2012.12Vol.36No.12
研究与设计
收稿日期：2012-05-17
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51164033)；国家自然科
学基金资助项目(51162025)；江西省自然科学基金资助项目
(2010GQC0178)；江西省教育厅科技项目(GJ12653)；新余学院校级
招标项目(xj0901)
作者简介：刘丹娟(1979—)，女，湖南省人，讲师，硕士，主要研究
方向为微电子与光电子技术。
1830
多晶硅太阳电池扩散工艺影响因素分析
刘丹娟
1,2
，何伟
1,2
(1.新余学院，江西新余338004；2.江西省高等学校硅材料重点实验室，江西新余338004)
摘要：工业生产中普遍采用液态三氯氧磷(POCl
3
)作为多晶硅太阳电池的扩散磷源。研究了各种工艺参数对扩散方块电
阻的大小及均匀性的影响。结果表明：提高扩散温度、增加主扩散时间、减小再分布时间、增加小氮流量、减小大氮流量，
可以减小方块电阻；合理设置炉管内的温度分布、适当增加大氮流量，可以改善方块电阻的均匀性；氧气流量对方块电
阻影响不大。得到了一组优化的扩散工艺参数，测得方块电阻为55.1Ω/□，片内极差为5.6%，片间极差为3.1%。
关键词：太阳电池；扩散；方块电阻；均匀性
中图分类号：TM914.4文献标识码：A文章编号：1002-087X(2012)12-1830-03
Influencefactorsindiffusiontechnologyofmulticrystalline
siliconsolarcells
LIUDan-juan
1,2
,HEWei
1,2
(1.XinyuUniversity,XinyuJiangxi338004,China;
2.KeyLaboratoryofJiangxiUniversityforSiliconMaterials,XinyuJiangxi338004,China)
Abstract:LiquidPOCl
3
isgenerallyadoptedinindustrialproductionasdiffusionphosphorussource.Theeffectsof
varioustechnologyparametersonthevalueanduniformityofdiffusionsquareresistancewereinvestigatedinthis
paper.Theresultsshowthatthevalueofdiffusionsquareresistancecanbedecreasedbyenhancingdiffusion
temperature,increasingmaindiffusiontime,reducingre-distributiontime,increasingcarriergasflow，andreducing
nitrogenflow;theuniformityofdiffusionsquareresistancecanbeimprovedbysettingreasonabletemperature
distributionandappropriatelyincreasingnitrogenflow;theeffectofoxygenflowonsquareresistanceisnegligible.A
setofoptimaldiffusiontechnologyparameterswereobtained.Undertheoptimalconditions,thevalueofsquare
resistanceis55.1Ω/□;therangeonawaferis5.6%;therangeamongwafersis3.1%.
Keywords:solarcells;diffusion;squareresistance;uniformity
随着世界经济的快速发展，人类对能源的需求量正在不
断增长。21世纪以来，以煤炭、石油和天然气为代表的传统能
源濒临枯竭，全球范围内的能源危机日益突出。寻找廉价、无
污染、可再生的替代能源已经成为世界各国面对的共同课题。
在2009年的哥本哈根会议上，我国承诺到2020年，单位
国内生产总值CO
2
排放较2005年下降40%～50%，非化石能
源占一次能源的消费比重达到15%左右。为此，我国正在加紧
起草《关于发展低碳经济国家的方案和行动路线图》。据初步
