芮 陽(yáng),王忠保,盛 旺,倪浩然,熊 歡,鄒啟鵬,3,陳煒南,3,黃柳青,3,羅學(xué)濤,3

(1.寧夏中欣晶圓半導(dǎo)體科技有限公司,寧夏半導(dǎo)體級(jí)硅晶圓材料工程技術(shù)研究中心,銀川 750021;2.廈門(mén)大學(xué)材料學(xué)院,廈門(mén)市電子陶瓷材料與元器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廈門(mén) 361005; 3.廈門(mén)大學(xué)深圳研究院,深圳 518063)

0 引 言

二十一世紀(jì)以來(lái),以云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、智能制造、5G為代表的新一代信息通信科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速。集成電路產(chǎn)業(yè)作為信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的核心,是引領(lǐng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的先導(dǎo)產(chǎn)業(yè),而硅基半導(dǎo)體材料作為集成電路產(chǎn)業(yè)的先鋒基礎(chǔ),是集成電路技術(shù)不斷創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)可靠發(fā)展的重要基石。據(jù)統(tǒng)計(jì),全球范圍內(nèi)99%以上的集成電路和95%以上的半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)材料均為單晶硅[1]。隨著芯片尺寸不斷減小,對(duì)硅片質(zhì)量提出了更高的要求,這就要求半導(dǎo)體材料行業(yè)能夠提供缺陷更少、質(zhì)量更好的單晶硅。然而,隨著制備的單晶硅直徑越來(lái)越大,直拉單晶硅的實(shí)驗(yàn)成本也越來(lái)越高,如果單純通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行單晶硅生長(zhǎng)和品質(zhì)的研究,提拉單晶的時(shí)間較長(zhǎng),且操作復(fù)雜。由于直拉單晶硅的設(shè)備是一個(gè)包含很多元器件的復(fù)雜系統(tǒng),生產(chǎn)過(guò)程很難通過(guò)實(shí)際量測(cè)去確定爐內(nèi)的溫度分布、流場(chǎng)分布。因此,計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)得以迅速發(fā)展起來(lái),成為研究提拉單晶硅的熱門(mén)方法[2]。200 mm半導(dǎo)體級(jí)單晶硅是我國(guó)現(xiàn)階段硅晶圓生產(chǎn)中量大面廣的產(chǎn)品,然而大尺寸、高品質(zhì)的半導(dǎo)體單晶硅材料仍需大量進(jìn)口,已成為制約我國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)高質(zhì)化發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題之一。針對(duì)200 mm半導(dǎo)體級(jí)單晶硅生產(chǎn)過(guò)程的雜質(zhì)分布及缺陷形成等問(wèn)題,將計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用到生產(chǎn)研發(fā)過(guò)程中具有重要意義。

