低壓磷擴散工藝研究

■ 李吉孫朋濤鄭建宇嚴金梅魏紅軍麻增智趙朋松

(1.晶澳太陽能有限公司；2.北京七星華創電子股份有限公司)

低壓磷擴散工藝研究

■ 李吉1*孫朋濤2鄭建宇2嚴金梅1魏紅軍1麻增智1趙朋松1

(1.晶澳太陽能有限公司；2.北京七星華創電子股份有限公司)

分析了低壓磷擴散較常壓擴散的優勢，論述了低壓磷擴散的工作原理及可以調節的工藝參數。通過研究真空條件下源流量、擴散時間、源瓶壓力、真空泵壓力等擴散工藝參數對擴散方塊電阻的影響，了解低壓磷擴散工藝的調試思路、途徑及方法，便于更高效開展低壓磷擴散工藝的調試。

低壓擴散；源流量；源瓶壓力；泵壓力；擴散時間

0　引言

隨著全球經濟和社會的快速發展，以煤炭、石油、天然氣為主的化石能源日漸短缺，環境污染、生態惡化等問題日益加深，新型清潔能源備受人們關注。太陽能因其資源豐富、分布廣泛、易利用、成本低等特點成為最具發展潛力的可再生能源之一。太陽能發電技術已日漸成熟，可滿足全球不斷增長的電量需求。太陽電池是光伏發電系統中最重要的一部分，p-n結又是晶體硅太陽電池的核心部分，沒有p-n結，便不能將光轉換為電，也就不能成為太陽電池［1］。因此，p-n結的制造是最重要的工序。

管式擴散爐特別是臥式擴散爐，是光伏與半導體生產線擴散工序的重要工藝設備之一。目前在晶體硅太陽電池核心工藝p-n結制造過程中，通常采用傳統的常規閉管擴散技術，其擴散裝置如圖1 所示。但該技術的不足之處在于：1)摻雜源消耗量大；2)擴散質量易受排風等環境變化的影響，設備之間相互干擾；3)爐內壓力主要靠通入大量的氮氣來維持，穩定性較差，而且浪費氣體［1,2］。

圖1　常壓擴散裝置示意圖

而低壓擴散技術可以彌補以上諸多不足，真空環境的引入大幅提高了擴散均勻性和穩定性(在高達80～120 Ω/□方塊電阻范圍內，片內均勻性可達4%以內，片間和批間均勻性可達3%)，真空腔室內穩定均勻的氣流允許放入更密集的電池片(電池片間距可縮短至2 mm)，大幅提高了產能(單管產能可達1000片甚至更多)；同時，得益于真空環境下工藝氣體的精確控制和混合，可以節省氣體的用量，且可制作更高方塊電阻的電池片(可制作高達150 Ω/□的方塊電阻)。目前，低壓擴散技術已經逐步得到業內的認可和應用［3,4］。

1　低壓擴散技術原理及工藝

低壓擴散爐的工作原理為：通過真空泵的作用，使反應腔室處于真空狀態，然后通入工藝氣體，擴散過程中使腔室維持在恒定的真空狀態，從而保證腔室內的磷離子濃度不變。由于真空條件下氣體分子自由程增加，氣體分子在硅片表面的附著能力也有很大改善，且避免了出現大量的氣體湍流，此時磷離子可以均勻地分布于硅片表面，且在硅片表面擴散一層均勻的雜質原子，從而保證硅片擴散的均勻性。由于真空腔室內氣流更加穩定均勻，允許放置密度更高的硅片，硅片間距甚至可縮短至2 mm，可成倍提高擴散產能。通俗來講，低壓擴散技術就是類似于PECVD或LPCVD的工作方式，運行擴散、摻雜工藝［3,4］。

