低壓擴(kuò)散爐進(jìn)行工藝實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明，低壓擴(kuò)散在可達(dá)到擴(kuò)散方阻目標(biāo)值110 Ω時(shí)獲得更好的均勻性，載片量較常壓擴(kuò)散大幅度提升，具有無(wú)可比擬的生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)擴(kuò)散技術(shù)的主要發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：低壓擴(kuò)散；高方阻；均勻性

擴(kuò)散是半導(dǎo)體器件制造的重要工序，主要用途是在高溫條件下對(duì)半導(dǎo)體晶圓進(jìn)行摻雜，從而改變和控制半導(dǎo)體內(nèi)雜質(zhì)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(yáng)能晶硅電池制造工藝中，常采用熱擴(kuò)散工藝制備PN結(jié)，即在加熱條件下將V族雜質(zhì)元素磷摻入P型硅或?qū)II族雜質(zhì)硼摻入N型硅中，擴(kuò)散制備PN結(jié)的質(zhì)量對(duì)于太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率有重要影響，是太陽(yáng)能電池性能的決定性因素之一。目前傳統(tǒng)的太陽(yáng)能生產(chǎn)線主要采用常壓擴(kuò)散工藝，即擴(kuò)散過(guò)程中，擴(kuò)散爐工作腔內(nèi)壓力保持常壓或微正壓，然而，隨著太陽(yáng)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(jié)的結(jié)深越來(lái)越淺，方塊電阻從40到100 Ω不斷增加，常壓擴(kuò)散對(duì)硅片摻雜均勻性的控制越來(lái)越差，難以制備高質(zhì)量的淺結(jié)高方阻PN結(jié)，此外，常壓擴(kuò)散中化學(xué)品的吸收率低，消耗量大，難以滿足太陽(yáng)能電池高效、低成本發(fā)展的技術(shù)要求。

低壓擴(kuò)散反應(yīng)管內(nèi)為負(fù)壓，通過(guò)管內(nèi)負(fù)壓環(huán)境提升擴(kuò)散制結(jié)的性能，為晶體硅太陽(yáng)能電池性能的進(jìn)一步提高、光伏發(fā)電成本的進(jìn)一步降低奠定了基礎(chǔ)。

1　低壓擴(kuò)散機(jī)理

1.1 低壓擴(kuò)散工藝

低壓擴(kuò)散工藝總體思路可概況為：低溫低壓沉積、高溫低壓推進(jìn)、常壓氧化。低壓沉積和高溫推進(jìn)階段都是在低壓環(huán)境下完成。低壓擴(kuò)散工藝為：（1）關(guān)閉放有硅片的擴(kuò)散爐爐門后，抽氣使反應(yīng)管內(nèi)壓力達(dá)到設(shè)定值進(jìn)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(kuò)散法制備PN結(jié)，即：第一步低溫預(yù)擴(kuò)散，擴(kuò)散溫度維持在較低水平，反應(yīng)速率慢，實(shí)現(xiàn)預(yù)擴(kuò)散，在表面沉積磷源；第二步高溫?cái)U(kuò)散，促進(jìn)磷源的分解和向硅內(nèi)的擴(kuò)散，同時(shí)增加表面磷源濃度；第三步氧化，增加PN結(jié)深度和優(yōu)化表面摻雜濃度。（3）退火，改變擴(kuò)散爐內(nèi)部壓強(qiáng)除去雜質(zhì)。

1.2 低壓擴(kuò)散對(duì)方阻均勻性的影響分析

低壓擴(kuò)散通過(guò)管內(nèi)負(fù)壓環(huán)境提升擴(kuò)散制結(jié)的性能，對(duì)方阻均勻性的影響主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

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

隨著反應(yīng)管真空度的提升，分子平均自由行程加大，增強(qiáng)分子的穿透力（見(jiàn)表1），使源摻雜均勻性更好，消減了傳統(tǒng)擴(kuò)散的光環(huán)效應(yīng)（即硅片中間方阻值高，而四周方阻值低），提高了擴(kuò)散的均勻性。由于分子的穿透能力變強(qiáng)，石英舟槽間距設(shè)計(jì)可由目前標(biāo)準(zhǔn)的4.76 mm降為2.38 mm，甚至可降至2 mm以下，在擴(kuò)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(kuò)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(shí)，即使在擴(kuò)散爐管的末端，氣流依舊穩(wěn)定，幾乎沒(méi)有湍流產(chǎn)生；隨著氣壓的升高，當(dāng)壓力為100 kPa時(shí)，擴(kuò)散爐管中出現(xiàn)湍流；當(dāng)壓力為100 kPa時(shí)，擴(kuò)散爐管內(nèi)湍流非常明顯。由此可見(jiàn)，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(kuò)散的均勻性。

