CN115613125A - 一种硅料掺杂剂的掺杂工艺 - Google Patents

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秦晓东
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Abstract

本发明公开了一种硅料掺杂剂的掺杂工艺，在籽晶提拉浸取过程中，待籽晶端部形成块状载体时，将籽晶及其端部块状载体取出，然后将掺杂剂注入块状载体内，最后一同送入炉内完成掺杂剂的掺杂。本发明通过在籽晶端部形成块状载体，将掺杂剂注入块状载体内实现掺杂剂的添加，一方面避免籽晶太细无法钻孔注入掺杂剂，另一方面也能有效的防止掺杂剂的挥发，完美的将掺杂剂避开高温进入到硅液中，提高整体晶体性能，并节约纯的掺杂剂成本，将命中率提高10～15％，掺杂剂节约10％以上，具有显著的进步。

Description

一种硅料掺杂剂的掺杂工艺
技术领域
本发明属于多晶硅生产领域，具体涉及一种硅料掺杂剂的掺杂工艺。
背景技术
光伏电池是通过载流子进行导电的，纯正的半导体是依靠本征激发来产生载流子，但仅仅依靠本征激发所产生的载流子数量有限，而且容易受到温度等外部因素的影响。为了弥补这一不足，通常在高纯的硅料中添加掺杂剂，通过低电阻的掺杂剂来补偿高纯硅料的高电阻，最终达到光伏电池硅片所需的电阻率。掺杂剂有三价或者五价单质或与硅料混合后的硅锭。在制备硅单晶时，通常要加入一定数量杂质元素(即掺杂)。加入的杂质元素决定了被掺杂半导体的导电类型、电阻率、少子寿命等电学性能。掺杂元素的选择必须以掺杂过程方便为准，又能获得良好的电学性能和良好晶体完整性为前提。掺杂元素的选择，根据导电类型和电阻率的要求选择掺杂元素，制备N型硅单晶，必须选择Ⅴ族元素(如P、As、Sb、Bi)；制备P型硅、锗单晶必须选择Ⅲ族元素(如B、Al、Ga、In、Ti)。杂质元素在硅、锗晶体中含量的多少决定了硅、锗单晶的电阻率。电阻率不仅与杂质浓度有关，而且与载流子的迁移率有关。当杂质浓度较大时，杂质对载流子的散射作用，可使载流子的迁移率大大降低，从而影响材料的导电能力。在生产工艺上按电阻率的高低分档。掺杂有三档：轻掺杂(适用于大功率整流级单晶)、中掺杂(适用于晶体管级单晶)、重掺杂(适用于外延衬底级单晶)。根据杂质元素在硅、锗中溶解度选择掺杂元素各种杂质元素在硅、中溶解度相差颇大。例如，采用大溶解度的杂质，可以达到重掺杂的目的，又不会使杂质元素在晶体中析出影响晶体性能。常用掺杂元素在硅单晶生长时掺入量都有极限，超过了极限量，单晶生长不能进行。考虑到整个半导体器件的热稳定性和在半导体器件制造工艺，特别是高温工艺如扩散、外延等工艺中，常常要求硅、锗单晶中掺杂元素的扩散系数要小些好。否则当高温扩散制作器件时，衬底的杂质也同时以反扩散方式进入外延层中，影响杂质的再分布，对器件电性能不利。在硅中，属于快扩散杂质元素的有：H、Li、Na、Cu、Fe、K、Au、He、Ag、S；属于慢扩散杂质元素的有：Al、P、B、Ga、Ti、Sb、As、Bi等。由于单晶制备有时在真空条件下进行，故在晶体生长过程中气液相之间处于非平衡态，杂质的挥发变得更为容易。杂质元素的挥发往往会造成熔体中杂质量的变化，这是掺杂过程中应加以考虑的因素。将现有的掺杂剂直接放入原料中现在纯的掺杂剂容易挥发，尤其是温度越高挥发越快，导致硅单晶电阻命中率较低影响单晶品质，并且挥发后再次添加纯的掺杂剂造成成本增加。