晶體生長(zhǎng)建模軟件femag-區(qū)熔法超純單晶硅數(shù)值模擬方案

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1、區(qū)熔法超純單晶硅數(shù)值模擬方案1.背景介紹1.1單晶硅硅的單晶體，是一種良好的半導(dǎo)體材料。在工業(yè)上單晶硅多用于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，主要用于制造半導(dǎo)體芯片、太陽(yáng)能電池等。單晶硅有巨大的市場(chǎng)和廣闊的發(fā)展空間。其原料來(lái)源豐富，硅元素在地殼中含量達(dá)高達(dá)25.8%，可謂取之不盡。以單晶硅為代表的高科技附加值材料，如今已經(jīng)成為當(dāng)代全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展中增長(zhǎng)最快的先導(dǎo)產(chǎn)業(yè)——信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的支柱。且隨著當(dāng)前常規(guī)能源供給的有限性和環(huán)保壓力的不斷增加，太陽(yáng)能等新能源正在掀起新一輪能量改革熱潮，國(guó)際上許多國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始制定可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，將太陽(yáng)能的發(fā)展當(dāng)作重要的戰(zhàn)略目標(biāo)。大規(guī)模的半導(dǎo)體信息時(shí)代

2、以及太陽(yáng)能等新能源時(shí)代正在拉開(kāi)序幕，單晶硅因此也將成為21世紀(jì)最受關(guān)注的熱點(diǎn)之一。1.2單晶硅的區(qū)熔法制備由于半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)具有特殊性，芯片的工作也要求具有穩(wěn)定性，因此工業(yè)上對(duì)單晶硅的結(jié)構(gòu)要求是非常高的，例如通常要求其純度要達(dá)到99.9999%，甚至99.9999999%以上。普通的單晶硅晶體生長(zhǎng)方法或多或少都會(huì)引入少量雜質(zhì)，但是區(qū)熔法是一種比較特殊的高純度單晶生長(zhǎng)技術(shù)。由于其本身也是一種提純的方法，因此用區(qū)熔法來(lái)制備超純單晶硅非常適合。區(qū)熔法晶體生長(zhǎng)技術(shù)工業(yè)上被稱為懸浮區(qū)熔法，簡(jiǎn)稱區(qū)熔法（FZ），這種技術(shù)是指在氣氛或真空的爐室中，利用高頻線圈在單晶籽晶和

3、其上方懸掛的多晶硅棒的接觸處產(chǎn)生熔區(qū)，然后使熔區(qū)向上移動(dòng)進(jìn)行單晶生長(zhǎng)。由于硅熔體完全依靠其表面張力和高頻電磁力的支托，懸浮于多晶棒與單晶之間，因此不需要坩堝等其他載體，這是區(qū)熔法最顯著的特征之一。圖1區(qū)熔法示意圖1圖1.2區(qū)熔法的工藝流程示意圖由于使用區(qū)熔法制備晶體時(shí)不使用坩堝，避免了來(lái)自坩堝的污染，因此區(qū)熔法可以用來(lái)制備純度很高的晶體。另外區(qū)熔法還有提純作用，其提純?cè)硎欠帜怼ｋs質(zhì)在熔體和已結(jié)晶的固體中的溶解度是不一樣的。在結(jié)晶溫度下，若一雜質(zhì)在某材料熔體中的濃度為cL，結(jié)晶出來(lái)的固體中的濃度為cs，則稱K=cL/cs為該雜質(zhì)在此材料中的分凝系數(shù)

4、。K的大小決定熔體中雜質(zhì)被分凝到固體中去的效果。K<1，則開(kāi)始結(jié)晶的頭部樣品純度高，雜質(zhì)被集中到尾部；K>1，則開(kāi)始結(jié)晶的頭部樣品集中了雜質(zhì)而尾部雜質(zhì)量少。因此經(jīng)過(guò)一次區(qū)熔后會(huì)出現(xiàn)雜質(zhì)富集效果，只需要把雜質(zhì)富集區(qū)截掉，就能夠獲得純度很高的晶體。2.問(wèn)題及需求2.1區(qū)熔法制備超純單晶硅的現(xiàn)狀區(qū)熔法制備的單晶硅純度很高，實(shí)際生產(chǎn)中區(qū)熔法單晶的氧含量比直拉硅單晶的氧含量低2到3個(gè)數(shù)量級(jí)。因此很多高質(zhì)量的電子器件，高集成電路，例如光敏二極管、射線探測(cè)器、紅外探測(cè)器等器件的關(guān)鍵部位多采用區(qū)熔法制備的單晶硅來(lái)制造。但是區(qū)熔法也有自身的局限性，首先工藝比較煩瑣，生產(chǎn)

