单晶硅性能的实验研究

摘要： 对三根优质单晶硅的性能进行了实验研究，对电阻率、氧含量、碳含量、少子寿命等进行了检测。结果表明：当单晶炉内压强为1300 Pa时，所生产出的单晶硅质量最佳，其电阻率为0.7，少子寿命为9.8，含碳量为3.3×1018atoms/cm3，含氧量为0.46×1018 atoms/cm3。

Abstract： The experimental study of three high-quality monocrystal silicons have been carried， the resistivity， minority carrier lifetime，oxygen content， carbon content were tested. The results show that when the production process of Monocrystal furnace's pressure is 1300 Pa， the best quality monocrystalline silicon can be produced， the resistivity is 0.7， the minority carrier lifetime is 9.8， the carbon content is 3.3×1018 atoms/cm3， the oxygen content is 0.46×1018 atoms/cm3.

关键词： 单晶硅；电阻率；少子寿命；含碳量；含氧量

Key words： monocrystal silicon；resistivity；minority carrier lifetime；oxygen content；carbon content

中图分类号：TB321 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）21-0098-02

0 引言

随着电子工业和半导体工业的巨大发展，硅材料作为半导体工业的基础，也得到了迅速发展，成为当代信息技术产业的支柱，正引起越来越多的关注和重视，国内外学者对单晶硅也进行了大量的研究[1-4]。本论文分别对三根单晶硅棒样品进行了产率、消耗率的计算，并且对电阻率、氧含量、碳含量、少子寿命等进行了检测。

1 单晶棒初步检测及计算

初步对三种不同工艺参数下（炉内压力：1号炉1000 Pa，2号炉1300 Pa，3号炉1600 Pa）生产出的三根单晶棒的质量，直径，剩余料（埚底料）等进行检测，结果分别为：1号炉单晶棒质量为82.08kg，埚底质量为0.65kg，引晶长度为150mm，尾长度为156mm，晶棒的质量约170～173mm；2号炉单晶棒质量为82.62kg，埚底质量为1.45kg，引晶长度为150mm，尾长度为153mm，晶棒的质量约170～173mm；3号炉单晶棒质量为82.23kg，埚底质量为1.73kg，引晶长度为150mm，尾长度为160mm，晶棒的质量约171～174mm。

产率和消耗率都是衡量单晶硅生产效益最重要的标尺。产率越高，消耗率就会越低，经济效益也就越高。

产率的计算公式：

η=m1/m×100%（1）

消耗率的计算公式：

n =（m-m1-m2）/m×100% （2）

式中：η为产率；n为消耗率；m为装料量；m1为单晶棒质量；m2为埚底质量。

对三个单晶炉内单晶硅棒的产率和消耗率进行计算，结果分别为：1号炉，产率为96.56%，消耗率为2.67%；2号炉，产率为97.20%，消耗率为1.22%；3号炉，产率为96.74%，消耗率为1.32%。

由计算结果进行分析可知，在2号炉内生产出的单晶硅产量最高，消耗率最低，所以单晶硅压力为1300 Pa时，最适合单晶硅生产。

2 单晶硅性能检测及研究

单晶硅检测按照p型（100）方向质量标准进行检测，其标准为：电阻率0.5～3Ω・cm，少子寿命>5.0us，碳含量

2.1 电阻率

电阻率是用来表示各种物质电阻特性的物理量。用某种材料制成的长1m、横截面积是1mm2的，在常温下（20°C时）导线的电阻，叫做这种材料的电阻率。电阻率的单位是欧姆・米（Ω・m），常用单位是欧姆・毫米和欧姆・米。

对不同压力下的单晶硅棒的电阻率进行检测，结果分别为：1号炉为0.7Ω・cm；2号炉为0.7Ω・cm；3号炉为0.7Ω・cm。

由检测结果可知：生产出的单晶棒的电阻率符合p型（100）方向质量的检测标准，并且不同炉压下单晶棒的电阻率完全相同，说明单晶棒的电阻率不受生产压力的影响。

2.2 少子寿命

少子寿命是半导体材料和器件的重要参数，也是表征单晶硅质量的一个重要因素参数，它是与半导体中的重金属含量、晶体结构的完整性相关的物理量，直接反映了材料的质量和器件特性。能够准确的得到这个参数，对于半导体器件制造具有重要意义[5]。

