直拉法单晶硅中位错影响因素的研究进展★

吕 涛，张 波，罗晓斌，郭 卫

（山西潞安太阳能科技有限责任公司，山西 长治 046000）

0 引言

制备单晶硅的主要方法包括直拉法与提拉法，其发明者为波兰的科学家Czochralski，发明时间为1916年。就直拉法单晶硅而言，因其具备晶体缺陷较少、纯度较高等优点，在太阳能电池以及半导体工业中广泛应用。而硅中有害性最显著，并且最常见的一种缺陷即为位错问题，其可缩短少子的寿命，并且令金属杂质聚集在一起，进而发生电流漏出的状况。同时，还能够令单晶变成多晶，进一步致使结构出现损失。因此，本文通过对国内外有关直拉法单晶硅位错相关研究情况进行总结归纳，了解其主要影响因素，并对杂质影响着重进行总结及讨论。

1 位错形成及运动

在本章节当中，会重点直拉法单晶硅位错的形成及运动进行分析，主要将从以下两个角度加以阐述，具体如下所示。

1.1 位错形成

赵泽钢（2018）表示在直拉法单晶硅当中，主要的位错呈现形式就包括螺型与混合型两种。而致使错位发生的主要因素有以下几方面：因为内应力而产生的，主要表现为晶体内部温度的分布不均衡致使的热应力而发生的位错、沉淀物以及杂质，在直拉法单晶硅中因不同的热膨胀系数与热导系数令内应力产生；因为外盈利而产生的，主要表现为进行晶片加工的过程中造成其表现的损伤，如膜片、抛光等过程中造成的损害或伤害，在进行高温处理后进而产生位错问题[1]。

1.2 位错运动

刘恩科（2019）表示在直拉法单晶硅当中，存在着一种位错芯的结构，其可能引发重构，进而因重构而影响位错电活性消失。而位错应力场同杂质互相作用，令杂质优先沿着错危险发生沉积反应。而溶解度较小且在硅中可以实现迅速扩散的金、铁等重金属杂质，其沉积反应更加容易发生，进而致使导电通道出现。如果氮或是氧等原子于位错线上沉积（实际上处在某种键合状态下），能够将位错钉住，令位错不同意攀移与滑移[2]。

2 直拉法单晶硅中位错影响因素

在本章节中，将主要针对直拉法单晶硅之中位错的影响因素展开探究，主要包括固液界面、籽晶热冲击、晶体直径以及杂质方面影响作用。具体的整理及分析情况如下。

2.1 固液界面的影响

NOGHABI O A（2018）等表示一般情况下，熔体与晶体间的固液界面的形状是由晶体、熔体以及环境温度分布情况而决定的。同时，生长条件还会影响到固液界面形状，例如气体产生的对流与压力作用、提拉的速度影响等等。就固液界面的形状而言，可能会有凸形、凹形或是平面出现，甚至还会变为W 形等，并发现W 形能够对晶体中心压缩应力起到缓解作用，进而令形成位错的概率降低。而相较于较为平坦的固液界面而言，向着溶体面凸出的固液界面附近的切应力应是更大的，尤其是相比中心而言，边缘的切应力要大几倍之高。截面朝向溶体凸出的情况下，其界面附近位置也就会发生位错的情况；当处在一种平坦状态的情况下，也就会起到相应的抑制作用，进而避免的位错发生，即凸界面前切应力要比平面籽晶高。固液界面的不同形态对于位错发生有不同的影响作用，通过对提拉速度等影响因素来对其界面曲率加以控制，将界面的波动减少，进而对形成位错的抑制作用有利。

2.2 籽晶热冲击的影响

郑加镇（2019）表示在直拉法单晶硅的生长初期阶段，在籽晶于硅熔体的表面侵入的时候，有可能会因热冲击而受到影响，而在籽晶当中发生位错时，位错会延伸至生长晶体中并造成影响（见图1）。固液界面的不同形态对于位错发生有不同的影响作用，通过对提拉速度等影响因素来对其界面曲率加以控制，将界面的波动减少，进而对形成位错的抑制作用有利[3]。若有效地将缩颈技术加以利用，则就能够实现引晶环节的位错排除。但对加大的直拉法单晶硅而言，细颈较难撑起其质量。因此，其提出直拉法单晶硅夹持提拉方法，在长晶后期阶段，夹持壁夹持硅棒并提拉，最大程度降低细颈位置的质量，继续提拉硅棒也不会对其旋转活动造成影响，进而将大重量直拉法单晶硅的细颈较难承受质量的难题解决，这也对保留缩颈工艺的位错排出有积极的作用。

2.3 晶体直径的影响

Taishi（2019）等通过研究后发现，当界面之下的生长晶体直径大于籽晶直径的情况下，就会引发界面边缘产生位错，其产生是因不完全引晶的影响。相反的，界面的附近并无位错产生，而生长晶体与籽晶的直径相同时，θ＝0°处在形成位错的临界情况下，如图2 所示。就对直拉法单晶硅而言，熔体液位、提拉速等发生变化都会对其直径造成影响。利用较高熔体温度虽然能够将引晶的晶体直径减小，可同时也需要给予充足的籽晶预热时间，才可以将位错的形成产生抑制作用，进而生长无细颈晶体。位错的产生的应力来源即为不变化的问题及其分布不均而产生的热应力。伴随直拉法单晶硅的直径在逐渐的加大，进行冷却的过程中，其外层的降温速度迅速，但内层却较为缓慢，这令其径向温度随之增加，致使其出现较高热应力。直拉法单晶硅棒在进行拉直后受到热应力影响，在尾部就会出现大量位错，并且其延伸的长度大于与尾部的直径相等，并发现了晶体的直径发生变化之后，会出现局部最大应力值的状况，进而引发位错的产生。但是，因为生产设备灵敏度及不可避免因素等方面的影响，当前要想令标准圆柱形单晶硅生长出来是较难实现的。

图2 籽晶和生长晶体界面附近的X 射线形貌图

如果在晶体周围增添上隔热罩，将侧壁散热量进行适当的降低，并且加大硅棒的尺寸，进而令更为明显温度梯度变化，能够将热应力降低，随之降低位错发生概率。因此，对单晶硅直径改变及热应力变化对于位错产生的影响进行研究是有重要意义的。

3 结语

当前，仍需要不断地进行科技创新，就硅材料的要求也在不断提升，若在关键点上发生位错的情况，就容易损伤到芯片性能等方面的正常状态，进而容易造成其他或是更大的损失。对位错形成机制等进行较为深入的了解，且寻找到有效的抑制方法，对提升其性能有重要的作用。因此，本文总结了国内外直拉单晶硅中位错的研究，了解了相关的影响因素，并着重总结和讨论了杂质的影响。主要总结和分析了直拉单晶硅中位错影响因素的研究进展，介绍了直拉单晶中位错的形成和运动机理。在介绍直拉单晶硅中位错机理的前提下，分析了固-液界面、晶种热冲击、晶体直径、杂质等因素对直拉单晶硅生长过程中位错的影响，并进一步总结了鳞片、硼、氮氧等杂质对直拉硅位错形成的影响。希望通过本文总结直拉单晶硅中位错影响因素的研究进展，加深对这方面的认识，并对相关研究的改进起到积极作用。