因此，如何设计一种硅料掺杂剂的掺杂工艺，必须以掺杂过程方便为准，又能获得良好的电学性能和良好晶体完整性，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种硅料掺杂剂的掺杂工艺方法，将纯的掺杂剂避开高温条件，直接融到单晶硅液中，提高单晶电阻率命中率及品质，从而提升晶体完整性能。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种硅料掺杂剂的掺杂工艺，在籽晶提拉浸取过程中，待籽晶端部形成块状载体时，将籽晶及其端部块状载体取出，然后将掺杂剂注入块状载体内，最后一同送入炉内完成掺杂剂的掺杂。
作为选择地，所述的块状载体为直拉法制备单晶硅过程中，在籽晶端部结晶生长而成的块状晶体。
作为另一种选择地，所述的块状载体为直拉法制备单晶硅过程中，在炉内未完全熔化并粘连在籽晶端部的块状硅料。
具体地，所述的籽晶直径为6±1mm。由于籽晶过细，无法直接在籽晶上面打孔，故而在籽晶端部形成块状载体后，在块状载体上打孔并注入掺杂剂。
优选地，所述的块状载体的直径不小于100mm，在该尺寸大小下，方便打孔。当然，若打孔方便时，块状载体的尺寸也可以更小。
进一步优选地，所述的块状载体的直径在100～200mm。
具体地，所述掺杂剂注入块状载体内的方法为：在块状载体上钻取孔洞，然后将掺杂剂注入孔洞内。
优选地，钻取的孔洞直径为30～40mm，方便掺杂剂放入；钻孔所采用的钻头为陶瓷钻头，以避免引入杂质。
更进一步地，掺杂剂注入孔洞内后，洞口采用薄片硅料盖合，防止掺杂剂的挥发。
进一步地，钻孔过程中，可以采用辅助的支架来固定籽晶及其端部的块状载体，避免块状载体沿籽晶的直径方向的移动。
有益效果：
(1)本发明通过在籽晶端部形成块状载体，将掺杂剂注入块状载体内实现掺杂剂的添加，一方面避免籽晶太细无法钻孔注入掺杂剂，另一方面也能有效的防止掺杂剂的挥发，完美的将掺杂剂避开高温进入到硅液中。
(2)本发明工艺无需在原有工艺上进行大的改动，仅仅是增加了一个中部的工序，即将籽晶及其端部的块状载体取出打孔，注入掺杂剂的过程；通过该工序的变化，能够有效的解决现有技术中掺杂剂挥发的问题。
(3)通过本发明工艺，能更好的将易挥发的掺杂剂融入到硅液中，提高整体晶体性能，并节约纯的掺杂剂成本，将命中率提高10～15％，掺杂剂节约10％以上，具有显著的进步。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1是本发明籽晶及其端部的块状载体示意图。
图2是改进前后掺杂剂用量单耗对比。
图3是改进前后客户反馈的效率验证对比。
图4是改进前后单晶硅电阻命中率比对。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。
本发明提供了一种硅料掺杂剂的掺杂工艺方法，其原理是将纯的掺杂剂避开高温条件，将其直接融到单晶硅液中，提高单晶电阻率命中率及品质，从而提升晶体完整性能。
本发明的具体方法如下：在籽晶提拉浸取过程中，待籽晶端部形成块状载体时，将籽晶及其端部块状载体取出，然后将掺杂剂注入块状载体内，最后一同送入炉内完成掺杂剂的掺杂。
所述的块状载体为直拉法制备单晶硅过程中，是在籽晶端部结晶生长而成的的块状晶体。也可以是在炉内未完全熔化并粘连在籽晶端部的块状硅料。
如图1所示，本发明工艺直拉法制备单晶硅，采用的籽晶1为本领域通用的规格，直径为6±1mm。由于籽晶1过细，无法直接在籽晶1上面打孔，故而在籽晶端部形成块状载体2后，在块状载体2上打孔并注入掺杂剂。
本发明中，块状载体的直径不小于100mm，在该尺寸大小下，方便打孔。当然，若打孔方便时，块状载体的尺寸也可以更小。优选地，所述的块状载体的直径在100～200mm。
