CN112795979B - 一种单晶硅制备方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及光伏领域，提供一种单晶硅制备方法及装置，其中，方法包括以下步骤：将掺杂剂、多晶硅原料以及重掺杂硅原料放入坩埚中，重掺杂硅原料平铺设于坩埚底部，掺杂剂与多晶硅原料混合并铺设于重掺杂硅原料上；将坩埚置于单晶炉内，对单晶炉进行抽真空操作后通入保护气体，并在保护气体作用下熔化多晶硅原料及掺杂剂，得到硅熔体，控制重掺杂硅原料不熔化；当硅熔体温度稳定后，将晶种浸入硅熔体中，之后依次进行引晶，放肩，等径生长阶段，其中，在等径生长过程中，由上往下熔化至少部分重掺杂硅原料，使得重掺杂硅原料中的掺杂元素进入硅熔体中以实现再次掺杂。本申请的单晶硅制备方法及装置，降低单晶硅含氧量，提高硅棒电阻率集中度。

Description

一种单晶硅制备方法及装置

技术领域

本申请涉及光伏电池技术领域，具体地讲，涉及一种单晶硅制备方法及装置。

背景技术

目前，在直拉法制备单晶硅过程中，通常在加料环节就已经将具有掺杂剂的母合金、硅原料放入坩埚内，再融化提拉。由于母合金与硅原料的分凝系数不同，在固化过程中从溶体进入到固体中掺杂剂的量不同，最终电阻率不同，制备的硅棒电阻率分布不够集中。另外还可以通过连续直拉法制备单晶硅，主要是通过在炉体内放置双层坩埚，其中内层坩埚拉晶，外层坩埚用于接收外部硅料和母合金。拉制过程中，外坩埚的掺杂元素通过内外层坩埚底部通道进入内坩埚中，影响晶棒拉制整体的电阻率分布。虽然该方法制得的单晶硅硅棒电阻率分布集中，但是双层坩埚容易给硅溶体带来杂质污染，导致制成的单晶硅的少子寿命较低。

发明内容

鉴于此，本申请提出一种单晶硅制备方法及装置，能够降低单晶硅含氧量，提高硅棒电阻率集中度。

第一方面，本申请实施例提供一种单晶硅制备方法，包括以下步骤：

将掺杂剂、多晶硅原料以及重掺杂硅原料放入坩埚中，其中，所述重掺杂硅原料平铺设于所述坩埚的底部，所述掺杂剂与所述多晶硅原料混合并铺设于所述重掺杂硅原料上；

将所述坩埚置于单晶炉内，对所述单晶炉进行抽真空操作后通入保护气体，并在保护气体作用下熔化所述多晶硅原料及所述掺杂剂，得到硅熔体，其中，在熔料过程中，所述掺杂剂进入所述硅熔体中以实现初步掺杂，且控制所述坩埚底部的所述重掺杂硅原料不熔化；

当所述硅熔体温度稳定后，将晶种浸入所述硅熔体中，之后依次进行引晶，放肩，等径生长阶段，其中，在等径生长过程中，由上往下熔化至少部分所述重掺杂硅原料，使得所述重掺杂硅原料中的掺杂元素进入所述硅熔体中以实现再次掺杂；

等径生长完成后，进行收尾阶段，使得晶体的直径逐步缩小直至与所述硅熔体分离，待所述晶体冷却至室温后取出以获得单晶硅。

在一种可行的实施方式中，在熔料过程中，控制所述坩埚的侧部加热器位于所述坩埚底部的所述重掺杂硅原料的上方，且所述侧部加热器的辐射范围覆盖至少部分所述多晶硅原料及所述掺杂剂。

在一种可行的实施方式中，在等径生长过程中，控制所述坩埚的侧部加热器的辐射范围覆盖至少部分所述重掺杂原料，利用所述坩埚的底部加热器与所述侧部加热器由上往下熔化至少部分所述重掺杂硅原料。

在一种可行的实施方式中，所述多晶硅原料与所述重掺杂硅原料的重量比为1：（0.9~1.2）。

在一种可行的实施方式中，所述在等径生长过程中，由上往下熔化至少部分所述重掺杂硅原料，具体包括：

控制硅熔体结晶速率等于所述重掺杂硅原料的熔化速率，使得所述硅熔体液面保持不变。

在一种可行的实施方式中，所述重掺杂硅原料中的掺杂元素的浓度为2×10¹⁸~7×10¹⁸ atoms/cm³。

在一种可行的实施方式中，所述多晶硅原料与所述重掺杂硅原料的重量比为50：（2.5~3.5）。

在一种可行的实施方式中，所述在等径生长过程中，由上往下熔化至少部分所述重掺杂硅原料，具体包括：

控制所述重掺杂硅原料的熔化速率小于所述硅熔体结晶速率，所述硅熔体结晶速率为4kg/h~8kg/h。

在一种可行的实施方式中，所述重掺杂硅原料中的掺杂元素的浓度为4×10¹⁸~7×10¹⁹atoms/cm³。

在一种可行的实施方式中，在熔料过程中，所述掺杂剂进入所述硅熔体中以实现初步掺杂，且控制所述坩埚底部的所述重掺杂硅原料不熔化，具体包括：控制所述坩埚的坩埚轴内的进出水管道呈打开状态，所述进出水管道内设有常温水。

