半导体材料与工艺之多晶硅锭定向凝固生长方法.ppt

完 * 届 * 定向凝固中的一些工艺参数 温度梯度(GL) 太阳能电池硅锭定向凝固的前提条件就是在固-液界面前沿建立必要的温度梯度，也就是要求GL 0，温度梯度的大小直接影响晶体生长速率和晶体质量。 将凝固速率当成热量在一维空间的传热，这里有热传导方程: 定向凝固中的一些工艺参数 设坩埚在横向是等截面，那么在公式(3)中: R为凝固速率; L为生长单位质量晶体所放出的结晶潜热; ρm为熔点附近熔体密度; λs和λL分别为晶体和熔体的导热系数; Gs和GL分别为固相和液相的温度梯度。 定向凝固中的一些工艺参数 设λs和λL为为常数，则在凝固速率R一定时， Gs和GL成正比。 通过增大Gs来增强固相的散热强度，是获得大GL的重要途径，同时，这样也会使凝固速率增大。 在实际定向凝固中常用提高固-液界面前沿的液相温度来达到提高GL的目的。 定向凝固中的一些工艺参数 但并非GL越大越好，熔体温度过高，会导致熔体挥发、分解以及受到污染，从而影响晶体的质量。而固相的温度梯度Gs过大，会使生长着的晶体产生很大的热应力，甚至是晶体开裂。 铸造多晶硅在生长时，生长系统必须很好地隔热，以便保持熔区温度的均匀性，没有较大的温度梯度出现;同时，保证在晶体部分凝固、熔体体积减小后，温度没有变化。 定向凝固中的一些工艺参数 凝固速率(R) 影响温度梯度的因素，除了热场本身的设计外，冷却速率起决定性的作用。 通常晶体的生长速率越快，生产效率越高，但其温度梯度也越大，最终导致热应力越大，而高的热应力会导致高密度的位错，严重影响材料的质量。 因此既要保持一定的晶体生长速率;又要保持尽量小的温度梯度，降低热应力并减少晶体中的缺陷。 定向凝固中的一些工艺参数 凝固速率(R) 通常，在晶体生长初期，晶体生长速率尽量的小，以使温度梯度尽量的小，来保证晶体以最小的缺陷密度生长; 然后，在可以保持晶体固-液界面平直和温度梯度尽量小的情况下，尽量的高速生长以提高生产效率。 铸造多晶硅 由于制造铸造多晶硅的原料主要为微电子工业剩下的头尾料，所以其体内的杂质含量很高。 其次，铸造过程中产生大量的应力，可能导致大量位错产生还有，采用这种工艺，坩埚只能用一次，生产成本增加。 铸造多晶硅中杂质的大致含量 多晶硅中的杂质 铸造多晶硅中的杂质和缺陷及改善工艺 铸造多晶硅的原料来自半导体工业剩下的头尾料，再加上来自坩埚的玷污。所以杂质的含量明显高于单晶硅材料。显著地降低多晶硅材料的电学性能。 多晶硅中的杂质 (1)多晶硅中的氧 (2)多晶硅中的碳 (3)多晶硅中的过渡族金属元素 多晶硅中的杂质(1)多晶硅中的氧 氧是多晶硅中的一种非常重要的杂质，它主要来自于石英坩埚的玷污。在硅的熔点温度下，硅和二氧化硅发生如下反应: Si+SiO2→2SiO 一部分SiO从熔液表面挥发掉，其余的SiO在熔液里分解，反应如下: SiO→Si+O 石英坩埚由石墨材料支承，石英与石墨发生反应，形成CO而进入炉内气氛,CO亦会与Si熔体作用而使氧和碳进入Si。 氧在硅熔体中的传输受到许多因素的影响，如水平对流、扩散、熔体表面蒸发、坩埚污染和硅锭生长速度等，但主要还是依赖于热流，氧在硅熔体中的分凝系数通常被认为是大于1，在凝固过程中分凝机制对于氧在硅中的传递和分布起着重要作用，凝固后从硅锭底部向头部氧浓度逐渐降低，侧部由于与坩埚接触，氧含量也相对较高。 多晶硅中的杂质(1)多晶硅中的氧 多晶硅中的杂质(1)多晶硅中的氧 虽然低于溶解度的间隙氧并不显电学活性，但是当间隙氧的浓度高于其溶解度时，就会有热施主、新施主和氧沉淀生成，进一步产生位错、层错，从而成为少数载流子的复合中心。 在多晶硅吸杂时发现，当间隙氧的浓度低于7×1017时，磷吸杂效果十分显著;相反高于此浓度时，吸杂效果不明显甚至更差。 多晶硅中的杂质(2)多晶硅中的碳 碳主要来源于石墨坩埚或石墨托的玷污。在硅锭的生长过程中反应产生CO,CO与硅熔体表面接触并溶解。 处于替代位置的碳对材料的电学性能并无影响，但是当碳的浓度超过其溶解度很多时，就会有SiC沉淀生成，诱生缺陷，导致材料的电学性能变差。近年来的一些研究还表明，在多晶硅中还易产生尺寸较大的SiC团块，往往与棒状的Si3N4,结合在一起形成硬质夹杂，从而影响硅锭的切割。 在快速热处理时，Al-P共同吸杂效果明显依赖于碳的浓度。同氧一样，碳在多晶硅中的行为十分复杂，有关它们对材料电学性能的影响，需要进一步的研究。 多晶硅中的杂质(2)多晶硅中的碳 硅中的碳元素来源也有两个，一个是金属硅中所带来的。如果金属硅吹氧不充分，可能会将一些碳元素带入硅中，另外，在多晶硅和单晶硅炉中，由于通常采用石墨加热件和碳毡保温体，因此在高温下会有碳蒸汽的挥发进入到硅中，也会增加硅中的碳含量。 但由于碳的分凝系数只有0.0