CN115058774A - 直拉单晶硅制备的方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种直拉单晶硅制备的方法，该方法包括：切割母合金棒得到多个母合金片；母合金棒由掺杂硅材构成，掺杂硅材的掺杂浓度高于直拉单晶硅的目标掺杂浓度，沿母合金棒的厚度方向掺杂硅材的掺杂浓度分布不均匀；确定至少部分母合金片的掺杂浓度；其中，对每个待确定掺杂浓度的母合金片，在沿其厚度方向上的多个位置检测第一掺杂浓度，根据多个第一掺杂浓度计算该母合金片的掺杂浓度，母合金片的厚度方向为母合金棒的厚度方向；根据基础硅材的掺杂浓度、母合金片的掺杂浓度、目标掺杂浓度，将确定量的基础硅材与母合金片混合得到混合料；基础硅材的掺杂浓度小于目标掺杂浓度；使用混合料通过直拉法制备直拉单晶硅。

Description

直拉单晶硅制备的方法

技术领域

本公开涉及单晶硅制备技术领域，特别涉及直拉单晶硅制备的方法。

背景技术

直拉法(CZ，Czochralski)是制备单晶硅产品的重要方法。

直拉单晶硅的电阻率是其重要性质之一，而电阻率与掺杂浓度有密切关系，掺杂浓度稍有变化即会对直拉单晶硅的电阻率产生重要影响。

现有技术制备的直拉单晶硅中，难以保证掺杂浓度(尤其头部的掺杂浓度)的准确性，从而导致直拉单晶硅的电阻率(尤其头部的电阻率)不准确，废品率高。

发明内容

本公开提供一种直拉单晶硅制备的方法。

第一方面，本公开实施例提供一种直拉单晶硅制备的方法，其包括：

切割母合金棒得到多个母合金片；所述母合金棒由掺杂硅材构成，所述掺杂硅材的掺杂浓度高于所述直拉单晶硅的目标掺杂浓度，沿所述母合金棒的厚度方向所述掺杂硅材的掺杂浓度分布不均匀；

确定至少部分所述母合金片的掺杂浓度；其中，对每个待确定掺杂浓度的所述母合金片，在沿其厚度方向上的多个位置检测第一掺杂浓度，根据多个所述第一掺杂浓度计算该母合金片的掺杂浓度，所述母合金片的厚度方向为所述母合金棒的厚度方向；

根据基础硅材的掺杂浓度、所述母合金片的掺杂浓度、所述目标掺杂浓度，将确定量的所述基础硅材与母合金片混合得到混合料；所述基础硅材的掺杂浓度小于所述目标掺杂浓度；

使用所述混合料通过直拉法制备直拉单晶硅。

在一些实施例中，所述掺杂浓度通过电阻率和掺杂类型表征。

在一些实施例中，所述目标掺杂浓度为所述直拉单晶硅的头部的目标掺杂浓度。

在一些实施例中，每个所述母合金片的厚度在3毫米至6毫米之间。

在一些实施例中，所述母合金棒是通过直拉法制备的。

在一些实施例中，所述对每个待确定掺杂浓度的所述母合金片，在沿其厚度方向上的多个位置检测第一掺杂浓度包括：

对每个待确定掺杂浓度的所述母合金片，在沿厚其度方向的两端面，分别在各至少一个位置检测第一掺杂浓度。

在一些实施例中，所述母合金棒的电阻率在0.02欧姆.厘米至0.09欧姆.厘米之间。

在一些实施例中，每个所述母合金片的厚度在3毫米至6毫米之间；所述母合金棒的电阻率在0.02欧姆.厘米至0.09欧姆.厘米之间。

在一些实施例中，所述基础硅材包括掺杂硅材循环料；所述基础硅材的掺杂浓度至少根据所述掺杂硅材循环料的掺杂浓度、所述掺杂硅材循环料的质量计算得到。

在一些实施例中，在所述将确定量的所述基础硅材与母合金片混合得到混合料之前，还包括：

检测所述掺杂硅材循环料的多个位置的第二掺杂浓度，根据多个所述第二掺杂浓度计算所述掺杂硅材循环料的掺杂浓度。

本公开实施例中，对每个母合金片，都在沿其厚度方向的多个不同位置检测掺杂浓度(第一掺杂浓度)，再根据多个第一掺杂浓度计算出母合金片整体的掺杂浓度，故该掺杂浓度可更好的体现母合金片整体的掺杂元素含量，从而根据该掺杂浓度制备直拉单晶硅时，可更好的保证直拉单晶硅产品的掺杂浓度(尤其头部的掺杂浓度)的准确性，也就是保证直拉单晶硅的电阻率(尤其头部的电阻率)的准确性，提高产品合格率。

