单晶硅生长过程中杂质为什么分凝？
时间：2025-04-07 发布人：admin 点击数：0
为了控制半导体的性质，我们需要人为的掺入微量的Ⅲ族（如镓）或Ⅴ族（如磷）元素杂质。Ⅲ族在硅中能接受电子而产生导电空穴并形成正电中心，称他们为受主杂质或 p 型杂质。Ⅴ族杂质在硅中电离时能释放电子而产生导电电子并形成负电中心，称他们为施主杂志或 n 型杂质。除了认为地掺入微量的元素外，在晶体生长过程中会不可避免地引入其他杂质元素，这些元素可能是原料不纯、坩埚高温分解的等带进一些杂质，这些杂质最后可能作为原子或离子的状态进入到晶体里。微量的杂质元素可以显著地改变晶体的性能。我们需要了解晶体生长过程中这些杂质在熔体中是如何分布的，以及影响晶体杂质分布的主要因素有哪些。了解杂质的分布规律，再利用这些规律改变生产条件来制备杂质均匀的单晶硅。硅熔体的杂质在结晶过程中由于分凝现象，杂质在单晶硅棒的生长过程中并不是均匀分布的，其浓度随着晶棒的空间位置而变化。在硅熔体中杂质的运输机制主要由浓度梯度引起的扩散运输，以及熔体的宏观对流引起的传输。磷杂质分凝示意图如图所示。直拉法生长系统的坩埚中通常存在自然对流和强迫对流，由于主加热器在坩埚的侧壁面处加热，硅熔体产生了径向温度梯度，由于热膨胀的关系引起熔体的密度差，自然对流的驱动力就是熔体的密度差异产生的浮力。为了维持熔体中的杂质均匀以及热场的稳定，通常晶体和坩埚都是以一定的转速旋转的，晶体和坩埚的旋转使得流体产生加速度，当熔体的惯性力克服了黏滞力的时候，熔体就产生强迫对流。晶体中的溶质浓度分布也与溶液的自然对流、溶液的强迫对流有关。扬州晶格半导体-提供超大尺寸柱状多晶硅、单晶硅材料，并可定制加工各类硅部件、硅锭、硅棒、硅环、硅管、硅靶材。17826693981单晶硅晶体生长过程是一个相对缓慢的过程，因此可以近似把晶体的生长过程当作是热力学平衡的过程，这时可以把溶液和固溶体共存的平衡条件应用在晶体生长的固液界面中。假设固液界面处晶体的溶质平衡浓度为𝐶𝑠0，则熔体中的溶质平衡浓度为𝐶𝐿0，就有𝑘0 = 𝐶𝑠0/𝐶𝐿0。对于晶体生长的固液界面处𝑘0 = 𝐶𝑠0/𝐶𝐿0总是成立的。溶质的分凝系数可以小于 1 或者大于1，比如磷杂质的分凝系数是 0.35，氧的分凝系数为1.27，当𝑘0＜1 时，在固液界面处单位体积熔体结晶时，溶质分凝到晶体的溶质要比留在熔体中的多，随着晶体的生长，熔体中的溶质浓度𝐶𝐿0 越来越高，因为𝑘0是不变的，随着晶体的生长晶体中的溶质浓度𝐶𝑠0会越来越高，所以𝑘0<1的溶质在晶棒中是呈头低尾高的趋势，磷杂质在晶体中就是呈现头低尾高的趋势。同理𝑘0> 1时，溶质分凝到晶体的溶质要比留在熔体中的少，随着晶体的生长，熔体中的浓度越来越低导致晶体的浓度也越来越低，所以溶质在单晶棒中头高尾低。杂质在晶体中的分布是由它们在结晶过程期间在硅熔体中的运输来决定的。单纯的热力学平衡过程不足以解释溶质的分布，我们还需对晶体生长的物理模型进行定义。在晶体的实际生长过程中，晶体的生长并不是无限缓慢的，而是以一定的速率进行的，此时溶质在熔体中会发生扩散效应。晶体在重力场中生长，总是伴随着自然对流，为了加速热量与溶质的传输，进行人为的搅拌，熔体中自然对流与强迫对流同时存在，因此除了扩散效应，还需要考虑对流对溶质分凝的影响。晶体生长期间的熔体流动确保了从熔体到固-液界面的质量传输，因此它限定了分凝到晶体中的杂质的量。这些机制导致沿着晶体高度的非均匀杂质浓度。在封闭系统的情况下，其中不发生固态的掺杂剂蒸发或扩散，并且存在足够的熔体混合以确保熔体中均匀的杂质分布，杂质分布由 Gulliver-Scheil 方程决定:其中𝐶𝑆是单晶硅中的杂质浓度，𝐶0是凝固开始之前熔体中的初始杂质浓度，𝑓𝑆是凝固材料的分数，𝑘𝑒𝑓𝑓是有效分凝系数，其被定义为晶体𝐶𝑆和熔体𝐶𝐿中的杂质浓度的比。𝑘𝑒𝑓𝑓取决于平衡偏析系数𝑘0（磷的平衡偏析系数为 0.35）、杂质在熔体中的扩散系数𝐷、晶体生长速率𝜐和固液界面处的边界层厚度𝛿。
