第九章 单晶硅制备 杂质分凝和氧污染
单晶硅生产工艺流程原理
单晶硅生产工艺流程原理单晶硅是一种重要的半导体材料，广泛应用于电子器件制造中，特别是在集成电路行业中扮演着关键角色。
单晶硅的制备是一个复杂而精细的工艺过程，需要经过多个步骤才能获得高纯度的单晶硅材料。
下面将介绍单晶硅的生产工艺流程原理。
原料准备单晶硅的生产过程以硅矿石为主要原料。
首先需要将硅矿石经过多道精炼工艺，去除杂质，得到高纯度的硅原料。
这些原料经过淬火、压制等处理后，形成硅棒的初始坯料。
制备硅棒制备硅棒是单晶硅生产的第一步，该过程采用Czochralski法（简称CZ法）或区熔法（简称FZ法）等方法。
在CZ法中，将初始坯料放入石英坩埚中，加热至高温熔化。
然后，在控制的条件下，缓慢降温并用旋转晶稳定法拉出硅棒。
晶棒切割硅棒制备完成后，需要将硅棒切割成薄片，常用的方法是采用金刚石线锯或者线切割机。
这一步骤旨在减小硅片的厚度，方便后续加工。
晶片处理切割后的硅片需要经过多道化学和物理处理，以去除表面杂质和缺陷。
包括去除氧化层、清洗、抛光等工艺，以确保硅片的表面光洁度和纯净度。
晶片生长经过处理后的硅片用作单晶硅的生长基板。
在生长炉中，将硅片加热至高温，通过控制炉内气氛和温度，使硅片逐渐生长为单晶体。
这一步骤需要高度精密的操作和控制，以确保单晶硅的质量和纯度。
晶片切割生长完成后的单晶硅坯料需要进行切割，以得到符合尺寸要求的硅片。
切割方法包括金刚石刀切割、线切割等，确保硅片的准确尺寸和表面光洁度。
清洗和包装最后一步是对切割后的硅片进行清洗和包装。
在超纯水和化学溶剂中清洗硅片表面，去除残留的杂质和可溶性物质，然后精密包装，避免受到环境污染和损坏。
通过以上几个关键步骤，单晶硅的生产工艺流程得以完整实现。
每一个步骤都需要高度精密的操作和控制，以确保最终生产出高纯度、高质量的单晶硅材料，以满足电子器件制造的需求。
单晶硅的生产工艺虽然复杂，但正是这一系列精细工艺的完美结合，才使得单晶硅成为半导体产业中不可或缺的重要材料。
单晶硅生长技术及氧缺陷控制方法
单晶硅生长技术及氧缺陷控制方法摘要：目前电子信息技术以及光伏技术飞速发展，而作为此类技术的基础材料，硅发挥了重要作用。
从某些角度分析，硅（Si）影响了未来科技的发展，是高薪技术进步的基础，因此国家想要发展自身在能源领域以及高新技术领域实力，必须将Si作为战略资源。
作为功能性材料，Si具有各项异性，所以将Si应用于半导体材料需要将其制成硅单晶，并进一步将其加工成为抛光片。
这样才能将Si应用于CI器件的制造中，目前所生产的电子元件中89%以上的均使用硅单晶。
关键词：单晶硅；生长技术；氧缺陷单晶硅的生产需要以半导体单晶硅切割过程中产生的头尾料、单晶硅碎片以及边皮料作为原料。
而生产所用技术目前主要有两种，一种为直拉法，一种则是悬浮区熔法。
制备单晶硅过程中，依照实际的需要还需要添加必要元素，从而增大、减小材料电阻率，掺杂元素主要为第Ⅲ主族元素以及第Ⅴ主族元素。
完成单晶硅材料的制备后，还需要依照半导体材料的需要进行深加工，深加工程序主要包括切片、打磨以及腐蚀和抛光。
而随着单晶硅的生产技术、加工技术的发展，目前的单晶硅逐步向着300mm以上大直径材料发展，且缺陷含量以及杂志含量更低，材料分布更加均匀，且生产成本不断降低、效率更高。
1 单晶硅的概念半导体材料的电学性质和其他物理性质对晶格缺陷以及所含杂质的种类和数量非常敏感。
制作各种半导体器件，尤其是集成电路和大规模集成电路的制作更需要均匀性好的大直径完善单晶。
目前不仅能制造无位错的完善单晶，而且还可以将位错密度控制在一定范围内[1]。
无位错单晶的直径已达到200mm规格化。
2 单晶硅的生长方法2.1 直拉（CZ）法CZ是单晶硅生长中直拉法的简称，其过程相对较为简单，通过从熔硅中利用旋转籽晶对单晶硅进行提拉制备，该种方法生产成本相对较低，且能够大量生产。
因此该项技术在国内太阳能单晶硅片的生产中广泛贵推广开来，直拉法目前使用的技术工艺核心有磁场直拉法、热场构造以及控制氧浓度等。
直拉单晶硅的制备掺杂
直拉单晶硅的制备硅、锗等单晶制备，就是要实现由多晶到单晶的转变，即原子由液相的随机排列直接转变为有序阵列；由不对称结构转变为对称结构。
但这种转变不是整体效应，而是通过固液界面的移动而逐渐完成的。
为实现上述转化过程，多晶硅就要经过由固态到熔融态，然后又由熔融态硅到固态晶体硅的转变。
这就是从熔体硅中生长单晶硅所遵循的途径。
从熔体中生长硅单晶的方法，目前应用最广泛的主要有两种：有坩埚直拉法和无坩埚悬浮区熔法。
在讨论这两种制备方法之前，还应讨论在制备单晶过程中必不可少的一些准备工序。
包括掺杂剂的选择、坩埚的选择、籽晶的制备等，分别介绍如下：一、掺杂在制备硅、锗单晶时，通常要加入一定数量杂质元素（即掺杂）。
加入的杂质元素决定了被掺杂半导体的导电类型、电阻率、少子寿命等电学性能。
掺杂元素的选择必须以掺杂过程方便为准，又能获得良好的电学性能和良好晶体完整性为前提。
1掺杂元素的选择（1）根据导电类型和电阻率的要求选择掺杂元素制备N型硅、锗单晶，必须选择Ⅴ族元素（如P、As、Sb、Bi）；制备P型硅、锗单晶必须选择Ⅲ族元素（如B、Al、Ga、In、Ti）。
杂质元素在硅、锗晶体中含量的多少决定了硅、锗单晶的电阻率。
电阻率不仅与杂质浓度有关，而且与载流子的迁移率有关。
当杂质浓度较大时，杂质对载流子的散射作用，可使载流子的迁移率大大降低，从而影响材料的导电能力。
考虑到以上因素，从理论上计算了电阻率与杂质浓度的关系曲线，如图9-5所示。
在生产工艺上按电阻率的高低分档。
掺杂有三档：轻掺杂（适用于大功率整流级单晶）、中掺杂（适用于晶体管级单晶）、重掺杂（适用于外延衬底级单晶）。
