CN109082643B - 一种砷、磷元素共掺制备n型多晶硅靶材的铸造工艺 - Google Patents

一种砷、磷元素共掺制备n型多晶硅靶材的铸造工艺 Download PDF

Info

Publication number
CN109082643B
CN109082643B CN201811025321.1A CN201811025321A CN109082643B CN 109082643 B CN109082643 B CN 109082643B CN 201811025321 A CN201811025321 A CN 201811025321A CN 109082643 B CN109082643 B CN 109082643B
Authority
CN
China
Prior art keywords
quartz crucible
furnace
polycrystalline silicon
temperature
ingot
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201811025321.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109082643A (zh
Inventor
王凯
李鹏廷
谭毅
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dalian University of Technology
Original Assignee
Dalian University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dalian University of Technology filed Critical Dalian University of Technology
Priority to CN201811025321.1A priority Critical patent/CN109082643B/zh
Publication of CN109082643A publication Critical patent/CN109082643A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109082643B publication Critical patent/CN109082643B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34—Sputtering
    • C23C14/3407—Cathode assembly for sputtering apparatus, e.g. Target
    • C23C14/3414—Metallurgical or chemical aspects of target preparation, e.g. casting, powder metallurgy
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34—Sputtering
    • C23C14/35—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B28/00—Production of homogeneous polycrystalline material with defined structure
    • C30B28/04—Production of homogeneous polycrystalline material with defined structure from liquids
    • C30B28/06—Production of homogeneous polycrystalline material with defined structure from liquids by normal freezing or freezing under temperature gradient
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/02—Elements
    • C30B29/06—Silicon

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Silicon Compounds (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

本发明公开了一种砷、磷元素共掺制备n型多晶硅靶材的铸造工艺，具有如下步骤：用Si3N4喷涂石英坩埚内壁，所述石英坩埚内壁底部铺满一层细单晶锅底料，所述石英坩埚内壁侧壁用p型低阻小方锭护边，之后向所述石英坩埚内依次加入掺磷、砷元素的n型小方锭，MR循环料和一层细单晶锅底料，并用p型低阻小方锭封口，铺平压实；之后经过预热、熔炼、长晶、退火和冷却脱模得到n型多晶硅靶材。本发明可将多晶硅料的纯度要求从5N降到3N，节约了原料成本；通过共掺砷和磷元素，实现了n型多晶硅靶材中元素含量和电阻率的精确调控。

