低压磷扩散工艺研究

■ 李吉孙朋涛郑建宇严金梅魏红军麻增智赵朋松

(1.晶澳太阳能有限公司；2.北京七星华创电子股份有限公司)

低压磷扩散工艺研究

■ 李吉1*孙朋涛2郑建宇2严金梅1魏红军1麻增智1赵朋松1

(1.晶澳太阳能有限公司；2.北京七星华创电子股份有限公司)

分析了低压磷扩散较常压扩散的优势，论述了低压磷扩散的工作原理及可以调节的工艺参数。通过研究真空条件下源流量、扩散时间、源瓶压力、真空泵压力等扩散工艺参数对扩散方块电阻的影响，了解低压磷扩散工艺的调试思路、途径及方法，便于更高效开展低压磷扩散工艺的调试。

低压扩散；源流量；源瓶压力；泵压力；扩散时间

0　引言

随着全球经济和社会的快速发展，以煤炭、石油、天然气为主的化石能源日渐短缺，环境污染、生态恶化等问题日益加深，新型清洁能源备受人们关注。太阳能因其资源丰富、分布广泛、易利用、成本低等特点成为最具发展潜力的可再生能源之一。太阳能发电技术已日渐成熟，可满足全球不断增长的电量需求。太阳电池是光伏发电系统中最重要的一部分，p-n结又是晶体硅太阳电池的核心部分，没有p-n结，便不能将光转换为电，也就不能成为太阳电池［1］。因此，p-n结的制造是最重要的工序。

管式扩散炉特别是卧式扩散炉，是光伏与半导体生产线扩散工序的重要工艺设备之一。目前在晶体硅太阳电池核心工艺p-n结制造过程中，通常采用传统的常规闭管扩散技术，其扩散装置如图1 所示。但该技术的不足之处在于：1)掺杂源消耗量大；2)扩散质量易受排风等环境变化的影响，设备之间相互干扰；3)炉内压力主要靠通入大量的氮气来维持，稳定性较差，而且浪费气体［1,2］。

图1　常压扩散装置示意图

而低压扩散技术可以弥补以上诸多不足，真空环境的引入大幅提高了扩散均匀性和稳定性(在高达80～120 Ω/□方块电阻范围内，片内均匀性可达4%以内，片间和批间均匀性可达3%)，真空腔室内稳定均匀的气流允许放入更密集的电池片(电池片间距可缩短至2 mm)，大幅提高了产能(单管产能可达1000片甚至更多)；同时，得益于真空环境下工艺气体的精确控制和混合，可以节省气体的用量，且可制作更高方块电阻的电池片(可制作高达150 Ω/□的方块电阻)。目前，低压扩散技术已经逐步得到业内的认可和应用［3,4］。

1　低压扩散技术原理及工艺

低压扩散炉的工作原理为：通过真空泵的作用，使反应腔室处于真空状态，然后通入工艺气体，扩散过程中使腔室维持在恒定的真空状态，从而保证腔室内的磷离子浓度不变。由于真空条件下气体分子自由程增加，气体分子在硅片表面的附着能力也有很大改善，且避免了出现大量的气体湍流，此时磷离子可以均匀地分布于硅片表面，且在硅片表面扩散一层均匀的杂质原子，从而保证硅片扩散的均匀性。由于真空腔室内气流更加稳定均匀，允许放置密度更高的硅片，硅片间距甚至可缩短至2 mm，可成倍提高扩散产能。通俗来讲，低压扩散技术就是类似于PECVD或LPCVD的工作方式，运行扩散、掺杂工艺［3,4］。

图2为低压扩散炉的核心结构，从进气管进入工艺气体，在石英扩散管中进行低压扩散，尾气从尾气管排出，真空泵负责创造真空条件，泵出气口连接排酸管道风压。

图2　低压扩散装置示意图

由于真空系统的引入，低压扩散工艺与常规扩散工艺步骤略有差异，如图3所示。

根据低压扩散工艺的原理，低压扩散步骤增加了抽真空、检漏和充气步骤；同时，可以调节的参数增多，新增了泵压力、源瓶压力和一系列真空氛围特有的调节特性。在真空条件下运行工艺，N2的使用量大幅缩小。因为以上不同点，常规扩散工艺的调节经验已经不适用于低压扩散工艺，需要重新寻找不同扩散参数对方块电阻的影响。