附图说明

附图用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与详细实施例一起用于解释本公开，并不构成对本公开的限制。通过参考附图对详细实施例进行描述，以上和其它特征和优点对本领域技术人员将变得更加显而易见，在附图中：

图1为本公开实施例提供的一种直拉单晶硅制备的方法的流程图；

图2为本公开实施例提供的一种直拉单晶硅制备的方法中母合金片的形式示意图；

图3为本公开实施例提供的另一种直拉单晶硅制备的方法的流程图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本公开的技术方案，下面结合附图对本公开提供的直拉单晶硅制备的方法的方法和装置、电子设备、计算机可读介质进行详细描述。

在下文中将参考附图更充分地描述本公开，但是所示的实施例可以以不同形式来体现，且不应当被解释为限于本公开阐述的实施例。反之，提供这些实施例的目的在于使本公开透彻和完整，并将使本领域技术人员充分理解本公开的范围。

本公开可借助本公开的理想示意图而参考平面图和/或截面图进行描述。因此，可根据制造技术和/或容限来修改示例图示。

在不冲突的情况下，本公开各实施例及实施例中的各特征可相互组合。

本公开所使用的术语仅用于描述特定实施例，且不意欲限制本公开。如本公开所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列举条目的任何和所有组合。如本公开所使用的单数形式“一个”和“该”也意欲包括复数形式，除非上下文另外清楚指出。如本公开所使用的术语“包括”、“由……制成”，指定存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其群组。

除非另外限定，否则本公开所用的所有术语(包括技术和科学术语)的含义与本领域普通技术人员通常理解的含义相同。还将理解，诸如那些在常用字典中限定的那些术语应当被解释为具有与其在相关技术以及本公开的背景下的含义一致的含义，且将不解释为具有理想化或过度形式上的含义，除非本公开明确如此限定。

本公开不限于附图中所示的实施例，而是包括基于制造工艺而形成的配置的修改。因此，附图中例示的区具有示意性属性，并且图中所示区的形状例示了元件的区的具体形状，但并不是旨在限制性的。

