用區(qū)熔拉晶法和光譜分析法評(píng)價(jià)多晶硅棒的規(guī)程

用區(qū)熔拉晶法和光譜分析法評(píng)價(jià)多晶硅棒的規(guī)程范圍本文件規(guī)定了多晶硅棒取樣、將樣品區(qū)熔拉制成單晶以及通過(guò)光譜分析方法對(duì)拉制好的單晶硅棒進(jìn)行分析以確定多晶硅中痕量雜質(zhì)的程序。本文件中適用的雜質(zhì)濃度測(cè)定范圍:施主和受主雜質(zhì)為1.0×1010atoms·cm-3～4.1×1014atoms·cm-3，代位碳和間隙氧雜質(zhì)為2.5×1014atoms·cm-3～1.5×1017atoms·cm-3，樣品中的這些雜質(zhì)是通過(guò)低溫紅外光譜法或光致發(fā)光光譜法分析的。本文件僅適用于評(píng)價(jià)硅芯上沉積生長(zhǎng)的棒狀多晶硅。規(guī)范性引用文件下列文件對(duì)于本文件的應(yīng)用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T620化學(xué)試劑氫氟酸GB/T626化學(xué)試劑硝酸GB/T1550非本征半導(dǎo)體材料導(dǎo)電類型測(cè)試方法GB/T1551硅單晶電阻率測(cè)定方法GB/T1553硅和鍺體內(nèi)少數(shù)載流子壽命測(cè)定光電導(dǎo)衰減法GB/T1554硅晶體完整性化學(xué)擇優(yōu)腐蝕檢驗(yàn)方法GB/T1555半導(dǎo)體單晶晶向測(cè)定方法GB/T1557硅晶體中間隙氧含量的紅外吸收測(cè)量方法GB/T1558硅中代位碳原子含量紅外吸收測(cè)量方法GB/T4842氬GB/T11446.1電子級(jí)水GB/T13389摻硼摻磷摻砷硅單晶電阻率與摻雜劑濃度換算規(guī)程GB/T14264半導(dǎo)體材料術(shù)語(yǔ)GB/T24574硅單晶中Ⅲ-Ⅴ族雜質(zhì)的光致發(fā)光測(cè)試方法GB/T24581低溫傅立葉變換紅外光譜法測(cè)量硅單晶中III、V族雜質(zhì)含量的測(cè)試方法GB/T25915.1潔凈室及相關(guān)受控環(huán)境第1部分：按粒子濃度劃分空氣潔凈度等級(jí)GB/T35306硅單晶中碳、氧含量的測(cè)定低溫傅立葉變換紅外光譜法術(shù)語(yǔ)和定義GB/T14264界定的以及下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。監(jiān)控棒controlrod從多晶硅棒均勻沉積層上取得的用以監(jiān)測(cè)樣芯制備、酸腐蝕槽和區(qū)熔工藝潔凈度的多晶硅圓柱體。經(jīng)重復(fù)測(cè)試確定其硼、磷和碳的含量值。樣芯core使用空心金剛石鉆頭從多晶硅棒上鉆取的用于制樣分析的多晶硅圓柱體。沉積層（生長(zhǎng)層）dpositionlayer(growthlayer)環(huán)繞硅芯并延伸到多晶硅棒外表層的多晶硅層。方法提要按照規(guī)定的取樣方案從多晶硅棒上選取多個(gè)樣芯，采用懸浮區(qū)熔拉晶法將多晶硅樣芯制備成單晶樣棒，采用光譜分析法測(cè)量單晶硅樣棒中的施主、受主、代位碳和間隙氧雜質(zhì)濃度，通過(guò)統(tǒng)計(jì)計(jì)算得出整批多晶硅棒產(chǎn)品的施主、受主、代位碳和間隙氧雜質(zhì)的總體含量來(lái)判定多晶硅材料產(chǎn)品的合格性。干擾因素有裂縫、高應(yīng)力或沉積疏松的多晶硅棒在取樣過(guò)程中容易碎裂，不宜用來(lái)制備樣芯。