CN101724899B - 少子寿命大于等于1000微秒的n型太阳能硅单晶生长工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种少子寿命大于等于1000微秒的N型太阳能硅单晶生长工艺。外型6～8英寸，<100>晶向、电阻率范围为1～20Ω·cm、表皮及截面少数载流子寿命≥1000μs，间隙氧含量为[Oi]≤17.5ppma，替位碳含量为[Cs]≤0.5ppma。以磷掺杂的块状多晶硅为原料制备，包括：装料、加热、引径、等径、收尾、冷却，程序升温稳态加热化料，待熔硅内部热场稳定后，开始引细径，提单晶尾部至导流筒上沿，冷却时间不大于3小时。本发明晶体生长方法实用、效率高、成本低，能够以CZ法制得N型单晶硅从头部至尾部完全大于等于1000微秒，为高效太阳能电池的提高效率创造了工业化的基础。
Description
技术领域
本发明涉及直拉法生长N型硅单晶的工艺，特别是一种晶体整体(含表面)少子寿命大于等于1000微秒的N型太阳能单晶生长工艺，在晶体生长工艺中提高N型硅单晶的少子寿命，使其远高于普通方法制得的N型硅单晶。
技术背景
半导体工业所用的硅单晶，几乎90％是用CZ法生长的。常规方法制得的N型硅单晶，头尾表皮寿命不能达到1000μs(多数介于900～20μs之间，以BCT～300型Sintonconsulting lifetime tester测试)，其头尾截面寿命也不能全部达到高于1000μs。通常截面寿命中心高，边缘很低，达20～5μs(目前国内外测量方法实际报测值为中心寿命值)。硅单晶寿命与电池转换效率是强烈对应的正比关系。晶硅太阳能电池片的转换效率为截面效率积分的平均值，因此仅中心高而边缘低不足以提高整片电池的转换效率，为进一步提高转换效率必须使截面少子寿命全面提高。
国内外未见有关于直拉法生长N型高寿命(表皮及截面少数载流子寿命高于1000μs)硅单晶的报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种少子寿命大于等于1000微秒的N型太阳能硅单晶生长工艺，采用直拉法生长N型高寿命硅单晶，可以解决N型直拉硅单晶寿命低的难题。本发明晶体生长方法实用、效率高、成本低，能够以CZ法制得N型的太阳能级硅单晶，能满足高效太阳能电池的要求。
本发明提供的直拉法生长N型高寿命硅单晶棒：<100>晶向、电阻率范围为1～20Ω·cm、表皮及截面少数载流子寿命≥1000μs。间隙氧含量为[Oi]≤17.5ppma，替位碳含量为[Cs]≤0.5ppma；外型6～8英寸。
本发明提供的直拉法生长N型高寿命硅单晶棒生长工艺是以磷掺杂的块状多晶硅为原料按下述的具体工艺步骤，包括：在单晶炉中装料，将掺杂剂放置在石英埚内多晶硅原料的以下部位(10mm)，程序升温稳态加热化料，待熔硅内部热场稳定后，开始进行加热、引径、转肩、等径、提单晶尾部至导流筒上沿，停止加热、冷却。工艺参数：
拉速为0.1～10mm/分钟，细径长度大于100mm小于160mm；转肩拉速0.5～3.1mm/分钟，等径过程控制炉室压力为1200～2800Pa、晶转为1～8转/分、埚转0.5～7转/分钟，冷却时间不大于3小时。
本发明提供的少子寿命大于等于1000微秒的N型太阳能单晶生长工艺具体步骤包括：
1)抽真空，保证真空泄漏率≤1/4Pa/分钟，装料，将大块多晶硅贴近石英坩埚小块多晶放于中心并将掺杂剂放至石英埚内多晶硅原料的10mm以下部位，充入氩气，抽真空并充氩气至炉压1200Pa～2800Pa；
