專利名稱：直拉硅單晶的鎵元素?fù)诫s方法及所用摻雜裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種直拉硅單晶的摻雜方法，尤其涉及一種適用直拉硅單晶的鎵元素
的摻雜方法。
背景技術(shù)：
目前，生產(chǎn)太陽能電池用的P型單晶硅材料主要分為硼摻雜和鎵摻雜兩種。對于 硼摻雜Cz電池片，當(dāng)它暴露于光照下，電池性能會(huì)衰減，即光致衰減現(xiàn)象。而摻鎵電池片， 這種光致衰減要小得多。國內(nèi)外報(bào)道的測試數(shù)據(jù)顯示摻鎵CZ電池片的衰減效率一般小于 1 % ，而摻硼Cz電池片的衰減效率一般大于3 % 。 但是由于鎵的分凝系數(shù)太小，以及蒸發(fā)系數(shù)較高，又導(dǎo)致這種摻鎵晶錠的拉制存 在各種問題，尤其是摻鎵單晶的摻雜。
目前單晶的摻雜方法主要有直接摻雜法、母合金摻雜法、裝置摻雜法。
直接摻雜法根據(jù)目標(biāo)電阻率的要求，稱量一定重量的摻雜劑，把摻雜劑和多晶硅
料同時(shí)放入石英坩堝中，摻雜劑和多晶硅料同時(shí)經(jīng)歷高溫熔化的階段，并通過熔液的攪動(dòng)，
把摻雜劑均勻分布于熔體中。直接摻雜法主要應(yīng)用于蒸發(fā)量和熔點(diǎn)都較高的摻雜劑，如硼、
磷、砷等。鎵的熔點(diǎn)是29. 7『C，在溫度達(dá)到30度就會(huì)成為液態(tài)；由于鎵的熔點(diǎn)過低，鎵處
于液態(tài)時(shí)摻雜量和摻雜過程不容易控制。鎵元素的蒸發(fā)常數(shù)(蒸發(fā)系數(shù))為10—3cm/s ;晶
硅開始熔化至化料結(jié)束，有約3-5小時(shí)的時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)，鎵的蒸發(fā)量將達(dá)到原始摻雜
量的30_50%，蒸發(fā)量的存在使摻雜的目標(biāo)電阻率偏離較大。 母合金摻雜法把摻雜劑和多晶硅料制成母合金，根據(jù)母合金中摻雜劑的含量和 目標(biāo)電阻率的要求，計(jì)算母合金的用量；把母合金和多晶硅料同時(shí)放入石英坩堝中熔化。該 方法適用于摻雜劑用量較少、目標(biāo)電阻率較高時(shí)的單晶硅生長。而摻鎵單晶的目標(biāo)電阻率 小于3歐姆.厘米，而且由于鎵的蒸發(fā)系數(shù)較大，同直接摻雜法一樣，在熔化過程中，揮發(fā)量 大，影響目標(biāo)電阻率。顯然這種方法也不適合用這種方法進(jìn)行摻雜。 裝置摻雜法把摻雜劑裝入一個(gè)摻雜工具或摻雜裝置中，在硅料熔化的過程或熔 料完成后通過裝置把摻雜劑摻入硅料中。該方法主要用于蒸發(fā)量較大的摻雜劑或摻雜量很 大的摻雜劑。 專利200810053398. X《摻鎵元素太陽能單晶的生產(chǎn)方法》中使用了特殊的摻雜裝 置，并且對設(shè)備要求較高；而且摻雜時(shí)，鎵元素在下落過程中容易濺出硅熔體，當(dāng)硅熔體濺 至石英坩堝壁時(shí)，冷卻后會(huì)粘在坩堝壁上，冷卻的硅料在長晶過程中會(huì)重新熔化，并跌落至 硅熔體中時(shí)，增加長晶不良的風(fēng)險(xiǎn)；由于液面的波動(dòng)，導(dǎo)致單晶體無法按原子序順序排布， 會(huì)產(chǎn)生斷苞和位錯(cuò)。而且濺出的熔體還有可能損壞單晶爐。 專利ZL00122075. 6《直拉法硅單晶生長的重?fù)诫s方法》中使用一種傘形摻雜器， 是一次性使用，而且鎵的蒸發(fā)系數(shù)高，如果拉晶中出現(xiàn)異常導(dǎo)致拉晶時(shí)間延長，如果鎵揮發(fā) 太多需要補(bǔ)摻雜時(shí)，則需要額外的傘形摻雜器，這樣會(huì)導(dǎo)致成本較高，因此經(jīng)濟(jì)效益不佳。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種成本較低、且能有效避免因硅熔體濺起對長
晶造成不良影響的鎵元素的摻雜方法以及所用的鎵元素?fù)诫s裝置。 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種鎵元素?fù)诫s裝置，包括由高純石英制成 的吊環(huán)和環(huán)狀固定套，還包括由高純單晶硅造成的空心圓錐體；環(huán)狀固定套與空心圓錐體
