RU2473719C1 - Method of making silicon crystals - Google Patents

Method of making silicon crystals Download PDF

Info

Publication number
RU2473719C1
RU2473719C1 RU2011124312/05A RU2011124312A RU2473719C1 RU 2473719 C1 RU2473719 C1 RU 2473719C1 RU 2011124312/05 A RU2011124312/05 A RU 2011124312/05A RU 2011124312 A RU2011124312 A RU 2011124312A RU 2473719 C1 RU2473719 C1 RU 2473719C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
silicon
oxygen
crystal
boron
melt
Prior art date
Application number
RU2011124312/05A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2011124312A (en
Inventor
Евгений Борисович Соколов
Александр Федотович Яремчук
Виолетта Константиновна Прокофьева
Борис Николаевич Рыгалин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МИЭТ"
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 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МИЭТ" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МИЭТ"
Priority to RU2011124312/05A priority Critical patent/RU2473719C1/en
Publication of RU2011124312A publication Critical patent/RU2011124312A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2473719C1 publication Critical patent/RU2473719C1/en

Links

Abstract

FIELD: metallurgy.
SUBSTANCE: invention relates to production of silicon monocrystals by Czochralski method or silicon multicrystals by method of directed crystallisation to be used in making solar cells and modules with higher operating performances. Proposed method comprises preparing initial mix alloyed with boron and its melting. Note here that aluminium is added to produced melt in amount sufficient for allow ratio between concentrations of aluminium and oxygen equal to 1-102.
EFFECT: p-type conductance silicon with low concentration of oxygen.
1 ex

Description

Изобретение относится к области получения монокристаллов полупроводникового материала, более конкретно получению монокристаллов кремния способом Чохральского или способом выращивания мультикристаллического кремния методом направленной кристаллизации.The invention relates to the field of producing single crystals of a semiconductor material, more specifically to the production of silicon single crystals by the Czochralski method or by the method of growing multicrystalline silicon by directional crystallization.

При производстве кристаллов полупроводникового кремния способом Чохральского (Cz-метод) или способом направленной кристаллизации (multy-метод) с использованием кварцевых тиглей (SiO2) обычно получают слитки кремния, содержащие высокую концентрацию кислорода, достигающую (5-10)·1017 ат/см3, растворенного в объеме слитка.In the production of semiconductor silicon crystals by the Czochralski method (Cz method) or directional crystallization method (multy method) using quartz crucibles (SiO 2 ), silicon ingots are usually obtained containing a high oxygen concentration reaching (5-10) · 10 17 at / cm 3 dissolved in the volume of the ingot.

При определенном использовании кристаллов кремния содержание кислорода в его объеме должно быть минимальным, чтобы предотвратить образование атомных комплексов кислорода с атомами легирующей примеси (например, В-О, где В означает атом легирующей примеси, а О - атом кислорода) или просто комплексов кислорода в объеме материала. Большая концентрация подобных комплексов приводит к деградации времени жизни неосновных носителей заряда (ННЗ), то есть к деградации кремниевого материала для применения его в качестве, например, фотоэлектрических преобразователей (ФЭП). Поэтому для предотвращения образования подобных комплексов в ряде случаев необходим материал, содержащий минимальное количество растворенного кислорода в его объеме. Такой материал может быть получен методом направленной бестигельной зонной плавки (Fz), что значительно удорожает технологию получения слитков кремния, а также не позволяет получать кристаллы большого диаметра (более 150 мм).With a certain use of silicon crystals, the oxygen content in its volume should be minimal in order to prevent the formation of oxygen atomic complexes with dopant atoms (for example, B-O, where B is a dopant atom and O is an oxygen atom) or just oxygen complexes in volume material. A large concentration of such complexes leads to the degradation of the lifetime of minority charge carriers (NEC), that is, to the degradation of silicon material for use as, for example, photoelectric converters (PECs). Therefore, to prevent the formation of such complexes, in some cases, a material containing a minimal amount of dissolved oxygen in its volume is necessary. Such a material can be obtained by directional crucibleless zone melting (Fz), which significantly increases the cost of silicon ingot production technology, and also does not allow to obtain crystals of large diameter (more than 150 mm).

Основной источник кислорода в кремнии связан растворением диоксида кремния из кварцевого тигля в кремниевом расплаве. Кроме того, в исходном материале (кремний-сырец или кремниевые обороты) содержание кислорода уже находится на уровне (5-10)·1017 ат/см3.The main source of oxygen in silicon is associated with the dissolution of silicon dioxide from a quartz crucible in a silicon melt. In addition, in the starting material (raw silicon or silicon revolutions), the oxygen content is already at the level of (5-10) · 10 17 at / cm 3 .

