直拉法單晶硅中位錯(cuò)影響因素的研究進(jìn)展★

呂 濤，張 波，羅曉斌，郭 衛(wèi)

（山西潞安太陽能科技有限責(zé)任公司，山西 長治 046000）

0 引言

制備單晶硅的主要方法包括直拉法與提拉法，其發(fā)明者為波蘭的科學(xué)家Czochralski，發(fā)明時(shí)間為1916年。就直拉法單晶硅而言，因其具備晶體缺陷較少、純度較高等優(yōu)點(diǎn)，在太陽能電池以及半導(dǎo)體工業(yè)中廣泛應(yīng)用。而硅中有害性最顯著，并且最常見的一種缺陷即為位錯(cuò)問題，其可縮短少子的壽命，并且令金屬雜質(zhì)聚集在一起，進(jìn)而發(fā)生電流漏出的狀況。同時(shí)，還能夠令單晶變成多晶，進(jìn)一步致使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損失。因此，本文通過對國內(nèi)外有關(guān)直拉法單晶硅位錯(cuò)相關(guān)研究情況進(jìn)行總結(jié)歸納，了解其主要影響因素，并對雜質(zhì)影響著重進(jìn)行總結(jié)及討論。

1 位錯(cuò)形成及運(yùn)動(dòng)

在本章節(jié)當(dāng)中，會(huì)重點(diǎn)直拉法單晶硅位錯(cuò)的形成及運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，主要將從以下兩個(gè)角度加以闡述，具體如下所示。

1.1 位錯(cuò)形成

趙澤鋼（2018）表示在直拉法單晶硅當(dāng)中，主要的位錯(cuò)呈現(xiàn)形式就包括螺型與混合型兩種。而致使錯(cuò)位發(fā)生的主要因素有以下幾方面：因?yàn)閮?nèi)應(yīng)力而產(chǎn)生的，主要表現(xiàn)為晶體內(nèi)部溫度的分布不均衡致使的熱應(yīng)力而發(fā)生的位錯(cuò)、沉淀物以及雜質(zhì)，在直拉法單晶硅中因不同的熱膨脹系數(shù)與熱導(dǎo)系數(shù)令內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生；因?yàn)橥庥a(chǎn)生的，主要表現(xiàn)為進(jìn)行晶片加工的過程中造成其表現(xiàn)的損傷，如膜片、拋光等過程中造成的損害或傷害，在進(jìn)行高溫處理后進(jìn)而產(chǎn)生位錯(cuò)問題[1]。

1.2 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)

劉恩科（2019）表示在直拉法單晶硅當(dāng)中，存在著一種位錯(cuò)芯的結(jié)構(gòu)，其可能引發(fā)重構(gòu)，進(jìn)而因重構(gòu)而影響位錯(cuò)電活性消失。而位錯(cuò)應(yīng)力場同雜質(zhì)互相作用，令雜質(zhì)優(yōu)先沿著錯(cuò)危險(xiǎn)發(fā)生沉積反應(yīng)。而溶解度較小且在硅中可以實(shí)現(xiàn)迅速擴(kuò)散的金、鐵等重金屬雜質(zhì)，其沉積反應(yīng)更加容易發(fā)生，進(jìn)而致使導(dǎo)電通道出現(xiàn)。如果氮或是氧等原子于位錯(cuò)線上沉積（實(shí)際上處在某種鍵合狀態(tài)下），能夠?qū)⑽诲e(cuò)釘住，令位錯(cuò)不同意攀移與滑移[2]。

2 直拉法單晶硅中位錯(cuò)影響因素

在本章節(jié)中，將主要針對直拉法單晶硅之中位錯(cuò)的影響因素展開探究，主要包括固液界面、籽晶熱沖擊、晶體直徑以及雜質(zhì)方面影響作用。具體的整理及分析情況如下。

2.1 固液界面的影響

NOGHABI O A（2018）等表示一般情況下，熔體與晶體間的固液界面的形狀是由晶體、熔體以及環(huán)境溫度分布情況而決定的。同時(shí)，生長條件還會(huì)影響到固液界面形狀，例如氣體產(chǎn)生的對流與壓力作用、提拉的速度影響等等。就固液界面的形狀而言，可能會(huì)有凸形、凹形或是平面出現(xiàn)，甚至還會(huì)變?yōu)閃 形等，并發(fā)現(xiàn)W 形能夠?qū)w中心壓縮應(yīng)力起到緩解作用，進(jìn)而令形成位錯(cuò)的概率降低。而相較于較為平坦的固液界面而言，向著溶體面凸出的固液界面附近的切應(yīng)力應(yīng)是更大的，尤其是相比中心而言，邊緣的切應(yīng)力要大幾倍之高。截面朝向溶體凸出的情況下，其界面附近位置也就會(huì)發(fā)生位錯(cuò)的情況；當(dāng)處在一種平坦?fàn)顟B(tài)的情況下，也就會(huì)起到相應(yīng)的抑制作用，進(jìn)而避免的位錯(cuò)發(fā)生，即凸界面前切應(yīng)力要比平面籽晶高。固液界面的不同形態(tài)對于位錯(cuò)發(fā)生有不同的影響作用，通過對提拉速度等影響因素來對其界面曲率加以控制，將界面的波動(dòng)減少，進(jìn)而對形成位錯(cuò)的抑制作用有利。