相連，吊環(huán)的一端與環(huán)狀固定套相連，吊環(huán)的另一端與柄部相連，在柄部上設(shè)有與籽晶桿上 的籽晶夾頭相配套的凹槽。 作為本發(fā)明的鎵元素?fù)诫s裝置的改進(jìn)空心圓錐體從錐頂至距離錐頂30mm高度 處的壁厚為1 2mm，其余部分的壁厚為2 15mm ;錐度為30 60度。
作為本發(fā)明的鎵元素?fù)诫s裝置的進(jìn)一步改進(jìn)在空心圓錐體的外表面設(shè)置環(huán)形凹 槽，環(huán)狀固定套卡在上述環(huán)形凹槽內(nèi)。 本發(fā)明還同時(shí)提供了利用上述鎵元素?fù)诫s裝置進(jìn)行的直拉硅單晶的鎵元素的摻 雜方法，包括以下步驟 1)、在低于2『C的室溫(一般為0 28tO下，按照常規(guī)方式稱取鎵，并將鎵放入 鎵元素?fù)诫s裝置的空心圓錐體的內(nèi)腔中； 2)、將石英坩堝置于單晶爐的爐膛內(nèi)，將多晶硅放入石英坩堝中，關(guān)上爐膛的爐 蓋，升溫至多晶硅融化成液態(tài)； 3)、打開單晶爐的副室的爐門，將步驟1)所得的鎵元素?fù)诫s裝置放入副室內(nèi)，使 凹槽與籽晶夾頭相固定； 4)、關(guān)閉副室的爐門，對副室進(jìn)行抽真空處理，使真空度為《40Torr ;打開爐膛和 副室間的閥門，降下籽晶夾頭，使空心圓錐體的錐頂降到多晶硅熔液的液面以下2 10mm ; 與多晶硅熔液相接觸的空心圓錐體被熔化，空心圓錐體變成漏斗，位于空心圓錐體內(nèi)腔中 的液態(tài)鎵流入多晶硅熔液中； 5)、待空心圓錐體內(nèi)的液態(tài)鎵流完后，降低多晶硅熔液溫度，使多晶硅熔液的液面 處溫度為1400-1409. 5°C (即，使液面處溫度在多晶硅的結(jié)晶溫度141(TC這個(gè)臨界溫度點(diǎn) 以下)；然后緩慢提升籽晶夾頭至副室內(nèi)，此時(shí)空心圓錐體的破損處得到自然修復(fù)；
關(guān)上爐膛和副室間的閥門，打開副室的爐門，取出鎵元素?fù)诫s裝置，將籽晶與籽晶 夾頭相固定； 6)、關(guān)上副室的爐門，對副室進(jìn)行抽真空處理，使真空度為《40Torr ;打開爐膛和 副室間的閥門，下降籽晶，進(jìn)行常規(guī)的拉晶。 作為本發(fā)明的直拉硅單晶的鎵元素的摻雜方法的改進(jìn)步驟2)中升溫至1420 1430°C ，從而使多晶硅融化成液態(tài)。 在本發(fā)明中高純石英是指SI(^的重量含量在99. 995%以上，高純硅(包括高純單 晶硅)是指硅的純度在11個(gè)9以上。 在本發(fā)明的步驟1)中，采用常規(guī)技術(shù)按照鎵與多晶硅的重量比以及所需要單晶 體的目標(biāo)電阻率稱取鎵。 在本發(fā)明的步驟3)、步驟4)和步驟5)中的液態(tài)鎵流完以前，多晶硅始終保持液 態(tài)；液態(tài)鎵流完后，降低多晶硅熔液溫度，使多晶硅熔液的液面處溫度為1400-1409. 5°C。
在本發(fā)明的步 5)中，在緩慢提升籽晶夾頭的過程中，液態(tài)多晶硅會(huì)在空心圓錐體的破損處(即固液界面處)受冷凝固成錐尖形的固體，從而堵住了空心圓錐體的破損處；即使空心圓錐體恢復(fù)原狀。這個(gè)工藝類同于現(xiàn)有的單晶的收尾程序。本發(fā)明能有效解決專利200810053398. X中的缺陷，同時(shí)又比ZL00122075. 6《直拉法硅單晶生長的重?fù)诫s方法》成本低。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn) 1、由于摻雜時(shí)，鎵通過工具直接浸入多晶硅液面進(jìn)行摻雜；因此可以防止在高空摻雜時(shí)鎵液滴的濺出，降低晶體生長不良的風(fēng)險(xiǎn)。 2、本發(fā)明的摻雜裝置可以多次使用，降低了成本；在鎵摻雜完成后，可以通過晶體生長工藝中收尾工藝，把熔化的漏斗狀工具重新生長，恢復(fù)成原來的空心圓錐體，為下次摻雜的使用作好準(zhǔn)備； 3、可以利用本發(fā)明的摻雜裝置進(jìn)行二次摻雜，即在晶體生長的初始階段發(fā)生異常，導(dǎo)致正常熔化、引晶時(shí)間過長，使鎵元素?fù)]發(fā)較多時(shí)，可以通過該裝置進(jìn)行二次摻雜。由于此摻雜裝置可多次使用，因此二次摻雜幾乎不會(huì)增加工藝成本。 4、本發(fā)明的摻雜裝置可以多次利用。在用本裝置進(jìn)行一次熔化摻雜后，在漏斗口處重新生長出的錐尖能使漏斗恢復(fù)成原來的空心圓錐體。在下次需要摻雜時(shí)，只要重新加入摻雜劑即可進(jìn)行摻雜。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