5、效率偏低，而且一般使用純度較高的多晶硅為原料，生產(chǎn)成本較高，此外由于工藝特殊性，較難生產(chǎn)出大直徑的單晶硅棒。因此生產(chǎn)商很希望提高區(qū)熔法的成品率，降低原料消耗和成本。在成品質(zhì)量方面，由于區(qū)熔法熔體中存在著受重力而引起的自然對(duì)流，受表面張力驅(qū)動(dòng)而產(chǎn)生的對(duì)流，還有旋轉(zhuǎn)引起的強(qiáng)迫對(duì)流等多種對(duì)流作用，使得熔體與晶體界面復(fù)雜，因此很難得到無(wú)層錯(cuò)的晶體。同時(shí)區(qū)熔法工藝涉及到傳質(zhì)傳熱和流動(dòng)耦合的復(fù)雜物理過(guò)程，因此要對(duì)成品質(zhì)量進(jìn)行精確分析和預(yù)測(cè)都有一定難度。22.2區(qū)熔法制備超純單晶硅的模擬需求如前所述，在區(qū)熔法單晶硅生長(zhǎng)過(guò)程中，熔體中存在著受重力作用而引起的自然對(duì)流，

6、受熔體自由表面張力的驅(qū)動(dòng)而產(chǎn)生的對(duì)流，另外還有旋轉(zhuǎn)引起的強(qiáng)迫對(duì)流等多種對(duì)流作用，熔體的流動(dòng)模式十分復(fù)雜。生長(zhǎng)的單晶硅質(zhì)量受到很多傳質(zhì)、傳熱及對(duì)流因素的影響。例如生長(zhǎng)材料的熱擴(kuò)散率、溶質(zhì)擴(kuò)散率、表面張力、熔點(diǎn)以及熱傳輸系數(shù)等物理性質(zhì)以及實(shí)際的工藝參數(shù)如單晶半徑、拉晶速度等因素都能影響晶體質(zhì)量。為了獲得高質(zhì)量的單晶硅，同時(shí)也為了優(yōu)化工藝設(shè)備，多數(shù)企業(yè)還有機(jī)構(gòu)都希望借助先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)手段來(lái)輔助工藝分析。隨著高速計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，數(shù)值模擬方法為解決這一類復(fù)雜物理場(chǎng)的實(shí)際問(wèn)題提供了一種重要手段。利用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)超純單晶硅區(qū)熔法技術(shù)所涉及的復(fù)雜物理場(chǎng)進(jìn)行分析和

7、研究，可以快速有效的解決工藝問(wèn)題，提高生產(chǎn)質(zhì)量并優(yōu)化工藝路線。計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的方法已經(jīng)成為目前國(guó)內(nèi)外廣泛使用的分析手段。33.數(shù)值模擬解決方案FEMAG/FZ是針對(duì)晶體生長(zhǎng)區(qū)熔法（FZ）而開(kāi)發(fā)的專用軟件，可以幫助用戶全面分析單晶硅區(qū)熔法生產(chǎn)過(guò)程中的熱場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、流場(chǎng)、缺陷、加熱器功率等問(wèn)題，并具有輔助工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)的功能。能夠?yàn)槟蚰钠髽I(yè)提供可靠的工藝仿真數(shù)據(jù)和工藝優(yōu)化方案。3.1FEMAG/FZ的技術(shù)案例3.1.1FEMAG/FZ的網(wǎng)格劃分FEMAG/FZ能夠?qū)崿F(xiàn)快速的全局非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成，并且可以根據(jù)熔體結(jié)構(gòu)以及邊界情況對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化或者進(jìn)行人工

8、優(yōu)化。圖3.1熱傳導(dǎo)和加熱器的全局非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格3.1.2全局溫度場(chǎng)分析FEMAG/FZ可以全面的