（2）根据杂质元素在硅、锗中溶解度选择掺杂元素各种杂质元素在硅、锗中溶解度相差颇大。
例如，采用大溶解度的杂质，可以达到重掺杂的目的，又不会使杂质元素在晶体中析出影响晶体性能。
下表列出了常用掺杂元素在硅、锗单晶生长时掺入量的极限，超过了极限量，单晶生长不能进行。
硅材料中的杂质和缺陷--天合
12
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6
硅材料中的缺陷
点缺陷：空位，杂质原子和硅自间隙原子 线缺陷：位错、层错 面缺陷：晶界 体缺陷：空洞、杂质沉淀
7
硅材料中的缺陷
8
杂质和缺陷对电池电学性能的影响
过渡金属的间隙原子或者沉淀，位错等杂质和缺陷都 会在硅中引入能级。 能级越靠近费米能级对载流子的复合截面越大，从而 造成的载流子复合也越严重。 载流子的复合会严重降低Voc和Isc，在复合很严重的 情况下，复合也会使FF显著减小。
Keff < 1
16
Distance from bottom (%)
不同的杂质具有不同的分凝系数。 分凝系数大于1则杂质在单晶棒头部或者铸锭 底部含量高，否则相反。
5
硅中的杂质 扩散速度随温度 的升高而快速增 大。 扩散速度越快的 杂质越容易进入 硅材料中沾污硅 材料。 扩散速度快的杂 质更容易形成沉 淀。
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杂质和缺陷对电池电学性能的影响
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杂质和缺陷对电池电学性能的影响
氧沉淀有内吸杂功能，会阻碍过渡金属杂质的外扩 散，也就会阻碍磷和铝的吸杂。 碳会促进氧沉淀的形成。
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杂质和缺陷对电池电学性能的影响
当氧的浓度超过一定 值，间隙氧和掺杂剂 硼形成B-O复合体。 B-O复合体会造成电 池的光照衰减。 另外，氧在一定温度 下还会形成热施主， 影响电池电学性能。
硅材料中的杂质和缺陷
1
Outline
硅材料中的主要杂质 硅材料中的主要缺陷 硅材料中的杂质和缺陷对电池电学 性能的影响
2
硅材料中的杂质
故意掺杂元素：P、B、Al、Ga、As、 Tb等 非掺杂元素：C、O、Na、K等
直拉单晶硅中的杂质和位错PPT课件
本征点缺陷对氧沉淀的影响
• 氧沉淀的生成会给硅基体带来很大的应力，只能通过吸收空位以及发射自间隙硅原子，使得应力得到释放。
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热处理对氧沉淀的影响
• 温度：过饱和度和扩散速率 • 时间：核心在一定的生长速率下的尺寸 • 气氛：硅中引入不同的点缺陷 我们把温度和时间结合在一起考虑为热处理方式，既三个因素简化为 热处理步骤（方式）以及热处理气氛
• 直拉单晶硅中的氧（重点） • 直拉单晶硅中的碳（简要介绍) • 直拉单晶硅中的金属杂质(重点） • 直拉单晶硅中的位错（简要介绍）
目录
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直拉单晶硅中的氧
• 浓度：1017-1018 cm-1 数量级 • 主要来源：石英坩埚的污染 (1420度），并经过各种温度的热处理 • 存在形式：间隙氧，氧热施主，氧团簇，氧沉淀 • 双刃剑: 内吸杂，破坏器件性能
掺镓的多晶硅
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• 从那里来 • 存在形式 • 基本性质（与氧作用）
直拉单晶硅中的碳
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从那里来
• 因：原料，直拉单晶炉中存在石墨加热器 • 缘：C + SiO2= SiO + CO CO + Si = SiO + C
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• 替代位置 • C-O复合体（几个氧有争议） • 间隙位置
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• 硼浓度 • 氧浓度 • 温度 • 光照强度
硼氧复合体的制约因素（略）
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如何避免硼氧复合体
• 从氧入手: 区熔单晶硅，磁控直拉单晶硅 • 从硼入手：换成n型单晶硅 • 从硼入手：换成掺镓的单晶硅 • 新的太阳电池工艺，不同升降温工艺和氧化工艺
第九章单晶硅制备杂质分凝和氧污染讲义
着晶体硅温度的降低，硅中氧的固溶度会逐渐下降， 在1000℃以上其表达式为
O 91022 exp(1.52eV分凝现象，一般 认为其分凝系数为1.25，因此在实际直拉单晶硅中， 氧浓度表现为头部高、尾部低。
⑤原生氧沉淀的影响
直拉单晶硅中的碳
直拉单晶硅中的碳杂质主要来自于多晶硅原料、晶体 生长炉内的保护气体以及石英坩埚与石墨加热器的反 应等。石英与石墨件的反应为
（1）增加机械强度 氧在硅晶格中处于间隙位置，对位错有钉扎作用
，因而可增加晶体的机械强度，避免硅片在器件工艺 的热过程中发生型变（如弯曲翘曲等）。这是氧对硅 单晶性能的最大贡献之一，也是Cz硅单晶在集成电路 领域广泛应用的主要原因之一
（2）形成氧热施主
硅中氧以过饱和间隙态存在于硅单晶中。当直拉