Description

一种砷、磷元素共掺制备n型多晶硅靶材的铸造工艺
技术领域
本发明涉及一种铸造工艺，具体地说是一种砷、磷元素共掺制备n型多晶硅靶材的铸造工艺。
背景技术
硅靶材主要用于磁控溅射制备硅及二氧化硅等功能薄膜，在信息存储、太阳能电池、平板显示器、光学镀膜和玻璃镀膜、手机屏幕等领域有着重要应用。硅靶产品分为单晶硅靶和多晶硅靶。较单晶硅靶而言，多晶硅靶便于激发、成本较低且产量大。在多晶硅靶材领域，铸造原材料要求其纯度仍然较高，同时产品的出成率不高，存在脆性较大、裂纹等多种风险，且由于工艺的限制，目前产品种类单一，多为p型多晶硅靶材，其主要手段是通过掺杂分凝系数较大的硼元素及硼系合金，比如在4-5N的多晶硅料中加入铁硼合金，装好的硅料经过加热、熔化、长晶、退火和降温工艺制备得到p型硅锭，部分出成率达到75％左右；通过原料配比，在纯度为3N的多晶硅料中定量掺杂铝硼合金，通过铸造工艺，实现了对多晶硅铸锭中硼的可控掺杂及对电阻率的精确控制，降低了使用原料的成本。目前，现有技术还是存在生产成本较高，产品种类偏少的问题。
发明内容
为了进一步降低多晶硅靶材的生产成本、扩展多晶硅靶材产品种类，本发明提供了一种砷、磷元素共掺制备n型多晶硅靶材的铸造工艺，通过采用掺第五主族提供电子载流子的施主杂质砷和磷元素的原材料，通过配套发明的定向凝固铸锭工艺制备出n型多晶硅靶材，实现了多晶硅铸锭中掺杂元素和电阻率的精确调控。
本发明采用的技术手段如下：
一种砷、磷元素共掺制备n型多晶硅靶材的铸造工艺，具有如下步骤：
S1、用Si3N4喷涂石英坩埚内壁，所述石英坩埚内壁底部铺满一层细单晶锅底料(避免粘锅)，所述石英坩埚内壁侧壁用p型低阻小方锭护边，之后向所述石英坩埚内依次加入掺磷、砷元素的n型小方锭，MR循环料和一层细单晶锅底料，并用p型低阻小方锭封口，铺平压实；
S2、用石墨护板包裹所述石英坩埚的外部侧壁和底部(目的是为了防止所述石英坩埚在熔炼凝固过程中破碎，硅熔液发生溢流等产生的安全隐患)，之后，放入炉内隔热笼内的底部热交换块上，将发热体罩在位于所述石英坩埚外部侧壁上的石墨护板外侧以及所述石英坩埚上方，关闭所述隔热笼；
将炉内真空度抽至0.1-0.3Pa，并将炉温升高至800℃，保温0.5小时(用于去除炉内湿气)；
在3-4小时内将炉温升高至1000-1200℃，之后向炉内通入氩气，使炉内压强保持在40-70Kpa；
在4-6小时内将所述石英坩埚内温度升高至1540-1560℃，保温1-12小时，使得掺杂元素在温度场和热流搅拌控制下充分扩散迁移；
S3、将所述隔热笼的侧壁与所述隔热笼的底部分开，通过功率控制所述发热体顶部与所述底部热交换块之间的温度梯度差量，进行晶体的生长，长晶速度为0.05-0.3mm/min，最后得到硅晶锭；在真空环境的定向凝固长晶过程中，磷元素具有挥发和分凝双重效应，砷的掺杂可以减弱磷在真空环境下的挥发和在长晶过程中的分凝效果；
S4、得到的硅晶锭在1250-1390℃退火，保温2-6小时，目的是为了消除硅晶锭内部的热应力和机械应力，防止后期硅晶锭切割过程出现碎裂的现象；
S5、同步降低所述发热体与所述底部热交换块温度，使炉温在60-100℃/min的降温速率下降至200-400℃，之后打开炉盖空冷，取出铸锭和所述石英坩埚，进行所述石英坩埚和铸锭的剥离，得到n型多晶硅铸锭。
所述细单晶锅底料的粒度为1-10mm。
所述掺磷、砷元素的n型小方锭的纯度为3N；
所述细单晶锅底料的电阻率为0.002-0.01；
所述p型低阻小方锭的电阻率为0.002-0.01；
所述MR循环料的电阻率为0.002-0.01。
所述发热体顶部设有TC1热电偶；
所述底部热交换块内设有TC2热电偶。
本发明具有以下优点：
1.本发明可将多晶硅料的纯度要求从5N降到3N，节约了原料成本。
2.本发明通过共掺砷和磷元素，实现了n型多晶硅靶材中元素含量和电阻率的精确调控。
基于上述理由本发明可在铸造工艺等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的具体实施方式中一种砷、磷元素共掺制备n型多晶硅靶材的铸造工艺使用的加热炉示意图。
图2是本发明的具体实施方式中石英坩埚内部(原料)截面图。
图3是本发明的具体实施方式中TC1热电偶和TC2热电偶的温度曲线。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-图3所示，一种砷、磷元素共掺制备n型多晶硅靶材的铸造工艺，具有如下步骤：
S1、用Si3N4喷涂石英坩埚7内壁，所述石英坩埚7内壁底部铺满一层细单晶锅底料10，所述石英坩埚7内壁侧壁用p型低阻小方锭11护边，之后向所述石英坩埚内依次加入掺磷、砷元素的n型小方锭12，MR循环料13和一层细单晶锅底料10，并用p型低阻小方锭11封口，铺平压实；
单晶锅底料10，p型低阻小方锭11，掺磷、砷元素的n型小方锭12和MR循环料13构成本实施例的原料8。
S2、用石墨护板2包裹所述石英坩埚7的外部侧壁和底部，之后，放入炉内隔热笼3内的底部热交换块4上，将发热体6罩在位于所述石英坩埚7外部侧壁上的石墨护板2外侧以及所述石英坩埚7上方，关闭所述隔热笼3；
所述发热体6顶部设有TC1热电偶1；
所述底部热交换块4内设有TC2热电偶5。
将炉内真空度抽至0.2Pa，并将炉温升高至800℃，保温0.5小时；
在3小时内将炉温升高至1200℃，之后向炉内通入氩气，使炉内压强保持在60Kpa；
在5小时内将所述石英坩埚7内温度升高至1550℃，保温10小时；
S3、将所述隔热笼3的侧壁与所述隔热笼3的底部分开，通过功率控制所述发热体6顶部与所述底部热交换块4之间的温度梯度差量(TC1热电偶1和TC2热电偶5温度梯度差量)，进行晶体的生长，长晶速度为0.15mm/min，最后得到硅晶锭；
S4、得到的硅晶锭在1300℃退火，保温5小时；
S5、同步降低所述发热体6与所述底部热交换块4温度，使炉温在80℃/min的降温速率下降至350℃，之后打开炉盖空冷，取出铸锭和所述石英坩埚7，进行所述石英坩埚7和铸锭的剥离，得到n型多晶硅靶材。
所述细单晶锅底料10的粒度为1-10mm。
所述掺磷、砷元素的n型小方锭12的纯度为3N；
所述细单晶锅底料10的电阻率为0.002-0.01；
所述p型低阻小方锭11的电阻率为0.002-0.01；
所述MR循环料13的电阻率为0.002-0.01。
本实施例使用的加热炉示意图如图1所示，结构包括TC1热电偶1，石墨护板2，隔热笼3，底部热交换块4，TC2热电偶5，发热体6，石英坩埚7和真空系统9。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (1)

