[发明专利]一种太阳能级单晶硅的生长方法和设备

说明书

技术领域

本发明涉及半导体材料领域，特别涉及一种太阳能级单晶硅的生长方法及装置。 

背景技术

目前的太阳能级硅单晶大部分采用切克劳斯基法(CZ法)制造。在这种方法中，多晶硅原料被装进石英坩埚内加热熔化，然后，将熔硅略做降温，给予一定的过冷度，把一支特定晶向的籽晶与熔硅接触，通过调整熔体的温度和籽晶向上提拉的速度进行晶体生长，当晶体长大至近目标直径时，提高提拉速度，使单晶体近恒直径生长。在生长过程的尾期，通过调整晶体的提拉速度和向坩埚的供热量将晶体直径渐渐减小而形成一个尾锥体，当锥体的尖足够小时，晶体就会与熔体脱离，从而完成晶体的生长过程。由于CZ炉采用石墨组件做为发热体，石英坩埚做为容器，故在CZ法生长太阳能级硅单晶的过程中碳氧含量会增加，这些杂质对硅材料和器件的性能有破坏作用，因此引起人们的高度重视。 

硅晶体中的氧主要来自晶体生长时石英坩埚的污染。液态多晶硅在高温下严重侵蚀石英坩埚，部分SiO则在熔硅中分解，分解的氧便引入熔体中，最终进入硅晶体。硅中的氧是以间隙态存在于晶体中，在随后的器件制造工艺过程中，由于硅晶体经历了各种温度的热处理，过饱和的间隙氧会在硅晶体中偏聚和沉淀，形成氧施主、氧沉淀及二次缺陷，这些缺陷对硅材料和器件的电学性能有破坏作用。 

碳来自多晶硅原料、晶体生长炉内的剩余气体以及石英坩埚与石墨加热件的反应。反应生成的CO气体大都进入硅熔体，从而和熔硅反应，留在熔硅中，最终进入晶体。碳在硅中处于替位位置，由于碳原子半径小于硅，使得硅的晶格常数变小，并且造成区域应力。硅中的碳会使器件的击穿电压大大降低，漏电流增加，对器件的质量有负面作用。同时碳也会促进氧的沉淀，并与晶体中的微缺陷有直接联系，对硅太阳能电池的转换效率影响很大。 

为了得到碳氧含量较低的高纯太阳能电池硅原料，人们采用区熔法(FZ法)生长硅单晶。由于采用高频加热且不用坩埚，避免了来自石英坩埚和石墨加热器的污染，而且还可以利用悬浮区熔进行多次提纯，所以生长出的硅单晶的纯度高， 碳氧含量低。测试数据显示FZ单晶中的碳氧比CZ单晶中的碳氧含量低2-3个数量级，避免了碳氧对太阳能电池质量的影响。但区熔法较难生长大尺寸(6英寸以上)硅单晶，且生长成本较高，限制了其广泛应用。另一方面，区熔法硅单晶电阻率不均匀，且位错和漩涡缺陷较多，影响其器件质量。 

另外，众所周知，石墨器件是易损件，随着时间的推移，石墨材质挥发严重。例如，使用炉次超过30炉次以上的石墨加热器表面就会出现很多气孔，这将大大降低加热器的加热效率，增加了功耗。 

因此，如何在硅单晶的生长过程中减少碳氧含量以及更好的控制单晶生长过程中的温度，以得到质量较高的适合太阳电池生产的硅单晶原料，成了硅单晶生长领域中的重要课题。 

发明内容

为解决上述现有技术中的问题，本发明提出一种新的硅单晶生长过程中石英坩埚发热体和具有此加热体的硅单晶拉制设备以及采用此设备生长硅单晶的方法。 

为达到本发明的目的，本发明提出一种金属发热体以取代原先的石墨发热体，减小提拉法生长太阳能级硅单晶的碳污染。本发明的技术方案因金属挥发较小，使用金属发热体作为加热元件的使用炉次可以超过石墨加热器的两倍以上；另外金属的电阻率略小于石墨电阻率，为了达到相同的加热效果，需减小金属发热体的截面积，这样金属的材料用量会小很多。且用于同一种尺寸单晶硅的金属发热体价格与石墨加热器不相上下。 

本发明的一实施例采用一种新型金属发热体作为提拉法生长硅单晶的加热器，金属发热体的材质主要包括钨、钼、钽或者其中两种以上金属的合金。炉膛内为真空状态、或充入惰性保护气体、或充入H₂还原性气体，如此不仅减少了提拉法生长硅单晶的碳污染，还降低了单晶硅的制造成本。 

本发明的不采用石墨发热体，单晶生长的炉膛内为真空状态或充入惰性保护气体、或充入H₂还原性气体，一方面减小了石墨发热体对硅单晶的碳污染，提高了发热体的使用寿命，降低了拉晶成本；另一方面使用金属发热体，炉膛内可以保持真空或还原性气氛，可抑制硅熔体与石英坩埚的反应，降低硅单晶中的氧含量。 

本发明的发热体为矩形波状的板条通电回路的圆筒，整个圆筒安装在与水冷电极相连的电极板上。采用这种构造的发热体，可以在真空状态或充入惰性保护 气体、或充入H₂还原性气体条件下生长硅单晶，减少了因使用石墨加热器生长硅单晶而引起的碳污染。