圖1是本發(fā)明的鎵元素?fù)诫s裝置的結(jié)構(gòu)示意 圖2是圖1的分解結(jié)構(gòu)示意 圖3是圖1的實(shí)際使用狀態(tài)示意圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1、一種鎵元素?fù)诫s裝置，包括由高純石英制成的吊壞2和環(huán)狀固定套3以及由高純單晶硅造成的空心圓錐體4 ;在空心圓錐體4的外表面設(shè)置環(huán)形凹槽，環(huán)狀固定套3卡在上述環(huán)形凹槽內(nèi)；從而使空心圓錐體4與環(huán)狀固定套3實(shí)現(xiàn)固定相連。吊環(huán)2的上端與柄部1固定相連，吊環(huán)2的下端與環(huán)狀固定套3固定相連；在柄部1上設(shè)有與籽晶桿上的籽晶夾頭相配套的凹槽ll。 空心圓錐體4的錐尖(即從錐頂41至距離錐頂41為30mm高度處)的壁厚為lmm，其余部分的壁厚為5mm ;錐度為45度左右。 實(shí)施例2、利用實(shí)施例1所述鎵元素?fù)诫s裝置進(jìn)行的直拉硅單晶的鎵元素的摻雜方法，依次進(jìn)行以下步驟 1)、在25°C的室溫下，稱取290mg鎵，將290mg鎵放入鎵元素?fù)诫s裝置的空心圓錐體4的內(nèi)腔中； 2)、將石英坩堝置于單晶爐的爐膛內(nèi)，將60kg多晶硅放入石英坩堝中，關(guān)上爐膛的爐蓋，升溫至142(TC，使多晶硅融化至液態(tài)； 3)、打開單晶爐的副室的爐門，將步驟1)所得的鎵元素?fù)诫s裝置放入副室內(nèi)，使凹槽11與副室內(nèi)的籽晶夾頭相固定；此步驟中保持多晶硅為液態(tài)；
5
4)、關(guān)閉副室的爐門，對副室進(jìn)行抽真空處理，使真空度為40Torr ;打開爐膛和副室間的閥門，降下籽晶夾頭，使空心圓錐體4的錐頂41降到多晶硅熔液的液面以下4mm;與多晶硅熔液相接觸的空心圓錐體4被熔化，空心圓錐體4變成漏斗，位于空心圓錐體4內(nèi)腔中的液態(tài)鎵流入多晶硅熔液中；此步驟中保持多晶硅為液態(tài)； 5、待空心圓錐體4內(nèi)的液態(tài)鎵流完(大約為5分鐘)后，降低多晶硅熔液溫度，使多晶硅熔液的液面處溫度為1408t:，然后以lmm/min的速度緩慢提升籽晶夾頭至副室內(nèi)，此時(shí)空心圓錐體4的破損處得到自然修復(fù)；即液態(tài)多晶硅在空心圓錐體4的破損處緩慢凝固成錐尖形的固體，從而堵住了空心圓錐體4的破損處；使空心圓錐體4恢復(fù)原狀。
關(guān)上爐膛和副室間的閥門，打開副室的爐門，取出鎵元素?fù)诫s裝置，將籽晶與籽晶夾頭相固定； 6、關(guān)上副室的爐門，對副室進(jìn)行抽真空處理，使真空度為40Torr ;打開爐膛和副室間的閥門，下降籽晶，按正常的拉晶程序進(jìn)行拉制。 經(jīng)切斷滾圓后，獲得單晶45kg，頭部電阻率為2. 66ohm. cm，尾部電阻率為1. 39ohm. cm，合格率為72%。 對比實(shí)例1、采用同本發(fā)明配料比的原料，按照專利200810053398. X所述方法進(jìn)行生產(chǎn)，鎵摻雜元素濺起的硅熔體掛在坩堝壁上，在生長晶體時(shí)，導(dǎo)致位錯(cuò)產(chǎn)生，由于尾部位錯(cuò)切除，導(dǎo)致合格率只有60%。 最后，還需要注意的是，以上列舉的僅是本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例。顯然，本發(fā)明不限于以上實(shí)施例，還可以有許多變形。