Коэффициенты распределения кислорода и углерода в реальных процессах роста мультикристаллического кремния

Размещено на http://www.allbest.ru/

Калужский филиал МГТУ им. Н.Э. Баумана

Коэффициенты распределения кислорода и углерода в реальных процессах роста мультикристаллического кремния

И.Н. Радченко, Е.В. Маслов

Кислород и углерод - основные примеси в кремнии, применяемом при производстве фотоэлектрических преобразователей. Определенные типы дефектов на основе этих примесей уменьшают время жизни неосновных носителей в объемном материале и увеличивают рекомбинационную активность дислокаций. Кислород может обусловливать образование в растущем слитке включений второй фазы, SiO₂ [1], генерацию дислокаций и малоугловых границ [2], а также приводить к прилипанию растущего кристалла к стенкам кварцевого тигля [3]. Углерод присутствует в слитках мультикремния как в виде примеси замещения, так и, чаще всего, в виде так называемых «линз», включений карбида кремния. Деградация некоторых основных рабочих параметров солнечных батарей из-за дефектов на основе пары бор-кислород (LID-degradation) описана в статьях [4, 5]. Кроме того, включения на основе углерода и кислорода являются местами агломерации металлических примесей, что существенно ухудшает механические свойства пластин мультикристаллического кремния и качество изготавливаемых из них структур. кислород углерод фотоэлектрический преобразователь

В работе представлены результаты экспериментального определения начальных концентраций и коэффициентов распределения углерода и кислорода по высоте слитков мультикремния, легированного бором (с удельным сопротивлением ), полученных методом нормальной направленной кристаллизации на установках DSS-240 (USA). Средние концентрации углерода и кислорода в готовых пластинах составляли и соответственно. Анализ литературных данных показал, что полученные значения являются типичными для слитков мультикристаллического кремния, произведенных по аналогичной технологии.

Характер распределения C и O₂ по высоте слитка соответствовал стандартному распределению для полученных ранее слитков мультикремния. Концентрация углерода по высоте слитка возрастала в полтора-два раза, в то время как концентрация кислорода снижалась примерно на порядок (равновесный коэффициент распределения кислорода в кремнии больше единицы). Распределение углерода по высоте слитка, скорее всего, является нелинейным: примерно до половины высоты блока рост концентрации достаточно большой; выше середины блока рост происходит менее выраженно.

Концентрация примеси в процессе направленной кристаллизации определяется по известному уравнению [6]:

Здесь - концентрация примеси в кристалле; - эффективный коэффициент распределения примеси в расплаве кремния; - начальная концентрация примеси; g - доля закристаллизовавшегося слитка.

На основе полученных с помощью ИК Фурье-спектрометра результатов измерений для кислорода и углерода были составлены системы уравнений направленной кристаллизации для двух известных величин g. Системы уравнений были решены относительно значений начальных концентраций углерода и кислорода в расплаве кремния ( и ) и их эффективных коэффициентов распределения ( и ). Решение систем уравнений проводилось с использованием программы MathCAD 15 (Solving Blocks, процедура Given/Minerr).

Пример системы уравнений и процедуры её решения для определения начальной концентрации и коэффициента распределения кислорода для центральных блоков мультикремния представлен ниже.

Расчеты искомых величин проводились отдельно для боковых и центральных блоков слитка. Затем аналогичный расчет проводился и по усредненным значениям концентраций углерода и кислорода, т.е. независимо от положения блока относительно стенок тигля. По данным Wacker Silicon Calculator, которые можно считать справочными, коэффициенты распределения углерода и кислорода в кремнии составляют величины 0,07 и 0,85, соответственно.

Результаты расчетов позволили установить, что:

- полученный коэффициент распределения углерода при росте слитков мультикремния в 10 раз больше справочного значения;

- полученный коэффициент распределения кислорода более, чем в два раза превышает приведенное значение.

Такое существенное различие между данными, полученными экспериментально и справочными данными, на наш взгляд, может быть объяснено именно большой долей механизма преципитации (образования включений второй фазы) в выращенных слитках мультикристаллического кремния. С этой точки зрения можно считать, что экспериментальное определение коэффициентов распределения кислорода и углерода, аналогичное представленному нами в данной статье, может дополнительно служить оценочным критерием качества слитков и использованных для их роста исходных материалов. Обработка результатов измерений параметров пластин, полученных в процессах при заведомо «чистых» исходных материалах (поликремний высокой чистоты) показала, что в данном случае отличие полученных коэффициентов распределения C и O₂ от справочных величин было незначительным.

Список литературы

[1] H. J. Mцller, L. Long, M. Werner and D. Yang. Oxygen and Carbon Precipitation in Multicrystalline Solar Silicon // Physica Status Solidi (a). 1999. Vol. 171, no. 1, pp. 175-189.

[2] H. J. Mцller, C. Funke, A. Lawerenz, S. Riedel and M. Werner. Oxygen and lattice distortions in multicrystalline silicon // Solar Energy Materials & Solar Cells. 2002. Vol. 72, no. 1-4, pp. 403-416.

[3] V. V. Bolotov, M. D. Efremov, I. Babanskaya, and K. Schmalz. Raman study of mechanical stresses in processes of oxygen precipitation in silicon. // Materials Science and Engineering: B. 1993. Vol. 21, no. 1, pp. 49-54.

[4] Deren Yang, Liben Li, Xiangyang Ma, Ruixin Fan, Duanlin Que, and H. J. Mцller. Oxygen-related centers in multicrystalline silicon // Solar Energy Materials & Solar Cells. 2000. Vol. 62, no. 1-2, pp. 37-42.

[5] S. Martinuzzi, and I. Perichaud. Influence of Oxygen on External Phosphorus Gettering in Disordered Silicon Wafers. // Materials Science Forum. 1994. Vol. 143-147, pp. 1629-1634.

[6] Нашельский А.Я. Производство полупроводниковых материалов. М.: Металлургия, 1999. 271 с.

Размещено на Allbest.ru