在一种可行的实施方式中，所述在等径生长过程中，由上往下熔化至少部分所述重掺杂硅原料，具体包括：控制所述坩埚的坩埚轴内的进出水管道呈打开状态，所述进出水管道内设有常温水。

在一种可行的实施方式中，所述坩埚的高度为600mm~900mm，侧部加热器的辐射范围为200mm~400mm。

在一种可行的实施方式中，控制所述硅熔体中的掺杂元素的浓度为2×10¹⁸~7×10¹⁸atoms/cm³。

在一种可行的实施方式中，所述单晶硅的氧含量小于9ppma，所述单晶硅的电阻率为0.8Ω·cm ~1.0Ω·cm。

第二方面，本申请还提供一种单晶硅制备装置，所述单晶硅制备装置至少包括：单晶炉、坩埚、位于坩埚侧部的侧部加热器以及底部的底部加热器，所述单晶硅制备装置用于上述第一方面所述的单晶硅制备方法。

本申请的技术方案至少具有以下有益的效果：通过在坩埚中配置掺杂剂、多晶硅原料以及重掺杂硅原料以及匹配的拉晶工艺实现掺杂元素的多次掺杂。在拉晶过程中，通过控制坩埚的侧部加热器，使得位于坩埚上部的多晶硅原料和掺杂剂优先熔化，实现掺杂元素的初步掺杂，随着拉晶过程逐步熔化位于坩埚底部的重掺杂硅原料，使得重掺杂硅原料中的掺杂元素能够随着晶体的生长逐步补充掺杂进入硅熔体，实现掺杂元素的再次掺杂，以使得拉制得到的单晶硅晶棒的电阻率分布较为集中，且含氧量较低，单晶硅的少子寿命得以提高。

附图说明

为了更清楚的说明本申请实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的单晶硅制备方法的流程示意图；

图2为本申请实施例提供的单晶硅制备装置的结构示意图；

图3a为本申请实施例3提供的单晶硅制备装置中的坩埚热力图；

图3b为本申请对比例1提供的单晶硅制备装置中的坩埚热力图；

图4a为本申请实施例3提供的单晶硅硅片的氧含量测试数据图；

图4b为本申请对比例1提供的单晶硅硅片的氧含量测试数据图。

具体实施方式

为了更好的理解本申请的技术方案，下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其它含义。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

本申请实施例提供一种单晶硅制备方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤S10，将掺杂剂、多晶硅原料以及重掺杂硅原料放入坩埚中，其中，所述重掺杂硅原料平铺设于所述坩埚的底部，所述掺杂剂与所述多晶硅原料混合并铺设于所述重掺杂硅原料上；

步骤S20，将所述坩埚置于单晶炉内，对所述单晶炉进行抽真空操作后通入保护气体，并在保护气体作用下熔化所述多晶硅原料及所述掺杂剂，得到硅熔体，其中，在熔料过程中，所述掺杂剂进入所述硅熔体中以实现初步掺杂，且控制所述坩埚底部的所述重掺杂硅原料不熔化；

步骤S30，当所述硅熔体温度稳定后，将晶种浸入所述硅熔体中，之后依次进行引晶，放肩，等径生长阶段，其中，在等径生长过程中，由上往下熔化至少部分所述重掺杂硅原料，使得所述重掺杂硅原料中的掺杂元素进入所述硅熔体中以实现再次掺杂；

步骤S40，等径生长完成后，进行收尾阶段，使得所述晶体的直径逐步缩小直至与所述硅熔体分离，待所述晶体冷却至室温后取出以获得所述单晶硅。

在上述方案中，在多晶硅原料底部设置一层重掺杂硅原料，通过控制加热器，使得位于坩埚上部的多晶硅原料优先熔化，并且在拉晶过程中，逐步熔化位于坩埚底部的重掺杂硅原料，使得重掺杂硅原料中的掺杂元素能够随着晶体的生长逐步补充掺杂进入硅熔体，使得拉制得到的单晶硅的电阻率分布较为集中，且含氧量较低，可以提高单晶硅的少子寿命。

以下结合具体实施例详细介绍本方案：

步骤S10，将掺杂剂、多晶硅原料以及重掺杂硅原料放入坩埚中，其中，所述重掺杂硅原料平铺设于所述坩埚的底部，所述掺杂剂与所述多晶硅原料混合并铺设于所述重掺杂硅原料上。

