在硅晶片上制造硼发射极的方法与流程

1.本发明涉及一种在硅晶片上制造硼发射极的方法。本发明尤其涉及一种包括形成硼硅酸盐玻璃的步骤的用于在硅晶片上制造硼发射极的方法。在硅晶片上制造硼发射极尤其在晶片太阳能电池的生产中起作用。


背景技术：

2.形成硼硅酸盐玻璃的步骤通常通过反应物三溴化硼(bbr3)和氧气(o2)在管式炉中与硅晶片表面反应来进行。在三溴化硼和氧气的反应中形成氧化硼(b2o3)，氧化硼凝结在硅晶片的表面上，并与表面反应，产生含硼的二氧化硅(sio2)，即硼硅酸盐玻璃。在硅晶片上形成硼硅酸盐玻璃的过程中，气态反应物通常在管式炉的一侧连续地流入管式炉。在管式炉的另一侧，气态反应产物或气态反应物的残余物随后通过泵从管式炉中排出。因此，反应物在管式炉中的停留时间相对较短，通常低于60秒，这在使用三溴化硼和氧气时不会造成问题，因为这些反应物的反应时间只有几秒钟。然而，三溴化硼存在操作困难、具有毒性和侵蚀性。
3.美国专利公开文件第8,691,677b2号公开了一种方法，其中三氯化硼(bcl3)和氧气用作在硅晶片上形成硼硅酸盐玻璃的反应物。如图1所示，为了实施该方法，在管式炉中设有硅晶片。管式炉1可以在一端通过门5关闭，并且在管式炉1的与门5相对设置的端部4处具有泵(未示出)，该泵被布置成允许管式炉1被抽空。此外，在管式炉1中布置有进料管2，用于三氯化硼和氧气的分别进料。当实施该方法时，硅晶片3通过门5装载到管式炉1中，在硅晶片3和门5之间产生死区6。三氯化硼和氧气形式的反应物以及作为载气的氮气(n2)经过进料管2以使它们在死区6中反应的方式被冲入到管式炉1中，死区6代表管式炉1的与硅晶片3分离的独立反应容积。随后，包括氧化硼的反应产物以连续流的形式经过硅晶片3，并用于在该硅晶片上形成硼硅酸盐玻璃。在该过程期间流体流动的方向由箭头表示。相对于作为反应物的三溴化硼，使用三氯化硼作为反应物具有许多优点，因为它具有更低的毒性和侵蚀性以及更好的处理。然而，与三溴化硼和氧气的反应时间(约6秒)相比，三氯化硼和氧气形成氧化硼的反应时间(约100秒)明显更长。然而，反应物在管式炉中的通常停留时间约为60秒。三氯化硼和氧气因此只能在管式炉1的长度上不完全且非常不均匀地反应。因为反应在死区6中进行，并且由三氯化硼和氧气反应产生的产物仅随后在硅晶片3上经过，虽然停留时间相对长，但是沉积速率低而导致沉积不均匀。


技术实现要素：

4.本发明的一个目的是提供一种在硅晶片上制造硼发射极的方法，该方法包括形成硼硅酸盐玻璃的步骤，其中实现了均匀沉积和/或足够高的沉积速率。
5.根据本发明，通过具有权利要求1的特征的方法来实现该目的。从属权利要求中详细描述了有利的改进和修改。
6.本发明涉及一种用于在至少一个硅晶片上制造硼发射极的方法，该至少一个硅晶
片布置在管式炉中，该方法包括用于在硅晶片上形成硼硅酸盐玻璃的步骤，该步骤包括以指定的顺序执行的以下步骤:
7.a)将管式炉抽空至预定压力，
8.b)将包含三氯化硼和氧气的反应物冲入到管式炉内，并调节至另一预定压力，
9.c)在预定时间期满后停止冲入，并且允许被冲入的反应物在预定持续时间内相互反应并与硅晶片(3)的表面反应，以在硅晶片(3)的表面上形成具有硼硅酸盐玻璃的层，以及
10.d)在该预定持续时间结束后，排空管式炉。
11.本发明基于保持管式炉中氧化硼浓度相对恒定的基本构思，从而实现均匀沉积以及更完全的反应。这是通过将在硅晶片上形成硼硅酸盐玻璃的步骤分多个阶段进行来实现的。冲入反应物的方法步骤基本上是与反应物反应的方法步骤独立的。这是通过首先以预定义的量和预定义的流速将反应物冲入管式炉来实现的。然后停止反应物的流入，反应物在作为封闭系统的管式炉中进行反应。这样可能允许反应物在硅晶片的周围反应，从而实现硼硅酸盐玻璃在硅晶片上更均匀的沉积。随后，从管式炉中移除反应中形成的反应产物和任何未反应的反应物。通过将反应物的冲入与反应物的反应大体上分开，可以在时间方面进行优化和控制来单独进行这两个步骤，从而提高沉积速率和沉积质量。例如，可以通过测量发射极薄层电阻来确定沉积的均匀性。
