一种掺杂剂的投料量确定方法及装置和计算机存储介质与流程

1.本发明涉及拉晶技术领域，尤其涉及一种掺杂剂的投料量确定方法及装置和计算机存储介质。


背景技术：

2.目前，光伏发电主要的基础材料为掺镓的p型单晶。相比传统的掺硼单晶p型单晶，由于其避免了bo复合体的产生，有效降低了初始光致衰减(light induced degradation，lid)，保证了p型光伏组件能够长期保持高效稳定可靠运行。
3.然而，由于镓的熔点为29.78℃，在单晶制备过程中易挥发。尤其是在真空条件下进行时，在晶体生长过程中气液相之间处于平衡状态，杂质的挥发变得很容易。杂质元素的挥发会使实测电阻率与目标电阻率之间存在一定的误差，进而影响单晶品质。目前，对于掺镓单晶的掺杂量，现有大部分单晶制造厂家都是根据经验，采用定量掺杂法，每根硅棒的掺杂量固定，没有计算镓挥发的影响，使得晶体的目标电阻率与实际电阻率偏差较大，大大影响了单晶的品质。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种掺杂剂的投料量确定方法及装置和计算机存储介质，以控制晶体生长过程的杂质掺杂量，从而保证晶体品质。
5.第一方面，本发明提供一种掺杂剂的投料量确定方法，应用于拉晶炉。该拉晶炉用于将掺杂具有挥发性杂质的熔液拉制成晶体。本发明提供的掺杂剂的投料量确定方法包括：
6.根据晶体的目标电学参数确定晶体目标杂质浓度cs；
7.利用第一杂质分凝模型处理等径前杂质挥发参数、等径阶段杂质挥发参数和晶体目标杂质浓度cs，获得熔液在转肩结束时的杂质浓度c
l
；
8.利用第二杂质分凝模型处理所述等径前杂质挥发参数和所述熔液在转肩结束时的杂质浓度c
l
，获得熔液初始杂质浓度c；
9.根据熔液初始杂质浓度c确定掺杂剂的投料量mc。
10.采用上述技术方案的情况下，在已知由晶体的目标电学参数确定晶体目标杂质浓度cs的情况下，利用第一杂质分凝模型处理等径前杂质挥发参数、等径阶段杂质挥发参数和晶体目标杂质浓度cs，可以获得熔液在转肩结束时的杂质浓度c
l
。在此基础上，利用第二杂质分凝模型处理等径前杂质挥发参数和熔液在转肩结束时的杂质浓度c
l
，获得熔液在熔料结束时的杂质浓度c。此时，根据熔液在熔料结束时的杂质浓度c所确定的掺杂剂的投料量mc后，按照该掺杂剂的投料量mc向晶料内加入掺杂剂，可以保证拉晶炉最终拉制的晶体的实际电学参数(例如电阻率)与目标电学参数(例如目标电阻率)基本不存在偏差，从而提升单晶品质。
11.在一种可能的实现方式中，上述晶体的目标电学参数为晶体的目标电阻率ρ
电
；所
述晶体的目标电阻率ρ
电
与所述晶体目标杂质浓度cs之间满足：
12.在一种可能的实现方式中，上述等径前杂质挥发参数包括：晶料重量、坩埚径向参数和从熔料结束至转肩结束的时长。
13.上述等径阶段杂质挥发参数包括：晶体径向参数、晶体提拉速度和晶体长度。
14.在一种可能的实现方式中，上述第一杂质分凝模型满足：其中，
15.k为杂质分凝系数；b为杂质挥发系数；x为单位长度固化分数；ts为第一杂质挥发时间，ts＝t0+1/v，t0为从熔料结束至转肩结束的时长，v为晶体提拉速度；ss为等径阶段杂质挥发面积，d1为拉晶炉的坩埚直径，d2为晶体在等径过程的直径，v0为熔液初始体积，v0＝m/ρ
密l
，ρ
密l
为熔液密度，m为晶料重量。
16.在一种可能的实现方式中，上述第二杂质分凝模型满足：b为杂质挥发系数，t
l
为从熔料结束至转肩结束的时长t0；s
l
为等径前杂质挥发面积，d1为用于盛放熔液的坩埚直径；v0为熔液初始体积，v0＝m/ρ
密l
，ρ
密l
为熔液密度。
17.在一种可能的实现方式中，当拉晶炉的坩埚内没有剩料，所述熔液初始杂质浓度c与掺杂剂的投料量mc的关系满足：mc＝λ(cv
0-n0)，λ为转换常数，v0为熔液初始体积，n0为晶料中含有的杂质个数。
18.当熔液初始杂质浓度的单位c为原子/cm3时，cv0确定的是熔液含有的杂质数量。为了方便计量，可以限定转换常数，将熔液含有的杂质数量转换为熔液含有的掺杂剂重量或者摩尔量，至于λ的取值，则根据所需转换的目标确定。例如：当掺杂剂为镓，需要将杂质数量转换为掺杂剂摩尔量，则λ＝10-23
/6.023＝1.66
×
10-24
个/mol；又例如：当掺杂剂为镓，需要将杂质数量转换为掺杂剂重量，则λ＝69.72
×
10-23
/6.023＝1.16
×
10-22
g。
19.在一种可能的实现方式中，上述拉晶炉用于拉制多根晶体，当拉晶炉拉制第n-1根晶体结束时，若坩埚内存在残余熔液，根据第n根晶体的熔液初始杂质浓度ch确定所述拉晶炉拉制第n根晶体的掺杂剂的投料量m
ch
包括：
20.根据拉晶炉拉制第n-1根晶体的等径前杂质挥发参数和等径后杂质挥发参数，确定拉晶炉拉制第n-1根晶体结束时，坩埚内残余熔液含有的杂质个数nk；
21.根据拉晶炉拉制第n-1根晶体结束时，坩埚内残余熔液含有的杂质个数nk、拉晶炉拉制第n根晶体的晶料重量mh和拉晶炉拉制第n根晶体的熔液初始杂质浓度ch，确定拉晶炉拉制第n根晶体的掺杂剂的投料量m
ch
。
22.在一种可能的实现方式中，上述拉晶炉拉制第n-1根晶体的等径前杂质挥发参数包括：拉晶炉拉制第n-1根晶体的熔液初始杂质浓度cq、拉晶炉拉制第n-1根晶体的晶料重量mq、拉晶炉拉制第n-1根晶体时从熔料开始至转肩结束的时长t
lq
，以及坩埚径向参数。
23.在一种可能的实现方式中，上述拉晶炉拉制第n-1根晶体的等径后杂质挥发参数包括晶体径向参数、晶体提拉速度和第n-1根晶体的长度qq。
