直拉硅单晶炉热系统的改造对氧_碳含量的影响.docxVIP

第24卷第3期2009年9月湖南科技大学学报（自然科学版）Journal of Hunan University of Science Technology（Na tural Science Edition）Vol.24No.3Sept.2009直拉硅单晶炉热系统的改造对氧、碳含量的影响申少华，胡波，秦先志（湖南科技大学 化学化工学院，湖南 湘潭411201）摘要：为了降低大直径硅单晶生长过程中所引入的氧、碳杂质含量，提高硅单晶质量，特对18英寸直拉硅单晶炉的热系统进行了改进.实验结果表明，通过改变氩气流向和加热器的尺寸的改进型热系统，可降低了硅单晶中的氧、碳含量，缩短拉制晶体时间，降低消耗功率，提高硅单晶质量.图10，表1，参13.关键词：直拉单晶硅；热系统；氩气流向；加热器；氧、碳含量中图分类号：O 78文献标识码：A文章编号：1672- 9102（2009）03- 0103-05太阳能级直拉硅单晶是高纯材料，对杂质的引入非常敏感.但是，在硅单晶生长的工艺过程中，常常会由于各种原因无意地引入杂质.氧和碳就是直拉硅单晶中最主要的无意引入杂质，这些杂质对硅材料和器件的性能有破坏作用，因此引起人们的高度重视[1].直拉硅单晶中的氧主要来自晶体生长时石英坩埚的污染.液态多晶硅在高温下严重侵蚀石英坩埚，部分SiO则在熔硅中分解，分解的氧便引入熔体中，最终进入硅晶体[1].硅中的氧是以间隙态存在于晶体中，在随后的器件制造工艺过程中，由于硅晶体经历了各种温度的热处理，过饱和的间隙氧会在硅晶体中偏聚和沉淀，形成了氧施主、氧沉淀及二次缺陷，这些缺陷对硅材料和器件的电学性能有破坏作用[2- 4].碳来自多晶硅原料、晶体生长炉内的剩余气体以及石英坩埚与石墨加热件的反应. 反应生成的 CO气体大都进入硅熔体，从而和熔硅反应，留在熔硅中，最终进入晶体.碳在硅中处于替位位置[5]，由于碳原子半径小于硅，使得硅的晶格常数变小，并且造成区域应力[6].硅中的碳会使器件的击穿电压大大降低，漏电流增加，对器件的质量有负面作用.同时碳也会促进氧的沉淀，并与晶体中的微缺陷有直接联系，对硅光电池的光电转化效率影响很大.因此，严格控制硅单晶生长过程中的氧、碳含量就显得尤为重要[1].综上所述，要控制氧、碳含量，首先要求原料为高纯度低碳量的多晶硅，拉晶时保持好的气密性，使用高纯Ar作为保护气体，导流系统合理，在合适的热系统中，通过这些必要条件和措施的配合，可以在熔融阶段控制氧、碳杂质的引入[8- 12].经过多年的努力，目前在太阳能级直拉硅单晶中，传统的18″普通型热系统已将头部氧的含量控制在10~20×1017atoms/cm3，尾部碳的含量控制在1.5~3×1017atoms/cm3[1].基于此，本实验通过对18″普通型热系统的改造，以期降低氧、碳含量.1 实验部分1.1 热系统实验采用HDT- 100 型单晶炉其加热器系统如图1所示.图1（a）为18″普通型热系统：图1（b）为改进型热系统，该热系统经过改造后加热器的高度由575mm降低到562mm，直径由622mm 减小到582mm，改变了普通型热系统中的温度分布.保温筒下部排气改为保温筒上部排气，改变整个热系统的Ar流向，让Ar从保温筒和炉壁之间流动.收稿日期：2009-04-16作者简介：申少华（1964-），男，湖南邵东人，博士，教授，主要从事无机新材料的合成与应用研究.2结果和讨论2.1红外光谱扫描（a）普通型热系统；（b）改进型热系统图 1 单晶炉热场示意图Fig.1 Schematic diagram of hotzone1.2基本实验条件本实验的基本实验条件见表1.表 1 基本实验条件Tab.1 Basic experimentalconditions在室温测量的红外光谱区域硅中间隙氧有三个吸收峰，分别为515cm-1、1107cm-1、1720cm-1，其中的1107cm-1峰最强，替位碳的红外吸收峰位于607cm-1.图2、图3为两个热系统生长晶体中相同位置的头、尾部样片的红外光谱图.坩埚尺寸投料量晶体晶体晶转直径参数速率P100埚转平均（a）普通型样片94. 71.301.2661.19e.c6n1.00a1b0.9r1o s0.8bA0.70.60.54000350030002500200015001000500Wavenumbers/cm-1（b）改进型样片图2“普通型”与“改进型”热系统头部样片红外光谱图Fig.2Thecomparisonofheadwaferlinfraredspectrain“common” and“improved”thermalsystem速率拉速 Ar流量462 mm 60 kg 155mm0.5～6