大直径单晶硅棒径向电阻率均匀性的控制

摘要：通过不同工艺拉制参数和不同冷却方式，研究了单晶头部径向电阻率的均匀性，实验结果表明，提升晶转和埚转后，会使固液界面从下向上运动的高温流增大，起到抑制热对流的作用，提高电阻率的径向均匀性。

关键词：单晶硅棒；电阻率；均匀性

中图分类号：P631文献标识码： A

Procedures to Control the Radial Resistivity Uniformity of Silicon rods with large diameter

Abstract: Through the different process control parameters and different cooling methods on single crystal head, radial resistivity uniformity, the experimental results show that increasing crystal rotation rate and crucible rotation rate, can make the solid liquid interface from the upward movement of high temperature flow increases, rise to inhibit heat convection function, improve the resistance rate of radial uniformity.

Key words: single crystal silicon; resistivity; resistivity uniformity

1 引 言

单晶中径向杂质分布在单晶生长过程中既受分凝的影响，又受到蒸发和坩埚污染的影响[1]。晶体生长界面各处由转动产生的离心力不同，晶体中心离心力最小，边缘离心力最大，在离心力的作用下，熔体沿晶体半径向外流出，抑制了温度较高的熔体由于自然对流向晶体中心移动，由于温度和力学因素作用，单晶边缘生长较快，使单晶生长界面改变[2]。通常情况下，随着晶体转速的增加，单晶生长界面形状由凸向熔体逐渐渐变平，再凹向熔体。只有平坦生长界面，单晶边缘和中心部分的有效分凝系数才相等，杂质浓度一致，电阻率均匀[3]。为使单晶生长界面平坦，在拉晶过程中，适当的改变拉晶速度，加强熔体的对流和扩散，使熔体中杂质分布均匀，可提高单晶径向电阻率均匀性。另外，单晶拉制过程中，由于头部氧施主效应影响，使得单晶头部径向电阻率均匀性较差。本文通过实验分析了大直径单晶硅棒截断面电阻率均匀性的控制方法。

2 实验方法及结果

2.1实验1

在拉制8英寸晶棒过程中，调整等径过程的晶转和埚转，调整前晶转10rpm、埚转8rpm；调整后晶转12rpm、埚转10rpm，其余拉晶参数不变。两种参数各拉制两根单晶硅棒，对比不同参数下的硅片径向电阻率的变化。调整前样品编号是样品1和样品2，调整后样品编号是样品3和样品4。

2.2实验2

选取3根8英寸单晶硅棒，在单晶拉制结束后，正常进入冷却工艺，拆炉后，室内自然冷却30分钟，然后利用风冷方式对8英寸硅棒外表进行快速冷却，1.5小时内达到室内温度为止，样品编号为样品5、样品6和样品7。

2.3取样及测量方法

在实验晶棒的头部取样片，经过退火，消除氧施主效应后，按照GB/T 11073-2007的硅片径向电阻率变化的测量方法，测量电阻率径向不均匀性，其计算方法为：

平均百分变化=[（ρa-ρc）/ρc]×100

其中ρc为硅片中心点测得的两次电阻率平均值，ρa为硅片半径中点或距边缘6mm测得四个电阻率平均值。

两次实验结果对比分别列于表1和表2。

2.4实验结果

表1 不同晶转、埚转参数下的单晶硅棒头部径向电阻率变化

备注：样品1、样品2、样品3预设电阻率为3-6Ω・cm，样品4预设电阻率为1-3Ω・cm.

表2 不同冷却方式下的单晶硅棒头部径向电阻率变化

3 结果分析与结论

从表1数据可看出，样片退火后径向电阻率变化为6.82%和2.1%；而正常条件拉制的两个样片退火后径向电阻率变化分别为14.66%和6.42%，提升晶转和埚转后径向电阻率均匀性较好。因为增加晶转和埚转的速度，会使固液界面从下向上运动的高温流增大，起到抑制热对流的作用[4]，当晶转强迫对流占优势时，生长界面由凸转平，甚至凹向熔体，这样有利于抑制小平面的出现，提高电阻率的径向均匀性。

从表2数据可看出通过风冷方式冷却的晶棒头部径向电阻率比正常冷却的均匀性要好。因为风冷方式是将高温出炉的单晶硅棒进行快速冷却，消除部分原生的氧热施主，促进氧沉淀，从而使得径向电阻率更加均匀。

参考文献

[1]杨德仁.太阳电池材料[M].北京：化学工业出版,2006

[2]闵乃本.晶体生长的物理基础.上海：上海科学技术出版社, 1982

[3]黄有志，王丽. 直拉单晶硅工艺技术. 北京：化学工业出版社, 2009

[4] 张继荣，殷海丰，佟丽英，刘锋，赵光军.n型高阻硅单晶电阻率均匀性的控制[J].半导体学报，2005，26（9）：1764-1767