[发明专利]一种直拉法生长低电阻率单晶硅用掺杂装置及掺杂方法

说明书

技术领域

本发明提供一种直拉法生长单晶硅用掺杂装置及掺杂方法，尤其涉及一种将掺杂剂掺杂到硅熔体中的掺杂装置，以及在直拉法生长低电阻率单晶硅过程中采用该掺杂装置对硅熔体进行掺杂的方法。

背景技术

通过直拉法(Czochralski method)生长单晶硅时，需要根据单晶硅的规格、目的，在晶体生长时控制其导电的类型及电阻率。其中，导电类型是由掺杂的元素外层电子的数量决定的，而电阻率(比电阻)的控制是通过控制在单晶硅生长时硅熔体中所含有掺杂元素的浓度来实现的。

硅的外层电子有4个，当掺入的原子外层电子只有3个时，与硅化学键结合时形成“空穴”。而当掺杂的原子外层有5个电子时，与硅化学键结合时将富余的“电子”。形成“空穴”导电的掺杂剂通常使用硼(B)，硼(B)的熔点比较高，容易控制电阻；而形成“电子”导电的通常选择位于元素周期表V族的磷(P)、锑(Sb)、砷(As)作为掺杂剂。磷(P)、锑(Sb)、砷(As)熔点都低于硅(Si)的熔点。磷在硅中的固溶度高，可以获得很低电阻率的单晶硅，但挥发在炉内的磷，在清炉时由于接触空气而有氧化着火、甚至有火灾的危险。因此，为了实现单晶硅的低电阻化，磷掺杂时使用量存在限度。锑对硅的固溶度低、在单晶硅的低电阻化方面是有限度的。因此为了得到低电阻的单晶硅，常常使用砷作为掺杂剂。

以砷作为掺杂剂，当单晶硅直径达到200mm时，要求每炉(run)硅原料装料量达到120～150kg甚至更大，同时单晶硅的低电阻化方面要求更高的掺杂浓度，这两个因素决定每炉(run)砷的掺入量比直径为150mm的单晶硅的掺入量增加了3～6倍。

目前可以实现单晶硅掺杂的技术很多。众所周知的对于掺硼(B)或轻掺磷(P)常采用制成母合金后与硅原料一起装填在石英坩埚内，加热后含硼(B)或磷(P)的母合金一起熔化(共熔法)。采用一只坩埚拉制两支或两支以上单晶的技术，或者需要对第二支晶体的电阻率进行调整，可以将母合金投入硅熔体或将母合金混在小块的硅原料中投入石英坩埚内(投入法)。这是业内人士经常采用的掺杂方法，适合挥发性差的掺硼或母合金。硼或母合金的掺入很少量的，一般情况下掺杂剂的质量在0.10～10g范围。

对于磷(P)、锑(Sb)、砷(As)低熔点元素，如果采用与硅原料一起装填在石英坩埚内一起熔化(共熔法)，则在硅还未熔化为液相前低熔点的掺杂元素将汽化挥发，随即被氩气气流带走；熔化后的硅熔体中掺杂剂浓度不能达到预期的浓度要求。如果采用投入法掺杂，当掺杂元素料块接触硅熔体的瞬间，掺杂剂急速汽化的使硅熔体产生喷溅，石英坩埚壁、热场部件沾上硅，造成其损坏。

对这类掺杂元素通常采用在硅熔体上方汽化后再吹入熔体(挥发法)，中国专利ZL 01136694.X“一种用于直拉单晶制备中的掺杂方法及其装置”提供了这种技术。该技术避免了硅的喷溅，掺杂后单晶炉内很干净，有利于晶体生长，得到了广泛的应用。如果每炉(run)砷(As)的掺入量达到600～1200g，一方面由于硅熔体表面吸收掺杂元素速度的制约，有一部分的气态砷(As)将从熔体上方逃逸损失；另一方面硅熔体近表层吸收掺杂元素形成高浓度区，高浓度的掺杂元素使无位错生长晶体失去晶体结构而回熔，再重复晶体生长流程，已经溶入熔体中的掺杂元素还有部分挥发。当挥发量达到一定量时，即使生长出无位错的晶体，其电阻率也将超出规范要求而失去利用价值；为了避免这种情况，当挥发量达到一定量时需要进行补掺杂，难以获得有理想电阻率的高掺杂单晶硅。

发明内容

针对现有技术中“投入法”掺杂低熔点元素容易产生喷溅、“挥发法”掺杂虽然能避免喷溅但有气态元素逃逸损失等缺陷，本发明的目的在于提供一种直拉法生长低电阻率单晶硅用掺杂装置。

本发明的另一目的在于提供一种采用上述掺杂装置的掺杂方法，通过使流体状态的掺杂原料靠近熔体慢速跌入硅熔体中而实现掺杂。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种直拉法生长低电阻率单晶硅用掺杂装置，包括固定支架、盛料杯、导流管、卸料杯、锥形底托及连接杆，

该固定支架包括支脚和支撑面，该支撑面上开设有通孔；该通孔周围的支撑面上对称分布数个连接孔；

该盛料杯两端开口，其上端外壁上设有凸缘，下端呈漏斗形，该盛料杯穿过固定支架的通孔并由其外壁上的凸缘搭载在固定支架上，该盛料杯的下端连接导流管；

该卸料杯呈两端开口的筒状，其外壁上设有凸缘，该卸料杯套设在该盛料杯内，并可以沿盛料杯的内壁上下移动；