第一方面，本公开实施例提供一种直拉单晶硅制备的方法。

本公开实施例的方法用于通过直拉法制备含有掺杂元素的单晶硅(直拉单晶硅)。

参照图1，本公开实施例的方法包括：

S101、切割母合金棒得到多个母合金片。

其中，母合金棒由掺杂硅材构成，掺杂硅材的掺杂浓度高于直拉单晶硅的目标掺杂浓度，沿母合金棒的厚度方向掺杂硅材的掺杂浓度分布不均匀。

通过直拉法、铸造法等方式，先制备得到母合金棒，之后将母合金棒切割成多个“片材(母合金片)”。

其中，参照图2，可以是沿基本垂直于母合金棒厚度方向(即高度方向、轴向)的多个切面将母合金棒切割为多个母合金片，即，多个片可沿母合金棒的厚度方向排列。

其中，母合金棒、母合金片是母合金制备后和切割后的产物的代名词，而并不代表母合金必须为长条的棒状或扁平的片状。

应当理解，沿垂直于母合金棒厚度方向的切面进行切割，并不代表不能进行其它方向的切割。

例如，还可将母合金棒的头尾边等边角料切掉；再如，在两个垂直于母合金棒厚度方向的切面之间的片材还可被沿其它方向切割为更小的块，之后作为母合金片。

其中，母合金棒可以是单晶硅，也可为多晶硅；而母合金棒整体的高度可在300～2000mm，直径可在50～150mm。

其中，母合金棒由掺杂硅材构成，即为含有掺杂元素的硅，且该掺杂硅材的掺杂浓度高于要制备的直拉单晶硅应有的掺杂浓度(目标掺杂浓度)。

同时，沿母合金棒的厚度方向，其掺杂浓度的分布是不均匀的，即，在沿厚度方向的至少部分不同位置处，母合金棒具有不同的掺杂浓度。

应当理解，沿厚度方向掺杂浓度不均匀，并不代表母合金棒在其它方向的掺杂浓度分布就是均匀的。例如，在沿厚度方向的同一位置，在沿径向的不同位置处，母合金棒也可具有不同的掺杂浓度。

其中，掺杂元素是指加入硅后，可使硅呈现半导体特性的元素；根据掺杂后使硅为P型半导体或N型半导体的不同，掺杂元素的掺杂类型可为P型或N型；而具体可用的掺杂元素包括但不限于硼(B)、磷(P)、镓(Ga)、氮(N)、铝(Al)、锌(Zn)、硒(Se)等。

其中，在每个直拉单晶硅产品中使用的掺杂元素可以是只有一种具体元素，也可为多种不同元素的混合；但在使用多种不同元素时，多种元素通常具有相同的掺杂类型(P型或N型)。

其中，目标掺杂浓度是期望直拉单晶硅所具有的掺杂浓度，其相应的电阻率可在0.5欧姆.厘米至20欧姆.厘米之间。

由此，可用母合金片作为直拉单晶硅中掺杂元素的主要来源，即通过在直拉单晶硅的原料中使用特定量的母合金片，从而引入所需量的掺杂元素。

显然，母合金片中掺杂元素的浓度远小于纯的掺杂元素的浓度(100％)，由此，当采用母合金作为掺杂元素的来源时，若母合金片的用量稍有偏差，其引起的实际掺杂元素含量的偏差会小得多，从而可保证掺杂浓度(电阻率)的准确性。

S102、确定至少部分母合金片的掺杂浓度。

其中，对每个待确定掺杂浓度的母合金片，在沿其厚度方向上的多个位置检测第一掺杂浓度，根据多个第一掺杂浓度计算该母合金片的掺杂浓度，母合金片的厚度方向为母合金棒的厚度方向。

对每个母合金片，在沿其厚度方向(也就是母合金棒的厚度方向)上的多个不同位置处，分别检测第一掺杂浓度，再根据多个第一掺杂浓度计算(如求算术平均)该母合金片整体的掺杂浓度。

如前，母合金棒沿厚度方向的不同位置处的掺杂浓度不同。为此，不同母合金片的掺杂浓度也是不同的，且对每个母合金片，其沿厚度方向的不同位置的掺杂浓度实际也有不同。

本公开实施例中，检测多个位置的第一掺杂浓度，再据此计算母合金片整体的掺杂浓度，故相对于以一个位置的第一掺杂浓度作为母合金片的掺杂浓度的方式，本公开实施例得到的掺杂浓度可更准确的代表每个母合金片中实际掺杂元素的含量。

S103、根据基础硅材的掺杂浓度、母合金片的掺杂浓度、目标掺杂浓度，将确定量的基础硅材与母合金片混合得到混合料。

其中，基础硅材的掺杂浓度小于目标掺杂浓度。

根据基础硅材的掺杂浓度(该掺杂浓度较低，包括无掺杂)和母合金片的掺杂浓度(该掺杂浓度较高)，选择一定量的基础硅材与相应量和掺杂浓度的母合金片混合，得到混合料，以控制混合料中掺杂元素的含量，保证在使用该混合料拉制直拉单晶硅时，能使所得的直拉单晶硅符合目标掺杂浓度的要求。