12.反应物和产物的流体流动循环分别在各自的步骤中被控制。首先，在步骤b)中，控制反应物的流体流入，而在步骤c)中，控制反应物的反应，并且在步骤d)中，控制包括反应产物和任何未反应的反应物的流体流出。每个步骤的方法参数都可以独立地单独地调整，因此该方法总体上以最优的方式运行。
13.步骤a)尤其用于准备步骤b),使得在步骤b)中将设定量的氧气冲入管式炉中。步骤d)尤其用于防止管式炉中存在的流体的降解和/或耗尽效应。
14.在步骤b)中，将三氯化硼和氧气冲入管式炉中。此外，载气，尤其是三氯化硼的载气，可以在步骤b)中被冲入管式炉中。所用的载气优选为氮气。术语“停止冲入”是指不再有反应物流入管式炉，反而停止反应物的供应。在步骤b)中，优选地，管式炉也不被抽空。换句话说，在步骤b)中停用或关闭用于抽空管式炉的泵。步骤b)中的管式炉形成封闭系统。流体既不主动供应到封闭系统中，也不主动从封闭系统中排出。
15.反应期间在管式炉内的条件下，在三氯化硼和氧气的反应中形成的氧化硼是液态的，并且在管式炉中以气溶胶的形式存在。
16.步骤d)中的术语“抽空管式炉”是指使管式炉中的压力达到0毫巴、上至1毫巴、优选上至10毫巴的水平。
17.为了执行步骤a)至d)，用于该方法的管式炉优选包括门，通过该门将至少一个硅晶片装载到管式炉中。另外设有泵和进料管，该泵布置在门的相对侧，并且被配置为抽空管式炉，该进料管被配置为单独地并且可选地通过载气来供应反应物。还设有加热设备，该加热设备被配置为将管式炉加热至需要的反应温度。
18.优选地，步骤b)至d)循环重复。这允许以简单的方式产生所需量的硼硅酸盐玻璃。例如，步骤b)到d)重复两到四次。
19.在一个优选实施例中，预定压力最高15毫巴，优选1至14毫巴，更优选7至12毫巴。
这确保管式炉中没有氧气或空气或其他不需要的流体。在步骤a)之前和/或其期间，可以用惰性气体如氮气冲入管式炉。这更加确保了管式炉中没有氧气。
20.优选地，该另一预定压力高于该预定压力。优选地，该另一预定压力在20至200毫巴的范围内，优选20至170毫巴，更优选20至150毫巴。
21.在一个优选的实施例中，步骤c)在800-1000℃,优选820-950℃,更优选850-910℃的温度下进行。
22.优选地，预定时间在10至120秒的范围内，优选在20至100秒的范围内，更优选在30至60秒的范围内。预定持续时间优选在2分钟至20分钟的范围内，特别优选在3分钟至15分钟的范围内，更优选在5分钟至10分钟的范围内。反应物和可选的载气在步骤b)中相对快速地冲入，而步骤b)中的反应物相比之下具有较长的反应时间。这样做的原因是使作为反应结果的沉积尽可能在恒定和一致的条件下发生。从而实现了足够均匀的沉积。
23.优选地，步骤a)在10至120秒范围内的另一时间内进行，特别优选在20至100秒范围内，更优选在30至60秒范围内。抽空时间相对较短。这节省了时间和成本。
24.优选地，步骤d)在10至120秒的范围内的又一时间内进行，优选在20至100秒的范围内，更优选在30至60秒的范围。步骤d)中管式炉的相对快速的排空用于防止存在于管式炉中的流体的耗尽效应。然后流体相对快速地从管式炉中移除。
