專利名稱：一種摻氮晶體硅及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，特別涉及具有較高機(jī)械強(qiáng)度的單晶硅、多晶硅、以及 其制備方法。
背景技術(shù)：
太陽(yáng)能是一種可再生的綠色能源。利用半導(dǎo)體材料的光電轉(zhuǎn)換特性來(lái)制備太陽(yáng)能 電池，可以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變成電能。自從1954年第一塊單晶硅太陽(yáng)能電池誕生以來(lái)，太陽(yáng)能 電池技術(shù)和產(chǎn)業(yè)得到了巨大發(fā)展。太陽(yáng)能電池可分為1)硅太陽(yáng)能電池；2)以無(wú)機(jī)鹽如砷 化鎵III-V化合物、硫化鎘、銅銦硒等多元化合物為材料的電池；3)功能高分子材料制備的 大陽(yáng)能電池；4)納米晶太陽(yáng)能電池等。其中硅太陽(yáng)能電池、尤其是晶體硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換 效率高(實(shí)驗(yàn)室達(dá)到24. 7%，批量生產(chǎn)約16-22% )且成本低而成為最理想的電池品種。太陽(yáng)能電池的成本主要在硅片，如減少每一片硅片的厚度，使得每一片的材料用 量減少，可有效降低太陽(yáng)能電池成本。然而，由于硅材料的機(jī)械強(qiáng)度較低，如果降低硅片的 厚度，就可能導(dǎo)致硅片在加工、電池制備以及電池組裝成組件等過(guò)程中產(chǎn)生損傷、破碎的概 率增加，從而導(dǎo)致成本的增加。因此，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，通過(guò)降低硅片的厚度來(lái)降低成本受到 限制。在專利文獻(xiàn)1 (CN101597790A)中，公開(kāi)了一種氮?dú)庀氯酃钃降苽滂T造多晶硅的 方法，其在熔硅過(guò)程中通入氮?dú)猓谌酃璧耐瑫r(shí)氮?dú)馔ㄟ^(guò)與熔硅反應(yīng)進(jìn)入硅熔體，此后在鑄 造多晶硅時(shí)，將氮?dú)鈸Q成氬氣，通過(guò)冷卻坩堝底部來(lái)實(shí)現(xiàn)從底部向上逐漸定向凝固形成氮 摻雜的鑄造多晶硅。然而，由于現(xiàn)有多晶鑄錠爐氣路結(jié)構(gòu)的特征使得通常的多晶鑄錠爐采 用該方法難以均勻摻氮，而要想實(shí)現(xiàn)均勻摻氮必須對(duì)氣路進(jìn)行改造，這必然導(dǎo)致設(shè)備成本 的增加。此外，要想通過(guò)氮?dú)鈦?lái)實(shí)現(xiàn)摻氮從而提高硅片的機(jī)械強(qiáng)度，則為了達(dá)到一定的摻 氮濃度需要在熔硅的高溫條件下使熔體保溫較長(zhǎng)時(shí)間，這必然導(dǎo)致硅片制造導(dǎo)致成本的增 力口，而且對(duì)爐體的耐高溫要求也有所提高。此外，在專利文獻(xiàn)2(CN101591807A)中公開(kāi)了一種摻氮的單晶硅的制備方法，其 通過(guò)在整個(gè)熔化和鑄造過(guò)程中通入氮?dú)庖詫?shí)現(xiàn)摻氮。然而，在熔硅直至最終形成單晶的長(zhǎng) 達(dá)60小時(shí)以上的氮?dú)鈿夥障?，產(chǎn)生氮化硅的偏析在所難免，而氮化硅析出物必將導(dǎo)致大量 位錯(cuò)和晶界的形成，從而無(wú)法保證單晶硅的生長(zhǎng)。因此，通過(guò)氮?dú)膺M(jìn)行摻氮，則最終的摻氮 濃度將受到限制，同時(shí)單晶的生長(zhǎng)工藝有受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在至少解決上述技術(shù)缺陷之一。為此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提 供一種摻氮多晶硅的制備方法及摻氮多晶硅，該方法可以利用現(xiàn)有的設(shè)備制備多晶硅，且 可以實(shí)現(xiàn)均勻摻氮，摻氮濃度易于控制。