单晶硅在300~500℃热处理时，会产生与氧相关的施 主效应，此时，n型晶体硅的电阻率下降， p型晶体硅 的电阻率上升。施主效应严重时，甚至能使p型晶体硅 转化为n型晶体硅，这种与氧相关的施主被称为“热施 主”。研究表明，热施主是双施主，即每个热施主可以 向硅基体提供2个电子，其能级分别位于导带下 0.06~0.07eV和0.13~0.15eV处。因此，当产生的热施 主浓度较高时，会直接影响太阳电池的性能。
该杂质的浓度为 CL ，则两者的比值为该杂质
在此晶体中的
平衡分凝系数 K 0 CS CL
实际晶体生长时，不可能达到平衡状态，也
就是说固体不可能以无限缓慢的速度从熔体中
结晶，因此，熔体中的杂质不是均匀分布的。
例如，杂质在熔体中扩散的速度小于晶体结晶
的速度的话，则在固液界面熔体一侧会出现杂
质的堆积，形成一层杂质富集层。此时固液界
单晶硅的制备
1电极； 11光学系统； 2硅熔体； 3等径生长； 12石英坩埚； 13石墨托； 4观察孔； 14石墨加热 5放肩； 器； 6缩颈； 15保温罩熔 7图像传感器； 体的流动 8卷轴旋转系统； 9提拉绳； 10至真空泵；
直拉法－几个基本问题 • 最大生长速度 • 熔体中的对流 • 生长界面形状（固液界面） • 生长过程中各阶段生长条件的差异
直拉法的引晶阶段的熔体高度最高，裸露坩埚壁 的高度最小，在晶体生长过程直到收尾阶段，裸露坩 埚壁的高度不断增大，这样造成生长条件不断变化 （熔体的对流、热传输、固液界面形状等），即整个 晶锭从头到尾经历不同的热历史：头部受热时间最长， 尾部最短，这样会造成晶体轴向、径向杂质分布不均 匀。
直拉法技术改进
磁控直拉技术
半导体晶体生长方法之一，简称MCZ法，是在 直拉法(CZ法)单晶生长的基础上对坩埚内的熔体施加 -强磁场，使熔体的热对流受到抑制。因而除磁体外， 主体设备如单晶炉等并无大的差别。其基本原理为， 在熔体施加磁场后，则运动的导电熔体体元受到洛伦 兹力f的作用。
加上磁场后，改变了整个熔体的流动状态及杂 质的输运条件并使单晶可以在温度波动范围小、生 长界面处于非常平稳的状态下生长。如对硅单晶而 言，改善了CZ方法中由于熔体热对流存在引起的氧 含量增加、电阻率均匀性差、微缺陷密度高以及来 自坩埚杂质污染使单晶纯度降低等缺点。
单晶硅的制法通常是先制得多晶硅或 无定形硅，然后用直拉法（Czochralski 无定形硅，然后用直拉法 直拉法 法）或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单 或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单 晶硅。单晶硅主要用于制作半导体元件。 晶硅。单晶硅主要用于制作半导体元件。
直拉法单晶硅 通过电阻加热，将装在石英坩埚中的多 通过电阻加热， 晶硅熔化，并保持略高于硅熔点的温度， 晶硅熔化，并保持略高于硅熔点的温度，将 籽晶浸入熔体， 籽晶浸入熔体，然后以一定速度向上提拉籽 晶并同时旋转引出晶体。 晶并同时旋转引出晶体。
单晶硅工艺流程
单晶硅工艺流程
《单晶硅工艺流程》
单晶硅是制造集成电路和太阳能电池的重要材料，其工艺流程十分复杂。
下面我们来了解一下单晶硅的工艺流程。
1. 制备高纯度多晶硅
首先，需要制备高纯度多晶硅。
通过氢气还原法将硅矿石还原成多晶硅，再通过碘化法或氯化法提炼成高纯度多晶硅。
2. 生长单晶硅
接下来，将高纯度多晶硅放入石墨坩埚中，加热至熔化点，然后缓慢凝固。
在凝固过程中，通过拉晶法或单晶法，将多晶硅生长成单晶硅棒。
3. 切割晶圆
将生长的单晶硅棒切割成一定厚度的圆片，即晶圆。
晶圆表面需要进行化学机械抛光，以去除切割带来的粗糙和损伤。
4. 污染物去除
在清洗过程中，需要将晶圆表面的氧化膜去除，并除去各种杂质和残留物。
通常采用HF酸、HNO3酸和H2O2的溶液进行腐蚀清洗。
5. 氧化与扩散
将晶圆表面进行氧化处理，形成一层绝缘层。
然后通过掺杂的方式，在晶圆表面形成P型或N型半导体区域。
6. 光刻
将光刻胶覆盖在晶圆表面，然后使用光刻机将光刻胶暴露在紫外光下。
随后，利用显影、蚀刻等方法，在光刻胶上形成芯片图形。
7. 沉积金属
通过化学气相沉积或物理气相沉积等方法，在芯片表面形成金属化层，用于连接电路。
8. 清洁与检测
最后，需要对芯片进行清洁和检测。
清洁可以去除沉积在芯片表面的污染物，检测则是验证芯片性能是否符合要求。
通过以上工艺流程，单晶硅可以制备成各种微电子器件和太阳能电池。
这些工艺流程不仅需要高精度的设备和技术，还需要严格的控制和管理，以确保生产出高质量的单晶硅产品。
单晶硅生长技术及氧缺陷控制方法
单晶硅生长技术及氧缺陷控制方法作者：边智学来源：《中国科技博览》2019年第11期[摘要]随着光伏产业的不断发展，人们对于单晶硅的质量要求也逐渐增高。
经过多年的探索，单晶硅生长技术已经得到了很大的改良。
本文首先分析了单晶硅生长技术，包括区熔法与直拉法，接着对单晶硅生长过程中氧缺陷控制方法做了简单的介绍。
[关键词]单晶硅；区熔法；直拉法；氧缺陷控制中图分类号：O782 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）11-0103-01引言现阶段，以大规模集成电路为代表的半导体器件越来越完善，因而单晶硅的制作方法必须更加精良，才能满足光伏生产的要求。
因此，在单晶硅制备过程中，单晶硅生长技术和氧缺陷控制的研究具有重要意义。
1、单晶硅生长技术目前，业内单晶硅的生产主要采用两种技术。
采用这两种方法制备的单晶硅具有不同的特性，同时应用领域也有差异。
利用区熔法制备的单晶硅，主要应用于大功率器件；而利用直拉法制备的单晶硅，主要用于微电子集成电路和太阳能电池。
目前来看，我国的大多数单晶硅是通过直拉法制备的，以满足半导体和光伏产业的需求。
