用于太陽(yáng)能電池的直列式擴(kuò)散方法
【專利說(shuō)明】用于太陽(yáng)能電池的直列式擴(kuò)散方法
[0001]關(guān)于政府自主研究或發(fā)展的陳述
[0002]無(wú)。
【背景技術(shù)】
[0003]本發(fā)明總體上涉及硅中的擴(kuò)散工藝。本發(fā)明尤其適用于晶體硅太陽(yáng)能電池。
[0004]熱擴(kuò)散通常用于在晶體硅太陽(yáng)能電池中形成PN結(jié)。在P型硅中，磷擴(kuò)散到體硅中以形成結(jié)。在N型硅中，硼擴(kuò)散到體硅中以形成結(jié)。熱擴(kuò)散的現(xiàn)有技術(shù)方法包括使用管式熔爐來(lái)提供驅(qū)動(dòng)摻雜劑原子進(jìn)入硅的晶格結(jié)構(gòu)中所需的熱量。在使用諸如用于磷擴(kuò)散的三氯氧磷或用于硼擴(kuò)散的三溴化硼等蒸汽源的擴(kuò)散加熱期間，可以將摻雜劑運(yùn)送到晶片。為了使用N型硅制造太陽(yáng)能電池，需要兩種高溫?cái)U(kuò)散工藝。在晶片的第一表面上執(zhí)行硼擴(kuò)散以產(chǎn)生電荷分離發(fā)射場(chǎng)。在晶片的第二表面上，執(zhí)行磷擴(kuò)散以形成深結(jié)來(lái)用作導(dǎo)電背面場(chǎng)(BSF)。在常規(guī)實(shí)踐中，用分立的設(shè)備順序執(zhí)行這兩種工藝，這導(dǎo)致長(zhǎng)的周期時(shí)間、昂貴的資本設(shè)備和運(yùn)行成本。同樣，諸如玻璃去除蝕刻和掩膜等附加的工藝步驟必須在每個(gè)順序工藝期間被執(zhí)行，這也增加了資本、材料和運(yùn)行費(fèi)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明了提供了在單階段工藝中同時(shí)在太陽(yáng)能電池晶片的相應(yīng)面上擴(kuò)散不同類型的摻雜劑。優(yōu)選地通過(guò)移印、或替代地通過(guò)噴涂、浸涂、輥涂、凹面涂覆、棒涂、噴墨印刷、絲網(wǎng)印刷或其它已知的施加技術(shù)，將摻雜劑以濕化學(xué)形式施加到晶片的相應(yīng)面上。摻雜材料可以被施加到整個(gè)晶片表面或其有效區(qū)域，或可以被施加成圖案以適合所預(yù)期的太陽(yáng)能電池構(gòu)造。在典型的實(shí)施例中，摻雜劑是硼和磷。如本領(lǐng)域已知的，還可以使用其它III族和V族摻雜劑。
[0006]濕化學(xué)摻雜材料與上文所述的施加技術(shù)一樣不昂貴。此外，這些濕化學(xué)涂覆方法是通用的，并且可以單獨(dú)使用、或被結(jié)合以形成用于常規(guī)的或先進(jìn)的太陽(yáng)能電池構(gòu)造的全表面涂層或圖案化的沉積。對(duì)于每種涂覆方法，基礎(chǔ)摻雜源化學(xué)物可以是相同的，但是可以化學(xué)地改變諸如流變性、干燥特性、表面濕度以及流量控制等因子來(lái)產(chǎn)生期望的特性。
[0007]此外，可以通過(guò)摻雜劑化學(xué)物的配方，例如通過(guò)調(diào)節(jié)每個(gè)摻雜劑中的摻雜劑源的元素濃度，來(lái)半獨(dú)立地控制兩個(gè)同時(shí)擴(kuò)散的結(jié)的深度。另外，諸如二氧化硅等抑制劑層可以被設(shè)置在摻雜劑源之下且在硅晶片之上，并且起著阻止摻雜劑擴(kuò)散到硅晶片中的作用，從而影響擴(kuò)散的深度。
[0008]在施加摻雜劑之后，在單個(gè)直列式熔爐中同時(shí)執(zhí)行硼和磷的熱擴(kuò)散步驟兩者。在擴(kuò)散之后，在單個(gè)酸蝕刻工藝中同時(shí)去除在硼和磷摻雜的表面上產(chǎn)生的玻璃層。以這些方式，資本設(shè)備、材料、工藝步驟及運(yùn)行成本較常規(guī)的兩階段方法減少。
[0009]本文所描述的發(fā)明是針對(duì)硼和磷在硅晶片或襯底中的擴(kuò)散，但不限于這些材料。本發(fā)明可廣泛地適用于諸如其它III族和V族的摻雜劑等其它摻雜劑在半導(dǎo)體晶片中的同時(shí)擴(kuò)散，以及到除硅之外的晶片的擴(kuò)散。
