直拉法單晶硅中位錯影響因素的研究進展★

呂 濤，張 波，羅曉斌，郭 衛

（山西潞安太陽能科技有限責任公司，山西 長治 046000）

0 引言

制備單晶硅的主要方法包括直拉法與提拉法，其發明者為波蘭的科學家Czochralski，發明時間為1916年。就直拉法單晶硅而言，因其具備晶體缺陷較少、純度較高等優點，在太陽能電池以及半導體工業中廣泛應用。而硅中有害性最顯著，并且最常見的一種缺陷即為位錯問題，其可縮短少子的壽命，并且令金屬雜質聚集在一起，進而發生電流漏出的狀況。同時，還能夠令單晶變成多晶，進一步致使結構出現損失。因此，本文通過對國內外有關直拉法單晶硅位錯相關研究情況進行總結歸納，了解其主要影響因素，并對雜質影響著重進行總結及討論。

1 位錯形成及運動

在本章節當中，會重點直拉法單晶硅位錯的形成及運動進行分析，主要將從以下兩個角度加以闡述，具體如下所示。

1.1 位錯形成

趙澤鋼（2018）表示在直拉法單晶硅當中，主要的位錯呈現形式就包括螺型與混合型兩種。而致使錯位發生的主要因素有以下幾方面：因為內應力而產生的，主要表現為晶體內部溫度的分布不均衡致使的熱應力而發生的位錯、沉淀物以及雜質，在直拉法單晶硅中因不同的熱膨脹系數與熱導系數令內應力產生；因為外盈利而產生的，主要表現為進行晶片加工的過程中造成其表現的損傷，如膜片、拋光等過程中造成的損害或傷害，在進行高溫處理后進而產生位錯問題[1]。

1.2 位錯運動

劉恩科（2019）表示在直拉法單晶硅當中，存在著一種位錯芯的結構，其可能引發重構，進而因重構而影響位錯電活性消失。而位錯應力場同雜質互相作用，令雜質優先沿著錯危險發生沉積反應。而溶解度較小且在硅中可以實現迅速擴散的金、鐵等重金屬雜質，其沉積反應更加容易發生，進而致使導電通道出現。如果氮或是氧等原子于位錯線上沉積（實際上處在某種鍵合狀態下），能夠將位錯釘住，令位錯不同意攀移與滑移[2]。

2 直拉法單晶硅中位錯影響因素

在本章節中，將主要針對直拉法單晶硅之中位錯的影響因素展開探究，主要包括固液界面、籽晶熱沖擊、晶體直徑以及雜質方面影響作用。具體的整理及分析情況如下。

2.1 固液界面的影響

NOGHABI O A（2018）等表示一般情況下，熔體與晶體間的固液界面的形狀是由晶體、熔體以及環境溫度分布情況而決定的。同時，生長條件還會影響到固液界面形狀，例如氣體產生的對流與壓力作用、提拉的速度影響等等。就固液界面的形狀而言，可能會有凸形、凹形或是平面出現，甚至還會變為W 形等，并發現W 形能夠對晶體中心壓縮應力起到緩解作用，進而令形成位錯的概率降低。而相較于較為平坦的固液界面而言，向著溶體面凸出的固液界面附近的切應力應是更大的，尤其是相比中心而言，邊緣的切應力要大幾倍之高。截面朝向溶體凸出的情況下，其界面附近位置也就會發生位錯的情況；當處在一種平坦狀態的情況下，也就會起到相應的抑制作用，進而避免的位錯發生，即凸界面前切應力要比平面籽晶高。固液界面的不同形態對于位錯發生有不同的影響作用，通過對提拉速度等影響因素來對其界面曲率加以控制，將界面的波動減少，進而對形成位錯的抑制作用有利。

2.2 籽晶熱沖擊的影響

鄭加鎮（2019）表示在直拉法單晶硅的生長初期階段，在籽晶于硅熔體的表面侵入的時候，有可能會因熱沖擊而受到影響，而在籽晶當中發生位錯時，位錯會延伸至生長晶體中并造成影響（見圖1）。固液界面的不同形態對于位錯發生有不同的影響作用，通過對提拉速度等影響因素來對其界面曲率加以控制，將界面的波動減少，進而對形成位錯的抑制作用有利[3]。若有效地將縮頸技術加以利用，則就能夠實現引晶環節的位錯排除。但對加大的直拉法單晶硅而言，細頸較難撐起其質量。因此，其提出直拉法單晶硅夾持提拉方法，在長晶后期階段，夾持壁夾持硅棒并提拉，最大程度降低細頸位置的質量，繼續提拉硅棒也不會對其旋轉活動造成影響，進而將大重量直拉法單晶硅的細頸較難承受質量的難題解決，這也對保留縮頸工藝的位錯排出有積極的作用。

2.3 晶體直徑的影響

Taishi（2019）等通過研究后發現，當界面之下的生長晶體直徑大于籽晶直徑的情況下，就會引發界面邊緣產生位錯，其產生是因不完全引晶的影響。相反的，界面的附近并無位錯產生，而生長晶體與籽晶的直徑相同時，θ＝0°處在形成位錯的臨界情況下，如圖2 所示。就對直拉法單晶硅而言，熔體液位、提拉速等發生變化都會對其直徑造成影響。利用較高熔體溫度雖然能夠將引晶的晶體直徑減小，可同時也需要給予充足的籽晶預熱時間，才可以將位錯的形成產生抑制作用，進而生長無細頸晶體。位錯的產生的應力來源即為不變化的問題及其分布不均而產生的熱應力。伴隨直拉法單晶硅的直徑在逐漸的加大，進行冷卻的過程中，其外層的降溫速度迅速，但內層卻較為緩慢，這令其徑向溫度隨之增加，致使其出現較高熱應力。直拉法單晶硅棒在進行拉直后受到熱應力影響，在尾部就會出現大量位錯，并且其延伸的長度大于與尾部的直徑相等，并發現了晶體的直徑發生變化之后，會出現局部最大應力值的狀況，進而引發位錯的產生。但是，因為生產設備靈敏度及不可避免因素等方面的影響，當前要想令標準圓柱形單晶硅生長出來是較難實現的。

圖2 籽晶和生長晶體界面附近的X 射線形貌圖

如果在晶體周圍增添上隔熱罩，將側壁散熱量進行適當的降低，并且加大硅棒的尺寸，進而令更為明顯溫度梯度變化，能夠將熱應力降低，隨之降低位錯發生概率。因此，對單晶硅直徑改變及熱應力變化對于位錯產生的影響進行研究是有重要意義的。

3 結語

當前，仍需要不斷地進行科技創新，就硅材料的要求也在不斷提升，若在關鍵點上發生位錯的情況，就容易損傷到芯片性能等方面的正常狀態，進而容易造成其他或是更大的損失。對位錯形成機制等進行較為深入的了解，且尋找到有效的抑制方法，對提升其性能有重要的作用。因此，本文總結了國內外直拉單晶硅中位錯的研究，了解了相關的影響因素，并著重總結和討論了雜質的影響。主要總結和分析了直拉單晶硅中位錯影響因素的研究進展，介紹了直拉單晶中位錯的形成和運動機理。在介紹直拉單晶硅中位錯機理的前提下，分析了固-液界面、晶種熱沖擊、晶體直徑、雜質等因素對直拉單晶硅生長過程中位錯的影響，并進一步總結了鱗片、硼、氮氧等雜質對直拉硅位錯形成的影響。希望通過本文總結直拉單晶硅中位錯影響因素的研究進展，加深對這方面的認識，并對相關研究的改進起到積極作用。