劉麗娟,仝 泉

（洛陽單晶硅集團(tuán)有限責(zé)任公司，471000）

基于氬氣流動條件下單晶硅生長氧碳含量影響研究

劉麗娟,仝 泉

（洛陽單晶硅集團(tuán)有限責(zé)任公司，471000）

對18英寸的熱場內(nèi)部氬氣流動情況進(jìn)行分析，根據(jù)其自身的流動方式、流動速度，進(jìn)行科學(xué)調(diào)整，得到含有不同含量氧碳的硅單晶。利用數(shù)值模擬方法繪制完整的氬氣流線圖，同時對本次試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析，得出氬氣流場分布規(guī)律。旨在通過本文研究探究出氬氣流動條件下對單晶硅生長氧碳含量的主要影響。

氬氣；流動條件；單晶硅；氧碳含量

有相關(guān)學(xué)者提出，采用處于變化狀態(tài)的氬氣流動，來對單晶硅中氧碳含量進(jìn)行有效控制，但是缺乏相關(guān)試驗(yàn)對此種方法進(jìn)行檢驗(yàn)。本研究對單晶爐中氬氣流動方式及流量進(jìn)行控制，并通過一系列試驗(yàn)手段，得出單晶硅中最適宜的氬氣流動圖樣，詳細(xì)情況如下。

1 實(shí)驗(yàn)方法

在充分利用原有導(dǎo)流技術(shù)的前提下，對其內(nèi)部熱系統(tǒng)構(gòu)成進(jìn)行整合和優(yōu)化（如圖1所示）。

圖1 單晶爐熱場示意圖（a為改進(jìn)前；b為改進(jìn)后）

本次實(shí)驗(yàn)采用KAYEX CG6000型單晶爐，采用（b）熱系統(tǒng)生長硅單晶。將實(shí)驗(yàn)所得相關(guān)結(jié)果與（a）歷史記錄進(jìn)行充分比較，進(jìn)而對優(yōu)化、改進(jìn)的效果進(jìn)行科學(xué)檢驗(yàn)。在不同氬氣流分布條件下，分別形成不同種類的單晶，對其內(nèi)部氧碳含量進(jìn)行檢驗(yàn)。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程中，每次氬氣流場發(fā)生改變后，均要取其中性能比較穩(wěn)定的單晶，數(shù)量通常為10片，對其進(jìn)行嚴(yán)格檢測。

在CZSi單晶內(nèi)部，其縱向氧含量分布情況為“頭高尾低”，而碳含量分布情況則正好與氧含量分布狀態(tài)相反，為“頭低尾高”。因此，實(shí)驗(yàn)過程中通常僅對氧、碳含量最高的位置進(jìn)行充分對比。取單晶頭/尾各一片制作成樣品，厚度要控制在600μm左右。對樣品進(jìn)行拋光處理，同時進(jìn)行超凈清洗。分別對頭部樣品中間位置的氧含量和尾部樣品中間位置的碳含量進(jìn)行測定。整個操作要嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范進(jìn)行，保證實(shí)驗(yàn)質(zhì)量。

表1 氬氣主要物理性質(zhì)及相應(yīng)的工藝參數(shù)

2 氬氣流數(shù)值模擬分析

為進(jìn)一步采用定量方法對氬氣流動情況進(jìn)行科學(xué)合理的分析，本研究對氬氣流分布情況進(jìn)行確定，整個過程需要借助數(shù)值模擬方法來進(jìn)行有效計算。其中，氬氣入口的溫度、速度等相關(guān)條件均作為已知條件給出，而其他工藝參數(shù)則參見表1。

在整個計算過程中，做出以下幾點(diǎn)假設(shè)：（a）密度差異僅僅是由溫差變化引起的；（b）熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱等參數(shù)均視為常數(shù)，并將氬氣流場周圍的平均溫度作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。為進(jìn)一步對上述假定條件進(jìn)行求解，本研究采用有限元相關(guān)求解軟件進(jìn)行準(zhǔn)確計算。針對溫度邊界相應(yīng)條件而言，導(dǎo)流系統(tǒng)自身的溫度要利用灰體輻射方法來進(jìn)行準(zhǔn)確計算，進(jìn)而得出氬氣流場相應(yīng)的流線示意圖（指不同狀態(tài)及條件下）。

3 研究結(jié)論分析

通過對比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)值，可以得出以下結(jié)論：在常規(guī)性的氬氣流場內(nèi)部，氬氣流自身的出口速度往往較小，并且通常與熔體表面呈平行狀態(tài)分布，并附著于熔體上方位置。氬氣流無法在有限的時間內(nèi)形成完整的層流即被吹散，因此可在熔體上端位置形成相對比較穩(wěn)定的氬氣條件。在這種條件和環(huán)境下，氬氣自身的更新速度通常較為緩慢，且SiO自身揮發(fā)后產(chǎn)生的氣體要經(jīng)過很長時間方能被傳輸至排氣口，因此在原有常規(guī)性的氬氣流形環(huán)境中，硅單晶內(nèi)部的會含有較高的氧元素。但是，在氬氣流形環(huán)境處于可控制的狀態(tài)下，由于氬氣流可將熔硅吹散，因此其表面的氬氣往往具有較快的更新速度，SiO自身揮發(fā)后產(chǎn)生的氣體則會快速被帶離原有位置，并導(dǎo)致熔體上端分壓減少，進(jìn)一步增強(qiáng)SiO的揮發(fā)效果，有效減少硅單晶內(nèi)部的含氧量。

4 結(jié)束語

目前，半導(dǎo)體技術(shù)逐漸成熟，被廣泛應(yīng)用在人們的日常生產(chǎn)生活中。作為第1代電子材料的Si和Ge，已經(jīng)逐漸被集成電路所取代，因此在實(shí)際應(yīng)用中對大直徑硅單晶自身的質(zhì)量要求也逐漸增加。本研究通過利用導(dǎo)流技術(shù)，對其內(nèi)部熱系統(tǒng)構(gòu)成進(jìn)行整合和優(yōu)化。同時，根據(jù)氬氣流動方式、流動速度得到不同氧碳含量的硅單晶。采用數(shù)值模擬方法繪制完整的氬氣流線圖，旨在進(jìn)一步探究氬氣流動條件下對單晶硅生長氧碳含量的主要影響。

[1]滕冉，常青，吳志強(qiáng)，等.熱屏結(jié)構(gòu)對大直徑單晶硅生長影響的數(shù)值分析[J].人工晶體學(xué)報，2014，13（03）：508-512.

[2]張向宇，關(guān)小軍，潘忠奔，等.熱屏位置對直拉硅單晶V/G、點(diǎn)缺陷和熱應(yīng)力影響的模擬[J].人工晶體學(xué)報，2014，26（04）：771-777.

Study on the effect of silicon on the growth and oxygen carbon conte nt of silicon under the condition of argon flow

Liu Lijuan,Tong Quan
(uoyang single crystal silicon group co.,ltd， 471000)

To 18 inches of internal thermal field argon flows is analyzed, based on its own way of flow, the flow speed,make scientific adjustment, with different content of oxygen carbon number.Using numerical simulation method is complete the argon gas flow chart,detailed analysis of the test results at the same time,the argon gas flow field distribution are obtained.Through this study to explore the argon gas flow under the condition of oxygen carbon content of the main influence for the growth of single crystal silicon.

argon;flow condition;single crystal silicon;oxygen carbon content