预测，到2050年我国太阳能、核能和风能等新能源将取代煤
炭、石油和天然气等传统能源，成为我国能源消费的主体
[1]
。
太阳能具有分布范围广、数量巨大、无污染、安全性高等
一系列优点，是最具开发潜力的新能源。目前太阳电池产业化
主要以硅太阳电池为主体，其市场份额超过90%，其中多晶硅
太阳电池因其高性价比而达到了55%左右的市场份额；但目
前尚存在一些问题，光电转换效率不高，发电成本是传统能源
的2～3倍
[2]
。在不增加多晶硅太阳电池制作工艺的前提下，提
高转换效率，可以有效地降低其发电成本。目前工业生产中主
要通过以下两种方法提高多晶硅太阳电池的转换效率：通过
制作绒面和沉积减反射膜以提高入射光的吸收率；通过优化
扩散工艺、丝网印刷工艺和烧结工艺，制作性能优良的PN结。
扩散工艺是制作PN结最核心的工序，本文主要研究多晶硅太
阳电池扩散工艺的影响因素。
1基本原理
目前工业生产中普遍采用掺硼的P型硅片作为衬底，通
过表面扩散磷得到N型重掺杂层，在交界面处形成PN结。普
遍采用液态三氯氧磷(POCl
3
)作为磷源，氮气作为运载气体将
POCl
3
带入扩散炉石英管中，发生的化学反应如下。
5POCl
3
襒3PCl
5
+P
2
O
5
(1)
4PCl
5
+5O
2
襒2P
2
O
5
+10Cl
2
(2)
2P
2
O
5
+5Si襒4P+5SiO
2
(3)
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1831
POCl
3
热分解时，如果没有O
2
参与，其分解是不充分的，生
成的PCl
5
是不易分解的，并且对硅有腐蚀作用，破坏硅片的表
面状态。但在有O
2
存在的情况下，PCl
5
会进一步分解成P
2
O
5
和Cl
2
，生成的P
2
O
5
又进一步与硅反应，生成SiO
2
和磷原子，
并在硅片表面形成一层磷硅玻璃，然后磷原子再向硅中扩散，
满足Fick第二定律
[3]
。Fick第二定律的一维形式如式(4)所示。
(4)
式中：C为杂质浓度；D为扩散系数，与温度的关系如式(5)所
示。
D=D
0
exp(－E/RT)(5)
式中：D
0
、R为常数；E为扩散激活能；T为绝对温度。
由式(5)可知，扩散系数随温度升高而增大。
根据边界条件不同，扩散分为：恒定表面杂质浓度扩散，
满足余误差函数分布；恒定杂质总量扩散，满足高斯分布
[4]
。
扩散之后，硅片表面方块电阻R
□
的计算公式，如式(6)所
示。
(6)
式中：r为扩散层平均电阻率；x
j
为扩散层厚度(结深)；Q为单
位面积扩散层内的掺杂剂总量；m为扩散层内载流子平均迁移
率
[5]
。
由式(6)可知，方块电阻与单位面积扩散层内的掺杂剂总
量Q、扩散层厚度x
j
成反比。
2实验
2.1实验材料与设备
实验中采用赛维LDK公司生产的156mm×156mmP型
多晶硅片，其电阻率为1Ω·cm；扩散设备采用中国电子科技
集团公司第四十八研究所研制的M5112-3W高温闭管软着陆
式扩散炉；方块电阻测量采用广州市昆德科技有限公司生产
的KDY-1型四探针电阻率/方阻测试仪。
2.2实验方案
为了确保太阳电池生产线工艺稳定，对于扩散工序而言，
关键在于保障方块电阻的稳定性和均匀性。方块电阻的大小
反映了扩散进入硅片的杂质总量和扩散深度；其均匀性反映
了PN结结深的差异，均匀性越好，则结深一致性越好，后续工
艺参数可控性越高，可以更好地保证电池性能和参数的稳定
性。大规模工业生产中，为了提高光生载流子的收集效率，一
般扩散结深为0.5μm左右，对应的方块电阻为50Ω/□左右，
而片内极差和片间极差要求在10%以内
[3]
。
扩散工艺主要由放舟、恒温、氧化、主扩散、再分布、取舟
等工艺步骤组成。原始扩散工艺参数，如表1所示，从炉尾到
炉口分别为温区一至温区五，并且五个温区的温度设定为相
同温度，小氮指携带磷源的氮气流量，大氮指保护气体———氮
气的流量，时间指各工艺步骤所用的时间。为保证炉管内气流
稳定，整个工艺过程中，总的气体流量保持不变。
影响扩散方块电阻的主要参数包括扩散温度场、主扩散
时间、再分布时间、小氮流量、大氮流量、氧气流量。
3实验结果与分析
3.1原始实验结果与分析
每炉装载400片硅片，从炉尾到炉口依次取6片硅片，每
片硅片的4个顶点和中心各取1个点，分别测量其方块电阻，
然后计算平均值、片内极差和片间极差。原始工艺条件下的扩
散方块电阻，如表2所示。
c1
CC
D
t
x
?
?
