基于氩气流动条件下单晶硅生长氧碳含量影响研究

刘丽娟,仝 泉

（洛阳单晶硅集团有限责任公司，471000）

基于氩气流动条件下单晶硅生长氧碳含量影响研究

刘丽娟,仝 泉

（洛阳单晶硅集团有限责任公司，471000）

对18英寸的热场内部氩气流动情况进行分析，根据其自身的流动方式、流动速度，进行科学调整，得到含有不同含量氧碳的硅单晶。利用数值模拟方法绘制完整的氩气流线图，同时对本次试验结果进行详细分析，得出氩气流场分布规律。旨在通过本文研究探究出氩气流动条件下对单晶硅生长氧碳含量的主要影响。

氩气；流动条件；单晶硅；氧碳含量

有相关学者提出，采用处于变化状态的氩气流动，来对单晶硅中氧碳含量进行有效控制，但是缺乏相关试验对此种方法进行检验。本研究对单晶炉中氩气流动方式及流量进行控制，并通过一系列试验手段，得出单晶硅中最适宜的氩气流动图样，详细情况如下。

1 实验方法

在充分利用原有导流技术的前提下，对其内部热系统构成进行整合和优化（如图1所示）。

图1 单晶炉热场示意图（a为改进前；b为改进后）

本次实验采用KAYEX CG6000型单晶炉，采用（b）热系统生长硅单晶。将实验所得相关结果与（a）历史记录进行充分比较，进而对优化、改进的效果进行科学检验。在不同氩气流分布条件下，分别形成不同种类的单晶，对其内部氧碳含量进行检验。在进行实验的过程中，每次氩气流场发生改变后，均要取其中性能比较稳定的单晶，数量通常为10片，对其进行严格检测。

在CZSi单晶内部，其纵向氧含量分布情况为“头高尾低”，而碳含量分布情况则正好与氧含量分布状态相反，为“头低尾高”。因此，实验过程中通常仅对氧、碳含量最高的位置进行充分对比。取单晶头/尾各一片制作成样品，厚度要控制在600μm左右。对样品进行抛光处理，同时进行超净清洗。分别对头部样品中间位置的氧含量和尾部样品中间位置的碳含量进行测定。整个操作要严格按照相关标准化规范进行，保证实验质量。

表1 氩气主要物理性质及相应的工艺参数

2 氩气流数值模拟分析

为进一步采用定量方法对氩气流动情况进行科学合理的分析，本研究对氩气流分布情况进行确定，整个过程需要借助数值模拟方法来进行有效计算。其中，氩气入口的温度、速度等相关条件均作为已知条件给出，而其他工艺参数则参见表1。

在整个计算过程中，做出以下几点假设：（a）密度差异仅仅是由温差变化引起的；（b）热传导系数、比热等参数均视为常数，并将氩气流场周围的平均温度作为衡量标准。为进一步对上述假定条件进行求解，本研究采用有限元相关求解软件进行准确计算。针对温度边界相应条件而言，导流系统自身的温度要利用灰体辐射方法来进行准确计算，进而得出氩气流场相应的流线示意图（指不同状态及条件下）。

3 研究结论分析

通过对比实验数据和模拟数值，可以得出以下结论：在常规性的氩气流场内部，氩气流自身的出口速度往往较小，并且通常与熔体表面呈平行状态分布，并附着于熔体上方位置。氩气流无法在有限的时间内形成完整的层流即被吹散，因此可在熔体上端位置形成相对比较稳定的氩气条件。在这种条件和环境下，氩气自身的更新速度通常较为缓慢，且SiO自身挥发后产生的气体要经过很长时间方能被传输至排气口，因此在原有常规性的氩气流形环境中，硅单晶内部的会含有较高的氧元素。但是，在氩气流形环境处于可控制的状态下，由于氩气流可将熔硅吹散，因此其表面的氩气往往具有较快的更新速度，SiO自身挥发后产生的气体则会快速被带离原有位置，并导致熔体上端分压减少，进一步增强SiO的挥发效果，有效减少硅单晶内部的含氧量。

4 结束语

目前，半导体技术逐渐成熟，被广泛应用在人们的日常生产生活中。作为第1代电子材料的Si和Ge，已经逐渐被集成电路所取代，因此在实际应用中对大直径硅单晶自身的质量要求也逐渐增加。本研究通过利用导流技术，对其内部热系统构成进行整合和优化。同时，根据氩气流动方式、流动速度得到不同氧碳含量的硅单晶。采用数值模拟方法绘制完整的氩气流线图，旨在进一步探究氩气流动条件下对单晶硅生长氧碳含量的主要影响。

[1]滕冉，常青，吴志强，等.热屏结构对大直径单晶硅生长影响的数值分析[J].人工晶体学报，2014，13（03）：508-512.

[2]张向宇，关小军，潘忠奔，等.热屏位置对直拉硅单晶V/G、点缺陷和热应力影响的模拟[J].人工晶体学报，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