一種能提升冶金級硅片少子壽命的擴散工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及物理冶金級硅太陽能電池制造過程中的擴散工藝，尤其是一種能提升冶金級硅片少子壽命的擴散工藝。其特點是，包括如下步驟：（1）低溫進舟、初步升溫；（2）通源擴散；（3）恒溫推進；（4）降溫、退舟。本發(fā)明的有益效果是：1.采用噴淋式擴散可節(jié)省磷源，同時提高擴散結(jié)深的均勻性，并且適合做高方阻；2.針對物理冶金硅的特性，采用雙面磷吸雜，增強吸雜效果，提升硅片少子壽命；3.通過溫度與時間的協(xié)調(diào)，有效改善擴散工藝；4.控制通氧與通源量的比例，減少由于直接擴散引起的缺陷，改善PN結(jié)結(jié)深，也可改善表面鈍化效果，提高短路電流與開路電壓，進而提升冶金硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率及成品率。
【專利說明】一種能提升冶金級硅片少子壽命的擴散工藝
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及物理冶金級硅太陽能電池制造過程中的擴散工藝，尤其是一種能提升冶金級硅片少子壽命的擴散工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]擴散是太陽能電池制造過程中的核心工序，擴散的目的是為了形成太陽能電池的心臟PN結(jié)，同時獲得有效的體少子壽命及方塊電阻，體少子壽命的高低及片內(nèi)方塊電阻是否均勻直接影響太陽能電池片的短路電流、開路電壓、暗電流等電性能參數(shù)，最終影響電池片效率及成品率。然而，冶金級硅不同于西門子法硅，一般利用物理法提純生產(chǎn)，含有大量的鐵、碳、硼、氧、銅等雜質(zhì)及晶格缺陷，而大量的鐵、碳、硼、氧、銅等雜質(zhì)的存在會增加光生載流子的復(fù)合幾率，因而使得擴散形成PN結(jié)后硅片的體少子壽命很低，最終制造出來的太陽能電池一般效率較低、無法提高產(chǎn)品的成品率。
[0003]然而，目前國內(nèi)應(yīng)用物理法生產(chǎn)冶金級硅片的企業(yè)屈指可數(shù)，以冶金級硅片為原料生產(chǎn)太陽能電池片的企業(yè)更是寥寥無幾，所以，目前還未形成相對成熟的針對于物理冶金級硅的擴散工藝。行業(yè)內(nèi)一般利用液態(tài)磷源擴散工藝形成太陽能級硅電池PN結(jié)，由于物理冶金級晶體硅原硅片內(nèi)存在金屬雜質(zhì)以及位錯缺陷等，通常借鑒常規(guī)的西門子硅片擴散工藝進行擴散制結(jié)，雖然能形成較好的PN結(jié)，但除雜效果不理想、片內(nèi)方阻不均勻。目前，針對物理冶金級硅片的擴散工藝依然借鑒西門子法硅片的擴散工藝，采用液態(tài)磷源尾部進氣的方式進行高溫擴散，插片方式為娃片背靠背插入石英舟，兩兩一對，在擴散爐內(nèi)只對娃片的一個面進行磷摻雜，故稱單面擴散。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種能提升冶金級硅片少子壽命的擴散工藝，能夠減少擴散死層，減少表面高濃度擴散層的復(fù)合，有效控制結(jié)深并且增強吸雜效果，提高硅片少子壽命O
[0005]一種能提升冶金級硅片少子壽命的擴散工藝，其特別之處在于，包括如下步驟:
[0006](I)低溫進舟、初步升溫:在初始溫度為810_820°C時開始向爐管內(nèi)推進承載硅片的石英舟，控制進舟速度為400-500mm/min，進舟完成后將溫度升至830-840°C并在氮氧共存的氣氛下保溫5-7min，氮、氧的流量分別控制在1200-1400mL/min、23000-29000mL/min ；
