CN112599410A - 提高n型单晶硅片硼扩散的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高N型单晶硅片硼扩散的方法，包括：硅片预处理，将N型单晶硅片依次经NaOH溶液抛光、RCA溶液清洗、HF溶液清洗，为后续处理做准备；亲水性金属氧化物沉积，在清洗完后的N型单晶硅片上沉积10～30nm厚的亲水性金属氧化物；液态硼源旋涂，在亲水性金属氧化物衬底上旋涂液态硼源，并在热台上烘干；以及热处理。亲水金属氧化物涂层一方面在硼扩散过程中阻挡氧气进入硅基底，避免了二氧化硅在衬底表面的生成，几乎消除了硼扩散过程中在表面的偏析和富集现象，减缓了硼在硅表面区域浓度不均匀现象，提高了硼的扩散浓度和深度；另一方面，液态硼源在亲水性的金属氧化物表面可以旋涂更加匀称，很好的改善硅表面扩散完后方阻不均匀的现象。

Description

提高N型单晶硅片硼扩散的方法
技术领域
本发明属于硅片加工技术领域，提供了一种提高N型单晶硅片硼扩散的方法。
背景技术
在太阳光伏领域，P型太阳电池由于其成熟的工艺技术已然成为市场的主流，但是P型太阳电池因效率绩效低和较为严重的光衰等问题，制约了其进一步发展。而N型太阳电池具有少子寿命高，无光衰，温度系数低等优点，在制造高效太阳电池方面受到广泛关注，随着市场对太阳电池效率的要求越来越高，单晶N型太阳电池将会成为主流。
目前量化高效晶体硅太阳电池基本都是基于N型单晶，但在规模化N型太阳电池生产过程中，其难点之一在于硼发射极的制备需要高温、较长的扩散时间、扩散均匀性和掺杂表面浓度难控制。究其原因，硼在硅表面的扩散过程中，由于氧化硅的生成，导致硼在氧化硅中的固溶度更大，造成了硼在氧化硅和硅的界面偏析和富集，阻止了硼往硅基底的进一步扩散。
发明内容
本发明是为解决上述技术问题进行的，针对当前硼在氧化硅和硅的界面偏析和富集导致硼往硅基底扩散效率低的技术问题，提供了一种提高N型单晶硅片硼扩散的方法。
本发明的第一方面，提供一种提高N型单晶硅片硼扩散的方法，包括如下步骤：
(1)硅片预处理
将N型单晶硅片依次经NaOH溶液抛光、RCA溶液清洗、HF溶液清洗，为后续处理做准备；
(2)亲水性金属氧化物沉积
在清洗完后的N型单晶硅片上沉积10～30nm厚的亲水性金属氧化物；
(3)液态硼源旋涂
在亲水性金属氧化物衬底上旋涂液态硼源，并在热台上烘干；
(4)热处理
将烘干的样品***石英舟中并放入管式炉中进行热处理：先将管式炉升温至800℃并通氮气作为保护气；进舟，并通入氧气氧化硼源；升温至扩散高温960℃，保温一定时间后，降温至800℃进行退火；出舟冷却，并进行HF清洗。
优选的，步骤1中，预处理的具体过程如下：将N型单晶硅片用15％的NaOH溶液抛光8～10min，接着用RCA溶液清洗5～10min，再用5％HF溶液清洗5～10min。其中，RCA溶液中，H2O、HCl、H2O2之间的体积比5:1:1～7:1:1，氯化氢浓度为37％，双氧水浓度为30％。
优选的，步骤2中，亲水性金属氧化物优选为氧化铝；采用原子层沉积的方式在清洗完后的硅片上沉积氧化铝涂层，沉积速率和温度分别是0.1nm/s和200℃。
其他沉积方式如电子束蒸发(EBE)也适用于本发明，只要能够实现亲水性金属氧化物沉积即可。
本发明中，亲水金属氧化物涂层的存在可以促使硼在硅中扩散浓度更高，深度更深，并且扩散完以后硅表面方阻更加均匀。金属氧化物的作用就是在硼扩散过程中起到阻挡氧气进入硅基底，从而消除了硼的偏析。
