Поиск патентов
ПАТЕНТНЫЙ ПОИСК В РФ

способ получения кристаллов кремния

Классы МПК:C30B15/04 с добавлением легирующего материала, например для n-р переходов
C30B11/04 добавлением к расплаву кристаллизующегося материала или реагентов, образующих его непосредственно в процессе
C30B29/06 кремний
Автор(ы):, , ,
Патентообладатель(и):Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МИЭТ" (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2011-06-16
публикация патента:

Изобретение относится к технологии получения монокристаллов кремния способом Чохральского или мультикристаллов кремния методом направленной кристаллизации, которые в дальнейшем служат материалом для производства солнечных элементов и батарей (модулей) с улучшенными эксплуатационными характеристиками. Способ включает приготовление исходной шихты, легированной бором, и ее плавление, при этом в полученный расплав вводят алюминий в количестве, достаточном для выполнения соотношения концентраций алюминия и кислорода в расплаве кремния в диапазоне 1-102. Изобретение обеспечивает получение кремниевого материала р-типа проводимости с низким содержанием концентрации кислорода в объеме слитка, что снижает потерю эффективности солнечных элементов и модулей за счет эффекта солнечной световой деградации. 1 пр.

Изобретение относится к области получения монокристаллов полупроводникового материала, более конкретно получению монокристаллов кремния способом Чохральского или способом выращивания мультикристаллического кремния методом направленной кристаллизации.

При производстве кристаллов полупроводникового кремния способом Чохральского (Cz-метод) или способом направленной кристаллизации (multy-метод) с использованием кварцевых тиглей (SiO2) обычно получают слитки кремния, содержащие высокую концентрацию кислорода, достигающую (5-10)·1017 ат/см3, растворенного в объеме слитка.

При определенном использовании кристаллов кремния содержание кислорода в его объеме должно быть минимальным, чтобы предотвратить образование атомных комплексов кислорода с атомами легирующей примеси (например, В-О, где В означает атом легирующей примеси, а О - атом кислорода) или просто комплексов кислорода в объеме материала. Большая концентрация подобных комплексов приводит к деградации времени жизни неосновных носителей заряда (ННЗ), то есть к деградации кремниевого материала для применения его в качестве, например, фотоэлектрических преобразователей (ФЭП). Поэтому для предотвращения образования подобных комплексов в ряде случаев необходим материал, содержащий минимальное количество растворенного кислорода в его объеме. Такой материал может быть получен методом направленной бестигельной зонной плавки (Fz), что значительно удорожает технологию получения слитков кремния, а также не позволяет получать кристаллы большого диаметра (более 150 мм).

Основной источник кислорода в кремнии связан растворением диоксида кремния из кварцевого тигля в кремниевом расплаве. Кроме того, в исходном материале (кремний-сырец или кремниевые обороты) содержание кислорода уже находится на уровне (5-10)·1017 ат/см3.

Для получения кристаллов кремния р-типа проводимости, используемых для производства ФЭП, используются кристаллы кремния, легированные бором, из которых изготавливаются пластины размером (156×156) мм и более. При высокой концентрации кислорода в объеме таких пластин в результате первичной солнечной (световой) деградации (LID - light induced degradation) коэффициент полезного действия (КПД) ФЭП может снизиться до (10-15)% от исходного значения в процессе нескольких часов непрерывной засветки ФЭП интенсивным световым потоком.

Существующие способы стабилизации кремния, связанные со снижением концентрации кислорода, представляют собой либо усложнение технологического оборудования, к примеру, магнитного перемешивания расплава, либо использование вместо бора других акцепторов, например галлия, не образующих устойчивых кислородных комплексов. Известные акцепторы (элементы III группы Периодической системы) по равномерности распределения концентрации легирующей примеси вдоль оси слитка не могут конкурировать с атомами бора в этом случае (эффективный коэффициент распределения которого способ получения кристаллов кремния, патент № 2473719 ), что приводит к сильной неоднородности удельного сопротивления вдоль оси кристалла.

Известен способ получения монокристаллического кремния, включающий расплавление исходного кремния в тигле, введение кристаллической затравки, вытягивание кристалла из расплава во вращающемся тигле на вращающуюся затравку при совпадении направления вращения тигля и кристалла, при этом по мере выращивания кристалла во время процесса его получения скорость вращения тигля и скорость вращения кристалла постепенно увеличивают, сохраняя приблизительно постоянным отношение угловой скорости вращения тигля и кристалла /1/. Способ позволяет получать монокристаллы кремния с однородным радиальным и по длине кристалла распределением легирующей примеси и кислорода. Недостатком данного способа является невозможность снизить общее количество кислорода в объеме полученного материала в этом случае. Фактически, содержание кислорода увеличивается при применении такого процесса.