[0007](2)通源擴散:在保溫過程后，由氮氣攜帶液態(tài)的三氯氧磷進入爐管在氮氣氣氛下與氧氣及硅表面發(fā)生反應(yīng)生成磷原子擴散進入硅片來進行通源擴散；
[0008](3)恒溫推進:通源擴散后，將溫度保持在840-850°C，在氮氧共存的氣氛下保溫360-600s，氮、氧的流量分別控制在 1800-2000mL/min、23000-29000mL/min ；
[0009](4)降溫、退舟:停止通氧，在氮氣氣氛下，將爐內(nèi)溫度降至810-820°C，控制退舟的速度保持在300-400mm/min進行退舟。
[0010]其中在整個擴散工藝過程中氣體總量保持不變，從而使工藝過程中爐管內(nèi)壓力恒定。
[0011]其中石英舟的每個卡槽只有一片硅片，從而實現(xiàn)雙面擴散。
[0012]其中通源擴散分三步完成，三步中攜帶三氯氧磷的氮氣、氧氣、大氮的流量分別控制在 1200-1400mL/min、1200-1400mL/min、23000-29000mL/min，三者流量比例在1:1:20，三步擴散溫度依次遞增3-5 °C，三步通源擴散的時間分別在500-600s、300-420s、300_360s。
[0013]本發(fā)明的有益效果是:1.采用噴淋式擴散可節(jié)省磷源，同時提高擴散結(jié)深的均勻性，并且適合做高方阻；2.針對物理冶金硅的特性，采用雙面磷吸雜，增強吸雜效果，提升硅片少子壽命；3.通過溫度與時間的協(xié)調(diào)，有效改善擴散工藝；4.控制通氧與通源量的比例，減少由于直接擴散引起的缺陷，改善PN結(jié)結(jié)深，也可改善表面鈍化效果，提高短路電流與開路電壓，進而提升冶金硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率及成品率。
【具體實施方式】
[0014]現(xiàn)有技術(shù)采用尾部進氣擴散方式，氣體從尾部進入，從爐口排廢管處被抽走，整個過程中管內(nèi)氣壓很難維持在一個恒定值，而且造成爐口、爐尾與爐中的溫度梯度較大，影響片間擴散結(jié)深的均勻性，且不適合做高方阻擴散工藝。
[0015]對于冶金級硅，單面磷擴散的吸雜效果欠佳，擴散后硅片體少子壽命改善不明顯。由于設(shè)備自身的缺陷，升溫和降溫速率相對較慢，使得工藝時間與工藝溫度不匹配，吸雜效果不好。通源前不通氧，直接擴散會造成表層P的濃度過導致擴散死層過厚，影響擴散結(jié)深的均勻性，鈍化效果較差。
[0016]本發(fā)明工藝采用噴淋式擴散，在有效降低爐管內(nèi)的溫度梯度的同時，保證整個爐管內(nèi)壓力恒定，提高PN結(jié)的均勻性的同時降低磷源消耗，實現(xiàn)雙面磷吸雜，吸雜效果明顯。此外，針對設(shè)備自身的缺陷，設(shè)定分步升溫、降溫，并控制通氧與通源量的比例，減少擴散死層，減少表面高濃度擴散層的復(fù)合，有效控制結(jié)深，增強吸雜效果，提高硅片體少子壽命的目的，最終達到提高短路電流與開路電壓，提升冶金硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率及成品率。
[0017]整個工藝過程大體如下:
[0018](I)低溫進舟、初步升溫:在初始溫度為810-820°C時開始向爐管內(nèi)推進承載硅片的石英舟，控制進舟速度為400-500mm/min。進舟完成后將溫度升至830_840°C并在氮氧共存的氣氛下保溫5-7min，氮、氧的流量分別控制在1200-1400mL/min、23000-29000mL/min。
