Pn結和se摻雜一次完成的擴散方法
【專利摘要】本發明屬于半導體【技術領域】，具體涉及一種PN結和SE摻雜一次完成的擴散方法。該方法是在被擴散物的擴散面上形成一層含有摻雜物質的涂層，在PN結區域和SE區域形成的涂層分別具有不同的密度或濃度或組分；其中，SE區域涂層密度或濃度高于PN結區域涂層密度或濃度；或者，SE區域和PN結區域的涂層其摻雜物質的組分不同；將表面附著了上述涂層的被擴散物在一組可以沿軸線方向往復轉動的水平輥道傳輸下進入高溫區進行加熱處理，一次完成PN結和SE的摻雜。該方法不但有效解決PN結和SE摻雜一次完成的問題，實現PN結和SE摻雜工藝的連續化生產，而且還解決連續化生產過程中擴散環境氣氛的潔凈度問題。
【專利說明】PN結和SE摻雜一次完成的擴散方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于半導體【技術領域】，具體涉及一種PN結和SE摻雜一次完成的擴散方法。 【背景技術】
[0002]在向Si和GaAs等半導體內部摻入施主或者受主雜質原子時，因為施主或受主雜 質原子的半徑一般都比較大，要它們直接進入到半導體晶格中去是很困難的，最常采用的 技術是熱擴散，高溫會使晶格產生出一些熱缺陷，通過這些熱缺陷的幫助這些雜質則較容 易地擴散、并進入到半導體中去，對于熱擴散技術來說，往往都需要較高的擴散溫度。
[0003]管式擴散是熱擴散最常用的主要方式之一。管式擴散是批次擴散，以間歇方式運 行，每次需要將數百片被擴散物通過人工或特殊的工具垂直放在支架上，推進擴散爐中、并 通入高純氮氣和三氯氧磷進行高溫處理，然后冷卻后取出，循環反復操作。管式擴散的優點 是密閉操作，擴散環境潔凈度高，電池轉換效率高；其缺點是不能連續化作業，產能低、擴散 成本高。同時由于摻雜物質擴散以氣態方式預制在部件表面，擴散后方塊電阻與擴散爐的 熱場分布、被擴散物在爐中的位置、爐體進氣方式、爐中氣流分布等有關，造成PN結方塊電 阻在同一部件表面均勻分布存在差異，通常每個部件四周方塊電阻低于中間的方塊電阻， 不均勻性在5%以上。另外，管式擴散的摻雜物質源通常為液態三氯氧磷，為危險物品，一方 面需要嚴加管理，另一方面要求擴散爐必須密封，否則在使用過程中一旦發生紕漏，可能造 成人生安全傷害。
[0004]專利EP1010960A1涉及一個用于制備太陽電池的水平鏈式擴散爐，加熱方式是紅 外加熱，其中是用一定濃度的磷酸溶液替代危險的液態三氯氧磷均勻噴涂到硅片上，再將 硅片在鏈式擴散爐中高溫處理生成PN結，其指明硅片可以采用金屬網帶傳送，金屬爐帶在 使用過程中容易使被擴散物受到金屬雜質的污染，還由于連續化設備爐內環境氣氛潔凈度 不容易保證等原因，這種鏈式擴散爐制備的太陽電池效率比管式擴散方式制備的太陽電池 的效率低0.1-0.2%，在傳輸過程中，硅片易跑偏，碎片率較高，當傳送帶離開爐體時，還會將 熱量帶走，設備耗能高。該專利也介紹了一種用高純陶瓷輥道代替鎳鉻合金金屬網帶傳輸 電池片的方法，其描述的輥軸至少一部分由一系列透明輥軸連續排列組成，輥軸帶有驅動 可自行旋轉，并按部件行進方向同步轉動，部件可通過輥軸的摩擦力從一個輥軸運動到另 一個輥軸。但該專利沒有涉及如何保持爐內環境氣氛的潔凈度來保證擴散效果的問題，并 且該設備沒有SE功能。
