低压扩散机理及其对扩散方阻均匀性的影响研究

张宝锋，陈晖

（中国电子科技集团公司第四十八研究所，湖南长沙410111）



低压扩散机理及其对扩散方阻均匀性的影响研究

张宝锋，陈晖

（中国电子科技集团公司第四十八研究所，湖南长沙410111）

摘要：传统的太阳能电池扩散工艺采用常压扩散，随着高效晶硅电池的发展，扩散结深的不断变浅，常压扩散已难以满足晶体硅太阳能电池高效、低成本发展的技术要求。低压扩散通过在反应管内提供低压工艺环境，提升扩散制结的性能。通过对低压扩散机理的详细分析，从扩散分子自由程、掺杂原子分压比和气场均匀性等方面详细分析了低压扩散对高方阻均匀性的影响关系。采用新型低压扩散炉进行工艺实验测试，结果表明，低压扩散在可达到扩散方阻目标值110 Ω时获得更好的均匀性，载片量较常压扩散大幅度提升，具有无可比拟的生产优势，是未来扩散技术的主要发展方向。

关键词：低压扩散；高方阻；均匀性

扩散是半导体器件制造的重要工序，主要用途是在高温条件下对半导体晶圆进行掺杂，从而改变和控制半导体内杂质的类型、浓度和分布，以便建立起不同的电特性区域。在太阳能晶硅电池制造工艺中，常采用热扩散工艺制备PN结，即在加热条件下将V族杂质元素磷掺入P型硅或将III族杂质硼掺入N型硅中，扩散制备PN结的质量对于太阳能电池的转换效率有重要影响，是太阳能电池性能的决定性因素之一。目前传统的太阳能生产线主要采用常压扩散工艺，即扩散过程中，扩散炉工作腔内压力保持常压或微正压，然而，随着太阳能电池向高效、低成本方向发展，硅片表面掺杂浓度不断降低，PN结的结深越来越浅，方块电阻从40到100 Ω不断增加，常压扩散对硅片掺杂均匀性的控制越来越差，难以制备高质量的浅结高方阻PN结，此外，常压扩散中化学品的吸收率低，消耗量大，难以满足太阳能电池高效、低成本发展的技术要求。

低压扩散反应管内为负压，通过管内负压环境提升扩散制结的性能，为晶体硅太阳能电池性能的进一步提高、光伏发电成本的进一步降低奠定了基础。

1　低压扩散机理

1.1 低压扩散工艺

低压扩散工艺总体思路可概况为：低温低压沉积、高温低压推进、常压氧化。低压沉积和高温推进阶段都是在低压环境下完成。低压扩散工艺为：（1）关闭放有硅片的扩散炉炉门后，抽气使反应管内压力达到设定值进行高温氧化，在硅片表面生成一薄层SiO2。（2）通入小氮和氧气，采用三步扩散法制备PN结，即：第一步低温预扩散，扩散温度维持在较低水平，反应速率慢，实现预扩散，在表面沉积磷源；第二步高温扩散，促进磷源的分解和向硅内的扩散，同时增加表面磷源浓度；第三步氧化，增加PN结深度和优化表面掺杂浓度。（3）退火，改变扩散炉内部压强除去杂质。

1.2 低压扩散对方阻均匀性的影响分析

低压扩散通过管内负压环境提升扩散制结的性能，对方阻均匀性的影响主要体现在以下3个方面：

（1）通过低压环境使分子自由程增长，增强穿透力，从而提升掺杂均匀性。

随着反应管真空度的提升，分子平均自由行程加大，增强分子的穿透力（见表1），使源掺杂均匀性更好，消减了传统扩散的光环效应（即硅片中间方阻值高，而四周方阻值低），提高了扩散的均匀性。由于分子的穿透能力变强，石英舟槽间距设计可由目前标准的4.76 mm降为2.38 mm，甚至可降至2 mm以下，在扩散炉恒温区不变的前提下产能得以大幅度提升。

表1　不同真空度环境下的分子平均自由行程

（2）减少紊流，提高气氛均匀性。

扩散炉的炉内压力越低越有利于气流的稳定。研究表明：炉内压力为10 kPa时，即使在扩散炉管的末端，气流依旧稳定，几乎没有湍流产生；随着气压的升高，当压力为100 kPa时，扩散炉管中出现湍流；当压力为100 kPa时，扩散炉管内湍流非常明显。由此可见，降低管内的压力可减少湍流产生，提高气氛均匀性，从而提高扩散的均匀性。

（3）快速排空，减少表面复合、降低掺杂源耗。

低压扩散炉，可以实现快速排空，利于形成浅结，减少表面复合，适应高效晶体硅太阳能电池浅结高方阻扩散的发展趋势，此外，在低压扩散环境中，掺杂原子分压比大，降低掺杂源耗，降低成本。

2　低压扩散设备及其关键技术

低压扩散炉采用防腐泵对反应管内的尾气进行抽气强制排放，配备压力调节器，形成管内局部负压（见图1）。

低压扩散炉设备的关键技术主要有：

图1　 低压扩散基本原理图

（1）低压高温环境下反应管可靠密封技术。低压扩散炉管内的压力为负压，工艺过程对反应管的密封性要求极高。如果密封不良，一方面无法形成低压扩散所需要的低压环境，达不到工艺要求；另一方面，在外部大气压力作用下，反应管外气体、杂质等可进入反应管中，影响PN结制备的质量，导致产品报废。在一般的液压和真空结构中，常采用密封圈实现结构的密封，然而，扩散炉的工艺环境具有一定的特殊性，扩散过程中炉管温度很高，磷扩散工艺温度为820～900℃，硼扩散的工艺温度更高，达到950～1 000℃。在如此高的温度环境下，密封圈直接跟炉管接触很容易因温度过高而老化甚至损坏，导致密封失效。如何实现低压扩散炉反应管在低压、高温环境下的可靠密封，是低压扩散炉设备的关键技术之一。

