導讀： 介紹了低壓硼擴散爐的工作原理，研究了負壓硼擴散爐中源流量，源瓶壓力，大氮流量，反應壓力等工藝參數對方塊電阻及均勻性的影響，分析了負壓硼擴散爐較常壓硼擴散爐在工藝方面的優勢。
1、前言：
隨著環境問題及能源問題的日益嚴峻，人類對於清潔再生能源的關注達到了新的高度。太陽能作為最具潛力的可再生能源之一，太陽能發電池技術日趨成熟，不斷髮展，高效電池的效率記錄不斷刷新，各種不同技術路線的高效電池百花齊放。近兩年，由於工藝成本的下降及工藝技術的成熟，P-PERC電池逐漸成為國內市場高效太陽電池的主流，包括單/雙面的單晶PERC，黑硅多晶PERTC等，但P型電池的效率瓶頸及光衰問題【1】也是p-PERC電池發展無法避免的障礙，因此國內光伏行業對各種更高效率前景以及無光衰的高效N型電池的關注程度，研發投入不斷增加，N型電池的市場份額也有一定的增長。
N型硅片內部沒有B-O複合對，光致衰減較P型硅片大幅改善【2】，且其少子為帶正點的空穴，一些常見的金屬離子例如Fe+，Cu+，Ni+對其體壽命的影響較小，N型硅片的少子壽命往往高於P型硅片。另外，N型電池組件還具有弱光響應好，溫度係數低等優點。【3】但N型電池的市場份額一直較小主要原因還是技術成本及設備成本仍然較高。
目前，常見的N型電池主要有四種：N-PERT，N-TopCon，IBC，HIT。其中IBC和HIT的最高效率分別可以達到24.2%和25.6%【4】，但由於其工藝複雜，量產成本高，在市場佔據上短期內毫無優勢。反而是近年來雙面N-PERT及N-TopCon的工藝難度不斷下降，設備與P型電池兼容度高以及關鍵設備的國產化，市場份額不斷增加，短期內或迎來爆發。
圖1 普通N型雙面電池的結構示意圖
普通N型雙面電池的結構示意圖如圖1所示，圖中正反面的鈍化層可以選擇不同的材料，常見的包括Al2O3，SiO2，SiO2+Al2O3，α-Si等。
在N型電池整個工藝流程中，PN結制備的質量是決定電池效率的關鍵步驟。目前，N型的PN結制備技術即摻雜硼技術主要有四種：管式BBr3擴散，旋塗硼源+擴散，APCVD硼源+擴散，離子注入+退火，其中管式BBr3擴散由於工藝難度低，性價比高，能有效避免金屬離子汙染，少子壽命高等特點而成為主流的硼摻雜技術，但常壓的BBr3擴散爐在工藝生產過程中有很多問題仍需要解決。【5-8】
常壓硼擴散預沉積過程中，由於反應產物B2O3的沸點在1600℃以上，擴散過程中始終處於液態，只能以大量氮氣稀釋分散分佈到硅片表面，擴散均勻性難於控制。【9】反應產物B與B2O3對石英器件的腐蝕嚴重，在恆溫區外快速冷卻凝固，易造成尾管堵塞，引起常壓擴散石英爐門與石英爐管的粘連，維護成本高。
針對常壓硼擴的以上問題，借鑑低壓磷擴爐較常壓磷擴爐的一些優勢表現，本次實驗在低壓硼擴散爐進行相關工藝實驗以尋求一些問題的解決途徑，設備選用北方華創低壓硼擴散系統。
2、低壓硼擴散系統原理
低壓軟著陸擴散結構原理圖如圖2所示：
圖2 低壓軟著陸擴散系統原理圖
引入變頻隔膜真空泵，在工藝過程中，隨著工藝氣量的變化，腔室始終穩定在一定的低壓條件，在石英管內形成了穩定的氣流方向。BBr3進入反應腔室後，在850-900℃條件下，與氧氣反應生產的液態B2O3在N2的稀釋及氣流的作用下均勻的分佈到硅片表面作為摻雜源。與常壓硼擴散工藝相比，在沉積和推進過程之前增加抽真空及檢漏步，開爐門前需要增加充氣步，而這些都是在進舟關爐門升溫過程及出舟前的降溫過程同步進行，總工藝時沒有額外增加。工藝可調節的參數增加了泵壓力，源瓶壓力等，各種工藝氣體的變化對工藝結果的影響與常壓工藝相比也發生了變化，因此各這些工藝參數的變化對低壓硼擴工藝的影響需要進行重新摸索，同時也可以比較低壓與常壓工藝的差異。
3、工藝相關實驗內容
