[發明專利]具有均勻多重摻雜物的硅錠及其制造方法和裝置

有效

• 申請號: 201280028191.1
• 申請日: 2012-04-13
• 公開（公告）號: CN103608496B
• 公開（公告）日: 2017-12-26
• 發明（設計）人: B·K·約翰遜;J·P·德盧卡;W·L·盧特爾
• 申請（專利權）人: GTATIP控股有限責任公司
• 主分類號: C30B15/04
• 分類號: C30B15/04;C30B15/20;C30B29/06
• 代理公司: 北京戈程知識產權代理有限公司11314
• 代理人: 程偉,王錦陽

相關申請案的交互參考

本發明主張于2011年4月14日所提出的美國臨時專利申請案第61/475,351號的利益。

技術領域

本發明涉及硅的柴氏生長(Czochralski growth)以及，具體而言，涉及具有軸向均勻摻雜的硅錠的連續柴氏生長(continuous Czochralski growth)。

背景技術

于正在發展的眾多類型的光伏太陽能電池中，其中一種最有效且經濟的電池是基于通過柴氏法(Czochralski method)生長的硅晶圓的電池。在典型的柴氏生長(CZ)方法中，在約1416℃的溫度下在坩堝中將硅熔融成其液體狀態。將預定結晶方向的小結晶硅晶種與該熔融物接觸然后逐漸拉出。在適當的溫度控制下，該液體硅以相同于該晶種的方向凝固在該晶種上。之后緩慢將該晶種自該熔融物拉離以形成具有最終長度為一公尺或更多以及直徑為數百毫米的成長結晶硅錠。

在典型集成電路基板的應用上，批次CZ是以下列方式實行：以首次填充的電子級(EG)硅填充該坩堝(該硅也稱為初生多晶硅(virgin polysilicon)或簡單多晶硅(simply polysilicon))。之后加熱該坩堝，且拉出一個錠以實質上耗盡該坩堝。于完成一個錠之后丟棄該坩堝。切片冷卻后的錠以形成具有實質上少于一毫米厚度的圓型單晶晶圓。請參見Wolf以及Taber的Silicon Processing for the VLSI Era,vol.1：Process Technology,Lattice Press,1986,pp.5-21有關于電子級硅、冶金級硅以及典型柴氏工藝的討論，已將該文納入本文作為參考。

然而，太陽能電池的應用在成本敏感度上遠高于硅集成電路。一種嘗試是以冶金級(MG)硅填充該CZ坩堝。由于MG硅免除了EG硅要求的蒸餾以及化學氣相沉積步驟，與EG硅比較下相對不純，但MG硅較容易獲得。補償的MG硅晶圓已顯示表現出接近彼等EG硅晶圓的太陽能效率；然而，補償程度必然受到電池設計的限制。舉例而言，光伏太陽能電池可以形成有p-n接面，分離半導體n-型區域(舉例而言，摻雜有磷)與半導體p-型區域(舉例而言，摻雜有硼、鋁、或鎵)。通常將用于太陽能使用的錠將以給定的摻雜類型成長(舉例而言，p-型)且將在切自該錠的晶圓的表面摻雜n-型摻雜物以形成p-n接面。補償硅錠可通過具有p-及n-型摻雜物兩者的CZ方法予以成長。該有效的摻雜類型以及摻雜濃度是取決于哪種摻雜物具有較高濃度以及該兩種摻雜物濃度的差。一些研究已顯示在強補償硅中的少數載子是實際上壽命較長，并且建議可以通過控制摻雜物雜質(例如，硼以及磷兩者)濃度而達成有較高效率的太陽能電池。請參見Kraiem等人的doping engineering as a method to increase the performance of purified MG silicon during ingot crystallization,Photovoltaic Specialists Conference(PVSC),20934th IEEE978-1-34244-2950-9/09(2010),pp.1327-1330以及Dubois等人的Beneficial effects of the compensation level on the carrier lifetime of crystalline silicon,Applied Physics Letters,93(2008),pp.032114-032117，兩者皆已納入本案作為參考。

然而，經控制的摻雜，尤指在柴式法或通過澆鑄(casting)的反向摻雜，因分凝效應(segregation effect)而變得復雜。分凝是在固化期間使雜質或摻雜物殘留在該熔融物中的傾向，在該效應下固-液接口的液體側的摻雜物濃度不同于(通常為大于)固體側。該分凝現象是以“分凝系數”(標記為k)為特征，分凝系數是該固化接口的固體側上摻雜物的濃度與該固化接口的液體側上相同摻雜物的濃度的比。在硅中不同的摻雜物具有不同的分凝系數，且通常少于1.0，有時候更少。表1表示在硅中數種可能的摻雜物的分凝系數值。

表1