[发明专利]一种直拉硅单晶的镓元素掺杂装置及其掺杂方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体材料生长元素掺杂领域，特涉一种直拉法硅单晶生长的镓元素掺杂方法和掺杂装置，适用于直拉法单晶硅的镓元素的掺杂，能有效实现掺杂并提高生产效率。

背景技术

掺镓硅单晶常被用于外延衬底和高效能低衰减的太阳能电池制造。尤其是掺镓单晶硅太阳能电池能够有效减少光致衰减效使得光电转化效率提升而引起人们的广泛关注，采用掺镓硅单晶制造的太阳能电池在转化效率、使用寿命等方面有着优越的的性能，因此在高效太阳能电池上有着不可替代的优势。

由于镓元素分凝系数较小仅为0.08、熔点低29.8℃、蒸发系数较高10^-3cm/s，因此在硅单晶的掺杂和生长上都有较大的困难。尤其是如何实现准确的掺杂，保证良好的可重复性，提高掺杂效率等方面。同时掺镓硅单晶经常遇到生长时“断苞”即失去无位错生长状态而需要进行回熔再生长，即把单晶炉的功率升高到化料功率，把晶锭下浸至熔体中重新熔化，然后待温度稳定后重新拉制。有时在晶锭生长过程中会发生多次回熔的情况。长时间的回熔及等待，使得熔体长时间处于1450℃以上的高温，掺杂剂的数量会因高温挥发，造成掺杂剂浓度下降，这就会导致目标掺杂浓度与实际掺杂浓度产生较大的偏差，导致生长出来的出晶锭的电阻率偏离目标值，产生不必要的损失，因此如何实现高效、方便的掺杂方法也是镓元素掺杂所需要考虑的重要方面。

目前主要的掺杂方法分为两类，一类为共熔法，另一类为投入法。共熔法是指将掺杂物与多晶料一起放入坩埚内熔化；投入法是指待多晶料完全溶化后，将掺杂物通过各种掺杂装置和掺杂方法投入熔化，实现掺杂。

共熔法是将镓元素与多晶料一起放入单晶炉内，加热熔化。由于镓元素熔点低，蒸发系数大，同时由于化料至晶体生长过程将会有5～8小时高温时间，导致镓元素蒸发量大，掺杂效率低，也会导致单晶电阻率无法准确控制。

投入法是指待多晶料熔化后，使用掺杂方法和相应装置进行掺杂，能够较好实现掺杂，降低了掺杂剂的蒸发量、提高了掺杂准确性、还能实现补充掺杂等，在实际生产中具有较强应用。专利ZL00122075.6《直拉硅单晶生长的重掺方法》中使用伞形掺杂器，是一次性使用，由于每次使用前要制作伞形掺杂器，所以生产效率较低。专利200810053398.X《掺镓元素太阳能硅单晶的生产方法》中使用设备改造进行掺杂，成本较大，且生产过程中难以进行二次补充掺杂。专利201010132399.0《直拉硅单晶的镓元素掺杂方法及所用掺杂装置》中用到单晶硅容器盛放掺杂剂，同时又要在掺杂后精确控制熔体温度，实现非均匀成核，将容器底部封住，否则无法实现二次使用，在实际操作中难度较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种掺杂效率高，生产可操作性强，能够实现补充掺杂的直拉硅单晶的镓元素掺杂装置及其使用此掺杂装置的掺杂方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种直拉硅单晶的镓元素掺杂装置，其特征在于：包括具有底部掺杂孔的掺杂杯，所述掺杂杯上设有悬挂结构，悬挂结构上设有与提拉夹头相匹配的吊杆；所述掺杂杯的材质为熔点高于硅且不易与熔硅反应的材质；所述掺杂孔内填充有固化的熔硅。

作为优选，所述掺杂杯的材质为高纯石英或者碳化硅或者蓝宝石。

作为优选，所述悬挂机构为三爪吊绳，所述三爪吊绳使用高纯金属钼制作，所述掺杂杯上设有固定孔固定三爪吊绳，三爪吊绳上部与吊杆固定。

作为优选，所述掺杂杯底部为锥形，所述掺杂孔设于掺杂杯底部，所述掺杂杯顶部外圈设有凸缘，所述固定孔设于所述凸缘上。

作为优选，所述掺杂孔设有五个，其中一个掺杂孔设于掺杂杯底部锥形尖顶位置，另外四个掺杂孔在同一水平面上环绕锥形尖顶处掺杂孔均匀设置。

作为优选，所述掺杂孔的直径为2mm，所述锥形底高度大于8mm，所述掺杂杯最上部掺杂孔的最上部边沿距离锥形尖顶的位置为3～8mm。

作为优选，所述掺杂装置的制作过程为：首先将掺杂杯下降至硅熔体中，硅熔体须浸没掺杂孔；然后将掺杂杯提离硅熔体液面，由于掺杂孔较小，熔硅将会有部分液体在液体表面张力作用下被残留在掺杂杯的掺杂孔上；最后，残留在掺杂孔的熔硅在单晶炉温度梯度作用下遇冷固化，封住掺杂孔，实现掺杂杯容器制作。

本发明还提供了使用上述掺杂装置的直拉硅单晶的镓元素掺杂方法，具体步骤为：

1)使用前用熔硅封住掺杂杯底部掺杂孔；

2)将准备好的多晶料、石英坩埚放入单晶炉加温熔化；

3)掺杂剂称量及准备，在室温下称取镓金属，放入掺杂杯中待用；