鉆取的樣芯應(yīng)通過(guò)清洗去除油脂或加工帶來(lái)的沾污。表面有裂縫或空隙的多晶硅樣芯不易清洗，其裂縫或空隙中的雜質(zhì)很難被完全腐蝕清除；同時(shí)，腐蝕殘?jiān)部赡軞埩粼跇有玖芽p中造成污染。腐蝕用的器皿、酸及去離子水中的雜質(zhì)都會(huì)對(duì)分析的準(zhǔn)確性、重復(fù)性產(chǎn)生影響，因此應(yīng)嚴(yán)格控制酸和去離子水的純度。空氣、墻壁、地板和家具也可能造成污染，因此應(yīng)在潔凈室中進(jìn)行腐蝕和區(qū)熔。其他如酸的混合比例、酸腐蝕溫度、酸腐蝕剝離的速率、腐蝕沖洗次數(shù)以及暴露時(shí)間等都可能產(chǎn)生雜質(zhì)干擾，應(yīng)加以控制；所有與腐蝕后的樣芯接觸的材料和容器都可能沾污，應(yīng)在使用前清洗；手套和其他用來(lái)包裹腐蝕后樣芯的材料應(yīng)檢測(cè)和監(jiān)控。樣芯腐蝕好后，為了避免表面沾污，應(yīng)盡快進(jìn)行區(qū)熔。區(qū)熔爐的爐壁、預(yù)熱器、線圈和密封圈等都是常見(jiàn)的污染源，應(yīng)保持潔凈。區(qū)熔過(guò)程的任何波動(dòng)都會(huì)影響易揮發(fā)雜質(zhì)在氣相、液相和固相中的分布，從而改變測(cè)試結(jié)果。樣芯直徑、熔區(qū)尺寸、拉速、密封圈純度與爐膛條件的變化都可能改變有效分凝系數(shù)或蒸發(fā)速率，使晶體中的雜質(zhì)含量發(fā)生變化。每種施主或受主元素以及碳元素都有其特定的分凝系數(shù)，拉制幾支30倍熔區(qū)長(zhǎng)度的晶體，可以測(cè)出和公開(kāi)發(fā)表的數(shù)值一致的有效分凝系數(shù)。只能從晶棒上與分凝系數(shù)對(duì)應(yīng)的平衡位置處切取硅片，從其他部分切取的硅片不能準(zhǔn)確代表多晶硅中的雜質(zhì)含量。如果單晶不能拉制到足夠長(zhǎng)度，就不能獲得軸向濃度分布曲線的平坦區(qū)；在此情況下，可從晶棒上切取硅樣片，并根據(jù)重復(fù)測(cè)量監(jiān)控棒得到的有效分凝系數(shù)來(lái)修正測(cè)量結(jié)果。籽晶中的雜質(zhì)會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響，如果籽晶中的雜質(zhì)含量高于多晶硅樣棒中的雜質(zhì)時(shí)，應(yīng)選用雜質(zhì)含量更低的籽晶。多晶硅樣棒烘干過(guò)程中因接觸器具和空氣時(shí)間較長(zhǎng)，會(huì)對(duì)表面產(chǎn)生一定的污染影響檢測(cè)結(jié)果，因采取適當(dāng)?shù)目刂拼胧６嗑Ч铇影糸L(zhǎng)度不滿足要求時(shí)，單晶棒將無(wú)法生長(zhǎng)至足夠長(zhǎng)度，分凝系數(shù)較小的雜質(zhì)無(wú)法達(dá)到最大分凝濃度而導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果偏低。區(qū)熔爐的真空泄漏率和氬氣中的氧含量對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響，應(yīng)有控制措施?；旌纤岣g劑中的雜質(zhì)在多晶硅樣棒腐蝕過(guò)程中會(huì)擴(kuò)散至樣棒中對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響，對(duì)于純度很高的多晶硅樣棒建議選用更純的氫氟酸和硝酸配制混合腐蝕劑。