单晶硅中可能出现的各种缺陷
单晶硅中可能出现的各种缺陷缺陷，是对于晶体的周期性对称的破坏，使得实际的晶体偏离了理想晶体的晶体结构。
在各种缺陷之中，有着多种分类方式，如果按照缺陷的维度，可以分为以下几种缺陷：点缺陷：在晶体学中，点缺陷是指在三维尺度上都很小的，不超过几个原子直径的缺陷。
其在三维尺寸均很小，只在某些位置发生，只影响邻近几个原子，有被称为零维缺陷。
线缺陷：线缺陷指二维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷，也就是位错。
我们可以通过电镜等来对其进行观测。
面缺陷：面缺陷经常发生在两个不同相的界面上，或者同一晶体内部不同晶畴之间。
界面两边都是周期排列点阵结构，而在界面处则出现了格点的错位。
我们可以用光学显微镜观察面缺陷。
体缺陷：所谓体缺陷，是指在晶体中较大的尺寸范围内的晶格排列的不规则，比如包裹体、气泡、空洞等。
一、点缺陷点缺陷包括空位、间隙原子和微缺陷等。
1、空位、间隙原子点缺陷包括热点缺陷（本征点缺陷）和杂质点缺陷（非本征点缺陷）。
1.1热点缺陷其中热点缺陷有两种基本形式：弗仑克尔缺陷和肖特基缺陷。
单晶中空位和间隙原子在热平衡时的浓度与温度有关。
温度愈高，平衡浓度愈大。
高温生长的硅单晶，在冷却过程中过饱和的间隙原子和空位要消失，其消失的途径是：空位和间隙原子相遇使复合消失；扩散到晶体表面消失；或扩散到位错区消失并引起位错攀移。
间隙原子和空位目前尚无法观察。
1.2杂质点缺陷A、替位杂质点缺陷，如硅晶体中的磷、硼、碳等杂质原子B、间隙杂质点缺陷，如硅晶体中的氧等1.3点缺陷之间相互作用一个空位和一个间隙原子结合使空位和间隙原子同时湮灭（复合），两个空位形成双空位或空位团，间隙原子聚成团，热点缺陷和杂质点缺陷相互作用形成复杂的点缺陷复合体等。
2、微缺陷2.1产生原因如果晶体生长过程中冷却速度较快，饱和热点缺陷聚集或者他们与杂质的络合物凝聚而成间隙型位错环、位错环团及层错等。
Cz硅单晶中的微缺陷，多数是各种形态的氧化物沉淀，它们是氧和碳等杂质，在晶体冷却过程中，通过均质成核和异质成核机理形成。
2.2微缺陷观察方法1）择优化学腐蚀：择优化学腐蚀后在横断面上呈均匀分布或组成各种形态的宏观漩涡花纹（漩涡缺陷）。
宏观上，为一系列同心环或螺旋状的腐蚀图形，在显微镜下微缺陷的微观腐蚀形态为浅底腐蚀坑或腐蚀小丘（蝶形蚀坑）。
在硅单晶的纵剖面上，微缺陷通常呈层状分布。
2）热氧化处理：由于CZ硅单晶中的微缺陷，其应力场太小，往往需热氧化处理，使微缺陷缀饰长大或转化为氧化层错或小位错环后，才可用择优腐蚀方法显示。
3）扫描电子显微技术，X射线形貌技术，红外显微技术等方法。
2.3微缺陷结构直拉单晶中微缺陷比较复杂。
TEM观察到在原生直拉硅单晶中，存在着间隙位错环，位错团和小的堆跺层错等构成的微缺陷，以及板片状SiO2沉积物，退火Cz硅单晶中的微缺陷为体层错、氧沉淀物及沉淀物-位错-络合物等。
Cz硅中的原生缺陷分别是根据不同的测量方法而命名，有三种：1. 使用激光散射层析摄影仪检测到的红外(IR)散射中心(LSTD)；2. 经一号清洗液腐蚀后，在激光颗粒计数器下检测为微小颗粒的缺陷(COP)；3. 流型缺陷(FPD)，它是在Secco 腐蚀液择优腐蚀后，用光学显微镜观察到的形如楔形或抛物线形的流动图样的缺陷，在其端部存在有很小的腐蚀坑。
控制CZ硅单晶中原生缺陷的途径是选择合适的晶体生长参数和原生晶体的热历史。
要调节的主要生长参数是拉速、固液界面的轴向温度梯度G(r) (含合适的v/G(r)比值)、冷却速率等。
另外通过适宜的退火处理可减少或消除原生缺陷。
二、线缺陷位错：包括螺位错和刃位错1、产生原因1) 籽晶中位错的延伸；2) 晶体生长过程中，固液界面附近落入不溶固态颗粒，引入位错；3)温度梯度较大，在晶体中产生较大的热应力时，更容易产生位错并增殖。
2、位错形态及分布1）择优化学腐蚀：位错蚀坑在{100}面上呈方形，但其形态还与位错线走向、晶向偏离度、腐蚀剂种类、腐蚀时间、腐蚀液的温度等因素有关。
硅单晶横断面位错蚀坑的宏观分布可能组态：A、位错均匀分布B、位错排是位错蚀坑的某一边排列在一条直线上的一种位错组态，它是硅单晶在应力作用下，位错滑移、增殖和堆积的结果。
位错排沿<110>方向排列。
C、星形结构式由一系列位错排沿<110>方向密集排列而成的。
在{100}面上，星形结构呈井字形组态。
