CN105026622A - 用于单晶半导体材料的受控掺杂的液体掺杂系统和方法 - Google Patents

用于单晶半导体材料的受控掺杂的液体掺杂系统和方法 Download PDF

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Abstract

一种用于将液体掺杂剂引入半导体或太阳能级材料的熔体中的掺杂系统，包括用于保持掺杂剂的掺杂剂储器和供给管。掺杂剂储器包括体部和锥形端部，该锥形端部限定出具有比体部的截面积小的截面积的开口。供给管包括从储器的开口延伸的第一端部、位于第一端部的远侧的第二端部、布置在供给管的第二端部处的成角度的末端、用于阻止固体掺杂剂通过供给管的第一节流部、和用于控制液体掺杂剂的流动的第二节流部，该第二节流部布置在供给管的第二端部附近。

Description

用于单晶半导体材料的受控掺杂的液体掺杂系统和方法
技术领域
技术领域总体涉及半导体或太阳能级材料的单晶的制备，更具体地涉及一种用于控制半导体或太阳能级材料的熔体的掺杂的液体掺杂系统。
背景技术
通常利用直拉(Czochralski，“CZ”)法来制备单晶材料，该单晶材料是用于制造多种电子部件如半导体器件和太阳能电池的初始材料。简单地讲，直拉法包括在坩埚中使多晶源材料如多晶体硅(“多晶硅”)熔融以形成硅熔体然后从熔体拉拔单晶锭。
在该过程中，向熔融的源材料添加精确数量的掺杂剂以修改得到的单晶结构的基极电阻。至少针对p型和n型硅而言，掺杂剂通常以固体形式被添加至熔融的源材料。但是，固体掺杂剂的使用存在多个缺点。
一个缺点是固体掺杂剂与熔融的源材料之间的温差引起的热冲击。该热冲击导致熔融的源材料在固体掺杂剂颗粒下方凝固，形成了“浮船(floating boat)”。另外，在浮船形成期间会形成石英颗粒。这些石英颗粒可能在浮船已熔融之后长时间保留在熔融的源材料中，导致最终的单晶结构中的晶体缺陷，例如位错。向熔融的源材料添加固体掺杂剂引起的又一个缺点是单晶生长组件的污染。固体掺杂剂对熔融源材料的表面的冲击导致熔融的源材料从坩埚溅出到单晶生长组件的各种部件上，这可能引起晶体缺陷或对组件中的部件的损伤。
使用固体掺杂剂的又一个缺点是，许多掺杂剂具有相对高的蒸发速率，例如铟。在熔融前将这些掺杂剂直接置于带有半导体或其它太阳能级材料的坩埚内会引起掺杂剂在半导体或太阳能级材料的加热期间蒸发。必须添加额外的掺杂剂以补偿数量通常很大的损失的掺杂剂，从而导致掺杂剂的低效使用。另外，蒸发的掺杂剂在生长组件的各种部件上凝结，从而引起组件的污染。
鉴于以上内容，可知需要一种用于将掺杂剂引入半导体或太阳能级材料的熔体中的简单的、成本高效的方法。
此“背景技术”部分旨在向读者介绍可能涉及下文描述和/或主张权利的本发明的各个方面的现有技术的各个方面。相信这种讨论有助于为读者提供背景信息以有利于更好地理解本发明的各个方面。因此，应该理解，这些叙述应在这种意义上阅读，而不是作为对现有技术的认可。
发明内容
在一个方面，提供了一种用于将液体掺杂剂引入半导体或太阳能级材料的熔体中的掺杂系统。该掺杂系统包括用于保持掺杂剂的掺杂剂储器和供给管。掺杂剂储器包括体部和锥形端部，该锥形端部限定出具有比体部的截面积小的截面积的开口。该供给管包括从储器的开口延伸的第一端部、位于第一端部的远侧的第二端部、布置在供给管的第二端部处的成角度的末端、用于阻止固体掺杂剂通过供给管的第一节流部、和用于控制液体掺杂剂的流动的第二节流部。第二节流部布置在供给管的第二端部附近。