試劑和材料氫氟酸：符合GB/T620優(yōu)級(jí)純。硝酸：符合GB/T626優(yōu)級(jí)純?；旌纤岣g劑：硝酸、氫氟酸的體積比通常在4∶1到10∶1之間。電子級(jí)水：純度等于或優(yōu)于GB/T11446.1中的EW-Ⅱ級(jí)。氬氣：符合GB/T4842中高純氬的規(guī)定。籽晶：無(wú)位錯(cuò)N型<111>高阻硅單晶，施主和受主雜質(zhì)含量（原子數(shù)）小于2.5×1012cm-3，碳含量（原子數(shù)）小于5×1015cm-3，晶向偏離度小于5°。設(shè)備制備樣芯的設(shè)備鉆床：具備水冷功能。金剛石樣芯鉆：取平行樣芯的鉆頭尺寸應(yīng)能鉆出直徑約為20mm且長(zhǎng)度不小于100mm的多晶硅平行樣芯；取垂直樣芯的鉆頭長(zhǎng)度應(yīng)能完全鉆穿晶棒直徑。腐蝕設(shè)備腐蝕柜：具備酸霧排放功能，包括酸腐蝕槽、去離子水漂洗裝置。腐蝕柜應(yīng)放在GB/T25915.1中規(guī)定的ISO6級(jí)潔凈室中以避免外界污染。耐酸材料（如聚四氟乙烯）：用于在腐蝕、沖洗和干燥過(guò)程中容納一定直徑和長(zhǎng)度的多晶硅棒。懸浮區(qū)熔晶體生長(zhǎng)設(shè)備區(qū)熔爐：具備惰性氣體氛圍，具有保證規(guī)定直徑和長(zhǎng)度的晶體生長(zhǎng)的水冷爐膛。安放在GB/T25915.1中規(guī)定的ISO6級(jí)及以上的潔凈室內(nèi)。裝置可以有相對(duì)于線圈的垂直運(yùn)動(dòng)，但不能有明顯的水平運(yùn)動(dòng)。垂直運(yùn)動(dòng)可由螺桿、纜索或液壓裝置來(lái)完成。此外，有一根支持樣芯的軸和一根支持籽晶的軸，至少有一根軸能相對(duì)于另一根軸作垂直位移，籽晶軸應(yīng)能繞其軸旋轉(zhuǎn)以避免熔區(qū)中熱量和溶質(zhì)的不平衡。在熔區(qū)冷凝時(shí)，樣品卡頭和籽晶卡頭應(yīng)能相對(duì)于轉(zhuǎn)軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)，卡頭由能減少對(duì)硅沾污的鉬、鉭、鎢或石英制成。線圈設(shè)計(jì)和電源控制應(yīng)能在晶體生長(zhǎng)的整個(gè)過(guò)程中保持熔區(qū)的穩(wěn)定且完全熔透。設(shè)備中所用的材料應(yīng)能在工作條件下承受不超過(guò)1.3×10-4Pa的氣壓。預(yù)熱器直徑應(yīng)與樣芯直徑相當(dāng)，由鉭或其他能減少對(duì)硅污染的材料制成?？潭瘸撸河糜跍?zhǔn)確測(cè)量晶棒長(zhǎng)度和標(biāo)記晶棒切割的位置，精確到毫米。真空吸塵器：適合潔凈室使用，帶有靈活的軟管和窄吸嘴。圓片鋸：用于從晶棒上切取2~4mm厚的樣片。設(shè)備準(zhǔn)備清潔取樣鉆，避免樣芯沾污。清洗腐蝕柜，檢查沖洗用的去離子水的純度、溫度、總有機(jī)碳量和電阻率。清潔區(qū)熔爐爐膛，用刷子刷爐壁使硅沉積物變松，并用真空吸塵器除去松弛的顆粒，用超純水浸濕的專用抹布擦抹爐壁、預(yù)熱器和線圈。檢查冷卻水水流、水溫，檢查線圈和預(yù)熱器連接，檢查軸、線圈引線、爐門(mén)密封等。定期清洗線圈及連接部件，定期更換密封圈。清洗后，應(yīng)用氬氣吹洗干燥和抽真空，并將爐膛和預(yù)熱器烘干處理至少15min。危害操作人員應(yīng)具有制造技術(shù)、酸處理操作和單晶爐操作的相關(guān)知識(shí)，熟悉實(shí)驗(yàn)室操作規(guī)程。