CN104328495A

CN104328495A - 一种太阳能级直拉单晶硅的生产方法

Info

Publication number: CN104328495A
Application number: CN201410644512.1A
Authority: CN
Inventors: 刘彬国; 何京辉; 曹祥瑞; 颜超; 程志; 黄瑞强; 周子江; 刘钦; 范晓普
Original assignee: Xingtai Jinglong Electronic Material Co Ltd
Current assignee: Xingtai Jinglong Electronic Material Co Ltd
Priority date: 2014-11-14
Filing date: 2014-11-14
Publication date: 2015-02-04

Abstract

本发明公开了一种太阳能级直拉单晶硅的生产方法，涉及直拉单晶硅技术领域，它包括加料、熔化、稳温、引晶、放肩、等径生长和收尾等八个步骤，本方法在等径生长过程中，根据拉晶过程中液面随石英埚弧度的变化，利用埚升补偿保证硅液液面距导流筒的距离不变，另外根据直径变化趋势增加直径补偿，将尾部直径偏差控制在2mm之内，该方法操作简便，易于实现，它可以有效减少结晶过程中可能出现的晶体缺陷，降低直拉单晶硅中的黑芯片和黑角片问题，显著提高单晶的质量和寿命，避免由于产品质量缺陷造成的退货，为企业节约了不必要的资金浪费。

Description

一种太阳能级直拉单晶硅的生产方法

技术领域

本发明涉及直拉单晶硅技术领域。

背景技术

太阳能是未来最重要的绿色能源之一，作为高效率太阳能电池的核心部分，品质优良的单晶硅一直是人们研究开发的重点产品。

单晶硅的生产方法主要有直拉法（CZ）、区熔法（FZ）和外延法，其中直拉法和区熔法用于伸长单晶硅棒材，而外延法用于伸长单晶硅薄膜。由于直拉法生产的单晶硅广泛应用于半导体集成电路、二极管、外延片衬底，以及太阳能电池等关键领域，因而受到人们的特别关注。

目前在直拉单晶硅的生产领域中，氧是直拉单晶硅中的一种常见杂质，这主要是由单晶硅的生产工艺所造成的。实践表明，单晶硅中的氧主要集中在其头部，如果单晶硅的头部含氧量过高，就会造成所谓的“黑芯片”和“黑角片”问题，从而影响产品质量。

氧的危害在于，氧可以形成热施主及新施主，使得单晶硅的电阻率均匀性变差；此外，氧还与直拉单晶硅中微缺陷的形成有着密切关系，而硅片表面的微缺陷在器件热氧化工艺中还会影响到器件的成品率。因此，目前在单晶硅的检测中普遍对硅片中的黑芯片与黑角片现象采取零容忍的态度。但是，当前却还缺少一种简单、有效、易行的减少黑芯片与黑角片的方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种太阳能级直拉单晶硅的生产方法，其针对当前直拉单晶硅生产工艺的缺陷，对现有技术进行改进，通过降低引晶过程中的埚位、改善籽晶与硅液液面的接触方式、降低等径自动生长过程中的头部拉速，并完善等径生长过程中的晶体直径，减少单晶的含氧量，从而达到减少直拉单晶硅中黑芯片和黑角片的目的。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种太阳能级直拉单晶硅的生产方法，其包括如下步骤：

（1）加料：根据需要的半导体类型将硅原料和搀杂剂放入石英坩埚内；搀杂剂的种类是按照半导体的类型N型或P型确定的，P型的搀杂剂一般为硼或镓，N型搀杂剂一般为磷；

（2）熔化：将单晶炉关闭并抽真空，使得单晶炉内的压强维持在5Pa以下，然后将加热功率一次性升至95～100千瓦（1420℃左右）；使用过大的功率来熔化硅原料虽然可以缩短熔化时间，但是可能造成石英坩埚壁的过度损伤，降低石英坩埚的寿命，反之若功率过小，则整个熔化过程耗时太久，导致产能下降；

（3）稳温：当硅原料熔化成液体后将加热功率降至45千瓦并投入温度自动程序，温度自动程序使得炉内温度保持恒定并持续1小时；

（4）引晶：调整埚位使得硅液液面距导流筒的距离为28～32 mm，将晶转和埚转均设为8圈每分钟，然后将籽晶降至硅液液面处，并与液面接触30分钟以上，然后进行引晶；引晶时籽晶按照<100>或<111>的晶向浸入硅熔液中，引晶的总长度为130～150 mm，引晶时平均拉速控制在3～6 mm/min，初期拉速控制在1～3 mm/min，引晶达30 mm后将拉速控制在3～6 mm/min；