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出了一種摻氮多晶硅的制備方法，包括(1)在石英 坩堝中裝入多晶硅料與粒徑為1 IOOnm的氮化硅納米粉末以及電活性摻雜劑的混合物并裝爐，將爐室抽真空并加熱至1420 1550°C，并在該溫度保溫直至所述混合物完全熔化， 得到熔融硅料混合物；和(2)使所述熔融硅料混合物凝固，得到多晶硅錠，其中，步驟(1)中 所述電活性摻雜劑為B、P、或Ga的任一種，其加入量為使得所形成的多晶硅錠中的電活性 摻雜劑濃度為0. 02 2ppm的量，所述氮化硅納米粉末的加入量為使得在所述多晶硅錠中 的氮濃度為0. 0002 Ippm的量。 根據(jù)本發(fā)明的摻氮多晶硅的制備方法，通過(guò)使用氮化硅納米粉制備摻氮多晶硅， 不僅可以通過(guò)摻氮來(lái)提高多晶硅的機(jī)械強(qiáng)度，同時(shí)其可以利用現(xiàn)有的設(shè)備，解決了通過(guò)氮 氣摻氮對(duì)設(shè)備要求高的問(wèn)題。利用本發(fā)明的摻氮多晶硅的制備方法能夠更均勻地?fù)降?，?最終的多晶硅錠中摻氮濃度可以高達(dá)lppm，比通過(guò)氮?dú)鈸降菀走_(dá)到高摻氮濃度，且工 藝簡(jiǎn)單易控，成本低。本發(fā)明的摻氮多晶硅的制備方法還可以包括以下附加技術(shù)特征根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中，所述氮化硅納米粉的粒徑為1 20nm。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中，所述氮化硅納米粉末的粒徑為1 lOnm。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中，通過(guò)改變爐內(nèi)熱場(chǎng)并同時(shí)冷卻坩堝底部，從而使 所述熔硅料混合物定向凝固形成多晶硅錠。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中，將所述熔融硅料混合物澆注并冷卻形成多晶硅
Iio本發(fā)明還提出了一種摻氮多晶硅錠，由權(quán)利要求1所述的制備方法制備所得，其 特征在于，在所述摻氮多晶硅錠中含有0. 02 2ppm的電活性摻雜劑和0. 002 Ippm的氮， 其中，所述電活性摻雜劑為B、P、或Ga的任一種。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種摻氮單晶硅的制備方法及摻氮單晶硅，該方法 可以在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)均勻摻氮、摻氮濃度易于控制、摻氮濃度高、不易發(fā)生氮化硅的偏 析。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出了一種摻氮單晶硅錠的制備方法，包括(1)在 石英坩堝中底層放入無(wú)位錯(cuò)的單晶硅，在其上層裝入氮化硅納米粉、多晶硅料以及電活 性摻雜劑的混合料，將爐室抽真空，調(diào)整爐內(nèi)熱場(chǎng)并加熱直至混合料部的溫度為1420 1550°C，在該溫度保溫，直至所述混合料完全熔化且所述單晶硅的上層靠近所述混合料的 部分熔化而下層保持固態(tài)；和(2)通過(guò)改變爐內(nèi)熱場(chǎng)并同時(shí)冷卻坩堝底部定向凝固法生長(zhǎng) 單晶，得到單晶硅錠，其中，步驟(1)中所述電活性摻雜劑為B、P、或Ga的任一種，其加入量 為使得所形成的單晶硅錠中的電活性摻雜劑濃度為0. 02 2ppm的量，所氮化硅納米粉的 加入量為使得在所述單晶硅錠中的氮濃度為0. 002 Ippm的量。根據(jù)本發(fā)明的摻氮單晶硅的制備方法，不僅可以通過(guò)摻氮來(lái)提高單晶硅的機(jī)械強(qiáng) 度，且解決了由于氮?dú)鈸降獣r(shí)間長(zhǎng)對(duì)設(shè)備的耐高溫要求高的問(wèn)題。利用本發(fā)明的摻氮單晶 硅的制備方法能夠更均勻地?fù)降谧罱K的多晶硅錠中摻氮濃度可以高達(dá)lppm，比通過(guò)氮 氣摻氮更容易達(dá)到高摻氮濃度，且工藝簡(jiǎn)單，容易控制，成本低。