2）红外显微镜和X射线形貌技术3、无位错硅晶体的生长1）缩颈2）调节热场，选择合理的晶体生长参数，维持稳定的固液界面形状3）防止不溶固态颗粒落入固液界面三、面缺陷面缺陷主要有同种晶体内的晶界，小角晶界，层错，以及异种晶体间的相界等。
平移界面：晶格中的一部分沿着某一面网相对于另一部分滑动(平移)。
堆跺层错：晶体结构中周期性的互相平行的堆跺层有其固有的顺序。
如果堆跺层偏离了原来固有的顺序，周期性改变，则视为产生了堆跺层错。
晶界：是指同种晶体内部结晶方位不同的两晶格间的界面，或说是不同晶粒之间的界面。
按结晶方位差异的大小可将晶界分为小角晶界和大角晶界等。
小角晶界一般指的是两晶格间结晶方位差小于10度的晶界。
偏离角度大于10度就成了孪晶。
相界：结构或化学成分不同的晶粒间的界面称为相界。
1、小角晶界：硅晶体中相邻区域取向差别在几分之一秒到一分（弧度）的晶粒间界称为小角度晶界。
在{100}面上，位错蚀坑则以角顶底方式直线排列。
2、层错：指晶体内原子平面的堆垛次序错乱形成的。
硅单晶的层错面为{111}面。
2.1层错产生原因：在目前工艺条件下，原生硅单晶中的层错是不多见的。
一般认为，在单晶生长过程中，固态颗粒进入固液界面，单晶体内存在较大热应力，固液界面附近熔体过冷度较大，以及机械振动等都可能成为产生层错的原因。
2.2层错的腐蚀形态应用化学腐蚀方法显示硅单晶中的层错时，有时可以观察到沿<110>方向腐蚀沟槽，它是层错面与观察表面的交线。
在{111}面上，层错线互相平行或成60º，120º分布，{100}面上的层错线互相平行或者垂直，在层错线两端为偏位错蚀坑。
层错可以贯穿到晶体表面，也可以终止于晶体内的半位错或晶粒间界处。
2.3氧化诱生层错形成的根本原因：热氧化时硅二氧化硅界面处产生自间隙硅原子，这些自间隙硅原子扩散至张应力或晶格缺陷(成核中心)处而形成OSF并长大。
一般认为，OSF主要成核十硅片表面的机械损伤处、金属沾污严重处，其它诸如表面或体内的旋涡缺陷、氧沉淀也是OSF的成核中心它与外延层错相区别也与由体内应力引起的体层错(bulk stacking faults)相区别。
通常OSF有两种：表面的和体内的。
表面的OSF一般以机械损伤，金属沽污、微缺陷(如氧沉淀等)在表面的显露处等作为成核中心；体内的B-OSF(Bulk OSF)则一般成核于氧沉淀。
20世纪70年代末，研究者发现硅晶体中的OSF常常呈环欲分布特征(ring-OSF )后人的研究表明，这与晶体生长时由生长参数(生长速度、固液界面处的温度梯度)决定的点缺陷的径向分布相关联由干空位和自间隙的相互作用，进而引起氧的异常沉淀，从而引发OSF。
3孪晶3.1孪晶的构成孪晶是由两部分取向不同，但具有一个共同晶面的双晶体组成。
它们共用的晶面称为孪生面，两部分晶体的取向以孪生面为镜面对称，且两部分晶体取向夹角具有特定的值。
硅晶体的孪生面为{111}面。
3.2孪晶生成原因晶体生长过程中，固液界面处引入固态小颗粒，成为新的结晶中心，并不断长大形成孪晶。
此外，机械振动、拉晶速度过快或拉速突变也可促使孪晶的形成。
四、体缺陷所谓体缺陷，是指在晶体中三维尺度上出现的周期性排列的紊乱，也就是在较大的尺寸范围内的晶格排列的不规则。
这些缺陷的区域基本上可以和晶体或者晶粒的尺寸相比拟，属于宏观的缺陷，较大的体缺陷可以用肉眼就能够清晰观察。
体缺陷有很多种类，常见的有包裹体、气泡、空洞、微沉淀等。
这些缺陷区域在宏观上与晶体其他位置的晶格结构、晶格常数、材料密度、化学成分以及物理性质有所不同，好像是在整个晶体中的独立王国。
1嵌晶硅晶体内部存在与基体取向不同的小晶体（晶粒）称为嵌晶。
嵌晶可为单晶或多晶。
在一般拉晶工艺下，嵌晶很少见。
2夹杂物由外界或多晶引入熔硅中的固态颗粒，在拉晶时被夹带到晶体中形成第二相称为夹杂物。
应用电子探针和扫描电子显微镜观察到直拉或者区熔硅单晶中，存在α-SiC和β-SiC颗粒，其尺寸由几个微米到十几个微米。
3孔洞硅单晶中存在的近于圆柱形或球形的空洞。
在硅单晶机械加工时，硅片上所见到的圆形孔洞，大的孔洞直径有几毫米。
五、条纹在宏观上为一系列同心环状或螺旋状的腐蚀图形，在100倍或者更高放大倍数下是连续的表面凹凸状条纹。
杂质条纹是硅单晶中一种常见的宏观缺陷，它表征硅单晶中，不同区域杂质浓度存在明显的差异。
1、杂质条纹的形态和特征杂质条纹在垂直生长轴方向的横断面上，杂质条纹多呈环状或条纹状分布，在平行与生长轴方向的纵剖面上，杂质条纹呈层状分布。
杂质条纹的形状反映了固液前沿形状。