提拉單晶過(guò)程的熱場(chǎng)模擬計(jì)算廣泛應(yīng)用于工藝開(kāi)發(fā),研究人員通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算來(lái)設(shè)計(jì)熱場(chǎng)元件及優(yōu)化提拉工藝參數(shù),使系統(tǒng)的溫度分布達(dá)到最佳,以獲得低缺陷、高良率的晶圓產(chǎn)品。熱屏組件作為單晶硅提拉爐內(nèi)的重要熱場(chǎng)元件,起到保溫、改善爐內(nèi)流場(chǎng)和溫度分布均一性等作用。熱屏結(jié)構(gòu)的變化會(huì)對(duì)單晶爐內(nèi)熱場(chǎng)和流場(chǎng)產(chǎn)生影響,進(jìn)而影響到晶體的缺陷及雜質(zhì)分布。張西亞等[3]研究了下降式熱屏對(duì)太陽(yáng)能級(jí)單晶硅提拉過(guò)程中溫度場(chǎng)及流場(chǎng)的影響,模擬計(jì)算結(jié)果表明可通過(guò)熱屏移動(dòng)提升拉晶穩(wěn)定性,改善晶體質(zhì)量及降低能耗。Song等[4]對(duì)雙層熱屏作用下重?fù)诫s銻的太陽(yáng)能級(jí)提拉單晶硅中氧含量的增加機(jī)制進(jìn)行了模擬研究,結(jié)果顯示,相對(duì)于單層熱屏,雙層熱屏對(duì)避免晶體生長(zhǎng)過(guò)程中的熱能損失起著重要作用。滕冉等[5]模擬了直壁式熱屏對(duì)大直徑單晶硅的品質(zhì)影響,模擬結(jié)果表明,使用直壁式熱屏?xí)r能獲得更好的熔體溫度場(chǎng)分布和更低的氧含量。Kumar等[6]研究了熱屏對(duì)太陽(yáng)能級(jí)晶體硅中碳和氧雜質(zhì)的影響,結(jié)果表明,調(diào)整熱屏結(jié)構(gòu)能有效地引導(dǎo)爐內(nèi)的氬氣流,并將SiO帶離熔體自由表面,同時(shí)也減少了碳雜質(zhì)從石墨爐元件中融入熔體。Zhang等[7]模擬了兩種熱屏結(jié)構(gòu)對(duì)直拉單晶硅品質(zhì)的影響,結(jié)果表明,采用復(fù)合式熱屏,熔體自由表面上的氣體流動(dòng)速度得到提高,熔體自由表面的氣流速度增加,有利于SiO的揮發(fā),進(jìn)而降低了熔體-晶體界面的氧濃度,從而改善晶體質(zhì)量。上述研究表明,利用模擬計(jì)算技術(shù)可以研究熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)改變對(duì)直拉單晶硅生長(zhǎng)的影響。然而,現(xiàn)有的文獻(xiàn)報(bào)道主要聚焦于熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)太陽(yáng)能級(jí)單晶硅晶體生長(zhǎng)過(guò)程的影響,對(duì)于更高純度的半導(dǎo)體級(jí)單晶硅的研究較少。

氧雜質(zhì)是半導(dǎo)體級(jí)單晶硅中的關(guān)鍵雜質(zhì),主要來(lái)源于單晶硅生長(zhǎng)過(guò)程中與石英坩堝的接觸及熔體的對(duì)流[8]。直拉單晶過(guò)程中爐內(nèi)的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)分布影響拉晶的效率和質(zhì)量,晶體中氧含量控制不佳將對(duì)芯片制造工藝良率產(chǎn)生影響[9]。由于實(shí)際的爐內(nèi)溫度分布和熔體流速變化很難通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察得到,可以通過(guò)數(shù)值模擬來(lái)預(yù)測(cè)直拉單晶硅系統(tǒng)中的整體溫度場(chǎng)和流場(chǎng),并探究其對(duì)直拉單晶硅中氧含量分布的影響[10]。為了研究熱屏結(jié)構(gòu)對(duì)200 mm半導(dǎo)體級(jí)直拉單晶硅氧雜質(zhì)分布的影響,本文以目前商用的兩種典型熱屏結(jié)構(gòu)(一段式、二段式)為研究對(duì)象,使用ANSYS有限元分析軟件模擬計(jì)算對(duì)比了半導(dǎo)體級(jí)直拉單晶硅的生長(zhǎng)過(guò)程中不同熱屏結(jié)構(gòu)對(duì)溫度場(chǎng)、流場(chǎng)及氧分布的影響,獲得了更優(yōu)的熱屏結(jié)構(gòu),研究了熱屏結(jié)構(gòu)對(duì)半導(dǎo)體級(jí)直拉單晶硅氧分布的影響機(jī)制。

1 模型與計(jì)算方法

本文采用ANSYS晶體生長(zhǎng)模擬有限元軟件進(jìn)行分析。采用的網(wǎng)格劃分方式為懸掛節(jié)點(diǎn)適應(yīng)法,為ANSYS軟件中使用的默認(rèn)程序。懸掛式節(jié)點(diǎn)適應(yīng)方法使用各種預(yù)定義的模板來(lái)遞歸地細(xì)化網(wǎng)格中的單元[11]。本文模擬采用的商用直拉單晶爐體結(jié)構(gòu)如圖1所示,盛裝在石墨坩堝內(nèi)的多晶硅原料通過(guò)石墨加熱器加熱到熔點(diǎn)溫度以上后熔化成液態(tài)硅熔體,通過(guò)具有一定晶向的籽晶向上提拉冷卻成為硅晶體。熱屏結(jié)構(gòu)如圖1所示,其中,熱屏A的斜面采用一段式設(shè)計(jì),其高度為390 mm,寬度為130 mm,熱屏B斜面則采用二段式設(shè)計(jì),整體高度為406 mm,寬度為135 mm。模擬采用二維軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)。

