单晶硅直拉法降氧实验进展报告.docx

降氧实验进展报告汇报人：王思锋一、实验目的：降低单晶硅晶棒头部氧含量二、降氧原理：在CZ法生长中，氧不可避免地掺入硅单晶其途径是氧从石英(SiO2)坩埚 溶解进入硅熔体, 溶解的氧经由熔体的对流和扩散传输到晶体－熔体界面或自 由表面熔体中的大多数氧在熔体自由表面蒸发, 而余下的氧通过晶体－熔体界 面的分凝而掺入晶体内由于氧在熔体中的扩散系数相当小, 所以通过熔体对流 来传输氧是主要的 CZ 硅中熔体流主要有三部份组成: 1) 从冷晶体边缘到热坩 埚壁, 由表面张力降低所驱动的沿着自由表面的热表面张力对流 ; 2) 熔体表面 与熔体底部存在温度梯度 , 因熔体密度差引起的浮力导致沿垂直方向的自然对 流; 3) 由晶转和埚转引起的强迫对流——离心抽运流在理解氧的传输途径和熔 体液流运动的基础上，要控制原生CZ硅单晶中氧的含量及其分布的均匀性，也 就是要设法控制晶体生长过程中 , 氧从石英坩埚溶解进入熔体的熔解速率和强 制调节熔体流动来控制经由熔体流动而传输的氧量1、 氧的引入拉晶时发生下述热化学反应SiO2+Si=2SiOb它是一吸热反应，在1420°C下的 SiO饱和蒸气压约为1200Pa。

所以，大部分的SiO从硅熔体的自由表面蒸发去，少 部分进入晶体中2、 氧的蒸发氧从硅熔体内蒸发出的反应服从下公式N=Noexp®ST/V式中N为氧含量减少 量为熔体中的氧含量，卩为熔体的蒸发系数,S为熔体的自由表面积,V为熔体体 积,T为蒸发时间从公式中得知，氧含量的减少量与氧含量、蒸发系数、熔体的 自由表面积、蒸发时间成正比， 与熔体体积成反比3、 氧的运输3.1 自然热对流由拉晶需要的温度梯度而产生的浮力引起的热对流，其无量纲速度场决定于 格拉斯霍夫数或瑞利数：ga^THR3/Y2，其中g为重力加速度，a为熔体的热膨胀系 数,^Th径向温度梯度,R为石英埚半径，丫为熔体的运动粘滞系数°gaATVh3/kY， k为熔体的热导率，h为熔体高度，ATy为轴向温度梯度3.2 表面热对流沿着自由表面从单晶边缘到坩埚边缘温度升高，因此存在由表面张力引起的 表面热对流，它由无量纲的马兰革尼数决定AThRyPK （SP/ST），其中p为熔 体密度，（SP/ST）为表面张力引起的温度系数3.3 离心强迫对流晶体转动引起沿中心轴向上的离心强迫对流，它具有抑制自然热对流的作 用，由雷诺数决定：nwd2/y，其中w为晶体转速，d为晶体直径。

三、实验条件：将炉体用酒精纸擦洗干净，保持炉子周围清洁卫生石墨件打磨干净，沟槽 及接口等吸附挥发物较多的部位要用砂纸认真打磨后再吸尘清洗，尽量将表面黄 色氧化物打磨干净装料后抽空要求40min内反冲氩气两次，真空度＜3pa,检漏 时间必须达到5min,漏气率v0.2pa/min化料时间控制在5-6小时，高温功率 W85KW （高温电流与高温电压乘积）挥发功率比引晶功率高1-2KW避免高 功率熔料、回熔化料炉压350Pa、挥发炉压500Pa四、实验方案及机理：1、 改变埚转对氧含量的影响实验机理：埚转对CZS i单晶中氧的控制起着重要的作用，因此改变拉晶时的坩 锅转速就成为控氧的通用方法在高埚转下, 熔体径向温度梯度增大, 石英埚壁 的温度升高, 产生的化学反应加速进行, 故熔体中及晶体中的氧含量必然增加 另一方面, 热对流变得较强, 它抵消晶转引起的强制对流的影响, 从而使晶体的 径向均匀性变差因此，降低埚转有利于减少熔体中及晶体中的氧含量以及增强 晶体的径向均匀性2、 对比六寸导流筒与八寸导流筒的区别实验机理：八寸导流筒长度为320mm比六寸导流筒310mm高10mm，因此，八 寸导流筒相对六寸导流筒而言为低埚位拉晶。

