專利名稱：直拉法生長摻鎵硅單晶的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及摻鎵直拉硅單晶的制備技術(shù)，特別一種直拉法生長摻鎵硅單晶的方法和 裝置。在晶體生長工藝中壓縮晶錠的縱向電阻率分布范圍，使其完全分布在晶硅太陽電 池制備的電阻率范圍之內(nèi)。技術(shù)背景國內(nèi)外有不少關(guān)于摻Ga硅單晶電阻率分布工藝及特性研究的文獻報道。裴素華等 報道了(Ga在Si02/Si系下的擴散模型與分布規(guī)律，稀有金屬材料與工程，2005， 6， 920-923.)利用二次離子質(zhì)譜分析、薄層電阻測量方法，對Ga在Si02/Si系下的擴散特 性、硅表面及體內(nèi)分布進行了裝置研究，并得出結(jié)論。日本也有慘鎵硅單晶的生產(chǎn)方法, 為了改進摻鎵的硅單晶在拉軸方向的電阻率分布和生產(chǎn)具有統(tǒng)一的電阻率的硅單晶，提 出了一種基于直拉法生產(chǎn)摻鎵硅單晶的方法，其中包含在拉硅單晶的時候降低大氣壓力 (ABE TAKAO. METHOD FOR PRODUCING Ga-DOPED SILICON SINGLE CRYSTAL. :JP 2002154896, 2002-05-28)。直拉法(CZ法)生長摻鎵硅單晶最大的困難是由于鎵在硅中的分凝系數(shù)非常小k0 =0.08 (而硼在硅中的分凝系數(shù)為0.8)，因此用普通直拉法生長的摻鎵硅單晶錠頭部和尾 部電阻率相差很大，頭部電阻率與尾部電阻率之比達50倍 60倍，只能有一少部分應(yīng)用 于太陽能電池制作。美國專利(US 6， 815， 605)雖然報道了有關(guān)摻鎵硅單晶的生產(chǎn)方 法，但它是用一種原晶和熔化的硅聯(lián)合并且被循環(huán)拉制成一種硅單晶錠，而且其電阻率 的范圍從5Q cm 0.1 Q cm (50倍)，其缺點在于需要事先準(zhǔn)備原晶而且循環(huán)拉制， 工藝復(fù)雜成本高，并且拉出晶錠的縱向電阻率范圍大，不能工業(yè)化推廣。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種直拉法生長摻鎵硅單晶的方法，可以克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點。 本發(fā)明晶體生長方法實用、效率高、成本低，能得到單晶縱向電阻率完全符合要求的大 直徑低位錯密度的摻鎵硅單晶，能滿足高效太陽能電池襯底材料的要求。本發(fā)明的另一個目的是提供一種直拉法生長摻鎵硅單晶的裝置，它是對現(xiàn)有直拉法生 長單晶裝置的改進。本發(fā)明提供了一種專門用于生長摻鎵硅單晶的熱場裝置，晶轉(zhuǎn)堝轉(zhuǎn)拉 速組合,多層高度隔熱的漏斗型熱屏,形成優(yōu)化的快速結(jié)晶潛熱攜帶氬氣流場。使熱場系統(tǒng) 內(nèi)充滿氬氣，保護摻鎵硅單晶生長，提高硅單晶質(zhì)量，結(jié)構(gòu)簡單合理，有廣泛的應(yīng)用價值。本發(fā)明提供的直拉法生長摻鎵硅單晶的方法包括裝料、加熱、拉晶等歩驟按常規(guī)方法在單晶爐中裝料，并將鎵放至石英堝內(nèi)多晶硅原料的中心部位；化料， 待熔硅溫度穩(wěn)定，降籽晶，下降引細徑，晶轉(zhuǎn)提拉；等徑生長，控制爐室壓力、晶體的 拉速、氬氣流速和晶轉(zhuǎn)，調(diào)堝位保持導(dǎo)流筒下沿與液面之間距離和堝轉(zhuǎn)，按常規(guī)工藝調(diào) 節(jié)、收尾和冷卻；其中，引細徑拉速為1. 5 6. 5mm/分鐘，細徑長度不小于160誦，直徑 《3mm;轉(zhuǎn)肩拉速1. 6 2. 6mm/分鐘，轉(zhuǎn)肩1/2后拉速調(diào)至1. 2mm/分鐘。