[0005]專利CN1602554A闡述了一種烘箱，用于由半導體材料制成的光電裝置，其特點是 半導體材料的傳輸通過一系列陶瓷材料制成的輥子實現且輥子繞其自身的軸線旋轉，作為 一個對半導體材料進行熱處理的連續化生產設備，該專利同樣沒有涉及如何保持爐內環境 氣氛的潔凈度來保證使用效果的問題，該設備也沒有SE功能。
[0006]選擇性發射極(selective emitter簡稱SE)就是在發射極電極下娃表面上制作 一個高摻雜濃度區域，金屬電極制作在高濃度區域上，其他區域為低濃度區。用這種結構制 作的硅太陽電池就是選擇發射區電池，高摻雜區使金屬和半導體的接觸電阻下降，從而提高填充因子，低摻雜區提高電池的短路電流，因而可以提高電池的轉換效率，比無SE電池的轉化效率高1%以上。新南威爾士大學轉換效率世界第一的PERL電池就是一種SE電池，它采用的是實驗室工藝，即在熱氧化的硅片上采用光刻技術制備SE窗口后采用熱擴散形成高摻雜區，再酸洗掉氧化層后重新熱擴散形成低摻雜區，一個SE電池需要幾次氧化、光刻和擴散過程，大規模工業生產中很難推廣。
[0007]還有一種SE制備工藝是將高濃度磷漿如電極柵線狀印刷到硅片表面，然后將硅片放入常規擴散爐中進行擴散。高濃度磷漿在擴散過程中從印刷區揮發沉積到非印刷區，但這樣揮發沉積得到的磷濃度過低，很難達到SE和低濃度區的擴散要求，需要在擴散時，通入氮氣和三氯氧磷氣體作為磷源的補充，因為使用了三氯氧磷，所以只能在密閉的管式擴散爐中完成。這種SE的制備技術需要在常規擴散之前增加一道磷漿印刷工序、并且不能實現連續化生產。
[0008]由以上可知，現有技術存在PN結和SE摻雜不能一次完成、連續化擴散設備生產的產品轉換效率低、以及連續化擴散設備難以保證擴散環境氣氛的潔凈度等問題。
【發明內容】
[0009]本發明的目的是提供一種PN結和SE摻雜一次完成的擴散方法。該方法不但有效解決PN結和SE摻雜一次完成的問題，實現PN結和SE摻雜工藝的連續化生產，而且還解決連續化生產過程中擴散環境氣氛的潔凈度問題。
[0010]本發明所述的PN結和SE摻雜一次完成的擴散方法，該方法是在被擴散物的擴散面上形成一層含有摻雜物質的涂層，在PN結區域和SE區域形成的涂層分別具有不同的密度或濃度或組分；其中，SE區域涂層密度或濃度高于PN結區域涂層密度或濃度；或者，SE區域和PN結區域的涂層其摻雜物質的組分不同；將表面附著了上述涂層的被擴散物在高溫下進行處理，一次完成PN結和SE的摻雜。
[0011]優選的是，通過絲網印刷或激光噴涂工藝在SE區域和PN結區域一次制備出密度或濃度不同的含有摻雜物質的涂層，然后將其在高溫下進行處理，一次完成PN結和SE的摻雜。其中，用來進行絲網印刷的網版針對SE區域和PN結區域有不同的印刷特性，即SE區域印刷的涂層密度或濃度比PN結區域印刷的涂層密度或濃度高，實現一次印刷分別在SE區域和PN結區域形成不同密度或濃度的涂層。
[0012]優選的是，用來進行絲網印刷的網版，SE區域由互相貫通的鏤空圖案組成，PN結區域由若干不連通的圖案組成，該不連通的圖案包括圓形(點狀)、或線性、或方形、或三角形、或菱形或其他任何不連通的圖形。或者，用來進行絲網印刷的網版，SE區域刻蝕程度比PN結區域刻蝕程度高。
[0013]優選的是，先在被擴散物擴散面上制備含有摻雜物質的SE圖形，再在同一擴散面上形成密度或濃度或組分不同的含有摻雜物質的涂層，最后一起進行高溫處理，完成PN結和SE的摻雜。其中，其含有摻雜物質的SE圖形可采用絲網印刷或激光噴涂方式制備，其含有摻雜物質的涂層可采用霧化噴涂或激光噴涂或絲網印刷或旋涂方式制備。