图3　常规扩散工艺和低压扩散工艺流程

2　低压扩散工艺实验内容

低压扩散工艺常用的参数调节包括扩散温度、源流量、扩散时间、源瓶压力、泵压力等。其中，扩散温度的调节与常规扩散工艺相同，扩散时间与源流量的调节与常规扩散工艺略有差异，源瓶压力与泵压的调节是低压扩散新增加的可以调节的参数。本文主要针对以上参数进行研究，为低压扩散工艺调整提供一定的思路和方向。

2.1研究源流量对扩散方块电阻的影响

源流量的调节是最常用的调节扩散方块电阻的方法，在保证其他参数不变的情况下，分别对源流量700 sccm、800 sccm、900 sccm进行实验，观察对扩散方块电阻的影响。

图4　源流量与扩散方块电阻的关系

由图4可以发现，随着源流量的减少，扩散方块电阻逐渐增大。这主要是因为源流量减少，扩散到硅片上的磷元素减少，表面方块电阻就会变大［5］，所以方块电阻会变大。图4中，源流量每减少30 sccm，方块电阻增加1 Ω/□，呈线性关系。

其次，教师发展场域，能够直面教学能力发展要素与发展动力的复杂性。发展教学能力，需要深入分析、把握教学要素之间的关系。

源流量不能无限减少，当源流量减小到700 sccm以下时，整舟的方块电阻均匀性就会变差。方块电阻从炉口到炉尾有一定的梯度变化，炉口、炉尾方块电阻相差15 Ω/□，如表1所示。这是因为当源流量减小到一定量时，POCl3不能在炉管内均匀分布，会导致炉尾POCl3浓度大，而炉口POCl3很少，因此就出现了炉口到炉尾方块电阻梯度分布的情况。在调节源流量时一定要特别注意。

表1　源流量700 sccm的方块电阻数据

在实际调节过程中，单纯的源流量变动建议为±50 sccm，因为超过这一经验值后，需要通过调节源瓶压力和大氮量来配合源量的变化，以保证磷源在硅片表面的均匀分布。

2.2研究不同扩散方块电阻与扩散时间的关系

在低压扩散工艺其他参数不变的情况下，调整扩散时间，使扩散方块电阻分别达到80 Ω/□、85 Ω/□、90 Ω/□和95 Ω/□，观察扩散方块电阻与扩散时间的对应关系。

图5　不同方块电阻与扩散时间的关系

随着方块电阻的逐渐增加，扩散时间越来越短，时间随方块电阻的变化成对数关系，即：方块电阻越小，需要调节的时间越长；方块电阻越大，需要调节的时间越少。

当调节高方块电阻时，时间调节越来越少；也就是当时间变化很小时，方块电阻就会有一定的变化，高方块电阻工艺的稳定性就会变差，所以调节高方块电阻不能一味地减少扩散时间，需要配合其他参数共同调节。

2.3研究源瓶压力对扩散方块电阻的影响

源瓶压力是低压扩散工艺独有的可以调节的参数之一，研究源瓶压力对扩散方块电阻的影响对于理解低压扩散工艺更有参考意义。在真空泵压力为100 mbar时，调整源瓶压力770 mbar、800 mbar、830 mbar、860 mbar进行实验，观察对扩散方块电阻的影响。

实验发现，随着源瓶压力的增加，扩散方块电阻逐渐增大。因为源瓶压力增加，源的浓度减小，所以方块电阻变大。源瓶压力每增加10 mbar，方块电阻增加1 Ω/□，呈线性关系。从数据可以看出，源瓶压力的灵敏度要优于源流量的灵敏度。