2、杂质条纹产生的原因晶体生长时，由于种种原因，或引起固液界面附近的温度发生微小的变化，由此导致晶体微观生长速率的起伏，或者引起杂质边界层厚度起伏，以及小平面效应等，均使晶体和熔体之间的杂质有效分凝系数产生波动，引起晶体中的杂质浓度分布发生相应的变化，从而形成了杂质条纹。
3、杂质条纹的消除与抑制调整热场，使之具有良好的轴对称性，并使晶体的旋转轴尽量与热场中心轴同轴，抑制和减弱熔体热对流，可以使晶体杂质趋于均匀分布。
第4章单晶硅及其杂质和缺陷
将高纯硅粉臵于加热流化床上，通入中间化合物三氯氢硅 和高纯氢气，反应得到的高纯硅沉积在硅粉上。
在加热的高纯石墨管中通入三氯氢硅和高纯氢气，直接形 成硅液滴，最后凝固成高纯多晶硅。
4.3.2 硅烷热分解法 硅烷的制备：
Mg2Si+4NH4Cl→SiH4+4NH3+2MgCl2 ⑴ Mg2Si:NH4Cl =1:3 ⑵ Mg2Si:液氨=1:10(液氨充当溶剂和催化剂) ⑶温度-30~-33℃（日本小松电子公司）
3SiCl4+Si+2H2 = 4SiHCl3 2SiHCl3 = SiH2Cl2+SiCl4 3SiH2Cl2 = SiH4+ 2SiHCl3
美国联合碳化物公司，歧化反应，需 加催化剂。
硅烷采用低温精馏法提纯
硅烷的热分解： 温度:850℃ SiH4=Si+2H2 可采用上面的加热硅棒和流化床两种技术
晶体硅的密排面为(111)面，其次为(110)面，最 后为(100)面， (111)面间距最大， (100)面的间 距最小。所以晶体硅易沿(111)面解理，而腐蚀速 率最小。(面间距、面密度和键密度见表4.1)
4.2 太阳能电池用硅材料
高纯多晶硅 薄膜多晶硅 多晶硅 带状多晶硅 高纯硅烷 铸造多晶硅 硅材料 非晶硅 非晶硅薄膜 含硅气体
什么样的温度控制才能生长单晶？——根据晶体生长理论来 进行设计 结晶学把晶体生长过程看作是成核长大过程。这个过程分为 两个阶段，成核阶段和生长阶段。
在人工晶体生长系统中，为了在所希望生长的地方生长出单晶，必须严格 控制生长系统中的成核率。通常采用设臵非均匀相变驱动力场的方法，使 生长系统中的相变驱动力有一定的合适的空间分布。所谓驱动力场是指生 长系统中驱动力在空间的分布。
单晶硅中可能出现的各种缺陷
单晶硅中可能出现的各种缺陷缺陷，是对于晶体的周期性对称的破坏，使得实际的晶体偏离了理想晶体的晶体结构。
在各种缺陷之中，有着多种分类方式，如果按照缺陷的维度，可以分为以下几种缺陷：点缺陷：在晶体学中，点缺陷是指在三维尺度上都很小的，不超过几个原子直径的缺陷。
其在三维尺寸均很小，只在某些位置发生，只影响邻近几个原子，有被称为零维缺陷。
线缺陷：线缺陷指二维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷，也就是位错。
我们可以通过电镜等来对其进行观测。
面缺陷：面缺陷经常发生在两个不同相的界面上，或者同一晶体内部不同晶畴之间。
界面两边都是周期排列点阵结构，而在界面处则出现了格点的错位。
我们可以用光学显微镜观察面缺陷。
体缺陷：所谓体缺陷，是指在晶体中较大的尺寸范围内的晶格排列的不规则，比如包裹体、气泡、空洞等。
一、点缺陷点缺陷包括空位、间隙原子和微缺陷等。
1、空位、间隙原子点缺陷包括热点缺陷（本征点缺陷）和杂质点缺陷（非本征点缺陷）。
1.1热点缺陷其中热点缺陷有两种基本形式：弗仑克尔缺陷和肖特基缺陷。
单晶中空位和间隙原子在热平衡时的浓度与温度有关。
温度愈高，平衡浓度愈大。
高温生长的硅单晶，在冷却过程中过饱和的间隙原子和空位要消失，其消失的途径是：空位和间隙原子相遇使复合消失；扩散到晶体表面消失；或扩散到位错区消失并引起位错攀移。
间隙原子和空位目前尚无法观察。
1.2杂质点缺陷A、替位杂质点缺陷，如硅晶体中的磷、硼、碳等杂质原子B、间隙杂质点缺陷，如硅晶体中的氧等1.3点缺陷之间相互作用一个空位和一个间隙原子结合使空位和间隙原子同时湮灭（复合），两个空位形成双空位或空位团，间隙原子聚成团，热点缺陷和杂质点缺陷相互作用形成复杂的点缺陷复合体等。
2、微缺陷2.1产生原因如果晶体生长过程中冷却速度较快，饱和热点缺陷聚集或者他们与杂质的络合物凝聚而成间隙型位错环、位错环团及层错等。
Cz硅单晶中的微缺陷，多数是各种形态的氧化物沉淀，它们是氧和碳等杂质，在晶体冷却过程中，通过均质成核和异质成核机理形成。
单晶硅缺陷
解决办法