Для получения кристаллов кремния р-типа проводимости, используемых для производства ФЭП, используются кристаллы кремния, легированные бором, из которых изготавливаются пластины размером (156×156) мм и более. При высокой концентрации кислорода в объеме таких пластин в результате первичной солнечной (световой) деградации (LID - light induced degradation) коэффициент полезного действия (КПД) ФЭП может снизиться до (10-15)% от исходного значения в процессе нескольких часов непрерывной засветки ФЭП интенсивным световым потоком.To obtain p-type silicon crystals of conductivity used for the manufacture of photovoltaic cells, boron-doped silicon crystals are used to make wafers with a size of (156 × 156) mm or more. At a high oxygen concentration in the volume of such plates as a result of primary solar (light) degradation (LID - light induced degradation), the efficiency of the photomultiplier can decrease to (10-15)% of the initial value during several hours of continuous illumination of the photomultiplier with intense light stream.

Существующие способы стабилизации кремния, связанные со снижением концентрации кислорода, представляют собой либо усложнение технологического оборудования, к примеру, магнитного перемешивания расплава, либо использование вместо бора других акцепторов, например галлия, не образующих устойчивых кислородных комплексов. Известные акцепторы (элементы III группы Периодической системы) по равномерности распределения концентрации легирующей примеси вдоль оси слитка не могут конкурировать с атомами бора в этом случае (эффективный коэффициент распределения которого

Figure 00000001
), что приводит к сильной неоднородности удельного сопротивления вдоль оси кристалла.Existing methods for stabilizing silicon associated with a decrease in oxygen concentration are either a complication of technological equipment, for example, magnetic mixing of the melt, or the use of other acceptors, such as gallium, that do not form stable oxygen complexes instead of boron. Known acceptors (elements of group III of the Periodic system) cannot uniformly compete with boron atoms in the case of the uniform distribution of the concentration of dopant along the axis of the ingot (the effective distribution coefficient of which
Figure 00000001
), which leads to a strong heterogeneity of the resistivity along the axis of the crystal.

Известен способ получения монокристаллического кремния, включающий расплавление исходного кремния в тигле, введение кристаллической затравки, вытягивание кристалла из расплава во вращающемся тигле на вращающуюся затравку при совпадении направления вращения тигля и кристалла, при этом по мере выращивания кристалла во время процесса его получения скорость вращения тигля и скорость вращения кристалла постепенно увеличивают, сохраняя приблизительно постоянным отношение угловой скорости вращения тигля и кристалла /1/. Способ позволяет получать монокристаллы кремния с однородным радиальным и по длине кристалла распределением легирующей примеси и кислорода. Недостатком данного способа является невозможность снизить общее количество кислорода в объеме полученного материала в этом случае. Фактически, содержание кислорода увеличивается при применении такого процесса.A known method for producing single-crystal silicon, including melting the original silicon in a crucible, introducing a crystal seed, drawing a crystal from a melt in a rotating crucible onto a rotating seed with the same direction of rotation of the crucible and the crystal, while the crystal rotates during the process of obtaining it, the rotation speed of the crucible and the rotation speed of the crystal is gradually increased, while maintaining approximately constant the ratio of the angular velocity of rotation of the crucible and crystal / 1 /. The method allows to obtain single crystals of silicon with a uniform radial and along the length of the crystal distribution of the dopant and oxygen. The disadvantage of this method is the inability to reduce the total amount of oxygen in the volume of the obtained material in this case. In fact, the oxygen content increases with such a process.

Известен другой способ выращивания монокристаллов кремния методом Чохральского /2/. При этом выращивание осуществляют с вращением тигля с угловой скоростью 0.2-2.0 об/мин и с вращением кристалла ему навстречу со скоростью 0.2-2.0 об/мин и со стрелой прогиба фронта кристаллизации в сторону затравки не более 0.2, что позволяет получать кристаллы с уменьшенной плотностью микродефектов. Недостатком данного способа является невозможность эффективно снизить содержание кислорода или его распределение в объеме монокристаллического материала.There is another method for growing silicon single crystals by the Czochralski method / 2 /. In this case, the growth is carried out with the rotation of the crucible with an angular speed of 0.2-2.0 rpm and with the rotation of the crystal towards it with a speed of 0.2-2.0 rpm and with the arrow of deflection of the crystallization front towards the seed no more than 0.2, which allows to obtain crystals with a reduced density microdefects. The disadvantage of this method is the inability to effectively reduce the oxygen content or its distribution in the volume of single-crystal material.

