CN104131332A - 一种籽晶的铺设方法、准单晶硅片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种籽晶的铺设方法，用于铸造准单晶硅片，包括以下步骤：提供坩埚，在所述坩埚底部铺设目标籽晶，相邻两个目标籽晶之间留有缝隙，在所述缝隙中填充一个异向籽晶，所述目标籽晶和所述异向籽晶紧密接触铺满所述坩埚底部得到籽晶层；所述异向籽晶包括分别与相邻两个目标籽晶侧面接触的第一侧面和第二侧面，所述第一侧面和所述第二侧面分别与相邻目标籽晶接触的侧面构成的晶界类型一致，所述异向籽晶的生长面相对于所述目标籽晶的生长面为高指数晶面。通过在相邻两个目标籽晶之间的缝隙中填充异向籽晶，使位错以及位错的增殖优先产生在异向籽晶中，从而减少目标籽晶产生位错的几率；解决了现有技术制得的准单晶中位错较多的问题。

Description

一种籽晶的铺设方法、准单晶硅片及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种籽晶的铺设方法、准单晶硅片及其制备方法。

背景技术

目前准单晶的铸造方法主要包括无籽晶引晶和有籽晶引晶法，有籽晶引晶法是先将单晶籽晶铺设在石英坩埚底部，在熔化阶段保持籽晶不完全熔化，在单晶籽晶上进行引晶生长从而得到准单晶硅锭，在铺设籽晶时一般会保证籽晶形核面的生长晶向一致，但相邻籽晶的侧边接触面的晶向通常是随机的，在引晶生长过程中容易形成小角度晶界，小角度晶界不但在生长过程中成为了位错源，造成生长过程中位错的不断增殖，而且金属杂质容易在小角度晶界处富集和沉淀诱发二次位错源，降低了准单晶的晶体质量和单晶收益率；即使籽晶之间形成了大角度晶界，由于相邻籽晶侧边接触面的晶向不一致，即籽晶侧面法向的原子堆积密度不一致，生长应力对拼接缝两侧的侧面法向产生的应变是不同的，很容易造成在晶界上产生位错源，继而在生长过程中不断增殖产生大量的位错，这也会降低单晶区域的晶体质量。因此，如何减少准单晶中位错成为目前研究的重点。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明第一方面提供了一种籽晶的铺设方法，通过在相邻两个目标籽晶之间的缝隙中填充异向籽晶，使位错以及位错的增殖优先产生在异向籽晶中，从而减少目标籽晶产生位错的几率；解决了现有技术中准单晶中位错较多的问题；本发明还提供了一种准单晶硅片及其制备方法，该制备方法制得的准单晶硅片的晶体质量较好。

第一方面，本发明提供了一种籽晶的铺设方法，用于铸造准单晶硅片，包括以下步骤：

提供坩埚，在所述坩埚底部铺设目标籽晶，相邻两个目标籽晶之间留有缝隙，在所述缝隙中填充一个异向籽晶，所述目标籽晶和所述异向籽晶紧密接触铺满所述坩埚底部得到籽晶层；所述异向籽晶包括分别与相邻两个目标籽晶侧面接触的第一侧面和第二侧面，所述第一侧面和所述第二侧面分别与相邻目标籽晶接触的侧面构成的晶界类型一致，所述异向籽晶的生长面相对于所述目标籽晶的生长面为高指数晶面。

本发明第一方面通过在相邻两个目标籽晶之间的缝隙中填充异向籽晶，所述异向籽晶第一侧面和第二侧面与相邻的目标籽晶侧面构成的晶界类型相同，使得在生长过程中异向籽晶两端的晶界上承受的应力状态一致，同时由于异向籽晶在相同应力条件下优先产生晶格的滑移，降低目标籽晶产生位错的几率。所述异向籽晶的生长面相对于目标籽晶生长面为高指数晶面，所述异向籽晶的生长面的弹性模量较小，晶体滑移所需的临界剪切应力较小，在目标籽晶引晶及后期生长时位错优先产生于目标籽晶与异向籽晶构成的晶界的异向籽晶的一侧，抑制了位错的不断增殖，从而达到应力的释放，减少了目标籽晶的位错，最后得到的准单晶硅片中位错较少，晶体质量较好。