两种方法制备单晶硅的对比情况见表1。
1.1区熔法区域熔融方法在高温氢气氛和诸如热场，电磁场和流场的多场相互作用环境中在硅熔体的固-液界面中产生一定程度的过冷。
结晶的硅原子在籽晶方向上形成，以形成具有确定的原子级的单晶。
生长单晶硅的过程遵循这样的凝固过程：通过生长速率保持固液界面的过冷度，在固液界面处建立一定的温差，整个生长过程处于过冷和凝固的动态平衡状态，确保区域熔化状态并保持晶体的平滑生长。
晶体生长的质量与界面的形状，熔体中的流动效应，热输出和质量传递密切相关。
单晶硅的生长受宏观物理量的控制，例如热场温度和生长速率，根据其法则和过程。
获得“完美”单晶的过程，没有位错，缺陷，形状均匀，杂质含量和电阻率。
其生长过程见图1。
由于分区单晶尺寸的加大，在其生长过程中，具有两个明显的特点。
第9章 单晶硅的制备分析
”二维表面成核，侧向层状生长“理论模型
单晶和多晶： 单晶：晶体的各个部分的取向一致，空间点阵排列 规律相同，由一个晶核生长而成的晶体，就是单 晶。 单晶可以小到一个晶胞，一个晶核，大到几百公斤， 组成和结构都相同，有规则的外表面和棱线。 多晶：多个晶体（晶粒）组成，具有多种晶向，结 合没有规律，晶体与晶体接触，形成晶界。多个 晶核结晶长大形成的多晶材料。
注意：①籽晶（单晶硅棒）和原料棒，旋转方向相反，能改善熔区热对流状况，是 熔区的温度场均匀；②硅熔体的表面张力为720dyn/cm( ?)( H20：72mN/m.1atm), 硅熔体表面张力较大，可以是熔体保持一定的厚度和直径，但如果单晶硅棒直径过 大，会是籽晶难于承受。③控制旋转速度，是固液界面接触稳定，一般还要控制单 晶硅的结晶轴（旋转中心轴）与原料棒的旋转轴中心，保持一定的偏心，可以提高 单晶硅的质量和径向电阻率的均匀性。
区熔单晶硅的掺杂方法 ①装填法：在多晶硅棒接近 圆锥的部位，钻一小孔， 放入分凝系数小的杂质 （Ga：0.008； In：0.0004)，依靠分凝效 应，是杂质在单晶硅轴向 均匀分布。（分凝系数： 固相与液相中的溶解度的 比值） ②气相掺杂：以Ar气体为载 气和稀释气体，直接将 PH3（N型）或B2H6（P型） 吹入硅熔融区域内，达到 掺杂目的。气相掺杂的区 熔单晶硅电阻率比较均匀， 能满足一般功率器件和整 流器的要求，成本比中子 嬗变掺杂单晶硅成本低很 多，是制备N型区熔单晶 硅的一种较好的掺杂方法。 工业上常用。
是液相中的原子向固相（晶核，晶种或籽晶）表面扩散，沉 积，堆积方式按固相的空间点阵规律堆积排列，使固相晶体不断 长大（晶体长大）
二维晶核的形成和晶体 的生长
氮原子，很难再光洁的晶面上乘积生长。二 维晶核必须超过临界半径，才能稳定存在； 临界半径与过冷度成反比
单晶硅片的杂质控制和净化技术研究
单晶硅片的杂质控制和净化技术研究随着科技的不断进步，单晶硅片作为制造半导体器件的关键材料，在各个领域都得到了广泛应用。
然而，单晶硅片中的杂质对器件性能的影响不可忽视。
因此，针对单晶硅片的杂质控制和净化技术的研究显得尤为重要。
首先，单晶硅片的制备过程中，杂质是难以避免的。
杂质的存在会引起电子能级的变化，从而影响器件的性能。
因此，控制和净化单晶硅片中的杂质是提高器件质量的关键。
目前，单晶硅片的杂质控制主要包括以下几个方面的技术：晶体生长技术、提纯技术和防污染技术。
首先，晶体生长技术是单晶硅片制备的基础。
通过优化晶体生长参数和控制晶体生长过程中的环境条件，可以有效控制单晶硅片中的杂质含量。
例如，采用Czochralski法生长单晶硅片时，在晶体生长过程中可以通过控制温度梯度和晶体拉扯速度来控制晶体中的杂质含量。
此外，还可以采用区熔法、浮区法等技术来生长单晶硅片，以获得更高纯度的晶体。
其次，提纯技术是单晶硅片杂质控制的重要手段。
提纯技术主要包括气相提纯、液相提纯和晶体生长过程中的过滤技术。
气相提纯技术是将粗硅在高温下与氢气反应，使杂质被气相吸附或气相迁移，从而实现对单晶硅片杂质的去除。
液相提纯则是采用溶剂萃取、电解抑制和化学气相沉积等方法对硅溶液进行提纯。
过滤技术主要通过过滤介质对溶液进行过滤，去除其中的杂质颗粒。
最后，防污染技术也是控制单晶硅片杂质的重要手段。
单晶硅片的制备过程中，与无尘环境和洁净操作密切相关。
通过在制备过程中减少灰尘、微粒颗粒等污染源的产生和扩散，可以有效降低单晶硅片中杂质的含量。
同时，在制备过程中采用适当的防护措施，如低温存储、真空包装等，可以防止杂质的外界污染。
总之，单晶硅片中的杂质控制和净化技术是制备高质量半导体器件的关键。
通过优化晶体生长技术、提纯技术和防污染技术，可以有效控制单晶硅片中杂质的含量，提高器件的性能和可靠性。
随着科技的进一步发展，相信单晶硅片杂质控制与净化技术将不断完善，为半导体行业的发展提供更好的支撑。
单晶硅锭生长过程中的杂质去除和纯化技术
单晶硅锭生长过程中的杂质去除和纯化技术引言单晶硅锭是太阳能电池、集成电路和半导体器件等高科技产业的重要材料。
然而，单晶硅锭的生长过程中会受到来自原料和工艺的各种杂质的污染。
为了获得高纯度的单晶硅，必须采用有效的杂质去除和纯化技术。
本文将深入探讨单晶硅锭生长过程中的杂质去除和纯化技术。
一、杂质来源1. 来自原料：单晶硅锭的原料主要是冶炼硅，其中可能存在金属杂质、非金属杂质等。
2. 来自工艺：在单晶硅锭的生长过程中，由于生长环境、设备和材料等因素的存在，会引入一定数量的杂质。
二、杂质的影响1. 金属杂质：a. 电子掺杂：金属杂质在单晶硅晶格中占据晶格位置，改变了硅的导电性能，影响器件的性能。
b. 光吸收：金属杂质可以吸收光的能量，导致太阳能电池的能量转化效率降低。
2. 非金属杂质：a. 热点缺陷：非金属杂质会形成晶格缺陷，在光电器件中会导致导电效果降低。