Наиболее близким по заявляемой сущности (в дальнейшем прототип) является способ получения легированных монокристаллов и мультикристаллов кремния, заключающийся в приготовлении исходной шихты, содержащей 50% поликристаллического кремния, легированного фосфором или бором, с добавками 50% скраба (отходов) производства поликристаллического кремния и отходов производства монокристаллического кремния, ее расплавлении и последующем выращивании кристаллов из расплава, в который дополнительно вводят элементы IV группы таблицы Менделеева, в качестве которых используют германий, титан, цирконий или гафний в концентрациях 1017-7·1019 см-3 /3/. Это позволяет получать кристаллы с высокими значениями времени жизни ННЗ, высокой однородностью удельного сопротивления вдоль оси выращивания кристалла и высокой однородностью распределения кислорода по длине слитка с повышенной термостабильностью и радиационной стойкостью /3/. Недостатком такого решения является отсутствие возможности эффективного снижения концентрации кислорода в слитке в процессе применения этой технологии, улучшается только однородность распределения кислорода в выращенном слитке.Closest to the claimed essence (hereinafter the prototype) is a method for producing doped single crystals and multicrystals of silicon, which consists in preparing the initial mixture containing 50% polycrystalline silicon doped with phosphorus or boron, with the addition of 50% of scrub (waste) produced by polycrystalline silicon and production waste single-crystal silicon, its melting and subsequent crystal growth from a melt, into which elements of the fourth group of the periodic table are additionally introduced, into which ETS use germanium, titanium, zirconium or hafnium in concentrations October 17 -7 × 10 19 cm -3 / 3 /. This allows you to get crystals with high values of the lifetime of the NZ, high uniformity of resistivity along the axis of crystal growth and high uniformity of the distribution of oxygen along the length of the ingot with increased thermal stability and radiation resistance / 3 /. The disadvantage of this solution is the lack of the ability to effectively reduce the oxygen concentration in the ingot during the application of this technology, only the uniformity of the oxygen distribution in the grown ingot is improved.

Задачей настоящего изобретения является получение монокристаллов или мультикристаллов кремния р-типа проводимости с низкими значениями концентрации кислорода в объеме материала, выращенного способом Чохральского, или мультикристаллов кремния способом направленной кристаллизации.The objective of the present invention is to obtain single crystals or multicrystals of silicon p-type conductivity with low oxygen concentrations in the volume of the material grown by the Czochralski method, or multicrystals of silicon by the method of directional crystallization.

Способ получения кристаллов кремния включает приготовление исходной шихты, легированной бором, плавление шихты, отличается тем, что в полученный расплав вводится алюминий в количестве, достаточном для выполнения соотношения концентраций алюминия и кислорода в расплаве кремния в диапазоне 1,0-102.The method of producing silicon crystals includes preparing the initial mixture doped with boron, melting the mixture, characterized in that aluminum is introduced into the melt in an amount sufficient to satisfy the ratio of aluminum and oxygen concentrations in the silicon melt in the range of 1.0-10 2 .

Концентрация алюминия, добавляемого в исходную шихту на основе кремния, определяется содержанием кислорода в исходном материале (кремний-сырец или обороты кремния, легированного бором) и условиями процесса кристаллизации (растворение кварцевого тигля, содержание в инертном газе кислорода, время процесса), и находится в интервале от 1018 до 1020 ат/см3.The concentration of aluminum added to the initial silicon-based charge is determined by the oxygen content in the starting material (raw silicon or revolutions of silicon doped with boron) and the conditions of the crystallization process (dissolution of a quartz crucible, oxygen content in an inert gas, and time) the range from 10 18 to 10 20 at / cm 3 .

Для успешного применения способа легирующие добавки должны удовлетворять следующим требованиям:For the successful application of the method, alloying additives must satisfy the following requirements:

- должны иметь малую растворимость в кристалле кремния, то есть низкий коэффициент распределения в твердой фазе - Кэфф<<1;- must have low solubility in a silicon crystal, that is, a low distribution coefficient in the solid phase - K eff <<1;

- должны иметь высокое сродство к кислороду;- must have a high affinity for oxygen;

- не должны ухудшать свойства полупроводникового кремния (структуру, однородность электрофизических свойств, высокое время жизни неосновных носителей заряда);- should not impair the properties of semiconductor silicon (structure, uniformity of electrophysical properties, high lifetime of minority charge carriers);

- в процессе производства приборов и их практической эксплуатации свойства материала должны отвечать техническим условиям;- during the production of devices and their practical operation, the properties of the material must meet the technical conditions;

- применительно к производству ФЭП добавки в расплаве должны снижать (или исключать) эффект первичной световой деградации.- in relation to the production of solar cells, additives in the melt should reduce (or eliminate) the effect of primary light degradation.