[0019](2)同步升溫、通源擴散:在830-840°C的保溫過程后，由氮氣攜帶液態(tài)的三氯氧磷進入爐管在氮氣氣氛下與氧氣及硅表面發(fā)生反應(yīng)生成磷原子擴散進入硅片。通源擴散分三步完成，三步中攜帶三氯氧磷的氮氣、氧氣、大氮的流量分別控制在1200-1400mL/min、1200-1400mL/min,23000-29000mL/min三者流量比例約在1: 1:20，三步擴散溫度依次遞增
3-5°C。三步通源擴散的時間分別在500-600s、300-420s、300-360s。
[0020](3)恒溫推進:三步通源擴散后，將溫度保持在840-850°C，在氮氧共存的氣氛下保溫360-600s，氮、氧的流量分別控制在1800-2000mL/min、23000-29000mL/min。從而恒溫推進擴散深度來提高結(jié)深的均勻性，并使間隙雜質(zhì)擴散并聚集到富磷層。
[0021](4)緩慢降溫、退舟:停止通氧，在氮氣氛下，將爐內(nèi)溫度降至810-820°C，根據(jù)不同擴散爐的降溫能力盡量拉長降溫時間，盡量大于420s，從而使還殘留在硅片內(nèi)的雜質(zhì)不要因快速退火呈彌散細小的狀態(tài)存在，因為以此種狀態(tài)存在的雜質(zhì)會對硅片少子壽命產(chǎn)生致命影響，即熱衰減，尤其以鐵雜質(zhì)最甚。因為經(jīng)高溫的硅片由于內(nèi)部應(yīng)力變化而易碎，所以從爐管內(nèi)退出石英舟時速度要更盡量小，一般退舟的速度保持在300-400mm/min。
[0022]整個擴散工藝過程中氣體總量不保持變，即攜帶液態(tài)三氯氧磷的氮氣(小氮)、大氮及參與反應(yīng)的氧氣的氣體總量在整個工藝過程中保持不變，因為小氮與氧氣的比例對方阻等影響比較大，都是固定比例1:0.9-1:1.1，確定了小氮和氧氣的量后，根據(jù)初始總氣體量調(diào)整每個工藝步的大氮量，使總量始終為初始總量，從而保證工藝過程中爐管內(nèi)壓力恒定。
[0023]實施例1:
[0024]一種能提升冶金級硅片少子壽命的擴散工藝，包括如下步驟:
[0025](I)低溫進舟、初步升溫:在初始溫度為810°C時開始向爐管內(nèi)推進承載硅片的石英舟，保持400mm/min的速度將滿載硅片的石英舟(石英舟的每個卡槽只有一片硅片，以實現(xiàn)雙面擴散)送入爐管，關(guān)閉爐門后，依據(jù)擴散的升溫能力在600s內(nèi)升溫至840°C，然后在此溫度通氧保溫600s。
[0026](2)同步升溫、通源擴散:保溫在840°C后，通入三氯氧磷進行磷擴散，并在此過程中分三步升溫9°C?？偼ㄔ磿r間為25min。攜帶液態(tài)三氯氧磷的氮氣(小氮)流量及氧氣流量都控制在1200mL/min,比例在1:1。大氮量依據(jù)初始總量減去小氮和氧氣量。
[0027](3)恒溫推進:停止通源，在有氧條件下保持最后一步的擴散溫度849°C，恒溫推進擴散深度從而提高結(jié)深的均勻性，控制推進時間為360s ；
[0028](4)緩慢降溫、退舟:在氮氣氛下，緩慢降溫至810°C,以300mm/min的速度出舟。
[0029]其中整個擴散工藝過程中氣體總量保持不變，從而保證工藝過程中爐管內(nèi)壓力恒定。
[0030]實施例2:
[0031](I)低溫進舟、初步升溫:在初始溫度為820°C時開始向爐管內(nèi)推進承載硅片的石英舟，控制進舟速度為500mm/min,進舟完成后將溫度升至830°C并在氮氧共存的氣氛下保溫7min,氮、氧的流量分別控制在1200mL/min、23000mL/min ;其中石英舟的每個卡槽只有一片硅片，從而實現(xiàn)雙面擴散；