24.在一种可能的实现方式中，nk＝v
kclk
；c
lk
为当所述拉晶炉拉制第n-1根晶体结束时，坩埚内残余熔液的杂质浓度，vk为当拉晶炉拉制第n-1根晶体结束时，坩埚内残余熔液体积。mq为第n-1根晶体的晶料重量，mq为所述第n-1根晶体的重量，ρ
密l
为熔液密度。
25.在一种可能的实现方式中，c
lq
为当所述拉晶炉拉制第n-1根晶体时，熔液在转肩结束时的杂质浓度；cq为拉晶炉拉制第n-1根晶体时，熔液初始杂质浓度。
26.k为杂质分凝系数，b为杂质挥发系数；s
l
为等径前杂质挥发面积，ss为等径阶段杂质挥发面积，vq为当拉晶炉拉制第n-1根晶体时，熔液初始体积；t
sq
为拉晶炉拉制第n-1根晶体时的杂质挥发时长，t
sq
＝t
lq
+qq/vq；t
lq
为所述拉晶炉拉制第n-1根晶体时从熔料开始至转肩结束的时长，vq为所述拉晶炉拉制第n-1根晶体时在等径过程的晶体提拉速度，qq为所述第n-1根晶体的长度。
27.在一种可能的实现方式中，上述拉晶炉用于拉制多根晶体。当拉晶炉拉制第n-1根晶体结束时，若坩埚内存在残余熔液，拉晶炉拉制第n根晶体的熔液初始杂质浓度ch与拉晶炉拉制第n根晶体的掺杂剂的投料量m
ch
的关系满足：m
ch
＝λ(c
hvh-n
k-nh)，n为大于或等于2的整数，λ为转换常数，nh为拉晶炉拉制第n根晶体的投入的晶料含有的杂质个数，vh为拉晶炉拉制第n根晶体的熔液初始体积，nk为当所述拉晶炉拉制第n-1根晶体结束时，坩埚内残余熔液含有的杂质个数。
28.在一种可能的实现方式中，上述掺杂剂包括镓、硼、磷、砷、锑中的一种或几种。
29.第二方面，本发明还提供一种掺杂剂的投料量确定装置，包括：处理器以及与处理器耦合的通信接口；所述处理器用于运行计算机程序或指令，以实现第一方面或第一方面任一可能的实现方式描述的掺杂剂的投料量确定方法。
30.第二方面提供的掺杂剂的投料量确定装置的有益效果与第一方面或第一方面任一可能的实现方式描述的掺杂剂的投料量确定方法的有益效果相同，此处不做赘述。
31.第三方面，本发明还提供一种计算机存储介质，所述计算机存储介质中存储有指令，当所述指令被运行时，实现第一方面或第一方面任一可能的实现方式描述的掺杂剂的投料量确定方法。
32.第三方面提供的计算机存储介质的有益效果与第一方面或第一方面任一可能的实现方式描述的掺杂剂的投料量确定方法的有益效果相同，此处不做赘述。
附图说明
33.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
34.图1为本发明实施例提供的掺杂剂的投料量确定方法的应用场景图；
35.图2示例出一种单晶炉的结构示意图；
36.图3为本发明实施例提供的掺杂剂的投料量确定方法的流程图一；
37.图4为本发明实施例提供的掺杂剂的投料量确定原理图一；
38.图5为本发明实施例提供的掺杂剂的投料量确定方法的流程图二；
39.图6为本发明实施例提供的掺杂剂的投料量确定原理图二；
40.图7为本发明实施例提供的掺杂剂的投料量确定装置的结构框图；
41.图8为本发明实施例提供的一种电子设备的硬件结构示意图；
42.图9为本发明实施例提供的芯片的结构示意图。
具体实施方式
43.为了便于清楚描述本发明实施例的技术方案，在本发明的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。例如，第一阈值和第二阈值仅仅是为了区分不同的阈值，并不对其先后顺序进行限定。本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定，并且“第一”、“第二”等字样也并不限定一定不同。
44.需要说明的是，本发明中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本发明中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其他实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
45.本发明中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b的情况，其中a，b可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，a和b的结合，a和c的结合，b和c的结合，或a、b和c的结合，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。
46.本发明实施例提供一种掺杂剂的投料量确定方法，可以应用于拉晶炉。图1示例出本发明实施例提供的掺杂剂的投料量确定方法的应用场景。如图1所示，该应用场景中含有终端设备100、信息输入设备200、测量单元300、称重单元400以及拉晶炉的工控机500。
47.如图1所示，上述终端设备100可以为处理器或者手机、平板电脑等具有显示功能的终端设备100，用以确定掺杂剂的投料量。当该终端设备100具有显示功能时，该掺杂剂的投料量确定过程可以可视化的展示在终端设备100的显示界面，使得用户可以明确了解掺杂剂的投料量确定过程。
48.如图1所示，上述终端设备100可以与信息输入设备200、测量单元300以及称重单元400通信。通信方式可以是无线通信，也可以是有线通信。无线通信可以基于wifi、zigbee、4g、5g等联网技术进行通信。有线通信可以基于数据线或电力线载波实现通信连接。通信接口可以为标准通信接口。该标准通信接口可以为串行接口，也可以为并行接口。
