CN114637954B - 晶棒碳含量轴向分布计算方法 - Google Patents

晶棒碳含量轴向分布计算方法 Download PDF

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Abstract

一种晶棒碳含量轴向分布计算方法，构建第一计算公式
Figure DDA0003565056630000011
Figure DDA0003565056630000012
其中，K0为平衡溶质分凝系数，gx为晶棒在x位置的凝固比例，Cx晶棒在x位置的碳含量，C0为拉晶前石英坩埚内硅熔液中的碳含量，分别获取K0、C0、gx的数值，并根据第一计算公式计算Cx，通过检测晶棒尾部的碳含量，再利用第一计算公式，可以较为准确的计算出碳含量在晶棒的轴向分布，避免反切不足或反切过量造成单晶浪费的问题。

Description

晶棒碳含量轴向分布计算方法
技术领域
本发明涉及直拉单晶硅生产技术领域，特别涉及一种晶棒碳含量轴向分布计算方法。
背景技术
单晶制备过程中不可避免的会引入其他杂质元素，例如氧、碳、金属元素等，其中碳含量来源于硅原料及石墨部件，它在单晶制造过程中很容易进入，其存在浓度仅次于氧，然而氧在单晶中既有有害的一面也有有利的一面，但是碳技术界公认它是有害杂质，它的存在影响氧的析出行为，进而形成缺陷导致器件软特性和二次击穿。
根据分凝原理，最尾部碳含量最高。单晶尾部碳含量采用专门的设备检测，需要外送检测，检测周期长、成本高，且碳含量在晶棒的轴向分布无法确定，当出现碳含量超标，只能凭借经验进行粗略估计进行反切，往往出现反切不足或反切过量的问题，造成单晶浪费。
发明内容
有鉴于此，针对上述不足，有必要提出一种能计算出碳含量在晶棒轴向分布的晶棒碳含量轴向分布计算方法。
一种晶棒碳含量轴向分布计算方法，包括如下步骤：
构建第一计算公式
Figure BDA0003565056610000011
其中，K0为平衡溶质分凝系数，gx为晶棒在x位置的凝固比例，Cx晶棒在x位置的碳含量，C0为拉晶前石英坩埚内硅熔液中的碳含量；
分别获取K0、C0、gx的数值，并根据第一计算公式计算Cx。
优选地，第一计算公式中，所述gx通过第二计算公式
Figure BDA0003565056610000012
计算，其中，M为拉晶过程中的总投料量，B为单位长度晶棒重量比例，g0等径开始时的凝固比例。
优选地，第二计算公式中，所述g0通过第四计算公式
Figure BDA0003565056610000021
计算。
优选地，第二计算公式中，所述B通过第三计算公式
Figure BDA0003565056610000022
计算，其中，L为晶棒长度，m1为提渣重量，m2为晶棒肩部重量，m3为晶棒尾部重量，m4为拉晶结束后石英坩埚内剩余的硅熔液的重量。
优选地，第一计算公式中，所述C0通过第五计算公式
Figure BDA0003565056610000023
计算，其中，gT为拉晶到晶棒尾部时的凝固比例，CT为晶棒尾部碳含量。
优选地，第五计算公式中，所述gT通过第六计算公式
Figure BDA0003565056610000024
计算。
优选地，所述晶棒采用直拉法制得。
优选地，直拉法拉晶过程中，拉速为0.35～0.4mm/min。
优选地，直拉法拉晶过程中，拉速为0.35mm/min。
优选地，第五计算公式中，所述CT采用SIMS或FTIR检测获取。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
通过检测晶棒尾部的碳含量，再利用第一计算公式，可以较为准确的计算出碳含量在晶棒的轴向分布，避免反切不足或反切过量造成单晶浪费的问题。
附图说明
图1不同炉压下C0与T的关系，其中，纵坐标为C0，横坐标为T。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对结合实施例作进一步的说明。
本发明实施例提供了一种晶棒碳含量轴向分布计算方法，包括如下步骤：
构建第一计算公式
Figure BDA0003565056610000025
其中，K0为平衡溶质分凝系数，gx为晶棒在x位置的凝固比例，Cx晶棒在x位置的碳含量，C0为拉晶前石英坩埚内硅熔液中的碳含量；
分别获取K0、C0、gx的数值，并根据第一计算公式计算Cx。
碳的分凝系数为，远小于1，所以碳的有效分凝系数近似于平衡分凝系数，第一计算公式是本申请发明人采用直拉法生产晶棒，以拉速为0.35～0.4mm/min的条件下，结合凝固方程，总结出的晶棒碳含量轴向分布数学模型，利用第一计算公式可在获得某一C0的检测值的情况下较为准确的计算相应的Cx。优选地，拉速为0.35mm/min。
所述C0、Cx均为质量浓度(ppma)，C0可以直接测量获得，轻掺单晶C0可以用FTIR检测，而重掺单晶C0用SIMS检测。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
通过检测晶棒尾部的碳含量，再利用第一计算公式，可以较为准确的计算出碳含量在晶棒的轴向分布，避免反切不足或反切过量造成单晶浪费的问题。
凝固状态从引晶便开始，引晶重量可忽略，而且晶棒肩部不作为硅片使用，在截断时也是切除的，所以需要计算的是等径开始到结束的碳含量分布。
进一步，第一计算公式中，所述gx通过第二计算公式
Figure BDA0003565056610000031
计算，其中，M为拉晶过程中的总投料量，B为单位长度晶棒重量比例，g0等径开始时的凝固比例。
进一步，第二计算公式中，所述g0通过第四计算公式
Figure BDA0003565056610000032
计算。
进一步，第二计算公式中，所述B通过第三计算公式
Figure BDA0003565056610000033
计算，其中，L为晶棒长度，m1为提渣重量，m2为晶棒肩部重量，m3为晶棒尾部重量，m4为拉晶结束后石英坩埚内剩余的硅熔液的重量。
拉晶过程中，单晶硅可能会转变为多晶硅，多晶硅料需回熔，回熔次数多时，会提出一定量的硅料，使液位线下降，来提高成晶率。这里提出的硅料的重量即为提渣重量。
进一步，第一计算公式中，所述C0通过第五计算公式
Figure BDA0003565056610000041
计算，其中，gT为拉晶到晶棒尾部时的凝固比例，CT为晶棒尾部碳含量。
凝固方程
Figure BDA0003565056610000042
g为单位体积的凝固比例，已知CT、gT，则
Figure BDA0003565056610000043
进而
Figure BDA0003565056610000044
进而可得
Figure BDA0003565056610000045
进一步，第五计算公式中，所述gT通过第六计算公式
Figure BDA0003565056610000046
计算。
所述CT均质量浓度，CT也采用FTIR检测获取，或采用SIMS检测获取。K0可通过测量数组CT、C0，然后利用
Figure BDA0003565056610000047
计算。
如上所述，利用第五计算公式可在获得CT的检测值的情况下计算出C0进而较为准确的计算任意位置的Cx。
统计以往晶棒尾部碳含量检测数据CT，应用第五计算公式可得出各个晶棒批次的初始碳浓度C0。
以下通过实施例和对比例进一步说明本发明，下面的实施例只是用于详细说明本发明，并不以任何方式限制发明的保护范围。
实施例1：统计各晶棒批次总投料量(g)、提渣重量(g)、晶棒肩部重量(g)、晶棒尾部重量(g)、拉晶结束后石英坩埚内剩余的硅熔液的重量(g)、单位长度晶棒重量比例(g/mm)以及长晶时间(h)，长晶时间T即为化料开始到等径开始的时间，通过数据收集长晶时间T和C0的对应关系，制成T与C0的对照表，将上述计算公式、数据用Excel进行编辑，便可方便快速计算晶棒任意位置的碳含量，计算出不同X位置(mm)的碳含量就可以做出碳含量随长度的分布图。利用上述计算公式，反推可以计算出某一碳含量在晶棒的具体位置。当晶棒尾部的碳含量超出内控规格时，需要进行晶棒反切，使得反切后的部分在内控规格内，例如，产品规格时碳含量≤1.0ppma，某一晶棒长1134mm，尾部碳含量1.4ppma，通过公式计算得出晶棒1000mm处碳含量为1.0ppma，则晶棒需要反切＝1134-1000＝134mm。
实施例2：C0与长晶时间T正相关，而且炉压越大，C0受时间的影响越大。通过数据收集不同炉压下长晶时间T和C0的对应关系，制成如表1所示的不同炉压下T与C0的对照以及图1所示的不同炉压下C0与T的关系，指导生产。图1中，炉压越大，对应的T和C0的拟合线斜率越大。例如，晶棒拉制炉压条件26.6kpa，化料完成距离等径间隔了60h，依照碳含量与时间对照表，我们可以提前预测到晶棒尾部的碳含量在1.04～1.17ppma之间，已超出产品规格，需要提前进行反切，等拉晶结束后可以根据实际晶棒长度L，推算出碳含量为1.0ppma的位置，安排后处理加工进行反切，这样就不用外送检测，可以节省大量的检测费用。
表1不同炉压下T与C0的对照
Figure BDA0003565056610000051
本发明实施例方法中的步骤可以根据实际需要进行顺序调整、合并和删减。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (5)