（2）高温酸性尾气高效处理技术。低压扩散炉为了在反应管内形成负压环境，在尾气排放系统中采用真空泵对反应管进行抽气，并配备压力调节器，形成管内特定的负压环境。真空泵为低压扩散炉的关键部件，尾气从反应管导出时温度很高，具有很强的酸性和腐蚀性，尾气直接进入真空泵容易造成真空泵腐蚀，影响真空泵的使用寿命，严重时导致真空泵损坏。此外，未经处理的高温酸腐蚀性气体直接排放会造成空气污染。高温酸性尾气高效处理是低压扩散炉设备的关键点。

（3）反应管压力精确控制技术。反应管压力是低压扩散的重要工艺参数。在过程准备阶段反应管内压力降低至设定值；为了提高设备生产效率和产能，反应管的抽真空时间要求尽可能缩短；在扩散工艺过程中，反应管内压力的精确性对于气氛场均匀性、扩散方阻的均匀性有着非常重要的影响。如何兼顾反应管压力控制的快速性和精确度是低压扩散炉压力控制系统的关键技术难点。

（4）低压高方阻扩散工艺技术。随着太阳能电池向高效、低成本方向发展，硅片表面掺杂浓度不断降低，PN结的结深越来越浅，方块电阻从40到120 Ω不断提高，未来的高效晶体硅太阳能电池正在向浅结高方阻扩散的方向发展。低压扩散通过低压环境，为优质浅结高方阻扩散提供了技术手段。低压扩散工艺中气流、压力、温度和时间等工艺参数关系复杂，低压扩散工艺技术是低压扩散炉的核心技术。

3　低压扩散工艺实验研究

实验目的：

测试常压扩散和低压扩散的方阻均匀性和电池效率，定量论证低压扩散的优势。

测试地点：

中国电子科技集团公司第四十八研究所光电公司电池四厂。

测试仪器：

四探针测试仪，电池片效率测试分选设备，M5111-6/UM型全自动低压扩散炉等。实验方案：选取同样的制绒片源，分成两批进行扩散工艺：第一批在中国电子科技公司第四十八研究所的M5111-5WK/UM扩散炉上采用槽间距为4.76 mm的标准舟满载工艺片进行常压扩散工艺；第二批在中国电子科技集团公司第四十八研究所研制的M5111-6/UM型全自动低压扩散炉上采用2.38 mm间距密舟满载工艺片进行低压扩散工艺。完成工艺后分别抽取扩散工艺片，采用5点测试法（如图2所示）测试样片方阻，统计试验数据，计算均匀性。各个批次进行后续工艺流片，进行效率跟踪。

图2　 扩散方阻测试方案图

实验结果：

（1）方阻及均匀性。常压扩散测试得到的方阻及均匀性见表2，低压扩散测试得到的方阻及均匀性见表3。

表2　 常压扩散方阻及均匀性 Ω

表3　 低压扩散方阻及均匀性 Ω

（2）转换效率及分布。常压扩散和低压扩散条件下测试得到的电池效率分布分别见图3和图4，测试得到的电池电性能参数见表4。

图3　 常压扩散电池效率分布图

图4　 低压扩散电池效率分布图

表4　 常压/低压扩散电池电性能参数表

对比常压扩散和低压扩散实验结果，两者在装片量、方阻、方阻均匀性、电池转换效率等指标上均有差异，常压扩散低压扩散工艺实验对比结果如图5所示。

由常压扩散低压扩散工艺实验对比结果可以得出以下实验结论：

（1）低压扩散由于分子的穿透能力变强，掺杂均匀性提高，装片石英舟槽间距设计可由目前标准的4.76 mm降为标准值的一半约2.38 mm，这样带来的效果是在扩散炉炉管恒温区长度不变的前提下单管装片量可由原来的400片/管提升至800～1 000片/管，产能大幅提升。

（2）常压扩散测试方阻平均值93.71 Ω，方阻均匀性6.88%。低压扩散密舟400片，炉口放置陪片，采用低压工艺，测试方阻平均值110 Ω，方阻均匀性3.58%。相对于常压扩散而言，低压扩散在高方阻和均匀性方面有大幅提升。

图5　 常压扩散低压扩散工艺实验对比结果图

（3）常压扩散后流片跟踪的电池转换效率为18.28%，低压扩散后流片跟踪的电池转换效率为18.41%，电池转换效率较常规生产线有小幅提升。

4 结　论

本文对低压扩散机理进行了详细分析，从扩散分子自由程、掺杂原子分压比和气场均匀性等方面详细分析了低压扩散对高方阻均匀性的影响关系，并以中国电子科技集团公司第四十八研究所研制的新型低压扩散炉为实验平台进行了低压扩散工艺实验研究，通过实验得到以下结论：

（1）低压扩散由于低压环境下分子的穿透能力变强，工艺片间距可大幅减小，设备产能大幅提升。

（2）低压扩散炉可用于优质浅结高方阻扩散。低压扩散对方阻均匀性方面均有大幅改善。

（3）采用低压扩散太阳能电池转换效率较常规生产线有小幅提升。

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中图分类号：TN305.4

文献标识码：A

文章编号：1004-4507（2016）07-0010-05

作者简介：

张宝锋（1980-），男，汉族，河南郑州人，工程师，本科，从事半导体专用设备和光伏装备的研制工作，主要负责扩散炉等工艺设备的设计和研究。

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