49.在此基础上，终端设备100用以获取信息输入设备200和测量单元300所提供的信息。利用这些信息确定掺杂剂的投料量。同时，该终端设备100也可以与称重单元400通信。此时，在终端设备100确定掺杂剂的投料量的情况下，在称量掺杂剂时，可以根据掺杂剂的投料量控制称重单元400对掺杂剂称重，实现掺杂剂的称重自动化。
50.在一些示例中，如图1所示，上述信息输入设备200可以为基于讯飞语音输入、siri语音输入等方式的语音输入设备、电子笔、键盘等。该信息输入设备200可以向终端设备输入一些参数，包括但不仅限于预设的常数，拉晶炉内的部件尺寸等。
51.如图1所示，上述测量单元300可以用以测量晶体直径或晶体半径等晶体径向参数或者检测提拉速度等，并将测量结果上报至终端设备100。例如：该测量单元200包括第一检测设备301和第二检测设备302。第一检测设备301和第二检测设备302均与终端设备100通信。
52.如图1所示，第一检测设备301可以检测晶体径向参数。例如：第一检测设备301可以为ircon直径检测系统、sims(scanned image measurement system，缩写为sims)直径测量系统、ccd(charge coupled device，缩写为ccd)摄像扫描系统。当然，也可以采用基于双目视觉测量策略的检测设备。
53.如图1所示，第二检测设备302可以直接或间接的检测晶体提拉速度。第二检测设备202可以为速度传感器等常见测速装置。例如：测速仪可以实时采集提拉晶体的驱动电机的转速，并将该转速转换为晶体提拉速度，将晶体提拉速度上传至终端设备。
54.为了获得拉晶炉的实时状态，上述终端设备100还可以与拉晶炉的工控机500通信，以获取拉晶炉所处的状态和运行时长等。
55.图2示例出一种单晶炉的结构示意图。如图2所示，该单晶炉600用于将掺杂具有挥发性杂质的熔液拉制成晶体。该晶体的材质可以为硅、锗等，但不仅限于此。挥发性杂质可以包括但不仅限于镓、硼、磷、砷、锑中的一种或几种。下文涉及的杂质均指掺杂剂中的杂质。
56.如图2所示，上述单晶炉600可以为cz单晶炉，其主要包括炉体610、提拉头620以及分别位于炉体610内的石英坩埚630、加热部件640和保温桶650。炉体610开设有真空接口611、惰性气体接入口612，以及排气口613等。保温桶650设在炉体610内的底部。加热部件640和石英坩埚630设在保温桶650内。并且石英坩埚630可以在保温桶650内转动和升降。提拉头620包括驱动电机621以及设在驱动电机621上的籽晶轴622。驱动电机621设在炉体610的顶部，并且籽晶轴622从炉体610顶部伸入炉体610内。
57.如图2所示，为了方便观察炉体610内的情况，上述炉体610还开设有观察孔614，用以观察炉体610内部单晶生长状况。在拉制晶体时，可以将含有掺杂剂的晶料投入石英坩埚630内，在工控机的控制下，加热部件640对石英坩埚630进行熔料，使得石英坩埚630内的晶料熔化，形成熔液rt；接着利用提拉头620下放籽晶硅cys，使得籽晶硅cys与熔液接触。在此基础上，依次经历引晶、放肩、转肩、等径生长、收尾等晶体生长工艺，从而拉制成所需的单晶硅棒。
58.对于镓、硼、磷、砷、锑等在高温下比较容易挥发的杂质来说，在晶体生长过程中气液相之间处于平衡状态，杂质的挥发变得很容易。杂质元素的挥发会使实测电阻率与目标电阻率之间存在一定的误差，进而影响单晶品质。例如：镓的熔点为29.78℃，在单晶制备过程中易挥发，导致晶体的实际电阻率与目标电阻率之间存在一定的误差，进而影响单晶品质。
59.本发明实施例提供的一种掺杂剂的投料量确定方法中，掺杂剂可以含有但不仅限于镓、硼、磷、砷、锑中的一种或几种元素。该掺杂剂的投料量确定方法可以由终端设备执
行，也可以由应用于终端设备的芯片执行，下述实施例以终端设备作为执行主体举例描述。
60.图3示例出本发明实施例提供的掺杂剂的投料量确定方法的流程图一。图4为本发明实施例提供的掺杂剂的投料量确定原理图一。如图3和图4所示，本发明实施例提供的掺杂剂的投料量确定方法包括：
61.步骤100：终端设备根据晶体的目标电学参数确定晶体目标杂质浓度cs。晶体的目标电学参数可以是任何电学参数，包括但不仅限于电阻率、耐压等。应理解，此处杂质是指掺杂剂最终被掺杂至晶体中的元素。例如：当掺杂剂为氧化镓掺杂剂时，杂质是指氧化镓中所含有的镓。
62.在实际应用中，终端设备可以根据所拉制的晶体的应用场景设定晶体的目标电学参数的类型。例如：当拉制的晶体应用于光伏电池的制作场景时，该晶体的目标电学参数可以为晶体的目标电阻率ρ
电
。该晶体的目标电阻率ρ
电
预存在终端设备，也可以由信息输入设备输入终端设备。例如：当终端设备预存的晶体的目标电阻率ρ
电
与拉晶炉需要拉制的晶体的目标电阻率不同时，可以利用语音输入设备输入需要拉制的晶体的目标电阻率。如图4所示，该晶体的目标电阻率ρ
电
与晶体目标杂质浓度cs之间满足公式一(参考gb/t 13389-92的规定)：
[0063][0064]
基于上述公式一，在已知晶体的目标电阻率ρ
电
(也就是晶棒头部电阻率)的情况下，可以根据公式一确定晶体目标杂质浓度cs。示例性的，掺镓的单晶硅目标电阻率为0.5ω
·
cm～4.5ω
·
cm，根据公式一可以确定掺镓的单晶硅的目标杂质浓度。例如：当掺镓的单晶硅目标电阻率为0.5ω
·
cm，掺镓的单晶硅的目标杂质浓度约为3.26