本發(fā)明提供的直拉法生長摻鎵硅單晶的方法的具體步驟包括裝料、加熱、拉晶1) 按常規(guī)方法將單晶爐清爐，抽真空，保證真空泄漏率《1Pa/3分鐘,并確認無故障 時，開爐、裝料，并將鎵放至石英堝內(nèi)多晶硅原料的中心部位，充氬氣至爐壓1900 Pa 2000Pa。2) 低堝位化料，堝轉(zhuǎn)為零，待確認化料中塌料后，將堝轉(zhuǎn)方向調(diào)至l 2轉(zhuǎn)/分鐘，化 料完畢，熔硅溫度達1420。C 1500。C (硅的熔點為142CTC)。3) 化料完畢，加熱功率電控歐路切入自動，降溫至液面有過冷度，待熔硅溫度穩(wěn)定 30 35分鐘后，將籽晶降至距熔硅液面90 100mm處預(yù)熱25 30分鐘，開始下降引細徑， 此時晶轉(zhuǎn)調(diào)至5 8轉(zhuǎn)/分鐘，浸熔30 35分鐘后提拉，拉速為1. 5 6. 5mm/分鐘，細徑 長度不小于160mm，直徑《3mm。4) 轉(zhuǎn)肩拉速，轉(zhuǎn)肩拉速1. 6 2. 6誦/分鐘，轉(zhuǎn)肩1/2后拉速調(diào)至1. 2mm/分鐘。5) 等徑生長，控制爐室壓力，晶體的拉速,氬氣流速和晶轉(zhuǎn)，調(diào)堝位保持導(dǎo)流筒下沿 與液面之間的距離和堝轉(zhuǎn)，按常規(guī)工藝調(diào)節(jié)、收尾和冷卻。所述的引徑、縮徑、放肩、等徑，利用導(dǎo)流筒的角度將爐內(nèi)氬氣流直吹晶錠外徑與 熔硅接觸處，即結(jié)晶前沿。步驟1 )所述的充氬氣是將氬氣流量調(diào)至常規(guī)工藝流量的一倍。氬氣流速可調(diào)至20 35L/h。步驟2)所述的化料完畢后，導(dǎo)流筒下沿與熔硅液面之間的距離調(diào)至25mm。 歩驟5)所述的晶轉(zhuǎn)在6 30轉(zhuǎn)/分鐘內(nèi)調(diào)節(jié)。 步驟5)所述的晶體的等徑拉速在0.8 1.1mm/分鐘范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。 步驟5)所述的控制爐室壓力是在2200Pa 2500pa，以通常的方法在氬氣氣氛下生 長摻鎵硅單晶。步驟6)所述的坩堝的轉(zhuǎn)速在3 10轉(zhuǎn)/分鐘內(nèi)調(diào)節(jié)。導(dǎo)流筒下沿與液面之間的距離 是5 25mm。本發(fā)明提供的一種直拉法生長摻鎵硅單晶的裝置是專門用于生產(chǎn)摻鎵硅單晶的熱場 裝置。本發(fā)明提供的直拉法生長摻鎵硅單晶的裝置包括單晶爐、加熱器、導(dǎo)流筒、石英坩堝、石墨坩堝、保溫蓋、保溫筒、托盤、固化保溫碳氈、固化爐底護盤和排氣孔。本發(fā)明是采用通用的單晶爐(例如，爐膛內(nèi)徑為ct^620 700mm)的爐膛內(nèi)安裝適 合鎵單晶生長的熱裝置，加熱器外圍處安裝石墨保溫筒，保溫筒外面安裝固化保溫碳氈； 石墨保溫筒座落在固化爐底護盤上的石墨下托盤的子口內(nèi)，石墨保溫筒上沿也被石墨上 托盤的下子口定位，導(dǎo)流筒上沿由在石墨上托盤的上子口定位，上保溫蓋由石墨上托盤 的上面外子口定位。