В качестве добавок, помимо основной легирующей примеси (бор), в расплав кремния могут добавляться активные металлы, образующие прочные оксиды, такие как алюминий или являющиеся нейтральными в электронном плане атомными примесями в объеме кристалла, например, магний, кальций, стронций, барий, цирконий, гафний.As additives, in addition to the main dopant (boron), active metals can be added to the silicon melt, forming strong oxides, such as aluminum or electronically neutral atomic impurities in the bulk of the crystal, for example, magnesium, calcium, strontium, barium, zirconium hafnium.

При выращивании кристалла р-типа проводимости, легированного бором, в качестве добавки в расплав использовался металлический алюминий. Использование алюминия в качестве основного акцептора затрудняется тем, что в отличие от бора алюминий имеет низкий коэффициент распределения (Кэфф~0.003), что не позволяет получать равномерное распределение примеси в объеме монокристалла. Использование алюминия для связывания кислорода в расплаве позволяет осуществить совместное легирование кристалла в системе Si:B:Al.When growing a p-type crystal of conductivity doped with boron, metal aluminum was used as an additive in the melt. The use of aluminum as the main acceptor is hindered by the fact that, unlike boron, aluminum has a low distribution coefficient (K eff ~ 0.003), which does not allow obtaining a uniform distribution of the impurity in the bulk of the single crystal. The use of aluminum to bind oxygen in the melt makes it possible to co-alloy the crystal in the Si: B: Al system.

Пример конкретного выполненияConcrete example

Расчетное количество алюминия соответствовало содержанию кислорода в кремнии - 1·1018 ат/см3 и для 50 кг исходной загрузки составило 10 г (алюминий чистотой 99.99 весовых процентов основного вещества).The calculated amount of aluminum corresponded to the oxygen content in silicon - 1 · 10 18 at / cm 3 and for 50 kg of the initial charge was 10 g (aluminum with a purity of 99.99 weight percent of the basic substance).

Контрольный образец Si:B содержал в начальной части 9·1017 ат/см3 кислорода, в конечной части - 6·1017 ат/см3.The control sample Si: B contained in the initial part 9 · 10 17 at / cm 3 oxygen, in the final part - 6 · 10 17 at / cm 3 .

При осуществлении легирования бором и алюминием (Si:B:Al) распределение удельного сопротивления по длине слитка, выращенного способом Чохральского, составило 1-2 Ω·см, содержание кислорода изменялось от 1·1016 ат/см3 в начале слитка до 5·1017 ат/см3 в его концевой части. Из монокристаллов Si:B:Al вырезаны пластины (125×125) мм, из которых были изготовлены солнечные элементы со средним КПД~17.5%. Время жизни ННЗ монокристалла Si:B:Al составляло 60 мкс - верх, 40 мкс - низ.When doping with boron and aluminum (Si: B: Al), the distribution of resistivity along the length of the ingot grown by the Czochralski method was 1-2 Ω · cm, the oxygen content varied from 1 · 10 16 at / cm 3 at the beginning of the ingot to 5 · 10 17 at / cm 3 in its end part. Plates (125 × 125) mm were cut out of Si: B: Al single crystals, from which solar cells with an average efficiency of ~ 17.5% were made. The lifetime of the SC of a Si: B: Al single crystal was 60 μs - top, 40 μs - bottom.

Исследование эффекта первичной солнечной деградации в полученных солнечных элементах под действием интенсивного светового излучения (~1000 Вт/м2) в течение 6 часов непрерывной засветки либо вообще не показало изменение КПД солнечных элементов, либо эти изменения составили не более 1-3% относительно исходного значения КПД, в то время как контрольные образцы, легированные только атомами бора, показали изменение КПД на 10-15% в сторону уменьшения этого параметра в процессе аналогичных испытаний.The study of the effect of primary solar degradation in the resulting solar cells under the influence of intense light radiation (~ 1000 W / m 2 ) for 6 hours of continuous exposure either did not show a change in the solar cell efficiency at all, or these changes were no more than 1-3% relative to the initial value Efficiency, while control samples doped only with boron atoms showed a change in efficiency by 10-15% in the direction of decreasing this parameter during similar tests.