图6　不同源瓶压力与扩散方块电阻的关系

但由于源瓶压力影响了源的浓度，单纯增加源瓶压力大幅提高方块电阻的做法并不可取，由于源浓度的大幅降低，反应腔室内源不能均匀附着在硅片表面，这会导致片内均匀性变差。

2.4研究泵压力对扩散方块电阻的影响

泵压力是低压扩散工艺独有的另外一个可以调节的工艺参数，因为真空泵的作用决定了低压与常规工艺的差别，是低压工艺的核心。在源瓶压力为800 mbar时，调整泵压力为55 mbar、70 mbar、85 mbar、100 mbar进行实验，观察对扩散方块电阻的影响。

泵压力用于调节反应腔室内的真空压力，真空压力是由气体分子的碰撞产生的，不同的泵压力代表不同的气体分子浓度。降低泵压力，POCl3在炉管内的运动速度加快，同时被泵抽走会相对多一些，而且浓度也相对低，导致留在硅片上的磷元素减少，而使方块电阻变大；反之，当提高泵压力时，方块电阻会变小，当泵压力较小时，对真空系统密封性能要求更高，可能降低密封件寿命，甚至把石英管抽爆，所以泵压力不能无限制的减小［7］。

图7　不同泵压力与扩散方块电阻的关系

实验可以发现，随着泵压力的增加，方块电阻变化呈乘幂变化，泵压力由55 mbar增加到70 mbar时，方块电阻减少10 Ω/□；泵压力由85 mbar增加到100 mbar时，方块电阻仅仅减少3 Ω/□。由此可以推算，当泵压力在100 mbar以上时，对方块电阻的影响会减小。

3　结论

本文分析了低压扩散较常规扩散的优势，论述了低压扩散的工作原理及可以调节的工艺参数。通过研究源流量、扩散时间、源瓶压力、泵压力等扩散工艺参数对扩散方块电阻的影响，找到这些参数与不同扩散方块电阻的对应关系，源瓶压力和源流量与方块电阻的变化呈线性关系，泵压力与方块电阻的变化呈乘幂关系，方块电阻与扩散时间的变化呈对数关系。了解低压扩散工艺的调试思路、途径及方法，可以更高效快速地开展低压扩散工艺的调试。

本文没有提及N2流量对低压扩散工艺的影响。在低压扩散工艺中，由于通过真空泵的作用，使反应腔室处于真空状态，N2的用量较常压工艺少很多，但N2用量更为精确，这体现在其对磷源浓度的影响和磷源在反应室中的停留时间。因此，N2对方块电阻也有一定的影响，而且会影响片内和片间方块电阻均匀性，今后可作为研究的方向。

［1］ Michael Quirkl. 半导体制作技术［M］. 北京∶ 电子工业出版社, 2009.

［2］ 安其霖, 曹国深, 刘祖名, 等. 太阳电池原理与工艺［M］. 上海∶ 上海科学技术出版社, 1984.

［3］ 黄汉尧.半导体器件工艺原理［M］. 北京∶ 国防工业出版社, 1980, 78－107.

［4］ 刘恩科, 朱秉升. 半导体物理学［M］. 北京∶ 电子工业出版社, 1980, 69.

［5］ Zhao J, Wang A, Green M A. 24.5% efficiency silicon PERT cells on MCZ substrates and 24.7% efficiency PERL cells on FZ substrates ［J］. Progress in Photovoltaics, 1999, 40(10)∶ 471－474.

［6］ Green M A. Third generation for photovoltaics∶ Ultrahigh conversion efficiency at low cost［J］. Progress in Photovoltaics Research and Applications, 2001, 9(2)∶123 – 135.

［7］ Zhao Jinhao. Recent advances of high-efficiency single crystalline silicon solar cells in processingtechnologies and substrate materials［J］. Solar Energy Materials & Solar Cells, 2004, (82)∶ 53－64.

2016-05-30

李吉 (1987—)，女，本科，主要从事晶体硅电池方面的研究。liji@jasolar.com