晶体硅扩散工艺研究

晶体硅扩散工艺研究

摘要：本文主要介绍利用POCl 3液态源法对单晶体硅片进行扩散，扩散后测其方块电阻以及结深。假设硅片的结深已经确定的情况下，研究扩散温度和扩散时间之间的关系，以便找到扩散工艺中最合适的扩散温度、时间，在不影响硅片质量的前提下，缩短扩散时间。

关键词：热扩散系数；恒量源扩散；结深；饱和值

1 引言

随着全球经济的迅速发展和人口的不断增加，以石油、天然气和煤炭等为主的化石能源正逐步消耗，能源危机成为世界各国共同面临的课题。与此同时，化石能源造成的环境污染和生态失衡等一系列问题也成为制约社会经济发展甚至威胁人类生存的严重障碍。新能源应用正成为全球的热点。太阳能资源是最丰富的可再生能源之一，它分布广泛，可再生，不污染环境，是国际上公认的理想替代能源。而晶体硅太阳电池在太阳电池市场中占有重要部分，P-N 结是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。通过对扩散原理和理论的学习，对太阳电池相关理论和制备工艺的了解，硅片的扩散可以了解p-n 结的制造过程中的各种参数。扩散时的温度和时间是控制电池结深的主要参数，测定扩散深度可以判定扩散温度及时间是否适当。表面薄层电阻是表征杂质总量的一个参数，由此可以判定扩散源的浓度和匹配是否适当。因此，要想做出一块表面均匀的硅片，就需要控制扩散的温度、时间、等参数。对扩散条件的研究控制可以获得较好的扩散均匀性，得到较好的P-N 结，对太阳电池制备后续工业控制和获得较好太阳电池的性能都具有重要的研究意义及应用价值。

2 扩散的原理

扩散是物质分子或原子热运动引起的一种自然现象。粒子浓度差别的存在是产生扩散运动的必要条件。对于太阳电池的扩散工艺而言，由于扩散形成的P-N 结平行于硅片表面，而且扩散深度很浅，因此可以近似认为扩散仅仅沿着垂直于硅片表面而进入体内的方向（x 方向）进行。扩散方程为：

2

2),(),(x t x N D t t x N ∂∂=∂∂ （1－1） 式中t 为扩散的时间，),(t x N 硅片中t 时刻，位置处的杂质浓度，扩散系数D 是

表征扩散速度的物理常数，随着固体温度上升而变大，同时还要受到杂质浓度、晶体结构等因素的影响。上式描述在扩散过程中，硅片中各点的杂质浓度随时间的变化规律。对于不同的初始条件和扩散条件，该方程有不同形式的解。在扩散过程中，认为硅片表面的杂质浓度是恒定的，不随时间而改变，硅片表面的杂质浓度N S 保持不变，这种情况称为恒定源扩散，根据边界条件，（1－1）式的解为：

)2/(),(Dt x erfc N t x N S =

（1－2） 只要知道杂质在硅中的扩散系数D 和表面浓度N S ，利用（1－2）式就可作出该杂质在硅中的分布曲线，如图1－1所示，称这种分布为余误差分布[2]。

根据（1－2）式，当距离x ＝x j 时，浓度为N (x j ，t )。如果浓度N (x j ，t )等于基体晶片的掺杂浓度N C ，此时的x j 即为P －N 结的深度，简称为结深x j 。

扩散工艺中的另一种扩散是恒量源扩散。在扩散前，用预扩散或真空沉积法，使硅片表面具有一定量的杂质源Q ，整个扩散过程中不再加源，因而整个扩散过程中杂质源总量Q 保持不变，随着扩散深度增加，表面浓度不断下降。这种情况下扩散方程的解为：

)4exp(),(2Dt x Dt Q

t x N -=π[3] （1－3） 根据（1－3）式作出该杂质在硅中的分布曲线，如图1－2所示，这种分布为高斯分布。

图1 余误差分布

图2 高斯分布

因为x j 处的掺杂浓度等于基体掺杂浓度，(1-3)式变为：

[]2

1/ln(2Dt N Q Dt x D j π= （1－4）

上式给出恒量源情况下x j 与D 、t 之间的关系。

实际扩散工艺过程常介于上述两种分布之间，根据不同工艺或近似高斯分布或近似余误差分布[4]。

3 扩散的主要工艺

硅太阳电池成结用的常见扩散方法，有涂层扩散和液态源扩散等方法。扩散用的杂质源，根据型号不同而异。通常以扩散磷源形成N 型层，扩散硼源形成P 型层。

液态源扩散是一种用气体携带液态扩散源的扩散方式，也是一种恒定源扩散装置。一般用氮气通过杂质源瓶来携带扩散杂质，并通过控制气体的流量来控制扩散气氛中扩散杂质的含量。液态磷源用得最多的是POCl 3，它在室温下是无色透明的液体，有很高的饱和蒸汽压，在600℃发生如下的分解反应：

5POCl 3→3PCl 5+P 2O 5 （1－5）

在扩散气氛中常常通有一定量的氧气，可使生成的PCl 5进一步分解，使五氯化磷氧化成P 2O 5，从而可以得到更多的磷原子沉积在硅片表面上。另外也可避免PCl 5对硅片的腐蚀作用，可以改善硅片表面，反应式如下：

4PCl 5+5O 2→2P 2O 5+10Cl 2↑ （1－6）

生成的P 2O 5在扩散温度下继续与硅反应得到磷原子，其反应式如下：

2P 2O 5+5Si→5SiO 2+4P↓ （1－7）

由于POCl 3的饱和蒸汽压很高，淀积在硅片表面的磷原子完全可以达到在该扩散温度下的饱和值（即该温度下磷在硅中的固溶度），并不断地扩散进入硅本体，形成高浓度的发射区[5]。在1100℃下，磷在硅中的固溶度为1.3×1021/cm 3左右[6]。因此，POCl 3气氛中扩散可以获得很高的表面杂质浓度。该扩散模式（装置如图3所示）除了具有设备简单，操作方便，适合批量生产，扩散的重复性、稳定性好等优点以外，还具有如下的优点：

（1） 封闭的、管式炉的工艺过程容易保持洁净；

（2） 双面扩散有很好的吸杂效应；

（3） 掺杂源中的氯在工艺过程中有清洁作用；

（4） 掺杂剂的沉积非常均匀。

因此该扩散模式是工业化生产中较为常用的方式。

4 实验及总结

4.1 实验参数

单晶体硅片4块：125mm*125mm

升温时间：从室温到850℃<50min

扩散炉管径：210mm

扩散温度：850℃

扩散时间：50min

4.2 实验步骤

（1）将扩散炉预先升温至扩散温度（850～900°C ）。先通入大流量的氮气（500～1000ml/min ），驱除管道内气体。如果是新处理的石英管，

还应接着通源，图3 POCl 3扩散模式的装置示意图