【摘要】：硅單晶作為半導(dǎo)體行業(yè)基礎(chǔ)材料,對集成電路技術(shù)和光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起著非常重要的作用。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展,對硅單晶有了更高的要求,具體表現(xiàn)為高純度、高均勻性、低缺陷和大尺寸四個方面。直拉法是生長硅單晶的主要方法,直拉法生長硅單晶的實質(zhì)是多晶硅熔體在特定環(huán)境下轉(zhuǎn)化為固體硅單晶的固液相變過程。該相變過程伴隨著流動傳熱現(xiàn)象,且相變界面的形態(tài)會影響硅單晶的位錯密度大小和剖面上電阻率的均勻性,對晶體品質(zhì)產(chǎn)生較大的影響。因此,研究直拉法硅單晶生長中的固液相變過程,對了解相變過程中的物理現(xiàn)象,改善晶體生長工藝參數(shù),提高晶體品質(zhì)都具有非常重要的理論意義和實際價值。本文提出了一種融合浸入邊界法和格子Boltzmann法的二維軸對稱模型,用于研究直拉法晶體生長中的固液相變問題。將相變界面視為浸入邊界,用拉格朗日節(jié)點顯式追蹤相變界面位置;用格子Boltzmann方法求解熔體中的流場與溫度場;用有限差分法求解晶體中溫度分布。在上述理論及方法的基礎(chǔ)上,研究基于浸入邊界-格子Boltzmann方法的動態(tài)相變界面晶體生長過程,得到了不同晶體生長控制參數(shù)作用下的流場、溫度場以及相變界面形態(tài)。最后,引入相變界面位置與自由表面位置偏差的標(biāo)準(zhǔn)差和均值來衡量相變界面的平坦度,得到了平坦相變界面對應(yīng)的工藝參數(shù)調(diào)整方法。仿真實驗結(jié)果表明,相變過程與晶體提拉速度、晶體旋轉(zhuǎn)參數(shù)和坩堝旋轉(zhuǎn)參數(shù)密切相關(guān),適當(dāng)?shù)卦龃缶w提拉速度,能有效地改善相變界面嚴(yán)重凸向熔體的問題,在只有晶體旋轉(zhuǎn)作用時,相變界面凸向熔體的情況能夠得到抑制,但相變界面波動較大,在晶體旋轉(zhuǎn)和坩堝旋轉(zhuǎn)共同作用時,通過調(diào)節(jié)晶體和坩堝的旋轉(zhuǎn)速度比值,可以獲得較好的相變界面形態(tài),并發(fā)現(xiàn)平坦相變界面形狀下晶體旋轉(zhuǎn)參數(shù)和坩堝旋轉(zhuǎn)參數(shù)滿足一定的函數(shù)關(guān)系。上述研究結(jié)果為晶體生長工藝參數(shù)的調(diào)整提供了理論依據(jù)和實驗途徑。
【圖文】：

法硅單晶生長設(shè)備結(jié)構(gòu) (b) 直拉法硅單晶生長設(shè)備結(jié)圖 1-1 硅單晶生長設(shè)備結(jié)構(gòu)g.1-1 The equipment structure of silicon single crystal growthFloat-zone)法，即懸浮區(qū)熔法，分為水平區(qū)熔法和立式鍺、GaAs 等材料的提純和單晶體的生長；立式懸浮區(qū)結(jié)構(gòu)如圖 1-1(a)所示。1953 年，Keck 和 Golay 首次將 懸浮區(qū)熔法生長單晶體時不需要坩堝，因此，該方法可長出具有高純度特性的單晶體，為單晶體應(yīng)用于大功率

晶直徑一般只有 3~6 in，質(zhì)量也只有幾千克，無法滿足硅單晶大尺寸的需求。直拉法也稱切克勞斯基法，簡稱 CZ 法，是制備硅單晶的主要方法，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1-1(b)所示。波蘭科學(xué)家 Czochralski 在 1917 年提出此方法，并利用該方法生長出了單晶材料。蒂爾等人在 1950 年首次利用直拉法生長出硅單晶材料。Dash 在 1958 年首次提出了消除直拉單晶位錯的方法，制備出完整的無位錯硅單晶【4】，使得大尺寸無位錯硅單晶的生長成為可能，為直拉法在集成電路產(chǎn)業(yè)中的統(tǒng)治地位奠定了堅實的基礎(chǔ)。另外，采用直拉法制備單晶的過程中，可以通過摻雜等技術(shù)手段控制晶體特性，從而制備滿足特定晶體性能要求的單晶。因此，直拉法在半導(dǎo)體器件和集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中占據(jù)了非常重要的地位。直拉法硅單晶生長過程是一個多晶硅熔液轉(zhuǎn)變?yōu)楣鑶尉Ьw的固液相變過程，生長流程示意圖如圖 1-2 所示。首先，利用石墨電阻加熱，將石英坩堝內(nèi)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，在適宜的熱場環(huán)境下，籽晶與硅熔體達(dá)到熱平衡，在液面表面張力的作用下籽晶下方的硅熔體受力并與籽晶粘連，通過緩慢向上提拉籽晶并旋轉(zhuǎn)籽晶，使得籽晶下方的熔體隨著籽晶向上運動并形成過冷態(tài)，且順著籽晶的排列結(jié)構(gòu)在相變界面處凝固，，形成完整的單晶體。
【學(xué)位授予單位】：西安理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN304.12

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2678789