在具体实施例中，掺杂剂可以是N型掺杂剂，掺杂剂例如可以是高纯赤磷，掺磷母合金等等。掺杂剂也可以是P型掺杂剂，掺杂剂例如可以是硅硼母合金、硅锑母合金，可以根据母合金中的掺杂元素的掺杂量来控制掺杂剂与多晶硅原料的重量比例。

在一些实施例中，多晶硅原料可以是呈现不规则形状的碎块状多晶硅、颗粒状多晶硅、多晶硅锭、圆柱状多晶硅等等。

在本实施例中，为了防止在多晶硅原料熔化过程中，硅熔体流入坩埚底部的重掺杂硅原料中，所述重掺杂硅原料呈规则形状，具体可以是与坩埚底部相契合的块状重掺杂多晶硅块，重掺杂多晶硅块与坩埚的侧壁紧密贴合，避免上部熔化的硅熔体下渗至坩埚底壁。优选地，重掺杂硅原料为整块的板状料，块状重掺杂多晶硅块能够平铺设置于坩埚底部，从而避免硅熔体渗入坩埚底部，隔离坩埚底部与硅熔体，隔绝氧杂质进入硅熔体。

在其他实施例中，重掺杂硅原料也可以多个规则形状拼接形成，例如当坩埚底部为圆形时，重掺杂硅原料可以是四个四分之一圆形的多晶硅块拼接而成。当坩埚底部为方形时，重掺杂硅原料可以是多个方形块拼接形成，在此不做限定。

重掺杂硅原料可以使用铸造法制备，也可以采用直拉法制备，优选地，所述重掺杂硅原料为N型掺磷单晶硅和/或N型掺磷多晶硅。

步骤S20，将所述坩埚置于单晶炉内，对所述单晶炉进行抽真空操作后通入保护气体，并在保护气体作用下熔化所述多晶硅原料及所述掺杂剂，得到硅熔体，其中，在熔料过程中，所述掺杂剂进入所述硅熔体中以实现初步掺杂，且控制所述坩埚底部的所述重掺杂硅原料不熔化。

如图2所示，本申请的单晶硅制备装置包括单晶炉1、坩埚2、位于坩埚底部的底部加热器3、位于坩埚侧部的至少一个侧部加热器4、保温筒5、导流筒6、用于提拉晶体的晶体提拉装置（图2未示出）。

在本实施例中，坩埚2具有平底的底部，方便铺设重掺杂硅原料。坩埚的高度高于普通坩埚高度，普通坩埚的高度一般在600mm左右，而本申请中的坩埚的高度为650mm~900mm，从而能够拉长坩埚底部的氧输送路线，降低单晶硅的氧含量；并且本申请的坩埚更容易形成温度梯度，并有利于控制坩埚底部的重掺杂硅原料的熔化速度。

如图2所示，相比于传统的坩埚装置，连接坩埚2的坩埚轴设计为中空结构且设有进出水管道21，进出水管道21内设有常温水，常温水的进口温度约为20℃~25℃，常温水的出口温度约为30℃~35℃，常温水流动可以避免坩埚内部温度过高，控制坩埚底部温度不会过高，从而可以调节重掺杂硅原料的熔化速度。在一些实施例中，所述进出水管道21的设置可以保障位于坩埚底部的重掺杂多晶硅原料在拉晶初始阶段不易熔化。

底部加热器3及侧部加热器4用于加热坩埚2内的多晶硅原料以及掺杂剂、重掺杂硅原料，使得多晶硅原料熔化形成硅熔体。在本实施例中，侧部加热器4的高度与坩埚高度的比值1：（3~5）。

在本实施例中，侧部加热器4为主加热器，底部加热器3为辅加热器。具体地，坩埚的高度为650mm~900mm，具体可以是650mm、700mm、750mm、800mm、850mm或900mm，在此不做限定。优选地，坩埚高度为700mm~900mm。坩埚的直径为800mm~1000mm，具体可以是800mm、850mm、900mm、950mm或1000mm，在此不做限定。

在一些实施例中，侧部加热器可以选择为窄辐射加热器。例如，侧部加热器4的辐射范围为200mm~400mm，具体可以是200mm、250mm、300mm、350mm或400mm等等，当然也可以是上述范围内的其他值。在具体实施例中，侧部加热器为电磁辐射加热器，加热器的辐射范围是指电磁辐射加热器的最高点与最低点之间的距离。加热器的辐射范围越窄，坩埚内的多晶硅原料熔化可以从上致下，逐步进行，有利于加速SiO的挥发，硅熔体中的氧含量越低。