对不同压力下的单晶炉的少子寿命进行检测，检测结果分别为：1号炉为6.62us；2号炉为9.8us；3号炉为7.86us。

由检测结果可知：不同炉压力下生产出的单晶棒的少子寿命完全符合p型（100）方向质量的检测标准。单晶炉压力为1000Pa时，生产出的单晶棒的少子寿命为6.62；压力为1300 Pa时，生产出的单晶棒的少子寿命为9.8；压力为1600 Pa时，生产出的单晶棒的少子寿命为7.86。可见，在压力为1300 Pa时，少子寿命最长。

2.3 碳含量

对不同压力下的单晶炉的碳含量进行检测，检测结果分别为：1号炉碳含量为4.5×1018atoms/cm3；2号炉碳含量为3.3×1018atoms/cm3；3号炉碳含量为3.4×1018atoms/cm3。

由检测结果可知：不同单晶炉压力下生产出的单晶棒的碳含量符合p型（100）方向质量的检测标准。当炉压力为1000 Pa时，生产出的单晶棒的碳含量为4.5×1018 atoms/cm3；炉压力为1300 Pa时，生产出的单晶棒的含碳量为3.3×1018atoms/cm3；单晶炉压力为1600 Pa时，生产出的单晶棒的含碳量为3.4×1018atoms/cm3。可见，在压力为1300 Pa时，碳含量最少。

2.4 氧含量

对不同压力下的单晶棒的氧含量进行检测，检测结果分别为：1号炉氧含量为0.45×1018atoms/cm3；2号氧含量为0.46×1018atoms/cm3；3号炉氧含量为0.64×1018atoms/cm3。

由检测结果可知：不同单晶炉压力下生产出的单晶棒的氧含量符合p型（100）方向质量的检测标准。在单晶炉压力为1000 Pa时，所生产出的单晶棒的含氧量为0.45×1018atoms/cm3；单晶炉压力为1300 Pa时，所生产出的单晶棒的含氧量为0.46×1018atoms/cm3；单晶炉压力为1600 Pa时，所生产出的单晶棒的含氧量为0.64×1018atoms/cm3。可见，在压力为1000 Pa时，氧含量最少。

通过对单晶硅的电阻率、少子寿命、碳含量、氧含量的检测结果分析比较，得出：不同压力下单晶硅的电阻率相同；在1300 Pa时，单晶棒的少子寿命最长，氧含量比1000 Pa时略大，碳含量最少。因此在压力为1300 Pa时生产出的单晶棒最佳。

3 结论

通过控制不同的工艺参数（炉内压力：1000 Pa，1300 Pa，1600 Pa），成功生产出了三根单晶硅棒，分别对这三种单晶硅样品进行了产率、消耗率计算，并对电阻率、氧含量、碳含量、少子寿命进行了检测。结果表明：三根单晶棒都符合生产要求。通过综合分析，当单晶炉内压强为1300 Pa时，所生产出的单晶硅质量最佳（产率：97.20%，消耗率：1.22%，电阻率：0.7 Ω・cm，氧含量：0.56×1018atoms/cm3，碳含量：3.8×1018atoms/cm3，少子寿命9.83 us）。

参考文献：

[1]王小月.单晶硅纳米压痕/划痕过程的有限元仿真分析与实验研究[D].长春：吉林大学，2012.

[2]于楠.单晶硅纳米加工仿真及实验研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.

[3]王兴普，段良飞，廖承菌，等.单晶硅制绒的实验研究[J].太阳能学报，2014.

[4]田嘉彤，冯仕猛，王坤霞，等.单晶硅表面金字塔生长过程的实验研究[J].光子学报，2011.

[5]杨德仁，樊瑞新，姚鸿年.材料科学与工程[M].北京：机械工业出版社，2008.