（5）放肩：引晶完成后，将拉速降至0.7 mm/min，加热功率降低5千瓦，放肩时间3～4小时；在此步骤中，最重要的参数是直径的放大速率（亦即放肩的角度），放肩的形状和角度将会影响晶棒头部的固液界面形状及晶棒品质，如果降温太快，液面呈现过冷情况，肩的形状因直径快速放大而变成方形，严重时易导致位错的产生而失去单晶的结构；

（6）转肩：当硅棒直径距等径直径还有5～10 mm时，将拉速提至2.0 mm/min，进行转肩；

（7）等径生长；当硅棒直径达到等径直径时，将拉速降至等径自动初始拉速，即0.8 mm/min，设定埚升速度，然后投入等径自动程序进行等径生长；在晶棒的生长过程中，液面会逐渐下降，加热功率逐渐上升，这些因素使得晶棒的散热速率随着晶棒长度的增加而递减，因此固液界面处的温度梯度减小，晶棒的最大拉速随着晶棒长度而减小，为此，需要在等径生长过程中，根据拉晶过程中液面随石英埚弧度的变化，利用埚升补偿保证硅液液面到导流筒的距离不变，另外根据直径变化趋势增加直径补偿，将尾部直径偏差控制在2mm之内；

埚升速度S’根据下式1计算：

；

式中：Φ为晶体直径，Φ’为坩埚内径，S为晶体拉速；

等径生长完成的判断标准是，当等径长度达到L时生长完成，L的数值由下式2计算：

；

式中：D为晶体直径；ρ为硅的密度，即2.33 g/cm³；W为晶体重量，即装料量与埚底省料量的差值；

直径补偿的参数如下表1所示（表中单位均为毫米）：

表1；

（8）收尾：等径生长完成后，退出等径自动程序，停止埚升，将拉速提至1.0 mm/min，投入收尾自动程序，当长度达到直径值时提断停炉；在等径生长完成后，如果立刻将晶棒与液面分开，那么热应力将使得晶棒出现位错和滑移线，为了避免此问题的发生，必须将晶棒的直径慢慢缩小，直到成一个尖点并与液面分开为止，这个过程称为收尾。

收尾自动程序依据的参数如下表2所列：

表2。

作为优选，步骤（4）中引晶的总长度为150毫米。

作为优选，步骤（4）中引晶的总长度为140毫米。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明方法可以有效减少结晶过程中可能出现的晶体缺陷，降低直拉单晶硅中的黑芯片和黑角片问题，其原理在于：

1、正常情况下石英埚中的氧元素在高温下会生成氧化硅随气流排出，但是部分氧化硅会再次融入硅液，导致单位时间内进入单晶体内的氧元素增加，氧含量升高，而使用本方法后，埚位由以前距导流筒15mm左右改变为距导流筒30mm左右，加大了导流筒和液面之间的距离，减少了氧元素进入单晶的几率，从而降低了单晶中的氧含量，减少了因氧含量过多带来的黑芯片和黑角片问题；

2、将稳定时间缩短为1小时可以极大地降低引晶起始阶段的温度波动，减少由热应力带来的晶棒头部的空洞型缺陷，减少黑片和黑角片现象；

3、单晶绝大部分的氧来自于石英埚，提前使用8转接触8转引可以使由高温硅液旋转对石英埚的冲刷所产生的氧元素提前释放，从而降低单晶的氧含量，减少黑片和黑角片现象；

4、过高的头部拉速会使晶体在生长过程中产生位错，该位错虽然不会导致变晶，但会对晶体的内在品质产生影响，另一方面，头部拉速过高会导致温度波动，从而使得结晶过程过快，导致晶棒头部的空洞型缺陷（COPS缺陷），造成晶棒寿命降低，进而形成黑心圆和黑芯片。

本发明方法针对以上几点对现有技术做出改进，该方法操作简便，易于实现，能够有效降低直拉单晶硅中的黑芯片和黑角片问题，显著提高单晶的质量和寿命，避免由于产品质量缺陷造成的退货，为企业节约了不必要的资金浪费。