因此，本发明对于均匀性的改善主要利用涂层的亲水性利于液态硼源旋涂。所以凡是通过涂层阻挡氧气从而提升硼扩散，以及通过涂层的亲水性改善硼扩散后方阻均匀性的方法均适用于本发明。
本发明中优选氧化铝涂层，原因在于氧化铝通常作为晶体硅电池表面的钝化层，属于半导体领域的常用材料，原料方便易得，易于进行工业化推广。
优选的，步骤3中，以2000～2500rpm转速下旋涂10～15s的条件在氧化铝涂层上旋涂液态硼源，接着在120～150℃热台上烘干5～10min。
优选的，步骤4中，管式炉升温过程中，通以400～500sccm氮气作为保护气，并排空扩散炉管道的空气；进舟后，再通入20～40sccm氧气氧化硼源；升温至扩散高温960℃，保温1h，降温至800℃进行退火30min；出舟后在空气中冷却5～10min，并进行HF清洗。
本发明的第二方面，提供了依据上述方法制备得到的N型单晶硅片。通过电镜观察在硅衬底和氧化铝涂层衬底上旋涂完硼源后的表面微观形貌，硼在氧化铝涂层衬底上的裂纹显著少于在硅衬底上的裂纹，其均匀性明显优于在硅衬底上的均匀性；硅片硼浓度以及扩散深度也显著优于直接旋涂在硅衬底上；通过方阻测试，本发明中含有氧化铝涂层的硅片方阻也显著低于现有技术硅片。
发明的有益技术效果：
本发明的方法中，由于在液态硼源旋涂前添加了亲水性金属氧化物沉积步骤，在清洗完后的N型单晶硅片上先沉积10～30nm厚的亲水性金属氧化物，然后旋涂液态硼源。亲水金属氧化物涂层一方面对氧气具有出色的阻挡能力，在硼扩散过程中阻挡氧气进入硅基底，避免了二氧化硅在衬底表面的生成，几乎消除了硼扩散过程中在表面的偏析和富集现象，减缓了硼在硅表面区域浓度不均匀现象，提高了硼的扩散浓度和深度；另一方面，液态硼源在亲水性的金属氧化物表面可以旋涂更加匀称，很好的改善硅表面扩散完后方阻不均匀的现象。
附图说明
图1为本发明提高N型单晶硅片硼扩散的方法流程图；
图2为本发明方法中，液态硼源旋涂后热处理的流程图；
图3为在硅衬底上旋涂完硼源烘干后的表面微观形貌；
图4为在氧化铝涂层衬底上旋涂完硼源烘干后的表面微观形貌；
图5为不同条件N型单晶硅片表面方阻大小对比结果；
图6为不同条件N型单晶硅片表面方阻的均匀性对比结果；
图7为硼扩散浓度分布曲线结果。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1N型单晶硅片硼扩散方法
本实施例中N型单晶硅片硼扩散方法的流程参见图1，具体如下：
(1)硅片预处理
将N型单晶硅片依次用15％的NaOH溶液抛光10min，接着用RCA溶液清洗10min，再用5％HF溶液清洗10min，得到清洗后硅片，为后续沉积金属氧化物做准备。
其中，RCA溶液中，H2O、HCl、H2O2之间的体积比7:1:1，氯化氢浓度为37％，双氧水浓度为30％。
(2)亲水性金属氧化物沉积
采用原子层沉积(ALD)的方式，在清洗完后的N型单晶硅片上分别沉积10、20、30nm厚的氧化铝涂层；沉积速率和温度分别是0.1nm/s和200℃。
(3)液态硼源旋涂
在亲水性金属氧化物衬底上旋涂液态硼源，移液枪吸取250μL硼源，在2000rpm转速下旋涂10s，接着在150℃热台上烘干5min；
(4)热处理
将烘干的样品***石英舟中并放入管式炉中进行热处理，工艺流程参见图2，具体如下：
S4-1，将管式炉升温至800℃并保温30min，并通以400sccm氮气作为保护气，排空扩散炉管道的空气；
S4-2，将石英舟放入，再通入20sccm氧气氧化硼源；
S4-3，升温至扩散高温960℃，保温推结60min；
S4-4，降温至800℃，保温退火30min；