圖2為低壓擴散爐的核心結構，從進氣管進入工藝氣體，在石英擴散管中進行低壓擴散，尾氣從尾氣管排出，真空泵負責創造真空條件，泵出氣口連接排酸管道風壓。

圖2　低壓擴散裝置示意圖

由于真空系統的引入，低壓擴散工藝與常規擴散工藝步驟略有差異，如圖3所示。

根據低壓擴散工藝的原理，低壓擴散步驟增加了抽真空、檢漏和充氣步驟；同時，可以調節的參數增多，新增了泵壓力、源瓶壓力和一系列真空氛圍特有的調節特性。在真空條件下運行工藝，N2的使用量大幅縮小。因為以上不同點，常規擴散工藝的調節經驗已經不適用于低壓擴散工藝，需要重新尋找不同擴散參數對方塊電阻的影響。

圖3　常規擴散工藝和低壓擴散工藝流程

2　低壓擴散工藝實驗內容

低壓擴散工藝常用的參數調節包括擴散溫度、源流量、擴散時間、源瓶壓力、泵壓力等。其中，擴散溫度的調節與常規擴散工藝相同，擴散時間與源流量的調節與常規擴散工藝略有差異，源瓶壓力與泵壓的調節是低壓擴散新增加的可以調節的參數。本文主要針對以上參數進行研究，為低壓擴散工藝調整提供一定的思路和方向。

2.1研究源流量對擴散方塊電阻的影響

源流量的調節是最常用的調節擴散方塊電阻的方法，在保證其他參數不變的情況下，分別對源流量700 sccm、800 sccm、900 sccm進行實驗，觀察對擴散方塊電阻的影響。

圖4　源流量與擴散方塊電阻的關系

由圖4可以發現，隨著源流量的減少，擴散方塊電阻逐漸增大。這主要是因為源流量減少，擴散到硅片上的磷元素減少，表面方塊電阻就會變大［5］，所以方塊電阻會變大。圖4中，源流量每減少30 sccm，方塊電阻增加1 Ω/□，呈線性關系。

其次，教師發展場域，能夠直面教學能力發展要素與發展動力的復雜性。發展教學能力，需要深入分析、把握教學要素之間的關系。

源流量不能無限減少，當源流量減小到700 sccm以下時，整舟的方塊電阻均勻性就會變差。方塊電阻從爐口到爐尾有一定的梯度變化，爐口、爐尾方塊電阻相差15 Ω/□，如表1所示。這是因為當源流量減小到一定量時，POCl3不能在爐管內均勻分布，會導致爐尾POCl3濃度大，而爐口POCl3很少，因此就出現了爐口到爐尾方塊電阻梯度分布的情況。在調節源流量時一定要特別注意。

表1　源流量700 sccm的方塊電阻數據

在實際調節過程中，單純的源流量變動建議為±50 sccm，因為超過這一經驗值后，需要通過調節源瓶壓力和大氮量來配合源量的變化，以保證磷源在硅片表面的均勻分布。

2.2研究不同擴散方塊電阻與擴散時間的關系

在低壓擴散工藝其他參數不變的情況下，調整擴散時間，使擴散方塊電阻分別達到80 Ω/□、85 Ω/□、90 Ω/□和95 Ω/□，觀察擴散方塊電阻與擴散時間的對應關系。

圖5　不同方塊電阻與擴散時間的關系

隨著方塊電阻的逐漸增加，擴散時間越來越短，時間隨方塊電阻的變化成對數關系，即：方塊電阻越小，需要調節的時間越長；方塊電阻越大，需要調節的時間越少。

當調節高方塊電阻時，時間調節越來越少；也就是當時間變化很小時，方塊電阻就會有一定的變化，高方塊電阻工藝的穩定性就會變差，所以調節高方塊電阻不能一味地減少擴散時間，需要配合其他參數共同調節。

2.3研究源瓶壓力對擴散方塊電阻的影響

源瓶壓力是低壓擴散工藝獨有的可以調節的參數之一，研究源瓶壓力對擴散方塊電阻的影響對于理解低壓擴散工藝更有參考意義。在真空泵壓力為100 mbar時，調整源瓶壓力770 mbar、800 mbar、830 mbar、860 mbar進行實驗，觀察對擴散方塊電阻的影響。

