直拉法生长P型高寿命掺硼硅单晶的方法

摘要

本发明涉及一种直拉法生长P型高寿命掺硼硅单晶的方法。该方法是专门用于生长P型高寿命硅单晶直拉硅单晶生长法。本发明在投料量70～90公斤的Φ20″热装置下生长的Φ150-200mm，P硅单晶的电阻率为3-20Ω·cm，寿命值大于300微秒。本发明对晶体少子寿命的提高不仅表明微观晶格完整性的大大改善而且表明晶体生长中杂质对晶棒沾污和扩散污染大大减少。若将该P型硅片用于太阳能发电可大大提高光电转换效率，若用于集成电路衬底可大大提升产品的相关品质参数。本发明不仅使晶棒的整体少子寿命大大提高，而且断面少子寿命分布趋于均匀，实现单晶硅晶格高完整性和高纯度的产品升级，应用广泛。

说明书

技术领域

本发明涉及一种直拉法生长P型高寿命掺硼硅单晶的方法，具体是直拉法生长P型(掺杂硼)、<100>晶向、电阻率3-20Ω·cm高寿命硅单晶的方法。在实施本发明工艺的条件下，不仅使晶棒的整体少子寿命大大提高，而且断面少子寿命分布趋于均匀，实现单晶硅晶格高完整性和高纯度的产品升级，较常规工艺有很大发展。本发明对晶体少子寿命的提高不仅表明微观晶格完整性的大大改善而且表明晶体生长中杂质对晶棒沾污和扩散污染大大减少。若将该P型(掺杂硼)硅片用于太阳能发电可大大提高光电转换效率，若用于集成电路衬底可大大提升产品的相关品质参数，意义重大。

背景技术

国内外未见有关于直拉法生长P<100>(掺杂硼)、电阻率3-20Ω·cm、整根单晶硅棒(包括晶棒中心及表面)少子寿命均大于300微秒的报道。

常规方法制取的P<100>硅单晶棒有如下特征：整体少子寿命偏低(单晶头尾表皮寿命不能达到300微秒，多数小于50微妙)；晶棒断面少子寿命分布不均匀(晶棒表面或晶棒断面边缘远低于中心)。

CN 200710058315.1公开了直拉法生长掺镓硅单晶的方法和装置。掺镓P型(掺杂硼)<100>晶向硅单晶直拉法生长装置和工艺，在晶体生长工艺中压缩晶锭的纵向电阻率分布范围，结果表明可使整根掺镓硅单晶的电阻率从头部至尾部完全分布在电池制作所需的电阻率范围之内。使用特定热装置和特定工艺生产，在投料量42～45公斤的Φ16″热场装置下生长的Φ150mm，P型(掺杂硼)<100>晶向硅单晶的电阻率，可以控制在0.5～3Ω·cm范围之内，为高效太阳能电池的提高效率并抑制效率衰减创造了工业化的基础。

发明内容

本发明的目的是提供一种优化的直拉法生长P<100>、电阻率3-20Ω·cm、直径150-200mm、整根硅单晶寿命大于300微秒的生长工艺，实现单晶硅晶格高完整性和高纯度的产品升级。本发明对晶体少子寿命的提高不仅表明微观晶格完整性的大大改善而且表明晶体生长中杂质对晶棒沾污和扩散污染大大减少。将该P型(掺杂硼)硅片用于太阳能发电可大大提高光电转换效率。若用于集成电路衬底可大大提升产品的相关品质参数，具有重要经济效益和社会效益。

本发明提供的直拉法生长P型(掺杂硼)高寿命硅单晶的方法包括装料、加热、拉晶，单晶炉设备主要包括加热器、导流筒、坩埚、托盘、炉底护盘和排气孔等步骤：

其中，充氩气至炉压2500Pa～3500Pa，引细径拉速为6～17mm/分钟，细径长度不小于170mm，直径≤4mm。

本发明提供的直拉法生长P型(掺杂硼)高寿命硅单晶的方法的具体步骤包括装料、化料、拉晶：

1)按常规方法将单晶炉清炉并抽真空无误后装料，充氩气至炉压2500Pa～3500Pa。

2)降坩埚至石英坩埚上沿低于加热器上沿时开始加热化料，化料功率为900-2500kw。

3)化料完毕，降温至液面有过冷度，待熔硅温度稳定后，降籽晶至高于液面120～150mm处预热30～40分钟。引细径，晶转1～8转/分钟，浸熔25～40分钟后提拉，拉速6～17mm/分钟，细径长度不小于170mm，直径≤4mm。