S4-5，出舟后在空气中冷却10min。
(5)HF酸清洗后进行相关测试表征。
对比例1
不设置实施例1中的亲水性金属氧化物沉积步骤，步骤(3)中液态硼源旋涂在硅衬底上，其他条件与实施例1相同。
结果对比
1、表面微观形貌对比
在硅衬底和氧化铝涂层衬底上旋涂完硼源烘干后的表面微观形貌分别如图3和4所示。硼在氧化铝涂层衬底上的裂纹显著少于在硅衬底上的裂纹，其均匀性明显优于在硅衬底上的均匀性。
2、方阻对比
将实施例1制备的三种N性单晶硅片与对比例1的N型单晶硅片采用相同条件进行方块电阻测试，结果如图5和图6所示。
实施例1中沉积有氧化铝涂层的N型单晶硅片的表面方阻明显低于对比例中的表面方阻，表面方阻的均匀性也明显优于对比例。随着氧化铝涂层厚度的增加，表面方阻逐渐减小，均匀性逐渐增强，但幅度不明显。
3、硼扩散浓度对比
根据图7，对比例中N型单晶硅片的硼扩散深度不及0.6μm；实施例1中的三种N型单晶硅片的硼扩散深度均超过0.7μm，随着氧化铝涂层厚度的增加，硼扩散深度递增，当氧化铝涂层厚度为30nm时，硼扩散深度达到0.8μm。

Claims (8)

1.一种提高N型单晶硅片硼扩散的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)硅片预处理
将N型单晶硅片依次经NaOH溶液抛光、RCA溶液清洗、HF溶液清洗；
(2)亲水性金属氧化物沉积
在清洗完后的N型单晶硅片上沉积10～30nm厚的亲水性金属氧化物；
(3)液态硼源旋涂
在亲水性金属氧化物衬底上旋涂液态硼源，并在热台上烘干；
(4)热处理
将烘干的样品***石英舟中并放入管式炉中进行热处理，冷却后清洗。
2.根据权利要求1所述的提高N型单晶硅片硼扩散的方法，其特征在于：
其中，步骤1中，将N型单晶硅片用15％的NaOH溶液抛光8～10min，接着用RCA溶液清洗5～10min，再用5％HF溶液清洗5～10min。
3.根据权利要求2所述的提高N型单晶硅片硼扩散的方法，其特征在于：
其中，所述RCA溶液中，H2O、HCl、H2O2之间的体积比5:1:1～7:1:1，氯化氢浓度为37％，双氧水浓度为30％。
4.根据权利要求1所述的提高N型单晶硅片硼扩散的方法，其特征在于：
其中，步骤2中，所述亲水性金属氧化物为氧化铝；
采用原子层沉积的方式在清洗完后的硅片上沉积氧化铝涂层，沉积速率和温度分别是0.1nm/s和200℃。
5.根据权利要求4所述的提高N型单晶硅片硼扩散的方法，其特征在于：
其中，步骤3中，以2000～2500rpm转速下旋涂10～15s的条件在氧化铝涂层上旋涂液态硼源，接着在120～150℃热台上烘干5～10min。
6.根据权利要求1所述的提高N型单晶硅片硼扩散的方法，其特征在于：
其中，步骤4中的热处理工艺如下：先将管式炉升温至800℃并通氮气作为保护气；进舟，并通入氧气氧化硼源；升温至扩散高温960℃，保温一定时间后，降温至800℃进行退火；出舟冷却，并进行HF清洗。
7.根据权利要求6所述的提高N型单晶硅片硼扩散的方法，其特征在于：
其中，管式炉升温过程中，通以400～500sccm氮气作为保护气，并排空扩散炉管道的空气；进舟后，再通入20～40sccm氧气氧化硼源；升温至扩散高温960℃，保温1h，降温至800℃进行退火30min；出舟后在空气中冷却5～10min，并进行HF清洗。
8.一种N型单晶硅片，其特征在于，由权利要求1～7任一项所述的方法制备。
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