一种表征晶体硅生长界面和生长速度的方法与流程

本发明涉及晶体硅领域，具体涉及一种表征晶体硅生长界面和生长速度的方法。

背景技术：
为了研究和改善铸锭工艺对晶体硅生长的影响情况，通常需要获取晶体硅的生长界面情况和生长速度情况，目前，现有技术表征晶体硅生长界面的方法主要有三种，分别为(1)：在晶体硅中增加磷的含量，从而在晶体硅内部产生P/N结，通过对P/N结位置进行测试获得固液界面情况(参见图1，图1箭头处为生长界面)。但该方法存在以下缺点：只能获取一个生长界面，且通常在头部，表征生长界面情况不够精确；(2)通过铸锭过程中热场的变化及晶体硅生长速度的变化，获取微晶阴影层(参见图2，图2箭头处为生长界面)。但该方法的缺点为：该微晶阴影层的位置不可控，且因为改变了热场及速度，不能真实的表征正常铸锭的生长界面；(3)根据晶体生长方向垂直于生长界面的理论，初步获取生长界面形状(参见图3的图b和图c，图3中的箭头为晶体生长方向)。但该方法主要基于理论，不够精确。目前，常见的表征晶体硅生长速度的方法为直接测试法，具体为采用石英棒探测固液界面高度，通过高度来计算硅锭生长速度。该方法存在以下缺点：肉眼读取刻度误差大，石英棒高温变形、石英棒粘连硅而导致测试数据差异大。由上述可知，现有的表征晶体硅生长界面和生长速度的方法还存在诸多问题，因此，有必要提供一种新的表征晶体硅生长界面和生长速度的方法。

技术实现要素：
为解决上述问题，本发明提供了一种表征晶体硅生长界面和生长速度的方法，解决了现有技术表征晶体硅生长界面和生长速度的方法不够精确的问题。本发明提供了一种表征晶体硅生长界面和生长速度的方法，包括以下步骤：在晶体硅生长过程中，向铸锭炉中引入含氧元素气体或掺杂有硅氧化物粉末的气体，所述含氧元素气体或所述掺杂有硅氧化物粉末的气体随着晶体硅的生长在所述晶体硅中形成氧沉淀和间隙氧，得到富含氧元素的富氧层，长晶完成后得到晶体硅，根据所述富氧层的生长界面获得所述晶体硅的生长界面，根据所述富氧层在所述晶体硅中的高度或所述富氧层的厚度计算得到所述晶体硅的生长速度。其中，在所述晶体硅生长过程中引入至少一次所述含氧元素气体或所述掺杂有硅氧化物粉末的气体，得到至少一层所述富氧层。其中，所述每次引入所述含氧元素气体或所述掺杂有硅氧化物粉末的气体的时间为至少10s。其中，每相邻两次引入所述含氧元素气体或所述掺杂有硅氧化物粉末的气体的时间间隔为至少6min。其中，根据所述富氧层的厚度计算得到在所述富氧层位置处所述晶体硅的生长速度，所述生长速度的计算公式为：生长速度(mm/s)＝任一富氧层的厚度/制得所述富氧层所引入的含氧元素气体或所述掺杂有硅氧化物粉末的气体的时间。其中，所述晶体硅中包括至少两层富氧层，分别为第一富氧层和第二富氧层，根据所述第一富氧层和所述第二富氧层之间的垂直距离计算得到所述第一富氧层和所述第二富氧层之间位置处所述晶体硅的生长速度，所述生长速度的计算公式为：生长速度(mm/s)＝所述第一富氧层和所述第二富氧层之间的垂直距离/制得所述第一富氧层后至开始制备所述第二富氧层的时间间隔。其中，所述含氧元素气体为氧气、水蒸气、碳氧化物和氮氧化物中的至少一种。其中，所述掺杂有硅氧化物粉末的所述气体为氩气或所述含氧元素气体，所述硅氧化物粉末在所述氩气或所述含氧元素气体中的掺杂浓度为大于0g/cm3且小于等于1.76g/cm3。其中，以氧元素计，每次引入的所述含氧元素气体中氧元素流量或所述掺杂有硅氧化物的气体中氧元素流量至少为1g/min。