石墨堝桿支撐石墨坩堝，石英坩堝座落在石墨坩堝內(nèi)，石英坩堝上 沿高出石墨坩堝上沿。所述的加熱器外圍15mm處安裝石墨保溫筒，所述的石英坩堝上沿高出石墨坩堝上 沿20 25mm。所述的加熱器按32等分開瓣，電極位置不開縫，實際為30瓣?？p寬10mm，開縫 高度285mm。加熱器外徑495mm,內(nèi)徑458mm，電極開孔間距320mm。 所述的加熱器有效高度在330 375mm范圍，加熱器總高度為480mm。 使用本發(fā)明的方法和裝置，用純度為6個9的鎵，用太陽能級的塊狀多晶硅(B《0. lppba,D《0.9ppba，C《0. 5ppma)均可以得到頭部和尾部電阻率之比為5 6倍的優(yōu)質(zhì) 單晶硅，艮卩P =0.5 Q cm 3 Q cm。由于鎵的分凝系數(shù)很小kG = 0.08，而且易揮發(fā)，電阻率極難控制。使用本發(fā)明的特 制導(dǎo)流筒，不僅極大地擋住了加熱器向晶棒的輻射熱，使晶體的縱向溫度梯度加大，而 且氬氣導(dǎo)流的方向直吹結(jié)晶前沿使結(jié)晶潛熱散發(fā)迅速可改善結(jié)晶。導(dǎo)流筒下沿放置距液 面5 25cm，克服了爐內(nèi)氬氣流場的湍流現(xiàn)象。另外，本發(fā)明的晶轉(zhuǎn)、堝轉(zhuǎn)和拉速的配比 也保證了硅中鎵在非正常分凝下進入品體。用本發(fā)明生長的摻鎵硅單晶的物理參數(shù)為導(dǎo)電類型P型，晶向<100>， clM54mm,電 阻率P為0.5 3 Q cm,間隙氧含量為[Oi]《17. 5ppma，替位碳含量為[Cs]《0. 5卯ma， 非平衡少子壽命t》150" s,位錯密度EPD《500/cm2 。本發(fā)明提供的摻鎵P型〈100〉晶向硅單晶直拉法生長裝置和工藝，在晶體生長工 藝中壓縮晶錠的縱向電阻率分布范圍，結(jié)果表明可使整根慘鎵硅單晶的電阻率從頭部至 尾部完全分布在電池制作所需的電阻率范圍之內(nèi)。使用特定熱裝置和特定工藝生產(chǎn)，在 投料量42 45公斤的①16"熱場裝置下生長的①150mm， P型〈100〉晶向硅單晶的電 阻率，可以控制在0.5 3Q 'cm范圍之內(nèi)，為高效太陽能電池的提高效率并抑制效率衰 減創(chuàng)造了工業(yè)化的基礎(chǔ)。本發(fā)明的晶體生長方法實用、效率高、成本低，能得到縱向電阻率范圍完全符合要 求的大直徑低位錯密度的摻鎵硅單晶，能滿足高效太陽能電池襯底材料的要求。本發(fā)明提供的直拉法生長摻鎵硅單晶的裝置是對現(xiàn)有直拉法生長單晶裝置的明顯改 進。晶轉(zhuǎn)堝轉(zhuǎn)拉速組合，導(dǎo)流筒充分引導(dǎo)氬氣的定向流動，多層高度隔熱的漏斗型熱屏， 形成優(yōu)化的快速結(jié)晶潛熱攜帶氬氣流場。使熱系統(tǒng)內(nèi)總是充滿最新鮮的低溫氬氣，固化 隔熱材料作為保溫材料的應(yīng)用等。使用加熱器在于減小高溫熔體的熱對流，有利于結(jié)晶 甜沿的熔硅平穩(wěn)。保證摻鎵硅單晶!F/常生長。提高硅單晶質(zhì)量，結(jié)構(gòu)簡單合理，有廣泛 的應(yīng)用價值。


圖1為本發(fā)明直拉法生長摻鎵硅單晶的熱場裝置剖面示意圖。圖2為本發(fā)明導(dǎo)流筒部件示意圖。圖3為本發(fā)明導(dǎo)流筒部件安裝示意圖。圖4為本發(fā)明加熱器示意圖。圖5為本發(fā)明石墨坩堝示意圖。圖6為本發(fā)明保溫材料安裝示意圖。圖7為本發(fā)明爐底護盤示意圖。圖8為本發(fā)明加熱器安裝示意圖。