b. 红外吸收：非金属杂质吸收红外光，降低太阳能电池的能量转换效率。
三、杂质去除和纯化技术1. 物理方法：a. 高温退火：通过高温退火处理，金属杂质在晶体中扩散和迁移，从而减少杂质浓度。
b. 化学去除：利用化学溶液对杂质进行化学反应，将其转化为易挥发物或难溶于溶液的物质，实现杂质的去除。
2. 机械方法：a. 精磨：通过机械研磨等方法，将杂质所在的晶体表面刮除，实现杂质的去除。
3. 离子交换：a. 用离子交换树脂吸附金属离子进行去除。
4. 高温净化：a. 采用高温反应炉将杂质与硅材料氧化，然后通过高温处理得到高纯度的单晶硅。
四、纯化技术的应用1. 电子行业：a. 高纯度的单晶硅用于制造高性能集成电路，可以提高电子器件的工作效率和可靠性。
2. 太阳能电池：a. 高纯度的单晶硅是制造高效太阳能电池的关键材料，纯化技术可以提高太阳能电池的能量转换效率。
3. 半导体器件：a. 高纯度的单晶硅可用于制造半导体器件，提高器件的可靠性和稳定性。
结论单晶硅锭生长过程中的杂质去除和纯化技术对于获取高纯度的单晶硅至关重要。
半导体级硅单晶生长中外源杂质的控制与去除技术研究
半导体级硅单晶生长中外源杂质的控制与去除技术研究摘要：半导体材料在现代电子器件中起着重要作用。
其中，硅单晶是最常用的材料之一，它的纯度对于材料的电学性能和器件性能至关重要。
然而，硅单晶生长过程中常常会存在外源杂质的掺入，这些杂质会对材料的质量产生不利影响。
因此，研究如何控制和去除这些外源杂质在半导体级硅单晶生长过程中的存在是非常重要的。
本文将讨论外源杂质的来源、对半导体材料的影响以及目前常用的控制和去除技术。
引言：在电子器件中使用的半导体材料需要具备高电子迁移率、低缺陷密度和高纯度等特性。
尤其是硅单晶材料对于集成电路制备来说尤为重要。
然而，在硅单晶的生长过程中，经常会受到外源杂质的污染。
这些杂质的引入可能来自于原料，也可能来自于生长环境中的污染源。
这些外源杂质会导致晶体的缺陷增加、电子迁移率下降以及器件的可靠性减弱。
外源杂质来源：外源杂质的来源多种多样，主要包括以下几个方面：1. 原料污染：生长硅单晶所使用的原料中可能存在原料自身的杂质。
2. 空气污染：生长过程中，空气中悬浮的微粒和气体污染物可能进入晶体。
3. 回收杂质：回收杂质是指在晶体生长过程中，已经生长好的晶体被破碎并重新融化，原先生长好的晶体中的杂质在回收过程中被再次引入到新的晶体中。
4. 生长环境：生长过程中，生长设备、反应室以及其他生长条件均可能引入杂质。
外源杂质的影响：外源杂质对硅单晶的影响十分严重。
首先，杂质的存在会增加晶格缺陷，导致晶体的结晶质量下降。
其次，杂质也会影响材料的电学性能，例如导电性和电子迁移率。
此外，杂质还会影响晶体的机械性能和热学性能。
因此，控制和去除外源杂质对于获得高质量的硅单晶材料至关重要。
控制和去除外源杂质的技术：为了控制和去除外源杂质，在半导体级硅单晶生长过程中，采用了多种技术和方法。
下面列举了一些常用的技术和方法：1. 材料纯化：在生长硅单晶材料之前，对原料进行严格的筛选和纯化。
其中，物理法、化学法和生物法是常用的纯化方法。
第九章 单晶硅制备 杂质分凝和氧污染
表5.2列出了晶体硅中常见金属铁 、铜和镍的扩散系数，其中铜和镍的 扩散系数相近，扩散速率大，而锰和 铁相似，扩散速率相对较小。
由图 5.29 还可以看出，随着 原子系数的增加，金属的扩散速 率也在增大；在同一温度下的不 同金属之间，或同一金属在不停 温度下，扩散速率相差很大，可 达5个数量级，而金属锌例外，在 高温下，其扩散系数基本相同。
影响单晶硅中氧沉淀形成、结构、分布 和状态的因素： ①初始氧浓度 ②热处理的温度 ③热处理的时间
④碳、氮及其他杂质原子的浓度、 原始晶体硅的生长条件、热处理气 氛、次序等。
①初始氧浓度 初始氧浓度时决定氧沉淀的主要因 素之一。
②热处理的温度
影响氧沉淀的另一个因素是热处理的温度 。因为氧在硅中的固溶度随温度的下降而不断 下降。所以，具有一定浓度的氧在不同温度时 的过饱和度是不同的，这是氧沉淀产生的必要 条件。
（2）形成氧热施主 硅中氧以过饱和间隙态存在于硅单晶中。当直拉 单晶硅在300~500℃热处理时，会产生与氧相关的施 主效应，此时，n型晶体硅的电阻率下降， p型晶体硅 的电阻率上升。施主效应严重时，甚至能使p型晶体硅 转化为n型晶体硅，这种与氧相关的施主被称为“热施 主”。 研究表明，热施主是双施主，即每个热施主可以 向硅基体提供2个电子，其能级分别位于导带下 0.06~0.07eV 和 0.13~0.15eV 处。因此，当产生的热施 主浓度较高时，会直接影响太阳电池的性能。
②测量硅中的各个金属单个原子状态的浓度；
③测量硅中金属沉淀的浓度。
测量硅中各个金属杂质总体的浓度 测量晶体硅中总的杂质（包括金属原子和 沉淀）浓度方法： ①中子活化法 ②二次离子质谱法 ③原子吸收谱法 ④小角度全反射X射线荧光法（TXRF）
单晶硅的污染
单晶硅的污染0810650119 沈蕾1 单晶硅的基本概念单晶硅是一种比较活泼的非金属元素，是晶体材料的重要组成部分，处于新材料发展的前沿。
其主要用途是用作半导体材料和利用太阳能光伏发电、供热等。
由于太阳能具有清洁、环保、方便等诸多优势，近三十年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。
2 主要用途单晶硅主要用于制作半导体元件。
用途：是制造半导体硅器件的原料，用于制大功率整流器、大功率晶体管、二极管、开关器件等。
现在，我们的生活中处处可见“硅”的身影和作用，晶体硅太阳能电池是近15年来形成产业化最快的。