圖1 一段式熱屏A(a)和二段式熱屏B(b)對(duì)應(yīng)的單晶硅提拉設(shè)備結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格劃分Fig.1 Structure and meshing of monocrystalline silicon furnace corresponding to single-section heat shield A (a) and two-section heat shield B (b)

由于氧在單晶硅棒軸向分布上的特點(diǎn),通常在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)檢測(cè)不同等徑階段的氧含量,本文將對(duì)等徑階段的初期、中期和后期的三種情況進(jìn)行模擬。設(shè)定在等徑階段長(zhǎng)度為300、800和1 000 mm時(shí),分別對(duì)單晶爐內(nèi)整體和熔體的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)分布及固液界面處的徑向氧含量分布進(jìn)行模擬計(jì)算。

模擬過(guò)程中綜合考慮了傳熱、湍流建模和質(zhì)量傳輸有關(guān)的守恒方程[12]。模擬過(guò)程中建立的二維軸對(duì)稱準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型包括質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒方程,其中式(1)為質(zhì)量守恒方程的一般形式,對(duì)不可壓縮流和可壓縮流都成立。對(duì)于二維軸對(duì)稱幾何結(jié)構(gòu),連續(xù)性方程用式(2)表示。

(1)

(2)

式中:ρ為密度;x是軸向坐標(biāo);r是徑向坐標(biāo);vx是軸向速度;vr是徑向速度;Sm是指分散的第二相(例如氣態(tài)硅)和任何用戶定義的源添加到連續(xù)相的質(zhì)量。

慣性(非加速)參考框架內(nèi)的動(dòng)量守恒由式(3)描述,和質(zhì)量守恒方程類似,也需考慮二維平面上的徑向和軸向[13]。

(3)

導(dǎo)熱和對(duì)流熱傳輸方程可用式(4)表示。

(4)

(5)

式中:h為顯焓系數(shù)。

在固體區(qū)域,ANSYS使用的能量傳輸方程用如式(6)描述:

(6)

式中:k為導(dǎo)熱系數(shù)。式(6)左側(cè)的第2項(xiàng)表示由固體的旋轉(zhuǎn)或平移運(yùn)動(dòng)引起的對(duì)流能量傳遞,速度場(chǎng)是根據(jù)固體區(qū)域的運(yùn)動(dòng)規(guī)律而計(jì)算得到的。式(6)右側(cè)2項(xiàng)分別為固體內(nèi)部的傳導(dǎo)熱源和體積熱源帶來(lái)的熱通量。

當(dāng)高溫條件下時(shí),在模擬中需考慮輻射傳熱[15]。高溫下,與對(duì)流或傳導(dǎo)的傳熱率相比,輻射熱通量很大。這是因?yàn)檩椛錈嵬颗c溫度的四次方成正相關(guān),意味著在高溫下輻射將占主導(dǎo)地位[16]。輻射傳輸方程用式(7)描述:

(7)

式中:r為位置矢量;s為方向矢量;a為吸收系數(shù);σs為輻射系數(shù);I為輻射強(qiáng)度;n為折射率;Φ為相位函數(shù);Ω′為實(shí)心角。折射率在考慮半透明介質(zhì)的輻射時(shí)是一個(gè)非常重要的參數(shù)。