具體實施方式
本發(fā)明涉及到測定摻鎵硅單晶的典型物理參數(shù)的設(shè)備為導(dǎo)電類型采用冷熱探針法測得；晶向使用YX-ZH8晶向檢測儀采用 GB/T11553-1997標(biāo)準(zhǔn)測得；電阻率；使用廣州半導(dǎo)體所的SDY-3電阻率測試儀器采用
GB/T1553-1997標(biāo)準(zhǔn)測得；間隙氧含量使用N1C0LET — 5700儀器，采用GB/T11553-1997 標(biāo)準(zhǔn)測得；替位碳含量使用N1C0LET — 5700儀器，采用GB/T11553-1997 標(biāo)準(zhǔn)測得；非平衡少子壽命使用K-720LH-2儀器，采用GB/Ti553-1997標(biāo)準(zhǔn)測得；位錯 密度采用GBT11553-1997標(biāo)準(zhǔn)測得。如圖所示，l是晶轉(zhuǎn)方向，2是籽晶，3是單晶硅棒，4是單晶爐爐體，5是石英 坩堝，6是石墨坩堝(a是多晶硅b是鎵)，7是導(dǎo)流筒，8是熔硅，9是加熱器，10 是石墨堝桿，11是排氣孔，12是上保溫蓋碳氈，13是上保溫蓋，14是石墨上托盤，15 是固化保溫碳氈，16是石墨保溫筒，17是石墨下托盤，18是固化爐底護盤，19是堝轉(zhuǎn) 方向。本發(fā)明是在爐膛內(nèi)徑為cj)=620mm單晶爐內(nèi)安裝以加熱器9為核心的復(fù)合式熱裝 置，加熱器外圍15mm處安裝石墨保溫筒16，石墨保溫筒16外面安裝固化保溫碳氈15。 石墨保溫筒16座落在固化爐底護盤18上的石墨下托盤17的子口內(nèi)，石墨保溫筒16上 沿也被石墨上托盤14的下子口定位，導(dǎo)流筒7上沿由在石墨上托盤14的上子口定位， 上保溫蓋13也由石墨上托盤14的上面外子口定位。石墨堝桿10支撐石墨柑堝6，石英 坩堝5座落在石墨坩堝6內(nèi)，石英坩堝5上沿需高出石墨坩堝6上沿20 mm(20 25 mm 均可)。所述的加熱器按32等分開瓣，電極位置不開縫，實際為30瓣?？p寬10mm，開縫 高度285mm。加熱器外徑495mm，內(nèi)徑458mm,電極開孔間距320mm。所述的加熱器有效高度在350mm范圍，加熱器總高度為480mm。本發(fā)明使用太陽能級的塊狀多晶硅(B《0. lppba,D《0.9ppba,C《0.5ppma),鎵(純 度99.9999%)是由中國有色金屬研究總院生產(chǎn)。本發(fā)明直拉法生長摻鎵硅單晶的方法包括裝料、加熱、拉晶等步驟具體步驟第一步按常規(guī)方法將單晶爐清爐，抽真空，真空泄漏率達到1Pa/3分鐘,并確認無 故障時，開爐、裝料(42公斤多晶硅和1.6克鎵)，并將鎵放至石英堝內(nèi)多晶硅原料的中 心部位。充氬氣至爐壓2000Pa。第二步低堝位化料，堝轉(zhuǎn)為零，待確認化料中塌料后，將堝轉(zhuǎn)方向調(diào)至1轉(zhuǎn)/分鐘， 化料完畢，熔硅溫度150(TC。第三步化料完畢，加熱功率電控歐路切入自動，降溫至液面有過冷度，待熔硅溫 度穩(wěn)定30分鐘后，將籽晶降至距熔硅液面90mm處預(yù)熱30分鐘，開始下降引細徑，此時 晶轉(zhuǎn)調(diào)至7轉(zhuǎn)，浸熔30分鐘后提拉，拉速為5.5腦/分鐘，細徑長度不小于160mm，直 徑^2mm 3mm。