在另一方面，描述了一种用于将液体掺杂剂引入半导体或太阳能级材料的熔体中的方法。该方法包括：将掺杂系统定位在远离熔体的第一位置处；向掺杂系统添加预定量的固体掺杂剂；将掺杂系统定位在第二位置处，其中该第二位置充分接近熔体的表面以便固体掺杂剂熔融；使固体掺杂剂熔融，以使得固体掺杂剂变成液体掺杂剂；以及经掺杂系统的供给管将液体掺杂剂引入熔体中。该掺杂系统包括用于保持掺杂剂的掺杂剂储器、供给管和用于阻止固体掺杂剂从供给管通过的节流部。掺杂剂储器包括体部和锥形端部，该锥形端部限定出具有比体部的截面积小的截面积的开口。供给管包括从储器的开口延伸的第一端部、位于第一端部的远侧的第二端部、和布置在供给管的第二端部处的成角度的末端。
在又一方面，提供了一种拉晶机。该拉晶机包括用于保持半导体或太阳能级材料的熔体的坩埚、用于加热坩埚和使半导体或太阳能级材料熔融的加热元件、用于将液体掺杂剂引入半导体或太阳能级材料的熔体中的掺杂系统、以及用于在拉晶机内保持和定位掺杂系统的牵拉机构。掺杂系统包括用于保持掺杂剂的掺杂剂储器、供给管、用于阻止来自掺杂剂储器的固体掺杂剂从供给管通过的第一节流部、和用于控制液体掺杂剂的流动的第二节流部。牵拉机构包括仿籽晶(dummy seed)，掺杂系统从该仿籽晶悬挂。掺杂剂储器包括体部和锥形端部，该锥形端部限定出具有比体部的截面积小的截面积的开口。供给管包括从储器的第一开口延伸的第一端部、位于第一端部的远侧的第二端部和布置在供给管的第二端部处的成角度的末端。第二节流部布置在供给管的第二端部附近。
可对关于上述各方面提及的特征进行各种改进。也可在上述各方面中加入其它特征。这些改进和附加特征可独立地或以任何组合存在。例如，可单独地或以任何组合将以下关于任何示出的实施例所讨论的各种特征加入任何上述方面中。
附图说明
图1是包括用于将液体掺杂剂引入熔体中的掺杂系统的拉晶机的截面图；
图2是图1的掺杂系统的截面图；
图3是图2所示的掺杂系统的供给管的放大视图；
图4是充填有固体掺杂剂的图1的掺杂系统的截面图；
图5是朝向熔体表面降低的图4的掺杂系统的截面图；
图6是定位在熔体表面附近的图4的掺杂系统的截面图；以及
图7是掺杂系统被移除的图1的拉晶机的截面图。
各图中使用的同样的附图标记表示相同的元件。
具体实施方式
包括用于将液体掺杂剂引入半导体或太阳能级材料的熔体中的掺杂系统的拉晶机在图1中总体上用10表示。该拉晶机包括用于保持半导体或太阳能级材料如硅的熔体18的坩埚12，该坩埚12被容纳在炉16内的衬托器(susceptor)14包围。半导体或太阳能级材料通过从隔热层22包围的加热元件20提供的热而被熔融。用于将液体掺杂剂引入熔体18中的掺杂系统(总体上用40表示)位于拉晶机10内。在运行中，掺杂系统40定位在熔体表面24附近，使得来自熔体表面24(和/或加热元件20)的热引起掺杂系统40内的固体掺杂剂(图1中未示出)熔融并向下从掺杂系统40流出到熔体18中。
掺杂系统40通过缆绳或线26从附接在牵拉机构30上的仿籽晶28悬挂以在本文中描述的掺杂过程中定位掺杂系统40。牵拉机构30包括用于将仿籽晶28固定在牵拉机构30上的卡盘32，以及连接至卡盘32上以用于升降掺杂系统40的轴或拉线34。在图1所示的实施例中，缆绳或线26由钼或钨制成，但是其它材料也可用于缆绳或线26。仿籽晶28由不锈钢制成。由于仿籽晶28的形状和尺寸与已经在用于生长单晶锭的拉晶系统中使用的籽晶的形状和尺寸相同或相似，所以掺杂系统40可以在进行很小改动或不进行改动的情况下安装在已经使用的拉晶系统中。