本發(fā)明的摻氮單晶硅的制備方法還可以包括以下附加技術(shù)特征根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中，所述氮化硅納米粉的粒徑為1 20nme根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中，所述氮化硅納米粉的粒徑為1 lOnm。本發(fā)明還提出了一種摻氮單晶硅錠，由權(quán)利要求7所述的制備方法制備所得，其特征在于，在所述摻氮單晶硅錠中含有0. 02 2ppm的電活性摻雜劑和0. 002 Ippm的氮， 其中，所述電活性摻雜劑為B、P、或Ga的任一種。本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變 得明顯，或通過(guò)本發(fā)明的實(shí)踐了解到。
具體實(shí)施方式
下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例。本發(fā)明主要在于通過(guò)利用氮化硅納米粉來(lái)制備摻氮多晶硅、摻氮單晶硅，從而能 夠利用現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行均勻摻氮，提高硅片的機(jī)械強(qiáng)度。在根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的摻氮多晶硅的制備方法中，首先在石英坩堝中裝入 多晶硅料與粒徑為1 IOOnm的氮化硅納米粉末以及電活性摻雜劑的混合物并裝爐，將爐 室抽真空并加熱至1420 1550°C，并在該溫度保溫直至所述混合料完全熔化，得到熔融硅 料混合物。接著使所述熔融硅料混合物凝固，得到多晶硅錠。其中，所述電活性摻雜劑為 B、P、或Ga的任一種，其加入量為使得所形成的多晶硅錠中的電活性摻雜劑濃度為0. 02 2ppm的量，所述氮化硅納米粉末的加入量為使得在所述多晶硅錠中的氮濃度為0. 0002 Ippm的量。氮化硅納米粉的熔化溫度以及熔化時(shí)間與其粒徑成反比，所使用的氮化硅納米粉 的粒徑越大，熔化溫度越高，且加熱時(shí)間越長(zhǎng)。同時(shí)，氮化硅納米粉的成本與粒徑成正比。綜 合考慮上述因素，在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，使用1 20nm的氮化硅納米粉，所述爐 室在加熱至1420 1550°C后在該溫度保溫2 20小時(shí)即可使氮化硅納米粉與多晶硅料的 混合物完全熔化。而根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最優(yōu)選實(shí)施方式，使用1 IOnm的氮化硅納米粉， 所述爐室在加熱至1420 1550°C后在該溫度保溫2 15小時(shí)即可使氮化硅納米粉與多晶 硅料的混合物完全熔化。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，其中，通過(guò)改變爐內(nèi)熱場(chǎng)并同時(shí)冷卻坩堝底部， 從而使所述熔融硅料混合物定向凝固從而形成多晶硅錠。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，其中，將所述熔融硅料混合物澆注并冷卻從 而形成多晶硅錠。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，能提供一種摻氮多晶硅，其通過(guò)上述的制備方法制 備所得，其中，在多晶硅錠中含有0. 02 2ppm的電活性摻雜劑和0. 002 Ippm的氮，所述 電活性摻雜劑為B、P、或Ga的任一種。在根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的摻氮單晶硅的制備方法中，首先在石英坩堝中底層 放入無(wú)位錯(cuò)的單晶硅，在其上層裝入氮化硅納米粉、多晶硅料以及電活性摻雜劑的混合料， 將爐室抽真空，調(diào)整爐內(nèi)熱場(chǎng)并加熱直至混合料部的溫度為1420 1550°C，在該溫度保溫 直至所述混合料完全熔化且所述單晶硅的上層靠近所述混合料的部分熔化而下層保持固 態(tài)。