其中，长晶完成得到所述晶体硅后，对所述晶体硅进行少子寿命测试、红外测试或光致发光测试，根据测试结果图谱获得所述富氧层的生长界面、所述富氧层在所述晶体硅中的高度和所述富氧层的厚度。本发明在晶体硅生长过程中引入含氧元素气体或掺杂有硅氧化物粉末的气体，利用氧元素易挥发的特点，在特定区域制造高浓度氧并随着晶体硅的凝固形成氧沉淀和间隙氧从而在晶体中形成富氧层，含氧元素气体及硅氧化物的挥发性可保证当气源停止后，氧浓度能迅速下降，从而准确获得一定厚度的富氧层。另外，由于含氧元素气体是在长晶过程中引入的，它直接反映了晶体硅的长晶情况，且不用改变热场或工艺生长速度，能最真实体现铸锭炉和工艺的本征性能。另外由于本发明的含氧元素气体及硅氧化物的挥发性较强，对硅料的污染较小，有利于准确地表征晶体硅的生长情况。综上，本发明有益效果包括以下几个方面：1、含氧元素气体或掺杂有硅氧化物粉末的气体易挥发，可保证当气源停止后，氧浓度能迅速下降，从而获取准确得到一定厚度的富氧层。含氧元素气体或硅氧化物对硅料的污染较小，有利于准确地表征正常晶体硅的生长情况；2、根据所述富氧层的生长界面获得所述晶体硅的生长界面，根据所述富氧层在所述晶体硅中的高度或厚度计算得到所述晶体硅的生长速度，表征结果较为精确。附图说明图1为现有技术采用测试P/N结位置表征生长界面的少子寿命图；图2为现有技术采用测试微晶阴影层表征生长界面的红外测试(IR)图；图3为现有技术采用晶体生长方向垂直于生长界面的示意图；图4为本发明实施例1的制得的晶体硅的少子寿命图；图5为本发明实施例2的制得的晶体硅的光致发光测试(PL)图；图6为本发明实施例3的制得的晶体硅的红外测试(IR)图。具体实施方式以下所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。本发明提供了一种表征晶体硅生长界面和生长速度的方法，包括以下步骤：在晶体硅生长过程中，向铸锭炉中引入含氧元素气体或掺杂有硅氧化物粉末的气体，含氧元素气体或掺杂有硅氧化物粉末的气体随着晶体硅的生长在晶体硅中形成氧沉淀和间隙氧，得到富含氧元素的富氧层，长晶完成后得到晶体硅，根据富氧层的生长界面获得晶体硅的生长界面，根据富氧层在晶体硅中的高度或富氧层的厚度计算得到晶体硅的生长速度。本发明在晶体硅生长过程中引入含氧元素气体，利用含氧元素气体或硅氧化物挥发性的特点，在特定区域制造高浓度氧并随着晶体硅的凝固后形成氧沉淀和间隙氧，从而在晶体中形成富氧层，含氧元素气体或硅氧化物的挥发性可保证当气源停止后，含氧元素气体或硅氧化物的浓度能迅速下降，从而获取准确得到一定厚度的富氧层。另外，由于含氧元素气体或硅氧化物是在长晶过程中引入的，它直接反映了晶体硅的长晶情况，且不用改变热场或工艺生长速度，能最真实体现铸锭炉和工艺的本征性能。另外，本发明的含氧元素气体或硅氧化物挥发性强，对硅料的污染较小或没有污染，有利于准确地表征晶体硅的生长情况。本发明实施方式中，晶体硅可以为多晶硅或单晶硅。本发明实施方式中，含氧元素气体为氧气、水蒸气、碳氧化物和氮氧化物中的至少一种。本发明一优选实施方式中，碳氧化物为CO或CO2。本发明一优选实施方式中，氮氧化物为一氧化氮(NO)或二氧化氮(NO2)。本发明一优选实施方式中，硅氧化物为SiO2或SiO。本发明一优选实施方式中，掺杂有硅氧化物粉末的气体为氩气或含氧元素气体。即硅氧化物粉末可掺杂在氩气中，也可以掺杂在含氧元素气体中。