[0014]優選的是，表面附著了所述涂層的被擴散物，始終保持擴散面朝上，在一組可以沿軸線方向往復轉動的水平輥道的傳輸下依次連續通過高溫處理裝置，不間斷、一次性完成PN結和SE的摻雜；或者，表面附著了所述涂層的被擴散物，也可以通過常規管式擴散爐在垂直狀態下進行高溫處理，間歇性、一次性完成PN結和SE的摻雜。
[0015]優選的是，制備有所述SE圖形的被擴散物，始終保持擴散面朝上，在一組可以沿 軸線方向往復轉動的水平輥道的傳輸下依次連續通過所述涂層的制備裝置和高溫處理裝 置，不間斷、一次性完成PN結和SE的摻雜。必要時，在被擴散物擴散面上制備所述SE圖形 后，先通過烘干處理，再在被擴散物擴散面上形成所述的涂層。
[0016]優選的是，制備有所述SE圖形的被擴散物，在水平輥道的傳輸下依次連續移動過 程中，通過設置在水平輥道上方的霧化噴涂或激光噴涂裝置，完成所述涂層的制備。
[0017]優選的是，傳輸被擴散物的輥道至少一部分是由空心輥軸組成，在空心輥軸上被 擴散物經過的部位沿徑向方向設置有若干通氣孔，在空心輥軸的至少一端通過旋轉接頭與 進氣管連接，從進氣管可以通入潔凈的氮氣、壓縮空氣或其他必要的氣體，該氣體通過空心 輥軸上的通氣孔進入到被擴散物經過的爐膛部位，由于始終有新鮮潔凈的氣體從空心輥軸 的通氣孔中噴出，而被擴散物一直從空心輥軸的通氣孔上部經過，因而不斷噴出的潔凈氣 體將被擴散物包圍、阻止了外來氣體接近被擴散物，從而在被擴散物周圍形成了局部非常 潔凈的小環境，因此，不會因為擴散爐爐體密封不嚴、外來雜質氣體進入爐膛而影響熱處理 工作環境的潔凈度，因此，可對擴散環境起到保護作用。其中，在空心輥軸上沿徑向方向設 置的若干通氣孔，可以是同種孔徑和不同孔徑、可以是均勻間距或不均勻間距，以達到氣體 的均勻分布。為了不對被擴散物或擴散工藝造成污染，空心輥軸的材質可以是石英玻璃管、 石英陶瓷管、氧化鋁陶瓷管、氮化硅陶瓷管等，首選是石英玻璃管和石英陶瓷管。
[0018]優選的是，在空心輥軸上被擴散物經過的設置有若干通氣孔的部位，設置有至少 一個中間凹、兩邊凸的臺階，被擴散物在兩邊凸起臺階的支撐和摩擦力作用下水平移動，被 擴散物與通氣孔之間離開一定距離，氣體無障礙地從被擴散物下面進入爐膛。
[0019]優選的是，被擴散物可以是硅片、鍺片、砷化鎵片或其他可以進行PN結摻雜的材 料；摻雜物質可以是含磷或硼或鋁或碳或鋅或鐵等的化合物或其他可以形成PN結的物質。
[0020]本發明所述的高溫，溫度一般在700-1000°C，為本領域技術人員的公知常識。
[0021]本發明具有如下有益效果:
[0022]本發明提供的PN結和SE摻雜一次完成的擴散方法，不但可以有效解決PN結和SE 摻雜一次完成的問題，而且可實現PN結和SE摻雜工藝的連續化生產，還可以解決連續化生 產過程中擴散環境氣氛的潔凈度問題。因為在常規擴散中引入了 SE工藝，可大幅度提高擴 散效果，以晶娃電池為例，單晶電池效率可提聞0.8%、多晶電池效率可提聞0.4% ;因為實現 了擴散工藝在潔凈氣氛下的連續化生產，不但可大大提高產量、降低生產成本，而且保證了 擴散工藝的穩定性和可靠性。本發明對優化太陽電池工藝流程、提高電池效率、降低生產成 本都具有重要的意義。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1為PN結和SE摻雜涂層示意圖；
[0024]圖2為涂層裝置結構示意圖；