直拉過(guò)程中的工藝參數(shù)設(shè)置為:晶體直徑200 mm,晶體長(zhǎng)度1 400 mm,晶轉(zhuǎn)數(shù)為16 r/min,坩堝轉(zhuǎn)數(shù)為1 r/min,晶體提拉速度是0.92 mm/min,爐體內(nèi)充有氬氣作為保護(hù)氣體,氬氣流速設(shè)置為70 L/min,晶體生長(zhǎng)過(guò)程中,規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)溫度為 300 K,標(biāo)準(zhǔn)壓強(qiáng)為101.325 kPa,爐壁充入冷卻水(設(shè)置爐壁溫度為300 K),硅熔體假設(shè)為牛頓流體,晶體的熔點(diǎn)為1 685 K。在此條件下,通過(guò)單一變量改變熱屏對(duì)等徑階段中不同晶棒長(zhǎng)度下?tīng)t體的溫度場(chǎng)及流場(chǎng)進(jìn)行分析。

ANSYS軟件模擬過(guò)程所用材料物性參數(shù)設(shè)定值如表1所示。

表1 模擬過(guò)程中使用的材料物性參數(shù)Table 1 Physical parameters of materials used in the simulation

2 結(jié)果與討論

2.1 熱屏結(jié)構(gòu)對(duì)不同等徑階段的溫度場(chǎng)影響

圖2模擬了兩種熱屏條件下在等徑初期(300 mm)、等徑中期(800 mm)和等徑末期(1 000 mm)三個(gè)階段的爐內(nèi)整體溫度分布情況。對(duì)比兩種熱屏條件下的溫度場(chǎng)分布情況發(fā)現(xiàn),二者均在石墨加熱器附近的溫度最高,遠(yuǎn)離石墨加熱器溫度逐漸降低,這與Kalaev等[17]采用CGSim軟件對(duì)300 mm單晶硅爐內(nèi)熱傳輸?shù)娜S模擬結(jié)果一致。本文進(jìn)一步模擬了兩種熱屏結(jié)構(gòu)下單晶爐內(nèi)的溫度場(chǎng)分布。其中,在等徑初期與中期時(shí),在熱屏B條件下石墨加熱器附近的高溫區(qū)域分布面積與熱屏A條件下的相近;在等徑末期時(shí),熱屏A條件下的熔體區(qū)域溫度分布更加均勻,推測(cè)其一段式熱屏設(shè)計(jì)使石英坩堝、石墨坩堝、石墨加熱器等元件在垂直于硅熔體方向上的輻射熱損失較少,這同Smirnov等[18]使用CGSim軟件模擬單晶硅氧傳輸時(shí)的爐內(nèi)溫度的分布一致。本文模擬兩種熱屏的結(jié)果表明,不同熱屏設(shè)計(jì)對(duì)爐內(nèi)的溫度分布有不同的影響。隨著拉晶過(guò)程的進(jìn)行,熱屏A下的坩堝外側(cè)的溫度分布整體較為均勻,而熱屏B下的坩堝外側(cè)及底部的溫度分布具有明顯的分界線,推測(cè)其溫度梯度較大,可能會(huì)對(duì)晶棒中的氧含量分布產(chǎn)生一定影響。已有研究表明,硅熔體內(nèi)的溫度分布直接影響直拉單晶硅的固液界面形狀及氧濃度分布[19]。此外,較小的溫差有利于降低熔體的氧含量,從而控制晶棒中的氧含量[20]。因此,本文進(jìn)一步模擬了不同熱屏條件對(duì)硅熔體熱對(duì)流的影響,從而研究熱屏條件改變對(duì)硅熔體溫度場(chǎng)的影響。

圖2 不同等徑階段單晶爐內(nèi)的溫度分布情況Fig.2 Temperature distribution inside the monocrystalline furnace at different body growth stages

圖3模擬了兩套熱屏條件下不同等徑階段的硅熔體溫度分布情況。對(duì)比得出,熱屏A條件下的硅熔體固液界面溫度分布較均勻,且在不同的等徑階段溫度波動(dòng)較低,明顯優(yōu)于熱屏B條件。在熱屏A條件下,熔體固液界面的溫差較小,尤其在單晶硅晶棒的中心軸位置附近;在熱屏B條件下,硅熔體的固液界面中心到邊緣的溫度波動(dòng)較大,溫度梯度隨著晶體增長(zhǎng)而增大。較大的熱對(duì)流會(huì)使熔體內(nèi)的溫度波動(dòng)幅度增大,從而使得熔體內(nèi)的氧濃度更高,更不利于單晶硅內(nèi)的氧含量控制。綜上分析,通過(guò)對(duì)比兩種熱屏結(jié)構(gòu)在不同等徑階段的溫度場(chǎng)分布情況,無(wú)論是爐內(nèi)整體溫度分布還是硅熔體內(nèi)的溫度分布均一性,熱屏A條件下的溫度場(chǎng)分布均一性優(yōu)于熱屏B條件。