其中，可以是预先确定基础硅材，进而计算出需要通过母合金片引入的掺杂元素的量，并将具有相应掺杂浓度和相应质量的母合金片与基础硅材混合。

或者，也可以是根据情况，对基础硅材和母合金片的质量都尽量调整，以保证最终得到的混合料的掺杂浓度符合要求。

其中，在混合料中可使用一或多个完整的母合金片，也可将单个母合金片打碎后将其一部分加入混合料中。

S104、使用混合料通过直拉法制备直拉单晶硅。

对于以上得到的混合料，通过直拉法制备单晶硅。

例如，可将混合料在坩埚中熔化为硅液，再用籽晶接触硅液，之后向上拉动籽晶，逐渐形成直拉单晶硅产品。

其中，直拉单晶硅产品整体可为棒材，其高度可在500～9000mm，直径可在50～350mm。

应当理解，对于直拉单晶硅产品，还可进一步将其除去头尾边后切割为硅片，并用于后续制备太阳能电池、半导体器件等产品，在此不再详细描述。

本公开实施例中，对每个母合金片，都在沿其厚度方向的多个不同位置检测掺杂浓度(第一掺杂浓度)，再根据多个第一掺杂浓度计算出母合金片整体的掺杂浓度，故该掺杂浓度可更好的体现母合金片整体的掺杂元素含量，从而根据该掺杂浓度制备直拉单晶硅时，可更好的保证直拉单晶硅产品的掺杂浓度(尤其头部的掺杂浓度)的准确性，也就是保证直拉单晶硅的电阻率(尤其头部的电阻率)的准确性，提高产品合格率

在一些实施例中，掺杂浓度通过电阻率和掺杂类型表征。

在掺杂类型(P型或N型)确定的情况下，掺杂浓度与被掺杂的硅的电阻率之间的关系是确定且可知的，因此，本公开实施例中提到的掺杂浓度，均可通过电阻率和掺杂类型表征。

例如，检测掺杂浓度，具体可是检测电阻率，因为通过电阻率实际上已经可以知道掺杂浓度。

再如，根据掺杂浓度计算掺杂浓度，具体可以是根据电阻率计算电阻率。

再如，目标掺杂浓度具体可为目标电阻率，即，直拉单晶硅在具有目标电阻率时，必然实际上也具有目标掺杂浓度。

在一些实施例中，目标掺杂浓度为直拉单晶硅的头部的目标掺杂浓度。

作为本公开实施例的一种方式，可以是优先控制直拉单晶硅的头部(先拉出的部分)具有符合要求的目标掺杂浓度(目标电阻率)。

因为掺杂元素分凝系数的关系，故若要保证直拉单晶硅沿厚度方向各位置处的掺杂浓度都相同难度较高；为此，可以是根据掺杂元素的分凝系数和直拉单晶硅整体的掺杂浓度，计算出其头部应有的目标掺杂浓度(目标电阻率)，并且根据该目标掺杂浓度选择基础硅材和合金片，保证得到的直拉单晶硅的头部的掺杂浓度(头部的电阻率)符合要求。

在一些实施例中，母合金棒是通过直拉法制备的。

作为本公开实施例的一种方式，可通过直拉法制备母合金棒(故其厚度方向也就是拉制方向)，而由于掺杂元素具有一定的分凝系数，故直拉法制备的母合金棒在沿厚度方向的不同位置处的掺杂浓度通常会有不同。

在一些实施例中，每个母合金片的厚度在3毫米至6毫米之间。

作为本公开实施例的一种方式，母合金片的厚度(沿厚度方向的尺寸)可比较薄，例如为3～6mm，进一步可为3mm、4mm、5mm、6mm等。

相对的，在一些相关技术中，母合金片的厚度较大，通常在8mm以上。

如前，每个母合金片沿厚度方向的不同位置的掺杂浓度可能不同，故母合金片越薄，则其各位置的掺杂浓度(电阻率)相差就越小，本身的掺杂浓度均匀性就越高，用其为原料制备直拉单晶硅时，也就更利于保证直拉单晶硅产品的掺杂浓度的准确性。