×
10
16
原子/cm3。
[0065]
步骤200：终端设备利用杂质分凝模型处理杂质挥发参数和晶体目标杂质浓度cs，获得熔液在转肩结束时的杂质浓度c
l
。此处应理解，等径前杂质挥发参数和等径阶段杂质挥发参数。这些等径前杂质挥发参数和等径阶段杂质挥发参数均为设计值，利用这些设计值可以确定还未开始的拉晶工艺的掺杂剂投料量。可以理解的是，这些等径前杂质挥发参数和等径阶段杂质挥发参数，可以是提前预存在终端设备中，也可以是通过包括但不仅限于语音输入设备的信息输入设备输入终端设备。当然，如果提前预存在终端设备中，如果这些参数发生变化，也可以通过信息输入设备更新终端设备中的参数。
[0066]
在一种示例中，上述等径前杂质挥发参数可以包括：晶料重量、坩埚径向参数和从熔料结束至转肩结束的时长。
[0067]
如图4所示，在等径阶段前，晶体横截面比较小，可以忽略不计。此时，可以单独利用坩埚径向参数确定等径前杂质挥发面积s
l
。可以认为坩埚的开口面积为等径前杂质挥发面积s
l
。即d1为用于盛放熔液的坩埚直径。应理解，坩埚径向参数可以为坩埚直径、坩埚半径、坩埚周长等与坩埚径向尺寸有关的参数。
[0068]
在晶体种类确定的情况下，如图4所示，可以利用晶料重量以及该晶料熔化后形成的熔液密度，就可以确定熔液初始体积v0。而熔液初始体积v0和从熔料结束至转肩结束的时长t
l
均与杂质挥发有关。基于此，可以在掺杂剂的投料量中引入熔液初始体积v0和从熔料结束至转肩结束的时长t
l
。例如：如图4所示，v0＝m/ρ
密l
，ρ
密l
为熔液密度。举例来说，当晶料为
硅料时，硅液密度为2.54g/cm3。
[0069]
在一种示例中，上述等径阶段杂质挥发参数包括晶体径向参数和晶体提拉速度。
[0070]
如图4所示，在等径阶段，晶体横截面比较小，在确定等径阶段杂质挥发面积时，不仅需要考虑坩埚径向参数，还需要考虑晶体径向参数影响。基于此，可以利用坩埚径向参数和晶体径向参数影响确定等径阶段杂质挥发面积ss。或者说，等径阶段杂质挥发面积ss可以被认为是坩埚的开口面积与晶体的最大横截面面积的差值。例如：d1为拉晶炉的坩埚直径，d2为晶体在等径过程的直径。由此可见，由于受到已经拉制的晶体影响，使得确定第一杂质挥发面积时，需要在拉晶炉的坩埚面积的基础上，减去晶体占据的部分面积，才能获得等径过程的杂质挥发面积。
[0071]
鉴于时间因素对于杂质挥发影响比较大，可以利用晶体提拉速度确定拉制单位长度晶体所需的时长。在此基础上，忽略等径前拉制的晶体长度，确定出拉制单位长度晶体的累计时间，也可以认为是第一杂质挥发时间ts。如图4所示，ts＝t
l
+1/v，t
l
为从熔料结束至转肩结束的时长(后文将该时长定义为第二杂质挥发时间)，v为晶体提拉速度。其中，1/v的物理意义为拉制1cm晶体所需的时长。
[0072]
鉴于在等径前熔液的消耗比较少，可以忽略等径前硅液消耗。在此基础上，如图4所示，可以利用晶料重量m和单位长度等径晶体重量m'确定单位长度固化分数x。此时，r为晶棒的半径。
[0073]
在一种示例中，如图4所示，上述第一杂质分凝模型满足公式二，具体如下：
[0074][0075]
k为杂质分凝系数；b为杂质挥发系数。该公式二中出现的x、ts、ss、v0已经在前文详述，此处不再介绍。
[0076]
上述k为杂质分凝系数，其与杂质种类有关。举例来说，当掺杂剂为镓，杂质为镓，k＝0.008，上述b为杂质挥发系数，其大小为0.2～0.9，取值与拉晶炉的炉内温度、炉压、氩气流量等工艺条件有关。并且，不同的杂质挥发系数不同，本发明实施例中杂质挥发系数在拉制一炉硅棒过程中，满足在单炉的开始及停炉前拉制的硅棒的挥发系数小，单炉进行到中间时刻的硅棒的挥发系数大，即杂质挥发系数随着硅棒的不断拉制，杂质挥发系数由小到大，越靠近停炉阶段，杂质挥发系数又逐渐减小。换句话说，该拉晶炉连续拉晶，可以拉制多根晶体。随着晶体根数的增加，晶体对应的杂质挥发系数由小变大，再由大变小。
[0077]
步骤300：终端设备利用第二杂质分凝模型处理等径前杂质挥发参数和熔液在转肩结束时的杂质浓度c
l
，获得熔液初始杂质浓度c。如图4所示，第二杂质分凝模型满足公式三，具体如下：
[0078][0079]
上述公式三中b、t
l
、s
l
、v0已经在前文详述，此处不再介绍。
[0080]
步骤400：终端设备根据熔液初始杂质浓度c确定掺杂剂的投料量mc。可以理解的是，掺杂剂的投料量mc可以为质量、摩尔量等可以量化掺杂剂的参数表示。如果拉晶炉只拉制一根晶体，或者虽然拉制多根晶体，但在拉制晶体前，如果坩埚内没有残余熔液，如果晶料没有含有杂质元素，则熔液初始杂质浓度c与掺杂剂的投料量mc的关系满足公式四，具体如下：
[0081]
mc＝λcv0ꢀꢀꢀ
公式四
[0082]
如果晶料含有杂质元素，则如图4所示，熔液初始杂质浓度c与掺杂剂的投料量mc的关系满足公式五，具体如下：
[0083]
mc＝λ(cv
0-no)，
ꢀꢀꢀ
公式五
[0084]
λ为转换常数，v0为熔液初始体积，n0为晶料中含有的杂质个数。当熔液初始杂质浓度c的单位为原子/cm3时，cv0确定的是熔液含有的杂质数量。为了方便计量，可以限定转换常数，将熔液含有的杂质数量转换为熔液含有的掺杂剂重量或者摩尔量，至于λ的取值，则根据所需转换的目标确定。例如：当掺杂剂为镓，需要将杂质数量转换为掺杂剂摩尔量，则λ＝10-23
/6.023＝1.66
×
10-24
个/mol；又例如：当掺杂剂为镓，需要将杂质数量转换为掺杂剂重量，则λ＝69.72