时的浓度与温度有关。温度越高，平衡 中过饱和的间隙原子和空位要消失。 碳等杂质原子 选择合适的晶体生长参数和原原生晶历史 （热场），主要调节生长参数是拉速、固 液面的轴向温度梯度、冷却速率等。另外 通过适宜的退火处理可减少或消除原声缺 陷。
各种形态的氧化物沉淀，它们是氧和碳 质成核和异质成核机理形成
固液界面落入不容固体颗粒， 1、缩颈，加大细晶长度 2、调节热场，选 较大的热应力时，更容易产生位错并增 择合理的晶体生长参数，维持稳定的固液 界面形状 3、防止不容固态颗粒落入固液 界面 的晶粒间界称为小角晶界。 1、保持炉内、石墨件清洁，防止颗粒落入 颗粒进入固液界面 2、晶体内存在较大 固液界面 2、调节径、轴向梯度，保持稳 面附近熔体过冷度较大 4、机械振动 定状态 3、对电器定时检测，防止机械故 生长过程中，固液界面处引入固态小颗 障（如拉速突变 ，埚升停止或突变等） 4 并不断长大形成孪晶。另外，机 、尽量减轻机械振动 度过快或拉速突变也可促使孪晶形成。 常见的有包裹体、气泡、空洞、微 可以通过增大埚转、晶转或延长恒温时间 。属于宏观缺陷。 等方法改进 由于种种原因，或引起固液界面 由此导致晶体围观生长速率 调整热场，使之具有良好的轴对称性，并 杂质边界层厚度起伏，以及小平面效应 使晶体的旋转轴尽量与热场中心轴同轴， 体之间的杂质有效分凝系数产生波动引 抑制和减弱熔体热对流，可以使晶体杂质 趋于均匀分布。 度分布发生相应变化，从而形成杂质条 。
分类 热点缺陷 空位、间 隙原子 点缺陷 杂质点缺陷 间隙杂质点缺陷 微缺陷
状态及产生原因
产生原因：单晶中空位和间隙原子在热平衡时的浓度与温度有关 浓度愈大。高温生长的单晶硅在冷却过程中过饱和的间隙原子和空位要 替位杂质点缺陷 如硅晶体中的磷、硼、碳等杂质原子 如硅晶体中的氧等
单晶硅片的晶体缺陷与光吸收特性关联研究
单晶硅片的晶体缺陷与光吸收特性关联研究单晶硅片是一种具有晶格完整性和高晶体质量的材料，被广泛应用于太阳能电池、光电器件等领域。
然而，单晶硅片在制备过程中难免存在着晶体缺陷，这些缺陷会对其光吸收特性产生影响。
因此，对单晶硅片的晶体缺陷与光吸收特性之间的关联进行研究，具有重要的科学意义和应用价值。
在研究单晶硅片的晶体缺陷与光吸收特性的关系前，我们需要了解单晶硅片的结构特点和制备方法。
单晶硅片是由纯净度高的硅材料通过Czochralski法或浮区法等制备而成。
其晶体结构为面心立方结构，具有非常高的晶格完整性和纯度。
晶体缺陷是指晶格中存在的结构缺失、原子错位或其他非理想状态。
常见的晶体缺陷包括点缺陷、线缺陷和面缺陷。
单晶硅片中常见的晶体缺陷有位错和杂质等。
位错是晶体中晶面的错配现象，可分为线性位错和面内位错两种。
线性位错是晶格的一种结构缺陷，是由于晶格中某一部分的原子排列方式与理想晶体不匹配而引起的。
线性位错会在晶格中引入额外的能量状态，降低晶体的电子迁移率和光学传导性能，从而影响光吸收特性的表现。
面内位错是晶体表面的错配现象，常引起性能上的变化和损坏，影响光吸收特性。
杂质是指晶格中的异质原子或离子，其引入会导致晶体中局部的位移和电荷不平衡。
杂质通常是掺杂元素，如硼、磷等，或者其他杂质原子，如氧、碳等。
这些杂质会改变晶格的能带结构和电子迁移行为，从而影响光的吸收和发射特性。
研究表明，晶体缺陷对单晶硅片的光吸收特性产生了显著影响。
首先，位错的存在会导致晶格的微扰，使得硅片的光电子迁移路径受阻，影响电子的输运性能。
其次，杂质的引入会改变硅片的能带结构和光电转化效率。
掺杂杂质可以在能带中形成本征能级或能带宽度发生变化，从而调整硅片的光吸收谱。
此外，在光照下，杂质还可与光生载流子发生相互作用，加速载流子复合速率，从而改变光电转化效率。
在实际应用中，为了提高单晶硅片的光转换效率，需要对晶体缺陷进行控制和优化。
一种常用的方法是通过表面修饰，例如采用光致化学腐蚀、氢原子处理等技术，以减少晶体缺陷和提高光吸收效率。
硅中的缺陷和杂质
杂 质
P As Sb
Si
0.045
0.057
0.065 0.16
Si
0.044
0.049
0.039
Your company slogan
深能级杂质
在硅中掺入非Ⅲ、Ⅴ族杂质后，在硅禁带中产生的施主能 级ED距导带底EC较远，产生的受主能级EA距价带顶EV较远， 这种能级称为深能级，对应的杂质称为深能级杂质。 深能级杂质可以多次电离，每一次电离相应有一个能级。 因此，这些杂质在硅的禁带中往往引入若干个能级。而且， 有的杂质既能引入施主能级，又能引入受主能级。