Известен другой способ выращивания монокристаллов кремния методом Чохральского /2/. При этом выращивание осуществляют с вращением тигля с угловой скоростью 0.2-2.0 об/мин и с вращением кристалла ему навстречу со скоростью 0.2-2.0 об/мин и со стрелой прогиба фронта кристаллизации в сторону затравки не более 0.2, что позволяет получать кристаллы с уменьшенной плотностью микродефектов. Недостатком данного способа является невозможность эффективно снизить содержание кислорода или его распределение в объеме монокристаллического материала.

Наиболее близким по заявляемой сущности (в дальнейшем прототип) является способ получения легированных монокристаллов и мультикристаллов кремния, заключающийся в приготовлении исходной шихты, содержащей 50% поликристаллического кремния, легированного фосфором или бором, с добавками 50% скраба (отходов) производства поликристаллического кремния и отходов производства монокристаллического кремния, ее расплавлении и последующем выращивании кристаллов из расплава, в который дополнительно вводят элементы IV группы таблицы Менделеева, в качестве которых используют германий, титан, цирконий или гафний в концентрациях 1017-7·10 19 см-3 /3/. Это позволяет получать кристаллы с высокими значениями времени жизни ННЗ, высокой однородностью удельного сопротивления вдоль оси выращивания кристалла и высокой однородностью распределения кислорода по длине слитка с повышенной термостабильностью и радиационной стойкостью /3/. Недостатком такого решения является отсутствие возможности эффективного снижения концентрации кислорода в слитке в процессе применения этой технологии, улучшается только однородность распределения кислорода в выращенном слитке.

Задачей настоящего изобретения является получение монокристаллов или мультикристаллов кремния р-типа проводимости с низкими значениями концентрации кислорода в объеме материала, выращенного способом Чохральского, или мультикристаллов кремния способом направленной кристаллизации.

Способ получения кристаллов кремния включает приготовление исходной шихты, легированной бором, плавление шихты, отличается тем, что в полученный расплав вводится алюминий в количестве, достаточном для выполнения соотношения концентраций алюминия и кислорода в расплаве кремния в диапазоне 1,0-102.

Концентрация алюминия, добавляемого в исходную шихту на основе кремния, определяется содержанием кислорода в исходном материале (кремний-сырец или обороты кремния, легированного бором) и условиями процесса кристаллизации (растворение кварцевого тигля, содержание в инертном газе кислорода, время процесса), и находится в интервале от 1018 до 1020 ат/см3.

Для успешного применения способа легирующие добавки должны удовлетворять следующим требованиям:

- должны иметь малую растворимость в кристалле кремния, то есть низкий коэффициент распределения в твердой фазе - Кэфф<<1;

- должны иметь высокое сродство к кислороду;

- не должны ухудшать свойства полупроводникового кремния (структуру, однородность электрофизических свойств, высокое время жизни неосновных носителей заряда);

- в процессе производства приборов и их практической эксплуатации свойства материала должны отвечать техническим условиям;

- применительно к производству ФЭП добавки в расплаве должны снижать (или исключать) эффект первичной световой деградации.

В качестве добавок, помимо основной легирующей примеси (бор), в расплав кремния могут добавляться активные металлы, образующие прочные оксиды, такие как алюминий или являющиеся нейтральными в электронном плане атомными примесями в объеме кристалла, например, магний, кальций, стронций, барий, цирконий, гафний.

При выращивании кристалла р-типа проводимости, легированного бором, в качестве добавки в расплав использовался металлический алюминий. Использование алюминия в качестве основного акцептора затрудняется тем, что в отличие от бора алюминий имеет низкий коэффициент распределения (Кэфф~0.003), что не позволяет получать равномерное распределение примеси в объеме монокристалла. Использование алюминия для связывания кислорода в расплаве позволяет осуществить совместное легирование кристалла в системе Si:B:Al.

Пример конкретного выполнения

Расчетное количество алюминия соответствовало содержанию кислорода в кремнии - 1·10 18 ат/см3 и для 50 кг исходной загрузки составило 10 г (алюминий чистотой 99.99 весовых процентов основного вещества).