=
??
1
c1
R
xQx
r
m
==
G1G1G2G2G2G2G3G4G5G6G7G8G9G2
G1G2G3G4G5G6/sG7G8/G9
GAGB/
(mLGB7min
c1
)G20
GCGB/G20
(mLGB7min
c1
)G20
GDGE/G20
(mLGB7min
c1
)G20
GFG10G20600G20842G200G2025G20000G200G20
G11G7G201G20800G20842G200G2025G20000G200G20
GDG12G20120G20842G200G2023G20750G201G20250G20
G13G14G15G201G20500G20842G201G20500G2022G20250G201G20250G20
G16G17G18G20300G20842G200G2023G20750G201G20250G20
G19G10G20540G20842G200G2025G20000G200G20
G2
G1G1G1G1G1G1G1G1G1G1G1G1G1G1G1G1G1G1G1G1G1G1G1G1G1G1G1G1G1G2G1G1G1G2G3G4G5G6G7G8G9GAGBGCGDGERc1c1c1G3G1
G1G2G3G4G5G6G7G5G6G8G5G6G9G5G6GAGBGCG6G2GDGEGFG10GEGFG2GDG11G12/%G2GDG11G12GFG13/%G2G14G11G12/%
G1553.452.754.856.858.755.310.8
G16G1754.655.353.652.156.854.58.6
G18G1755.156.352.453.858.755.311.4
G19G1756.858.159.758.659.758.64.9
G1AG1758.459.657.659.960.159.14.2
G1BG1759.460.760.357.962.360.1
57.2
7.3
7.9
9.8
G1
□
□
由表2可以看出：
(1)从炉尾到炉口，片内平均方块电阻逐渐增大，片间极差
为9.8%，其原因在于扩散气体从炉尾充入石英管，因而扩散气
体浓度从炉尾到炉口浓度逐渐减小。
(2)从炉尾到炉口，片内极差变化没有明显的规律，这可能
是由于炉管内气体形成了紊流。
在原始扩散工艺参数表1的基础上，依次修改其中一个
工艺参数，而保持其他工艺参数不变，研究方块电阻大小或均
匀性的变化规律。
3.2扩散温度对扩散方块电阻的影响
(1)炉管中五个温区的温度设定为相同温度，并且温度升
高2℃，其他参数不变。
与原始扩散工艺相比，测得其方块电阻总平均值由57.2
Ω/□减小为56.5Ω/□。方块电阻随扩散温度升高而减小，这是
因为温度越高，磷原子的扩散系数越大，因而扩散进入硅片表
面的磷原子越多，由式(6)可知方块电阻越小。
(2)温区四与温区五温度升高2℃，而温区一至温区三的
温度不变，其他参数不变。
与原始扩散工艺相比，测得其片间极差由9.8%减小为
3.3%，片间均匀性得到了明显的改善，其原因在于温区四与温
区五靠近炉门，扩散气体浓度较低，但扩散温度较高，二者对
扩散方块电阻的影响正好抵消。
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3.3主扩散时间对扩散方块电阻的影响
主扩散时间增加180s，其他参数不变。
与原始扩散工艺相比，测得其方块电阻总平均值由57.2
Ω/□减小为56.7Ω/□。方块电阻随主扩散时间增大而减小，这
是因为在恒定表面杂质浓度条件下，主扩散时间越长，扩散进
入硅片表面的磷原子越多，由式(6)可知方块电阻越小。
3.4再分布时间对扩散方块电阻的影响
再分布时间增加150s，其他参数不变。
与原始扩散工艺相比，测得其方块电阻总平均值由57.2
Ω/□减小为56.5Ω/□。方块电阻随再分布时间增大而减小，这
是因为在恒定杂质总量条件下，再分布时间越长，扩散进入硅
片表面的磷原子总量不变，而扩散层厚度(结深)增大，由式(6)
可知方块电阻越小。
3.5小氮流量对扩散方块电阻的影响
小氮流量增加200mL/min，其他参数不变。
与原始扩散工艺相比，测得其方块电阻总平均值由57.2
Ω/□减小为55.2Ω/□。方块电阻随小氮流量增大而减小，这是
因为小氮流量越大，进入炉管内的杂质浓度越大，扩散进入硅
片表面的磷原子越多，由式(6)可知方块电阻越小。
3.6大氮流量对扩散方块电阻的影响
(1)大氮流量增加3000mL/min，其他参数不变。
