[发明专利]掺杂半导体材料的系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种使用激光器掺杂衬底的系统和方法，在本方法中，至少一种掺杂物质接触衬底表面，并通过激光束进行衬底表面的局部加热。

背景技术

在工业实践中，提及的类型的系统通常为间歇式操作炉或连续掺杂系统，在这些系统中，将太阳能电池衬底加热到大于800℃的掺杂物扩散所需的温度。在太阳能电池的发射极掺杂时，有时存在相反的掺杂要求，例如，如文献DE 102007035068中所述。在光学开放区域中，掺杂一定不能太高，因为很高的掺杂原子浓度会促进电子空穴对的重组，从而影响所需的太阳能电池的高效率。另一方面，尤其在连接电极的接触区中，非常高的掺杂是必要的，以产生所需的欧姆接触。最近，相反的要求导致实验室模型中首先实现接触区中的较高掺杂区域和所谓的选择性发射极。当利用传统方法实现时，制造这些选择性发射极经常需要高额的支出。

近年来，还开发了用于掺杂半导体的激光系统。文献DE 102004036220B4描述了激光掺杂过程，代替了传统的炉掺杂过程，激光掺杂过程的优势主要为处理时间和过程物流比炉过程中的更有利，以及在激光过程中能源效率更高。然而，该文献中所描述的方法通常存在激光掺杂的衬底具有高位移密度和低质量的问题。

文献解决了在熔化表面和再结晶之后高位移密度的问题，因为，将激光束集中成一条宽10μm、长100μm的线，且该线状焦点扫描衬底的表面。提及的这个方法的缺点是低处理速度和实现可靠的自动调焦系统的技术支出。掺杂特性的目的是基于炉过程中所产生的掺杂特性。换句话说，目的在于以高达1微米的范围作为掺杂深度。因此，根据波长，从已知的光在硅中的穿透深度得出以下结论，必须使用波长为600nm或更小的激光辐射。

目前，在硅太阳能电池的生产中，用于掺杂的批处理系统是标准的。缺点是这些系统上的相对较长的处理时间和大型机械尺寸。将可控温度限制为低于1000℃，而且由于加热整个衬底，因此存在在衬底背面引入污染物的问题。传统的掺杂方法中的另一个问题是掺杂物会扩散到硅晶体中，但没有将掺杂物大量地并入晶格结点上且未电激活掺杂物。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光掺杂过程，允许以高速度掺杂衬底、在该过程中在衬底表面上产生低位移密度、实现掺杂剂的良好的电激活，此外，还提供以针对性方式较高度地掺杂特定区域的选择权。

通过以上所提及的类型的系统实现这个目的，该系统具有至少一个具有激光束的光纤激光器和扫描单元，所述激光束具有圆形光束截面，所述激光束可通过所述扫描单元扫描衬底表面，所述光纤激光器的发射光具有750nm至3000nm的范围内的波长。

在激光器技术领域中，光纤激光器为最新改进。这些新型激光器的特征是非常高的效率和非常高的光束质量，同时价格低。由于这种新型激光器的高效率，因此在构造激光掺杂系统时可以走不同的路线。现在不再仅在焦点中局部地提供处理所需的能量，而是可以利用激光束进行操作，激光束的圆形光束截面具有20μm～500μm的尺寸，且这个截面在约1mm的适当的光束长度范围内是可用的。该激光器的功率适合于处理光伏衬底的整个衬底表面。

在根据本发明的激光掺杂系统和传统的炉掺杂系统的能源效率的比较中，根据本发明的激光掺杂系统是有优势的。在光纤激光器中高效地产生光束，当仅加热衬底的表面而非整个衬底时，在激光掺杂过程中有效地使用光能量。在掺杂过程中，保护衬底免受热负荷也为整个太阳能电池技术开辟了新的可能。因此，激光掺杂，不同于炉掺杂，可以发生在整个技术中的后来步骤中，在该步骤中，衬底已经具有温度敏感元件。首先在较复杂的技术中，例如，在双面电池概念中，该优势崭露头角。利用激光掺杂系统，也可以在衬底的两个表面上依次进行多个掺杂过程。

与传统的炉掺杂系统相比，不仅更有效地使用能量，而且更有效地为半导体掺杂任务提供掺杂物质。希望在表面上的中间晶格结点处混入掺杂物质，但由于较高的温度，有利地在晶格结点上高效地混入掺杂物质。因为更有效的利用，所以较少地应用掺杂物质是足够的。

为了使激光束在衬底表面上移动，根据本发明，也可以使用适当的市售的扫描单元，扫描单元可以以所需的精度和速度移动光束。因此，可以改变扫描器的速度，从而除了整个表面的均匀处理之外，局部差异处理也是可以的。