本文件使用混合酸腐蝕劑腐蝕多晶硅表面，具有較大的危險(xiǎn)性，氫氟酸溶液尤其危險(xiǎn)。應(yīng)在腐蝕柜里進(jìn)行腐蝕。操作人員任何時(shí)候都要極其小心，應(yīng)嚴(yán)格遵守使用這些酸的有關(guān)規(guī)定，采取特殊預(yù)防措施，熟練掌握急救方法。任何不熟悉特殊預(yù)防措施和急救方法的人不得使用這些酸。單晶爐使用射頻（RF）功率器（發(fā)生器和線圈）為熔硅提供能量，溫度約為1400℃，操作人員應(yīng)經(jīng)過(guò)電氣、壓力容器、RF電場(chǎng)和熱部件的操作培訓(xùn)。熔區(qū)中的熔融硅發(fā)出強(qiáng)光，操作人員可能在強(qiáng)光下操作數(shù)小時(shí)，所以應(yīng)使用眼睛防護(hù)裝置。取樣、制樣樣芯應(yīng)能反映多晶硅棒生長(zhǎng)過(guò)程的特征，并能代表被取樣的多晶硅棒。為滿足不同的取樣方案，可在多晶硅棒的不同位置取一系列樣芯，取樣位置涵蓋硅棒的兩端。有兩種典型的取樣方法，平行于硅芯取樣和垂直于硅芯取樣，如圖1、圖2所示。平行取樣詳見(jiàn)10.2.1，垂直取樣詳見(jiàn)10.2.2。平行樣芯的取樣位置平行樣芯：如圖1所示，平行于硅芯方向鉆取的長(zhǎng)度不小于100mm、直徑約為20mm的樣芯。計(jì)算多晶硅棒雜質(zhì)總含量需要鉆取兩種不同的樣芯，即硅芯樣芯和生長(zhǎng)層樣芯。平行硅芯樣芯：包括硅芯的樣芯。代表硅芯和硅芯上的初始沉積層，對(duì)樣芯進(jìn)行區(qū)熔、分析，并結(jié)合生長(zhǎng)層樣芯的數(shù)據(jù)計(jì)算多晶硅棒中的總體雜質(zhì)含量。平行生長(zhǎng)層樣芯：不包括硅芯，只包括生長(zhǎng)層的樣芯。代表沉積在硅芯上的多晶硅質(zhì)量。對(duì)這些樣芯進(jìn)行區(qū)熔、分析，結(jié)合硅芯樣芯數(shù)據(jù)計(jì)算多晶硅棒中的總體雜質(zhì)含量。平行樣芯取樣位置徑向位置：沿多晶硅棒直徑方向取樣，用以檢測(cè)沉積層的徑向均勻性。由于多晶硅棒外表面可能不平或有裂縫，不能在距硅棒表面5mm范圍內(nèi)取樣。軸向位置：對(duì)于U型多晶硅棒，通常在橫梁部分或在長(zhǎng)棒上距任一端50mm范圍內(nèi)取樣。也可以在任意位置取樣，以檢查沉積層的軸向均勻性。垂直樣芯：如圖2所示，沿著多晶硅棒直徑方向鉆取的約20mm直徑的樣芯。其長(zhǎng)度和多晶硅棒直徑相同，所取的樣芯要包括硅芯和沉積層的所有部分。為了準(zhǔn)確計(jì)算各個(gè)生長(zhǎng)層中的雜質(zhì)，垂直樣芯至少有一端包括表層。如果硅棒直徑小于60mm，將不能拉制出準(zhǔn)確分析所需要的足夠熔區(qū)長(zhǎng)度的單晶棒；在這種情況下，應(yīng)取平行硅芯樣芯來(lái)分析。垂直樣芯的取樣位置垂直于生長(zhǎng)層的樣芯：如圖2所示，沒(méi)有與硅芯相交的樣芯?？梢赃M(jìn)行區(qū)熔和分析，以確定沉積層中的雜質(zhì)含量。為了確定整個(gè)多晶硅棒中的總體雜質(zhì)含量，應(yīng)單獨(dú)分析硅芯，然后結(jié)合生長(zhǎng)層的結(jié)果進(jìn)行分析。用平行樣芯的公式來(lái)計(jì)算（見(jiàn)13.2）。直取樣位置：對(duì)于整個(gè)U型多晶硅，一般在橫梁部位取樣或在長(zhǎng)棒兩端50mm內(nèi)取樣。除了因?yàn)閼?yīng)力不能在U型硅棒的彎曲部分取樣外，可以在任意位置取樣以檢測(cè)軸向沉積的均勻性。