接著，通過(guò)改變爐內(nèi)熱場(chǎng)并同時(shí)冷卻坩堝底部定向凝固法生長(zhǎng)單晶，得到單晶硅錠，其 中，所述電活性摻雜劑為B、P、或Ga的任一種，其加入量為使得所形成的單晶硅錠中的電活 性摻雜劑濃度為0. 02 2ppm的量，所氮化硅納米粉的加入量為使得在所述單晶硅錠中的 氮濃度為0. 002 Ippm的量?；谂c上述相同的理由，在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，使用1 20nm的氮化硅納米粉，所述爐室在加熱至1420 1550°C后在該溫度保溫2 20小時(shí)即可使氮化硅納米粉與多晶硅料的混合物完全熔化。而根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最優(yōu)選實(shí)施方式，使用1 IOnm 的氮化硅納米粉，所述爐室在加熱至1420 1550°C后在該溫度保溫2 15小時(shí)即可使氮 化硅納米粉與多晶硅料的混合物完全熔化。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，能提供一種摻氮多晶硅，其通過(guò)上述的制備方法制 備所得，其中，在多晶硅錠中含有0. 02 2ppm的電活性摻雜劑和0. 002 Ippm的氮，所述 電活性摻雜劑為B、P、或Ga的任一種。下面通過(guò)具體示例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明。示例 1首先在石英坩堝中裝入多晶硅料與粒徑為20nm的氮化硅納米粉末以及作為電活 性摻雜劑的硼(B)的混合物并裝爐，將爐室抽真空并加熱至1500°C，并在該溫度保溫直至 所述混合物完全熔化，得到熔融硅料混合物。接著通過(guò)改變爐內(nèi)熱場(chǎng)并同時(shí)冷卻坩堝底部 使所述熔融硅料混合物凝固，得到多晶硅錠。其中，B的加入量為使得所形成的多晶硅錠中 的電活性摻雜劑濃度為0. 14ppm的量，氮化硅納米粉末的加入量為使得在所述多晶硅錠中 的氮濃度為0. 4ppm的量。通過(guò)二次離子質(zhì)譜測(cè)試氮濃度，定向凝固摻氮多晶硅錠中的氮濃度為0. 2ppm。示例 2首先在石英坩堝中底層放入無(wú)位錯(cuò)的單晶硅，在其上層裝入粒徑為20nm的氮化 硅納米粉末以及作為電活性摻雜劑的硼的混合料并裝入單晶爐，將爐室抽真空，在坩堝底 部通冷風(fēng)的同時(shí)進(jìn)行加熱，直至混合料部的溫度為1480°C，在此溫度保持直至所述混合料 完全熔化并使所述單晶硅的上層靠近所述混合料的部分熔化。而由于坩堝底部通冷風(fēng)，單 晶硅的下層可以保持在硅熔點(diǎn)以下，從而其下層一定厚度的單晶硅作為籽晶而保留下來(lái)。 其中，B的加入量為使得所形成的多晶硅錠中的B摻雜濃度為0. 14ppm的量，母合金硅塊的 加入量為使得在所述多晶硅錠中的氮濃度為0. 2ppm的量。繼而，以0. 2mm/min的速度提升保溫罩，使得硅熔體從底部向上逐漸定向凝固，通 過(guò)坩堝底部的未熔化的單晶硅塊作為籽晶誘導(dǎo)生長(zhǎng)而生成單晶硅錠。通過(guò)二次離子質(zhì)譜測(cè)試氮濃度，定向凝固摻氮單晶硅錠中的氮濃度為0. Ippm0上述結(jié)果表明，根據(jù)本發(fā)明的摻氮晶體硅的制備方法，由于采用氮化硅納米粉進(jìn) 行摻氮，可以利用現(xiàn)有的設(shè)備進(jìn)行摻氮，對(duì)設(shè)備的要求不高，摻氮均勻，摻氮濃度高且可通 過(guò)調(diào)節(jié)氮化硅納米粉的用量以及母合金塊的用量進(jìn)行控制，整個(gè)工藝簡(jiǎn)單易控，且成本低。盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以 理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換 和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同限定。
權(quán)利要求