[0025]圖3為通氣空心輥軸的結構示意圖；
[0026]圖4為通氣臺階空心輥軸結構示意圖；
[0027]1、SE區域；2、PN結區域；3、不連通的圖案；4、涂層區；5、涂層裝置；6、被擴散物；7、輥軸；701、軸頭；702、空心輥軸；703、通氣孔；704、通氣軸頭；705、旋轉接頭；706、進氣管；707、臺階。
【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖和實施例對本發明做進一步的詳細說明。
[0029]實施例1
[0030]如圖1和圖2，本實施例為硅太陽電池用SE區域和PN結區域一次完成的擴散工藝。其中被擴散物為P型單晶或多晶硅片，采用一種特殊網版印刷磷漿，該網版具有圖1所示的圖形。其中I實線部分為SE區域，該區圖形為直線，包括毫米量級以上的粗線條和垂直于粗線條的幾微米到數十微米量級的細線條和邊框，粗線可以設計為連續、部分間斷(中間是串聯的)、鏤空等，條數為二至多條，細線條部分必須為連續，條數為數十到幾百條，邊框可以為連續或蛇形，寬度與細線條一致；2是PN結區域，由空白或若干不連通的圖案3組成，該不連通的圖案3，包括圓形(點狀)、或線性、或方形、或三角形、或菱形或其他任何不連通的圖形，圖案尺寸在微米量級，間距為零到數微米；在印刷時SE區域I可完全透過磷漿，PN結區域2只能部分透過磷漿，這樣就在硅片表面的SE區域I和PN結區域2分別形成了密度不同的磷漿。或者，采用激光噴涂的方式分別在SE區域和PN結區域噴涂密度不同的磷漿。然后將這種帶有差異磷漿涂層的硅片在700-1000°C的高溫下進行熱處理，熱處理后的硅片在SE區域的方塊電阻達到20 Ω.cm，在PN結區域方塊電阻為40-200 Ω.cm，一次完成PN結和SE的摻雜。
[0031]實施例2
[0032]如圖1、圖2和圖3，本實施例為硅太陽電池用SE和PN結一次完成的擴散工藝。其中被擴散物為P型單晶或多晶硅片，硅片經過二次涂層過程，網版圖形如實施例1中所描述。第一個涂層是通過絲網印刷方式在硅片表面印刷SE圖形，采用的漿料為磷漿，然后硅片經過輥軸的傳輸達到下一個噴涂裝置下面，噴涂裝置將一定比例的磷酸噴涂在硅片正表面，也就是覆蓋了 SE和PN區，然后將其在輥道的傳輸下水平進入在高溫爐體中進行高溫處理。由于SE區域已經有磷漿在磷酸的下面，最終SE區域的方塊電阻達到20 Ω.cm、PN結區域方塊電阻為40-200 Ω.cm, 一次完成PN結和SE的摻雜。
[0033]實施例3
[0034]如圖1、圖2和圖3，本實施例為硅太陽電池用SE和PN結一次完成的擴散工藝。其中被擴散物為P型單晶或多晶硅片，硅片經過二次涂層過程，網版圖形如實施例1中所描述。第一個涂層是通過激光噴涂裝置在硅片表面噴涂SE圖形，采用的漿料為磷漿，經過200°C烘干后，該硅片經過輥軸的傳輸達到下一個噴涂裝置下面，噴涂裝置將一定比例的磷酸噴涂在硅片正表面，也就是覆蓋了 SE和PN區域，然后將其在輥道的傳輸下水平進入在烘干爐和高溫爐中進行擴散。由于SE區域已經有磷漿在磷酸的下面，最終SE區域的方塊電阻達到20 Ω.cm、PN結區域方塊電阻為40-200 Ω.cm, 一次完成PN結和SE的摻雜。
[0035]實施例4