（3）快速排空，減少表面復(fù)合、降低摻雜源耗。

低壓擴(kuò)散爐，可以實(shí)現(xiàn)快速排空，利于形成淺結(jié)，減少表面復(fù)合，適應(yīng)高效晶體硅太陽(yáng)能電池淺結(jié)高方阻擴(kuò)散的發(fā)展趨勢(shì)，此外，在低壓擴(kuò)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(kuò)散設(shè)備及其關(guān)鍵技術(shù)

低壓擴(kuò)散爐采用防腐泵對(duì)反應(yīng)管內(nèi)的尾氣進(jìn)行抽氣強(qiáng)制排放，配備壓力調(diào)節(jié)器，形成管內(nèi)局部負(fù)壓（見(jiàn)圖1）。

低壓擴(kuò)散爐設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)主要有：

圖1　 低壓擴(kuò)散基本原理圖

（1）低壓高溫環(huán)境下反應(yīng)管可靠密封技術(shù)。低壓擴(kuò)散爐管內(nèi)的壓力為負(fù)壓，工藝過(guò)程對(duì)反應(yīng)管的密封性要求極高。如果密封不良，一方面無(wú)法形成低壓擴(kuò)散所需要的低壓環(huán)境，達(dá)不到工藝要求；另一方面，在外部大氣壓力作用下，反應(yīng)管外氣體、雜質(zhì)等可進(jìn)入反應(yīng)管中，影響PN結(jié)制備的質(zhì)量，導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢。在一般的液壓和真空結(jié)構(gòu)中，常采用密封圈實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的密封，然而，擴(kuò)散爐的工藝環(huán)境具有一定的特殊性，擴(kuò)散過(guò)程中爐管溫度很高，磷擴(kuò)散工藝溫度為820～900℃，硼擴(kuò)散的工藝溫度更高，達(dá)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(guò)高而老化甚至損壞，導(dǎo)致密封失效。如何實(shí)現(xiàn)低壓擴(kuò)散爐反應(yīng)管在低壓、高溫環(huán)境下的可靠密封，是低壓擴(kuò)散爐設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)之一。

（2）高溫酸性尾氣高效處理技術(shù)。低壓擴(kuò)散爐為了在反應(yīng)管內(nèi)形成負(fù)壓環(huán)境，在尾氣排放系統(tǒng)中采用真空泵對(duì)反應(yīng)管進(jìn)行抽氣，并配備壓力調(diào)節(jié)器，形成管內(nèi)特定的負(fù)壓環(huán)境。真空泵為低壓擴(kuò)散爐的關(guān)鍵部件，尾氣從反應(yīng)管導(dǎo)出時(shí)溫度很高，具有很強(qiáng)的酸性和腐蝕性，尾氣直接進(jìn)入真空泵容易造成真空泵腐蝕，影響真空泵的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)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(huì)造成空氣污染。高溫酸性尾氣高效處理是低壓擴(kuò)散爐設(shè)備的關(guān)鍵點(diǎn)。

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

（4）低壓高方阻擴(kuò)散工藝技術(shù)。隨著太陽(yáng)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(jié)的結(jié)深越來(lái)越淺，方塊電阻從40到120 Ω不斷提高，未來(lái)的高效晶體硅太陽(yáng)能電池正在向淺結(jié)高方阻擴(kuò)散的方向發(fā)展。低壓擴(kuò)散通過(guò)低壓環(huán)境，為優(yōu)質(zhì)淺結(jié)高方阻擴(kuò)散提供了技術(shù)手段。低壓擴(kuò)散工藝中氣流、壓力、溫度和時(shí)間等工藝參數(shù)關(guān)系復(fù)雜，低壓擴(kuò)散工藝技術(shù)是低壓擴(kuò)散爐的核心技術(shù)。