1.一种砷、磷元素共掺制备n型多晶硅靶材的铸造工艺，其特征在于具有如下步骤：
S1、用Si3N4喷涂石英坩埚内壁，所述石英坩埚内壁底部铺满一层细单晶锅底料，所述石英坩埚内壁侧壁用p型低阻小方锭护边，之后向所述石英坩埚内依次加入掺磷、砷元素的n型小方锭，MR循环料和一层细单晶锅底料，并用p型低阻小方锭封口，铺平压实；所述细单晶锅底料的粒度为1-10mm；所述掺磷、砷元素的n型小方锭的纯度为3N；所述细单晶锅底料的电阻率为0.002-0.01；所述p型低阻小方锭的电阻率为0.002-0.01；所述MR循环料的电阻率为0.002-0.01；
S2、用石墨护板包裹所述石英坩埚的外部侧壁和底部，之后，放入炉内隔热笼内的底部热交换块上，将发热体罩在位于所述石英坩埚外部侧壁上的石墨护板外侧以及所述石英坩埚上方，关闭所述隔热笼；
将炉内真空度抽至0.1-0.3Pa，并将炉温升高至800℃，保温0.5小时；
在3-4小时内将炉温升高至1000-1200℃，之后向炉内通入氩气，使炉内压强保持在40-70Kpa；
在4-6小时内将所述石英坩埚内温度升高至1540-1560℃，保温1-12小时；
所述发热体顶部设有TC1热电偶；所述底部热交换块内设有TC2热电偶；
S3、将所述隔热笼的侧壁与所述隔热笼的底部分开，通过功率控制所述发热体顶部与所述底部热交换块之间的温度梯度差量，进行晶体的生长，长晶速度为0.05-0.3mm/min，最后得到硅晶锭；
S4、得到的硅晶锭在1250-1390℃退火，保温2-6小时；
S5、同步降低所述发热体与所述底部热交换块温度，使炉温在60-100℃/min的降温速率下降至200-400℃，之后打开炉盖空冷，取出铸锭和所述石英坩埚，进行所述石英坩埚和铸锭的剥离，得到n型多晶硅铸锭。
CN201811025321.1A 2018-09-04 2018-09-04 一种砷、磷元素共掺制备n型多晶硅靶材的铸造工艺 Active CN109082643B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811025321.1A CN109082643B (zh) 2018-09-04 2018-09-04 一种砷、磷元素共掺制备n型多晶硅靶材的铸造工艺

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811025321.1A CN109082643B (zh) 2018-09-04 2018-09-04 一种砷、磷元素共掺制备n型多晶硅靶材的铸造工艺

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109082643A CN109082643A (zh) 2018-12-25
CN109082643B true CN109082643B (zh) 2020-09-29

Family

ID=64840818

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811025321.1A Active CN109082643B (zh) 2018-09-04 2018-09-04 一种砷、磷元素共掺制备n型多晶硅靶材的铸造工艺