Your company slogan
过渡金属杂质的固溶度
1金属的固溶度随温度而迅速下降 2.同一温度不同金属的固溶度不一样 3. Cu,Ni 最大 （1018 cm-3),较P,B为小 4.掺杂剂会影响过渡族金属在金属中的溶解度
Your company slogan
Fe, Cu, Ni在硅中的扩散 Cu原子扩散是其带正电离子Cu+的扩散，故其不仅仅受温度 影响，而且受导电类型和掺杂浓度的影响。 Ni金属扩散主要是以间隙态存在，有0.1%的替位Ni（有电 学活性），受点缺陷的控制，扩散以分离机制为主。 Fe主要以间隙态存在，禁带中引入导带以下0.29 eV的能级， 替位铁不存在。温度小于200度时p型硅中绝大部分铁带正 电荷，高温时候无论p或者n型硅中大部分铁是中性，带电 铁容易和p型硅中的B形成Fe-B对，影响Fe的扩散。
Si
EC
Si Si Eg
Si Si Si
Si
+
BSi
Δ EA
EA
EV
空穴得到能量Δ EA后， 从受主的束缚态跃迁到 价带成为导电空穴在能 带图上表示空穴的能量 是越向下越高，空穴被 受主杂质束缚时的能量 比价带顶EV低Δ EA
单晶硅片的晶格缺陷和应力分析
单晶硅片的晶格缺陷和应力分析单晶硅片是目前最常见的半导体材料之一，被广泛应用于电子设备制造和太阳能光伏系统等领域。
在单晶硅片的生产和使用过程中，晶格缺陷和应力是两个重要的问题，它们对硅片的性能和可靠性都有着至关重要的影响。
晶格缺陷是指单晶硅片中晶格排列不完美的部分，主要包括点缺陷、线缺陷和面缺陷。
点缺陷是指晶格中的原子位置发生位错，例如空位缺陷和杂质原子的存在。
线缺陷是指晶格中形成的线状缺陷，例如晶格错位和位错线。
面缺陷是指晶格中的平面缺陷，例如晶界和薄膜的存在。
晶格缺陷对单晶硅片的性能和可靠性有着重要的影响。
首先，晶格缺陷会影响材料的导电性能。
因为晶格缺陷会改变原子的排列方式，从而影响电子的传导和散射。
其次，晶格缺陷会导致材料的非均匀性增加。
晶格缺陷的存在会引起局部应力分布的不均匀，导致一些区域的应力过大，从而影响材料的机械性能和可靠性。
应力是指单晶硅片中存在的内部或外部力引起的应变效应。
在单晶硅片的制备和使用过程中，应力是不可避免的。
内部应力是指硅片内部原子之间的相互作用力引起的应力，例如晶格缺陷和材料的生长过程中的温度差异等因素会产生内部应力。
外部应力是指单晶硅片与外界施加的力或热应力引起的应力，例如材料在加工和封装过程中受到的力和温度变化等。
应力会影响单晶硅片的性能和可靠性。
首先，应力会影响材料的机械性能。
应力过大会导致材料的强度降低和脆性增加，从而降低了硅片的可靠性和耐久性。
其次，应力会影响材料的光学性能。
应力会引起材料的光学常数发生变化，从而影响光学器件的性能和效率。
最后，应力还会导致材料的失效和损坏。
应力过大会引起晶格缺陷的扩散和演化，最终导致材料的失效和损坏。
为了解决单晶硅片的晶格缺陷和应力问题，需要采取一系列的措施。
首先，可以使用高质量的单晶硅片进行制备，减少晶格缺陷的产生。
此外，可以通过调控材料的生长条件和参数来控制晶格缺陷的形成和演化。
其次，可以采用合适的工艺和技术来降低晶格缺陷和应力的影响。
第五章 单晶硅的制备及其缺陷和杂质
• 单晶硅生长时，热场中存在着固体 （晶体），熔体两种形态，温度梯度 也有两种。 • 晶体中的纵向温度梯度(dT/dy)s和径 向温度梯度(dT/dx)s 。熔体中的纵向 温度梯度(dT/dy)L和径向温度梯度 (dT/dx)L 。是两种完全不同的温度分 布。 • 最能影响结晶状态是生长界面处的温 度梯度(dT/dy)s-L ， (dT/dx)s-L ，它是 晶体、熔体、环境三者的传热、放热、 散热综合影响的结果，在一定程度上 决定看单晶质量。
• 悬浮区熔法比直拉法出现晚， W· G· Pfann 1952年提出， P· H· keck等人1953年用来提 纯半导体硅。 • 悬浮区熔法是将多晶硅棒用 卡具卡住上端，下端对准籽 晶，高频电流通过线圈与多 晶硅棒耦合，产生涡流，使 多晶棒部分熔化，接好籽晶 ，自下而上使硅棒熔化和进 行单晶生长，用此法制得的 硅单晶叫区熔单晶。
• 单晶炉的机械传动部分，包括籽晶轴（上 轴）、坩埚轴和驱动它们上升、下降或旋 转的电机。 • 籽晶轴和坩埚轴的旋转由力矩电机（或直 流电机）分别经过皮带（或齿轮）变速后 带动抱轮使其旋转。 • 籽晶轴和坩埚轴的上升或下降通过通过两 个力矩电机（或直流电机）驱动螺纹旋转 完成。 • 这四个运动各自独立，互不干扰，不同的 是坩埚轴比籽晶轴有更缓慢上升或下降速 度。
