一种直拉单晶硅的制备方法及其相应产品技术

本发明专利技术公开了一种直拉单晶硅的制备方法及其产品，属于光伏与半导体硅片生产技术领域。本发明专利技术通过将多晶硅原料加热至硅熔体状态后，再将呈固体颗粒形态的掺杂剂，以预设速度加入硅熔体内部，并同时利用直拉单晶法生长硅晶体，直至硅晶体生长结束，停止添加掺杂剂，制得单晶硅。本发明专利技术通过将掺杂剂在多晶硅完全熔融之后，以固态形式添加至溶液内部，缩短了掺杂剂接触高温的时间，避免了在硅晶体尚未完全熔融时，掺杂剂提前蒸发消耗的问题。相比于现有技术而言，本发明专利技术提供的制备方法可以减少掺杂剂蒸发消耗量，提高硅熔体中的掺杂剂浓度，并且可以直接与连续直拉法工艺相结合，方法简单可靠，保证了产品质量的稳定性。保证了产品质量的稳定性。保证了产品质量的稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种直拉单晶硅的制备方法及其相应产品


[0001]本专利技术涉及光伏和半导体硅片生产
，特别是一种直拉单晶硅的制备方法及其相应产品。

技术介绍

[0002]单晶硅作为一种比较活泼的非金属元素晶体，是晶体材料的重要组成部分，处于新材料发展的前沿，常用于光伏与半导体行业制备硅片。硅片的制备首先需要实现由多晶硅到单晶硅的转变，主要是将多晶硅由固态加热转化为熔融态，再由熔融态硅重新结晶转化为单晶硅固态的过程。而在此转化过程中，通常需要掺杂一定数量的杂质元素，如硼、镓、磷、砷等，使其在硅晶体中形成空穴或电子等载流子，从而使得制备的硅晶体具备P或N型的导电能力，还可以改善电阻率等电学性能。
[0003]在现有技术中，部分的元素掺杂需要在单晶硅制备过程中实现。一种是固相掺杂，如P型掺硼的直拉法重掺单晶制备，一般将高纯硼元素与硅原料一同装入单晶坩埚中，在化料后硼元素与硅料融合在一起，随硅单晶的结晶成型进入晶体，从而形成一定浓度的硼掺杂的单晶硅。掺镓、锑等元素的方法可以与上述硼掺杂相同。然而，对于红磷等容易挥发的杂质元素，则不宜采用此方法，因为其沸点远低于硅熔点，即在硅料融化前，掺杂剂就会气化离开固态的硅料，难以与融化的硅料结合；另外一种方法是气相掺杂，是指采用气相扩散进入熔体的方式：在单晶硅料融化后，先将红磷放入石英器皿，再将石英器皿吊入融硅熔体表面的高温区，使得红磷挥发从器皿的特定出口扩散出去，并进入硅熔体中，与硅原子融合，从而达到掺杂的目的。然而气相掺杂的方式同样会有大部分掺杂剂被蒸发消耗，并且受到元素气体浓度的限制，利用效率不高，导致最终掺杂的效果不理想。
[0004]因此，在光伏与半导体硅片生产
十分有必要开发一种直拉单晶硅的制备方法，以解决掺杂剂易受热蒸发消耗，利用率低，掺杂效果不理想的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术主要目的在于，提供一种直拉单晶硅的制备方法，以解决掺杂剂易受热蒸发消耗，利用率低，掺杂效果不理想的问题。
[0006]本专利技术是通过如下技术方案实现的：
[0007]本专利技术实施例的第一方面公开了一种直拉单晶硅的制备方法，所述方法包括：
[0008]S1，将多晶硅原料在生长容器中加热至硅熔体状态，得到所述硅熔体；
[0009]S2，将呈固体颗粒形态的掺杂剂，以预设速度加入所述硅熔体内部，并同时利用直拉单晶法生长硅晶体；
[0010]S3，待所述硅晶体生长结束之后，停止添加所述掺杂剂，并将所述硅晶体取出，进行冷却，得到所述单晶硅。
[0011]优选地，所述掺杂剂包括：磷、硼、砷单质，磷化物、硼化物、砷化物，磷和硅的混合物、硼和硅的混合物、砷和硅的混合物中的任一种；其中，所述掺杂剂为所述混合物的情况
下，所述掺杂剂中掺杂原子浓度>10^17/cm3，所述掺杂原子为磷、硼或砷原子。
[0012]优选地，所述掺杂剂呈固体颗粒形态，具体可为球形、锥形、或不规则形状，所述掺杂剂的粒径在0.01mm～10mm范围内；
[0013]其中，不同种类的所述掺杂剂的粒径取值范围不同，沸点越低的所述掺杂剂，其所述固体颗粒的粒径越大。
[0014]优选地，所述将呈固体颗粒形态的掺杂剂，以预设速度加入硅熔体内部，包括：
[0015]将呈固体颗粒形态的所述掺杂剂，以所述掺杂剂对应的所述预设速度加入所述硅熔体内部，所述预设速度为所述固体颗粒达到所述硅熔体表面的瞬时速度，所述预设速度在0.01m/s～10m/s范围内；
[0016]其中，不同种类的所述掺杂剂对应不同的所述预设速度，所述掺杂剂的沸点越低，所述预设速度越大。
[0017]优选地，每一单位时间投入的所述掺杂剂的量在0.1g～100g范围以内，所述掺杂剂的加入速率在0.1g/h～1000g/h范围以内；其中，不同种类的所述掺杂剂对应不同的所述每一单位时间投入的所述掺杂剂的量，所述掺杂剂的沸点越低，所述投入的所述掺杂剂的量越大