优选地，所述异向籽晶的生长面晶向为(111)、(112)、(221)、(210)或(310)，所述目标籽晶的生长面晶向为(100)。

优选地，所述缝隙的宽度为5～10mm。

由于缝隙的宽度较小，所述异向籽晶的填充对以目标籽晶长晶得到的准单晶的单晶收益率影响较小。

优选地，所述目标籽晶侧面的晶向均相同。

优选地，所述目标籽晶为正方形或长方形，所述目标籽晶的四个侧面晶向均相同。

优选地，所述异向籽晶的第一侧面和第二侧面的晶向相同，所述异向籽晶的第一侧面和第二侧面的晶向与所述相邻目标籽晶接触的侧面晶向不一致。所述目标籽晶和异向籽晶形成大角度晶界，这样避免小角度晶界的形成。

优选地，所述目标籽晶和异向籽晶为单晶棒经截断制得。

优选地，所述籽晶层的厚度为2cm～4cm。

第二方面，本发明提供了一种准单晶硅片的制备方法，包括以下步骤：

(1)提供坩埚，在所述坩埚底部铺设目标籽晶，相邻两个目标籽晶之间留有缝隙，在所述缝隙中填充一个异向籽晶，所述目标籽晶和所述异向籽晶紧密接触铺满所述坩埚底部得到籽晶层；所述异向籽晶包括分别与相邻两个目标籽晶侧面接触的第一侧面和第二侧面，所述第一侧面和所述第二侧面分别与相邻目标籽晶接触的侧面构成的晶界类型一致，所述异向籽晶的生长面相对于所述目标籽晶的生长面为高指数晶面；

(2)在所述籽晶层上填装硅料和掺杂剂，加热使所述坩埚内硅料熔化形成硅熔体，调节热场形成过冷状态，使得所述硅熔体在所述籽晶层基础上开始长晶，待全部硅熔体结晶完后，经退火冷却得到准单晶硅锭；

(3)将所述准单晶硅锭依次经过切片和清洗制备得到所述准单晶硅片。

优选地，所述异向籽晶的生长面晶向为111)、(112)、(221)、(210)或(310)，所述目标籽晶的生长面晶向为(100)。

优选地，所述缝隙的宽度为5～10mm。

优选地，所述目标籽晶的侧面的晶向均相同。

优选地，所述目标籽晶为正方形或长方形，所述目标籽晶的四个侧面的晶向均相同。

优选地，所述异向籽晶的第一侧面和第二侧面的晶向相同，所述异向籽晶的第一侧面和第二侧面的晶向与相邻目标籽晶接触的侧面晶向不一致。

优选地，所述籽晶层的厚度为2cm～4cm。

优选地，步骤(2)根据硅料的电阻率添加掺杂剂以适应不同准单晶硅片的电性需求，所述掺杂剂为硼、磷或镓。

优选地，步骤(2)具体为：在所述籽晶层上填装硅料和掺杂剂，加热使所述坩埚内硅料熔化形成硅熔体，当所述硅熔体与未熔化的籽晶层所形成的固液界面刚好处在所述籽晶层或深入所述籽晶层时，调节热场形成过冷状态，使得所述硅熔体在所述籽晶层基础上开始长晶，待全部硅熔体结晶完后，经退火冷却得到准单晶硅锭。

本发明第二方面提供的一种准单晶硅片的制备方法，通过在相邻目标籽晶之间的缝隙中填充异向籽晶，制得的准单晶硅片的位错较少，晶体质量较好。

第三方面，本发明还提供了一种准单晶硅片，所述准单晶硅片由第二方面提供的方法制备得到。

本发明第三方面提供的准单晶硅片的单晶面积达到90％且位错较少，利用本实施准单晶硅片制得的电池片转换效率比普通的准单晶硅片制得的电池片转换效率提高0.2％以上。

实施本发明实施例，具有以下有益效果：

1、所述异向籽晶与相邻的目标籽晶构成的晶界类型相同，使得在籽晶生长过程中晶界上承受的应力状态一致，降低了目标籽晶产生位错的几率；

2、所述异向籽晶生长面的弹性模量较小，晶体滑移所需的临界剪切应力较小，在引晶及后期生长时位错优先产生于目标籽晶与异向籽晶构成的晶界的异向籽晶的一侧，抑制了位错的不断增殖，减少了准单晶硅片的位错，提高了准单晶硅片的晶体质量和单晶收益率；

3、利用本实施准单晶硅片制得的电池片转换效率比普通的准单晶硅片制得的电池片转换效率提高0.2％以上。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例1制备准单晶硅片时籽晶的铺设过程图；