• 热场主要受热系统影响，热系统变化热场 一定变化。加热器是热系统的主体，是热 系统的关键部件。因此，了解加热器内温 度分布状况对配制热场非常重要。 • 以加热器中心线为基准，中心温度最高， 向上和向下温度逐渐降低，它的变化率称 为纵向温度梯度，用dT/dy表示。加热器径 向温度内表面，中心温度最低，靠近加热 器边缘温度逐渐增加，成抛物线状，它的 变化率为径向温度梯度，用dT/dx表示。
单晶硅中可能出现的各种缺陷
创作编号：GB8878185555334563BT9125XW创作者：凤呜大王*单晶硅中可能出现的各种缺陷缺陷，是对于晶体的周期性对称的破坏，使得实际的晶体偏离了理想晶体的晶体结构。
在各种缺陷之中，有着多种分类方式，如果按照缺陷的维度，可以分为以下几种缺陷：点缺陷：在晶体学中，点缺陷是指在三维尺度上都很小的，不超过几个原子直径的缺陷。
其在三维尺寸均很小，只在某些位置发生，只影响邻近几个原子，有被称为零维缺陷。
线缺陷：线缺陷指二维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷，也就是位错。
我们可以通过电镜等来对其进行观测。
面缺陷：面缺陷经常发生在两个不同相的界面上，或者同一晶体内部不同晶畴之间。
界面两边都是周期排列点阵结构，而在界面处则出现了格点的错位。
我们可以用光学显微镜观察面缺陷。
体缺陷：所谓体缺陷，是指在晶体中较大的尺寸范围内的晶格排列的不规则，比如包裹体、气泡、空洞等。
一、点缺陷点缺陷包括空位、间隙原子和微缺陷等。
1、空位、间隙原子点缺陷包括热点缺陷（本征点缺陷）和杂质点缺陷（非本征点缺陷）。
1.1热点缺陷其中热点缺陷有两种基本形式：弗仑克尔缺陷和肖特基缺陷。
单晶中空位和间隙原子在热平衡时的浓度与温度有关。
温度愈高，平衡浓度愈大。
高温生长的硅单晶，在冷却过程中过饱和的间隙原子和空位要消失，其消失的途径是：空位和间隙原子相遇使复合消失；扩散到晶体表面消失；或扩散到位错区消失并引起位错攀移。
间隙原子和空位目前尚无法观察。
1.2杂质点缺陷A、替位杂质点缺陷，如硅晶体中的磷、硼、碳等杂质原子B、间隙杂质点缺陷，如硅晶体中的氧等 1.3点缺陷之间相互作用一个空位和一个间隙原子结合使空位和间隙原子同时湮灭（复合），两个空位形成双空位或空位团，间隙原子聚成团，热点缺陷和杂质点缺陷相互作用形成复杂的点缺陷复合体等。
2、微缺陷2.1产生原因如果晶体生长过程中冷却速度较快，饱和热点缺陷聚集或者他们与杂质的络合物凝聚而成间隙型位错环、位错环团及层错等。
直拉单晶硅中的位错
直拉单晶硅中的位错尽管单晶硅石晶格最为完整的人工晶体，但是，依然存在晶格缺陷。
晶体硅的缺陷有多种类型。
按照缺陷的结构分类，直拉单晶硅中主要存在点缺陷、位错、层错和微缺陷；按照晶体生长和加工过程分类，可以分为晶体原生缺陷和二次诱生缺陷。
原生缺陷是指晶体生长过程中引入的缺陷，对于直拉单晶硅而言，主要有点缺陷、位错和微缺陷；而二次诱生缺陷是指在硅片或器件加工过程中引入的缺陷，除点缺陷和位错以外，层错是主要可能引入的晶体缺陷。
对于太阳电池用直拉单晶硅，点缺陷的性能研究很少，其对太阳电池性能的影响不得而知；而普通硅太阳电池工艺的热处理步骤远少于集成电路，所以工艺诱生的层错也比较少。
显然，在太阳电池用直拉单晶硅中，位错是主要的晶体缺陷。
直拉单晶硅位错的引入可以有三种途径。
一是在晶体生长时，由于籽晶的热冲击，会在晶体中引入原生位错。
这种位错一旦产生，会从晶体的头部向尾部延伸，甚至能达到晶体的底部。
但是，如果采用控制良好的“缩颈”技术，位错可以在引晶阶段排出晶体硅，所以，集成电路用直拉单晶硅已经能够做到没有热冲击产生的位错。
另外，在晶体生长过程中，如果热场不稳定，产生热冲击，也能从固液界面处产生位错，延伸进入晶体硅。
对于太阳电池用直拉单晶硅，因为晶体生长速度快，有时有可能会有热冲击位错产生。
如果位错密度控制在一定范围内，对太阳电池的效率影响较小；否则，制备出的太阳电池效率就很低了。
二是在晶体滚圆、切片等加工工艺中，由于硅片表面存在机械损伤层，也会引入位错，在随后的热加工过程中，也可能延伸进入硅片体内。
三是热应力引入位错，这是由于在硅片的热加工过程中，由于硅片中心部位和边缘温度的不均匀分布，有可能导致位错的产生。
位错对太阳电池的效率有明显的负面作用，位错可以导致漏电流、p-n结软击穿，导致太阳电池效率的降低。