1.一种晶棒碳含量轴向分布计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
构建第一计算公式
Figure FDA0003961993000000011
其中，K0为平衡溶质分凝系数，gx为晶棒在x位置的凝固比例，Cx晶棒在x位置的碳含量，C0为拉晶前石英坩埚内硅熔液中的碳含量；
分别获取K0、C0、gx的数值，并根据第一计算公式计算Cx；
第一计算公式中，所述gx通过第二计算公式
Figure FDA0003961993000000012
计算，其中，M为拉晶过程中的总投料量，B为单位长度晶棒重量比例，g0等径开始时的凝固比例；
第二计算公式中，所述g0通过第四计算公式
Figure FDA0003961993000000013
计算；
第二计算公式中，所述B通过第三计算公式
Figure FDA0003961993000000014
计算，其中，L为晶棒长度，m1为提渣重量，m2为晶棒肩部重量，m3为晶棒尾部重量，m4为拉晶结束后石英坩埚内剩余的硅熔液的重量；
第一计算公式中，所述C0通过第五计算公式
Figure FDA0003961993000000015
计算，其中，gT为拉晶到晶棒尾部时的凝固比例，CT为晶棒尾部碳含量；
第五计算公式中，所述gT通过第六计算公式
Figure FDA0003961993000000016
计算。
2.如权利要求1所述的晶棒碳含量轴向分布计算方法，其特征在于：所述晶棒采用直拉法制得。
3.如权利要求2所述的晶棒碳含量轴向分布计算方法，其特征在于：直拉法拉晶过程中，拉速为0.35～0.4mm/min。
4.如权利要求3所述的晶棒碳含量轴向分布计算方法，其特征在于：直拉法拉晶过程中，拉速为0.35mm/min。
5.如权利要求1所述的晶棒碳含量轴向分布计算方法，其特征在于：第五计算公式中，所述CT采用SIMS或FTIR检测获取。
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