實驗發現，隨著源瓶壓力的增加，擴散方塊電阻逐漸增大。因為源瓶壓力增加，源的濃度減小，所以方塊電阻變大。源瓶壓力每增加10 mbar，方塊電阻增加1 Ω/□，呈線性關系。從數據可以看出，源瓶壓力的靈敏度要優于源流量的靈敏度。

圖6　不同源瓶壓力與擴散方塊電阻的關系

但由于源瓶壓力影響了源的濃度，單純增加源瓶壓力大幅提高方塊電阻的做法并不可取，由于源濃度的大幅降低，反應腔室內源不能均勻附著在硅片表面，這會導致片內均勻性變差。

2.4研究泵壓力對擴散方塊電阻的影響

泵壓力是低壓擴散工藝獨有的另外一個可以調節的工藝參數，因為真空泵的作用決定了低壓與常規工藝的差別，是低壓工藝的核心。在源瓶壓力為800 mbar時，調整泵壓力為55 mbar、70 mbar、85 mbar、100 mbar進行實驗，觀察對擴散方塊電阻的影響。

泵壓力用于調節反應腔室內的真空壓力，真空壓力是由氣體分子的碰撞產生的，不同的泵壓力代表不同的氣體分子濃度。降低泵壓力，POCl3在爐管內的運動速度加快，同時被泵抽走會相對多一些，而且濃度也相對低，導致留在硅片上的磷元素減少，而使方塊電阻變大；反之，當提高泵壓力時，方塊電阻會變小，當泵壓力較小時，對真空系統密封性能要求更高，可能降低密封件壽命，甚至把石英管抽爆，所以泵壓力不能無限制的減小［7］。

圖7　不同泵壓力與擴散方塊電阻的關系

實驗可以發現，隨著泵壓力的增加，方塊電阻變化呈乘冪變化，泵壓力由55 mbar增加到70 mbar時，方塊電阻減少10 Ω/□；泵壓力由85 mbar增加到100 mbar時，方塊電阻僅僅減少3 Ω/□。由此可以推算，當泵壓力在100 mbar以上時，對方塊電阻的影響會減小。

3　結論

本文分析了低壓擴散較常規擴散的優勢，論述了低壓擴散的工作原理及可以調節的工藝參數。通過研究源流量、擴散時間、源瓶壓力、泵壓力等擴散工藝參數對擴散方塊電阻的影響，找到這些參數與不同擴散方塊電阻的對應關系，源瓶壓力和源流量與方塊電阻的變化呈線性關系，泵壓力與方塊電阻的變化呈乘冪關系，方塊電阻與擴散時間的變化呈對數關系。了解低壓擴散工藝的調試思路、途徑及方法，可以更高效快速地開展低壓擴散工藝的調試。

本文沒有提及N2流量對低壓擴散工藝的影響。在低壓擴散工藝中，由于通過真空泵的作用，使反應腔室處于真空狀態，N2的用量較常壓工藝少很多，但N2用量更為精確，這體現在其對磷源濃度的影響和磷源在反應室中的停留時間。因此，N2對方塊電阻也有一定的影響，而且會影響片內和片間方塊電阻均勻性，今后可作為研究的方向。

［1］ Michael Quirkl. 半導體制作技術［M］. 北京∶ 電子工業出版社, 2009.

［2］ 安其霖, 曹國深, 劉祖名, 等. 太陽電池原理與工藝［M］. 上海∶ 上海科學技術出版社, 1984.

［3］ 黃漢堯.半導體器件工藝原理［M］. 北京∶ 國防工業出版社, 1980, 78－107.

［4］ 劉恩科, 朱秉升. 半導體物理學［M］. 北京∶ 電子工業出版社, 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，主要從事晶體硅電池方面的研究。liji@jasolar.com