Источники информацииInformation sources

1. Патент РФ №2177513 от 20.09.2000 г.1. RF patent No. 2177513 from 09.20.2000

2. Патент РФ №2278912 от 20.01.2006 г.2. RF patent No. 2278912 of 01.20.2006,

3. Патент РФ №2250275 от 30.06.2003 г. - прототип.3. RF patent No. 2250275 of 06/30/2003 - a prototype.

Claims (1)

Способ получения кристаллов кремния, включающий приготовление исходной шихты, легированной бором, плавление шихты, отличающийся тем, что в полученный расплав вводится алюминий в количестве, достаточном для выполнения соотношения концентраций алюминия и кислорода в расплаве кремния в диапазоне 1,0-102. A method of producing silicon crystals, including the preparation of the initial mixture doped with boron, melting the mixture, characterized in that aluminum is introduced into the melt in an amount sufficient to satisfy the ratio of aluminum and oxygen concentrations in the silicon melt in the range of 1.0-10 2 .
RU2011124312/05A 2011-06-16 2011-06-16 Method of making silicon crystals RU2473719C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011124312/05A RU2473719C1 (en) 2011-06-16 2011-06-16 Method of making silicon crystals

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011124312/05A RU2473719C1 (en) 2011-06-16 2011-06-16 Method of making silicon crystals

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2011124312A RU2011124312A (en) 2012-12-27
RU2473719C1 true RU2473719C1 (en) 2013-01-27

Family

ID=48806999

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011124312/05A RU2473719C1 (en) 2011-06-16 2011-06-16 Method of making silicon crystals

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2473719C1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS507557B1 (en) * 1970-08-26 1975-03-26
RU2070233C1 (en) * 1992-02-04 1996-12-10 Анатолий Яковлевич Губенко Method of preparing volume silicon monocrystals of p-type
US20070017436A1 (en) * 2005-07-19 2007-01-25 Sumco Corporation Process for growing silicon single crystal and process for producing silicon wafer

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS507557B1 (en) * 1970-08-26 1975-03-26
RU2070233C1 (en) * 1992-02-04 1996-12-10 Анатолий Яковлевич Губенко Method of preparing volume silicon monocrystals of p-type
US20070017436A1 (en) * 2005-07-19 2007-01-25 Sumco Corporation Process for growing silicon single crystal and process for producing silicon wafer

Also Published As

Publication number Publication date
RU2011124312A (en) 2012-12-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5470349B2 (en) P-type silicon single crystal and manufacturing method thereof
CA2548936C (en) Silicon feedstock for solar cells
US20110030793A1 (en) Method for producing photovoltaic-grade crystalline silicon by addition of doping impurities and photovoltaic cell
JP5536920B1 (en) Ga2O3-based single crystal substrate and manufacturing method thereof
SG189506A1 (en) Method of manufacturing silicon single crystal, silicon single crystal, and wafer
CN101694008A (en) Gallium-doped metallic silicon and directional solidification casting method thereof
JPH05294780A (en) Production of silicon single crystal
JP5372105B2 (en) N-type silicon single crystal and manufacturing method thereof
JP2004307305A (en) Silicon single crystal and single crystal growing method
RU2473719C1 (en) Method of making silicon crystals
Yonenaga et al. Segregation coefficients of various dopants in SixGe1− x (0.93< x< 0.96) single crystals
JP5419072B2 (en) Si crystal and manufacturing method thereof
CN112831828B (en) Growth method of gallium-doped Czochralski monocrystalline silicon, gallium-doped monocrystalline silicon and application
EP3933076A1 (en) Method for preparing monocrystalline silicon and solar cell and photovoltaic module with monocrystalline silicon
JP2009249233A (en) Method for growing silicon single crystal
Gaspar et al. Silicon growth technologies for PV applications
RU2528995C1 (en) Method of producing large-size gallium antimonide monocrystals
JP2006069852A (en) Method for manufacturing carbon-doped silicon single crystal and carbon-doped silicon single crystal
RU2014372C1 (en) Process for germanium single crystal growth
JP2013121891A (en) Method of manufacturing single crystal
RU2250275C2 (en) Method for pr0duction of alloyed monocrystals or polycrystals of silicon
JP5688654B2 (en) Silicon crystal, method for producing silicon crystal, and method for producing silicon polycrystalline ingot
CN115478321A (en) Czochralski growth method of doped monocrystalline silicon and doped monocrystalline silicon
RU2202656C2 (en) Process of production of silicon doped with antimony
CN103397386A (en) Doping technology for single crystal growth of n-type low-resistance gallium arsenide

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20180617