2)中低埚位化料，程序升温至1420℃～1500℃；升温速率为约10℃/分钟；
3)30～35分钟后，以拉速0.1～10mm/分钟引细径，细径长度大于100mm小于160mm；
4)转肩拉速，转肩拉速0.5～3.1mm/分钟，转肩1/2后拉速调至1.2mm/分钟；
5)等径过程控制炉室压力为1200～2800Pa、晶转为1～8转/分、埚转0.5～7转/分钟，收尾停加热，提单晶尾部至导流筒上沿，冷却时间3小时以内。
本发明提供了少子寿命大于等于1000微秒的N型太阳能单晶生长工艺，可以解决直拉单晶寿命低的难题。本发明晶体生长方法实用、效率高、成本低，能够以CZ法制得N型、<100>晶向、电阻率范围为1～20Ω·cm、表皮及截面少数载流子寿命≥1000μs的太阳能级硅单晶，能满足高效太阳能电池的要求。
附图说明
图1是直拉单晶炉热系统装置示意图。
图2少子寿命测试过程与结果。
图3本发明所得6英寸单晶与常规方法单晶少子寿命对比。
图4本发明所得8英寸单晶与常规方法单晶少子寿命对比。
图5本发明使用的单晶硅炉的导流筒示意图，(m)导流筒a，(n)导流筒b。
具体实施方式
实施例1
依本发明制作6英寸单晶
本发明使用太阳能用四级的块状多晶硅(市售)，磷掺杂剂(颗粒状低阻磷单晶，直拉法生长的低电阻率单晶，在室温下，电阻率为0.001～0.005Ω·cm)。电阻率测定设备为广州半导体所生产的HDY～4型四探针测试仪。
本发明使用的单晶硅炉的结构如图1所示，1～提拉；2～籽晶；3～成品单晶；4～导流筒a；5～石英坩埚；6～石墨坩埚；7～导流筒b；8～熔融硅；9～加热器；10～埚杆；11～排气孔；12～上盖；13～成型毡；14～保温筒；15～保温毡。其中，4～导流筒a、7～导流筒b、11～排气孔与已公开的常规设备不同，导流筒采用分级(2级)定位式，排气孔均匀分布于下炉筒两侧，见图5。
本发明提供的晶体表面少子寿命大于等于1000微秒的N型太阳能单晶生长工艺主要包括装料、加热、拉晶等步骤：
第一步：按常规方法将单晶炉清炉，抽真空，真空泄漏率小于等于1/4Pa/分钟，开炉、装料(60公斤多晶硅和3.1克0.001～0.005Ω·cm的掺杂剂)，并将掺杂剂放至石英埚内(多晶硅原料的10mm以下部位)，充氩气至炉压2000Pa。
第二步：低埚位化料，埚转为1转/分钟，程序升温至1420℃～1500℃；升温速率为约10℃/分钟，待确认化料完毕后，将埚转速率调至2转/分钟。
第三步：化料完毕，降温至液面过冷，待熔硅温度稳定30分钟后，开始下降引细径，此时晶转速率调至2转，浸熔30分钟后提拉，拉速为2.5mm/分钟，细径长度大于100mm小于160mm，细径直径为3mm～5mm。
第四步：转肩拉速2.4mm/分钟，转肩1/2后拉速调至1.2mm/分钟。
第五步：等径生长，炉压调至2500Pa，拉速0.9mm/分钟，氩气流速调至20～100L/h，晶转在1～8转/分钟内调节，埚转在0.5～7转/分钟，收尾停加热，提单晶尾部至导流筒上沿，冷却时间3小时以内。
实施例得到的硅单晶用YX～H8型X射线定向仪测试晶向；用SDY～4型四探针测试仪测量电阻率；用Nicolet 6700型FTIR测试氧碳含量；BCT～300型Sinton consulting lifetimetester测试少数载流子寿命；
具有代表性实验测定结果实例之一：