在一些实施例中，参照图3，对每个待确定掺杂浓度的所述母合金片，在沿其厚度方向上的多个位置检测第一掺杂浓度包括：

S1021、对每个待确定掺杂浓度的母合金片，在沿厚其度方向的两端面，分别在各至少一个位置检测第一掺杂浓度。

作为本公开实施例的一种方式，可以是在母合金片的上下两侧面上，分别各取至少一个位置检测第一掺杂浓度(电阻率)。

例如，可以是在母合金片的上下两侧面分别各检测一个第一掺杂浓度，而以两个第一掺杂浓度的算术平均值，作为该母合金片整体的掺杂浓度。

在一些实施例中，母合金棒的电阻率在0.02欧姆.厘米至0.09欧姆.厘米。

在一些相关技术中，母合金棒的电阻率较高，如在“负二级”；由此，母合金棒的掺杂浓度较低，从而导致需要使用的母合金片的量更大，生产成本更高。

而在另一些相关技术中，母合金棒的电阻率较低，如在“负四级”；由此，母合金棒的掺杂浓度较高，从而母合金片的用量稍有偏差时，就会导致直拉单晶硅产品中掺杂元素的含量产生明显偏差，从而直拉单晶硅的掺杂浓度(电阻率)难以准确控制。

作为本公开实施例的一种方式，母合金棒的电阻率可在“负三级”，即具体在0.02欧姆.厘米至0.09欧姆.厘米，进一步可在为0.02欧姆.厘米、0.03欧姆.厘米、0.04欧姆.厘米、0.05欧姆.厘米、0.06欧姆.厘米、0.07欧姆.厘米、0.08欧姆.厘米、0.09欧姆.厘米等。

以上范围内的电阻率可保证母合金具有适当的掺杂浓度，从而既使其制备成本低，同时也有利于对直拉单晶硅产品的掺杂浓度(电阻率)实现准确控制。

在一些实施例中，每个母合金片的厚度在3毫米至6毫米之间；母合金棒的电阻率在0.02欧姆.厘米至0.09欧姆.厘米之间。

理论上讲，母合金片的厚度越薄，则每个母合金片的掺杂浓度越均匀，有利于提高直拉单晶硅产品掺杂浓度(电阻率)的准确性；但同时，母合金片厚度越薄，要进行的切片操作也就越多，需要使用母合金片数量也越多，容易导致成本升高。

同时，对于相同厚度的母合金片，其本身整体的掺杂浓度越大(电阻率越低)，则其中含有的掺杂元素的可能偏差量也就越大。

为此，母合金片的厚度可根据母合金棒的电阻率和易用性综合选择，当母合金棒的电阻率在0.02欧姆.厘米至0.09欧姆.厘米之间时，相应母合金片的厚度可在3毫米至6毫米之间。

在一些实施例中，基础硅材包括掺杂硅材循环料；基础硅材的掺杂浓度至少根据掺杂硅材循环料的掺杂浓度、掺杂硅材循环料的质量计算得到。

作为本公开实施例的一种方式，具有较低掺杂浓度的基础硅材中可使用掺杂硅材循环料；即，之前制备的掺杂的硅材料(如之前制备的直拉单晶硅)中的头尾边等边角料或废料，可在下次制备过程中作为基础硅材循环使用。

而在使用掺杂硅材循环料时，由于掺杂硅材循环料中已有掺杂，故需要根据掺杂硅材循环料的掺杂浓度，计算出基础硅材整体的掺杂浓度。

应当理解，基础硅材可以只采用一种掺杂硅材循环料，也可同时采用多种掺杂硅材循环料；而当基础硅材中采用多种掺杂硅材循环料时，需要分别根据每种掺杂硅材循环料的质量和掺杂浓度，计算基础硅材的掺杂浓度。同时，基础硅材可以完全采用掺杂硅材循环料，也可以采用纯硅料与掺杂硅材循环料的混合；而当基础硅材中同时采用纯硅料和掺杂硅材循环料时，可根据纯硅料的质量(其掺杂浓度为0％)，以及掺杂硅材循环料的质量和掺杂浓度，计算基础硅材的掺杂浓度。

应当理解，如果是直接使用纯硅料作为基础硅材，而不使用掺杂硅材循环料，也是可行的。

在一些实施例中，参照图3，在将确定量的基础硅材与母合金片混合得到混合料(S103)之前，还包括：

S100、检测掺杂硅材循环料的多个位置的第二掺杂浓度，根据多个第二掺杂浓度计算掺杂硅材循环料的掺杂浓度。

作为本公开实施例的一种方式，对于每种掺杂硅材循环料，也可以是测定其多个位置的第二掺杂浓度，进而计算出该掺杂硅材循环料整体的掺杂浓度，并据此将不同的掺杂硅材循环料收集、分类，用作基础硅材的原料。