2.2 籽晶熱沖擊的影響

鄭加鎮(zhèn)（2019）表示在直拉法單晶硅的生長初期階段，在籽晶于硅熔體的表面侵入的時(shí)候，有可能會(huì)因熱沖擊而受到影響，而在籽晶當(dāng)中發(fā)生位錯(cuò)時(shí)，位錯(cuò)會(huì)延伸至生長晶體中并造成影響（見圖1）。固液界面的不同形態(tài)對于位錯(cuò)發(fā)生有不同的影響作用，通過對提拉速度等影響因素來對其界面曲率加以控制，將界面的波動(dòng)減少，進(jìn)而對形成位錯(cuò)的抑制作用有利[3]。若有效地將縮頸技術(shù)加以利用，則就能夠?qū)崿F(xiàn)引晶環(huán)節(jié)的位錯(cuò)排除。但對加大的直拉法單晶硅而言，細(xì)頸較難撐起其質(zhì)量。因此，其提出直拉法單晶硅夾持提拉方法，在長晶后期階段，夾持壁夾持硅棒并提拉，最大程度降低細(xì)頸位置的質(zhì)量，繼續(xù)提拉硅棒也不會(huì)對其旋轉(zhuǎn)活動(dòng)造成影響，進(jìn)而將大重量直拉法單晶硅的細(xì)頸較難承受質(zhì)量的難題解決，這也對保留縮頸工藝的位錯(cuò)排出有積極的作用。

2.3 晶體直徑的影響

Taishi（2019）等通過研究后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)界面之下的生長晶體直徑大于籽晶直徑的情況下，就會(huì)引發(fā)界面邊緣產(chǎn)生位錯(cuò)，其產(chǎn)生是因不完全引晶的影響。相反的，界面的附近并無位錯(cuò)產(chǎn)生，而生長晶體與籽晶的直徑相同時(shí)，θ＝0°處在形成位錯(cuò)的臨界情況下，如圖2 所示。就對直拉法單晶硅而言，熔體液位、提拉速等發(fā)生變化都會(huì)對其直徑造成影響。利用較高熔體溫度雖然能夠?qū)⒁У木w直徑減小，可同時(shí)也需要給予充足的籽晶預(yù)熱時(shí)間，才可以將位錯(cuò)的形成產(chǎn)生抑制作用，進(jìn)而生長無細(xì)頸晶體。位錯(cuò)的產(chǎn)生的應(yīng)力來源即為不變化的問題及其分布不均而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。伴隨直拉法單晶硅的直徑在逐漸的加大，進(jìn)行冷卻的過程中，其外層的降溫速度迅速，但內(nèi)層卻較為緩慢，這令其徑向溫度隨之增加，致使其出現(xiàn)較高熱應(yīng)力。直拉法單晶硅棒在進(jìn)行拉直后受到熱應(yīng)力影響，在尾部就會(huì)出現(xiàn)大量位錯(cuò)，并且其延伸的長度大于與尾部的直徑相等，并發(fā)現(xiàn)了晶體的直徑發(fā)生變化之后，會(huì)出現(xiàn)局部最大應(yīng)力值的狀況，進(jìn)而引發(fā)位錯(cuò)的產(chǎn)生。但是，因?yàn)樯a(chǎn)設(shè)備靈敏度及不可避免因素等方面的影響，當(dāng)前要想令標(biāo)準(zhǔn)圓柱形單晶硅生長出來是較難實(shí)現(xiàn)的。

圖2 籽晶和生長晶體界面附近的X 射線形貌圖

如果在晶體周圍增添上隔熱罩，將側(cè)壁散熱量進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕档?，并且加大硅棒的尺寸，進(jìn)而令更為明顯溫度梯度變化，能夠?qū)釕?yīng)力降低，隨之降低位錯(cuò)發(fā)生概率。因此，對單晶硅直徑改變及熱應(yīng)力變化對于位錯(cuò)產(chǎn)生的影響進(jìn)行研究是有重要意義的。

3 結(jié)語

當(dāng)前，仍需要不斷地進(jìn)行科技創(chuàng)新，就硅材料的要求也在不斷提升，若在關(guān)鍵點(diǎn)上發(fā)生位錯(cuò)的情況，就容易損傷到芯片性能等方面的正常狀態(tài)，進(jìn)而容易造成其他或是更大的損失。對位錯(cuò)形成機(jī)制等進(jìn)行較為深入的了解，且尋找到有效的抑制方法，對提升其性能有重要的作用。因此，本文總結(jié)了國內(nèi)外直拉單晶硅中位錯(cuò)的研究，了解了相關(guān)的影響因素，并著重總結(jié)和討論了雜質(zhì)的影響。主要總結(jié)和分析了直拉單晶硅中位錯(cuò)影響因素的研究進(jìn)展，介紹了直拉單晶中位錯(cuò)的形成和運(yùn)動(dòng)機(jī)理。在介紹直拉單晶硅中位錯(cuò)機(jī)理的前提下，分析了固-液界面、晶種熱沖擊、晶體直徑、雜質(zhì)等因素對直拉單晶硅生長過程中位錯(cuò)的影響，并進(jìn)一步總結(jié)了鱗片、硼、氮氧等雜質(zhì)對直拉硅位錯(cuò)形成的影響。希望通過本文總結(jié)直拉單晶硅中位錯(cuò)影響因素的研究進(jìn)展，加深對這方面的認(rèn)識(shí)，并對相關(guān)研究的改進(jìn)起到積極作用。