一種摻氮多晶硅錠的制備方法，其特征在于，包括以下步驟(1)在石英坩堝中裝入多晶硅料與粒徑為1～100nm的氮化硅納米粉末以及電活性摻雜劑的混合物并裝爐，將爐室抽真空后加熱至1420～1550℃，并在該溫度保溫直至所述混合物完全熔化，得到熔融硅料混合物；和(2)使所述熔融硅料混合物凝固，得到多晶硅錠，其中，步驟(1)中所述電活性摻雜劑為B、P、或Ga的任一種，其加入量為使得所形成的多晶硅錠中的電活性摻雜劑濃度為0.02～2ppm的量，所述氮化硅納米粉末的加入量為使得在所述多晶硅錠中的氮濃度為0.0002～1ppm的量。
2.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)中所述氮化硅納米粉末的 粒徑 為1 20nmo
3.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)中所述氮化硅納米粉末的粒徑 為1 IOnm0
4.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(3)中通過(guò)改變爐內(nèi)熱場(chǎng)并同時(shí)冷 卻坩堝底部，從而使所述熔硅料混合物定向凝固形成多晶硅錠。
5.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(3)中將所述熔融硅料混合物澆注 并冷卻形成多晶硅錠。
6.一種摻氮多晶硅錠，由權(quán)利要求1所述的制備方法制備所得，其特征在于，在所述摻 氮多晶硅錠中含有0. 02 2ppm的電活性摻雜劑和0. 002 Ippm的氮，其中，所述電活性 摻雜劑為B、P、或Ga的任一種。
7.一種摻氮單晶硅錠的制備方法，其特征在于，包括以下步驟(1)在石英坩堝中底層放入無(wú)位錯(cuò)的單晶硅，在其上層裝入氮化硅納米粉、多晶硅料 以及電活性摻雜劑的混合料，將爐室抽真空，調(diào)整爐內(nèi)熱場(chǎng)并加熱直至混合料部的溫度為 1420 1550°C，在該溫度保溫直至所述混合料完全熔化且所述單晶硅的上層靠近所述混 合料的部分熔化而下層保持固態(tài)；和(2)通過(guò)改變爐內(nèi)熱場(chǎng)并同時(shí)冷卻坩堝底部定向凝固法生長(zhǎng)單晶，得到單晶硅錠，其中，步驟(1)中所述電活性摻雜劑為B、P、或Ga的任一種，其加入量為使得所形成的單晶硅錠中的電活性摻雜劑濃度為0. 02 2ppm的量，所氮化硅納米粉的加入量為使得在 所述單晶硅錠中的氮濃度為0. 002 Ippm的量。
8.如權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)中所述氮化硅納米粉的粒徑為 1 20nm。
9.如權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)中所述氮化硅納米粉的粒徑為 1 IOnm0
10.一種摻氮單晶硅錠，由權(quán)利要求7所述的制備方法制備所得，其特征在于，在所述 摻氮單晶硅錠中含有0. 02 2ppm的電活性摻雜劑和0. 002 Ippm的氮，其中，所述電活 性摻雜劑為B、P、或Ga的任一種。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種摻氮多晶硅錠的制備方法，包括在石英坩堝中裝入多晶硅料與粒徑為1～100nm的氮化硅納米粉末以及電活性摻雜劑的混合物并裝爐，將爐室抽真空后加熱至1420～1550℃，并在該溫度保溫直至所述混合物完全熔化，得到熔融硅料混合物；接著使所述熔融硅料混合物凝固，得到多晶硅錠，其中所述電活性摻雜劑為B、P、或Ga的任一種，其加入量為使得所形成的多晶硅錠中的電活性摻雜劑濃度為0.02～2ppm的量，所述氮化硅納米粉末的加入量為使得在所述多晶硅錠中的氮濃度為0.0002～1ppm的量。根據(jù)本發(fā)明的摻氮多晶硅的制備方法，可以利用現(xiàn)有的設(shè)備進(jìn)行摻氮，摻氮均勻、摻氮濃度高、整個(gè)工藝簡(jiǎn)單易控、且成本低。此外，本發(fā)明還公開(kāi)了一種摻氮單晶硅錠的制備方法。
文檔編號(hào)C30B28/06GK101845666SQ201010197768
公開(kāi)日2010年9月29日 申請(qǐng)日期2010年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月3日
發(fā)明者王敬, 翟志華 申請(qǐng)人:王敬;江西旭陽(yáng)雷迪高科技股份有限公司