[0032](2)通源擴散:在保溫過程后，由氮氣攜帶液態(tài)的三氯氧磷進入爐管在氮氣氣氛下與氧氣及硅表面發(fā)生反應(yīng)生成磷原子擴散進入硅片來進行通源擴散；
[0033]通源擴散具體分三步完成，三步中攜帶三氯氧磷的氮氣、氧氣、大氮的流量分別控制在 1200mL/min、1200mL/min,23000-29000mL/min,三者流量比例在 1: 1:20，三步擴散溫度依次遞增5°C，三步通源擴散的時間分別在500s、300s、300s。
[0034](3)恒溫推進:通源擴散后，將溫度保持在840-850°C，在氮氧共存的氣氛下保溫360s,氮、氧的流量分別控制在1800mL/min、23000mL/min ；
[0035](4)降溫、退舟:停止通氧，在氮氣氣氛下，將爐內(nèi)溫度降至810°C，控制退舟的速度保持在300mm/min進行退舟。
[0036]其中在整個擴散工藝過程中氣體總量保持不變，從而使工藝過程中爐管內(nèi)壓力恒定。
[0037]以下是采用本實施例的技術(shù)方案后，不同擴散工藝及形式后硅片的少子壽命對比表(表一)，經(jīng)不同擴散工藝及形式制造的太陽電池電性能參數(shù)對比(表二):
[0038]表一:不同擴散工藝及形式后硅片的少子壽命對比:
【權(quán)利要求】
1.一種能提升冶金級硅片少子壽命的擴散工藝，其特征在于，包括如下步驟: (1)低溫進舟、初步升溫:在初始溫度為810-820°c時開始向爐管內(nèi)推進承載硅片的石英舟，控制進舟速度為400-500mm/min，進舟完成后將溫度升至830-840°C并在氮氧共存的氣氛下保溫5-7min，氮、氧的流量分別控制在1200-1400mL/min、23000-29000mL/min ； (2)通源擴散:在保溫過程后，由氮氣攜帶液態(tài)的三氯氧磷進入爐管在氮氣氣氛下與氧氣及硅表面發(fā)生反應(yīng)生成磷原子擴散進入硅片來進行通源擴散； (3)恒溫推進:通源擴散后，將溫度保持在840-850°C，在氮氧共存的氣氛下保溫360-600s，氮、氧的流量分別控制在 1800-2000mL/min、23000-29000mL/min ； (4)降溫、退舟:停止通氧，在氮氣氣氛下，將爐內(nèi)溫度降至810-820°C，控制退舟的速度保持在300-400mm/min進行退舟。
2.如權(quán)利要求1所述的一種能提升冶金級硅片少子壽命的擴散工藝，其特征在于:其中在整個擴散工藝過程中氣體總量保持不變，從而使工藝過程中爐管內(nèi)壓力恒定。
3.如權(quán)利要求1所述的一種能提升冶金級硅片少子壽命的擴散工藝，其特征在于:其中石英舟的每個卡槽只有一片硅片，從而實現(xiàn)雙面擴散。
4.如權(quán)利要求1所述的一種能提升冶金級硅片少子壽命的擴散工藝，其特征在于:其中通源擴散分三步完成，三步中攜帶三氯氧磷的氮氣、氧氣、大氮的流量分別控制在1200-1400mL/min、1200-1400mL/min,23000-29000mL/min,三者流量比例在 1:1:20，三步擴散溫度依次遞增3-5°C，三步通源擴散的時間分別在500-600s、300-420s、300-360s。
【文檔編號】H01L31/18GK103531449SQ201310522023
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月29日
【發(fā)明者】楊利利, 楊佳, 武建 申請人:寧夏銀星能源股份有限公司