与原始扩散工艺相比，测得其方块电阻总平均值由57.2
Ω/□增大为64.7Ω/□。方块电阻随大氮流量增大而增大，这是
因为增加大氮流量，增强了炉管中气体流速，使得炉管内的杂
质浓度降低，扩散进入硅片表面的磷原子减少，由式(6)可知方
块电阻增大。
由于炉管内气压增大，增强了炉管内杂质扩散，其浓度更
为均匀，因而片内极差均值从7.9%下降至5.8%，片间极差从
9.8%下降至9.1%，方块电阻的均匀性得到改善。
(2)大氮流量继续增加4000mL/min，其他参数不变。
测得其方块电阻总平均值由64.7Ω/□增大为65.2Ω/□；
片内极差均值由5.8%增大为9.47%，片间极差由9.1%增大为
10.59%，方块电阻的均匀性变差，这可能是由于炉管内气体流
速流量过大而产生了紊流，因此大氮流量要保持在合适的范
围内。
3.7氧气流量对扩散方块电阻的影响
氧气流量减小250mL/min，其他参数不变。
与原始扩散工艺相比，测得其方块电阻总平均值、片内极
差和片间极差基本不变。只要氧气流量保证反应方程式(2)中
PCl
5
反应充分，对扩散方块电阻影响不大。
3.8优化工艺条件下的实验结果
优化的扩散工艺参数，如表3所示。
优化工艺条件与原始工艺条件下实验结果对比，如表4
所示。由表4可知，与原始工艺条件相比，通过优化工艺参数，
扩散方块电阻总平均值减小为55.1Ω/□，其片内极差和片间
极差明显降低了，均匀性得到了很好的改善。
4结论
通过研究工业生产中多晶硅太阳电池扩散工艺的各种影
响因素，得到了扩散温度场、主扩散时间、再分布时间、小氮流
量、大氮流量、氧气流量对扩散方块电阻大小及其均匀性的影
响规律。通过优化扩散工艺条件，测得扩散方块电阻为
55.1Ω/□，片内极差为5.6%，片间极差为3.1%，均匀性得到明
显改善，完全能够满足大规模工业生产的要求。
参考文献：
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G1G1G2G2G2G2G2G3G4G5G6G7G8G9G2
G1G2G3G4G5G6/sG7G8G9GAG7G8GBG7GC/GDG7G8GEGFG7G8G10G7GC/GDG11G12/(mLGB7min
c1
)G20G13G12/(mLGB7min
c1
)G20G14G15/(mLGB7min
c1
)G20
G16G17G20600G20844G20842G200G2030G20000G200G20
G18G7G201G20800G20844G20842G200G2030G20000G200G20
G14G19G20120G20844G20842G200G2029G20000G201G20000G20
G1AG1BG1CG201G20500G20844G20842G201G20700G2027G20300G201G20000G20
G1DG1EG1FG20300G20844G20842G200G2029G20000G201G20000G20
G20G17G20540G20844G20842G200G2030G20000G200G20
G2
G1G1G2G2G2G3G4G5G6G7G8G9GAG4G5G6G7GBGCGDGEGFG10G11G2
G1G2G3G4G5/(G6G7G12G12
c1c2
)G8G9GAGBG5GC/%G8GDGAGB/%
GEGFG10G11G12G1357.27.99.8
G14G15G10G11G12G1355.15.63.1
G2
□
□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□
□
□
□
□
□
□
□
□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□
□
□
□
□
□
□
□
本书从系统工程、系统设计角度而非深奥的电化学、热力学理论角度，结合实际案例，介绍了燃料电池的基
本概念、系统组成和系统分类，描述了燃料电池涉及的主要基础理论知识和关键技术，从工程应用角度说明了燃
料电池的工作条件、堆的结构与设计、流道设计和材料要求等，提出了用于表征燃料电池关键性能的主要指标，
论述了如何对系统进行建模与设计。全书深入浅出而又全面透彻，并在每章末尾提出了若干引导读者进一步思
考和讨论的问题。
《燃料电池设计与制造》
新书介绍
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