本公开实施例中，为了更好的控制直拉单晶硅产品的掺杂浓度(电阻率)，尤其是头部的掺杂浓度(头部的电阻率)，其中进行的各种操作的精度应较高。

例如，在计算应使用的基础硅材和母合金片的用量时，可将精度控制在小数点后两位(以“克”为单位，下同)；相应的，在称量基础硅材和母合金片时，应使用分析天平，并确保称量精度在小数点后两位。

而在称量出需使用的材料后，应将母合金片放入塑料袋封口并打包，之后再取出放入直拉设备的容器(如坩埚)中，并且保证将所有的材料均加入容器，而不允许有掉落在外或者残留在塑料袋内的材料。

本公开实施例中，通过共同使用多种措施，可大幅提高对直拉单晶硅产品的掺杂浓度(电阻率)的控制精度，尤其是头部的掺杂浓度(头部的电阻率)的控制精度

例如，本公开实施例可使直拉单晶硅产品的头部电阻率的命中率由相关技术中的80％左右，提升至95％左右。

本公开已经公开了示例实施例，并且虽然采用了具体术语，但它们仅用于并仅应当被解释为一般说明性含义，并且不用于限制的目的。在一些实例中，对本领域技术人员显而易见的是，除非另外明确指出，否则可单独使用与特定实施例相结合描述的特征、特性和/或元素，或可与其它实施例相结合描述的特征、特性和/或元件组合使用。因此，本领域技术人员将理解，在不脱离由所附的权利要求阐明的本公开的范围的情况下，可进行各种形式和细节上的改变。

Claims (10)

1.一种直拉单晶硅制备的方法，其包括：

切割母合金棒得到多个母合金片；所述母合金棒由掺杂硅材构成，所述掺杂硅材的掺杂浓度高于所述直拉单晶硅的目标掺杂浓度，沿所述母合金棒的厚度方向所述掺杂硅材的掺杂浓度分布不均匀；

确定至少部分所述母合金片的掺杂浓度；其中，对每个待确定掺杂浓度的所述母合金片，在沿其厚度方向上的多个位置检测第一掺杂浓度，根据多个所述第一掺杂浓度计算该母合金片的掺杂浓度，所述母合金片的厚度方向为所述母合金棒的厚度方向；

根据基础硅材的掺杂浓度、所述母合金片的掺杂浓度、所述目标掺杂浓度，将确定量的所述基础硅材与母合金片混合得到混合料；所述基础硅材的掺杂浓度小于所述目标掺杂浓度；

使用所述混合料通过直拉法制备直拉单晶硅。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，

所述掺杂浓度通过电阻率和掺杂类型表征。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，

所述目标掺杂浓度为所述直拉单晶硅的头部的目标掺杂浓度。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，

每个所述母合金片的厚度在3毫米至6毫米之间。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，

所述母合金棒是通过直拉法制备的。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述对每个待确定掺杂浓度的所述母合金片，在沿其厚度方向上的多个位置检测第一掺杂浓度包括：

对每个待确定掺杂浓度的所述母合金片，在沿厚其度方向的两端面，分别在各至少一个位置检测第一掺杂浓度。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，

所述母合金棒的电阻率在0.02欧姆.厘米至0.09欧姆.厘米之间。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，

每个所述母合金片的厚度在3毫米至6毫米之间；

所述母合金棒的电阻率在0.02欧姆.厘米至0.09欧姆.厘米之间。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，

所述基础硅材包括掺杂硅材循环料；所述基础硅材的掺杂浓度至少根据所述掺杂硅材循环料的掺杂浓度、所述掺杂硅材循环料的质量计算得到。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，在所述将确定量的所述基础硅材与母合金片混合得到混合料之前，还包括：

检测所述掺杂硅材循环料的多个位置的第二掺杂浓度，根据多个所述第二掺杂浓度计算所述掺杂硅材循环料的掺杂浓度。

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