[发明专利]一种太阳能级直拉单晶硅的生产方法

说明书

技术领域

本发明涉及直拉单晶硅技术领域。

背景技术

太阳能是未来最重要的绿色能源之一，作为高效率太阳能电池的核心部分，品质优良的单晶硅一直是人们研究开发的重点产品。

单晶硅的生产方法主要有直拉法（CZ）、区熔法（FZ）和外延法，其中直拉法和区熔法用于伸长单晶硅棒材，而外延法用于伸长单晶硅薄膜。由于直拉法生产的单晶硅广泛应用于半导体集成电路、二极管、外延片衬底，以及太阳能电池等关键领域，因而受到人们的特别关注。

目前在直拉单晶硅的生产领域中，氧是直拉单晶硅中的一种常见杂质，这主要是由单晶硅的生产工艺所造成的。实践表明，单晶硅中的氧主要集中在其头部，如果单晶硅的头部含氧量过高，就会造成所谓的“黑芯片”和“黑角片”问题，从而影响产品质量。

氧的危害在于，氧可以形成热施主及新施主，使得单晶硅的电阻率均匀性变差；此外，氧还与直拉单晶硅中微缺陷的形成有着密切关系，而硅片表面的微缺陷在器件热氧化工艺中还会影响到器件的成品率。因此，目前在单晶硅的检测中普遍对硅片中的黑芯片与黑角片现象采取零容忍的态度。但是，当前却还缺少一种简单、有效、易行的减少黑芯片与黑角片的方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种太阳能级直拉单晶硅的生产方法，其针对当前直拉单晶硅生产工艺的缺陷，对现有技术进行改进，通过降低引晶过程中的埚位，减少单晶头部的含氧量，从而达到减少直拉单晶硅中黑芯片和黑角片的目的。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种太阳能级直拉单晶硅的生产方法，其包括如下步骤：

（1）加料：根据需要的半导体类型将硅原料和搀杂剂放入石英坩埚内；搀杂剂的种类是按照半导体的类型N型或P型确定的，P型的搀杂剂一般为硼或镓，N型搀杂剂一般为磷；

（2）熔化：将单晶炉关闭并抽真空，使得单晶炉内的压强维持在5Pa以下，然后将加热功率一次性升至95～100千瓦（1420℃左右）；使用过大的功率来熔化硅原料虽然可以缩短熔化时间，但是可能造成石英坩埚壁的过度损伤，降低石英坩埚的寿命，反之若功率过小，则整个熔化过程耗时太久，导致产能下降；

（3）稳温：当硅原料熔化成液体后将加热功率降至45千瓦并投入温度自动程序，温度自动程序使得炉内温度保持恒定并持续2小时；

（4）引晶：调整埚位使得硅液液面距导流筒的距离为28～32 mm，将晶转设为8圈每分钟，埚转设为2圈每分钟，然后将籽晶降至硅液液面处进行引晶；引晶时籽晶按照<100>或<111>的晶向浸入硅熔液中，引晶的总长度为130～150 mm，引晶时平均拉速控制在3～6 mm/min，初期拉速控制在1～3 mm/min，引晶达30 mm后将拉速控制在3～6 mm/min；

（5）放肩：引晶完成后，将拉速降至0.7 mm/min，加热功率降低5千瓦，放肩时间3～4小时；在此步骤中，最重要的参数是直径的放大速率（亦即放肩的角度），放肩的形状和角度将会影响晶棒头部的固液界面形状及晶棒品质，如果降温太快，液面呈现过冷情况，肩的形状因直径快速放大而变成方形，严重时易导致位错的产生而失去单晶的结构；

（6）转肩：当硅棒直径距等径直径还有5～10 mm时，将拉速提至2.0 mm/min，进行转肩；

（7）等径生长；当硅棒直径达到等径直径时，将拉速降至等径自动初始拉速，等径自动初始拉速设为1.15 mm/min，设定埚升速度，然后投入等径自动程序进行等径生长；

埚升速度S’根据下式1计算：

；

式中：Φ为晶体直径，Φ’为坩埚内径，S为晶体拉速；

等径生长完成的判断标准是，当等径长度达到L时生长完成，L的数值由下式2计算：

 ；

式中：D为晶体直径；ρ为硅的密度，即2.33 g/cm³；W为晶体重量，即装料量与埚底省料量的差值；

（8）收尾：等径生长完成后，退出等径自动程序，停止埚升，将拉速提至1.0 mm/min，投入收尾自动程序，当长度达到直径值时提断停炉；在等径生长完成后，如果立刻将晶棒与液面分开，那么热应力将使得晶棒出现位错和滑移线，为了避免此问题的发生，必须将晶棒的直径慢慢缩小，直到成一个尖点并与液面分开为止，这个过程称为收尾。

收尾自动程序依据的参数依据下表1所列：

表1。