光伏技术：直拉单晶硅生产过程中的气体与气流

半导体信息 2023-11-03

考虑到硅熔体的高温和反应特性，气流只能选用惰性气体。目前主流的气氛为氩气，也有的选择氮气。选择氩气是因为它的成本比其他气体更低。与其他比如氦气相比，氩气还具有导热性差的优点，这一特性有助于将熔体周围的热区与水冷真空室壁隔离开来。然而，氦气可以用在需要更有效率冷却的情形，例如，关闭电源后加强炉室的冷却。

硅CZ的生长是在惰性气体的连续流动下进行的，气体流动模式的示意图如图1所示。

从此惰性净化气体流动原理图可以看到，氧来自于坩埚溶解，净化气体从熔体和晶体附近带走挥发性一氧化硅。只有一小部分溶解氧最终进入生长的晶体中。单晶拉制过程中，氩气自上往下吹拂，沿着埚边向上之后在真空泵的作用下从炉子底部排出，为单晶提供保护，增大热量传输，带走炉子中的杂质气体，同时也对石墨件产生侵蚀，降低石墨件寿命。

图1

考虑到硅熔体的高温和反应特性，气流只能选用惰性气体。目前主流的气氛为氩气，也有的选择氮气。选择氩气是因为它的成本比其他气体更低。与其他比如氦气相比，氩气还具有导热性差的优点，这一特性有助于将熔体周围的热区与水冷真空室壁隔离开来。然而，氦气可以用在需要更有效率冷却的情形，例如，关闭电源后加强炉室的冷却。

氩气无毒、无色、无嗅，是一种惰性气体，主要用于半导体工业、稀有金属、焊接中的保护气体、特种灯泡的光填充，气相色谱分析载气及配制标准气的底气等。市场上出售的氩气有液态和气态，液态氩储在液态罐里，罐子是双层的，中间抽真空，液态氩在进入单晶炉前必须进行气化，经过缓冲罐和减压阀后，才能进入单晶炉；氩气纯度通常只测定露点，即其中的含水量。拉制单晶硅所用氩气露点一般在-60℃。以深度冷冻法分离空气制取高纯氩（≥99.999%）的工艺过程目前已经十分成熟，高纯氩生产过程中一般是测出其杂质含量，扣除即为氩的纯度。如果氩气纯度不高，含有水、氧等杂质，会影响单晶生产，严重时无法拉晶。

典型的气体压力在15-50mbar，降低压力以减少与生长气氛相关的气体消耗，当然为了达到想要的电阻率和氧含量要求，炉压可以根据经验选择，尤其是对于具有强挥发性掺杂剂的单晶品种中，例如重掺砷、磷、锑等，炉压往往高达70-80mbar。另外，由于拉晶保温材料多选用石墨，炉压的改变对晶体中的碳含量也有显著影响。气体流量在几十到过百slpm变化。例如，如果该过程在60slpm/25mbar运行，并且炉子副炉室的内径尺寸为12英寸，则炉室的气体流速为0.5-0.6m/s，这足以确保将杂质带走。更大的压力也需要更大流量的净化气体，维持一种不受气体中温度差异过度影响的流动模式，避免产生额外热对流。此外，必须强制性带走从熔体中挥发到气体中的碳，这需要足够的气体流量和速度。实际下限压力接近12mbar，这是在熔点温度一氧化硅与硅熔体的平衡蒸气压。在埚壁附近熔体中氧化物的浓度接近饱和，通常温度也比熔点高几十度，如果气压过低，熔体开始“沸腾”，气压不足以阻止氧化物以气体的方式逸出。

在传统热场，熔体上方有很大的开放空间（图2），受水冷室壁的限制。气体下部受热，在这个大的连续空间产生不受控制的对流，更热更轻的气体向上运动，与流入气体的方向产生对抗。来自熔体的一氧化硅，伴随着这种对流与室壁相遇，凝结在低温的表面上。熔体上方也存在其他温度不太低的表面，但是对于一氧化硅的沉积来说也足够低温。这些沉积层可能导致有微粒掉入熔体，存在破坏生长单晶的的高风险。这些控制不良的气流也会带来其他污染，比如碳，来自于热场部件暴露的表面。

图2

还有一种更敏感的机制，导致蒸发的一氧化硅存在破坏晶体的危险。 一氧化硅的饱和蒸气压强烈依赖于气体温度。随着含有一氧化硅的气体向上运动，温度下降，形成小的氧化物颗粒（目前尚不清楚这些颗粒是由一氧化硅构成的还是由二氧化硅和硅构成的微粒混合物）。气流控制不佳允许这些微小粒子云的一部分回落到熔体，其中一些可能会存在于更热的条件下直到与溶体表面接触非常接近结晶界面。然后马氏对流直接将粒子带到晶体上，再次可能破坏晶体结构。

氩气是单晶拉制关键且复杂的影响因素，其流速，纯度等对单晶品质有重要影响，生产上出现异常时，常将氩气控制及相关的流量管道作为调查对象。通过对热场结构如热屏形状的改变可以优化气流模式，从而改变晶体品质。另外，对氩气的净化回收也是目前降本增效研究的方向之一。

本文内容来源于：半导体信息，责任编辑：胡静，审核人：李峥

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