所以，在直拉单晶硅的制备、加工和太阳电池的制造过程中应尽力避免位错的产生和增加。
位错的基本性质位错是一种线缺陷，它是晶体在外力作用下，部分晶体在一定的晶面上沿一定的晶体方向产生滑移，其晶体移动不位和非移动部位的边界就是位错。
单晶硅中可能出现的各种缺陷
单晶硅中大概出现的百般缺陷之阳早格格创做缺陷，是对付于晶体的周期性对付称的益害，使得本量的晶体偏偏离了理念晶体的晶体结构.正在百般缺陷之中，有着多种分类办法，如果依照缺陷的维度，不妨分为以下几种缺陷：面缺陷：正在晶体教中，面缺陷是指正在三维尺度上皆很小的，没有超出几个本子曲径的缺陷.其正在三维尺寸均很小，只正在某些位子爆收，只效率相近几个本子，有被称为整维缺陷.线缺陷：线缺陷指二维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷，也便是位错.咱们不妨通过电镜等去对付其举止瞅测.里缺陷：里缺陷时常爆收正在二个分歧相的界里上，大概者共一晶体里里分歧晶畴之间.界里二边皆是周期排列面阵结构，而正在界里处则出现了格面的错位.咱们不妨用光教隐微镜瞅察里缺陷.体缺陷：所谓体缺陷，是指正在晶体中较大的尺寸范畴内的晶格排列的没有准则，比圆包裹体、气泡、空洞等.一、面缺陷面缺陷包罗空位、间隙本子战微缺陷等.1、空位、间隙本子面缺陷包罗热面缺陷（本征面缺陷）战纯量面缺陷（非本征面缺陷）. 1.1热面缺陷其中热面缺陷有二种基础形式：弗仑克我缺陷战肖特基缺陷.单晶中空位战间隙本子正在热仄稳时的浓度与温度有闭.温度愈下，仄稳浓度愈大.下温死少的硅单晶，正在热却历程中过鼓战的间隙本子战空位要消得，其消得的道路是：空位战间隙本子相逢使复合消得；扩集到晶体表面消得；大概扩集到位错区消得并引起位错攀移.间隙本子战空位暂时尚无法瞅察.1.2纯量面缺陷A、替位纯量面缺陷，如硅晶体中的磷、硼、碳等纯量本子B、间隙纯量面缺陷，如硅晶体中的氧等 1.3面缺陷之间相互效率一个空位战一个间隙本子分离使空位战间隙本子共时湮灭（复合），二个空位产死单空位大概空位团，间隙本子散成团，热面缺陷战纯量面缺陷相互效率产死搀纯的面缺陷复合体等.2、微缺陷2.1爆收本果如果晶体死少历程中热却速度较快，鼓战热面缺陷汇集大概者他们与纯量的络合物凝结而成间隙型位错环、位错环团及层错等.Cz硅单晶中的微缺陷，普遍是百般形态的氧化物重淀，它们是氧战碳等纯量，正在晶体热却历程中，通过均量成核战同量成核机理产死. 2.2微缺陷瞅察要领1）择劣化教腐蚀：择劣化教腐蚀后正在横断里上呈匀称分集大概组成百般形态的宏瞅漩涡花纹（漩涡缺陷）.宏瞅上，为一系列共心环大概螺旋状的腐蚀图形，正在隐微镜下微缺陷的微瞅腐蚀形态为浅底腐蚀坑大概腐蚀小丘（蝶形蚀坑）.正在硅单晶的纵剖里上，微缺陷常常呈层状分集.2）热氧化处理：由于CZ硅单晶中的微缺陷，其应力场太小，往往需热氧化处理，使微缺陷缀饰少大大概转移为氧化层错大概小位错环后，才可用择劣腐蚀要领隐现.3）扫描电子隐微技能，X射线形貌技能，白中隐微技能等要领. 2.3微缺陷结构曲推单晶中微缺陷比较搀纯.TEM瞅察到正在本死曲推硅单晶中，存留着间隙位错环，位错团战小的堆跺层错等形成的微缺陷，以及板片状SiO2重积物，退火Cz硅单晶中的微缺陷为体层错、氧重淀物及重淀物-位错-络合物等.Cz硅中的本死缺陷分别是根据分歧的丈量要领而命名，有三种：1.使用激光集射层析摄影仪检测到的白中(IR)集射核心(LSTD)；2.经一号荡涤液腐蚀后，正在激光颗粒计数器下检测为微弱颗粒的缺陷(COP)；3.流型缺陷(FPD)，它是正在Secco腐蚀液择劣腐蚀后，用光教隐微镜瞅察到的形如楔形大概扔物线形的震动图样的缺陷，正在其端部存留有很小的腐蚀坑.统造CZ硅单晶中本死缺陷的道路是采用符合的晶体死少参数战本死晶体的热履历.要安排的主要死少参数是推速、固液界里的轴背温度梯度G(r)(含符合的v/G(r)比值)、热却速率等.其余通过相宜的退火处理可缩小大概与消本死缺陷.二、线缺陷位错：包罗螺位错战刃位错1、爆收本果1)籽晶中位错的蔓延；2)晶体死少历程中，固液界里附近降进没有溶固态颗粒，引进位错；3)温度梯度较大，正在晶体中爆收较大的热应力时，更简单爆收位错并删殖.2、位错形态及分集1）择劣化教腐蚀：位错蚀坑正在{100}里上呈圆形，但是其形态还与位错线走背、晶背偏偏离度、腐蚀剂种类、腐蚀时间、腐蚀液的温度等果素有闭.