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
技術領域：
本發明涉及摻鎵直拉硅單晶的制備技術，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。技術背景國內外有不少關于摻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律，稀有金屬材料與工程，2005， 6， 920-923.)利用二次離子質譜分析、薄層電阻測量方法，對Ga在Si02/Si系下的擴散特 性、硅表面及體內分布進行了裝置研究，并得出結論。日本也有慘鎵硅單晶的生產方法, 為了改進摻鎵的硅單晶在拉軸方向的電阻率分布和生產具有統一的電阻率的硅單晶，提 出了一種基于直拉法生產摻鎵硅單晶的方法，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非常小k0 =0.08 (而硼在硅中的分凝系數為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，只能有一少部分應用 于太陽能電池制作。美國專利(US 6， 815， 605)雖然報道了有關摻鎵硅單晶的生產方 法，但它是用一種原晶和熔化的硅聯合并且被循環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備原晶而且循環拉制， 工藝復雜成本高，并且拉出晶錠的縱向電阻率范圍大，不能工業化推廣。發明內容本發明的目的是提供一種直拉法生長摻鎵硅單晶的方法，可以克服現有技術的缺點。 本發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，它是對現有直拉法生 長單晶裝置的改進。本發明提供了一種專門用于生長摻鎵硅單晶的熱場裝置，晶轉堝轉拉 速組合,多層高度隔熱的漏斗型熱屏,形成優化的快速結晶潛熱攜帶氬氣流場。使熱場系統 內充滿氬氣，保護摻鎵硅單晶生長，提高硅單晶質量，結構簡單合理，有廣泛的應用價值。本發明提供的直拉法生長摻鎵硅單晶的方法包括裝料、加熱、拉晶等歩驟按常規方法在單晶爐中裝料，并將鎵放至石英堝內多晶硅原料的中心部位；化料， 待熔硅溫度穩定，降籽晶，下降引細徑，晶轉提拉；等徑生長，控制爐室壓力、晶體的 拉速、氬氣流速和晶轉，調堝位保持導流筒下沿與液面之間距離和堝轉，按常規工藝調 節、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;轉肩拉速1. 6 2. 6mm/分鐘，轉肩1/2后拉速調至1. 2mm/分鐘。
本發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，堝轉為零，待確認化料中塌料后，將堝轉方向調至l 2轉/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，待熔硅溫度穩定 30 35分鐘后，將籽晶降至距熔硅液面90 100mm處預熱25 30分鐘，開始下降引細徑， 此時晶轉調至5 8轉/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) 轉肩拉速，轉肩拉速1. 6 2. 6誦/分鐘，轉肩1/2后拉速調至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，調堝位保持導流筒下沿 與液面之間的距離和堝轉，按常規工藝調節、收尾和冷卻。所述的引徑、縮徑、放肩、等徑，利用導流筒的角度將爐內氬氣流直吹晶錠外徑與 熔硅接觸處，即結晶前沿。步驟1 )所述的充氬氣是將氬氣流量調至常規工藝流量的一倍。氬氣流速可調至20 35L/h。步驟2)所述的化料完畢后，導流筒下沿與熔硅液面之間的距離調至25mm。 歩驟5)所述的晶轉在6 30轉/分鐘內調節。 步驟5)所述的晶體的等徑拉速在0.8 1.1mm/分鐘范圍內調節。 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)所述的坩堝的轉速在3 10轉/分鐘內調節。導流筒下沿與液面之間的距離 是5 25mm。本發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摻鎵硅單晶的熱場 裝置。本發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。本發明是采用通用的單晶爐(例如，爐膛內徑為ct^620 700mm)的爐膛內安裝適 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，石墨保溫筒上沿也被石墨上 托盤的下子口定位，導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，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。縫寬10mm，開縫 高度285mm。加熱器外徑495mm,內徑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倍的優質 單晶硅，艮卩P =0.5 Q cm 3 Q cm。由于鎵的分凝系數很小kG = 0.08，而且易揮發，電阻率極難控制。使用本發明的特 制導流筒，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 且氬氣導流的方向直吹結晶前沿使結晶潛熱散發迅速可改善結晶。導流筒下沿放置距液 面5 25cm，克服了爐內氬氣流場的湍流現象。另外，本發明的晶轉、堝轉和拉速的配比 也保證了硅中鎵在非正常分凝下進入品體。用本發明生長的摻鎵硅單晶的物理參數為導電類型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。使用特定熱裝置和特定工藝生產，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，為高效太陽能電池的提高效率并抑制效率衰 減創造了工業化的基礎。本發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。本發明提供的直拉法生長摻鎵硅單晶的裝置是對現有直拉法生長單晶裝置的明顯改 進。晶轉堝轉拉速組合，導流筒充分引導氬氣的定向流動，多層高度隔熱的漏斗型熱屏， 形成優化的快速結晶潛熱攜帶氬氣流場。使熱系統內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用等。使用加熱器在于減小高溫熔體的熱對流，有利于結晶 甜沿的熔硅平穩。保證摻鎵硅單晶!F/常生長。提高硅單晶質量，結構簡單合理，有廣泛 的應用價值。