3　低壓擴(kuò)散工藝實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/p>

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

測(cè)試地點(diǎn)：

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所光電公司電池四廠。

測(cè)試儀器：

四探針測(cè)試儀，電池片效率測(cè)試分選設(shè)備，M5111-6/UM型全自動(dòng)低壓擴(kuò)散爐等。實(shí)驗(yàn)方案：選取同樣的制絨片源，分成兩批進(jìn)行擴(kuò)散工藝：第一批在中國(guó)電子科技公司第四十八研究所的M5111-5WK/UM擴(kuò)散爐上采用槽間距為4.76 mm的標(biāo)準(zhǔn)舟滿載工藝片進(jìn)行常壓擴(kuò)散工藝；第二批在中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所研制的M5111-6/UM型全自動(dòng)低壓擴(kuò)散爐上采用2.38 mm間距密舟滿載工藝片進(jìn)行低壓擴(kuò)散工藝。完成工藝后分別抽取擴(kuò)散工藝片，采用5點(diǎn)測(cè)試法（如圖2所示）測(cè)試樣片方阻，統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算均勻性。各個(gè)批次進(jìn)行后續(xù)工藝流片，進(jìn)行效率跟蹤。

圖2　 擴(kuò)散方阻測(cè)試方案圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

（1）方阻及均勻性。常壓擴(kuò)散測(cè)試得到的方阻及均勻性見(jiàn)表2，低壓擴(kuò)散測(cè)試得到的方阻及均勻性見(jiàn)表3。

表2　 常壓擴(kuò)散方阻及均勻性 Ω

表3　 低壓擴(kuò)散方阻及均勻性 Ω

（2）轉(zhuǎn)換效率及分布。常壓擴(kuò)散和低壓擴(kuò)散條件下測(cè)試得到的電池效率分布分別見(jiàn)圖3和圖4，測(cè)試得到的電池電性能參數(shù)見(jiàn)表4。

圖3　 常壓擴(kuò)散電池效率分布圖

圖4　 低壓擴(kuò)散電池效率分布圖

表4　 常壓/低壓擴(kuò)散電池電性能參數(shù)表

對(duì)比常壓擴(kuò)散和低壓擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)結(jié)果，兩者在裝片量、方阻、方阻均勻性、電池轉(zhuǎn)換效率等指標(biāo)上均有差異，常壓擴(kuò)散低壓擴(kuò)散工藝實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如圖5所示。

由常壓擴(kuò)散低壓擴(kuò)散工藝實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果可以得出以下實(shí)驗(yàn)結(jié)論：

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

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

圖5　 常壓擴(kuò)散低壓擴(kuò)散工藝實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果圖

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

4 結(jié)　論

本文對(duì)低壓擴(kuò)散機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)分析，從擴(kuò)散分子自由程、摻雜原子分壓比和氣場(chǎng)均勻性等方面詳細(xì)分析了低壓擴(kuò)散對(duì)高方阻均勻性的影響關(guān)系，并以中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所研制的新型低壓擴(kuò)散爐為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了低壓擴(kuò)散工藝實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到以下結(jié)論：

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

（2）低壓擴(kuò)散爐可用于優(yōu)質(zhì)淺結(jié)高方阻擴(kuò)散。低壓擴(kuò)散對(duì)方阻均勻性方面均有大幅改善。

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

參考文獻(xiàn)：

［1］ 張寧.中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)與發(fā)展戰(zhàn)略研究［D］.北京：中國(guó)政法大學(xué)，2010.8-11.

［2］ 魏政，于冰清.我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與對(duì)策探討［J］.中外能源.2013，3（6）：15-18.

［3］ 趙汝強(qiáng)，梁宗存.晶體硅太陽(yáng)電池工藝技術(shù)新進(jìn)展［J］.材料導(dǎo)報(bào)2009，6（23）：23-26.

［4］ 楊樂(lè).面向大規(guī)模應(yīng)用的高效晶體硅雙面可受光太陽(yáng)能電池的研究［D］.上海：上海交通大學(xué)，2010.46-52

［5］ 管甜甜.高方阻太陽(yáng)能電池的優(yōu)化［D］.北京：北方交通大學(xué)，2014.8-12.

中圖分類號(hào)：TN305.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-4507（2016）07-0010-05

作者簡(jiǎn)介：

張寶鋒（1980-），男，漢族，河南鄭州人，工程師，本科，從事半導(dǎo)體專用設(shè)備和光伏裝備的研制工作，主要負(fù)責(zé)擴(kuò)散爐等工藝設(shè)備的設(shè)計(jì)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