侧部加热器4的工作功率为60kw~80kw，具体可以是60kw、65kw、68kw、70kw、75kw或80kw等等，当然也可以是上述范围内的其他值，在侧部加热器4的作用下，多晶硅原料以及掺杂剂能够熔化成硅熔体。

底部加热器的工作功率小于5Kw，具体可以是1kw、2kw、3kw、4kw或5kw等等，当然也可以是上述范围内的其他值，底部加热器3为辅助加热器，在底部加热器工作状态下，铺设于坩埚底部的重掺杂硅料不易熔化。

在具体实施方式中，侧部加热器4与坩埚的相对位置可以调节，即侧部加热器4可以沿坩埚上下移动，或者，坩埚可以上下移动以调整与侧部加热器的相对位置。

在熔化硅原料过程中，侧部加热器4设置于坩埚侧壁外，且位于所述坩埚底部的所述重掺杂硅原料的上方，且所述侧部加热器的辐射范围覆盖至少部分所述多晶硅原料及所述掺杂剂。侧部加热器由于其辐射范围较窄，仅为200mm~400mm，示例性地，坩埚底部的重掺杂硅料的高度为200mm，重掺杂硅料上方的多晶硅原料的高度为600mm，将侧部加热器4的位置调节至重掺杂硅料的上方，与多晶硅原料相对应，其发出的热量熔化多晶硅原料，而位于坩埚底部的底部加热器的功率低于5KW，发出的热量不足以熔化底部的重掺杂硅原料。

在熔料过程中，所述掺杂剂进入所述硅熔体中以实现初步掺杂，且控制所述坩埚底部的所述重掺杂硅原料不熔化，具体包括：控制所述坩埚的坩埚轴内的进出水管道呈打开状态，所述进出水管道内设有常温水。

可以理解地，在熔料过程中，进出水管道21内设有常温水，常温水的进口温度约为20℃~25℃，常温水的出口温度约为30℃~35℃，常温水流动可以避免坩埚内部温度过高，控制坩埚底部温度不会过高，降低重掺杂硅原料的熔化速度。

由于对硅片中氧含量具有严格的要求，例如，氧含量越高，少子寿命越低，进而降低太阳能电池的效率，因此需要在拉晶过程中降低硅熔体中的氧浓度，而硅熔体中的氧元素多以SiO形式存在，通过设置导流筒6，将保护气体（氩气和/或氮气）汇聚至坩埚2中央，从而加速SiO的挥发，可大幅降低熔体中氧浓度。同时，导流筒6还能起到热屏蔽的作用，汇聚的保护气体可加速晶体的冷却，增大晶体轴向温度梯度，提高晶体生长速率。

在整个单晶硅拉制过程中，由于底部加热器与侧部加热器的共同作用下，有利于保持坩埚内的硅熔体的硅液面的温度，保证单晶硅的生长速率。

其中，保护气体包括氩气、氪气、氮气中的任意一种。

在本实施例中，掺杂剂对多晶硅原料进行一次掺杂后，得到硅熔体的的掺杂元素的浓度为2×10¹⁸~7×10¹⁸atoms/cm³。具体可以是2×10¹⁸ atoms/cm³、3×10¹⁸ atoms/cm³、4×10¹⁸ atoms/cm³、5×10¹⁸ atoms/cm³、6×10¹⁸ atoms/cm³或7×10¹⁸ atoms/cm³等。

步骤S30，当所述硅熔体温度稳定后，将晶种浸入所述硅熔体中，之后依次进行引晶，放肩，等径生长阶段，其中，在等径生长过程中，利用所述坩埚的底部加热器与所述侧部加热器熔化至少部分所述重掺杂硅原料，使得所述重掺杂硅原料中的掺杂元素进入所述硅熔体中以实现再次掺杂。

引晶过程中，引晶速度为240-300mm/h，引晶长度为260~300mm，晶体直径为5~8mm。

可选地，引晶速度可以为240mm/h、250mm/h、260mm/h、270mm/h、280mm/h、290mm/h及300mm/h，在此不做限定。在引晶过程中，晶体直径可以为5mm、6mm、7mm、8mm等等，晶体长度可以为260mm、270mm、280mm、290mm或300mm等等，在此不做限定。

所述单晶炉内的温度为1250~1300sp。示例性地，单晶炉内的温度可以为1250sp、1255sp、1260sp、1265sp、1270sp、1275sp、1280sp、1285sp、1290sp、1295sp、1300sp，优选地，单晶炉内的温度为1300sp，可以理解地，合适的引晶温度，可以有效提高引晶成功率，当然，单晶炉内的温度也可以是其他值，在此不做限定。