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109082643B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110004490A (zh) * 2019-04-28 2019-07-12 浙江启瑞电子有限公司 用于金属硅冶炉的持续上料机构及其使用方法
CN111238461B (zh) * 2020-03-09 2022-05-06 中国建筑材料科学研究总院有限公司 一种谐振子及其制备方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103361721A (zh) * 2013-07-15 2013-10-23 江苏协鑫硅材料科技发展有限公司 铸锭晶种熔化高度控制方法及多晶硅铸锭炉
CN103924295A (zh) * 2014-03-01 2014-07-16 浙江晶盛机电股份有限公司 一种多晶硅铸锭炉及多测温点监测多晶铸锭籽晶高度方法
CN104532345A (zh) * 2014-12-23 2015-04-22 阿特斯(中国)投资有限公司 一种多晶硅铸锭的制造方法及其多晶硅铸锭
CN105002557A (zh) * 2015-08-12 2015-10-28 常州天合光能有限公司 一种镓锗硼共掺多晶硅及其制备方法
CN106149050A (zh) * 2016-07-26 2016-11-23 大连理工大学 一种铝硼母合金掺杂制备多晶硅靶材的铸造工艺

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103361721A (zh) * 2013-07-15 2013-10-23 江苏协鑫硅材料科技发展有限公司 铸锭晶种熔化高度控制方法及多晶硅铸锭炉
CN103924295A (zh) * 2014-03-01 2014-07-16 浙江晶盛机电股份有限公司 一种多晶硅铸锭炉及多测温点监测多晶铸锭籽晶高度方法
CN104532345A (zh) * 2014-12-23 2015-04-22 阿特斯(中国)投资有限公司 一种多晶硅铸锭的制造方法及其多晶硅铸锭
CN105002557A (zh) * 2015-08-12 2015-10-28 常州天合光能有限公司 一种镓锗硼共掺多晶硅及其制备方法
CN106149050A (zh) * 2016-07-26 2016-11-23 大连理工大学 一种铝硼母合金掺杂制备多晶硅靶材的铸造工艺

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
铸造多晶硅的稳定掺杂及电性能研究;王凯;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅰ辑》;20180415(第04期);14-16页，20页，39页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN109082643A (zh) 2018-12-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100861412B1 (ko) 다결정 실리콘 잉곳 제조장치
CA2620293C (en) System and method for crystal growing
KR101997608B1 (ko) 실리콘 단결정 육성장치 및 실리콘 단결정 육성방법
CN109082643B (zh) 一种砷、磷元素共掺制备n型多晶硅靶材的铸造工艺
US20100003183A1 (en) Method of purifying metallurgical silicon by directional solidification
CN103789835A (zh) 一种改进型梯度凝固GaAs单晶生长方法
CN102127809A (zh) 一种多晶硅铸锭炉
JP6826536B2 (ja) シリコン単結晶インゴットの引上げ装置およびシリコン単結晶インゴットの製造方法
CN102560631A (zh) 蓝宝石晶体的生长方法及设备
CN109963967A (zh) 化合物半导体及化合物半导体单晶的制造方法
WO2012054101A1 (en) Crystal growing system and method thereof
CN113445125B (zh) 一种坩埚下降法生长氧化镓体单晶的生长装置及其方法
CN109208072B (zh) 一种改善多晶硅铸锭底部晶花的结晶方法
CN108754602B (zh) 一种多晶硅半熔铸锭用坩埚及其喷涂工艺和应用
Crocco et al. Influence of SiC pedestal in the growth of 50 mm CZT by Vertical gradient freeze method
CN106149050A (zh) 一种铝硼母合金掺杂制备多晶硅靶材的铸造工艺
CN107142518B (zh) 一种多晶硅铸锭的化料工艺
JP2003286024A (ja) 一方向凝固シリコンインゴット及びこの製造方法並びにシリコン板及び太陽電池用基板及びスパッタリング用ターゲット素材
CN104010968A (zh) 多晶硅锭、其制造方法及其用途
CN113774484A (zh) 氧化镓晶体生长方法及生长氧化镓晶体的组合坩埚
CN108441946B (zh) 一种减小多晶硅靶材整锭头尾部电阻偏差的方法
CN102653881A (zh) 一种铸造大晶粒硅锭的方法
CN108531985B (zh) 一种多晶硅半熔铸锭工艺
CN116334765A (zh) 硅零件用多晶硅铸锭退火工艺
CN110396719A (zh) 一种提高硅锭少子寿命的方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant