3、直拉法硅生长中氧的掺入与偏析研究

直拉法硅生长中氧的掺入与偏析研究

1. 自动直径控制引起的扰动

在硅晶体生长中，生长速率的波动可能会受到自动直径控制机制的进一步干扰。该机制通过光学监测晶体直径的变化来调整晶体提拉速率，以维持预设的直径。提拉速率的调整分为“瞬时”（几秒）和“长期”（几分钟）两种。长期提拉速率调整决定了平均生长速率，而瞬时提拉速率调整则会对由热不对称和热对流导致的微观生长速率波动产生影响。其最终效果是模糊了由熔体热不对称引起的杂质波动的周期性。

2. 氧的掺入机制

在直拉法硅晶体生长中，与大多数有意掺杂剂在正常生长条件下呈现“正常凝固”行为不同，氧是一种无意掺杂剂，它通过溶解石英坩埚不断进入硅熔体。氧掺入硅的行为是坩埚溶解、表面蒸发、热对流和强制对流等多种因素复杂相互作用的结果。

在侧加热的直拉热区中，石英坩埚侧壁的溶解速率最高。硅熔体溶解SiO并吸收其中的氧，富含氧的硅熔体会沿着坩埚壁上升，遵循热对流模式到达熔体表面附近，然后流向熔体中心，在那里由于晶体旋转产生的强制对流被拉向晶体进行掺入。当富氧熔体接近表面时，大部分氧会通过自由表面蒸发。因此，生长晶体中掺入的氧浓度与生长晶体附近熔体中的氧浓度成正比。在稳态生长期间，系统中的四个控制因素之间存在氧的动态平衡。由于不同热区设计的热特性不同，氧的掺入行为会因生长设备的设计而异。

主要的氧控制因素如下：
- 表面蒸发和坩埚溶解的影响
- 在没有热对流和强制对流的假设情况下，熔体中的氧浓度与熔体 - 坩埚接触面积和可用自由表面积的比值成正比。此时氧的传输完全依赖于扩散。随着生长过程中纵横比的减小，该比值不断降低，这是直拉硅轴向氧分布的基本特征，即氧浓度