参照图2，石英掺杂系统40包括用于保持掺杂剂44的掺杂剂储器42和从掺杂剂储器42中的第一或上方开口46延伸的细长供给管60。其它适合于高温应用的材料也可用于掺杂系统40(例如，耐火陶瓷、钼、钨和石墨)，但是石英最大限度地减少了来自掺杂系统40的污染。在图2所示的实施例中，掺杂系统40具有一体的结构。在其它实施例中，掺杂系统40可由单独的构件组装而成。掺杂剂储器42包括限定出大体圆柱形体部50和锥形端部52的石英侧壁48，所述锥形端部52限定出具有比体部50的截面积更小的截面积的第一开口46。锥形端部52呈圆锥形以将掺杂剂引导到掺杂剂储器42的最低点。在图2所示的实施例中，锥形端部52的侧壁48线性地变细，但是限定出锥形端部52的侧壁48也可向内弯曲，使得锥形端部52呈碗形。体部50的位于锥形端部52远侧的一端包括围绕体部50的圆周等距地隔开的孔54，缆绳或线26插入这些孔54以将掺杂系统40固定在牵拉机构30上，从而在本文描述的掺杂过程中定位掺杂系统40。图2所示的实施例具有四个孔54，但是其它实施例可具有不同数量的孔54。
现在参照图3，供给管60包括从上方开口46以长度L延伸的侧壁62，并具有定位在上方开口46附近的第一端部或上端部64和位于上端部64的远侧的第二端部或下端部66，该下端部66具有在其中限定的第二或下方开口68。在供给管60的下端部66处设置有成角度的末端70。相比于不成角度的末端，成角度的末端70提供了供给管的下端部66与熔体表面24之间的接触的更好的视觉指示。因此，成角度的末端70有助于操作人员(未示出)最大限度地减少熔体18与掺杂系统40之间的接触。
如下文中更详细地描述的，在掺杂过程中，掺杂系统朝向熔体表面24下降，直至成角度的末端70与熔体表面24接触。掺杂剂储器42因此以大体等于供给管60的长度L的距离定位在熔体表面24上方。供给管的长度L被选择成使得在掺杂作业期间，掺杂剂储器定位在熔体表面24上方的高度H(在图6中示出)处，使得掺杂剂储器内的温度刚好高于掺杂剂44的熔点，由此限制掺杂剂蒸发。
供给管60具有由供给管60的内侧壁72限定的内径d，其中内径d的尺寸确定为使得当液体掺杂剂从供给管60通过时，液体掺杂剂基本占据由供给管60封闭的空间。结果，液体掺杂剂的自由表面被最大程度地减小，由此减少了液体掺杂剂的蒸发。供给管的内径d的尺寸还确定为使得毛细作用不会阻碍液体掺杂剂从供给管60通过。由于作用在液体掺杂剂上的毛细力与液体掺杂剂的温度逆相关，所以供给管60的内径d可朝向供给管60的下端部66向内变细。
供给管60还具有基于供给管侧壁62的厚度和内径d的尺寸的外径D。在图2所示的实施例中，供给管60的外径D与在上方开口46处的锥形端部52的外径相同。
供给管60的内侧壁72在开口46附近向内延伸，以形成构造为抑制固体掺杂剂44通过供给管60的第一节流部74。可替代地，第一节流部74可由锥形端部52的内侧壁76形成，或者第一节流部74可跨越供给管60和锥形端部52。第一节流部74的直径的尺寸确定为阻止固体掺杂剂通过供给管60。在图3所示的实施例中，第一节流部具有1mm的内径。
此实施例的第二节流部78形成在供给管60的下端部66附近，以阻碍通过供给管60的液体掺杂剂的流动并降低其流速。通过降低液体掺杂剂的流速，减轻了液体掺杂剂对熔体表面24的冲击，由此减少了熔体18的溅泼或飞溅。此外，在供给管60的下端部66中阻碍液体掺杂剂的流动会导致液体掺杂剂在被引入熔体18之前被进一步加热。因此，液体掺杂剂在被引入熔体18之前被加热到与熔体18的温度接近的温度。这减轻了掺杂剂44与熔体18之间的热冲击。此外，升高液体掺杂剂的温度会降低液体掺杂剂的粘度，由此进一步减少了在液体掺杂剂被引入时熔体18的溅泼或飞溅。