×
10-23
/6.023＝1.16
×
10-22
g。
[0085]
当拉晶炉连续拉制多根晶体时，可以是在拉制任意一根晶体前，拉晶炉的坩埚内都有可能存在剩料，当然也有可能不存在盛料。例如：终端设备获取坩埚内部状态信息。此处可以利用ccd摄像扫描系统扫描坩埚内部状态，并将坩埚内部状态信息以图像的形式上传至终端设备，终端设备根据所述坩埚内部状态信息确定坩埚内是否存在剩料。
[0086]
当然，也可以根据实际情况确定拉晶炉内是否存在剩料。例如：当终端设备确定拉晶炉即将拉制第一根晶体，可以确认拉晶炉内的坩埚没有残余熔液。此时，在已知拉制第一根晶体的等径前杂质挥发参数、等径阶段杂质挥发参数和晶体的目标电学参数的情况下，就可以通过执行步骤100～步骤400，精确确定晶体中的掺杂剂掺杂量。
[0087]
当终端设备确定拉晶炉已经拉制一根晶体后，坩埚内一般存在残余熔液。此时，为了计算拉制下一根晶体时，晶料中掺杂剂的投料量，可以将已经拉制的这根晶体的等径前杂质挥发参数和等径阶段杂质挥发参数，根据这些参数确定坩埚内残余熔液含有的杂质个数。对于已经拉制晶体的等径前杂质挥发参数和已经拉制晶体的等径阶段杂质挥发参数来说，这些等径前杂质挥发参数和等径阶段杂质挥发参数可以在具体工艺过程中测定，并由信息输入设备或相关装置上报至终端设备。
[0088]
示例性的，图5示例出本发明实施例提供的掺杂剂的投料量确定方法流程图二。图6为本发明实施例提供的掺杂剂的投料量确定原理图二。如图5和图6所示，当拉晶炉拉制第n-1根晶体结束时，若坩埚内存在残余熔液，根据第n根晶体的熔液初始杂质浓度ch确定所述拉晶炉拉制第n根晶体的掺杂剂的投料量m
ch
包括：
[0089]
步骤500：终端设备根据拉晶炉拉制第n-1根晶体的等径前杂质挥发参数和等径后杂质挥发参数，确定拉晶炉拉制第n-1根晶体结束时，坩埚内残余熔液含有的杂质个数nk。
[0090]
对于拉晶炉拉制第n-1根晶体的等径前杂质挥发参数来说，其可以参考第n根晶体的等径前杂质挥发参数，即步骤200所列举的等径前杂质挥发参数，区别仅在于步骤200所列举的等径前杂质挥发参数为第n根晶体的等径前杂质挥发参数，而非第n-1根晶体的等径前杂质挥发参数。也就是说，该拉晶炉拉制第n-1根晶体的等径前杂质挥发参数包括：拉晶
炉拉制第n-1根晶体的熔液初始杂质浓度cq、拉晶炉拉制第n-1根晶体的晶料重量mq、坩埚径向参数和拉晶炉拉制第n-1根晶体时从熔料开始至转肩结束的时长t
lq
。
[0091]
上述拉晶炉拉制第n-1根晶体的熔液初始杂质浓度cq可以按照步骤100～步骤300执行，确定cq。坩埚径向参数可以参考前文相关描述，此处不做限定。
[0092]
对于拉晶炉拉制第n-1根晶体的等径后杂质挥发参数包括：第n-1根晶体的重量mq、第n-1根晶体径向参数、拉晶炉拉制第n-1根晶体的晶体提拉速度vq和第n-1根晶体的长度qq。第n-1根晶体径向参数可以参考前文晶体径向参数的详细描述，此处不做详细限定。此处，第n-1根晶体的重量mq可以由第n-1根晶体径向参数和第n-1根晶体的长度qq确定。假设第n-1根晶体径向参数为前文所述d2，则
[0093]
假设在坩埚内存在残余熔液的杂质浓度时，拉晶炉拉制第n根晶体的晶料为mh，拉晶炉拉制第n根晶体的晶料投料量为mh。此时，如图6所示，可以利用mh、mq和mq确定mh，其表达式可以为mh＝m
q-mq+mh。
[0094]
如图6所示，可以根据杂质浓度与杂质数量的数学关系，按照公式六确定坩埚内残余熔液含有的杂质个数nk。
[0095]
nk＝v
kclk
ꢀꢀꢀ
公式六
[0096]vk
可以由第n-1根晶体的晶料与第n-1根晶体的重量确定，如图6所示，vk表达式可以为ρ
密l
为熔液密度。
[0097]clk
为当拉晶炉拉制第n-1根晶体结束时，坩埚内残余熔液的杂质浓度，vk为当拉晶炉拉制第n-1根晶体结束时，坩埚内残余熔液体积。对于c
lk
来说，可以基于分凝原理设计公式七和公式八，利用公式七和公式八确定c
lk
，具体如下：
[0098]
基于杂质分凝原理，如图6所示，上述公式七为vq为拉晶炉拉制第n-1根晶体时，熔液初始体积。b、k参考前文定义(b为杂质挥发系数，k为杂质分凝系数)，ss为等径阶段杂质挥发面积，具体参考前文定义。t
sq
为拉晶炉拉制第n-1根晶体时的杂质挥发时长，t
sq
＝t
lq
+qq/vq。t
lq
为拉晶炉拉制第n-1根晶体时从熔料开始至转肩结束的时长。当然，此处也可以实际测量t
sq
。c
lq
为当拉晶炉拉制第n-1根晶体时，熔液在转肩结束时的杂质浓度。
[0099]
对于已经拉制的晶体来说，其已知熔液杂质初始浓度，基于此，如图6所示，基于杂质分凝原理，上述公式八为此时,s
l
为等径前杂质挥发面积。该s
l
的表达式和解释可以参考前文，此处不做详述。
[0100]
步骤600：终端设备根据拉晶炉拉制第n-1根晶体结束时，坩埚内残余熔液含有的杂质个数nk、拉晶炉拉制第n根晶体的晶料重量mh和拉晶炉拉制第n根晶体的熔液初始杂质浓度ch，确定拉晶炉拉制第n根晶体的掺杂剂的投料量m
ch
。
[0101]
示例性的，当拉晶炉拉制第n-1根晶体结束时，若坩埚内存在残余熔液，如图6所示，拉晶炉拉制第n根晶体的熔液初始杂质浓度ch与拉晶炉拉制第n根晶体的熔液的掺杂剂
的投料量m
ch
的关系满足：m
ch
＝λ(c
hvh-n