本发明一优选实施方式中，硅氧化物粉末在氩气或含氧元素气体中的掺杂浓度为大于0g/cm3且小于等于1.76g/cm3。本发明一优选实施方式中，硅氧化物粉末在氩气或含氧元素气体中的掺杂浓度为1.76×10-6g/cm3-1.76g/cm3。本发明一优选实施方式中，硅氧化物粉末在氩气或含氧元素气体中的掺杂浓度为0.002g/cm3-1.76g/cm3。含氧元素气体或硅氧化物容易溶解到硅液中，其中氧元素随着晶体硅的凝固后形成氧沉淀和间隙氧，从而在晶体中形成富氧层，富氧层后续可通过少子测试、IR、PL等手段获取。含氧元素气体或硅氧化物的挥发性可保证当气源停止后，氧元素浓度能迅速下降，从而获取厚度可控及位置可控的富氧层。另外，含氧元素气体或硅氧化物对硅料的污染较小或没有污染，有利于准确地表征晶体硅的生长情况。尤其是硅氧化物对硅料基本上没有污染。本发明实施方式中，以氧元素计，每次引入的含氧元素气体中氧元素流量或掺杂有硅氧化物的气体中氧元素流量至少为1g/min。在该流量下，可以得到明显辨识的富氧层。本发明一优选实施方式中，以氧元素计，每次引入的含氧元素气体中氧元素流量或掺杂有硅氧化物的气体中氧元素流量为1g/min-2000g/min。本发明一优选实施方式中，以氧元素计，每次引入的含氧元素气体中氧元素流量或掺杂有硅氧化物的气体中氧元素的流量为1g/min-100g/min。本发明一优选实施方式中，以氧元素计，每次引入的含氧元素气体中氧元素流量或掺杂有硅氧化物的气体中氧元素流量为100g/min-1000g/min。本发明一优选实施方式中，以氧元素计，每次引入的含氧元素气体中氧元素流量或掺杂有硅氧化物的气体中氧元素流量为1g/min-10g/min。本发明实施方式中，在晶体硅生长过程中引入至少一次含氧元素气体或掺杂有硅氧化物粉末的气体，得到至少一层富氧层。即可以引入一次气体得到一层富氧层，也可以引入多次气体，得到多层富氧层。引入含氧元素气体或掺杂有硅氧化物粉末的气体的时机可以根据具体生产工艺而定，例如需要表征晶体硅初始生长阶段的生长界面和生长速度，可以在晶体硅初始生长阶段引入含氧元素气体。一般来说，晶体硅的长晶速度为0.1-4cm/h，根据大概的长晶速度，可以预测引入气体获得富氧层的时间，例如，想要测试长晶初期的生长界面和生长速度情况，可以在长晶初期多次引入气体。如想要测试长晶中期的生长界面和生长速度情况，可以根据大概的长晶速度预测进入长晶中期的时间，当到达此时间时，引入含氧元素气体或硅氧化物即可。根据需要获得的富氧层的厚度控制气体的引入时间，引入的含氧元素气体或掺杂有硅氧化物粉末的气体的时间越长，得到的富氧层的厚度越厚。本发明实施方式中，每次引入含氧元素气体或掺杂有硅氧化物粉末的气体的时间为至少10s。通过这样设置可以保证能够在晶体硅中得到可以辨识的富氧层。本发明一优选实施方式中，每次引入含氧元素气体或掺杂有硅氧化物粉末的气体的时间为10s-10h。本发明一优选实施方式中，每次引入含氧元素气体或掺杂有硅氧化物粉末的气体的时间为10s、1h、2h、3h、4h、5h、6h、7h、8h、9h、10h。本发明一优选实施方式中，每次引入含氧元素气体或掺杂有硅氧化物粉末的气体的时间为10s-3h。本发明一优选实施方式中，每次引入含氧元素气体或掺杂有硅氧化物粉末的气体的时间为1h-3h。本发明一优选实施方式中，每次引入含氧元素气体或掺杂有硅氧化物粉末的气体的时间为1h、2h或3h。本发明实施方式中，当引入多次含氧元素气体或掺杂有硅氧化物粉末的气体时，每相邻两次引入含氧元素气体或掺杂有硅氧化物粉末的气体的时间间隔为至少6min。