在放肩过程中，所述晶体的第一提拉速度为50-80mm/h，使得所述晶体的直径逐步增大至230-310mm。

可选地，第一提拉速度可以为50mm/h、60mm/h、70mm/h、80mm/h等，所述晶体的直径逐步增大至230mm、240mm、250mm、260mm、270mm、280mm、290mm、300mm或310mm等，在此不做限定。可以理解地，为保证拉晶稳定性，晶体的生长速度较慢，晶体提拉速度也较慢。并且，在整个放肩过程中，单晶炉内的温度可以逐渐下降，不可升温。

晶体的直径范围可根据电池片对硅片的尺寸要求进行设计控制，在此不做限定。

为了提高硅熔体中掺杂元素分布的均匀度，需要对硅熔体进行充分搅拌，还可以将晶种与坩埚反向旋转，也可以起到搅拌作用。

具体地，在等径生长过程中，所述晶体的第二提拉速度为80-130mm/h，具体可以为80mm/h、90mm/h、100mm/h、110mm/h、120mm/h、130mm/h等，在此不做限定。

可以理解地，在等径生长过程中，处于固液交界面附近晶体径向各点的杂质向交界面附近硅熔体一侧分凝出的杂质速度是不等的，造成了晶体径向掺杂浓度分布不均匀，而控制等径生长阶段中的提拉速度小于引晶过程中的提拉速度。随着提拉速度的下降，晶体径向向各处的掺杂元素有足够时间向熔体进行扩散，会使得晶体径向掺杂元素分布更加均匀。

为了提高晶体的单晶截面电阻率，在一种实施方式中，所述多晶硅原料与所述重掺杂硅原料的重量比为1：（0.9~1.2），具体可以是1：0.9、1：0.95、1：1、1：1.05、1：1.1、1：1.15或1：1.2等等，当然也可以是上述范围内的其他值。所述重掺杂硅原料中的掺杂元素的浓度为2×10¹⁸~7×10¹⁸atoms/cm³，具体可以是2×10¹⁸ atoms/cm³、3×10¹⁸ atoms/cm³、4×10¹⁸ atoms/cm³、5×10¹⁸ atoms/cm³、6×10¹⁸ atoms/cm³或7×10¹⁸ atoms/cm³等。即熔化的重掺杂硅原料可以使得硅熔体中的掺杂元素浓度控制在上述范围内。

当多晶硅原料与所述重掺杂硅原料的重量比约为1：1时，在等径生长过程中，控制硅熔体结晶速率等于所述重掺杂硅原料的熔化速率，使得所述硅熔体液面保持不变。即结晶消耗掉的多晶硅原料的硅熔体能够及时被重掺杂硅原料熔化得到的硅熔体补充进来。在本实施例中，侧部加热器4设置于坩埚侧壁外，侧部加热器的辐射范围覆盖重掺杂硅原料，其发出的热量能够随着坩埚的上升，逐步熔化重掺杂硅原料，重掺杂硅原料中的掺杂元素能够随着晶体的生长逐步补充掺杂进入晶体中，还可以使得硅熔体内的掺杂浓度保持在一个预设范围内，进而使得制得的单晶硅的电阻率分布较为集中，且含氧量较低。同样地，在等径生长过程中，进出水管道21内设有常温水，常温水的进口温度约为20℃~25℃，常温水的出口温度约为30℃~35℃，常温水流动可以避免坩埚内部温度过高，控制坩埚底部温度不会过高，降低重掺杂硅原料的熔化速度。

在另一种实施方式中，所述多晶硅原料与所述重掺杂硅原料的重量比为50：（2.5~3.5），具体可以是50：2.5、50：2.6、50：2.7、50：2.8、50：2.9、50：3.0、50：3.1、50:3.2、50:3.3、50:3.4、50:3.5等等，当然也可以是上述范围内的其他值。其中，所述重掺杂硅原料中的掺杂元素的浓度为4×10¹⁸~7×10¹⁹atoms/cm³，具体可以是4×10¹⁸ atoms/cm³、4.5×10¹⁸atoms/cm³、5×10¹⁸atoms/cm³、5×10¹⁹atoms/cm³、6×10¹⁹atoms/cm³或7×10¹⁹atoms/cm³等。

在等径生长过程中，控制所述重掺杂硅原料的熔化速率小于所述硅熔体结晶速率，所述硅熔体结晶速率为4kg/h~8kg/h。即坩埚底部的重掺杂多晶硅只有部分熔化，未熔化的重掺杂多晶硅能够隔离坩埚底部与硅熔体，隔绝氧杂质进入硅熔体，掺杂元素补充进入硅熔体后，能够随着晶体的生长逐步补充掺杂进入晶体中。

在整个单晶硅拉制过程中，控制所述硅熔体中的掺杂元素的浓度为2×10¹⁸~7×10¹⁸atoms/cm³，2×10¹⁸~7×10¹⁸atoms/cm³。具体可以是2×10¹⁸ atoms/cm³、3×10¹⁸atoms/cm³、4×10¹⁸atoms/cm³、5×10¹⁸atoms/cm³、6×10¹⁸atoms/cm³或7×10¹⁸ atoms/cm³等。

