基于IBC太阳电池的二氧化硅掩膜研究*

李 力，姜辰明，黄 铭，沈 辉

(中山大学太阳能系统研究所，广东 广州 510006)

IBC太阳电池是一种高效的n型电池[1-2]，在p型电池发展遇到瓶颈的今天，未来效率超过20％的电池必然能逐步扩大市场份额，在光伏中占有一席之地[3-5]。在IBC电池的制作过程中，如图1所示，其中一种常用的工艺是先进行硼扩散然后把不需要的区域腐蚀掉，再氧化一层二氧化硅掩膜并进行部分区域腐蚀[6-7]，最后进行磷扩散，在扩散硼的区域上有二氧化硅掩膜的保护作用，p+区域保持不变，在需要扩散磷的区域没有二氧化硅掩膜的保护而形成一个n+层，同时在p+区和n+区之间的区域，还存在着一个覆盖着二氧化硅的间隙，起到电极隔离的作用。本文研究的就是这层氧化膜的工艺。

通过热氧化的方式在硅衬底表面成长一层二氧化硅。因为磷原子在二氧化硅中的扩散系数很小，所以氧化层可以作为磷扩散时的阻挡掩模，防止磷原子进入p+发射极区，从而达到选择性扩散的目的。

图1 二氧化硅掩膜制作IBC电池p+，n+层的过程

1 实 验

热氧化的基本原理是在900～1 200 ℃的高温下，利用硅与氧化剂之间的氧化反应，在硅衬底上生长出一层二氧化硅薄膜[8]。氧化剂可以是纯O2(干氧氧化)、水蒸汽(水汽氧化)或氧和水蒸汽的混合物(湿氧氧化)[9-10]。本论文是采用干氧氧化的方式生长二氧化硅层，这是因为相比于其它两种氧化方式，虽然干氧氧化时二氧化硅的生长速率是最慢的，但这种方式生长出来的二氧化硅层更致密，要起到扩散阻挡掩模的作用，二氧化硅层需要一定的致密性，所以选择致密性更好的干氧氧化。

为了确定氧化的时间及温度，本实验设计了不同厚度的氧化层阻挡磷扩散，实验流程如图2所示。

图2 实验流程

本实使用的硅片为125 mm×125 mm的n型CZ片，厚度为190 μm,电阻率为1.9 Ω·cm。实验分为七组，第一组没有氧化，作为实验参照组，其余六组分别在900，930，960，990，1 020和1 050 ℃下氧化90 min。

2 数据分析

氧化结束后，进行二氧化硅层厚度的测量与少子寿命的测量。结果见表1。

表1 在不同氧化温度下得到的二氧化硅层厚度与少子寿命

由图3可以看出，氧化层的厚度和氧化温度基本呈线性增加，温度越高，厚度越大。但是硅片的少子寿命随着温度升高呈下降的趋势，当温度超过930 ℃之后，少子寿命迅速下降到一个比较低的值，说明了高温对硅片是有不利影响的[11]。考虑到杂质的渗入，硅片损伤等问题，我们需要保证在能够阻挡磷原子扩散进入的条件下，尽量选择更低的氧化温度，以减少杂质进入和硅片损伤。

图3 在不同氧化温度下得到的二氧化硅层厚度与少子寿命

然后把七组硅片(包括之前没有氧化的第一组硅片和经过氧化的六组硅片)放入同一扩散炉内进行磷扩散。扩散工艺使用的是常规的磷扩散工艺。

经过扩散之后，用HF洗掉表面的氧化层和磷硅玻璃(PSG)，通过四探针测试仪测试硅片的表面方阻[12]，与没有氧化没有扩散的裸片的方阻进行比较，见表2。

表2 不同组别的硅片的方阻值

Table 2 Sheet resistance in different group

组别温度硅片1Ω/□硅片2Ω/□硅片3Ω/□平均值Ω/□1扩散前107108 8109108 2扩散后20 320 120 120 22900℃8579 590 685 13930℃107 6108 191 3102 34960℃107 9106 6107 2107 25990℃107 5108 2108 1107 961020℃109 3107 4110 210971050℃110110 6109 4110

没有氧化的硅片经过扩散后，方阻达到了20.2 Ω/□，而经过900 ℃氧化之后的第二组硅片方阻迅速上升到85.1 Ω/□，说明了氧化硅对磷扩散是有比较好的阻挡作用的，但是阻挡不完全。第二组和第三组的，方阻升高了，但是依然低于扩散前的值，说明有部分磷原子的进入。第四组开始，其方阻值接近扩散前的方阻，通过方阻不好判定是否有磷原子的扩散进入。当温度继续升高，方阻会稍稍有点提高，是因为磷原子已经不能扩散进入硅片，而硅片中本来掺杂的磷原子在氧化过程中进入了二氧化硅，导致硅表面的磷原子浓度(实验用的是n型硅)会有一点降低。

因为从方阻比较难判断出磷原子是否有扩散进入，我们用电化学电容电压(ECV)法测量不同组别、不同温度工艺下的磷原子掺杂浓度[13-14]。如图4。

图4 不同组别的硅片的磷原子浓度与深度关系图

对于裸片的扩散，表面掺杂浓度很高，结也比较深。当氧化的温度越高，氧化层厚度越厚，掺杂浓度就越低，结深也越浅。当氧化温度为960 ℃的时候，表面的磷原子浓度迅速降低，结深也已经小于0.1 μm，但是由于还存在磷原子的进入，不能达到完全阻挡的要求。氧化温度为990 ℃或者更高的时候，由于表面磷原子浓度已经很接近硅片内部的磷原子浓度，可以完全阻挡常规工艺下磷原子的扩散进入。

3 结 论

本文研究的是IBC太阳电池制备工艺中的干氧氧化制备二氧化硅掩膜。在不同的温度下热氧化可以得到不同的氧化层厚度，基本呈线性关系。而少子寿命在930 ℃左右迅速下降，当温度继续上升的时候，少子寿命基本维持不变。为了表征其对磷扩散的阻挡左右，我们测量了方阻和在不同深度下的磷原子浓度。方阻随温度升高，氧化层变厚呈现出上升的趋势，当温度达到960 ℃后，方阻变化不明显。用ECV法测量在不同深度下的磷原子浓度可以更准备的进行表征。从测量结果可以看出，当热氧化温度达到960 ℃的时候，其表面还有部分的磷原子进入，但是浓度比较低。当热氧化温度达到990 ℃的时候，表面磷原子浓度已经达到衬底浓度，可以完全阻挡常规工艺下磷原子的扩散进入。

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