[0010]為了防止將要在晶片的一面上擴(kuò)散的摻雜劑迀移到將要擴(kuò)散另一種摻雜劑的相反面，本發(fā)明一方面在相應(yīng)摻雜層已經(jīng)被干燥之后并在摻雜劑同時(shí)擴(kuò)散到晶片的相應(yīng)面中的單個(gè)擴(kuò)散步驟之前，在相應(yīng)摻雜層之上采用阻擋層或覆蓋層。
[0011]在本發(fā)明的另一方面，熔爐的氣流模式被布置為隔離相應(yīng)的摻雜劑并且阻止每種摻雜劑到晶片的相反面的迀移。
【附圖說(shuō)明】
[0012]根據(jù)結(jié)合附圖閱讀的以下【具體實(shí)施方式】，將更全面地理解本發(fā)明，在附圖中：
[0013]圖1是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的流程圖；并且
[0014]圖2是具有隔離的氣流路徑的熔爐的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]在圖1的流程圖中示出了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。作為初始步驟10，晶片在例如10%的氫氟酸溶液中徹底蝕刻一分鐘，之后用去離子水沖洗并干燥晶片表面。在步驟12中，將III族摻雜劑以濕化學(xué)形式施加于晶片的一面，并且在步驟14中，干燥該摻雜劑?？蛇x地，在步驟16中，將阻擋/覆蓋層涂覆在干燥的III族摻雜劑之上，并且在步驟18中，干燥該阻擋/覆蓋層。在步驟20中，將V族摻雜劑施加到晶片的相反面并且在步驟22中，干燥該摻雜劑?？蛇x地，在步驟24中，在干燥的V族摻雜劑之上提供阻擋/覆蓋層，并且在步驟26中，干燥該阻擋/覆蓋層。在步驟28中，在直列式熔爐中加熱晶片以使III族和V族摻雜劑同時(shí)擴(kuò)散到晶片中。在步驟30中，從晶片的相應(yīng)面同時(shí)去除在加熱和擴(kuò)散步驟期間在晶片表面上形成的擴(kuò)散玻璃層。之后，可以進(jìn)一步處理晶片以形成太陽(yáng)能電池。
[0016]移印方法尤其適用于將濕化學(xué)摻雜源化學(xué)物和涂層施加到硅太陽(yáng)能晶片。該方法使用硅樹脂印刷盤，其大到足以用單次盤壓工藝將整個(gè)區(qū)域或圖案化的摻雜劑沉積完全轉(zhuǎn)移到太陽(yáng)能晶片。金屬、聚合物、或者陶瓷鉛板用于限定用于轉(zhuǎn)移的沉積圖案?？梢哉{(diào)節(jié)鉛板深度以獲得期望的沉積量。優(yōu)選地具有聚合物或者陶瓷鉛板的移印提供不含金屬的施加系統(tǒng)，其可以快速地選擇性沉積不同材料的薄結(jié)構(gòu)涂層到兩個(gè)晶片表面。移印還能夠產(chǎn)生均勻的薄涂層，該薄涂層與上面設(shè)置有該涂層的表面共形。以此方法，最小化了涂層空隙、提高了結(jié)深均勻性、并且減少了短路。
[0017]此外，可以通過(guò)摻雜劑化學(xué)物的配方，例如通過(guò)調(diào)節(jié)每個(gè)摻雜劑中的摻雜劑源的元素濃度來(lái)半獨(dú)立地控制兩個(gè)同時(shí)擴(kuò)散的結(jié)的深度。另外，抑制劑層（例如包括二氧化硅）可以被設(shè)置在摻雜劑源之下且在硅晶片之上，并且起著阻止摻雜劑擴(kuò)散到硅晶片中的作用，從而影響擴(kuò)散的深度。
[0018]可選地，可以在共擴(kuò)散之前將阻擋層或覆蓋層設(shè)置在摻雜劑源涂層的其中之一或二者之上，以阻止或減少相反的摻雜劑的污染。這些阻擋層可能由凝膠衍生的二氧化硅溶膠或納米粒子構(gòu)成，并且可以由與摻雜材料相同的方法進(jìn)行施加。阻止摻雜劑的交叉污染的另一方法是加入具有互相接觸的相似摻雜劑表面的兩個(gè)或更多晶片?？梢杂弥T如硅酸鹽等小劑量的粘合劑將這些晶片暫時(shí)接合在一起，該粘合劑可以由后擴(kuò)散玻璃蝕刻工藝來(lái)溶解。替代地，可以使用機(jī)械夾具或固定設(shè)備來(lái)在熱處理期間將晶片保持在一起。