[0036]如圖1、圖2和圖3，本實施例為硅太陽電池用SE和PN結一次完成的擴散工藝，包括一個涂層過程、熱處理過程和激光處理過程。其中被擴散物為P型單晶或多晶硅片，經過制絨處理的硅片首先經過輥軸傳動置于噴涂裝置下方，噴涂裝置將特殊磷漿噴涂在整個硅片表面，經過200°C烘干和700-1000°C的高溫熱處理后，硅片已經形成了 PN結，方塊電阻為 40-200 Q ? cm;然后硅片再經過輥軸傳輸置于一激光設備正下方，激光設備被設置了掃描路徑為SE區域的軟件，對有PN結的硅片按照SE圖形進行激光掃描加熱后形成SE區域，SE 區域的方塊電阻達到20 Q ? cm，連續性完成PN結和SE的摻雜。
[0037]實施例5
[0038]如圖3，本實施例為一種通氣空心輥軸，用于替代現有鏈式擴散爐的鋼帶和輥式擴散爐的實心棍傳輸娃片，空心棍軸的結構如圖3所不,702是一種空心棍,701是軸頭、用于固定空心輥軸，703是空心軸的通氣孔，氣孔可以是同種孔徑和不同孔徑、可以是均勻間距或不均勻間距，以達到氣體的均勻分布，705是旋轉接頭，一端與軸頭704相接，另一端與進氣管706相接，從進氣管可以通入潔凈的氮氣、壓縮空氣或其他必要的氣體，該氣體通過空心輥軸上的通氣孔進入到被擴散物經過的爐膛部位；
[0039]或者，如圖4所示，在空心輥軸702上被擴散物6經過的設置有若干通氣孔703的部位，設置有至少一個中間凹、兩邊凸的臺階707，被擴散物在兩邊凸起臺階707的支撐和摩擦力作用下水平移動，被擴散物6與通氣孔703之間離開一定距離，氣體無障礙地從被擴散物6下面進入爐膛。這樣，通過通氣孔進入爐膛的潔凈氣體對擴散環境起到保護作用，防止硅片收到污染。
[0040]用這種通氣空心輥軸制作的水平擴散爐制備的太陽電池效率與管式擴散方式制備的太陽電池的效率持平，解決了采用現有不銹鋼網帶傳輸硅片的鏈式擴散電池比管式擴散電池效率低0.1-0.2%的問題，使太陽能電池的擴散工藝在不降低轉換效率的前提下連續化生產成為可能。另外，運行中的硅片對各溫區熱場幾乎沒有擾動作用，調整工藝參數后可以在極短的時間內穩定下來，因此，這種輥道式連續擴散爐不僅適用于工業生產，也適合頻繁調整工藝參數的實 驗和教學使用。
[0041]盡管本發明的實施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說明書和實施方式中所列運用，它完全可以被適用于各種適合本發明的領域，對于熟悉本領域的人員而言，可容易地實現另外的修改，因此在不背離權利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本發明并不限于特定的細節和這里示出與描述的圖例。
【權利要求】
1.一種PN結和SE摻雜一次完成的擴散方法，其特征在于:在被擴散物的擴散面上形成一層含有摻雜物質的涂層，在PN結區域和SE區域形成的涂層分別具有不同的密度或濃度或組分；其中，SE區域涂層密度或濃度高于PN結區域涂層密度或濃度；或者，SE區域和PN結區域的涂層其摻雜物質的組分不同；將表面附著了上述涂層的被擴散物在高溫下進行處理，一次完成PN結和SE的摻雜。
2.根據權利要求1所述的PN結和SE摻雜一次完成的擴散方法，其特征在于:通過絲網印刷或激光噴涂工藝在SE區域和PN結區域一次制備出密度或濃度不同的含有摻雜物質的涂層，然后將其在高溫下進行處理，一次完成PN結和SE的摻雜。
3.根據權利要求2所述的PN結和SE摻雜一次完成的擴散方法,其特征在于:表面附著了所述涂層的被擴散物，始終保持擴散面朝上，在一組可以沿軸線方向往復轉動的水平輥道的傳輸下依次連續通過高溫處理裝置，不間斷、一次性完成PN結和SE的摻雜；或者，表面附著了所述涂層的被擴散物，通過常規管式擴散爐在垂直狀態下進行高溫處理，間歇性、一次性完成PN結和SE的摻雜。