具体地，本发明将掺杂剂注入块状载体内的方法为：在块状载体上钻取孔洞，然后将掺杂剂注入孔洞内。
其中，钻取的孔洞直径为30～40mm，方便掺杂剂放入；钻孔所采用的钻头为陶瓷钻头，以避免引入杂质。在掺杂剂注入孔洞内后，洞口采用薄片硅料盖合，防止掺杂剂的挥发。钻孔过程中，可以采用辅助的支架来固定籽晶及其端部的块状载体，避免块状载体横向移动。
实施例
采用如下具体步骤制备单晶硅晶棒：
(1)新开炉或二次加料后根据炉内料块熔融大小情况，适当调整加热器功率，准备提渣；
(2)在籽晶提拉浸取过程中，待籽晶端部形成150～200mm大小的块状载体时，直接用籽晶提出炉内；
(3)待载体冷却至常温后，用陶瓷钻头在掺杂剂载体上部钻取直径约30～40mm左右圆孔，将称好的掺杂剂倒入圆孔中，上部用薄片硅料将其覆盖，防止纯掺杂剂挥发；
(4)将带有掺杂剂载体的籽晶插入液面，掺杂剂进行充分熔化，待掺杂剂载体熔化完成后调整埚位准备进行熔接引放，最后采用直拉法制备单晶硅。
申请人在2022年9月开始，在原先工艺上进行本申请方案的实施。原工艺中，在单晶炉合炉时直接将掺杂剂和物料一起放入石英坩埚内，和物料直接进行熔化，然后采用直拉法制备单晶硅。工艺改进前后的掺杂剂用量单耗见图2。从图2可以看出，工艺改进前的1～8月份，掺杂剂的平均单耗在0.059kg/kg，而采用本发明改进工艺后的9月份，掺杂剂单耗为0.045kg/kg，10月份单耗为0.042kg/kg，相比改进前工艺，掺杂剂单耗明显下降。
将原工艺与改进工艺的产品，进行单包外发给不同客户进行效率验证，反馈结果见图3，可以看出采用本发明掺杂工艺的单品产品的转化效率明显比原工艺高。
最后，取原工艺生产的单晶硅产品，与改进后单晶硅产品进行电阻命中率测试，结果见图4。可以看出，本发明改进后掺杂工艺生产的单晶硅产品，在电阻命中率上有明显的提升。
本发明提供了一种硅料掺杂剂的掺杂工艺的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种硅料掺杂剂的掺杂工艺，其特征在于，在籽晶提拉浸取过程中，待籽晶端部形成块状载体时，将所述籽晶和所述块状载体取出，然后将掺杂剂注入所述块状载体内，最后一同送入炉内完成掺杂剂的掺杂。
2.根据权利要求1所述的硅料掺杂剂的掺杂工艺，其特征在于，所述的块状载体为直拉法制备单晶硅过程中，在籽晶端部结晶生长而成的块状晶体。
3.根据权利要求1所述的硅料掺杂剂的掺杂工艺，其特征在于，所述的块状载体为直拉法制备单晶硅过程中，在炉内未完全熔化并粘连在籽晶端部的块状硅料。
4.根据权利要求1所述的硅料掺杂剂的掺杂工艺，其特征在于，所述的籽晶直径为6±1mm。
5.根据权利要求1所述的硅料掺杂剂的掺杂工艺，其特征在于，所述的块状载体的直径不小于100mm。
6.根据权利要求5所述的硅料掺杂剂的掺杂工艺，其特征在于，所述的块状载体的直径在100～200mm。
7.根据权利要求1所述的硅料掺杂剂的掺杂工艺，其特征在于，掺杂剂注入所述块状载体内的方法为：在所述块状载体上钻取孔洞，然后将掺杂剂注入孔洞内。
8.根据权利要求7所述的硅料掺杂剂的掺杂工艺，其特征在于，所述孔洞直径为30～40mm；钻孔所采用的钻头为陶瓷钻头。
9.根据权利要求7所述的硅料掺杂剂的掺杂工艺，其特征在于，掺杂剂注入孔洞内后，洞口采用薄片硅料盖合。
10.根据权利要求7所述的硅料掺杂剂的掺杂工艺，其特征在于，钻孔过程中，采用支架固定所述籽晶和所述块状载体，避免所述块状载体沿所述籽晶的直径方向的移动。
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