第二节流部78同样减小了离开供给管60的液体掺杂剂流的截面积，以及液体掺杂剂在熔体表面24上所获得的自由表面积。通过减小液体掺杂剂在熔体表面24上的自由表面积，第二节流部78进一步减少了液体掺杂剂的蒸发。
在图3所示的实施例中，第二节流部78的构型与第一节流部74的相似之处在于，供给管60的内侧壁72在下方开口68附近向内变细而形成第二节流部78。第二节流部78向下延伸到供给管60的端部，从而限定出供给管60的下方开口68。第二节流部78的直径的尺寸确定为小于供给管60的内径d，并且足够大以容许液体掺杂剂克服来自供给管60的内侧壁72的作用在液体掺杂剂上的毛细力。在图3所示的实施例中，第二节流部的直径为2mm。
现在参照图4-7，将描述利用掺杂系统40将液体掺杂剂引入半导体或太阳能级材料的熔体中的方法。如图4所示，预定量的掺杂剂颗粒44在掺杂系统40定位成远离熔体表面24的情况下被引入掺杂剂储器42中。锥形端部52将掺杂剂颗粒44引向掺杂剂储器42的最下部。第一节流部74阻止固体掺杂剂颗粒44从供给管60通过。
如图5-6所示，为了将掺杂剂44引入熔体18，掺杂系统40经由牵拉机构30下降到熔体表面24附近。掺杂系统40下降到供给管60的成角度的末端70接触熔体表面24为止。供给管60的成角度的末端70有利于通过提供熔体表面24与供给管60之间的接触的更好视觉指示来将掺杂系统40定位在熔体表面24附近。因此，掺杂系统40构造成定位在熔体表面24附近并最大限度地减少与熔体18的接触，该接触会导致由热冲击和变形引起的掺杂系统的逐渐劣化、供给管周围的熔体材料的凝固、以及从熔体18蒸发的一氧化硅在供给管内表面上的沉积。
随着掺杂系统40朝向熔体表面24下降，掺杂剂储器42内部的温度开始上升。为了降低掺杂剂44在它定位在熔体表面24附近之前熔融的可能性，确定这样的移动时间：即，应在该移动时间内定位掺杂系统40。该移动时间是基于使固体掺杂剂颗粒44熔融所需的时间量，并且可以通过使固体掺杂剂颗粒44的温度上升到熔点所需的时间量来估测，或者
t m o v e = ( T m - T s ) * ( c d * m d + c d d * m d d ) d E d t
其中：Tm是掺杂剂的熔点，Ts是在掺杂过程开始时固体掺杂剂颗粒44的温度(通常为室温)，cd是固体掺杂剂颗粒44的比热容，md是固体掺杂剂颗粒44的总质量，cdd是掺杂系统40的比热容，mdd是掺杂系统40的质量，且是从熔体18和拉晶机10的其它部件向固体掺杂剂颗粒44和掺杂设备40传递能量的速率。在该移动时间内将掺杂系统40定位在熔体表面24附近防止了液体掺杂剂在掺杂系统40远离熔体表面24定位时被释放，由此防止液体掺杂剂对熔体表面24的猛烈冲击。供给管60的成角度的末端70减少了定位掺杂系统40所需的时间量，因为它提供了熔体表面24与供给管60之间的接触的较好视觉指示。因此，成角度的末端70有助于操作人员(未示出)在该移动时间内定位掺杂系统40。
一旦掺杂系统40被定位在熔体表面24附近，则掺杂剂储器42内的温度上升到掺杂剂颗粒44的熔点。随着固体掺杂剂颗粒44液化，得到的液体掺杂剂80流过第一节流部74和供给管60。供给管60的直径d的尺寸限制了液体掺杂剂80在它流经供给管60时的可用自由表面，由此限制了液体掺杂剂80的蒸发。
流经供给管60的液体掺杂剂80在经下方开口68离开供给管60并进入熔体18之前受到位于供给管60的下端部66处的第二节流部78的阻碍。第二节流部78阻碍通过供给管60的液体掺杂剂80的流动并降低其流速，由此减轻液体掺杂剂80对熔体表面24的冲击，以及熔体18的任何溅泼或飞溅。此外，在供给管60的下端部66中阻碍液体掺杂剂的流动会导致液体掺杂剂80在进入熔体18之前被进一步加热。结果，在进入熔体之前，液体掺杂剂80的温度会被加热到与熔体18的温度接近的温度，由此减轻液体掺杂剂80与熔体18之间的热冲击。此外，升高液体掺杂剂80的温度降低了液体掺杂剂80的粘度，由此进一步减少了在液体掺杂剂80被引入熔体18时熔体18的溅泼或飞溅。
