基于IBC太陽電池的二氧化硅掩膜研究*

李 力，姜辰明，黃 銘，沈 輝

(中山大學(xué)太陽能系統(tǒng)研究所，廣東 廣州 510006)

IBC太陽電池是一種高效的n型電池[1-2]，在p型電池發(fā)展遇到瓶頸的今天，未來效率超過20％的電池必然能逐步擴(kuò)大市場份額，在光伏中占有一席之地[3-5]。在IBC電池的制作過程中，如圖1所示，其中一種常用的工藝是先進(jìn)行硼擴(kuò)散然后把不需要的區(qū)域腐蝕掉，再氧化一層二氧化硅掩膜并進(jìn)行部分區(qū)域腐蝕[6-7]，最后進(jìn)行磷擴(kuò)散，在擴(kuò)散硼的區(qū)域上有二氧化硅掩膜的保護(hù)作用，p+區(qū)域保持不變，在需要擴(kuò)散磷的區(qū)域沒有二氧化硅掩膜的保護(hù)而形成一個n+層，同時在p+區(qū)和n+區(qū)之間的區(qū)域，還存在著一個覆蓋著二氧化硅的間隙，起到電極隔離的作用。本文研究的就是這層氧化膜的工藝。

通過熱氧化的方式在硅襯底表面成長一層二氧化硅。因為磷原子在二氧化硅中的擴(kuò)散系數(shù)很小，所以氧化層可以作為磷擴(kuò)散時的阻擋掩模，防止磷原子進(jìn)入p+發(fā)射極區(qū)，從而達(dá)到選擇性擴(kuò)散的目的。

圖1 二氧化硅掩膜制作IBC電池p+，n+層的過程

1 實 驗

熱氧化的基本原理是在900～1 200 ℃的高溫下，利用硅與氧化劑之間的氧化反應(yīng)，在硅襯底上生長出一層二氧化硅薄膜[8]。氧化劑可以是純O2(干氧氧化)、水蒸汽(水汽氧化)或氧和水蒸汽的混合物(濕氧氧化)[9-10]。本論文是采用干氧氧化的方式生長二氧化硅層，這是因為相比于其它兩種氧化方式，雖然干氧氧化時二氧化硅的生長速率是最慢的，但這種方式生長出來的二氧化硅層更致密，要起到擴(kuò)散阻擋掩模的作用，二氧化硅層需要一定的致密性，所以選擇致密性更好的干氧氧化。

為了確定氧化的時間及溫度，本實驗設(shè)計了不同厚度的氧化層阻擋磷擴(kuò)散，實驗流程如圖2所示。

圖2 實驗流程

本實使用的硅片為125 mm×125 mm的n型CZ片，厚度為190 μm,電阻率為1.9 Ω·cm。實驗分為七組，第一組沒有氧化，作為實驗參照組，其余六組分別在900，930，960，990，1 020和1 050 ℃下氧化90 min。

2 數(shù)據(jù)分析

氧化結(jié)束后，進(jìn)行二氧化硅層厚度的測量與少子壽命的測量。結(jié)果見表1。

表1 在不同氧化溫度下得到的二氧化硅層厚度與少子壽命

由圖3可以看出，氧化層的厚度和氧化溫度基本呈線性增加，溫度越高，厚度越大。但是硅片的少子壽命隨著溫度升高呈下降的趨勢，當(dāng)溫度超過930 ℃之后，少子壽命迅速下降到一個比較低的值，說明了高溫對硅片是有不利影響的[11]。考慮到雜質(zhì)的滲入，硅片損傷等問題，我們需要保證在能夠阻擋磷原子擴(kuò)散進(jìn)入的條件下，盡量選擇更低的氧化溫度，以減少雜質(zhì)進(jìn)入和硅片損傷。

圖3 在不同氧化溫度下得到的二氧化硅層厚度與少子壽命

然后把七組硅片(包括之前沒有氧化的第一組硅片和經(jīng)過氧化的六組硅片)放入同一擴(kuò)散爐內(nèi)進(jìn)行磷擴(kuò)散。擴(kuò)散工藝使用的是常規(guī)的磷擴(kuò)散工藝。