熔融的单质硅在凝固时硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则这些晶粒平行结合起来便结晶成单晶硅。
单晶硅的制法通常是先制得多晶硅或无定形硅，然后用直拉法或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单晶硅。
单晶硅棒是生产单晶硅片的原材料，随着国内和国际市场对单晶硅片需求量的快速增加，单晶硅棒的市场需求也呈快速增长的趋势。
单晶硅圆片按其直径分为6英寸、8英寸、12英寸（300毫米）及18英寸（450毫米）等。
直径越大的圆片，所能刻制的集成电路越多，芯片的成本也就越低。
但大尺寸晶片对材料和技术的要求也越高。
单晶硅按晶体伸长方法的不同，分为直拉法（CZ）、区熔法（FZ）和外延法。
直拉法、区熔法伸长单晶硅棒材，外延法伸长单晶硅薄膜。
直拉法伸长的单晶硅主要用于半导体集成电路、二极管、外延片衬底、太阳能电池。
目前晶体直径可控制在Φ3~8英寸。
区熔法单晶主要用于高压大功率可控整流器件领域，广泛用于大功率输变电、电力机车、整流、变频、机电一体化、节能灯、电视机等系列产品。
目前晶体直径可控制在Φ3~6英寸。
外延片主要用于集成电路领域。
由于成本和性能的原因，直拉法（CZ）单晶硅材料应用最广。
在IC工业中所用的材料主要是CZ抛光片和外延片。
单晶硅片表面脏污原因分析及解决措施 程志峰
单晶硅片表面脏污原因分析及解决措施程志峰发表时间：2019-10-24T14:27:07.307Z 来源：《电力设备》2019年第12期作者：程志峰张晓俊赵洪军[导读] 摘要：单晶硅片表面脏污是金刚线切片行业中常见的不良。
总结了单晶硅片清洗过程后出现表面脏污的几种类型，分析其产生产生机理，通过实验验证，提出了解决办法。
（黄河上游水电开发有限责任公司青海西宁 810008）摘要：单晶硅片表面脏污是金刚线切片行业中常见的不良。
总结了单晶硅片清洗过程后出现表面脏污的几种类型，分析其产生产生机理，通过实验验证，提出了解决办法。
关键词：单晶硅片；表面脏污；预清洗；清洗；硅粉1.引言太阳能是一个行之有效的取之不尽的清洁能源，是发展低碳经济不可缺少的重要手段【1】，单晶硅片作为制作光伏电池和集成电路的基础，清洗效果直接影响光伏电池和集成电路最终性能、效率和稳定性。
单晶硅片切割过程，硅片表面的多层晶格处于被破坏的状态，布满了活性较高不饱和的悬挂键，易吸附外界杂质粒子，导致硅片表面被污染且性能变差。
清洗硅片不仅要除去硅片表面的杂质而且要使硅片表面钝化，从而减小硅片表面的吸附能力。
目前，由于硅片清洗技术的缺陷，大规模集成电路中因为硅材的洁净度不够而产生问题甚至失效的比例达到50%，因此提高单晶硅片清洗质量极其重要。
2.金刚线切片技术最主要的优势金刚线切单晶硅片切割技术中，以生产量高，硅片直径适用范围广，翘曲值低，表面损伤浅，表面光洁度低等多项优势被广泛应用。
随着国内金刚线制造和应用技术的不断成熟，加之市场需求的快速增长不断的刺激金刚线制造技术向细线化、薄片化方向发展。
使用金刚线切片技术后，由于刀缝损失的减小，能够带来单位耗硅量的减少，从而较大程度地减少了硅片的硅成本和折旧等，这也是金刚线切片最重要的驱动因素。
为了追求更高的效益，使用更细的金刚线切割薄硅片已成为行业趋势，但在提高公斤出片数以及单刀产能的同时，如何保证单晶硅片清洗质量成行业内共同攻克的技术难题，本文以生产工艺及原辅材料为基础，研究单晶硅片清洗过程中产生的表面脏污，并通过实验验证提出了解决方法。
硅材料中碳氧杂质行为
C 转换系数，300K测量取1.1
78K测量取4.0 吸收系数
基线强度
吸收峰强度 样品厚度（cm）
ln
I0 d I
氧沉淀
硅晶体中的氧是过饱和，处于亚稳状 态，在适当温度下经过扩散、聚集， 冷却时脱溶成为有一定尺寸的富氧区 例如含氧量为32ppm的样品B，若在 1050下热处理达到平衡，将有 24.5ppm的氧析出（线段Sb） 氧沉淀是一个复杂的问题，涉及硅晶 体中初始氧浓度，氧浓度分布，氧的 存在状态，以及碳、氮等杂质分布 还受到热处理温度、时间、顺序的影 响
[CO] [C] [O] Si Si [O] Si SiO Si
Si Si C Si
碳在硅晶体中处于替代硅原子的位置， 由于碳原子半径较小，引入晶格岐变
碳是电中性杂质，本身不引起材料导电性变化
碳杂质的危害
导致集电区内形成层错，降低P-N结的击穿电压， 因此对大功率可控硅器件危害更大 与氧共同作用，使杂质对材料和器件性能的影响 复杂化。抑制热施主的形成，但是促进新施主成 核 碳氧同时存在时，成为氧沉淀的非均匀形核中心， 影响氧沉淀的形态和临界浓度，生成氧漩涡
Si-O-Si键在红外光谱上形成 多个吸收峰
强峰：
(9um) 1136 cm-1, ( 8um) 1203 cm-1, ( 19um) 517 cm-1 其它峰： 29.3 cm-1, 37.8 cm-1, 43.3 cm-1, 47.0 cm-1 其中9um峰是最强峰，在室温 下位置是1107cm-1
氧的吸杂效应
形成氧沉淀时诱发位错、层错等二次缺陷会吸引硅片表面的重金属杂质 在缺陷处沉淀，在近表层得到无缺陷得洁净区，成为大规模集成电路 的重要工艺，提高器件成品率
CZ单晶硅中的氧
CZ单晶硅中的氧氧是直拉单晶中的主要杂质，他主要来源于硅原料及生产过程中与石英坩埚反应后生产一氧化硅溶入及氩气中携带的氧。
随着后道工序的各种热处理过程，因过饱和的间隙氧与晶体中原生微缺陷、及杂质原子等相互作用，形成氧沉积。
而氧沉积的速度、形态、数量对晶体质量有不同的影响。
1. 吸杂作用：在硅片体内造成一定数量的氧沉积及与沉积有关的缺陷，因其能量较低、可对生产中引入的杂质（金属杂质为主）及点缺陷有吸除作用，从而改善硅片的性能。