25.在一个优选的实施方案中，将步骤b)中的反应物冲入到管式炉内，使得三氯化硼经过具有出口端的进料管冲入到管式炉内，氧气通过具有出口端的另一进料管冲入到管式炉内，使得三氯化硼和氧气在管式炉中在进料管和另一进料管的出口端处相互混合，所述进料管和该另一进料管的出口端彼此相邻地布置在管式炉中。优选地，输出端彼此相邻布置，使得反应物能够在进入到管式炉中时快速反应。在本发明的意义上，表述“相邻”表示两个进料管出口端的中心点之间的距离小于1cm。
26.在一个优选实施例中，反应物在步骤b)中在管式炉的区域中相互混合，在该区域中布置有至少一个硅晶片。因此，反应物在硅晶片的邻近区域发生反应。这使氧化硼为了与硅晶片表面反应而必须行进的路径长度最小化。此外，通过这种方式实现了更均匀的沉积。特别地，在管式炉的门和晶舟之间没有实质上的死区，晶舟通过该门被装载到炉中，该晶舟上布置有多个半导体晶片。换句话说，晶舟和门之间的死区比晶舟的10％短许多。
27.优选地，在该方法期间，多个硅晶片被布置在管式炉中的晶舟中，硅晶片彼此之间的距离小于5mm，并且优选地小于3mm。因此，该方法效率更高并且适合于大规模生产。管式炉是一种扩散炉。
28.在一个优选的实施方案中，在步骤c)和d)之间，进行另一步骤，其中用惰性气体如氮气冲入管式炉。惰性气体的冲入优选在10至120秒的时间内进行，特别优选在20至100秒的范围内，更优选在30至60秒的范围内。
29.通过步骤a)至d)在硅晶片表面上生成的硼硅酸盐玻璃用作形成硼发射极的掺杂源。优选地，为了在硅晶片上制造硼发射极，在步骤d)之后，进行注入氮气的步骤e)，接着在步骤e)之后，进行用氧气氧化的步骤f)。
30.优选地，步骤e)在纯氮气的环境中进行，表述“纯”是指氮气最多只可以包含工业杂质。优选地，步骤e)在600至1000毫巴，特别优选700至900毫巴，更优选750至850毫巴的压力下进行。优选地，步骤e)额外在850至1150℃的温度下进行，特别优选在900至1100℃的范
围内，更优选在950至1050℃的范围内。
31.优选地，步骤f)使用氮气/氧气混合物进行。优选地，氮气/氧气混合物中的氧气浓度为40％至100％，特别优选为45％至100％，更优选为50％至100％。优选地，步骤f)在850至1150℃范围内的温度下进行，特别优选在900至1100℃范围内，更优选在950至1050℃范围内。
附图说明
32.下面参照附图更详细地阐述本发明。在附图中，示意性地且不按比例地：
33.图1示出了现有技术中用于在硅晶片上制造硼发射极的方法中使用的管式炉的横截面图；
34.图2示出了根据本发明的用于在硅晶片上制造硼发射极的方法使用的管式炉的横截面图；以及
35.图3示出了根据本发明方法的方法流程图。
具体实施方式
36.图1示出了现有技术中用于在硅晶片上制造硼发射极的方法中使用的管式炉的横截面图。为了阐明图1中所示的管式炉，参考在说明书的引言部分阐述的现有技术。
37.图2示出了根据本发明的用于在硅晶片上制造硼发射极的方法中使用的管式炉的横截面图。图2中所示的管式炉1对应于图1中所示的管式炉，区别在于它没有死区。相反，在硅晶片上形成硼硅酸盐玻璃的步骤中，反应物三氯化硼和氧气以及可选的作为载气的氮气以以下方式被冲入管式炉1中，其中三氯化硼经过进料管2被冲入管式炉1中，并且氧气通过另一进料管(未示出)被冲入管式炉1中，使得它们在管式炉中在进料管2和另一进料管的出口端(未示出)相互混合，该进料管2和另一进料管的出口端(未示出)处于管式炉1中，反应物被冲入管式炉1中，使得反应物在管式炉中硅晶片3设置的区域中相互混合，以在那里相互反应。出口端相互相邻布置。在冲入已经停止后，在预定时间期满之后，并且在已经允许冲入的反应物在预定持续时间期间相互反应并且与硅晶片的表面反应以在硅晶片的表面上沉积硼硅酸盐玻璃之后，通过启动布置在管式炉1的端部4的泵(未示出)抽空管式炉1，其中产物和任何未反应的反应物沿箭头方向从管式炉1中移除。