經(jīng)過擴(kuò)散之后，用HF洗掉表面的氧化層和磷硅玻璃(PSG)，通過四探針測試儀測試硅片的表面方阻[12]，與沒有氧化沒有擴(kuò)散的裸片的方阻進(jìn)行比較，見表2。

表2 不同組別的硅片的方阻值

Table 2 Sheet resistance in different group

組別溫度硅片1Ω/□硅片2Ω/□硅片3Ω/□平均值Ω/□1擴(kuò)散前107108 8109108 2擴(kuò)散后20 320 120 120 22900℃8579 590 685 13930℃107 6108 191 3102 34960℃107 9106 6107 2107 25990℃107 5108 2108 1107 961020℃109 3107 4110 210971050℃110110 6109 4110

沒有氧化的硅片經(jīng)過擴(kuò)散后，方阻達(dá)到了20.2 Ω/□，而經(jīng)過900 ℃氧化之后的第二組硅片方阻迅速上升到85.1 Ω/□，說明了氧化硅對磷擴(kuò)散是有比較好的阻擋作用的，但是阻擋不完全。第二組和第三組的，方阻升高了，但是依然低于擴(kuò)散前的值，說明有部分磷原子的進(jìn)入。第四組開始，其方阻值接近擴(kuò)散前的方阻，通過方阻不好判定是否有磷原子的擴(kuò)散進(jìn)入。當(dāng)溫度繼續(xù)升高，方阻會稍稍有點提高，是因為磷原子已經(jīng)不能擴(kuò)散進(jìn)入硅片，而硅片中本來摻雜的磷原子在氧化過程中進(jìn)入了二氧化硅，導(dǎo)致硅表面的磷原子濃度(實驗用的是n型硅)會有一點降低。

因為從方阻比較難判斷出磷原子是否有擴(kuò)散進(jìn)入，我們用電化學(xué)電容電壓(ECV)法測量不同組別、不同溫度工藝下的磷原子摻雜濃度[13-14]。如圖4。

圖4 不同組別的硅片的磷原子濃度與深度關(guān)系圖

對于裸片的擴(kuò)散，表面摻雜濃度很高，結(jié)也比較深。當(dāng)氧化的溫度越高，氧化層厚度越厚，摻雜濃度就越低，結(jié)深也越淺。當(dāng)氧化溫度為960 ℃的時候，表面的磷原子濃度迅速降低，結(jié)深也已經(jīng)小于0.1 μm，但是由于還存在磷原子的進(jìn)入，不能達(dá)到完全阻擋的要求。氧化溫度為990 ℃或者更高的時候，由于表面磷原子濃度已經(jīng)很接近硅片內(nèi)部的磷原子濃度，可以完全阻擋常規(guī)工藝下磷原子的擴(kuò)散進(jìn)入。

3 結(jié) 論

本文研究的是IBC太陽電池制備工藝中的干氧氧化制備二氧化硅掩膜。在不同的溫度下熱氧化可以得到不同的氧化層厚度，基本呈線性關(guān)系。而少子壽命在930 ℃左右迅速下降，當(dāng)溫度繼續(xù)上升的時候，少子壽命基本維持不變。為了表征其對磷擴(kuò)散的阻擋左右，我們測量了方阻和在不同深度下的磷原子濃度。方阻隨溫度升高，氧化層變厚呈現(xiàn)出上升的趨勢，當(dāng)溫度達(dá)到960 ℃后，方阻變化不明顯。用ECV法測量在不同深度下的磷原子濃度可以更準(zhǔn)備的進(jìn)行表征。從測量結(jié)果可以看出，當(dāng)熱氧化溫度達(dá)到960 ℃的時候，其表面還有部分的磷原子進(jìn)入，但是濃度比較低。當(dāng)熱氧化溫度達(dá)到990 ℃的時候，表面磷原子濃度已經(jīng)達(dá)到襯底濃度，可以完全阻擋常規(guī)工藝下磷原子的擴(kuò)散進(jìn)入。

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