硅芯分析：如果不能制取平行或垂直的硅芯樣芯，可單獨(dú)分析硅芯，然后與生長(zhǎng)層的分析結(jié)果相結(jié)合評(píng)價(jià)。如果硅芯是單晶或接近單晶，可以使用GB/T1558、GB/T24574或GB/T24581所述的光譜技術(shù)進(jìn)行切片、制樣和分析。過(guò)程控制使用多晶硅監(jiān)控棒監(jiān)測(cè)樣芯制備、酸腐蝕槽和區(qū)熔工藝的潔凈度。從具有均勻沉積層的多晶硅棒上鉆取多個(gè)直徑約20mm、長(zhǎng)度為100mm的沉積層樣芯。選用雜質(zhì)含量較低的監(jiān)控棒（如施主、受主含量約5×1011cm-3，碳含量約2.5×1015cm-3，氧含量約5×1014cm-3）,預(yù)先測(cè)量來(lái)自干擾源的痕量雜質(zhì)。反復(fù)測(cè)試，分別得出施主、受主、碳和氧雜質(zhì)的濃度值。定期對(duì)監(jiān)控棒加以腐蝕、區(qū)熔和分析，以監(jiān)測(cè)樣品制備、腐蝕和區(qū)熔工藝過(guò)程的污染程度。把監(jiān)控棒的施主、受主、碳和氧含量值繪制成控制圖表。建立統(tǒng)計(jì)規(guī)律以確定當(dāng)前的測(cè)定值是否在控制范圍內(nèi)。如果這些值超過(guò)統(tǒng)計(jì)范圍，則應(yīng)校正并重新分析。步驟樣芯和籽晶腐蝕所有操作均應(yīng)在潔凈室或潔凈區(qū)中進(jìn)行。操作人員應(yīng)穿戴潔凈室專用潔凈服，包括手套、帽子和面罩。配制新的混合酸腐蝕劑并充滿酸腐蝕槽。在適當(dāng)?shù)臏囟群退鳁l件下，把樣芯和籽晶放人清潔的腐蝕槽內(nèi)進(jìn)行腐蝕、漂洗、干燥。用HN03∶HF混合酸腐蝕劑，至少腐蝕兩次，使樣芯表面除去不少于100μm的厚度，以消除樣芯和籽晶表面的污染。也可使用其他混合酸腐蝕劑，但應(yīng)進(jìn)行評(píng)價(jià)和控制，以確保其有效并避免雜質(zhì)沾污。腐蝕清洗后，樣芯應(yīng)盡快區(qū)熔，以減少被沾污的可能。如果樣芯和籽晶超過(guò)了保存期，應(yīng)重新腐蝕。為了延長(zhǎng)保存期，樣芯應(yīng)用適當(dāng)?shù)母蓛舨牧厦芊猓①A存在潔凈室。晶棒生長(zhǎng)把樣芯和籽晶裝入?yún)^(qū)熔爐爐膛，懸掛于爐膛中心位置，并對(duì)準(zhǔn)垂直旋轉(zhuǎn)軸。通過(guò)一系列抽真空和氬氣吹洗循環(huán)處理除去爐膛內(nèi)的空氣。在爐膛中充滿氬氣并在整個(gè)晶體生長(zhǎng)過(guò)程中繼續(xù)通氬氣，保持爐室內(nèi)氬氣為正壓。把樣芯朝向籽晶的一端放人線圈，將預(yù)熱器靠近該端，調(diào)節(jié)預(yù)熱器功率，使樣芯和預(yù)熱器產(chǎn)生初始藕合；同時(shí)加熱至樣芯開(kāi)始發(fā)光，約為600℃～700℃。移開(kāi)預(yù)熱器，使樣芯靠近線圈開(kāi)口處，通過(guò)控制線圈的功率，建立熔區(qū)。在籽晶端建立小熔區(qū)后，垂直移動(dòng)籽晶直到與熔區(qū)接觸為止?；赝俗丫纬梢粋€(gè)圓錐形熔融區(qū)，確認(rèn)籽晶已經(jīng)熔入，然后開(kāi)始縮頸形成無(wú)位錯(cuò)的晶體。調(diào)整熔區(qū)頂部和底部的移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)速率來(lái)完成縮頸，檢查三條棱線以確保晶體是單晶。