38.图3示出了根据本发明方法的方法流程图。根据图2所示的管式炉中的压力条件以及流体和气体供给条件，示出了该方法的时间顺序。该方法流程仅仅是示意性示出，因此在轴上没有给出单位。根据本发明的用于在硅晶片上制造硼发射极的方法，硅晶片布置在图2所示的管式炉中，该方法包括用于在硅晶片上形成硼硅酸盐玻璃的步骤，该步骤被配置为多个阶段。在所示的时间顺序中，该步骤包括：
39.a)将管式炉抽空至预定压力，同时将可选的氮气冲入管式炉中，
40.b)将包括三氯化硼和氧气的反应物和作为载气的氮气冲入管式炉中，并调节至另一预定压力，该压力大于步骤a)中的预定压力，氧气的气体流量大于三氯化硼的气体流量，
41.c)通过在预定时间期满后停止冲入并允许被冲入的反应物在预定持续时间期间相互反应并与硅晶片表面反应，以在硅晶片表面上沉积硼硅酸盐玻璃，从而形成硼硅酸盐玻璃，以及
42.d)在该预定持续时间期满后，排空管式炉。
43.这里所述的预定持续时间远大于所述预定时间。步骤a)和d)也在比步骤c)更短的时间内进行。
44.此外，参照示例，更详细地阐述根据本发明的方法。
45.示例
46.一种在硅晶片上制造硼发射极的方法，硅晶片布置于管式炉中，该方法包括在硅晶片上形成硼硅酸盐玻璃的步骤。在硅晶片上形成硼硅酸盐玻璃的步骤是一个多阶段步骤，并且如下进行：在管式炉中设有晶舟，该晶舟装有多个硅晶片。将管式炉加热到870℃的温度。在步骤a)中，在5分钟的时间内将管式炉抽空到0毫巴的预定压力。管式炉在步骤a)中保持在870℃的温度。步骤a)之后是步骤b)，其中包括有三氯化硼和氧气的反应物在50毫巴的另一预定压力下在30秒的预定时间内被冲入管式炉中，同时管式炉保持在870℃的温度。步骤b)中氧气的气体体积流量为1000sccm，而三氯化硼的气体体积流量为100sccm；氮气可以用作载气。在预定时间期满后，进行步骤c)，其中停止气体供给，并允许被冲入的反应物在30分钟的预定持续时间内相互反应并与硅晶片表面反应，以在硅晶片表面上沉积硼硅酸盐玻璃。此外，在步骤c)中，管式炉还保持在870℃的温度。30分钟过去后，在870℃的温度下将氮气以5000sccm的气体体积流量冲入管式炉30秒。随后在870℃的温度下1分钟内管式炉被抽空至0毫巴的压力。
47.从步骤b)开始，该方法重复三次，以在硅晶片上产生所需的硼硅酸盐层厚度。接着进行在硅晶片上形成硼硅酸盐玻璃的步骤。
48.此外，为了在硅晶片上制造硼发射极，还执行以下步骤：在步骤d)之后，进行步骤e)，其中在980℃的温度和900毫巴的压力下，以5000sccm的气体体积流量注入氮气持续15分钟。步骤e)之后是步骤f)，其中在氮气和氧气的混合物中进行氧化。步骤f)在900毫巴的压力下进行，步骤f)中氧气的气体体积流量为10000sccm。步骤f)在980℃的温度下进行10分钟，之后温度升至990℃并保持120分钟。
49.附图标记：
50.1.管式炉
51.2.进料管
52.3.硅晶片
53.4.端部
54.5.门
55.6.死区

技术特征：
1.一种用于在硅晶片(3)上制造硼发射极的方法，至少一个硅晶片(3)布置在管式炉(1)中，所述方法包括在所述硅晶片(3)上形成硼硅酸盐玻璃的步骤，所述步骤包括以指定顺序执行的以下步骤：a)将所述管式炉(1)抽空至预定压力，b)将包括三氯化硼和氧气的反应物冲入到所述管式炉(1)内，并调节至另一预定压力，c)在预定时间期满后停止冲入，并且允许被冲入的所述反应物在预定持续时间内相互反应并与所述硅晶片(3)的表面反应，以在所述硅晶片(3)的表面上形成具有硼硅酸盐玻璃的层，以及d)在所述预定持续时间结束后，抽空所述管式炉(1)。