[实用新型]直拉法生长掺镓硅单晶的装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及掺镓直拉硅单晶的制备技术，特别一种直拉法生长掺镓硅单晶的方法和装置。在晶体生长工艺中压缩晶锭的纵向电阻率分布范围，使其完全分布在目前晶硅太阳电池制备的电阻率范围之内。

技术背景

国内外有不少关于掺Ga硅单晶电阻率分布工艺及特性研究的文献报道。裴素华等报道了(Ga在SiO₂/Si系下的扩散模型与分布规律，稀有金属材料与工程，2005，6，920-923.)利用二次离子质谱分析、薄层电阻测量方法，对Ga在SiO₂/Si系下的扩散特性、硅表面及体内分布进行了装置研究，并得出结论。日本也有掺镓硅单晶的生产方法，为了改进掺镓的硅单晶在拉轴方向的电阻率分布和生产具有统一的电阻率的硅单晶，提出了一种基于直拉法生产掺镓硅单晶的方法，其中包含在拉硅单晶的时候降低大气压力(ABE TAKAO.METHOD FOR PRODUCING Ga-DOPED SILICON SINGLECRYSTAL.：JP 2002154896，2002-05-28)。

直拉法(CZ法)生长掺镓硅单晶最大的困难是由于镓在硅中的分凝系数非常小k₀＝0.08(而硼在硅中的分凝系数为0.8)，因此用普通直拉法生长的掺镓硅单晶锭头部和尾部电阻率相差很大，头部电阻率与尾部电阻率之比达50倍～60倍，只能有一少部分应用于太阳能电池制作。美国专利(US 6,815,605)虽然报道了有关掺镓硅单晶的生产方法，但它是用一种原晶和熔化的硅联合并且被循环拉制成一种硅单晶锭，而且其电阻率的范围从5Ω·cm～0.1Ω·cm(50倍)，其缺点在于需要事先准备原晶而且循环拉制，工艺复杂成本高，并且拉出晶锭的纵向电阻率范围大，不能工业化推广。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种直拉法生长掺镓硅单晶的装置，可以克服现有技术的缺点。它是对现有直拉法生长单晶装置的改进。本实用新型提供了一种专门用于生长掺镓硅单晶的热场装置，晶转埚转拉速组合，多层高度隔热的漏斗型热屏，形成优化的快速结晶潜热携带氩气流场。使热场系统内充满氩气，保护掺镓硅单晶生长，提高硅单晶质量，结构简单合理，得到掺镓硅单晶纵向电阻率完全符合要求的大直径低位错密度的掺镓硅单晶，能满足高效太阳能电池衬底材料的要求，有广泛的应用价值。

本实用新型提供的一种直拉法生长掺镓硅单晶的装置包括单晶炉、加热器、导流筒、石英坩埚、石墨坩埚、保温盖、保温筒、托盘、固化保温碳毡、固化炉底护盘和排气孔。

本实用新型是采用通用的单晶炉(炉膛内径为φ＝620～700mm)炉膛内安装加热器的热装置。加热器外围处安装石墨保温筒，保温筒外面安装固化保温碳毡；石墨保温筒座落在固化炉底护盘上的石墨下托盘的子口内，石墨保温筒上沿也被石墨上托盘的下子口定位，导流筒上沿由在石墨上托盘的上子口定位，上保温盖由石墨上托盘的上面外子口定位。石墨埚杆支撑石墨坩埚，石英坩埚座落在石墨坩埚内，石英坩埚上沿高出石墨坩埚上沿。

所述的加热器外围15mm处安装石墨保温筒，所述的石英坩埚上沿高出石墨坩埚上沿20～25mm。

所述的加热器按32等分开瓣，电极位置不开缝，实际为30瓣。缝宽10mm，开缝高度285mm。加热器外径495mm，内径458mm，电极开孔间距320mm。

所述的加热器有效高度在330～375mm范围，加热器总高度为480mm，

使用本实用新型的方法和装置，用纯度为6个9的镓，用太阳能级的块状多晶硅(B≤0.1ppba，D≤0.9ppba，C≤0.5ppma)均可以得到头部和尾部电阻率之比为5～6倍的优质单晶硅。即0.5Ω·cm～3Ω·cm。

由于镓的分凝系数很小k₀＝0.08，而且易挥发，电阻率极难控制。使用本实用新型的特制导流筒，不仅极大地挡住了加热器向晶棒的辐射热，使晶体的纵向温度梯度加大，而且氩气导流的方向直吹结晶前沿使结晶潜热散发迅速可改善结晶。导流筒下沿放置距液面5～25cm，克服了炉内氩气流场的湍流现象。另外，本实用新型的晶转、埚转和拉速的配比也保证了硅中镓在非正常分凝下进入晶体。

用本实用新型生长的掺镓硅单晶的物理参数为导电类型P型，晶向<100>，Φ154mm，电阻率ρ为0.5Ω·cm～3Ω·cm，间隙氧含量为[O_i]≤17.5ppma，替位碳含量为[Cs]≤0.5ppma，非平衡少子寿命τ≥150μs，位错密度EPD≤500/cm²。