同樣的工藝框架，即工藝步數及時間固定，低壓硼擴散工藝可調節的參數包括溫度，泵壓力，源瓶壓力，各種反應氣體的量及比例。由於與硅原子大小的差異，硼的熱擴散過程較常見的磷熱擴散要困難，硼的熱擴散方阻結果隨溫度的變化不是很敏感，且溫度的變化對常壓及低壓硼擴工藝的影響基本相同。實驗過程中就攜源氮氣流量，源瓶壓力，氮氣流量，泵壓力對方阻及均勻性的影響進行了相關研究。為了解決石英件壽命及粘結問題，進行了在線溼氧清洗實驗。
低壓工藝參數基準條件為：850-900℃通源20分鐘進行預沉積，950-1000℃進行45分鐘推進。預沉積步源瓶壓力為500-950mbar，氧氣流量為100-2000sccm，攜源氮氣流量為200-800sccm，氮氣流量為10-18slm，反應壓力為400-800mbar。
3.1、源流量
在低壓硼擴基準條件下，只改變攜源氮氣的流量，觀察攜源氮氣流量分別為500sccm，400sccm，300sccm，200sccm，100sccm時對擴散方阻及均勻性的影響。
從圖3中可以看出，隨著源流量的不斷減小，總體平均方阻不斷增大，主要由於攜源氮氣量較小後，進入反應腔室的源濃度不斷減低，單位時間沉積到硅片表面的摻雜源減少，硅片表面方塊電阻變大。
圖3 平均方阻及片間均勻性與攜源氮氣量的關係
源流量為300sccm時，片間均勻性較其他條件達到最佳。為了更好的研究片間均勻性變化的原因，我們測試了每種源流量條件下，工藝爐管五個區域的方阻平均值及片間均勻性。
表1 不同源流量條件下，不同溫區硅片方阻最大值、最小值、均值以及片內均勻性情況
從表1中可以看出，當源流量大於300sccm時，爐尾區域方阻較其他位置明顯下降，與口中區域方阻均值相差較大，導致片內均勻性變差。在測試方阻過程中也發現爐尾區域硅片中心點方阻較四周明顯偏低，主要是由於工藝腔體採用尾端進氣，口端出氣，源流量增大後，爐尾區域源濃度明顯增高。當源流量小於300sccm時，爐口區域方阻較其他位置明顯上升，當減小到100sccm時，爐口和口中方阻異常，測試過程中表現為中心點方阻嚴重偏高，主要是由於源流量大量減小後，大部分源在爐尾及尾中區域反應消耗，靠近爐口的區域源濃度偏低，這些區域的硅片只能在四周部分得到部分摻雜源，中心位置的摻雜源更低，導致中心點方阻異常偏高，片內均勻性明顯變差。因此在工藝調試過程中，為了得到合適的片內及片間方阻，源濃度一定要適當。
3.2、源瓶壓力
源瓶壓力是低壓硼擴獨有的可調參數之一，同樣在低壓硼擴基準條件下，只改變攜源源瓶壓力的大小，觀察源瓶壓力分別為850mbar，800mbar，750mbar，700mbar，650mbar時對擴散方阻及均勻性的影響。
工藝中源瓶壓力數值代表源瓶出氣端的壓力，溫度一定時，壓力越高，源瓶蒸發量越小，同樣的攜源氮氣攜帶的源量越多，反之則越少。
圖4 平均方阻及片內均勻性均值與源瓶壓力的關係
從圖4中可以看出，隨著源瓶壓力的減小，進入反應腔室的源增多，平均方阻越小，在750mbar時，片內均勻性平均最佳。隨著源瓶壓力的變化，平均方阻值變化不是很大，但片內均勻性變化明顯，因此在工藝調試過程中，需要綜合考慮攜源氮氣和源瓶壓力的情況。另外，源濃度過高時，容易在硅片的表面形成大量硼硅合金的富硼層，不易在後續清洗工藝去除，從而帶來EL不良和效率偏低等問題。【10】
3.3、氮氣流量
在低壓硼擴基準條件下，只改變氮氣的流量，觀察氮氣流量分別為11slm，13slm，，14.5slm，16slm，17slm時對擴散方阻及均勻性的影響。
圖4 平均方阻及片內均勻性均值與源瓶壓力的關係