如果每两次引入气体间隔的时间较短，得到的相邻两层富氧层可能会连接在一起，难以辨别开来。例如，第一次引入含氧元素气体后，需要间隔至少6min再第二次引入含氧元素气体。本发明一优选实施方式中，每相邻两次引入含氧元素气体或掺杂有硅氧化物粉末的气体的时间间隔为6min-5h。本发明一优选实施方式中，每相邻两次引入含氧元素气体或掺杂有硅氧化物粉末的气体的时间间隔为6min-1h。本发明一优选实施方式中，每相邻两次引入含氧元素气体或掺杂有硅氧化物粉末的气体的时间间隔为1h-5h。本发明一优选实施方式中，每相邻两次引入含氧元素气体或掺杂有硅氧化物粉末的时间间隔为6min、10min、15min、20min、25min、30min、35min、40min、45min、50min、55min或60min。本发明提供的富氧层在晶体硅的凝固过程中，在晶体硅中得到氧沉淀和间隙氧，富氧层的生长界面和晶体硅的生长界面是相似的，根据富氧层的生长界面情况可以得知晶体硅的生长界面，因此，富氧层的生长界面可以用来表征晶体硅的生长界面情况。本发明实施方式中，可以根据富氧层在晶体硅中的高度或厚度计算得到晶体硅的生长速度。本发明一优选实施方式中，根据富氧层的厚度计算得到在富氧层位置处的晶体硅的生长速度，生长速度的计算公式为：生长速度(mm/s)＝任一富氧层的厚度/制得富氧层所引入的含氧元素气体或掺杂有硅氧化物粉末的气体的时间。当晶体硅中包括至少一层富氧层时，可以测试得到任一富氧层的厚度数值，将任一富氧层的厚度数值除以制得该富氧层所引入的含氧元素气体或掺杂有硅氧化物粉末的气体的时间得到该富氧层位置处晶体硅的生长速度。任一富氧层的厚度往往指的是该富氧层在坩埚中间处的富氧层厚度，如果需要了解晶体硅靠近坩埚位置的生长速度，富氧层的厚度也可以选择该富氧层在靠近坩埚位置的厚度。本发明另一优选实施方式中，晶体硅中包括至少两层富氧层，分别为第一富氧层和第二富氧层，根据第一富氧层和第二富氧层之间的垂直距离计算得到第一富氧层和第二富氧层之间位置处晶体硅的生长速度，生长速度的计算公式为：生长速度(mm/s)＝第一富氧层和第二富氧层之间的垂直距离/制得第一富氧层后至开始制备第二富氧层的时间间隔。当晶体硅中包括至少两层富氧层时，将任意两层的富氧层分别命名为第一富氧层和第二富氧层，测试得到任意两层富氧层的垂直距离后，将垂直距离的数值除以制得第一富氧层后至开始制备第二富氧层的时间间隔，得到生长速度，制得第一富氧层后至开始制备第二富氧层的时间间隔指的是制得第一富氧层后，停歇多长时间后，再开始引入含氧元素气体以制备第二富氧层。第一富氧层和第二富氧层的垂直距离往往指的是任意两层富氧层在坩埚中间位置处的垂直距离，也可以为靠近坩埚位置的垂直距离，具体可以根据需要计算哪个位置的生长速度决定。根据单一富氧层的厚度计算得到在该富氧层位置处的晶体硅的生长速度。根据任意两层富氧层之间的垂直距离计算得到任意两层富氧层之间位置处的晶体硅的生长速度。这两种生长速度都可以表征晶体硅的生长速度，具体需要采用哪种速度可以根据具体生产情况而定。在一般的生产情况下，可以根据任意两层富氧层之间的垂直距离计算得到任意两层富氧层垂直距离位置处的晶体硅的生长速度。本发明实施方式中，长晶完成得到晶体硅后，对晶体硅进行少子寿命测试、红外测试或光致发光测试，根据测试结果图谱获得富氧层的生长界面和厚度。