投料量60公斤的Φ18″热场装置下生长的Φ6″，N型<100>晶向，硅单晶棒的电阻率，头部ρ≤20Ω·cm，尾部ρ≥1Ω·cm。间隙氧含量为[Oi]≤17.5ppma，替位碳含量为[Cs]≤0.5ppma，非平衡少子寿命τ≥1000μs。
少子寿命测试结果如图2所示(a)是少子寿命测试条件，(b)是少子寿命测试结果；本发明与常规工艺(直拉硅行业常用工艺)制得单晶寿命对比详见图3，(a)6英寸是整根单晶表皮寿命对比，(b)是6英寸单晶头部样片中心到边缘寿命对比，(c)是6英寸单晶尾部样片中心到边缘寿命对比。
实施例2
具有代表性实验测定结果实例之二：以相同的工艺条件制得Φ8″单晶。
投料量90公斤的Φ20″热场装置下生长的Φ8″，N型<100>晶向，硅单晶棒的电阻率，头部ρ≤20Ω·cm，尾部ρ≥1Ω·cm。间隙氧含量为[Oi]≤17.5ppma，替位碳含量为[Cs]≤0.5ppma，非平衡少子寿命τ≥1000μs。
少子寿命测试结果如图2所示(a)是少子寿命测试条件，(b)是少子寿命测试结果；本发明与常规工艺(直拉硅行业常用工艺)制得Φ8″单晶寿命对比详见图4，(a)是8英寸整根单晶表皮寿命对比，(b)是8英寸单晶头部样片中心到边缘寿命对比，(c)是8英寸单晶尾部样片中心到边缘寿命对比。
Claims (5)
1.一种直拉法生长N型硅单晶棒，其特征在于：<100>晶向、电阻率范围为1～20Ω·cm、表皮及截面少数载流子寿命≥1000μs，间隙氧含量为[Oi]≤17.5ppma，替位碳含量为[Cs]≤0。5ppma。
2.按照权利要求1所述的直拉法生长N型硅单晶棒，其特征在于它的外型为6英寸或8英寸。
3.权利要求1所述的直拉法生长N型硅单晶棒的生长工艺，其特征在于：它是以磷掺杂的块状多晶硅为原料，按下述的具体工艺步骤，在单晶炉中装料，将掺杂剂放置在石英埚内多晶硅原料的10mm以下部位，程序升温稳态加热化料，待熔硅内部热场稳定后，开始进行加热、引径、转肩、等径、晶转、埚转、提单晶尾部至导流筒上沿，停止加热、冷却；工艺参数为：拉速为0.1～10mm/分钟，细径长度大于100mm小于160mm；转肩拉速0.5～3.1mm/分钟，等径过程控制炉室压力为1200～2800Pa，晶转为1～8转/分，埚转0.5～7转/分钟，冷却时间不大于3小时；所述的磷掺杂剂电阻率为0.001～0.005Ω·cm ；所述的多晶硅为太阳能用四级的块状多晶硅；所述的掺杂剂电阻率为0.001～0.005Ω·cm。
4.一种少子寿命大于等于1000微秒的N型太阳能单晶生长工艺，其特征在于它是经过下述步骤：
1)抽真空，保证真空泄漏率≤1/4Pa/分钟，装料，将大块多晶硅贴近石英坩埚小块多晶放于中心，并将掺杂剂放至石英埚内多晶硅原料的10mm以下部位，充入氩气，抽真空并充氩气至炉压1200Pa～2800Pa；
2)中低埚位化料，程序升温至1420℃～1500℃；
3)30～35分钟后，以拉速0.1～10mm/分钟引细径，细径长度大于100mm小于160mm；
4)转肩拉速，转肩拉速0.5～3.1mm/分钟，转肩1/2后拉速调至1.2mm/分钟；
5)等径过程控制炉室压力为1200～2800Pa，晶转为1～8转/分，埚转0.5～7转/分钟，收尾停加热，提单晶尾部至导流筒上沿，冷却时间3小时以内；所述的多晶硅为太阳能用四级的块状多晶硅；所述的掺杂剂电阻率为0.001～0.005Ω·cm。
5.按照权利要求4所述的生长工艺，其特征在于：步骤2)中所述的升温速率为10℃/分钟。
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