[0019]可以在直列式熔爐中減少摻雜劑的交叉污染的另一方法是控制熔爐內(nèi)的氣流，以阻止空氣傳播的相反摻雜劑污染物在擴(kuò)散期間沉積到晶片表面上或使該沉積最小化。這種方法使用差動(dòng)排流方向和速率，以使氣流總是遠(yuǎn)離晶片的任一面。將流速保持為高到足以帶走氣態(tài)或微粒摻雜劑并且將它們導(dǎo)向遠(yuǎn)離晶片，從而阻止磷在硼摻雜面或硼在磷摻雜面上的交叉污染。
[0020]參考圖2，示意性地描繪了熔爐室50，傳送機(jī)52運(yùn)載硅晶片54通過(guò)熔爐室50。上層氣流路徑由箭頭56圖示，并且提供了遠(yuǎn)離晶片的頂面的氣流。由箭頭58圖示的下層氣流路徑提供了遠(yuǎn)離晶片的底面的氣流。用于產(chǎn)生這樣的差動(dòng)氣流的技術(shù)在本領(lǐng)域中是已知的。
[0021]在施加摻雜劑之后，在單個(gè)直列式熔爐中同時(shí)執(zhí)行硼和磷的熱擴(kuò)散步驟。此直列式熔爐可以使用由諸如鎳鎘耐熱合金5等耐高溫材料制成的金屬傳送帶。使用金屬傳送帶的缺點(diǎn)是來(lái)自傳送帶的金屬元素在擴(kuò)散工藝期間可能擴(kuò)散到晶片硅中并且產(chǎn)生減少?gòu)?fù)合中心的載流子壽命。已經(jīng)顯示，與傳送帶接觸的晶片的表面上的磷涂層在金屬傳送帶元素?cái)U(kuò)散到硅中之前可以用作金屬傳送帶元素的阻擋層，并且還在擴(kuò)散期間將金屬雜質(zhì)從體硅吸除。通過(guò)直列式擴(kuò)散熔爐傳送晶片的優(yōu)選方法是使用非金屬傳送工具，而不是金屬傳送帶。以此方式，沒(méi)有接觸或緊鄰晶片的可以用作金屬污染源的金屬。非金屬傳送工具的方法包括在陶瓷滾軸或陶瓷連接帶上通過(guò)熔爐傳送晶片。另外，陶瓷晶片支撐元件可以通過(guò)熔爐來(lái)傳送并且與諸如熔爐的高溫部分內(nèi)的(多個(gè))陶瓷繩等公共驅(qū)動(dòng)元件連接在一起。如果陶瓷晶片支撐元件在熔爐的高溫部分的外部連接在一起，則可以將耐較低溫的材料用作驅(qū)動(dòng)元件。
[0022]在擴(kuò)散之后，然后在單個(gè)酸蝕刻工藝中同時(shí)去除在硼和磷摻雜的表面上產(chǎn)生的玻璃層。以這些方式，資本、材料、工藝步驟及運(yùn)行成本較現(xiàn)有技術(shù)方法得到減少。
[0023]本發(fā)明提供了幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)，包括以下:
[0024]1.)物料通過(guò)量一一通過(guò)去除工藝燒成步驟或通過(guò)去除批量擴(kuò)散工藝步驟來(lái)獲得相較于【背景技術(shù)】方法得到提高的物料通過(guò)量。通過(guò)允許晶片作為獨(dú)立的晶片而被傳送通過(guò)制造步驟、不被裝載到批量載體中、排隊(duì)進(jìn)行處理、并且然后在處理之后從批量載體被卸載來(lái)相較于【背景技術(shù)】方法而進(jìn)一步提高物料通過(guò)量。甚至還通過(guò)將硼硅酸鹽玻璃和磷硅酸鹽玻璃的去除步驟組合到一個(gè)單個(gè)工藝步驟中來(lái)相較于常規(guī)方法進(jìn)一步提高物料通過(guò)量?？梢酝ㄟ^(guò)使用以下方法來(lái)提高熔爐物料通過(guò)量:其中，將兩個(gè)或更多晶片暫時(shí)結(jié)合在一起，并且相似的摻雜劑表面互相接觸，從而使熔爐利用率加倍或更大。
[0025]2.)能源使用的成本一一直列式共擴(kuò)散的使用相較于【背景技術(shù)】方法可以獲得顯著的成本節(jié)約。當(dāng)前的管狀熔爐共擴(kuò)散方法需要長(zhǎng)的工藝時(shí)間。直列式順序擴(kuò)散使用兩個(gè)單獨(dú)的熱驅(qū)入步驟。直列式共擴(kuò)散是較低成本的方法，其只需要一個(gè)熱驅(qū)入步驟，產(chǎn)生較低的工藝能源成本。
[0026]3.)均勻性一一用直列式共擴(kuò)散工藝相較于常規(guī)管式熔爐工藝提高了晶片區(qū)域均勻性。熱均勻性和摻雜劑氣流兩者的管式熔爐設(shè)計(jì)因子固有地難以控制跨晶片的整個(gè)區(qū)域的擴(kuò)散均勻性。直列式共擴(kuò)散提供了摻雜源材料的均勻施加和產(chǎn)生更均勻的擴(kuò)散深度的晶