調(diào)節(jié)移動(dòng)速度和功率以形成晶棒的最終直徑。調(diào)節(jié)移動(dòng)速度和旋轉(zhuǎn)速度，生長(zhǎng)無(wú)位錯(cuò)單晶。當(dāng)獲得所需長(zhǎng)度的單晶時(shí)，從熔體內(nèi)拉出晶棒，要確保晶棒和熔體是在未凝固時(shí)分離。分離后，停止軸的移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，關(guān)掉電源，冷卻。晶棒評(píng)價(jià)目測(cè)檢查：目測(cè)檢查晶棒的直徑均勻性、生長(zhǎng)面線和顏色的連續(xù)一致性，以確定晶棒是否為無(wú)位錯(cuò)單晶棒、是否存在因爐堂漏氣或氬氣不純而產(chǎn)生的氧化物沉積。結(jié)構(gòu)和電學(xué)檢查按照GB/T1551檢測(cè)沿晶棒長(zhǎng)度方向的導(dǎo)電類型，以驗(yàn)證是否存在PN結(jié)。按照GB/T1554抽樣檢查晶體的完整性，以驗(yàn)證目測(cè)檢查的結(jié)果。按照GB/T1555抽樣檢查晶向，以驗(yàn)證目測(cè)檢查的結(jié)果。按照GB/T1551直流兩探針?lè)z測(cè)沿晶棒長(zhǎng)度方向的電阻率分布曲線，分析施主和受主雜質(zhì)的分布均勻性。電阻率沿晶棒長(zhǎng)度方向的變化應(yīng)與在各個(gè)點(diǎn)測(cè)得的施主／受主含量相一致。分布曲線上的突然變化表明在該點(diǎn)存在沾污或樣品沉積層不均勻。按照GB/T1553檢測(cè)晶棒體內(nèi)少數(shù)載流子壽命，以驗(yàn)證晶體的完整性和金屬雜質(zhì)污染。晶棒取樣分析單晶棒經(jīng)晶體完整性、外觀、均勻性檢查并判定為合格后，選擇施主、受主樣片和碳氧樣片的取樣點(diǎn)。在選定的位置切取硅片，然后依據(jù)GB/T24574或GB/T24581分析施主和受主濃度，依據(jù)GB/T1557和GB/T1558或GB/T35306分析碳、氧含量。從單晶棒上切取大約2~4mm厚的樣片并按照所采用的分析方法制備樣片。根據(jù)樣芯類型，按照12.4.2和12.4.3中的步驟來(lái)確定晶棒的取樣方案。平行樣芯（見(jiàn)10.2.1)——單晶棒直徑約10mm，長(zhǎng)度約20mm。根據(jù)各雜質(zhì)的特定分凝系數(shù)選擇取樣點(diǎn)，這些點(diǎn)應(yīng)可以代表90%以上的雜質(zhì)濃度。分凝效應(yīng)——在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，晶體從熔體中結(jié)晶，由于分凝，固相中的雜質(zhì)濃度和液相中的雜質(zhì)濃度不同。不同雜質(zhì)具有不同的分凝系數(shù)K0，定義見(jiàn)式(1)：式中：K0——平衡分凝系數(shù)；Cs——固相中的雜質(zhì)濃度，單位為原子每立方厘米（atoms/cm3);Cl——液相中的雜質(zhì)濃度，單位為原子每立方厘米（atoms/cm3）。對(duì)較高的凝固速度，雜質(zhì)原子受到前進(jìn)熔體的排斥，其速度超過(guò)雜質(zhì)原子擴(kuò)散進(jìn)入熔體的速度，雜質(zhì)原子聚集在靠近界面的熔體層，形成雜質(zhì)濃度梯度。不能用平衡分凝系數(shù)來(lái)進(jìn)行計(jì)算，因?yàn)樗贿m用于以很低的生長(zhǎng)速度進(jìn)行凝固的情況。該濃度梯度取決于生長(zhǎng)速度、熔體流和摻雜劑的擴(kuò)散行為。