氣體條件一定時，壓力減小，氣體分子的自由程增加，低壓條件下，硼擴散的工藝氣體分子自由程較常壓條件下會明顯增加，同樣會帶動液態B2O2分子的運動，但對於熱擴散摻雜，B2O2分子比重任然較大，除了在低壓條件及氣流的帶動下，還需要大量的氮氣將進入爐管的硼源稀釋，吹散稀釋以及攜帶擴散到離進氣槍更遠的位置。因此低壓硼擴工藝過程中氮氣流量雖然叫常壓工藝有所減少，但任然較大，不同於低壓磷擴工藝過程中的氮氣量較常壓磷擴大幅減少。
從圖4中可以看出，氮氣從17slm不斷減小到13slm時，反應氣體中的源比例增加，同樣的爐管壓力條件下，爐管中的源濃度增加，平均方阻減小，但氮氣從13減小到11時，平均方阻反而增加，這是由於氮氣濃度過少時，硼源無法擴散到爐口區域，大部分的源沉積在爐管後段的硅片或石英管下面，爐管前段的硅片由於無法得到充足的源，方阻異常升高，尤其是爐口區域的硅片中心點方阻明顯偏高，導致平均方阻值增大，片內及片間均勻性變差。
因此在工藝調試過程中，氮氣的量是十分重要的工藝參數，太低時，除了方阻各向指標不合格，過多的源會停留在石英管後段，加速石英件的腐蝕以及石英件的粘連。氮氣流量過大時，氣體進入石英管時流速過快，爐尾部分源濃度會大量減低，硅片中心點方阻易偏高，爐口部分的氣流會更加混亂，過量的氮氣同時也會增加真空系統的負擔。
3.4、反應壓力
反應壓力是低壓硼擴另外一個獨有的可調工藝參數，在低壓硼擴基準條件下，只改變泵壓力的大小，觀察反應壓力分別為700mbar，650mbar，550mbar，500mbar，400mbar時對擴散方阻的影響。
圖5 平均方阻與反應壓力的關係
實驗發現，反應壓力從550mbar正負變化50mbar時，平均方阻變化不大，但反應壓力從600mbar增加到700mbar時，方阻有明顯的降低，由於此時，抽速的降低，氣流的減弱同樣會導致大量摻雜源停留在爐管尾端，爐尾後端的硅片方阻會明顯降低，爐口區域硅片由於摻雜源不充足會出現中心點方阻偏高現象，總體方阻均值有了明顯的下降。反應壓力從500mbar減小到400mbar時，方阻有明顯的升高，由於抽速的增加，氣流的帶動作用讓爐尾後端的硅片方阻明顯升高，爐口區域方阻變化不大，總體方阻同樣會明顯上升。
3.5、其他試驗內容
實驗過程中，為了獲得低壓硼擴基準工藝相同方阻平均值及結深，常壓工藝參數為：850-900℃通源20分鐘進行預沉積，950-1000℃進行45分鐘推進，預沉積氧氣流量為500-3000sccm，攜源氮氣流量為400-1200sccm，氮氣流量為20-30slm。通過低壓擴散環境及精確的氣量，源量控制，在方阻45-100的範圍內，片內，片間，批間均勻性分別達到3%，3%，2%以內，與常壓硼擴散相比，氧氣、源尤其是氮氣的使用量明顯下降。由於低壓條件下，反應過程中大量的反應產物被抽出石英管，石英件的使用壽命也會相應延長。另外低壓條件下，氧化均勻性更佳，有利於進行一些擴散後氧化處理，工藝窗口更廣。
B2O2在硼擴工藝溫度範圍內雖為液體，但與水結合生成的硼酸是以氣態存在，因此在每次工藝之後，可以向石英管內通入適量攜帶H2O的氮氣以帶走爐管內吸附的B2O2以延長石英件的使用壽命，減少相關粘連。但在實驗過程中發現，工藝結束後通入一段時間H2O後，下次同樣基準工藝條件下，總體方阻會異常升高，均勻性明顯變差，可能是由於進入石英管的H2O破壞了石英管的飽和狀態。後期實驗在通入H2O後，會進行一段時間的飽和，再運行基準工藝，發現方阻恢復正常，也初步驗證了之前的猜想。因此為了不影響下次工藝的結果，通入石英管的H20量及時間還需進一步摸索。
4、結論
本文通過研究源流量，源瓶壓力，氮氣及反應壓力對方阻及均勻性的影響，為低壓硼擴散的工藝調試提供了一些思路和參考。同時通過與常壓工藝的對比，分析了低壓硼擴散的一些優勢。低壓硼擴爐的有效在線清洗工藝及真空系統的維護問題則要後續進一步研究。
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