出锭后通过少子寿命图、IR图、PL图可以获得富氧层，通过对富氧层进行直观的测量获得富氧层的高度和厚度，从而了解界面状态和生长速度等参数，用于晶体生长的调整和生产管控。本发明公开了一种精确显示晶体硅生长界面的表征方法，可用于研究及调整生长界面提供表征方法，能精确提供界面形状。同时通过生长界面的集合可以获取界面的持续变化、生长速度、工艺与实际生长状态的对应，将给晶体生长研究方面带来极大进步。以下为本发明的具体实施例。实施例1一种表征晶体硅生长界面和生长速度的方法，包括以下步骤：在晶体硅生长过程中，在晶体生长16h后向铸锭炉中引入O2，引入时间为3h，以氧元素计，O2气体流量为13g/min，O2在晶体硅中溶解凝固得到氧沉淀和间隙氧，从而得到富含氧元素的第一富氧层，然后间隔4h后，在晶体生长过程中第二次向铸锭炉中引入O2，O2在溶解凝固得到氧沉淀和间隙氧，从而得到富含氧元素的第二富氧层，引入时间为30min，以氧元素计，O2气体流量为13g/min，停止引入气体后，继续长晶。长晶完成后得到晶体硅。将晶体硅采用SemilabWT200设备测试少子寿命，得到少子寿命分布图，如图4所示，图4为本发明实施例1的晶体硅的少子寿命图。由于富氧层中含有较多含量的氧，氧沉淀可以降低少子寿命，因此，富氧层在晶体硅中的呈现红色的层状结构，如图4中1表示第一富氧层，2表示第二富氧层，富氧层的生长界面形状和晶体硅的生长界面形状相同，从图中可以看出，本发明实施例中富氧层的生长界面为凸界面。另外，可以通过第一富氧层的厚度计算第一富氧层位置处的晶体硅的生长速度，通过测试，得到第一富氧层的厚度为30mm，根据引入含氧元素气体的时间计算得到第一富氧层位置处晶体硅的生长速度＝30mm/3h＝1cm/h。也可以通过第一富氧层和第二富氧层的垂直距离(图4中垂直距离用双箭头表示)计算第一富氧层和第二富氧层位置之间的晶体硅的生长速度，第一富氧层和第二富氧层的垂直距离为5cm，时间间隔为4h，计算得到生长速度＝5cm/4h＝1.25cm/h。实施例2一种表征晶体硅生长界面和生长速度的方法，包括以下步骤：在晶体硅生长过程中，在晶体生长10h后向铸锭炉引入掺杂有SiO2粉末的氩气，SiO2在氩气中的掺杂量为0.002g/cm3，引入时间为3h，以氧元素计，掺杂有SiO2粉末的氩气的流量为35g/min，SiO2在晶体硅中溶解凝固得到氧沉淀和间隙氧，从而得到富含氧元素的第一富氧层，然后间隔5h后在晶体生长第二次向铸锭炉氩气中引入掺杂有SiO2粉末的氩气，SiO2掺杂在溶解凝固得到氧沉淀和间隙氧，从而得到富含氧元素的第二富氧层，引入时间为30min，以氧元素计，掺杂有SiO2粉末的氩气的流量为35g/min，停止引入气体后，继续长晶。长晶完成后得到晶体硅，将晶体硅采用BT-imaging公司的LIS-R1设备对晶体硅进行光致发光测试，得到晶体硅的光致发光测试(PL)图。如图5所示，图5为本发明实施例2的制得的晶体硅的光致发光测试(PL)图。从图5中可以看出，晶体硅中包括两层富氧层，第一富氧层用3表示，第二富氧层用4表示。可以通过第一富氧层的厚度计算第一富氧层位置处的晶体硅的生长速度，通过测试，得到第一富氧层的厚度为40mm，根据引入含氧元素气体的时间(为3h)计算得到第一富氧层位置处晶体硅的生长速度＝1.3cm/h。也可以通过第一富氧层和第二富氧层的垂直距离(图5中垂直距离用双箭头表示)计算第一富氧层和第二富氧层位置之间的晶体硅的生长速度，第一富氧层和第二富氧层的垂直距离为6cm，时间间隔为5h，计算得到生长速度＝6cm/5h＝1.2cm/h。