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能從本發(fā)明公開的內(nèi)容直接導(dǎo)出或聯(lián)想到的所有變形，均應(yīng)認(rèn)為是本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種鎵元素?fù)诫s裝置，其特征是包括由高純石英制成的吊環(huán)(2)和環(huán)狀固定套(3)，還包括由高純單晶硅制成的空心圓錐體(4)；環(huán)狀固定套(3)與所述空心圓錐體(4)相連，吊環(huán)(2)的一端與環(huán)狀固定套(3)相連，吊環(huán)(2)的另一端與柄部(1)相連，在柄部(1)上設(shè)有與籽晶桿上的籽晶夾頭相配套的凹槽(11)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的鎵元素?fù)诫s裝置，其特征是所述空心圓錐體(4)從錐頂 (41)至距離錐頂(41)30mm高度處的壁厚為1 2mm，其余部分的壁厚為2 15mm ;錐度為 30 60度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的鎵元素?fù)诫s裝置，其特征是在空心圓錐體(4)的外表面設(shè) 置環(huán)形凹槽，環(huán)狀固定套(3)卡在上述環(huán)形凹槽內(nèi)。
4. 利用權(quán)利要求1 3中任意一種鎵元素?fù)诫s裝置進(jìn)行的直拉硅單晶的鎵元素的摻雜 方法，其特征在于包括以下步驟1) 、在低于28°C的室溫下，按照常規(guī)方式稱取鎵，并將鎵放入鎵元素?fù)诫s裝置的空心圓 錐體(4)的內(nèi)腔中；2) 、將石英坩堝置于單晶爐的爐膛內(nèi)，將多晶硅放入石英坩堝中，關(guān)上爐膛的爐蓋，升 溫至多晶硅融化成液態(tài)；3) 、打開單晶爐的副室的爐門，將步驟1)所得的鎵元素?fù)诫s裝置放入副室內(nèi)，使凹槽(II) 與籽晶夾頭相固定；4) 、關(guān)閉副室的爐門，對副室進(jìn)行抽真空處理，使真空度為《40Torr ;打開爐膛和副室 間的閥門，降下籽晶夾頭，使空心圓錐體(4)的錐頂(41)降到多晶硅熔液的液面以下2 lOmm;與多晶硅熔液相接觸的空心圓錐體(4)被熔化，空心圓錐體(4)變成漏斗，位于空心 圓錐體(4)內(nèi)腔中的液態(tài)鎵流入多晶硅熔液中；5) 、待空心圓錐體(4)內(nèi)的液態(tài)鎵流完后，降低多晶硅熔液溫度，使多晶硅熔液的液面 處溫度為1400-1409. 5t:;然后緩慢提升籽晶夾頭至副室內(nèi)，此時(shí)空心圓錐體(4)的破損處 得到自然修復(fù)；關(guān)上爐膛和副室間的閥門，打開副室的爐門，取出鎵元素?fù)诫s裝置，將籽晶與籽晶夾頭 相固定；6) 、關(guān)上副室的爐門，對副室進(jìn)行抽真空處理，使真空度為《40Torr ;打開爐膛和副室 間的閥門，下降籽晶，從而進(jìn)行常規(guī)的拉晶。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的直拉硅單晶的鎵元素的摻雜方法，其特征是所述步驟2)中 升溫至1420 143(TC，從而使多晶硅融化成液態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鎵元素?fù)诫s裝置，包括由高純石英制成的吊環(huán)(2)和環(huán)狀固定套(3)，還包括由高純單晶硅制成的空心圓錐體(4)；環(huán)狀固定套(3)與空心圓錐體(4)相連，吊環(huán)(2)的一端與環(huán)狀固定套(3)相連，吊環(huán)(2)的另一端與柄部(1)相連，在柄部(1)上設(shè)有與籽晶桿上的籽晶夾頭相配套的凹槽(11)。本發(fā)明還同時(shí)公開了利用上述鎵元素?fù)诫s裝置進(jìn)行的直拉硅單晶的鎵元素的摻雜方法。使用本發(fā)明能有效避免因硅熔體濺起對長晶造成的不良影響。
文檔編號C30B31/04GK101787566SQ201010132399
公開日2010年7月28日 申請日期2010年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月25日
發(fā)明者何國君, 王飛堯, 肖型奎, 郭兵健, 黃笑容 申請人:杭州海納半導(dǎo)體有限公司;浙江眾合機(jī)電股份有限公司