圖1為本發明直拉法生長摻鎵硅單晶的熱場裝置剖面示意圖。圖2為本發明導流筒部件示意圖。圖3為本發明導流筒部件安裝示意圖。圖4為本發明加熱器示意圖。圖5為本發明石墨坩堝示意圖。圖6為本發明保溫材料安裝示意圖。圖7為本發明爐底護盤示意圖。圖8為本發明加熱器安裝示意圖。
具體實施方式
本發明涉及到測定摻鎵硅單晶的典型物理參數的設備為導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標準測得；電阻率；使用廣州半導體所的SDY-3電阻率測試儀器采用
GB/T1553-1997標準測得；間隙氧含量使用N1C0LET — 5700儀器，采用GB/T11553-1997 標準測得；替位碳含量使用N1C0LET — 5700儀器，采用GB/T11553-1997 標準測得；非平衡少子壽命使用K-720LH-2儀器，采用GB/Ti553-1997標準測得；位錯 密度采用GBT11553-1997標準測得。如圖所示，l是晶轉方向，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 方向。本發明是在爐膛內徑為cj)=620mm單晶爐內安裝以加熱器9為核心的復合式熱裝 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，石墨保溫筒16上 沿也被石墨上托盤14的下子口定位，導流筒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，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。縫寬10mm，開縫 高度285mm。加熱器外徑495mm，內徑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。本發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，堝轉為零，待確認化料中塌料后，將堝轉方向調至1轉/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 度穩定30分鐘后，將籽晶降至距熔硅液面90mm處預熱30分鐘，開始下降引細徑，此時 晶轉調至7轉，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。第四步轉肩拉速2.4mm/分鐘，轉肩1/2后拉速調至1. 2mm/分鐘。第五步等徑生長，爐壓調至2500Pa，拉速0. 9mm/分鐘，氬氣流速調至25L/h，晶轉在6 30轉/分鐘內調節，調堝位保持導流筒下沿與液面之問距離15mm，堝轉在10轉/分鐘，按常規工藝調節、收尾和冷卻。實驗測定結果投料量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，其特征在于按常規方法在單晶爐中裝料，并將鎵放至石英堝內多晶硅原料的中心部位；化料，待熔硅溫度穩定，降籽晶，下降引細徑，晶轉提拉，拉速為1.5～6.5mm/分鐘，細徑長度不小于160mm，直徑≤3mm；轉肩拉速1.6～2.6mm/分鐘，轉肩1/2后拉速調至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，調堝位保持導流筒下沿與液面之間距離和堝轉，按常規工藝調節、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，堝轉為零，待確認化料中塌料后，將堝轉方向調至1 2轉/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，待熔硅溫度穩定 30 35分鐘后，將籽晶降至距熔硅液面90 100mm處預熱25 30分鐘，下降引細徑，此 時晶轉調至5 8轉/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) 轉肩拉速，轉肩拉速1. 6 2. 6mm/分鐘，轉肩1/2后拉速調至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，調堝位保持導流筒下 沿與液面之間距離和堝轉，按常規工藝調節、收尾和冷卻。
3、 按照權利要求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，利用導流筒的角度將爐內氬氣流直吹晶錠外徑與熔硅接觸處，即結 晶前沿。
4、 按照權利要求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工藝流量的一倍。
5、 按照權利要求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，導流筒下沿與熔硅液面之間的距離調至25mm。
6、 按照權利要求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 的晶轉在6 30轉/分鐘內調節。
7、 按照權利要求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范圍內調節。
8、 按照權利要求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 的坩堝的轉速在3 10轉/分鐘內調節；導流筒下沿與液面之間距離5 25mm。
9、 按照權利要求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，石墨保溫筒 上沿也被石墨上托盤的下子口定位，導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，石英坩堝上沿高出石墨坩堝上沿。
11、 按照權利要求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。縫寬10mm，開縫高度285mm。 加熱器外徑495mm，內徑458mm，電極開孔間距320mm。
13、 按照權利要求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，晶轉提拉，等徑生長，控制壓力、拉速、氬氣流速和晶轉，調堝位保持導流筒下沿與液面之間的距離和堝轉，按常規工藝調節、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；轉肩拉速1.6～2.6mm/分鐘，轉肩1/2后拉速調至1.2mm/分鐘。本發明
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 優先權日2007年7月19日
發明者麗 任, 任丙彥 申請人:任丙彥