第二节流部78还减小了离开供给管60的液体掺杂剂80流的截面积，以及液体掺杂剂80在熔体表面24上所获得的自由表面积。通过减小液体掺杂剂80在熔体表面24上的自由表面积，第二节流部78减少了液体掺杂剂80的蒸发。
一旦掺杂剂颗粒44已液化和/或预定的时间量已经过，掺杂系统40便由牵拉机构30抬升并从炉16被移除。然后可重复掺杂过程或可储存掺杂系统40以便后续使用。
当掺杂剂44具有例如小于1400℃或甚至小于800℃的较低熔点时，可在较短时间内执行上述掺杂方法。结果，掺杂剂储器42的体部50的温度足够低，使得可以在掺杂过程完成之后立即从炉16移除掺杂系统40而不需要冷却步骤。此外，仿籽晶28可以立即从卡盘32被移除并以用于生长单晶锭的籽晶82替换，如图7所示。
本文中描述的实施例总体上涉及用于将具有较低熔点和/或较高蒸发率的液体掺杂剂引入半导体或太阳能级材料的熔体中的系统和方法。本文中描述的实施例特别适合用于这样的掺杂剂：即，该掺杂剂在比硅更低的温度下发生蒸发或升华，例如铟、锑、镓和铝。
如上所述，本发明的掺杂系统和相关方法提供了对于已知的掺杂系统和方法的改进。该掺杂系统避免了与直接向熔体添加固体掺杂剂相关的问题，即，掺杂剂蒸发的损失、浮船和掺杂剂颗粒引起的溅泼。利用该掺杂系统可减少掺杂剂蒸发，因为直至就在掺杂剂进入熔体之前，掺杂剂的温度都被保持为刚好高于熔点。另外，该掺杂系统的构型减少了掺杂系统内部和一旦掺杂剂已被引入熔体时可用于蒸发的液体掺杂剂的自由表面。
此外，该掺杂系统被设计成最大限度地降低对将该系统浸入熔体中的需求，从而防止了系统的劣化。
当介绍本发明或其(多个)实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述的”旨在表示存在一个或多个这样的元件。用语“包含”、“包括”和“具有”旨在是包括性的并意味着可存在除了所列元件以外的另外的元件。
由于可在不脱离本发明的范围的情况下对上述构造和方法进行各种改变，因此以上说明中包含的和附图所示的所有内容应当被解释为说明性的而非限制性的。

Claims (20)

1.一种用于将液体掺杂剂引入半导体或太阳能级材料的熔体中的掺杂系统，该系统包括：
用于保持掺杂剂的掺杂剂储器，所述掺杂剂储器包括体部和锥形端部，所述锥形端部限定出具有比所述体部的截面积小的截面积的开口；和
供给管，所述供给管具有从所述储器的开口延伸的第一端部、位于所述第一端部的远侧的第二端部、布置在所述供给管的第二端部处的成角度的末端、用于阻止固体掺杂剂通过所述供给管的第一节流部、和用于控制液体掺杂剂的流动的第二节流部，所述第二节流部布置在所述供给管的第二端部附近。
2.如权利要求1所述的掺杂系统，其中，所述第二节流部的直径大于所述第一节流部的直径。
3.如权利要求1所述的掺杂系统，其中，所述供给管的外径等于或小于在所述开口处的所述锥形端部的外径。
4.如权利要求1所述的掺杂系统，其中，所述第二节流部在所述供给管的第二端部处限定出第二开口。
5.如权利要求1所述的掺杂系统，还包括布置在所述储器中的颗粒状掺杂剂。
6.一种用于将液体掺杂剂引入半导体或太阳能级材料的熔体中的方法，所述方法包括：
