单晶硅氧杂质的来源及退火的影响
时间：2025-05-13 发布人：admin 点击数：0
单晶硅中除原生点缺陷以外,与氧杂质相关的缺陷也是影响其品质的重要因素。 如图所示，氧杂质的主要来源是石英坩埚，硅原料和坩埚壁。氧元素与硅在高温条件下的反应为：Si+SiO2= 2SiO石英坩埚在高温和熔体冲刷的共同作用下释放氧杂质，使得氧杂质能够通过硅熔体从坩埚壁进入晶体中。 单晶炉内的惰性气体所携带的氧以及硅原料自身所含的氧是氧杂质的次级来源。 杂质氧原子通过熔体对流、分子扩散在熔体中混合后,部分溶解在硅熔体中的氧被转移到熔体表面进而被自由液面上方的氩气流带走,而流向固液界面的氧在固液界面处经过分凝作用进入单晶硅棒中。 进入硅晶体中的氧固溶度随着温度的降低而降低,而氧原子主要在高温(1420℃左右)时引入,因此在单晶硅生长完成后,氧杂质以过饱和间隙态的形式存在,后续退火处理时,过饱和氧原子又重新扩散团聚形成氧团簇、氧沉淀等复合物。 其中氧沉淀虽然可以提高硅片的强度,在硅片中起到吸附金属杂质的作用，但是在低温退火处理时氧杂质会与空位以及其他杂质形成氧热施主缺陷,从而在后续制备器件时影响其性能。 有研究发现，与低氧热施主杂质含量相比，当氧热施主浓度接近 1015cm-3 时，太阳能电池的绝对效率降低接近1%，而导致该器件效率下降的主要原因可能是一定浓度的氧热施主在硅禁带中位于导带底部 0.13eV(Ec-0. 13 eV)处引入的杂质能级对载流子的俘获作用，导致载流子寿命的下降，进一步引发了太阳能电池效率的降低。因为氧的主要来源是石英坩埚，所以生长工艺、熔体的对流、氩气的流速、单晶硅炉体的结构等因素都会影响硅晶体中氧杂质的分布。 李太研究了不同拉晶速度和不同埚转或晶转条件下 Cz-Si 中氧杂质的分布。 研究发现,当拉晶速度变化、晶/ 埚转不变时,随着晶体拉速的提升，单晶硅棒中氧杂质浓度相应增加，在半径方向呈现出由中心向边缘递减的趋势(见图 7a、b)；当拉晶速度不变，晶转(Rcry)和埚转(Rcru )以不同转速匹配时,Rcry >Rcru，单晶硅棒内的氧杂质浓度较低。在满足Rcry>Rcru的前提下，氧杂质浓度随着Rcry与Rcru差值的增加而降低，且在晶转为10r/min、埚转为-4r/min(此处负号代表与晶转相反的方向)时最低(见图 7c、d)。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直拉单晶硅无论是在生长阶段还是退火处理阶段，所经历的温度往往高于1100℃ 。Sueoka 等在1100 ℃退火条件下对直拉硅单晶中氧化物沉淀的生长过程进行研究，得到氧沉淀的形成公式为：(1+y)Si + 2Oi+ xV↔SiO2+ yI + Φstrain式中：x 为形成 SiO2 时消耗的空位数量，y为形成 SiO2 时，释放出的间隙硅原子数量，Φ strain为形成 SiO2 时产生的应力，Oi为间隙氧原子，I是间隙硅原子。通常认为，SiO2 的体积是 Si 原子的 2. 25倍，因此氧与硅原子以及空位结合形成氧沉淀时会在硅晶格内引入压应力，迫使更多的硅原子脱离晶格形成自间隙硅原子，从而抑制氧沉淀的生成；反之，当晶体中间隙氧原子或者空位浓度较高时，会促进氧沉淀的生成。与此同时，氧沉淀产生时在硅晶格内引入的压应力会进一步在硅晶体中引发层错、位错等二次缺陷。Sueoka 等利用红外光散射断层扫描研究了生长速率约为1.1mm/ min 的 Cz-Si 晶体中氧化物的形貌和尺寸。 结果表明：氧杂质生长的基体是在 700~1000 ℃时形成的，在高于1000℃时形成氧多面体沉淀，且氧多面体的长度约为80nm。 董鹏采用 Kissinger 等发明的方法，研究了300mm直拉硅中氧沉淀的径向分布规律，在硅片径向的五个不同区域中各选取多个样品，分别从500、600、700℃开始以1℃/min或3℃/min 的升温速率升温到1150 ℃并保温8h。发现随着初始热处理温度的升高，硅片中氧沉淀的密度会下降，在1℃/min 的升温速率下,原生氧沉淀的密度较大,而在3℃/min 的升温速率下，原生氧沉淀密度较小，但是最后氧沉淀的尺寸较大。 造成这种现象的原因可能是在 3 ℃ / min 的升温速率下,小的氧团簇没有足够的时间生长成稳定的形核中心,导致其溶解无法继续长大形成氧沉淀。 Kot 等在总结目前氧沉淀组分研究现状的同时,采用能量色散光谱(EDX)、电子能量损失谱(EELS)、傅里叶红外光谱(FTIR)等分析手段对氧沉淀多面体的组分进行了研究(见图 8),EELS 光谱检测出了 SiO2 和 SiO 损失谱,说明氧沉淀成分主要为 SiO2 ,与此同时他们还指出在板状氧沉淀物和多面体氧沉淀表面包覆了一层 2 ~ 3 nm 的 SiO。 由式(2)可知,除了晶/ 埚转和热历史对氧杂质在硅晶体中的浓度和分布有影响外,原生点缺陷对直拉单晶硅中氧沉淀的行为也有很显著的影响。点缺陷(如自间隙硅原子和空位)的浓度会改变氧沉淀的临界形核半径,从而对氧沉淀的同质形核产生明显的影响,其中空位可以与氧形成复合体并作为氧沉淀的异质形核中心,促进氧沉淀的形成。 姬祥[57]采用相场法建立了描述快速热处理(RTP)后硅片中氧聚集体和氧沉淀演变行为的相场模型,分别探究了不同初始空位浓度和低温退火温度及高温退火温度对氧沉淀演变的影响规律。研究发现,当初始空位的浓度增加时,氧聚集体数量也会增加,且随着退火温度的升高会先增加后减小;设定初始空位浓度不小于 1×10^15cm-3、退火温度为 1 075~1 175 K 的初始条件有利于氧聚集体形成;而初始空位浓度小于 1×10^12cm-3、退火温度低于 900 K 时,几乎无法获得氧聚集体。欢迎加入我的知识社区，国内资料较全的 硅基产业链的学习平台，内有上千份行业资料，内容比文章丰富很多，适合快速提升个人能力。
