[發(fā)明專利]一種太陽能級(jí)直拉單晶硅的生產(chǎn)方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410644510.2
• 申請(qǐng)日: 2014-11-14
• 公開（公告）號(hào): CN104372406A
• 公開（公告）日: 2015-02-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉彬國;何京輝;曹祥瑞;顏超;程志;黃瑞強(qiáng);周子江;劉欽;范曉普
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 邢臺(tái)晶龍電子材料有限公司
• 主分類號(hào): C30B29/06
• 分類號(hào): C30B29/06;C30B15/22
• 代理公司: 石家莊國為知識(shí)產(chǎn)權(quán)事務(wù)所 13120
• 代理人: 李榮文

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及直拉單晶硅技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

太陽能是未來最重要的綠色能源之一，作為高效率太陽能電池的核心部分，品質(zhì)優(yōu)良的單晶硅一直是人們研究開發(fā)的重點(diǎn)產(chǎn)品。

單晶硅的生產(chǎn)方法主要有直拉法（CZ）、區(qū)熔法（FZ）和外延法，其中直拉法和區(qū)熔法用于伸長(zhǎng)單晶硅棒材，而外延法用于伸長(zhǎng)單晶硅薄膜。由于直拉法生產(chǎn)的單晶硅廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體集成電路、二極管、外延片襯底，以及太陽能電池等關(guān)鍵領(lǐng)域，因而受到人們的特別關(guān)注。

目前在直拉單晶硅的生產(chǎn)領(lǐng)域中，氧是直拉單晶硅中的一種常見雜質(zhì)，這主要是由單晶硅的生產(chǎn)工藝所造成的。實(shí)踐表明，單晶硅中的氧主要集中在其頭部，如果單晶硅的頭部含氧量過高，就會(huì)造成所謂的“黑芯片”和“黑角片”問題，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量。

氧的危害在于，氧可以形成熱施主及新施主，使得單晶硅的電阻率均勻性變差；此外，氧還與直拉單晶硅中微缺陷的形成有著密切關(guān)系，而硅片表面的微缺陷在器件熱氧化工藝中還會(huì)影響到器件的成品率。因此，目前在單晶硅的檢測(cè)中普遍對(duì)硅片中的黑芯片與黑角片現(xiàn)象采取零容忍的態(tài)度。但是，當(dāng)前卻還缺少一種簡(jiǎn)單、有效、易行的減少黑芯片與黑角片的方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種太陽能級(jí)直拉單晶硅的生產(chǎn)方法，其針對(duì)當(dāng)前直拉單晶硅生產(chǎn)工藝的缺陷，對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，通過降低等徑自動(dòng)生長(zhǎng)過程中的頭部拉速，減少單晶的含氧量，從而達(dá)到減少直拉單晶硅中黑芯片和黑角片的目的。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：一種太陽能級(jí)直拉單晶硅的生產(chǎn)方法，其包括如下步驟：

（1）加料：根據(jù)需要的半導(dǎo)體類型將硅原料和攙雜劑放入石英坩堝內(nèi)；攙雜劑的種類是按照半導(dǎo)體的類型N型或P型確定的，P型的攙雜劑一般為硼或鎵，N型攙雜劑一般為磷；

（2）熔化：將單晶爐關(guān)閉并抽真空，使得單晶爐內(nèi)的壓強(qiáng)維持在5Pa以下，然后將加熱功率一次性升至95～100千瓦（1420℃左右）；使用過大的功率來熔化硅原料雖然可以縮短熔化時(shí)間，但是可能造成石英坩堝壁的過度損傷，降低石英坩堝的壽命，反之若功率過小，則整個(gè)熔化過程耗時(shí)太久，導(dǎo)致產(chǎn)能下降；

（3）穩(wěn)溫：當(dāng)硅原料熔化成液體后將加熱功率降至45千瓦并投入溫度自動(dòng)程序，溫度自動(dòng)程序使得爐內(nèi)溫度保持恒定并持續(xù)2小時(shí)；

（4）引晶：調(diào)整堝位使得硅液液面距導(dǎo)流筒的距離為15?mm，將晶轉(zhuǎn)設(shè)為8圈每分鐘，堝轉(zhuǎn)設(shè)為2圈每分鐘，然后將籽晶降至硅液液面處進(jìn)行引晶；引晶時(shí)籽晶按照<100>或<111>的晶向浸入硅熔液中，引晶的總長(zhǎng)度為130～150?mm，引晶時(shí)平均拉速控制在3～6?mm/min，初期拉速控制在1～3?mm/min，引晶達(dá)30?mm后將拉速控制在3～6?mm/min；

（5）放肩：引晶完成后，將拉速降至0.7?mm/min，加熱功率降低5千瓦，放肩時(shí)間3～4小時(shí)；在此步驟中，最重要的參數(shù)是直徑的放大速率（亦即放肩的角度），放肩的形狀和角度將會(huì)影響晶棒頭部的固液界面形狀及晶棒品質(zhì)，如果降溫太快，液面呈現(xiàn)過冷情況，肩的形狀因直徑快速放大而變成方形，嚴(yán)重時(shí)易導(dǎo)致位錯(cuò)的產(chǎn)生而失去單晶的結(jié)構(gòu)；

（6）轉(zhuǎn)肩：當(dāng)硅棒直徑距等徑直徑還有5～10?mm時(shí)，將拉速提至2.0?mm/min，進(jìn)行轉(zhuǎn)肩；

（7）等徑生長(zhǎng)；當(dāng)硅棒直徑達(dá)到等徑直徑時(shí)，將拉速降至等徑自動(dòng)初始拉速，等徑自動(dòng)初始拉速設(shè)為0.8?mm/min，設(shè)定堝升速度，然后投入等徑自動(dòng)程序進(jìn)行等徑生長(zhǎng)；

堝升速度S’根據(jù)下式1計(jì)算：

；

式中：Φ為晶體直徑，Φ’為坩堝內(nèi)徑，S為晶體拉速；

等徑生長(zhǎng)完成的判斷標(biāo)準(zhǔn)是，當(dāng)?shù)葟介L(zhǎng)度達(dá)到L時(shí)生長(zhǎng)完成，L的數(shù)值由下式2計(jì)算：

；

式中：D為晶體直徑；ρ為硅的密度，即2.33?g/cm³；W為晶體重量，即裝料量與堝底省料量的差值；

（8）收尾：等徑生長(zhǎng)完成后，退出等徑自動(dòng)程序，停止堝升，將拉速提至1.0?mm/min，投入收尾自動(dòng)程序，當(dāng)長(zhǎng)度達(dá)到直徑值時(shí)提斷停爐；在等徑生長(zhǎng)完成后，如果立刻將晶棒與液面分開，那么熱應(yīng)力將使得晶棒出現(xiàn)位錯(cuò)和滑移線，為了避免此問題的發(fā)生，必須將晶棒的直徑慢慢縮小，直到成一個(gè)尖點(diǎn)并與液面分開為止，這個(gè)過程稱為收尾。

收尾自動(dòng)程序依據(jù)的參數(shù)依據(jù)下表1所列：

表1。

作為優(yōu)選，步驟（4）中引晶的總長(zhǎng)度為150毫米。