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由氧化层厚度估算化学反应扩散掺杂量的研究摘要:在扩散制备p/n结后，往往需要测量扩散进入硅中的掺杂量。一般用四探针法测量扩散层的方块电阻，由方块电阻直接反映扩入硅片内部的杂质量多少，但用四探针法需要专用的精密仪器。实际上，在化学反应扩散的情况下...在扩散制备p/n结后，往往需要测量扩散进入硅中的掺杂量。一般用四探针法测量扩散层的方块电阻，由方块电阻直接反映扩入硅片内部的杂质量多少，但用四探针法需要专用的精密仪器。实际上，在化学反应扩散的情况下，伴随反应生长的SiO2薄膜的厚度与扩散进入硅中的掺杂量有确定的关系，由此可用称重法或辨色法测量或估计氧化层厚度，简便地估算出扩散掺杂量。本文以适用于硅太阳电池的液态源磷扩散为例，对该方法进行了讨论。一、理论计算硅太阳电池的液态源磷扩散一般是在过量氧的气氛和900℃左右的高温中，用氮气通过液态源携带挥发的汽态POCl3，在扩散石英管中和硅片表面发生化学反应进行的，其反应式为4POCl3+3O2=2P2O5+6Cl2（1）2P2O5+5Si=5SiO2+4P↓（2）由上式可见，每生成四个磷原子，就有五个二氧化硅分子伴随，则磷原子数Qp与二氧化硅的分子数MSiO2的关系为（3）而Msio2=sdnsio2（4）s和d分别为二氧化硅的面积和厚度，nSiO2是二氧化硅的分子密度，数值为2.30×1022／cm3。干氧与硅也会直接发生反应生成SiO2薄膜，但干氧氧化速率相当低，在硅太阳电池的液态源磷扩散的条件下（900℃，10—15min），干氧与硅直接反应生成的SiO2薄膜在10nm左右，可以忽略不计，亦可做为修正因子，SiO2薄膜主要是由反应式（1）和（2）生成的。反应式（2）的氧化机理是：高温下的P2O5分子与硅片表面的Si原子反应，生成SiO2起始层，此后，由于氧化层阻止了P2O5分子与硅片表面的直接接触，P2O5分子只有以扩散方式通过SiO2层，到达SiO2-Si界面，才能与Si原子反应，生成新的SiO2层和P原子。在900℃时，磷在硅中的扩散系数约为其在二氧化硅中的100倍，而且磷在硅中的固溶度约为其在二氧化硅中的10倍，可以认为所生成的磷原子绝大多数扩入了硅片中。硅片中磷原子掺杂量为QSi＝Qp（5）将式（3）和（4）代入上式，可得单位面积扩入硅片的磷原子掺杂量：Q′Si＝cd（6）式中，常数c=1.84×1019，Q′Si的单位为cm－2，d的单位为μm。二、结果讨论（1）扩散进入硅中的掺杂量与化学反应生成的SiO2薄膜的厚度成正比。（2）式（6）对于浅结扩散较为准确，对于深结的长时间扩散，P原子不可能绝大多数扩入硅片中，部分P原子可在SiO2-Si界面积累或扩入SiO2中，理论上精确处理很复杂，但SiO2薄膜的厚度与扩散进入硅中的掺杂量仍有确定的关系，可根据具体情况对常数因子c做出实验修正。（3）在硅太阳电池的液态源扩散中，结深一般为0.3μm左右，扩散浓度为不发生简并情况的上限1019／cm3，SiO2薄膜的厚度在0.3μm左右，呈深蓝色，将其具体应用于理论公式，理论与实验相符。（4）在实际应用时，可以通过称重法比较用氢氟酸去除SiO2薄膜前后硅片重量的变化，或直接用辨色法得到SiO2薄膜的厚度，用本文的理论公式可简便地估算出扩散进入硅中的掺杂量。