[發(fā)明專利]在氮?dú)庀妈T造氮濃度可控的摻氮單晶硅的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200910099990.8
• 申請(qǐng)日: 2009-06-24
• 公開（公告）號(hào): CN101597787A
• 公開（公告）日: 2009-12-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 余學(xué)功;楊德仁
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號(hào): C30B11/00
• 分類號(hào): C30B11/00;C30B27/00;C30B29/06
• 代理公司: 杭州天勤知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 胡紅娟

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及在氮?dú)庀妈T造氮濃度可控的摻氮單晶硅的方法。

背景技術(shù)

能源和環(huán)境是當(dāng)今世界廣泛關(guān)注的兩大問題，太陽能作為一種可再生的綠色能源自然成為人們開發(fā)和研究的焦點(diǎn)。自1954年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室成功研制出第一塊單晶硅太陽能電池以來，經(jīng)過全球科技和產(chǎn)業(yè)界的不懈努力，太陽能電池技術(shù)和產(chǎn)業(yè)得到了巨大發(fā)展。而太陽能電池的發(fā)展主要是建立在半導(dǎo)體硅材料的基礎(chǔ)上的。

一般情況下，單晶硅的制備是利用直拉技術(shù)或區(qū)熔技術(shù)而獲得的，可以用在電子工業(yè)和太陽能光伏工業(yè)，它制備的太陽電池效率高，但是晶體制備成本高、能耗高。

而利用定向鑄造技術(shù)，可以制備鑄造多晶硅，能用在太陽能光伏行業(yè)，雖然成本相對(duì)比較低，但是由于它是多晶，不是單晶，所以其制備的太陽能電池效率低，限制了其在太陽能電池的廣泛應(yīng)用。

此外，定向鑄造技術(shù)中制備得到的硅材料中位錯(cuò)較多，因此機(jī)械強(qiáng)度較低。而當(dāng)前影響太陽能電池廣泛使用的一個(gè)主要障礙是成本較高。太陽能電池的成本主要在硅片，如減少每一片硅片的厚度，使得每一片硅片的材料用量減少，可有效降低太陽能電池的成本。但是由于鑄造硅片的機(jī)械強(qiáng)度低，一旦降低單一硅片的厚度，就會(huì)使硅片在加工、電池制備和電池組裝成組件等過程中，容易發(fā)生損傷和破碎，硅片的破碎率增加，仍然導(dǎo)致成本的增加。因此，現(xiàn)有的鑄造硅難以制成薄的硅片的缺陷，造成硅片成本增加，也限制了其使用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了在氮?dú)庀妈T造氮濃度可控的摻氮單晶硅的方法，包括以下步驟：

(1)將無位錯(cuò)的原料單晶硅塊鋪滿坩堝底部，再將多晶硅置于原料單晶硅塊之上，并按目標(biāo)摻雜濃度計(jì)算的投料量加入電活性摻雜劑，裝爐；

其中，所述的電活性摻雜劑為硼、鎵或磷；所述的目標(biāo)摻雜濃度為本發(fā)明要制備得到的目標(biāo)產(chǎn)物中電活性摻雜劑的濃度。本發(fā)明中，電活性摻雜劑的目標(biāo)摻雜濃度為1×10¹⁵～1×10¹⁷/cm³。

所述的原料單晶硅塊的厚度優(yōu)選為5～20mm。使用太薄的單晶硅塊，對(duì)鑄造爐熱場(chǎng)的設(shè)計(jì)要求較高，同時(shí)鑄造單晶硅的實(shí)際生長(zhǎng)過程的控制要求太高；而使用太厚的單晶硅塊，將導(dǎo)致鑄造單晶硅成本的增加。

(2)將爐室抽成真空后通入氬氣，調(diào)整爐內(nèi)保溫罩的位置，使得電活性摻雜劑、多晶硅和靠近多晶硅的部分原料單晶硅塊受熱；逐漸加熱到1400℃以上使得多晶硅開始融化，并保持溫度在1400℃以上一段時(shí)間，使得電活性摻雜劑、多晶硅和靠近多晶硅的部分原料單晶硅塊融化成液體形成硅熔體，而坩堝底部下部的部分原料單晶硅塊不融化。

由于要確保坩堝底部下部存在部分原料單晶硅塊不被融化以便作為生長(zhǎng)單晶硅的籽晶，優(yōu)選的技術(shù)方案中，未融化的部分原料單晶硅塊的厚度至少為原料單晶硅塊總厚度的10％，即融化的部分原料單晶硅塊的厚度不超過原料單晶硅塊總厚度的90％；同時(shí)，為了保證與原料單晶硅塊相接觸的多晶硅全部完全融化，優(yōu)選的技術(shù)方案中，融化的部分原料單晶硅塊的厚度至少為原料單晶硅塊總厚度的10％。因此，在優(yōu)選的技術(shù)方案中，位于坩鍋底部的單晶硅原料中，置于上部的、靠近多晶硅的、厚度為原料單晶硅塊總厚度的10％～90％的部分單晶硅原料融化。

(3)在晶體生長(zhǎng)時(shí)，將氬氣換成氮?dú)猓獨(dú)獾膲毫?～200Torr，流量為1～200L/min，然后冷卻坩堝底部，使得硅熔體的熱交換主要發(fā)生在坩堝底部；同時(shí)以1～4mm/min的速度提升爐內(nèi)保溫罩，使得硅熔體從底部向上逐漸定向凝固，由于坩堝底部保留有未融化的部分單晶硅，在此作為籽晶誘導(dǎo)生長(zhǎng)，從而形成含氮濃度為1×10¹³～5×10¹⁵/cm³的摻氮單晶硅。

本發(fā)明中優(yōu)選采用純度為99.999～99.9999％的氮?dú)猓杀ＷC不會(huì)因純度過低引入雜質(zhì)影響產(chǎn)品質(zhì)量，又不至因使用過高純度的氮?dú)庠黾映杀尽?/p>

本發(fā)明中，通過冷卻坩鍋底部和調(diào)整爐內(nèi)保溫罩位置來調(diào)節(jié)熱場(chǎng)，形成單方向的熱流(晶體的生長(zhǎng)方向垂直向上，熱流方向垂直向下)進(jìn)行定向凝固，該過程中僅在固-液界面處存在一定的軸向溫度梯度，而在橫向的平面溫度梯度較小，從而實(shí)現(xiàn)從下至上的鑄造單晶硅的生長(zhǎng)。通常，采取在坩堝底部吹入冷卻氣體或通入冷卻水來冷卻坩鍋底部。其中，冷卻氣體可采用安全便宜易得的常用氣體，通常采用冷卻惰性氣體或冷卻氮?dú)狻?/p>