水平超导磁场下CZ硅单晶固液界面氧分布数值模拟研究

摘要

硅单晶作为集成电路和太阳能光伏发电领域的基础材料，其品质对电子器件的性能产生直接影响。磁控CZ法是目前生长硅单晶的主流方法，晶体生长过程中坩埚内熔体的流动、传热及传质，尤其是固液界面的氧杂质含量及氧杂质分布的均匀性直接影响硅单晶品质。为了提高大尺寸硅晶体的品质，必须分析固液界面的氧杂质分布特性，以便更好地指导实际直拉硅单晶生产。
　　面对晶体生长过程中存在热系统多场耦合、传热传质并存、边界条件模糊、化学变化交错且相互影响，机理建模困难等问题。基于有限容积法的数值模拟是解决此类问题的有效方法。目前在二维或三维环境下究关熔体内的氧传输研究已经相当成熟，而对于三维环境下固液界面的氧分布鲜有研究。本文采用有限容积法的三维数值模拟，在二维/三维混合模型的基础上研究分析常规磁场（800-1000高斯）下晶体生长过程中固液界面的氧浓度分布，并在应用一种具有低功耗、高场强特点的水平超导磁场结构下，深入分析工艺参数对固液界面氧浓度及径向氧浓度分布均匀性的影响，同时研究分析了超导磁场空间下四极磁场结构对固液界面氧浓度分布的影响。
　　研究结果表明，增加晶体直径，使得熔体内流动增强，固液界面的氧浓度增加，固液界面径向氧浓度分布更加均匀。超导磁场有效地解决了常规磁场下大尺寸晶体生长过程中氧浓度过高的问题。增加超导磁场强度，使得固液界面的氧浓度降低，固液界面径向氧浓度分布更加均匀；坩埚转速适用于低转速、小范围内调节固液界面的氧浓度及其氧浓度分布均匀性；晶体转速可在大范围内调节固液界面形状的一致性和固液界面的氧浓度及其氧浓度分布均匀性；晶体生长前期和中期的工艺调节方法应是低坩埚转速和低晶体转速，对于晶体生长后期的工艺调节方法，较高的坩埚转速和低晶体转速较为合适。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 CZ法单晶硅生长技术

1.3 直拉法硅单晶生长数值模拟

1.4 国内外直拉硅单晶生长模拟研究现状

1.5 论文研究的主要内容

2 CZ硅单晶生长原理

2.1 引言

2.2 单晶生长的主要驱动力

2.3 晶体生长过程中的热对流及热传输

2.4 固液界面对晶体品质的影响

2.5 固液界面氧杂质传输及其控制

2.6 本章小结

3 CZ硅单晶生长的三维数值模拟

3.1 引言

3.2 物理模型及相关假设

3.3 数学模型

3.4 数值模拟

3.5 本章小结

4 常规磁场下CZ硅单晶生长的模拟结果与分析

4.1 引言

4.2 水平磁场对CZ硅单晶生长的影响

4.3 四极磁场对CZ硅单晶生长的影响

4.4 本章小结

5 水平超导磁场下CZ硅单晶生长的模拟结果与分析

5.1 引言

5.2 超导磁场对CZ硅单晶生长中固液界面氧分布的影响

5.3 坩埚转速和晶体转速对CZ硅单晶生长中固液界面氧分布的影响

5.4 不同晶体长度对CZ硅单晶生长中固液界面氧分布的影响

5.5 不同磁场结构对CZ硅单晶生长中固液界面氧分布的影响分析

5.6 本章小结

6 总结和展望

6.1 工作总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献