2. 氧沉积与热施主：晶体中的氧主要以间隙状态存在，此时氧对晶体的导电性能无明显影响，但我们在晶棒生产、及电池片制备的过程中不可避免的引入高温处理，导致部分氧在晶体中存在的方式、结构、浓度分布等发生变化，试验表明当将原始氧含量在（8×1017/~2×1018/cm3 ）的掺硼P型硅片，放入真空状态下450℃-600℃的退火炉热处理2H后，硅片的电阻率后发生极大的改变，且随着退火时间的延长，逐渐增高至接近本征半导体电阻率后转为N型，然后逐渐下降。
由于其提供电子改变材料电阻率，故将其称为施主杂质。
电镜下观察此时的氧存在状态，我们发现有柯石英沉积产生、呈带状。
这类沉积一直属于紧张状态，对硅基体有较大应力。
随着退火温度增加（650-1000℃）及时间延长，氧的沉积形态发生变化主要有（棒状沉积、片状沉积、和球状沉积）沉积过程中同时伴有自间隙硅原子被发射，及位错环、位错偶极子产生，同时带状沉积、柯石英沉积对电阻率的影响消失。
低温退火时氧易成核、密度大，但沉积小、随着温度增加、沉积半径增大，氧沉积易于增大。
3. 氧蒸发由于原生多晶硅及石英坩埚以及氩气带入等使熔硅中存在氧、熔硅中的氧不断蒸发、而石英坩埚在高温与熔硅的作用下不断析出一氧化硅进入熔硅后随液流进入生长界面，硅氧物的比重小故浮于熔硅上部。
同时生长界面因上部有晶棒覆盖不能蒸发氧、随着晶棒长度的增加界面处散热增大及液流搅拌增强，熔硅中氧分布较前均匀、且蒸发增加，加上熔料时温度明显高于等径温度，石英坩埚析出的一氧化硅量明显高于等径时析出量，加上氧的平衡分凝系数为1.25故单晶棒的氧含量分布多为：头部高、尾部低、中心高、边缘低。
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热氧施主可以在300℃~500 ℃范围内生成， 而且在450 ℃是最有效的热施主生成温度。一 旦生成热施主，可以在550 ℃以上用短时间热 处理予以消除，通常利用的热施主消除温度为 650 ℃。
除温度外，单晶硅原生氧浓度是影响热施 主浓度的最大因素。通常认为，热施主浓度主 要取决于单晶硅中的初始氧浓度，其初始形成 速率与氧浓度的4次方成正比，其最大浓度与氧 浓度的3次方成正比。
另外，晶体硅中的其他杂质也会影响热施 主的生成，研究已经指出，碳、氮会抑制热施 主的生成，而氢会促进热施主的形成。
除热施主外，含氧的直拉单晶硅在550℃~850℃
热处理时，还会形成新的与氧相关的施主，被称为
“新施主”，具有与热施主相近的性质。但是它的
生成一般需要 10h 左右，甚至更长。对于太阳电池
主要原因在于氧原子和碳原子在氧聚集的 初期形成大量的C-O复合体。到目前为止， 这个复合体的结构、性质还不是很清楚。
直拉单晶硅中的金属杂质
金属，特别是过渡金属是硅材料中 非常重要的杂质，他们在单晶硅中一 般以间隙态、替位态、复合体、沉淀 存在。
金属杂质的引入方式
①硅片滚圆、切片、倒角、磨片等制 备过程中，直接与金属工具接触； ②在硅片清洗或湿化学抛光过程中， 使用不够纯的化学试剂； ③在工艺过程中，使用不锈钢等金属 设备。
（2）形成氧热施主 硅中氧以过饱和间隙态存在于硅单晶中。当直拉 单晶硅在300~500℃热处理时，会产生与氧相关的施 主效应，此时，n型晶体硅的电阻率下降， p型晶体硅 的电阻率上升。施主效应严重时，甚至能使p型晶体硅 转化为n型晶体硅，这种与氧相关的施主被称为“热施 主”。 研究表明，热施主是双施主，即每个热施主可以 向硅基体提供2个电子，其能级分别位于导带下 0.06~0.07eV 和 0.13~0.15eV 处。因此，当产生的热施 主浓度较高时，会直接影响太阳电池的性能。
对于太阳电池用直拉单晶硅，其原料来源并不 完全是高纯多晶硅，还包括微电子用直拉单晶硅的 头尾料；而且，晶体生长的控制也不如微电子用直 拉单晶硅严格，所以其碳浓度相对较高。
碳在硅中的基本性质 碳在硅中处于替位位置。由于它是四价元素， 属非电活性杂质。在特殊情况下，碳在硅晶体中也 可以以间隙态存在。当碳原子处于晶格位置时，因 为碳原子半径小于硅原子半径，晶格会发生形变。 目前，采用减压拉晶和热屏系统，CO大量被保 护气体带走，有利于减少硅晶体中的碳浓度。 碳在硅中的平衡分凝系数为0.07，在直拉硅单 晶中头部浓度小，尾部浓度大。
用直拉单晶硅，其冷却过程虽然要经过该温区，但
是要少于 10h ；另外硅太阳电池的工艺一般不会长
时间热处理，所以，对于太阳电池用直拉单晶硅而 言，新施主的作用和影响一般可以忽略。
（3）氧成淀
氧在直拉单晶硅中通常是以过饱和间隙态存在， 因此，在合适的热处理条件下，氧在硅中要析出，除 了氧热施主以外，氧析出的另一种形式是氧沉淀。在 晶体生长完成后的冷却过程和硅器件的加工过程中， 单晶硅要经历不同的热处理过程。 在低温热处理时，过饱和的氧一般聚集形成氧施主；
金属杂质浓度对少数载流子寿命的影响为：
τ0=1/υσN
式中，τ0为少数载流子寿命；υ为载 流子的热扩散速率；σ为少数载流子的 俘获面积；N为金属杂质浓度，cm-3。
金属沉淀在晶体硅不同部位对其产生的影响 ①金属沉淀出现在晶体硅内，它能使少数 载流子的寿命减少，降低其扩散长度， 漏电流增加； ②金属沉淀出现在空间电荷区，会增加漏 电流，软化器件的反向I-V特性，这种沉 淀对太阳电池的影响尤为重要； ③金属沉淀出现在表面，对集成电路而言， 这将导致删氧化层完整性的明显降低，能 引起击穿电压的降低，但是，但太阳电池 的影响很有限。
由图5.28和表5.1都可以看出，随着温度的降低，金属
在硅中的饱和固溶度迅速减小，特别是外推到室温，金属
在硅中的固溶度更小。因此，硅中金属大多是过饱和状态
，而且硅中金属的扩散相对较快，所以，如果晶体硅在高