k-nh)，n为大于或等于2的整数，λ为转换常数，拉晶炉拉制第n根晶体的熔液初始杂质浓度ch可以参考步骤100～步骤300执行。nh为拉晶炉拉制第n根晶体的投入的晶料含有的杂质个数，nk为当拉晶炉拉制第n-1根晶体结束时，坩埚内残余熔液含有的杂质个数，vh为拉晶炉拉制第n根晶体的熔液初始体积。如图6所示，根据质量与体积的数学关系，ρ
密l
为拉晶炉拉制第n-1根晶体的熔液密度。
[0102]
为了清楚的描述本发明实施例提供的掺杂剂的投料量确定方法，下面以硅晶料和镓为掺杂剂的拉晶原料，举例描述拉晶炉连续拉制2根硅棒的掺杂剂投料量确定过程。
[0103]
第一步，确定待拉制硅棒的目标电阻率。确定方式可以参考步骤100，此处不做详述。
[0104]
第二步，计算第一根硅棒所需的掺杂剂的重量。假设第一根硅棒的硅料种类为4种。定义4种硅料分别为第一硅料、第二硅料、第三硅料和第四硅料。
[0105]
对于第一硅料来说，第一硅料的重量为m1，电阻率为ρ1。根据公式六可以确定第一硅料的杂质浓度c
y1
。具体的，将第一硅料的电阻率ρ1带入公式六，得到c
y1
。c
y1
的表达式为：在此基础上，第一硅料的杂质个数2.33为固体硅料的密度。
[0106]
对于第二硅料来说，第二硅料的重量为m2，电阻率为ρ2。根据公式六可以确定第二硅料的杂质浓度c
y2
。具体的，将第二硅料的电阻率ρ2带入公式六，得到c
y2
。c
y2
的表达式为：在此基础上，第二硅料的杂质个数2.33为固体硅料的密度。
[0107]
对于第三硅料来说，第三硅料的重量为m3，电阻率为ρ3。根据公式六可以确定第三硅料的杂质浓度c
y3
。具体的，将第三硅料的电阻率ρ3带入公式六，得到c
y3
。c
y3
的表达式为：在此基础上，第三硅料的杂质个数2.33为固体硅料的密度。
[0108]
对于第四硅料来说，第四硅料的重量为m4，电阻率为ρ3。根据公式六可以确定第四硅料的杂质浓度c
y4
。具体的，将第四硅料的电阻率ρ4带入公式六，得到c
y4
。c
y4
的表达式为：在此基础上，第四硅料的杂质个数2.33为固体硅料的密度。
[0109]
假设第一根硅棒的掺杂剂投料量为m
c1
，待掺杂的掺杂剂中杂质个数为n
c1
，在掺杂剂为镓的情况下，那么n
c1
的表达式为
[0110]
基于上述计算，可以确定在没有杂质挥发的情况下，第一根硅棒的熔液杂质个数ng1
的表达式n
g1
＝n
y1
+n
y2
+n
y3
+n
y4
+n
c1
。当硅料熔化成熔液时，熔液初始体积v＝m/2.54＝(m1+m2+m3+m4+m
c1
)/2.54。根据液体体积与浓度关系，可以确定第一根硅棒的熔液初始杂质密度c1的表达式为：c1＝2.54n
gl
/(m1+m2+m3+m4+m
c1
)。此处由于m
c1
相对于硅料质量极小，此处一般可以忽略。基于此，c1＝2.54ng/(m1+m2+m3+m4)。而根据前文步骤200和步骤300，可以确定第一根硅棒的熔液初始杂质浓度c1。基于此，在c1、m1、m2、m3、m4已经知道的情况下，可以结合n
c1
的表达式、n
g1
的表达式、c1的表达式确定m
c1
的表达式如下：
[0111][0112]
第三步，按照m
c1
的表达式确定掺杂剂的投料质量后，将掺杂剂加入硅料中，利用拉晶炉进行硅棒拉制。
[0113]
在拉制第一根硅棒时，将掺杂剂在装料时加入坩埚中。具体方式为：在坩埚中装满硅料后，自硅料顶部中心处向下形成空腔，空腔的高度为10cm-30cm，将称量好的掺杂剂量m
c1
放入空腔。本技术中晶体生长采用直拉法，对于本领域技术人员来说，该方案还可用于其它晶体生长领域，本技术对此不做限定。
[0114]
第四步，当第一根晶棒拉制完成并进行收尾时，发现坩埚内还存在残余熔液。假设拉制第二根硅棒时，仍然参考第一根晶棒的晶料投料方式投入硅料，坩埚内残余熔液的杂质个数为n
k1
。此时，在没有杂质挥发的情况第二根晶棒的硅料杂质个数n
g2
的表达式n
g2
＝n
y1
+n
y2
+n
y3
+n
y4
+n
k1
+n
c2
。当坩埚内的晶料开始熔化时，需要考虑杂质挥发量。此时，可以根据公式六至公式八可以确定n
k1
。应理解，第二根硅棒的相关参数确定过程中，其所使用的杂质挥发参数与计算第一根硅棒的掺杂剂投料量的杂质挥发参数大小不同。
[0115]
在此基础上，根据步骤200和步骤300，可以确定第二根硅棒的熔液初始杂质浓度c2。参考第二步的推导过程，确定第二根硅棒的掺杂剂投料量m
c2
的表达式如下：
[0116]]
此处m
k1
为坩埚内残余熔液重量，其可以通过第一根晶棒的晶料重量减去第一根晶棒重量获得。
[0117]
第五步，按照第四步的计算好的第二根硅棒的掺杂剂投料量m
c2
向硅料中加入掺杂剂，开始拉制第二根硅棒。此时，第一根硅棒的坩埚残余熔液作为第二根晶料的部分原料，参与第二根硅棒拉制。
[0118]
在实际应用中，可以将第二根硅棒的掺杂剂放入加料筒中，随硅料一同加入坩埚，按直拉法生长单晶。当然，也可以采用其它方式生长单晶，此处不做介绍。
[0119]
第六步，当第二根硅棒拉制完成并进行收尾时，发现坩埚内还存在残余熔液。此时将硅棒从拉晶炉拉出后，然后根据已经拉制的第二根晶棒的相关参数和即将拉制的第三根晶棒的相关参数，按照第四步确定第三根晶棒的掺杂剂投料量。如果还需要拉制更多的硅棒，则可以仍然可以参考第三步的操作进行，只是所需的参数根据所拉晶体的不同变化，直至拉晶炉停炉为止。
[0120]
由上可见，在已知由晶体的目标电学参数确定晶体目标杂质浓度cs的情况下，利用第一杂质分凝模型处理等径前杂质挥发参数、等径阶段杂质挥发参数和晶体目标杂质浓度cs，可以获得熔液在转肩结束时的杂质浓度c
