[发明专利]一种砷、磷元素共掺制备n型多晶硅靶材的铸造工艺

说明书

本发明公开了一种砷、磷元素共掺制备n型多晶硅靶材的铸造工艺，具有如下步骤：用Si₃N₄喷涂石英坩埚内壁，所述石英坩埚内壁底部铺满一层细单晶锅底料，所述石英坩埚内壁侧壁用p型低阻小方锭护边，之后向所述石英坩埚内依次加入掺磷、砷元素的n型小方锭，MR循环料和一层细单晶锅底料，并用p型低阻小方锭封口，铺平压实；之后经过预热、熔炼、长晶、退火和冷却脱模得到n型多晶硅靶材。本发明可将多晶硅料的纯度要求从5N降到3N，节约了原料成本；通过共掺砷和磷元素，实现了n型多晶硅靶材中元素含量和电阻率的精确调控。

技术领域

本发明涉及一种铸造工艺，具体地说是一种砷、磷元素共掺制备n型多晶硅靶材的铸造工艺。

背景技术

硅靶材主要用于磁控溅射制备硅及二氧化硅等功能薄膜，在信息存储、太阳能电池、平板显示器、光学镀膜和玻璃镀膜、手机屏幕等领域有着重要应用。硅靶产品分为单晶硅靶和多晶硅靶。较单晶硅靶而言，多晶硅靶便于激发、成本较低且产量大。在多晶硅靶材领域，铸造原材料要求其纯度仍然较高，同时产品的出成率不高，存在脆性较大、裂纹等多种风险，且由于工艺的限制，目前产品种类单一，多为p型多晶硅靶材，其主要手段是通过掺杂分凝系数较大的硼元素及硼系合金，比如在4-5N的多晶硅料中加入铁硼合金，装好的硅料经过加热、熔化、长晶、退火和降温工艺制备得到p型硅锭，部分出成率达到75％左右；通过原料配比，在纯度为3N的多晶硅料中定量掺杂铝硼合金，通过铸造工艺，实现了对多晶硅铸锭中硼的可控掺杂及对电阻率的精确控制，降低了使用原料的成本。目前，现有技术还是存在生产成本较高，产品种类偏少的问题。

发明内容

为了进一步降低多晶硅靶材的生产成本、扩展多晶硅靶材产品种类，本发明提供了一种砷、磷元素共掺制备n型多晶硅靶材的铸造工艺，通过采用掺第五主族提供电子载流子的施主杂质砷和磷元素的原材料，通过配套发明的定向凝固铸锭工艺制备出n型多晶硅靶材，实现了多晶硅铸锭中掺杂元素和电阻率的精确调控。

本发明采用的技术手段如下：

一种砷、磷元素共掺制备n型多晶硅靶材的铸造工艺，具有如下步骤：

S1、用Si₃N₄喷涂石英坩埚内壁，所述石英坩埚内壁底部铺满一层细单晶锅底料(避免粘锅)，所述石英坩埚内壁侧壁用p型低阻小方锭护边，之后向所述石英坩埚内依次加入掺磷、砷元素的n型小方锭，MR循环料和一层细单晶锅底料，并用p型低阻小方锭封口，铺平压实；

S2、用石墨护板包裹所述石英坩埚的外部侧壁和底部(目的是为了防止所述石英坩埚在熔炼凝固过程中破碎，硅熔液发生溢流等产生的安全隐患)，之后，放入炉内隔热笼内的底部热交换块上，将发热体罩在位于所述石英坩埚外部侧壁上的石墨护板外侧以及所述石英坩埚上方，关闭所述隔热笼；

将炉内真空度抽至0.1-0.3Pa，并将炉温升高至800℃，保温0.5小时(用于去除炉内湿气)；

在3-4小时内将炉温升高至1000-1200℃，之后向炉内通入氩气，使炉内压强保持在40-70Kpa；

在4-6小时内将所述石英坩埚内温度升高至1540-1560℃，保温1-12小时，使得掺杂元素在温度场和热流搅拌控制下充分扩散迁移；

S3、将所述隔热笼的侧壁与所述隔热笼的底部分开，通过功率控制所述发热体顶部与所述底部热交换块之间的温度梯度差量，进行晶体的生长，长晶速度为0.05-0.3mm/min，最后得到硅晶锭；在真空环境的定向凝固长晶过程中，磷元素具有挥发和分凝双重效应，砷的掺杂可以减弱磷在真空环境下的挥发和在长晶过程中的分凝效果；

S4、得到的硅晶锭在1250-1390℃退火，保温2-6小时，目的是为了消除硅晶锭内部的热应力和机械应力，防止后期硅晶锭切割过程出现碎裂的现象；