温处理后冷却速率不够快，金属一般都以复合体或沉淀形
式存在。
硅中金属的扩散系数 与磷、硼掺杂剂或氧、碳杂质对于快扩 散金属铜而言，在1000℃以上仅数秒就 能穿过650μm后的硅片。由此可见，一 旦晶体硅额某部分被金属污染，很容易 扩散到整个硅片。
原子态的金属从两方面影响硅材料和器件 的性能： ①影响载流子浓度 电活性 ②影响少数载流子寿命
深能级复合中心
就金属原子具有电活性而言。 当其浓度很高时，就会与晶体中的 掺杂起补偿作用，影响载流子浓度。
金属沉淀 金属在晶体硅中更多是以沉淀形式 出现。一旦沉淀，它们并不影响晶体硅 中载流子的浓度，但是会影响载流子的 寿命，如晶体硅中常见的金属铁、铜和 镍。金属沉淀对晶体硅和器件的影响取 决于沉淀的大小、沉淀的密度和化学性 质。
硅中金属的测量 晶体硅中的金属杂质常常以沉淀形 式出现，而且总的浓度又比较低，所以 ，硅中金属浓度的直接测量相对比较困 难，缺乏实用、常规的测量技术，通常 可以通过测量其他参数来确定硅中金属 的浓度。
金属在硅中存在有单个原子和沉 淀两种状态，因此，硅中金属杂质的 测量可以分为三种情况： ①测量硅中各个金属杂质总体的浓度；
C Ke CL
有效分凝系数和平衡分凝系数遵循 BPS关系(普凡方程)
Ke
K0 K 0 (1 K 0 )e
f D
石英 坩埚
氧 污 染
石墨加 热器
单晶 硅棒 熔硅 石墨坩埚
石英坩埚溶解 热对流方向 氧进入单晶硅棒内 表面挥发
坩埚旋转
氧在晶体硅中的浓度要受到固溶度的限制，在硅 3 的熔点温度附近，氧的平衡固溶度为 2.75 1018 cm ，随 着晶体硅温度的降低，硅中氧的固溶度会逐渐下降， 在1000℃以上其表达式为
⑤原生氧沉淀的影响
直拉单晶硅中的碳
直拉单晶硅中的碳杂质主要来自于多晶硅原料、晶体 生长炉内的保护气体以及石英坩埚与石墨加热器的反 应等。石英与石墨件的反应为 C+SiO2=SiO+CO CO+Si=SiO+C CO与SiO相比，不易挥发，若不及时排除，大多 数就会进入熔硅中与硅反应，生成的SiO大部分从熔 体表面挥发，而碳则留在了熔体中。
硅中金属的固溶度
从图5.28中还可以看出，金属 在硅中饱和固溶度最大的是铜和镍 ，其最大固溶度约为1018cm-3。显 然，与磷、硼等掺杂剂相比，硅中 金属杂质的固溶度很小，而硅中磷 和硼的最大固溶度分别可达1021cm3和5×1020cm-3，相差2-3个数量级 。
铁、铜和镍是单晶硅中的主要金属杂 质，其固溶度也相对较高。表5.1列出了 他们在高温时的固溶度随温度的变化。
②测量硅中的各个金属单个原子状态的浓度；
③测量硅中金属沉淀的浓度。
测量硅中各个金属杂质总体的浓度 测量晶体硅中总的杂质（包括金属原子和 沉淀）浓度方法： ①中子活化法 ②二次离子质谱法 ③原子吸收谱法 ④小角度全反射X射线荧光法（TXRF）
替位碳的测量方法也 是红外吸收光谱法。
碳和氧沉淀 一般认为碳能促进氧沉淀的形成，特别是在 低氧硅中，碳对氧成淀的生成有强烈的促进作用。 因碳的原子半径比硅小，引起晶格形变，容 易吸引氧原子在其附近聚集，形成氧成淀核心，为 氧成淀提供异质核。
• 试验，对低碳硅单晶中的间隙氧浓度，在900 ℃ 以下热处理仅有少量成淀；对高碳硅单晶中的间 隙氧浓度，在600℃以下热处理氧浓度急剧减少， 而硅晶体中的碳浓度也大幅减少，说明了碳促使 氧沉淀生成
氧以间隙态存在于晶体硅 中，形成Si-O-Si键结合
氧是Cz硅中含量最高杂质，它在硅中行为也很复 杂。总的说来，硅中氧既有益也有害。
（1）增加机械强度 氧在硅晶格中处于间隙位置，对位错有钉扎作用 ，因而可增加晶体的机械强度，避免硅片在器件工艺 的热过程中发生型变（如弯曲翘曲等）。这是氧对硅 单晶性能的最大贡献之一，也是Cz硅单晶在集成电路 领域广泛应用的主要原因之一
影响单晶硅中氧沉淀形成、结构、分布 和状态的因素： ①初始氧浓度 ②热处理的温度 ③热处理的时间
④碳、氮及其他杂质原子的浓度、 原始晶体硅的生长条件、热处理气 氛、次序等。
①初始氧浓度 初始氧浓度时决定氧沉淀的主要因 素之一。
②热处理的温度
影响氧沉淀的另一个因素是热处理的温度 。因为氧在硅中的固溶度随温度的下降而不断 下降。所以，具有一定浓度的氧在不同温度时 的过饱和度是不同的，这是氧沉淀产生的必要 条件。
③热处理的时间
在一定温度下，热处理时间是决定氧沉淀 的重要因素。
通常，直拉单晶硅在高温形成 氧沉淀时有三个阶段： ①氧沉淀少量形成，表现出一个孕育期； ②氧沉淀快速增加； ③氧沉淀增加缓慢，接近饱和。 此时，间隙氧浓度趋近该温度下 的饱和固溶度。
④碳、氮及其他杂质原子的浓度、 原始晶体硅的生长条件、热处理气 氛、次序等。
研究证明，氧沉淀过程是氧的扩散过程，是 受氧扩散控制的。而温度不仅影响氧的过饱和 度，而且影响氧的扩散。 当温度较低时，间隙氧的过饱和度大， 形核驱动力强，但是氧的扩散速率较低。但 温度较高时，氧的扩散速率大，易于形成氧 沉淀，但是间隙氧的过饱和度小，形核驱动 力弱。因此，在不同温度下的氧沉淀是氧的 过饱和度和氧扩散竞争的结果。
1.52eV 3 )cm O 9 10 exp( kT
22
由于在晶体硅的生长过程中存在分凝现象，一般 认为其分凝系数为1.25，因此在实际直拉单晶硅中， 氧浓度表现为头部高、尾部低。
①熔硅与石英坩埚作用，生成SiO进入硅熔体
Si SiO2 2SiO
②通过机械对流、自然对流等方式， SiO传输到熔体 表面，以气体形式挥发。 ③少量的SiO溶解在熔硅中，以氧原子形态存在于液 体硅中，最终进入直拉单晶硅。
表5.2列出了晶体硅中常见金属铁 、铜和镍的扩散系数，其中铜和镍的 扩散系数相近，扩散速率大，而锰和 铁相似，扩散速率相对较小。