l
。在此基础上，利用第二杂质分凝模型处理等径前杂质挥发参数和熔液在转肩结束时的杂质浓度c
l
，获得熔液在熔料结束时的杂质浓
度c。此时，根据熔液在熔料结束时的杂质浓度c所确定的掺杂剂的投料量mc后，按照该掺杂剂的投料量mc向晶料内加入掺杂剂，可以保证拉晶炉最终拉制的晶体的实际电学参数(例如电阻率)与目标电学参数(例如目标电阻率)基本不存在偏差，从而提升单晶品质。
[0121]
在实际应用中，本发明实施例提供的掺杂剂的掺杂量的确定方法，在根据硅棒的目标电阻率计算相应掺杂剂重量的过程中，将掺杂剂的杂质挥发特性与分凝原理相结合，结合挥发前后坩埚内杂质数量的变化，根据硅棒的目标电阻率，精确计算拉制硅棒所需掺杂剂的量，使得硅棒产品的品质和成品率大幅提高。
[0122]
上述主要从终端设备的角度对本发明实施例提供的方案进行了介绍。可以理解的是，终端设备为了实现上述功能，其包含了执行各个功能相应的硬件结构和/或软件模块。本领域技术人员应该很容易意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，本发明能够以硬件或硬件和计算机软件的结合形式来实现。某个功能究竟以硬件还是计算机软件驱动硬件的方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
[0123]
本发明实施例可以根据上述方法示例对终端设备等进行功能模块的划分，例如，可以对应各个功能划分各个功能模块，也可以将两个或两个以上的功能集成在一个处理模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。需要说明的是，本发明实施例中对模块的划分是示意性的，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式。
[0124]
在采用对应集成单元的情况下，图7示出本发明实施例提供的掺杂剂的投料量确定装置的结构框图。如图7所示，该掺杂剂的投料量确定装置700可以为图1所示的终端设备100。包括：处理单元701。
[0125]
如图7所示，上述处理单元701用于支持终端设备执行的掺杂量的投料量确定方法中的步骤100～步骤400。
[0126]
在一些可能的实现方式中，如图7所示，上述处理单元701用于支持终端设备执行的掺杂量的投料量确定方法中的步骤500和步骤600。
[0127]
在一些可能的实现方式中，如图7所示，上述掺杂剂的投料量确定装置700还可以包括存储单元702，用于存储程序代码和数据。这些数据可以是上述实施例中的各种参数。
[0128]
在一些可能的实现方式中，如图7所示，上述掺杂剂的投料量确定装置700还可以包括通信单元703，用于与工控机、测量单元以及信息输入设备通信，获取外部参数。
[0129]
其中，如图7所示，处理单元701可以是处理器或控制器，例如可以是中央处理器(central processing unit，cpu)，通用处理器，数字信号处理器(digital signal processor，dsp)，专用集成电路(application-specific integrated circuit，asic)，现场可编程门阵列(field programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、晶体管逻辑器件、硬件部件或者其任意组合。其可以实现或执行结合本发明公开内容所描述的各种示例性的逻辑方框，模块和电路。所述处理器也可以是实现计算功能的组合，例如包含一个或多个微处理器组合，dsp和微处理器的组合等等。通信单元703可以是收发器、收发电路或通信接口等。存储单元702可以是存储器。
[0130]
如图7所示，当处理单元701为处理器，通信单元703为收发器，存储单元702为存储
器时，本发明实施例所涉及的掺杂剂的投料量确定装置可以为图6所示的电子设备。。
[0131]
图8示出了本发明实施例提供的一种电子设备的硬件结构示意图。如图8所示，该电子设备800包括处理器810。
[0132]
如图8所示，上述处理器810可以是一个通用中央处理器(central processing unit，cpu)，微处理器，专用集成电路(application-specific integrated circuit，asic)，或一个或多个用于控制本发明方案程序执行的集成电路。
[0133]
如图8所示，上述电子设备800还可以包括通信线路840。通信线路840可包括一通路，在上述组件之间传送信息。
[0134]
可选的，如图8所示，上述电子设备还可以包括通信接口820。通信接口820可以为一个或多个。通信接口820可使用任何收发器一类的装置，用于与其他设备或通信网络通信。
[0135]
可选的，如图8所示，该电子设备还可以包括存储器830。存储器830用于存储执行本发明方案的计算机执行指令，并由处理器来控制执行。处理器用于执行存储器中存储的计算机执行指令，从而实现本发明实施例提供的方法。
[0136]
