结果和讨论
表1为不同导流方式下直拉单晶硅棒的平均拉速、碳氧含量等相关数据。
表1. 不同导流方式下拉制单晶硅棒的拉速、碳氧含量等数据
因直拉单晶硅棒重量主要集中于等径阶段,故此表中平均拉速为等径过程晶体平均生长速度,计算公式为: ,其中参数l和t分别为等径总长度和等径所用总时间。采用复合导流方式,其平均拉速要高出普通导流方式4.52 mm/hr,这可缩短了拉制晶体的时间,减少了热系统的能耗。
为了更好了解等径拉速 变化情况,图2给出了等径过程晶体拉速随晶体长度的变化曲线。安装石英直筒后,整体晶体拉速显著提高,这主要是因为石英直筒的引入加快了结晶潜热的释放,当氩气从副室顶充入至阀室后,由石英直筒将上部气流汇集成圆柱束状气流延伸至石墨热屏上方处,氩气流速大大提升,然后经过石墨热屏导流吹至硅熔体上方,在拉制晶体时,晶体高度不断地增加,慢慢地进入了石英直筒,这便对氩气流动产生了阻碍,然而却促进了氩气流速进一步增加,氩气流沿着晶体表面急速流动,使得晶体散热较快,间接地增加了晶体的轴向温度梯度,从而引起拉速大幅度提升,如图2所示,当等径长度到达200mm后,RPSY拉速比RP明显要高;同时,晶体的不断生长导致了熔体的减少和坩埚位置的升高,为防止埚内结晶,需加功率补温,等径后期晶体也慢慢地进入阀室内,所以后期二者拉速有些回升而且差值变化不大。
直拉单晶硅过程中由于碳氧杂质分凝的系数不同(KO=1.25;KC=0.07),形成了氧含量头高尾低,而碳含量相反。基于此现象,测试了头部氧含量和尾部碳含量如表1所示。可以看出,RPSY方式下生长的晶体头部氧、尾部碳含量都要低于RP,特别是头部氧含量降低较为显著。这说明复合导流对SiO、CO等气尘杂质的排出是非常有效的。因为直拉硅中氧主要来自于石英坩埚内壁与硅熔体的反应,而碳除了原料影响外,主要来自于石英坩埚外壁与石墨件的反应,反应方程式分别为:
SiO2(固体)+Si(液体)=2SiO(气体);
SiO2(固体)+C(固体)=2SiC(固体)+CO(气体)