Контрольный образец Si:B содержал в начальной части 9·1017 ат/см3 кислорода, в конечной части - 6·1017 ат/см3.

При осуществлении легирования бором и алюминием (Si:B:Al) распределение удельного сопротивления по длине слитка, выращенного способом Чохральского, составило 1-2 способ получения кристаллов кремния, патент № 2473719 ·см, содержание кислорода изменялось от 1·10 16 ат/см3 в начале слитка до 5·1017 ат/см3 в его концевой части. Из монокристаллов Si:B:Al вырезаны пластины (125×125) мм, из которых были изготовлены солнечные элементы со средним КПД~17.5%. Время жизни ННЗ монокристалла Si:B:Al составляло 60 мкс - верх, 40 мкс - низ.

Исследование эффекта первичной солнечной деградации в полученных солнечных элементах под действием интенсивного светового излучения (~1000 Вт/м2) в течение 6 часов непрерывной засветки либо вообще не показало изменение КПД солнечных элементов, либо эти изменения составили не более 1-3% относительно исходного значения КПД, в то время как контрольные образцы, легированные только атомами бора, показали изменение КПД на 10-15% в сторону уменьшения этого параметра в процессе аналогичных испытаний.

Источники информации

1. Патент РФ № 2177513 от 20.09.2000 г.

2. Патент РФ № 2278912 от 20.01.2006 г.

3. Патент РФ № 2250275 от 30.06.2003 г. - прототип.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ получения кристаллов кремния, включающий приготовление исходной шихты, легированной бором, плавление шихты, отличающийся тем, что в полученный расплав вводится алюминий в количестве, достаточном для выполнения соотношения концентраций алюминия и кислорода в расплаве кремния в диапазоне 1,0-102 .


Скачать патент РФ Официальная публикация
патента РФ № 2473719

patent-2473719.pdf
Патентный поиск по классам МПК-8:

Класс C30B15/04 с добавлением легирующего материала, например для n-р переходов

Патенты РФ в классе C30B15/04:
способ получения крупногабаритных монокристаллов антимонида галлия -  патент 2528995 (20.09.2014)
монокристалл, способ его изготовления, оптический изолятор и использующий его оптический процессор -  патент 2527082 (27.08.2014)
способ выращивания легированных кристаллов ниобата лития состава, близкого к стехиометрическому, и устройство для его реализации -  патент 2367730 (20.09.2009)
способ получения оптически прозрачных монокристаллов тербий-галлиевого граната -  патент 2328561 (10.07.2008)
серийный способ выращивания кристаллов галлий-скандий-гадолиниевых гранатов для пассивных лазерных затворов -  патент 2324018 (10.05.2008)
способ выращивания кристаллов галлий-скандий-гадолиниевых гранатов для пассивных лазерных затворов -  патент 2321689 (10.04.2008)
способ получения легированных монокристаллов или поликристаллов кремния -  патент 2250275 (20.04.2005)
способ выращивания кристаллов -  патент 2248418 (20.03.2005)
способ получения сцинтилляционного монокристалла лютеций- иттриевого алюмината -  патент 2233916 (10.08.2004)
способ получения кристаллов кремния с циклической двойниковой структурой -  патент 2208068 (10.07.2003)

Класс C30B11/04 добавлением к расплаву кристаллизующегося материала или реагентов, образующих его непосредственно в процессе

Класс C30B29/06 кремний

Патенты РФ в классе C30B29/06:
способ нанесения защитного покрытия на внутреннюю поверхность кварцевого тигля -  патент 2527790 (10.09.2014)
способ прямого получения поликристаллического кремния из природного кварца и из его особо чистых концентратов -  патент 2516512 (20.05.2014)
способ получения кремниевых филаментов произвольного сечения (варианты) -  патент 2507318 (20.02.2014)
аппарат для получения и способ получения поликристаллического кремния -  патент 2495164 (10.10.2013)
способ получения столбчатых монокристаллов кремния из песка и устройство для его осуществления -  патент 2488650 (27.07.2013)
способ получения поликристаллического кремния -  патент 2475570 (20.02.2013)
способ получения поликристаллического кремния -  патент 2475451 (20.02.2013)
способ получения нанокристаллического кремния -  патент 2471709 (10.01.2013)
реактор для поликристаллического кремния и способ получения поликристаллического кремния -  патент 2470098 (20.12.2012)
способ очистки металлургического кремния увлажненной плазмой переменного тока в вакууме -  патент 2465202 (27.10.2012)

Наверх