附图说明

图1是本方法制得硅片的电致发光图像；

图2是黑芯片的电致发光图像；

图3是黑角片的电致发光图像。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

一种太阳能级直拉单晶硅的生产方法，其包括如下步骤：

（1）加料：向石英坩埚中加入120千克的硅原料和31.49克的硼；

（2）熔化：将单晶炉关闭并抽真空，使得单晶炉内的压强维持在5Pa以下，然后将加热功率一次性升至95～100千瓦（1420℃左右）；

（4）引晶：调整埚位使得硅液液面到导流筒的距离为30 mm，将晶转和埚转均设为8圈每分钟，然后将籽晶降至硅液液面处，并与液面接触30分钟以上，然后引晶一小时；引晶时籽晶按照<100>或<111>的晶向浸入硅熔液中，引晶的总长度为150 mm，引晶时平均拉速控制在3～6 mm/min，初期拉速控制在1～3 mm/min，引晶达30 mm后将拉速控制在3～6 mm/min；

（5）放肩：引晶完成后，将拉速降至0.7 mm/min，加热功率降低5千瓦，放肩时间3～4小时；

（6）转肩：当硅棒直径到达200 mm时，将拉速提至2.0 mm/min，进行转肩；

（7）等径生长；当硅棒直径达到205 mm时，将拉速降至等径自动初始拉速，即0.8 mm/min，将埚升速度设为0.189 mm/min，然后投入等径自动程序进行等径生长；在晶棒的生长过程中，液面会逐渐下降，加热功率逐渐上升，此时，根据拉晶过程中液面随石英埚弧度的变化，利用埚升补偿保证液面距导流筒的距离不变，另外根据直径变化趋势增加直径补偿，将尾部直径偏差控制在2mm之内，直径补偿的参数如表1所列；

（8）收尾：等径生长完成后，退出等径自动程序，停止埚升，将拉速提至1.0 mm/min，投入收尾自动程序，当长度达到直径值时提断停炉，收尾自动程序的参数如表2所示。

使用本方法得到硅品的电致发光（EL）图像如图1所示，而使用传统技术则极易产生黑芯片（图2）和黑角片（图3）现象。

由此可以看出，本方法能够有效降低直拉单晶硅中的黑芯片和黑角片现象，提高单晶的寿命和质量。本方法操作简单，效果良好，使用本法制成的单晶硅具有优良的品质，可用于生产太阳能电池等产品。

Claims

1.一种太阳能级直拉单晶硅的生产方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）加料：根据需要的半导体类型将硅原料和搀杂剂放入石英坩埚内；

（2）熔化：将单晶炉关闭并抽真空，使得单晶炉内的压强维持在5Pa以下，然后将加热功率一次性升至95～100千瓦；

（3）稳温：当硅原料熔化成液体后将加热功率降至45千瓦并投入温度自动程序，温度自动程序使得炉内温度保持恒定并维持恒温1小时；

（4）引晶：调整埚位使得硅液液面距导流筒的距离为28～32 mm，将晶转和埚转均设为8圈每分钟，然后将籽晶降至硅液液面处，并与液面接触30分钟以上，然后进行引晶；引晶的总长度为130～150 mm，引晶时平均拉速控制在3～6 mm/min，初期拉速控制在1～3 mm/min，引晶达30 mm后将拉速控制在3～6 mm/min；

（6）转肩：当硅棒直径距离等径直径还有5～10 mm时，将拉速提至2.0 mm/min，进行转肩；

（7）等径生长；当硅棒直径达到等径直径时，将拉速降至等径自动初始拉速，等径自动初始拉速设为0.8 mm/min，设定埚升速度，然后投入等径自动程序进行等径生长；在等径生长过程中，根据拉晶过程中液面随石英埚弧度的变化，利用埚升补偿保证硅液液面距导流筒的距离不变，另外根据直径变化趋势增加直径补偿，将尾部直径偏差控制在2mm之内；

（8）收尾：等径生长完成后，退出等径自动程序，停止埚升，将拉速提至1.0 mm/min，投入收尾自动程序，当长度达到直径值时提断停炉。

2.根据权利要求1所述的一种太阳能级直拉单晶硅的生产方法，其特征在于，所述步骤（4）中引晶的总长度为150毫米。

3.根据权利要求1所述的一种太阳能级直拉单晶硅的生产方法，其特征在于，所述步骤（4）中引晶的总长度为140毫米。