第四步轉(zhuǎn)肩拉速2.4mm/分鐘，轉(zhuǎn)肩1/2后拉速調(diào)至1. 2mm/分鐘。第五步等徑生長，爐壓調(diào)至2500Pa，拉速0. 9mm/分鐘，氬氣流速調(diào)至25L/h，晶轉(zhuǎn)在6 30轉(zhuǎn)/分鐘內(nèi)調(diào)節(jié)，調(diào)堝位保持導(dǎo)流筒下沿與液面之問距離15mm，堝轉(zhuǎn)在10轉(zhuǎn)/分鐘，按常規(guī)工藝調(diào)節(jié)、收尾和冷卻。實驗測定結(jié)果投料量42公斤的①16"熱場裝置下生長的①150mm， P型〈100〉晶向，硅單晶棒的電阻率，頭部P《3Q cm，尾部P^0.5Q cm。間隙氧含量為[Oi]《17. 5ppma,替位碳含量為[Cs]《0. 5ppma，非平衡少子壽命t》150 u s,位錯密度EPD《500/cm2 。
權(quán)利要求
1、一種直拉法生長摻鎵硅單晶的方法，包括裝料、加熱、拉晶，其特征在于按常規(guī)方法在單晶爐中裝料，并將鎵放至石英堝內(nèi)多晶硅原料的中心部位；化料，待熔硅溫度穩(wěn)定，降籽晶，下降引細徑，晶轉(zhuǎn)提拉，拉速為1.5～6.5mm/分鐘，細徑長度不小于160mm，直徑≤3mm；轉(zhuǎn)肩拉速1.6～2.6mm/分鐘，轉(zhuǎn)肩1/2后拉速調(diào)至1.2mm/分鐘；等徑生長，控制爐室壓力、晶體的拉速、氬氣流速和晶轉(zhuǎn)，調(diào)堝位保持導(dǎo)流筒下沿與液面之間距離和堝轉(zhuǎn)，按常規(guī)工藝調(diào)節(jié)、收尾和冷卻。
2、 一種直拉法生長慘鎵硅單晶的方法，包括裝料、加熱、拉晶，其特征在于具體步驟包括1) 按常規(guī)方法將單晶爐清爐，抽真空，保證真空泄漏率《1Pa/3分鐘，并確認無故障 時，開爐、裝料，并將鎵放至石英堝內(nèi)多晶硅原料的中心部位，充氬氣至爐壓1900 Pa 2000Pa;2) 低堝位化料，堝轉(zhuǎn)為零，待確認化料中塌料后，將堝轉(zhuǎn)方向調(diào)至1 2轉(zhuǎn)/分鐘，化 料完畢，熔硅溫度達1420。C 150(TC;3) 化料完畢，加熱功率電控歐路切入自動，降溫至液面有過冷度，待熔硅溫度穩(wěn)定 30 35分鐘后，將籽晶降至距熔硅液面90 100mm處預(yù)熱25 30分鐘，下降引細徑，此 時晶轉(zhuǎn)調(diào)至5 8轉(zhuǎn)/分鐘，浸熔30 35分鐘后提拉，拉速為1.5 6.5mm/分鐘，細徑長 度不小于160mm，直徑《3mm;4) 轉(zhuǎn)肩拉速，轉(zhuǎn)肩拉速1. 6 2. 6mm/分鐘，轉(zhuǎn)肩1/2后拉速調(diào)至1. 2醒/分鐘；5) 等徑生長，控制爐室壓力、晶體的拉速、氬氣流速和晶轉(zhuǎn)，調(diào)堝位保持導(dǎo)流筒下 沿與液面之間距離和堝轉(zhuǎn)，按常規(guī)工藝調(diào)節(jié)、收尾和冷卻。
3、 按照權(quán)利要求2所述的直拉法生長摻鎵硅單晶的方法，其特征在于在進行引徑、 縮徑、放肩、等徑，利用導(dǎo)流筒的角度將爐內(nèi)氬氣流直吹晶錠外徑與熔硅接觸處，即結(jié) 晶前沿。
4、 按照權(quán)利要求2所述的直拉法生長摻鎵硅單晶的方法，其特征在于步驟1)所述 的充氬氣是將氬氣流量增常規(guī)工藝流量的一倍。