实施例3一种表征晶体硅生长界面和生长速度的方法，包括以下步骤：在晶体硅生长过程中，向铸锭炉中引入CO2，引入时间为2h，气体流量为53g/min，CO2在晶体硅中溶解凝固得到氧沉淀和间隙氧，从而得到富含氧元素的富氧层，停止引入气体后，继续长晶。长晶完成后得到晶体硅。将晶体硅采用德国SIS300-3DIR设备对晶体硅进行红外测试，得到晶体硅的红外测试(IR)图。图6为本发明实施例3的制得的晶体硅的红外测试(IR)图。从图6中可以看出富氧层，该富氧层用5表示。实施例4一种表征晶体硅生长界面和生长速度的方法，包括以下步骤：在晶体硅生长过程中，向铸锭炉中引入CO气体，引入时间为3h，以氧元素计，气体流量为45g/min，CO在晶体硅中溶解凝固得到氧沉淀和间隙氧，从而得到富含氧元素的第一富氧层，然后间隔1h后在晶体生长第二次向铸锭炉中引入CO气体，CO气体在溶解凝固得到氧沉淀和间隙氧，从而得到富含氧元素的第二富氧层，引入时间为30min，以氧元素计，气体流量为40g/min，然后间隔6min后在晶体生长第三次向铸锭炉中引入CO气体，CO气体在溶解凝固得到氧沉淀和间隙氧，从而得到富含氧元素的第三富氧层，引入时间为10s，以氧元素计，气体流量为38g/min，停止引入气体后，继续长晶，长晶完成后得到晶体硅。对晶体硅进行少子寿命测试、红外测试或光致发光测试，根据测试结果图谱获得富氧层的生长界面和厚度。实施例5一种表征晶体硅生长界面和生长速度的方法，包括以下步骤：在晶体硅生长过程中，向铸锭炉中引入水蒸气，引入时间为10s，以氧元素计，气体流量为40g/min，水蒸气在晶体硅中溶解凝固得到氧沉淀和间隙氧，从而得到富含氧元素的富氧层，停止引入气体后，继续长晶，长晶完成后得到晶体硅。对晶体硅进行少子寿命测试、红外测试或光致发光测试，根据测试结果图谱获得富氧层的生长界面和厚度。实施例6一种表征晶体硅生长界面和生长速度的方法，包括以下步骤：在晶体硅生长过程中，向铸锭炉中引入NO，引入时间为1h，以氧元素计，气体流量为71.2g/min，NO在晶体硅中溶解凝固得到氧沉淀和间隙氧，从而得到富含氧元素的富氧层，停止引入气体后，继续长晶，长晶完成后得到晶体硅。对晶体硅进行少子寿命测试、红外测试或光致发光测试，根据测试结果图谱获得富氧层的生长界面和厚度。实施例7一种表征晶体硅生长界面和生长速度的方法，包括以下步骤：在晶体硅生长过程中，向铸锭炉中引入NO2，引入时间为5h，以氧元素计，气体流量为30g/min，NO2在晶体硅中溶解凝固得到氧沉淀和间隙氧，从而得到富含氧元素的富氧层，停止引入气体后，继续长晶，长晶完成后得到晶体硅。对晶体硅进行少子寿命测试、红外测试或光致发光测试，根据测试结果图谱获得富氧层的生长界面和厚度。实施例8一种表征晶体硅生长界面和生长速度的方法，包括以下步骤：在晶体硅生长过程中，向铸锭炉中引入掺杂有SiO的NO2，SiO在NO2中的掺杂浓度为0.002g/cm3。引入时间为10h，以氧元素计，掺杂有SiO的NO2气体流量为41g/min，SiO和NO2在晶体硅中溶解凝固得到氧沉淀和间隙氧，从而得到富含氧元素的富氧层，停止引入气体后，继续长晶，长晶完成后得到晶体硅。对晶体硅进行少子寿命测试、红外测试或光致发光测试，根据测试结果图谱获得富氧层的生长界面和厚度。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。