步骤S40，等径生长完成后，进行收尾阶段，使得所述晶体的直径逐步缩小直至与所述硅熔体分离，待所述晶体冷却至室温后取出以获得单晶硅。

在收尾阶段，晶体的第三提拉速度为20-80 mm/h，示例性地，第三提拉速度可以为20mm/h、30mm/h、40mm/h、50mm/h、60mm/h、70mm/h或80mm/h。

在本实施例中，所述单晶硅的氧含量小于9ppma，具体可以是8ppma、7ppma、6ppma、5ppma、4ppma、3ppma或2ppma等等。可以理解地，在整个单晶硅拉制过程中，由于底部的重掺杂硅原料的隔绝作用，来之坩埚底部的氧杂质不能进入单晶棒中，可以有效降低单晶硅的氧元素来源。

并且重掺杂硅原料中的掺杂元素补充进入单晶硅棒，可以使得所述单晶硅的径向掺杂浓度分布更加均匀，单晶硅棒的电阻率集中度更高。在本实施例中，电阻率为0.8Ω·cm~1.0Ω·cm，具体可以是0.8Ω·cm、0.85Ω·cm、0.9Ω·cm、0.95Ω·cm或1.0Ω·cm等。

实施例1

步骤（1），将500kg重掺杂多晶硅块平铺设于坩埚的底部，再将500kg的多晶硅原料以及掺杂物设置于重掺杂多晶硅块上；其中，重掺杂多晶硅块的掺杂元素的浓度为2×10¹⁸atoms/cm³，坩埚的高度为700mm，坩埚的直径1000mm；

步骤（2），将所述坩埚置于单晶炉内抽真空，对所述单晶炉进行抽真空操作后通入保护气体，并在保护气体作用下利用所述坩埚的侧部加热器熔化所述多晶硅原料及所述掺杂剂，得到硅熔体；其中，在熔化过程中，所述掺杂剂进入所述硅熔体中以实现初步掺杂，且控制所述侧部加热器位于所述坩埚底部的所述重掺杂硅原料的上方，使得所述重掺杂硅原料不熔化；

步骤（3），当所述硅熔体温度稳定后，由提拉装置将晶种浸入所述硅熔体中开始引晶，引晶时单晶炉内温度设定为1300sp，控制引晶速度为250mm/h，晶体直径为6mm，晶体长度为280mm；

步骤（4），引晶结束后，开始放肩，降低拉速至50mm/h，使得晶体的直径逐步增大至250mm；

步骤（5），开始等径生长，等径生长过程中，逐步拉伸坩埚，使得所述侧部加热器与底部加热器一起由上至下逐步熔化所述重掺杂硅原料，控制控制硅熔体结晶速率等于所述重掺杂硅原料的熔化速率，使得所述硅熔体液面保持不变；并控制晶体提升速度为100mm/h；

步骤（6），等径生长完成后，进入收尾阶段，控制晶体提升速度为50mm/h，使得所述晶体的直径逐步缩小直至与所述硅熔体分离；

步骤（7），生长完成的所述晶体在上炉室冷却至室温后取出，所述晶体为单晶硅。

制得的单晶硅的氧含量为7.3ppma~9.1ppma，所述单晶硅的电阻率为0.85Ω·cm~1.0Ω·cm。

实施例2

步骤（1），将30kg重掺杂多晶硅块平铺设于坩埚的底部，再将500kg的多晶硅原料以及掺杂物设置于重掺杂多晶硅块上；其中，重掺杂多晶硅块的掺杂元素的浓度为5×10¹⁹atoms/cm³，坩埚的高度为700mm，坩埚的直径1000mm；

步骤（2），将所述坩埚置于单晶炉内抽真空，对所述单晶炉进行抽真空操作后通入保护气体，并在保护气体作用下利用所述坩埚的侧部加热器熔化所述多晶硅原料及所述掺杂剂，得到硅熔体；其中，在熔化过程中，所述掺杂剂进入所述硅熔体中以实现初步掺杂，且控制所述侧部加热器位于所述坩埚底部的所述重掺杂硅原料的上方，使得所述重掺杂硅原料不熔化；

步骤（3），当所述硅熔体温度稳定后，由提拉装置将晶种浸入所述硅熔体中开始引晶，引晶时单晶炉内温度设定为1280sp，控制引晶速度为240mm/h，晶体直径为6mm，晶体长度为280mm；