如图8所示，存储器830可以是只读存储器(read-only memory，rom)或可存储静态信息和指令的其他类型的静态存储设备，随机存取存储器(random access memory，ram)或者可存储信息和指令的其他类型的动态存储设备，也可以是电可擦可编程只读存储器(electrically erasable programmable read-only memory，eeprom)、只读光盘(compact disc read-only memory，cd-rom)或其他光盘存储、光碟存储(包括压缩光碟、激光碟、光碟、数字通用光碟、蓝光光碟等)、磁盘存储介质或者其他磁存储设备、或者能够用于携带或存储具有指令或数据结构形式的期望的程序代码并能够由计算机存取的任何其他介质，但不限于此。存储器830可以是独立存在，通过通信线路840与处理器810相连接。存储器也830可以和处理器810集成在一起。
[0137]
可选的，本发明实施例中的计算机执行指令也可以称之为应用程序代码，本发明实施例对此不作具体限定。
[0138]
在具体实现中，作为一种实施例，如图8所示，处理器810可以包括一个或多个cpu，如图8中的cpu0和cpu1。
[0139]
在具体实现中，作为一种实施例，如图8所示，终端设备可以包括多个处理器，如图8中的处理器810和处理器850。这些处理器中的每一个可以是一个单核处理器，也可以是一个多核处理器。
[0140]
图9是本发明实施例提供的芯片的结构示意图。如图9所示，该芯片900包括一个或两个以上(包括两个)处理器910。
[0141]
可选的，如图9所示，该芯片还包括通信接口920和存储器930，存储器930可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供操作指令和数据。存储器的一部分还可以包括非易失性随机存取存储器(non-volatile random access memory，nvram)。
[0142]
在一些实施方式中，如图9所示，存储器930存储了如下的元素，执行模块或者数据结构，或者他们的子集，或者他们的扩展集。
[0143]
在本发明实施例中，如图9所示，通过调用存储器存储的操作指令(该操作指令可存储在操作系统中)，执行相应的操作。
[0144]
如图9所示，处理器910控制终端设备中任一个的处理操作，处理器910还可以称为中央处理单元(central processing unit，cpu)。
[0145]
如图9所示，存储器930可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据。存储器930的一部分还可以包括nvram。例如应用中存储器、通信接口以及存储器通过总线系统耦合在一起，其中总线系统除包括数据总线之外，还可以包括电源总线、控制总线和状态信号总线等。但是为了清楚说明起见，在图9中将各种总线都标为总线系统940。
[0146]
如图9所示，上述本发明实施例揭示的方法可以应用于处理器中，或者由处理器实现。处理器可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器、数字信号处理器(digital signal processing，dsp)、asic、现成可编程门阵列(field-programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
[0147]
一方面，提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有指令，当指令被运行时，实现上述实施例中由终端设备执行的功能。
[0148]
一方面，提供一种芯片，该芯片应用于终端设备中，芯片包括至少一个处理器和通信接口，通信接口和至少一个处理器耦合，处理器用于运行指令，以实现上述实施例中由
…
执行的功能。
[0149]
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机程序或指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序或指令时，全部或部分地执行本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、终端、用户设备或者其它可编程装置。所述计算机程序或指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机程序或指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线或无线方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是集成一个或多个可用介质的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，例如，软盘、硬盘、磁带；也可以是光介质，例如，数字视频光盘(digital video disc，dvd)；还可以是半导体介质，例如，固态硬盘(solid state drive，ssd)。
[0150]
尽管在此结合各实施例对本发明进行了描述，然而，在实施所要求保护的本发明过程中，本领域技术人员通过查看附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的
若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
[0151]
尽管结合具体特征及其实施例对本发明进行了描述，显而易见的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的本发明的示例性说明，且视为已覆盖本发明范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。