将掺杂系统定位在远离所述熔体的第一位置处，所述掺杂系统包括用于保持掺杂剂的掺杂剂储器、供给管，以及用于阻止固体掺杂剂通过所述供给管的节流部，所述掺杂剂储器包括体部和限定出具有比所述体部的截面积小的截面积的开口的锥形端部，所述供给管具有从所述储器的开口延伸的第一端部、位于所述第一端部的远侧的第二端部、以及布置在所述供给管的第二端部处的成角度的末端；
向所述掺杂系统添加预定量的固体掺杂剂；
将所述掺杂系统定位在第二位置处，其中所述第二位置充分接近所述熔体的表面以使得所述固体掺杂剂熔融；
使所述固体掺杂剂熔融，以使得所述固体掺杂剂变成液体掺杂剂；以及
经所述掺杂系统的所述供给管将所述液体掺杂剂引入所述熔体中。
7.如权利要求6所述的方法，其中，将所述掺杂系统定位在所述第一位置和第二位置处包括使用牵拉机构，所述牵拉机构具有卡盘和仿籽晶，所述掺杂系统从所述仿籽晶悬挂。
8.如权利要求7所述的方法，还包括：
将所述掺杂系统从所述第二位置移除到远离所述熔体的第三位置；以及
以用于生长单晶锭的籽晶替换所述牵拉机构的所述仿籽晶。
9.如权利要求6所述的方法，其中，将所述掺杂系统定位在第二位置处包括使所述掺杂系统朝向所述半导体或太阳能级材料的熔体的表面移动直至所述成角度的末端接触所述熔体的表面。
10.如权利要求6所述的方法，还包括在将所述液体掺杂剂引入所述熔体之前在所述液体掺杂剂处于所述供给管中时，在所述供给管的所述第二端部处限制所述液体掺杂剂并且进一步加热所述液体掺杂剂。
11.如权利要求6所述的方法，其中，将所述掺杂系统定位在第二位置处包括：
确定在其间将使所述掺杂系统从所述第一位置移动到所述第二位置的移动时间；以及
使所述掺杂系统在所述移动时间内从所述第一位置移动到所述第二位置。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述移动时间是基于使所述固体掺杂剂熔融所需的时间量。
13.如权利要求6所述的方法，其中，所述固体掺杂剂选自包括熔点小于约1400℃的元素的群组。
14.如权利要求6所述的方法，其中，所述固体掺杂剂选自包括锑和铟的群组。
15.一种拉晶机，包括：
用于保持半导体或太阳能级材料的熔体的坩埚；
用于加热所述坩埚和使所述半导体或太阳能级材料熔融的加热元件；
用于将液体掺杂剂引入所述半导体或太阳能级材料的熔体中的掺杂系统，所述掺杂系统包括：
用于保持掺杂剂的掺杂剂储器，所述掺杂剂储器包括体部和锥形端部，所述锥形端部限定出具有比所述体部的截面积小的截面积的开口；
供给管，所述供给管具有从所述储器的所述第一开口延伸的第一端部、位于所述第一端部的远侧的第二端部、和布置在所述供给管的所述第二端部处的成角度的末端；
用于阻止来自所述掺杂剂储器的固体掺杂剂通过所述供给管的第一节流部；和
用于控制液体掺杂剂的流动的第二节流部，所述第二节流部布置在所述供给管的所述第二端部附近；和
用于在所述拉晶机内保持和定位所述掺杂系统的牵拉机构，所述牵拉机构包括仿籽晶，所述掺杂系统从所述仿籽晶悬挂。
16.如权利要求15所述的拉晶机，其中，所述第一节流部布置在所述掺杂剂储器的锥形端部处。
17.如权利要求15所述的拉晶机，其中，所述第一节流部布置在所述供给管的所述第一端部内。
18.如权利要求15所述的拉晶机，其中，所述第二节流部的直径大于所述第一节流部的直径。
19.如权利要求15所述的拉晶机，其中，所述第二节流部由所述供给管的内侧壁限定。
20.如权利要求15所述的拉晶机，其中，所述供给管的长度是基于在所述液体掺杂剂引入所述熔体期间所述掺杂系统将定位在所述熔体的表面上方的预定高度。
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