常压扩散炉高产能均匀性的调整分析庞风英

常压扩散炉高产能均匀性的调整分析庞风英

庞风英

庞风英

青海聚能电力有限公司青海西宁810000

摘要：扩散炉是半导体、光伏生产线前道工序的最重要工艺设备，扩散工艺的主要用途是将元素磷或硼扩散入硅片，从而改变和控制硅片内杂质的类型、浓度和分布，以便建立起不同的电特性区域。

在制造工艺上采用氮气携带三氯氧磷管式高温扩散是目前主流生产技术，其特点是产量大、工艺成熟、操作简单。随着电池向大尺寸、超薄化方向发展以及低的表面杂质浓度（表面方块电阻80～120Ω／口、均匀性±5%以内），低压扩散技术优势非常明显，它对156尺寸的硅片每批次产量1200片的情况下其扩散均匀性仍优于±5%。目前已有常压扩散炉改低压扩散炉的成熟技术，而改造设备必将增加公司生产成本，且在改造期间严重影响产能。我们可利用CT设备本身较好的密封性，优化扩散工艺，将400片每炉改为800片每炉的产能，以提高扩散产能，节约设备改造成本，增加公司效益。

关键词：多晶硅；常压扩散；节约成本；提高产能

太阳能是一种无污染的绿色清洁能源，取之不尽。多晶硅太阳电池能将太阳能转换为电能，造福人类。然而近年来随着市场的快速变化，节能减排、降本增效是各行各业发展过程中不断追求的趋势。多晶硅太阳能电池片的制造流程一般分为：清洗制绒—扩散制结—湿法刻蚀—镀减反射膜—丝网印刷—烧结—分选七个制程。其中扩散制结工艺是关键工序之一，扩散制做的PN结是太阳能电池的心脏，它决定了太阳能电池的结深、表面杂质浓度等参数。

扩散目的：在P型硅衬底表面扩散一定表面浓度和深度的N型层，形成PN结。

扩散原理：三氯氧磷（POCl3）在高温（800度左右）下通入过量的氧气（O2）时分解生成的五氧化二磷（P2O5）在扩散温度下与硅反应，生成二氧化硅（SiO2）和磷（P）原子，并在硅片表面形成一层磷-硅玻璃，然后磷原子再向硅片中进行扩散。其反应方程式为：

POCl3+O2（过量）→P2O5+Cl2

P2O5+Si→P+SiO2

CT常压扩散炉设备是以400片产能设计，装片石英舟槽间距设计标准为4.76mm，此种设计使得硅片间距较大，在常压下，气流量通畅，再通过合适的工艺反应时间、气体流量和炉尾及炉内的温度补偿就可达到良好的扩散均匀性。

然而，在对设备硬件不做任何改造的基础上，将扩散炉的产能由400片改为800片，其工艺控制点最大的难度就是如何提高扩散的均匀性。扩散后方阻均匀性好有利于后续工艺的匹配，扩散均匀性好的电池片在同样的烧结条件下，其欧姆接触较好，短路电流、填充因子等电性能参数也比较稳定，从而可以保证电池片之间的电性能参数的稳定性。电池片之间电性能的稳定性对于组件的稳定性和抗衰减能力起着非常重要的作用，它能够提高太阳能电池组件的使用寿命。

扩散炉管在硬件不进行改造的前提下，调整扩散工艺步骤（由一步扩散优化为分两步扩散）及反应时间是必要的。除此之外，本文主要从大氮流量对扩散均匀性的作用出发，重点研究大氮流量对扩散均匀性的影响，从而为常压扩散炉提高产能制作高方阻电池片提供一些理论性指导。

1实验方案

实验所用硅片为普通的P型多晶硅片，尺寸：156.75×156.75mm，电阻率为1Ω·cm～3Ω·cm，厚度为200±20μm，使用Schmid制绒设备，Centrotherm扩散炉设备。

实验分别为A、B、C三组，选择相同的硅片厂家。

（1）将从制绒工序在同一时间内连续生产的三单（2400片）硅片进行手动均匀交叉，排除片源之间的差异。

（2）三单硅片选择在同一炉管、不同的气体流量分别进行扩散，减小因扩散炉管差异导致的结果偏差。

（3）扩散结束后，利用RTS-4四探针方阻测试仪，对每单五个温区的硅片进行方阻测试。

（4）将三单实验片单独连续下传，后道使用相同的工艺进行生产，丝网印刷使用同一条线、同一罐浆料生产，后进行电性能测试对比。

2结果及讨论

表1不同气体流量下的方阻值及不均匀性

表2不同气体流量下的电性能参数

表1所示，通过调整每一组实验中大氮的流量，观察扩散后方阻变化。将各步骤中的大氮流量通过实验A、B、C组，分别增大。观察扩散后的方阻变化，增大大氮的流量，方阻值变化不明显，但炉内及片内不均匀性随之显下降趋势。提高大氮流量可有效提高扩散后炉内及片内均匀性。

表2所示数据，扩散均匀性越好，电流越高，填充因子越高，效率也相应提高。

3结论

通过以上实验分析，影响扩散质量好坏的因素包括工艺步骤、工艺气体流量、工艺时间。而在工艺调整优化改善方法方面，气氛场因素对扩散质量影响较大。因此，在调整工艺步骤的同时优先改善大氮流量，使得工艺气体在扩散腔体内尽可能的分布均衡。再结合废气排放、工艺气体流量、工艺时间等其它因素系统调整。

晶体硅太阳能电池的每道工序的相关控制参数都直接或间接地影响着电池的各项电性能参数。对于扩散工序而言，扩散的均匀性直接体现在硅片形成的P-N结结深差异性上，均匀性好反映出结深差异性小，反之亦然。而不同的P-N结结深其烧结条件不一样，因此，在扩散工艺达到最优的状态下，适当调整烧结条件。烧结条件与扩散结深良好的匹配形成较好的欧姆接触，才能很好地改善太阳能电池的填充因子FF、并联电阻Rsh、串联电阻Rs和开路电压Uoc等电性能，从而达到节约生产成本，提高产能的目的。

参考文献：

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[2]磷吸杂工艺研究.汕头华汕电子器件有限公司，广东汕头515041）.

[3]高鹏，刘继伟，高文秀.晶体硅光伏电池烧结工艺及调节.

[4]周艺，肖斌，金井升，黄燕，郭长春，欧衍聪.多晶硅太阳电池低温变温扩散工艺的优化.1长沙理工大学，湖南长沙410114；2湖南神州光电能源有限公司，湖南长沙410205.