4.根據權利要求2所述的PN結和SE摻雜一次完成的擴散方法， 其特征在于:用來進行絲網印刷的網版針對SE區域和PN結區域有不同的印刷特性，即SE區域印刷的涂層密度或濃度高于PN結區域印刷的涂層密度或濃度，實現一次印刷分別在SE區域和PN結區域形成不同密度或濃度的涂層。
5.根據權利要求4所述的PN結和SE摻雜一次完成的擴散方法，其特征在于:用來進行絲網印刷的網版，SE區域由互相貫通的鏤空圖案組成，PN結區域由若干不連通的圖案組成，該不連通的圖案包括圓形或線性或方形或三角形或菱形或其他任何不連通的圖形； 或者，用來進行絲網印刷的網版，SE區域刻蝕程度比PN結區域刻蝕程度高。
6.根據權利要求1所述的PN結和SE摻雜一次完成的擴散方法,其特征在于:先在被擴散物擴散面上制備含有摻雜物質的SE圖形，再在同一擴散面上形成密度或濃度或組分不同的含有摻雜物質的涂層，最后一起進行高溫處理，完成PN結和SE的摻雜。
7.根據權利要求6所述的PN結和SE摻雜一次完成的擴散方法，其特征在于:其含有摻雜物質的SE圖形采用絲網印刷或激光噴涂方式制備，其含有摻雜物質的涂層采用霧化噴涂或激光噴涂或絲網印刷或旋涂方式制備。
8.根據權利要求6所述的PN結和SE摻雜一次完成的擴散方法，其特征在于:制備有所述SE圖形的被擴散物，始終保持擴散面朝上，在一組可以沿軸線方向往復轉動的水平輥道的傳輸下依次連續通過所述涂層的制備裝置完成涂層制備、然后進入高溫處理裝置，不間斷、一次性完成PN結和SE的摻雜；或者在被擴散物擴散面上制備所述SE圖形后，通過烘干處理，再在被擴散物擴散面上形成所述的涂層、然后進入高溫處理裝置，不間斷、一次性完成PN結和SE的摻雜。
9.根據權利要求8所述的PN結和SE摻雜一次完成的擴散方法，其特征在于:制備有所述SE圖形的被擴散物，在水平輥道的傳輸下依次連續移動過程中，通過設置在水平輥道上方的霧化噴涂或激光噴涂裝置，完成所述涂層的制備。
10.根據權利要求3或8所述的PN結和SE摻雜一次完成的擴散方法,其特征在于:傳輸被擴散物的水平輥道至少一部分是由空心輥軸組成，在空心輥軸上被擴散物經過的部位沿徑向方向設置有若干通氣孔，在空心輥軸的至少一端通過旋轉接頭與進氣管連接，從進氣管通入潔凈的氮氣、壓縮空氣或其他必要的氣體，該氣體通過空心輥軸上的通氣孔進入到被擴散物經過的爐膛部位。
11.根據權利要求10所述的PN結和SE摻雜一次完成的擴散方法，其特征在于:在空心輥軸上沿徑向方向設置的若干通氣孔，其孔徑相同或不同，其間距為均勻間距或不均勻間距。
12.根據權利要求10所述的PN結和SE摻雜一次完成的擴散方法，其特征在于:在空心輥軸上被擴散物經過的設置有若干通氣孔的部位，設置有至少一個中間凹、兩邊凸的臺階， 被擴散物在兩邊凸起臺階的支撐和摩擦力作用下水平移動，被擴散物與通氣孔之間離開一定距離，氣體無障礙地從被擴散物下面進入爐膛。
【文檔編號】H01L31/18GK103560178SQ201310576833
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月18日 優先權日:2013年11月18日
【發明者】許穎, 袁向東, 袁瑒 申請人:北京金晟陽光科技有限公司, 袁向東, 許穎