有效分凝系數(shù)Keff定義見(jiàn)式(2)：式中：Keff——有效分凝系數(shù)；K0——平衡分凝系數(shù)；V——生長(zhǎng)速度，單位為厘米每秒（cm/s)；δ——擴(kuò)散層厚度，單位為厘米（cm)；D——熔體中雜質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)，單位為平方厘米每秒（cm2/s）。通過(guò)測(cè)量摻雜曲線來(lái)確定雜質(zhì)沿晶棒長(zhǎng)度方向的濃度分布。如圖3所示，熔區(qū)長(zhǎng)度取決于樣品直徑、線圈設(shè)計(jì)和拉晶速度。熔區(qū)長(zhǎng)度確定后，只有在方法或裝置發(fā)生變化時(shí)才需重測(cè)。測(cè)量每一種雜質(zhì)的摻雜曲線，從而確定在晶棒上的切割位置，以便提供準(zhǔn)確的雜質(zhì)含量。選擇的取樣點(diǎn)應(yīng)能夠代表90%以上的雜質(zhì)濃度。在圖3中，測(cè)得的熔區(qū)長(zhǎng)度為15mm。對(duì)于一種雜質(zhì)，如果摻雜曲線表明曲線的平坦部分位于12倍熔區(qū)長(zhǎng)度處(12×15mm=l80mm），則從距晶棒最初凝固端12倍熔區(qū)長(zhǎng)度處取樣。熔區(qū)長(zhǎng)度測(cè)量和晶棒取樣位置晶棒摻雜分布曲線——雜質(zhì)的有效分凝系數(shù)會(huì)因區(qū)熔爐類型、線圈設(shè)計(jì)、拉晶速度、晶棒與樣芯直徑不同而變化?？赏ㄟ^(guò)測(cè)量實(shí)際的分凝曲線來(lái)確定各區(qū)熔爐的參數(shù)和工藝。例如，為了確定碳的分布曲線，可沿長(zhǎng)度方向?qū)⒕О羟谐晒杵?，測(cè)量每個(gè)硅片的碳含量，然后繪制濃度與熔區(qū)長(zhǎng)度的分布曲線。為準(zhǔn)確得到碳含量，所生長(zhǎng)的晶棒長(zhǎng)度要達(dá)到軸向濃度分布曲線出現(xiàn)平坦部分所需的熔區(qū)倍數(shù)的長(zhǎng)度。圖4是碳的軸向摻雜分布曲線，從圖中可以看出，以熔區(qū)長(zhǎng)度為15mm的區(qū)熔方式把直徑為20mm的樣芯拉制成10mm直徑的晶棒，有效分凝系數(shù)為0.175。在此例中，生長(zhǎng)的晶棒達(dá)到12倍熔區(qū)長(zhǎng)度，這就確保了最大量的碳熔入晶體。在12倍熔區(qū)長(zhǎng)度處切片分析測(cè)試碳含量，可得到具有重復(fù)性的碳含量值，能準(zhǔn)確反映多晶硅中的碳含量。碳的軸向摻雜分布曲線切片位置——在一定的區(qū)熔條件下，一旦建立了每個(gè)元素的濃度梯度，其取樣規(guī)則就建立了。硼具有較高的分凝系數(shù)，其曲線相對(duì)平坦。在6倍熔區(qū)長(zhǎng)度處切片，所測(cè)得數(shù)值與12倍熔區(qū)長(zhǎng)度處切片的值幾乎相同。如果一個(gè)值明顯高于另一個(gè)值，則說(shuō)明可能發(fā)生了沾污，應(yīng)重新取樣分析。磷的分凝系數(shù)較小，6倍熔區(qū)長(zhǎng)度處與12倍熔區(qū)長(zhǎng)度處測(cè)得的值不同。中點(diǎn)的值應(yīng)比端點(diǎn)約低10%～15%；否則，表明有沾污，應(yīng)重新取樣分析。碳具有非常低的分凝系數(shù)，在6倍熔區(qū)長(zhǎng)度和12倍熔區(qū)長(zhǎng)度處數(shù)值變化很大；否則，表明有沾污，應(yīng)重新取樣分析。