直拉法硅单晶生长固液相变模型与数值仿真研究

发布时间：2020-05-24 18:13

【摘要】：硅单晶作为半导体行业基础材料,对集成电路技术和光伏发电产业的发展起着非常重要的作用。随着大规模集成电路的发展,对硅单晶有了更高的要求,具体表现为高纯度、高均匀性、低缺陷和大尺寸四个方面。直拉法是生长硅单晶的主要方法,直拉法生长硅单晶的实质是多晶硅熔体在特定环境下转化为固体硅单晶的固液相变过程。该相变过程伴随着流动传热现象,且相变界面的形态会影响硅单晶的位错密度大小和剖面上电阻率的均匀性,对晶体品质产生较大的影响。因此,研究直拉法硅单晶生长中的固液相变过程,对了解相变过程中的物理现象,改善晶体生长工艺参数,提高晶体品质都具有非常重要的理论意义和实际价值。本文提出了一种融合浸入边界法和格子Boltzmann法的二维轴对称模型,用于研究直拉法晶体生长中的固液相变问题。将相变界面视为浸入边界,用拉格朗日节点显式追踪相变界面位置;用格子Boltzmann方法求解熔体中的流场与温度场;用有限差分法求解晶体中温度分布。在上述理论及方法的基础上,研究基于浸入边界-格子Boltzmann方法的动态相变界面晶体生长过程,得到了不同晶体生长控制参数作用下的流场、温度场以及相变界面形态。最后,引入相变界面位置与自由表面位置偏差的标准差和均值来衡量相变界面的平坦度,得到了平坦相变界面对应的工艺参数调整方法。仿真实验结果表明,相变过程与晶体提拉速度、晶体旋转参数和坩埚旋转参数密切相关,适当地增大晶体提拉速度,能有效地改善相变界面严重凸向熔体的问题,在只有晶体旋转作用时,相变界面凸向熔体的情况能够得到抑制,但相变界面波动较大,在晶体旋转和坩埚旋转共同作用时,通过调节晶体和坩埚的旋转速度比值,可以获得较好的相变界面形态,并发现平坦相变界面形状下晶体旋转参数和坩埚旋转参数满足一定的函数关系。上述研究结果为晶体生长工艺参数的调整提供了理论依据和实验途径。
【图文】：

生长设备,硅单晶,单晶体,悬浮区熔法

法硅单晶生长设备结构 (b) 直拉法硅单晶生长设备结图 1-1 硅单晶生长设备结构g.1-1 The equipment structure of silicon single crystal growthFloat-zone)法，即悬浮区熔法，分为水平区熔法和立式锗、GaAs 等材料的提纯和单晶体的生长；立式悬浮区结构如图 1-1(a)所示。1953 年，Keck 和 Golay 首次将悬浮区熔法生长单晶体时不需要坩埚，因此，该方法可长出具有高纯度特性的单晶体，为单晶体应用于大功率

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晶直径一般只有 3~6 in，质量也只有几千克，无法满足硅单晶大尺寸的需求。直拉法也称切克劳斯基法，简称 CZ 法，是制备硅单晶的主要方法，系统结构如图1-1(b)所示。波兰科学家 Czochralski 在 1917 年提出此方法，并利用该方法生长出了单晶材料。蒂尔等人在 1950 年首次利用直拉法生长出硅单晶材料。Dash 在 1958 年首次提出了消除直拉单晶位错的方法，制备出完整的无位错硅单晶【4】，使得大尺寸无位错硅单晶的生长成为可能，为直拉法在集成电路产业中的统治地位奠定了坚实的基础。另外，采用直拉法制备单晶的过程中，可以通过掺杂等技术手段控制晶体特性，从而制备满足特定晶体性能要求的单晶。因此，直拉法在半导体器件和集成电路产业的发展中占据了非常重要的地位。直拉法硅单晶生长过程是一个多晶硅熔液转变为硅单晶晶体的固液相变过程，生长流程示意图如图 1-2 所示。首先，利用石墨电阻加热，将石英坩埚内多晶硅料熔化，并在硅熔液界面上浸入具有特定晶向的籽晶，在适宜的热场环境下，籽晶与硅熔体达到热平衡，在液面表面张力的作用下籽晶下方的硅熔体受力并与籽晶粘连，通过缓慢向上提拉籽晶并旋转籽晶，使得籽晶下方的熔体随着籽晶向上运动并形成过冷态，且顺着籽晶的排列结构在相变界面处凝固，，形成完整的单晶体。
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN304.12

【参考文献】