5、 按照權(quán)利要求2所述的直拉法生長摻鎵硅單晶的方法，其特征在于步驟2)所述 的化料完畢后，導(dǎo)流筒下沿與熔硅液面之間的距離調(diào)至25mm。
6、 按照權(quán)利要求2所述的直拉法生長摻鎵硅單晶的方法，其特征在于步驟5)所述 的晶轉(zhuǎn)在6 30轉(zhuǎn)/分鐘內(nèi)調(diào)節(jié)。
7、 按照權(quán)利要求2所述的直拉法生長慘鎵硅單晶的方法，其特征在于步驟5)所述 的晶體的拉速在0.8 1.1mm/min范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。
8、 按照權(quán)利要求2所述的直拉法生長摻鎵硅單晶的方法，其特征在于步驟6)所述 的坩堝的轉(zhuǎn)速在3 10轉(zhuǎn)/分鐘內(nèi)調(diào)節(jié)；導(dǎo)流筒下沿與液面之間距離5 25mm。
9、 按照權(quán)利要求2所述的直拉法生長摻鎵硅單晶的方法，其特征在于步驟5)所述 的控制爐室壓力是在2200Pa 2500pa，按通常的方法在氬氣氛下生長摻鎵硅單晶。
10、 一種直拉法生長摻鎵硅單晶的裝置，其特征在于該裝置包括單晶爐、加熱器、導(dǎo)流筒、石英坩堝、石墨坩堝、保溫蓋、保溫筒、托盤、固化保溫碳氈、固化爐底護 盤和排氣孔；所述的單晶爐爐膣內(nèi)安裝加熱器，加熱器外圍處安裝石墨保溫筒，保溫筒外面安裝 固化保溫碳氈；石墨保溫筒座落在固化爐底護盤上的石墨下托盤的子口內(nèi)，石墨保溫筒 上沿也被石墨上托盤的下子口定位，導(dǎo)流筒上沿由在石墨上托盤的上子口定位，上保溫 蓋由石墨上托盤的上面外子口定位。石墨堝桿支撐石墨坩堝，石英坩堝座落在石墨柑堝 內(nèi)，石英坩堝上沿高出石墨坩堝上沿。
11、 按照權(quán)利要求10所述的直拉法生長摻鎵硅單晶的裝置，其特征在于所述的加熱 器外圍15mm處安裝石墨保溫筒，所述的石英坩堝上沿高出石墨坩堝上沿20 25mm。
12、 按照權(quán)利要求IO或ll所述的直拉法生長慘鎵硅單晶的裝置，其特征在于所述 的加熱器按32等分開瓣，電極位置不開縫，實際為30瓣?？p寬10mm，開縫高度285mm。 加熱器外徑495mm，內(nèi)徑458mm，電極開孔間距320mm。
13、 按照權(quán)利要求IO或11所述的直拉法生長摻鎵硅單晶的裝置，其特征在于所述 的加熱器有效高度在330 375mm范圍，加熱器總高度為480mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種直拉法生長摻鎵硅單晶的方法和裝置。該裝置是專門用于生長摻鎵硅單晶熱場裝置。單晶爐中裝料，降籽晶，下降引細徑，晶轉(zhuǎn)提拉，等徑生長，控制壓力、拉速、氬氣流速和晶轉(zhuǎn)，調(diào)堝位保持導(dǎo)流筒下沿與液面之間的距離和堝轉(zhuǎn)，按常規(guī)工藝調(diào)節(jié)、收尾和冷卻；其中細徑拉速為1.5～6.5mm/分鐘，細徑長度不小于160mm，細徑直徑≤3mm；轉(zhuǎn)肩拉速1.6～2.6mm/分鐘，轉(zhuǎn)肩1/2后拉速調(diào)至1.2mm/分鐘。本發(fā)明
文檔編號C30B29/06GK101148777SQ20071005831
公開日2008年3月26日 申請日期2007年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月19日
發(fā)明者麗 任, 任丙彥 申請人:任丙彥