碳含量值在晶棒最長(zhǎng)處切片檢測(cè)。垂直取樣——對(duì)垂直樣芯(見(jiàn)10.2.2)而言，單晶直徑約為14mm，其長(zhǎng)度視多晶硅棒直徑而定，約為100mm。對(duì)這類晶棒，由于碳的分凝系數(shù)小，測(cè)定施主、受主濃度的取樣和測(cè)定碳的取樣不同，取樣選點(diǎn)方法如下：電阻率分布曲線——按照GB/T1551的測(cè)試方法以10mm的間隔繪制晶棒電阻率分布曲線來(lái)確定施主／受主雜質(zhì)沿晶棒長(zhǎng)度的分布。同時(shí)按照GB/T1550的測(cè)試方法以10mm間隔繪制晶棒導(dǎo)電類型分布曲線。受12.5.2.1中所討論的分凝效應(yīng)、硅芯本身的純度以及第3章中所討論的干擾因素的影響，在不同的實(shí)驗(yàn)室中繪制的電阻率曲線不盡相同。在反復(fù)測(cè)試監(jiān)控棒和樣芯后建立典型的電阻率、導(dǎo)電類型曲線。電阻率曲線上突變點(diǎn)表明該處有污染或沉積層不均勻。切片位置——根據(jù)電阻率、導(dǎo)電類型分布曲線建立每種元素的取樣規(guī)則。單晶棒的長(zhǎng)度與多晶硅棒的直徑有關(guān)，在硅芯和多晶硅棒外層之間中點(diǎn)的對(duì)應(yīng)處切取樣片。按照GB/T24574或GB/T24581來(lái)測(cè)試施主、受主、碳和氧濃度。對(duì)多晶硅棒的橫截面，這些濃度代表R/2處的值。如果電阻率、導(dǎo)電類型曲線和標(biāo)準(zhǔn)曲線明顯不同，可在其他位置切片，以確定每種雜質(zhì)的分布情況。濃度明顯變化表明該處有污染，應(yīng)重新分析。碳分析——由于不能在長(zhǎng)度較短的單晶棒得到準(zhǔn)確的碳濃度值，因此應(yīng)在經(jīng)過(guò)退火的多晶硅片上進(jìn)行分析。取第二個(gè)垂直樣芯，在約1360℃退火處理2h，按GB/T1558或GB/T35306的測(cè)試方法切兩塊2.5~4mm厚的硅片作碳分析。在代表生長(zhǎng)層中點(diǎn)的位置取一個(gè)樣，在代表硅芯位置的點(diǎn)取另一個(gè)樣。如果需要也可在其他位置取樣用于測(cè)量徑向分布。計(jì)算通過(guò)測(cè)量取得樣品的施主、受主雜質(zhì)和碳、氧雜質(zhì)濃度，再按式(3)計(jì)算多晶硅棒中這些雜質(zhì)的總體濃度。平行樣芯(見(jiàn)10.2.1)——在采用硅芯摻雜或硅芯與沉積層成分不同的情況下，用式（3）計(jì)算多晶硅棒中各種雜質(zhì)的總體濃度：式中：CTRP——多晶硅棒中雜質(zhì)的總體濃度，單位為原子每立方厘米（atoms·cm-3);Af——硅芯面積，單位為平方厘米（cm2);Cf——硅芯的雜質(zhì)濃度，單位為原子每立方厘米（atoms·cm-3);At——硅棒面積，單位為平方厘米（cm2);CD.L.——沉積層的雜質(zhì)濃度，單位為原子每立方厘米（atoms·cm-3)。上述計(jì)算假定沉積層沿多晶硅棒徑向均勻分布?？梢酝ㄟ^(guò)在整個(gè)沉積層鉆取足夠多樣品來(lái)驗(yàn)證該假設(shè)。垂直樣芯（見(jiàn)10.2.2）——當(dāng)生長(zhǎng)的單晶棒如12.4.3的描述時(shí)，按式（3）計(jì)算來(lái)確定多品硅棒中雜質(zhì)的總體濃度。如圖5所示，單晶棒長(zhǎng)度與多晶硅棒橫截面大小有關(guān)，熔區(qū)長(zhǎng)度與截面積有關(guān)。硼分凝系數(shù)較大，可以假設(shè)硼在整個(gè)橫截面上均勻分布。磷