硅单晶横断里位错蚀坑的宏瞅分集大概组态：A、位错匀称分集B、位错排是位错蚀坑的某一边排列正在一条曲线上的一种位错组态，它是硅单晶正在应力效率下，位错滑移、删殖战散集的截止.位错排沿目标排列.C、星形结构式由一系列位错排沿目标汇集排列而成的.正在{100}里上，星形结构呈井字形组态.2）白中隐微镜战X射线形貌技能3、无位错硅晶体的死少1）缩颈2）安排热场，采用合理的晶体死少参数，保护宁静的固液界里形状3）预防没有溶固态颗粒降进固液界里三、里缺陷里缺陷主要有共种晶体内的晶界，小角晶界，层错，以及同种晶体间的相界等.仄移界里：晶格中的一部分沿着某部分网相对付于另一部分滑动(仄移).堆跺层错：晶体结构中周期性的互相仄止的堆跺层有其固有的程序.如果堆跺层偏偏离了本去固有的程序，周期性改变，则视为爆收了堆跺层错.晶界：是指共种晶体里里结晶圆背分歧的二晶格间的界里，大概道是分歧晶粒之间的界里.按结晶圆背好别的大小可将晶界分为小角晶界战大角晶界等.小角晶界普遍指的是二晶格间结晶圆背好小于10度的晶界.偏偏离角度大于10度便成了孪晶.相界：结构大概化教身分分歧的晶粒间的界里称为相界.1、小角晶界：硅晶体中相邻地区与背没有共正在几分之一秒到一分（弧度）的晶粒间界称为小角度晶界.正在{100}里上，位错蚀坑则以角顶底办法曲线排列.2、层错：指晶体内本子仄里的堆垛序次庞杂产死的.硅单晶的层错里为{111}里. 2.1层错爆收本果：正在暂时工艺条件下，本死硅单晶中的层错是已几睹的.普遍认为，正在单晶死少历程中，固态颗粒加进固液界里，单晶体内存留较大热应力，固液界里附近熔体过热度较大，以及板滞振荡等皆大概成为爆收层错的本果. 2.2层错的腐蚀形态应用化教腐蚀要领隐现硅单晶中的层错时，偶我不妨瞅察到沿目标腐蚀沟槽，它是层错里与瞅察表面的接线.正在{111}里上，层错线互相仄止大概成60o，120o分集，{100}里上的层错线互相仄止大概者笔曲，正在层错线二端为偏偏位错蚀坑.层错不妨贯脱到晶体表面，也不妨终止于晶体内的半位错大概晶粒间界处. 2.3氧化诱死层错产死的根根源基本果：热氧化时硅二氧化硅界里处爆收自间隙硅本子，那些自间隙硅本子扩集至弛应力大概晶格缺陷(成核核心)处而产死OSF并少大.普遍认为，OSF主要成核十硅片表面的板滞益伤处、金属沾污宽重处，其余诸如表面大概体内的旋涡缺陷、氧重淀也是OSF的成核核心它与中延层错相辨别也与由体内应力引起的体层错(bulkstackingfaults)相辨别.常常OSF有二种：表面的战体内的.表面的OSF普遍以板滞益伤，金属沽污、微缺陷(如氧重淀等)正在表面的隐露处等动做成核核心；体内的B-OSF(BulkOSF)则普遍成核于氧重淀.20世纪70年代终，钻研者创造硅晶体中的OSF时常呈环欲分集特性(ring-OSF)后裔的钻研标明，那与晶体死万古由死少参数(死少速度、固液界里处的温度梯度)决断的面缺陷的径背分集相闭联由搞空位战自间隙的相互效率，从而引起氧的非常十分重淀，从而激励OSF.3孪晶 3.1孪晶的形成孪晶是由二部分与背分歧，但是具备一个共共晶里的单晶体组成.它们共用的晶里称为孪死里，二部分晶体的与背以孪死里为镜里对付称，且二部分晶体与背夹角具备特定的值.硅晶体的孪死里为{111}里. 3.2孪晶死成本果晶体死少历程中，固液界里处引进固态小颗粒，成为新的结晶核心，本去没有竭少大产死孪晶.别的，板滞振荡、推晶速度过快大概推速突变也可督促孪晶的产死.四、体缺陷所谓体缺陷，是指正在晶体中三维尺度上出现的周期性排列的混治，也便是正在较大的尺寸范畴内的晶格排列的没有准则.那些缺陷的地区基础上不妨战晶体大概者晶粒的尺寸相比较，属于宏瞅的缺陷，较大的体缺陷不妨用肉眼便不妨浑晰瞅察.体缺陷有很多种类，罕睹的有包裹体、气泡、空洞、微重淀等.那些缺陷地区正在宏瞅上与晶体其余位子的晶格结构、晶格常数、资料稀度、化教身分以及物理本量有所分歧，佳像是正在所有晶体中的独力王国.1嵌晶硅晶体里里存留与基体与背分歧的小晶体（晶粒）称为嵌晶.嵌晶可为单晶大概多晶.正在普遍推晶工艺下，嵌晶很少睹.2夹纯物由中界大概多晶引进熔硅中的固态颗粒，正在推晶时被夹戴到晶体中产死第二相称为夹纯物.应用电子探针战扫描电子隐微镜瞅察到曲推大概者区熔硅单晶中，存留α-SiC 战β-SiC颗粒，其尺寸由几个微米到十几个微米.3孔洞硅单晶中存留的近于圆柱形大概球形的空洞.正在硅单晶板滞加工时，硅片上所睹到的圆形孔洞，大的孔洞曲径有几毫米.五、条纹正在宏瞅上为一系列共心环状大概螺旋状的腐蚀图形，正在100倍大概者更下搁大倍数下是连绝的表面坎坷状条纹.。