图2是现有技术准单晶生长示意图；

图3是本发明实施例2的准单晶生长示意图；

图4为实施例2制得的准单晶硅锭的外观图(a)和少子寿命图(b)；

图5为实施例2制得的准单晶硅片的外观图(c)和光致发光(PL)测试图(d)。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1

一种籽晶的铺设方法，用于铸造准单晶硅片，包括以下步骤：

提供坩埚，选择生长面晶向为(100)、侧面晶向为(110)的方形籽晶为目标籽晶11，将25块截面尺寸为156mm*156mm、厚度为20mm的目标籽晶11按5×5的方式平铺在坩埚底部，相邻目标籽晶之间留有缝隙，在缝隙中在填充一块厚度为20mm、截面尺寸为156mm*10mm的异向籽晶21或截面尺寸为176mm*10mm的异向籽晶22，异向籽晶的生长面晶向为(310)、侧面晶向为(100)，目标籽晶和异向籽晶间紧密接触铺满坩埚底部，得到籽晶层，籽晶层的厚度为2cm；

图1是本发明实施例1籽晶的铺设过程图；从图中可以看出，异向籽晶和目标籽晶紧密接触铺满坩埚底部，得到籽晶层。

实施例2

一种准单晶硅片的制备方法，包括以下操作步骤：

(1)提供坩埚，选择生长面晶向为(100)、侧面晶向为(110)的方形籽晶为目标籽晶，将25块截面尺寸为156mm*156mm、厚度为20mm的目标籽晶11按5×5的方式平铺在坩埚底部，相邻目标籽晶之间留有缝隙，在缝隙中在填充一块厚度为20mm、截面尺寸为156mm*10mm的异向籽晶21或截面尺寸为176mm*10mm的异向籽晶22，异向籽晶的生长面晶向为(310)、侧面晶向为(100)，目标籽晶和异向籽晶间紧密接触铺满坩埚底部，得到籽晶层，籽晶层的厚度为2cm，异向籽晶的侧面晶向和目标籽晶的侧面晶向不一致；

(2)在籽晶层上填装硅料和掺杂剂硼，加热使坩埚内硅料熔化形成硅熔体，并控制坩埚底部温度低于籽晶的熔点，使得籽晶层不被完全融化；当硅熔体与未熔化的籽晶层所形成的固液界面刚好处在籽晶层或深入籽晶层时，调节热场形成过冷状态，使得硅熔体在所述籽晶层基础上开始长晶，待全部硅熔体结晶完后，经退火冷却得到准单晶硅锭；

(3)将准单晶硅锭依次经过切片和清洗制备得到准单晶硅片。

本实施例得到的准单晶硅锭的主要晶向为(100)方向，相邻的(100)目标籽晶间包含有少量的(310)方向的晶粒。

本实施例制得的准单晶硅片的(100)晶向的面积达到90％且位错较少，位错主要集中在(310)晶向的晶粒中，利用本实施准单晶硅片制得的电池片转换效率比普通的准单晶硅片制得的电池片转换效率提高0.2％以上。

图2是现有技术准单晶生长示意图，从图2中可以看出，将籽晶1铺设在石英坩埚底部，籽晶的拼接面处产生了位错源，在引晶生长过程中，位错(图中的深色区域)不断增殖，大大降低了准单晶的晶体质量和单晶收益率。这是由于现有技术相邻籽晶的侧面的晶向是随机，在引晶生长过程中容易形成小角度晶界，小角度晶界不但在生长过程中成为了位错源，造成生长过程中位错的不断增殖，而且金属杂质容易在小角度晶界处富集和沉淀诱发二次位错源，降低了准单晶的晶体质量和单晶收益率。

图3是本发明实施例2的准单晶生长示意图，图中“11”代表目标籽晶，“21”代表异向籽晶，从图3中可以看出，在相邻两个目标籽晶之间留有缝隙，在缝隙中填充异向籽晶，异向籽晶第一侧面和第二侧面与相邻的目标籽晶构成的晶界类型相同均为大角度晶界，使得在生长过程中异向籽晶两端的晶界上承受的应力状态一致，不容易在晶界上产生位错源，在引晶生长过程中，位错(图中的深色区域)优先产生于目标籽晶与异向籽晶构成的晶界的异向籽晶的一侧，异向籽晶的宽度较小，位错主要集中在异向籽晶内，且位错不会增殖，减少了目标籽晶的位错，最后得到的准单晶硅锭位错要远远小于现有技术得到的准单晶硅锭，显著提高了准单晶的晶体质量和单晶收益率。同时，异向籽晶的宽度较小，对准单晶的单晶收益率影响较小。