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，循环重复所述步骤b)至d)。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述预定压力上至15毫巴，优选为1至14毫巴，更优选为7至12毫巴，和/或所述另一预定压力在20至200毫巴，优选为20至170毫巴，更优选为20至150毫巴的范围内。4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤c)在800至1000℃、优选820至950℃、更优选850至910℃的温度范围内进行。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述预定时间在10至120秒的范围内，优选在20至100秒的范围内，更优选在30至60秒的范围内，和/或所述预定持续时间在2分钟至20分钟的范围内，优选在3分钟至15分钟的范围内，更优选在5分钟至10分钟的范围内，和/或所述步骤a)和/或d)以另一时间执行，所述另一时间在10至120秒的范围内，优选在20至100秒的范围内，更优选在30至60秒的范围。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将所述步骤b)中的所述反应物以以下方式冲入到所述管式炉(1)内：三氯化硼通过具有出口端的供应管冲入到所述管式炉(1)内，并且氧气通过具有出口端的另一供应管冲入到所述管式炉(1)内，使得三氯化硼和氧气在所述管式炉(1)中在所述供应管的出口端和所述另一供应管的出口端处相互混合，所述供应管的出口端和所述另一供应管的出口端彼此相邻地布置在所述管式炉(1)中。7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将所述步骤b)中的所述反应物冲入到所述管式炉(1)内，使得所述反应物在所述管式炉(1)中所述硅晶片(3)布置的区域中相互混合。8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述方法期间，多个所述硅晶片(3)被布置在所述管式炉(1)中的晶舟中，并且同时进行所述方法，所述硅晶片(3)彼此之间的距离小于5mm，优选小于3mm。9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述步骤c)和d)之间，进行另一步骤，在所述另一步骤中用惰性气体冲入所述管式炉(1)。10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，为了在所述硅晶片(3)上制造所述硼发射极，在所述步骤d)之后执行注入氮气的步骤e)，并且在所述步骤e)之后执行用氧气氧化的步骤f)。

技术总结
本发明涉及一种用于在至少一个硅晶片(3)上制造硼发射极的方法，至少一个硅晶片(3)布置在管式炉(1)中，该方法包括用于在硅晶片(3)上形成硼硅酸盐玻璃的步骤，该步骤包括以给定的顺序执行的以下步骤：a)将管式炉(1)抽空至指定压力，b)将包括BCU和氧气的试剂供给到管式炉(1)中并调节至另一指定压力，c)在指定时间期满后停止供应，并允许所供应的试剂相互反应并与硅晶片(3)的表面反应指定时间，以在硅晶片(3)的表面上形成硼硅酸盐玻璃层，和d)在该指定时间期满时抽空管式炉(1)。该指定时间期满时抽空管式炉(1)。该指定时间期满时抽空管式炉(1)。


技术研发人员：E
受保护的技术使用者：韩华QCELLS有限公司
技术研发日：2021.12.14
技术公布日：2023/10/7