低埚位时坩锅底部温度较低，利于 降低熔体内的热对流，因此降低了熔体表面及晶棒的氧含量另外，八寸导流筒 口径(260mm)比六寸导流筒口径(220mm)大，便于气流带走SiO气体，减 小 SiO 的分压3、等径时不同炉内压强对氧含量的影响实验机理：CZ-Si是由盛在石英坩埚中的硅熔体中生长出来的晶锭中的氧来源 于石英坩埚的溶解，溶解反应是：SiO2+Si—2SiO，有人通过石英带溶解试验得 到石英平均溶解速率为8xl0-2g/cm2s硅熔体中氧浓度取决于坩埚与熔体界面(面 积：Acm)、熔体与气体界面(面积：Ama)、晶体与熔体界面(面积：Arm)等 三个界面上氧流的平衡：Qcm=Acm(L)xDx(Cc-Cm)/6c (1)Qma=AmaxDx(Cm-Ca)/6a (2)Qrm=KeffxCmxVxAma (3)Acm(L)表示坩埚熔体界而是已生成的单晶晶锭长度L的函数，D是氧扩散 系数，Cc-Cm、Cm-Ca分别是坩埚与熔体边界层和熔体自由表面与气相边界层中 氧浓度差，6c、Sa分别为前面提到的两个边界层的厚度，Cm是熔体中氧的平均 浓度，Keff为有效分凝系数，V是晶体线生长速度由(1)知道要降低晶锭初始氧含量必须增加Qma，即增加Dx(Cm-Ca)/Sa 部分，6a由熔体的热对流决定，可看成常数，只有想办法减少Ca，即减少气相 中SiO的分压。

在饱和蒸汽压一定的情况下，SiO的分压越小，则越易蒸发气 相中SiO分压P'与氩气流量Q1(标准态)、自由表面上SiO的挥发总流量Q2(标 准态)、单晶炉膛压力P的关系可由理想气体状态方程推导得:P'=PQ2/(Q1-Q2), SiO的分压与炉膛压力P成正比，与氩气流量程反比因此，加大氩气流量、增 加机械泵抽空速率有利于降低晶棒氧含量五、实验内容：1、坩埚对氧含量的影响 对103#和111＃炉台分别做埚转为6转/分和4转/分的对比实验，每种实验条件各做四组，具体数据如表表一：不同埚转对氧含量的影响炉台埚转头部氧含量（ppma）平均值103#6转/分28.5628.4728.7128.7528.624转/分27.0426.9327.0927.3227.10111#6转/分28.2726.6928.4124.8027.044转/分26.4526.0626.2826.9426.43从上表中可以看出103#炉台4转/分埚转要比6转/分埚转的头部平均氧含量低1.52ppma, 111#炉台4转/分埚转要比6转/分埚转的头部平均氧含量低 0.61ppma2、不同尺寸导流筒对氧含量的影响对 103#和 124＃炉台分别做使用六寸导流筒和八寸导流筒对头部氧含量的对 比实验，每种实验条件各做四组，具体数据如表二：表二：不同尺寸导流筒对氧含量的影响炉台导流筒头部氧含量（ppma）平均值103#六寸27.126.9227.5627.0327.15八寸21.8223.3524.123.5623.21124#六寸25.8624.7427.0426.8426.12八寸22.2622.9923.8325.6923.69从上表中可以看出 103#炉台使用八寸导流筒比使用六寸导流筒的头部平均 氧含量低 3.94ppma， 124#炉台使用八寸导流筒比使用六寸导流筒的头部平均氧 含量低 2.43ppma。

3、等径时不同炉内压强对氧含量的影响对111#炉台分别不同炉压700pa、900pa和1200pa对头部氧含量的对比实验， 每种实验条件各做三组，其中由于700pa压强下成晶较困难，只做两炉实验具 体数据如表三：表三：不同压强对氧含量的影响炉台压强头部氧含量（ppma）平均值111#700pa24.4924.4124.45900pa24.8824.1823.9824.351200pa23.3923.5322.4223.11从上表中可以看出111#炉台等径时压强为1200pa时头部氧含量平均值比等径时压强为900pa时的头部氧含量平均值低1.24ppma,压强为700pa与压强900pa的效果相似六、实验结论：大量实验表明,坩埚转速、导流筒深度及压气流量对单晶中的氧含量有很大 影响1、埚转增加,强制对流加强,坩埚/熔体扩散边界层厚度减小该边界层 厚度的减小能有效地增加进入熔体中的氧原子数,从而增加晶体中的氧含量反 之,在晶体头部降低埚转,能有效地控制头部氧含量,在浅熔体情况下,能拉制 出头、尾氧含量几乎相同的硅单晶2、八寸导流筒与六寸导流筒相比较,前者 使熔体中的轴向温度梯度减小，这一方面减低了 SiO2+Si=2SiO的反应温度，另 一方面使熔体的热对流减弱,这两个因素都使进入熔体中的氧含量减少。

3、而 对于氧的熔入，由于熔硅与坩埚内表面的反应贯穿整个拉晶过程，除了对单晶炉 热场、工艺参数进行改造，减小熔体的热对流降低氧的熔入外，我们通过氩气流 的控制来影响 SiO 的挥发氩气流有效吹拂, 熔硅表面的氩气更新速度较快, 挥 发的SiO迅速被带离熔体上方的环境，SiO的分压降低，使得SiO的挥发作用增 强，硅单晶的氧含量下降。