[0018]优选地，在所述掺杂剂为红磷的情况下，所述红磷的固体颗粒粒径在0.2mm～10mm范围内，所述预设速度在0.5m/s～10m/s范围内，所述每一单位时间投入的所述掺杂剂的量在0.5g～100g范围内。
[0019]优选地，所述将呈固体颗粒形态的掺杂剂，以预设速度加入所述硅熔体内部，包括：
[0020]通过掺杂剂投入管道将呈固体颗粒形态的掺杂剂，以预设速度加入所述硅熔体内部；
[0021]所述方法还包括:
[0022]检测所述掺杂剂投入管道的物料出口处的温度；
[0023]在检测到所述物料出口处的温度高于预设温度时，对所述掺杂剂投入管道的物料出口处进行冷却，直至所述物料出口处低于所述预设温度。
[0024]优选地，所述将呈固体颗粒形态的掺杂剂，以预设速度加入所述硅熔体内部，包括：
[0025]通过惰性气体辅助吹扫所述呈固体颗粒形态的掺杂剂，以使所述掺杂剂落入所述硅熔体中。
[0026]本专利技术实施例的第二方面公开了一种直拉单晶硅，所述单晶硅是本专利技术实施例第一方面公开的所述方法制备得到的。
[0027]本专利技术提供了一种直拉单晶硅的制备方法，通过将多晶硅原料在生长容器中加热至硅熔体状态，得到所述硅熔体；再将呈固体颗粒形态的掺杂剂，以预设速度加入所述硅熔体内部，并同时利用直拉单晶法生长硅晶体；最后，在硅晶体生长结束之后，停止添加掺杂剂，并将硅晶体取出，进行冷却，从而得到单晶硅。在本专利技术中，通过将掺杂剂以固体颗粒的形状以一定速度加入硅熔体中，可以减少掺杂剂蒸发消耗量，提高硅熔体中的掺杂剂浓度，直接与直拉法工艺相结合，方法简单可靠，保证了产品质量的稳定性。
[0028]与现有技术相比，本专利技术具体的有益效果如下：
[0029]1)减少了掺杂剂的蒸发浪费。本专利技术通过在多晶硅完全熔融成为硅熔体后，再加入掺杂剂，这样避免了掺杂剂长时间接触到高温环境，尚未参与结晶过程就提前蒸发出来，造成浪费的问题。本专利技术是将固体颗粒形态的掺杂剂以一定速度加入硅熔体中，固体颗粒的形态相比于气态而言，蒸发逸散的量更少，同样掺杂量的前提下，可以节省掺杂元素的用量；通过赋予掺杂剂一定速度，使其快速地进入硅熔体内部，在温度升高、颗粒被挥发之前，尽可能多的进入熔体内部，进一步提高了掺杂剂的利用率，减少材料浪费。
[0030]2)提高了掺杂剂浓度。本申请将掺杂剂以固体颗粒的形式加入硅熔体中，使其在硅熔体中受热融化或气化扩散，与硅进行结合，相比于气相掺杂方法而言，本申请采用的固态掺杂方法，由于固态的掺杂剂的原子密度比气态高很多，可以直接与融硅接触，可以实现更高浓度的掺杂。
[0031]3)制备方法更简单稳定。本专利技术在直拉法制备单晶硅过程中进行掺杂剂的添加，因而可以与连续直拉硅单晶工艺结合，在给料阶段即可实现掺杂，从而不需要气相掺杂所需的额外工艺时间；并且，在硅结晶过程中，可以持续掺入掺杂剂，有效便捷的控制加入的速率，实现均匀掺杂的效果，保持了制得产品的质量稳定。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种直拉单晶硅的制备方法，其特征在于，所述方法包括：S1，将多晶硅原料在生长容器中加热至硅熔体状态，得到所述硅熔体；S2，将呈固体颗粒形态的掺杂剂，以预设速度加入所述硅熔体内部，并同时利用直拉单晶法生长硅晶体；S3，待所述硅晶体生长结束之后，停止添加所述掺杂剂，并将所述硅晶体取出，进行冷却，得到所述单晶硅。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述掺杂剂包括：磷、硼、砷单质，磷化物、硼化物、砷化物，磷和硅的混合物、硼和硅的混合物、砷和硅的混合物中的任一种；其中，所述掺杂剂为所述混合物的情况下，所述掺杂剂中掺杂原子浓度>10^17/cm3，所述掺杂原子为磷、硼或砷原子。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述掺杂剂呈固体颗粒形态，具体可为球形、锥形、或不规则形状，所述掺杂剂的粒径在0.01mm～10mm范围内；其中，不同种类的所述掺杂剂的粒径取值范围不同，沸点越低的所述掺杂剂，其所述固体颗粒的粒径越大。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将呈固体颗粒形态的掺杂剂，以预设速度加入硅熔体内部，包括：将呈固体颗粒形态的所述掺杂剂，以所述掺杂剂对应的所述预设速度加入所述硅熔体内部，所述预设速度为所述固体颗粒达到所述硅熔体表面的瞬时速度，所述预设速度在0.01m/s～10m/s范围内；其中，不同种类的所述掺杂剂对应不同的所述预设速度，所述掺杂剂的沸点越低，所述预设速度越大。5.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘海，彭亦奇，周子义，胡动力，
申请(专利权)人：连城凯克斯科技有限公司，
类型：发明
国别省市：