4)等径生长，控制炉室压力2500Pa～3500Pa，控制晶体的拉速、氩气流速、晶转和埚转，调埚位保持导流筒下沿与液面之间的距离，按常规工艺调节、收尾和冷却。

所述的拉晶过程，利用导流筒的角度将炉内氩气流直吹晶锭外径与熔硅接触处，即结晶前沿外围。

与常规工艺不同在于：

步骤1)所述的充氩气是将氩气流速调至20～100L/h以达到炉压2500Pa～3500Pa。

步骤2)所述的加热化料功率为1900-2500kw时坩埚转速为0.5转/分钟。

步骤3)所述的化料完毕后，导流筒下沿与熔硅液面之间的距离调至不大于35mm。

步骤4)所述的控制炉室压力在2500Pa～3500Pa是由控制氩气流量实现；所述的控制晶体拉速是在在等径过程中控制拉速范围为0.9-1.1mm/min；所述的控制氩气流速是在等径生长20mm处提升氩气至30-100L/h；所述的控制晶转为5-14转/分钟；所述的控制埚转为控制等径埚转为0.5-1转/分钟；所述的调埚位目的为保证融硅至导流筒距离为不大于35mm的一个恒定值。

本发明使用的多晶硅参数不得低于太阳能级，其纯度要求为：B≤0.1ppba，D≤0.9ppba，C≤0.5ppma。硼掺杂剂纯度为9-11N。单晶硅材料中的原子个数为0.5*10²³个/立方厘米。

本发明不仅使晶棒的整体少子寿命大大提高，而且断面少子寿命分布趋于均匀，实现单晶硅晶格高完整性和高纯度的产品升级，较常规工艺有很大发展。本发明除晶棒少子寿命呈现与常规工艺相同的头高尾低规律外，与常规工艺相比本发明所得单晶棒有如下特点：相同生产条件下，本发明所得单晶棒少子寿命是常规工艺所得单晶的5-10倍；晶棒断面寿命分布比较均匀；晶棒表面寿命大于300微秒(单晶断面寿命仍保持中心略高于边缘的基本规律)。本发明对晶体少子寿命的提高不仅表明微观晶格完整性的大大改善而且表明晶体生长中杂质对晶棒沾污和扩散污染大大减少。若将该P型(掺杂硼)硅片用于太阳能发电可大大提高光电转换效率，若用于集成电路衬底可大大提升产品的相关品质参数，意义重大，应用广泛。

具体实施方式

实施例1

本发明直拉法生长P型(掺杂硼)高寿命硅单晶的方法包括装料、加热、拉晶等步骤：

1)按常规方法将单晶炉清炉，抽真空，真空泄漏率达到1Pa/3分钟，并确认无故障时，开炉、装料(80公斤hemlock产5级多晶硅(或质量更好者均可)，和0.2克电阻率为0.002ohm·cm的硼掺杂剂)，并将掺杂剂放至石英埚内，置入单晶炉(见CN 200710058315.1，直拉法生长掺镓硅单晶的方法和装置)内，充氩气至炉压2500Pa～3500Pa。

2)将坩埚降至石英坩埚的上沿低于加热器上沿时开始加热化料，化料功率为1900-2500kw。

3)化料完毕，降温至液面有过冷度，待熔硅温度稳定后，降籽晶至高于液面120～150mm处预热30～40分钟。引细径，晶转1～8转/分钟，浸熔25～40分钟后提拉，拉速6～17mm/分钟，细径长度不小于170mm，直径≤4mm。

4)等径生长，氩气流速调至20-100L/h，控制炉室压力2500Pa～3500Pa，控制晶体的拉速，氩气流速和晶转，调埚位保持导流筒下沿与液面之间的距离和埚转，按常规工艺调节、收尾和冷却。

实验测定结果(按什么标准测定GB/T 1551-2009)：

投料量80公斤的Φ20″热场装置下生长的Φ165mm，P型(掺杂硼)<100>晶向，硅单晶棒的电阻率，头部ρ≤6Ω·cm，尾部ρ≥3Ω·cm(或头部ρ≤18Ω·cm，尾部ρ≥6Ω·cm)。间隙氧含量为[Oi]≤18.5ppma，替位碳含量为[Cs]≤0.5ppma，非平衡少子寿命τ≥300微秒。