图4为实施例2制得的准单晶硅锭外观图(a)和少子寿命图(b)，图4a中图片上方为准单晶硅锭的头部，图片下方为准单晶硅锭的尾部，可以看出，准单晶硅锭上颜色较深的区域(黑色圆框处)为异向籽晶引晶生长得到的区域，颜色较浅的区域(黑色圆框右侧的区域)为目标籽晶引晶生长得到的区域，少子寿命图可以反映晶体内部晶界、位错及金属杂质情况，图4b中准单晶硅锭异向籽晶引晶生长的区域(白色圆框处)少子寿命较低，而目标籽晶生长的晶体少子寿命较高，说明本实施例得到的准单晶硅锭位错少，晶体质量较好。

图5为实施例2制得的准单晶硅片的外观图(c)和光致发光(PL)测试图(d)，图5c中黑色圆框处为异向籽晶长晶形成的区域，黑色圆框右侧的区域为目标籽晶长晶形成的区域，本实施例制备的准单晶硅片的单晶比例大于90％，图5d中黑色椭圆框处为异向籽晶引晶生长后形成的区域，黑色圆框右侧的区域为目标籽晶长晶形成的区域，异向籽晶引晶生长后形成的区域位错密度较高，而目标籽晶引晶生长后得到的区域上位错较少。

综上，本发明在相邻目标籽晶之间的缝隙中填充异向籽晶，异向籽晶和所述目标籽晶构成了大角度晶界，避免小角度晶界的形成；同时，所述异向籽晶的晶体滑移所需的临界剪切应力较小，在目标籽晶引晶及后期生长时位错优先产生于目标籽晶与异向籽晶构成的晶界的异向籽晶的一侧，从而达到应力的释放，减少了目标籽晶的位错，显著提高了准单晶的晶体质量和单晶收益率。

实施例3

一种准单晶硅片的制备方法，包括以下操作步骤：

(1)提供坩埚，选择生长面晶向为(100)、侧面晶向为(210)的方形籽晶为目标籽晶，将25块截面尺寸为156mm*156mm、厚度为20mm的目标籽晶按5×5的方式平铺在坩埚底部，相邻目标籽晶之间留有缝隙，在缝隙中在填充一块厚度为20mm、截面尺寸为156mm*10mm的异向籽晶或截面尺寸为176mm*10mm的异向籽晶，异向籽晶的生长面晶向为(221)、侧面晶向为(110)，目标籽晶和异向籽晶间紧密接触铺满坩埚底部，得到籽晶层；籽晶层的厚度为4cm，异向籽晶的侧面晶向和目标籽晶的侧面晶向不一致；

(2)在籽晶层上填装硅料和掺杂剂硼，加热使坩埚内硅料熔化形成硅熔体，并控制坩埚底部温度低于籽晶的熔点，使得籽晶层不被完全融化；当硅熔体与未熔化的籽晶层所形成的固液界面刚好处在籽晶层或深入籽晶层时，调节热场形成过冷状态，使得硅熔体在所述籽晶层基础上开始长晶，待全部硅熔体结晶完后，经退火冷却得到准单晶硅锭；

(3)将准单晶硅锭依次经过切片和清洗制备得到准单晶硅片。

本实施例得到的准单晶硅锭的主要晶向为(100)方向，相邻的(100)晶粒间包含有少量的(221)方向的晶粒。

本实施例制得的准单晶硅片的(100)晶向的面积达到90％且位错较少，位错主要集中在(221)晶向的晶粒中，利用本实施准单晶硅片制得的电池片转换效率比普通的准单晶硅片制得的电池片转换效率提高0.2％以上。

实施例4

一种准单晶硅片的制备方法，包括以下操作步骤：

(1)提供坩埚，选择生长面晶向为(100)、侧面晶向为(110)的方形籽晶为目标籽晶，将25块截面尺寸为156mm*156mm、厚度为20mm的目标籽晶按5×5的方式平铺在坩埚底部，相邻目标籽晶之间留有缝隙，在缝隙中在填充一块厚度为20mm、截面尺寸为156mm*10mm的异向籽晶或截面尺寸为176mm*10mm的异向籽晶，异向籽晶的生长面晶向为(111)、侧面晶向为(112)，目标籽晶和异向籽晶间紧密接触铺满坩埚底部，得到籽晶层，籽晶层的厚度为4cm，异向籽晶的侧面晶向和目标籽晶的侧面晶向不一致；