步骤（4），引晶结束后，开始放肩，降低拉速至60mm/h，使得晶体的直径逐步增大至230mm；

步骤（5），开始等径生长，等径生长过程中，沿坩埚的侧壁逐渐降低侧部加热器，使得所述侧部加热器与底部加热器一起由上至下逐步熔化所述重掺杂硅原料，控制所述重掺杂硅原料的熔化速率小于所述硅熔体结晶速率；并控制晶体提升速度为90mm/h；

步骤（6），等径生长完成后，进入收尾阶段，控制晶体提升速度为50mm/h，使得所述晶体的直径逐步缩小直至与所述硅熔体分离；

步骤（7），生长完成的所述晶体在上炉室冷却至室温后取出，所述晶体为单晶硅。

制得的单晶硅的氧含量为6.5ppma~8.7ppma，所述单晶硅的电阻率为0.80Ω·cm~0.95Ω·cm。

实施例3

步骤（1），将500kg的多晶硅原料以及掺杂剂设置于重掺杂多晶硅块上；其中，坩埚的高度为700mm，坩埚的直径1000mm；

步骤（2），将所述坩埚置于单晶炉内抽真空，对所述单晶炉进行抽真空操作后通入保护气体，并在保护气体作用下利用所述坩埚的侧部加热器及底部加热器熔化所述多晶硅原料及所述掺杂剂，得到硅熔体；

步骤（3），当所述硅熔体温度稳定后，由提拉装置将晶种浸入所述硅熔体中开始引晶，引晶时单晶炉内温度设定为1280sp，控制引晶速度为240mm/h，晶体直径为6mm，晶体长度为280mm；

步骤（4），引晶结束后，开始放肩，降低拉速至60mm/h，使得晶体的直径逐步增大至230mm；

步骤（5），开始等径生长，等径生长过程中，控制晶体提升速度为90mm/h；

步骤（6），等径生长完成后，进入收尾阶段，控制晶体提升速度为50mm/h，使得所述晶体的直径逐步缩小直至与所述硅熔体分离；

步骤（7），生长完成的所述晶体在上炉室冷却至室温后取出，所述晶体为单晶硅。

在本实施例中，所述拉制的单晶硅晶棒直径约为300mm。

制得的单晶硅的氧含量为11.05ppma~12.94ppma，所述单晶硅的电阻率为0.83Ω·cm ~0.99Ω·cm。

对比例1

步骤（1），将500kg的多晶硅原料以及掺杂剂设置于坩埚内，坩埚的高度为500mm，直径为1000mm；

步骤（2），将所述坩埚置于单晶炉内抽真空，对所述单晶炉进行抽真空操作后通入保护气体，并在保护气体作用下利用所述坩埚的侧部加热器及底部加热器熔化所述多晶硅原料及所述掺杂剂，得到硅熔体；

步骤（3），当所述硅熔体温度稳定后，由提拉装置将晶种浸入所述硅熔体中开始引晶，引晶时单晶炉内温度设定为1280sp，控制引晶速度为240mm/h，晶体直径为6mm，晶体长度为280mm；

步骤（4），引晶结束后，开始放肩，降低拉速至60mm/h，使得晶体的直径逐步增大至230mm；

步骤（5），开始等径生长，等径生长过程中，控制晶体提升速度为90mm/h；

步骤（6），等径生长完成后，进入收尾阶段，控制晶体提升速度为50mm/h，使得所述晶体的直径逐步缩小直至与所述硅熔体分离；

步骤（7），生长完成的所述晶体在上炉室冷却至室温后取出，所述晶体为单晶硅。

在本对比例中，所述拉制的单晶硅晶棒直径约为300mm。

制得的单晶硅的氧含量为11.15ppma~13.15ppma，所述单晶硅的电阻率为0.2Ω·cm ~1.1Ω·cm。

根据实施例1~2以及对比例1可见，没有位于坩埚底部的重掺杂硅料块的隔绝作用，制得单晶硅的氧含量明显上升；并且在拉制过程中，没有重掺杂多晶硅中的掺杂元素的补充，晶体径向掺杂浓度分布不均匀，单晶硅的电阻率分布范围较大，不够集中。

结合图3a~图3b，以及图4a~图4b可见，根据实施例3以及对比例1可见，实施例3中的坩埚高度高于对比例1的坩埚高度且在坩埚内底部铺设了重掺杂多晶硅块，对比例1制得单晶硅的硅片氧含量明显高于实施例3制得单晶硅的硅片氧含量，在单晶硅拉制过程中，由于坩埚高度增加，坩埚底部的氧输送路线拉长，同时底部铺设的重掺杂多晶硅能够隔离坩埚底部与硅熔体，隔绝氧杂质进入硅熔体，进而有利于降低单晶硅的氧含量。

综上所述，采用本申请提供的单晶硅制备方法，通过控制加热器，使得位于坩埚上部的多晶硅原料优先熔化，并且在拉晶过程中，逐步熔化位于坩埚底部的重掺杂硅原料，使得重掺杂硅原料中的掺杂元素能够随着晶体的生长逐步补充掺杂进入硅熔体，使得拉制得到的单晶硅的电阻率分布较为集中，且含氧量较低，可以提高单晶硅的少子寿命。