(2)在籽晶层上填装硅料和掺杂剂硼，加热使坩埚内硅料熔化形成硅熔体，并控制坩埚底部温度低于籽晶的熔点，使得籽晶层不被完全融化；当硅熔体与未熔化的籽晶层所形成的固液界面刚好处在籽晶层或深入籽晶层时，调节热场形成过冷状态，使得硅熔体在所述籽晶层基础上开始长晶，待全部硅熔体结晶完后，经退火冷却得到准单晶硅锭；

(3)将准单晶硅锭依次经过切片和清洗制备得到准单晶硅片。

本实施例得到的准单晶硅锭的主要晶向为(100)方向，相邻的(100)目标籽晶间包含有少量的(111)方向的晶粒。

本实施例制得的准单晶硅片的(100)晶向的面积达到90％且位错较少，位错主要集中在(111)晶向的晶粒中，利用本实施准单晶硅片制得的电池片转换效率比普通的准单晶硅片制得的电池片转换效率提高0.2％以上。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种籽晶的铺设方法，用于铸造准单晶硅片，其特征在于，包括以下步骤：

提供坩埚，在所述坩埚底部铺设目标籽晶，相邻两个目标籽晶之间留有缝隙，在所述缝隙中填充一个异向籽晶，所述目标籽晶和所述异向籽晶紧密接触铺满所述坩埚底部得到籽晶层；所述异向籽晶包括分别与相邻两个目标籽晶侧面接触的第一侧面和第二侧面，所述第一侧面和所述第二侧面分别与相邻目标籽晶接触的侧面构成的晶界类型一致，所述异向籽晶的生长面相对于所述目标籽晶的生长面为高指数晶面。

2.如权利要求1所述的籽晶的铺设方法，其特征在于，所述异向籽晶的生长面晶向为(111)、(112)、(221)、(210)或(310)，所述目标籽晶的生长面晶向为(100)。

3.如权利要求1所述的籽晶的铺设方法，其特征在于，所述缝隙的宽度为5～10mm。

4.如权利要求1所述的籽晶的铺设方法，其特征在于，所述目标籽晶侧面的晶向均相同。

5.如权利要求1所述的籽晶的铺设方法，其特征在于，所述异向籽晶的第一侧面和第二侧面的晶向相同，所述异向籽晶的第一侧面和第二侧面的晶向与相邻目标籽晶接触的侧面晶向不一致。

6.如权利要求1所述的籽晶的铺设方法，其特征在于，所述籽晶层的厚度为2cm～4cm。

7.一种准单晶硅片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)提供坩埚，在所述坩埚底部铺设目标籽晶，相邻两个目标籽晶之间留有缝隙，在所述缝隙中填充一个异向籽晶，所述目标籽晶和所述异向籽晶紧密接触铺满所述坩埚底部得到籽晶层；所述异向籽晶包括分别与相邻两个目标籽晶侧面接触的第一侧面和第二侧面，所述第一侧面和所述第二侧面分别与相邻目标籽晶接触的侧面构成的晶界类型一致，所述异向籽晶的生长面相对于所述目标籽晶的生长面为高指数晶面；

(2)在所述籽晶层上填装硅料和掺杂剂，加热使所述坩埚内硅料熔化形成硅熔体，调节热场形成过冷状态，使得所述硅熔体在所述籽晶层基础上开始长晶，待全部硅熔体结晶完后，经退火冷却得到准单晶硅锭；

(3)将所述准单晶硅锭依次经过切片和清洗制备得到所述准单晶硅片。

8.如权利要求7所述的准单晶硅片的制备方法，其特征在于，所述异向籽晶的生长面晶向为111)、(112)、(221)、(210)或(310)，所述目标籽晶的生长面晶向为(100)。

9.如权利要求7所述的准单晶硅片的制备方法，其特征在于，所述掺杂剂为硼、磷或镓。

10.一种准单晶硅片，其特征在于，所述准单晶硅片为按照权利要求7～9任一项所述的制备方法制得。