本申请虽然以较佳实施例公开如上，但并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本申请构思的前提下，都可以做出若干可能的变动和修改，因此本申请的保护范围应当以本申请权利要求所界定的范围为准。

Claims (14)

1.一种单晶硅制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将掺杂剂、多晶硅原料以及重掺杂硅原料放入坩埚中，其中，所述重掺杂硅原料平铺设于所述坩埚的底部，所述掺杂剂与所述多晶硅原料混合并铺设于所述重掺杂硅原料上；

将所述坩埚置于单晶炉内，对所述单晶炉进行抽真空操作后通入保护气体，并在保护气体作用下熔化所述多晶硅原料及所述掺杂剂，得到硅熔体，其中，在熔料过程中，所述掺杂剂进入所述硅熔体中以实现初步掺杂，且控制所述坩埚底部的所述重掺杂硅原料不熔化；

当所述硅熔体温度稳定后，将晶种浸入所述硅熔体中，之后依次进行引晶，放肩，等径生长阶段，其中，在等径生长过程中，由上往下熔化至少部分所述重掺杂硅原料，使得所述重掺杂硅原料中的掺杂元素进入所述硅熔体中以实现再次掺杂；

等径生长完成后，进行收尾阶段，使得晶体的直径逐步缩小直至与所述硅熔体分离，待所述晶体冷却至室温后取出以获得单晶硅。

2.根据权利要求1所述的单晶硅制备方法，其特征在于，在熔料过程中，控制所述坩埚的侧部加热器位于所述坩埚底部的所述重掺杂硅原料的上方，且所述侧部加热器的辐射范围覆盖至少部分所述多晶硅原料及所述掺杂剂。

3.根据权利要求1所述的单晶硅制备方法，其特征在于，在等径生长过程中，控制所述坩埚的侧部加热器的辐射范围覆盖至少部分所述重掺杂原料，利用所述坩埚的底部加热器与所述侧部加热器由上往下熔化至少部分所述重掺杂硅原料。

4.根据权利要求1所述的单晶硅制备方法，其特征在于，所述多晶硅原料与所述重掺杂硅原料的重量比为1：（0.9~1.2）。

5.根据权利要求4所述的单晶硅制备方法，其特征在于，所述在等径生长过程中，由上往下熔化至少部分所述重掺杂硅原料，具体包括：

控制硅熔体结晶速率等于所述重掺杂硅原料的熔化速率，使得所述硅熔体液面保持不变。

6.根据权利要求4所述的单晶硅制备方法，其特征在于，所述重掺杂硅原料中的掺杂元素的浓度为2×10¹⁸~7×10¹⁸ atoms/cm³。

7.根据权利要求1所述的单晶硅制备方法，其特征在于，所述多晶硅原料与所述重掺杂硅原料的重量比为50：（2.5~3.5）。

8.根据权利要求7所述的单晶硅制备方法，其特征在于，所述在等径生长过程中，由上往下熔化至少部分所述重掺杂硅原料，具体包括：

控制所述重掺杂硅原料的熔化速率小于所述硅熔体结晶速率，所述硅熔体结晶速率为4kg/h~8kg/h。

9.根据权利要求7所述的单晶硅制备方法，其特征在于，所述重掺杂硅原料中的掺杂元素的浓度为4×10¹⁸~7×10¹⁹atoms/cm³。

10.根据权利要求2所述的单晶硅制备方法，其特征在于，在熔料过程中，所述掺杂剂进入所述硅熔体中以实现初步掺杂，且控制所述坩埚底部的所述重掺杂硅原料不熔化，具体包括：

控制所述坩埚的坩埚轴内的进出水管道呈打开状态，所述进出水管道内设有常温水。

11.根据权利要求5或8所述的单晶硅制备方法，其特征在于，所述在等径生长过程中，由上往下熔化至少部分所述重掺杂硅原料，具体包括：

控制所述坩埚的坩埚轴内的进出水管道呈打开状态，所述进出水管道内设有常温水。

12.根据权利要求2或3所述的单晶硅制备方法，其特征在于，所述坩埚的高度为600mm~900mm，所述侧部加热器的辐射范围为200mm~400mm。

13.根据权利要求1所述的单晶硅制备方法，其特征在于，控制所述硅熔体中的掺杂元素的浓度为2×10¹⁸~7×10¹⁸atoms/cm³。

14.根据权利要求1所述的单晶硅制备方法，其特征在于，所述单晶硅的氧含量小于9ppma，所述单晶硅的电阻率为0.8Ω·cm~1.0Ω·cm。

Images