圖3 不同等徑階段的硅熔體溫度分布情況Fig.3 Temperature distribution of silicon melt at different body growth stages

2.2 熱屏結(jié)構(gòu)對(duì)不同等徑階段的流場(chǎng)影響

直拉單晶硅生長(zhǎng)過(guò)程中的流體現(xiàn)象不僅影響固液界面的形狀,也影響熔體內(nèi)部氧含量的分布[21]。圖4模擬了熱屏A和B在不同等徑階段時(shí)的爐腔內(nèi)氬氣流場(chǎng)分布。兩種熱屏條件下的氬氣流場(chǎng)分布的共同規(guī)律在于爐體上腔室的渦流強(qiáng)度最大。上腔室的流速最大的原因是其在側(cè)壁安裝了氬氣吹氣管,其入口附近即為流速最大的地方。熱屏的加入能改變氬氣的流動(dòng)方式與速度,氬氣被迫快速流過(guò)硅熔體上方,從而有效地帶走SiO氣體。

圖4 不同等徑階段單晶爐內(nèi)的氬氣流場(chǎng)分布情況Fig.4 Flow field distribution inside the monocrystalline furnace at different body growth stages

硅熔體中超過(guò)95%的氧將從熔體自由表面揮發(fā)[22]。為了分析熱屏結(jié)構(gòu)對(duì)SiO氣體揮發(fā)的影響,對(duì)比了兩種熱屏條件下不同等徑階段的熔體自由表面上方的流速矢量分布。由圖5可知,在等徑初期,兩種熱屏條件下均出現(xiàn)平行于熔體自由表面上方的氬氣流,熱屏B的氬氣流速要高于熱屏A,且熱屏B下方作用于三相點(diǎn)的氬氣流速及流量明顯高于熱屏A條件;在等徑中后期,位于熱屏B下方熔體自由表面的氬氣流速均高于熱屏A。由于氬氣流速存在一個(gè)最佳范圍,增加流速可以促進(jìn)SiO的揮發(fā),當(dāng)熔體自由表面的氬氣流速過(guò)高時(shí),過(guò)大的氬氣剪切應(yīng)力影響熔體自由表面的運(yùn)動(dòng),反而抑制了SiO氣體的揮發(fā)。熱屏B的二段式設(shè)計(jì)導(dǎo)致氬氣流在經(jīng)過(guò)熱屏與晶棒最窄處的位置時(shí)速度大幅增加,熱屏B結(jié)構(gòu)下的自由液面上方的氬氣流速要明顯高于熱屏A。

圖5 不同等徑階段的硅熔體上方的流向圖(a)和流速圖(b)Fig.5 Velocity vectors (a) and velocity distribution (b) above silicon melt at different body growth stages

直拉單晶硅熔體內(nèi)流場(chǎng)會(huì)影響晶體中的氧含量分布[23]。圖6模擬了兩種熱屏條件下不同等徑階段的坩堝內(nèi)熔體的流速矢量分布。結(jié)果表明,熱屏B條件下的等徑初期(300 mm)熔體自由液面下方出現(xiàn)較為明顯的剪切對(duì)流。為了進(jìn)一步探究熱屏結(jié)構(gòu)對(duì)流場(chǎng)的影響,對(duì)比了兩種熱屏結(jié)構(gòu)下的熔體自由液面上方1 mm和下方1 mm的流速分布情況,如圖7所示。熱屏B結(jié)構(gòu)下的自由液面上方1 mm的氬氣流速要明顯高于熱屏A,其流速最大值約為熱屏A的2倍;熱屏A結(jié)構(gòu)下的自由液面下方1 mm的熔體流速要略高于熱屏B,且在等徑初期較為明顯。據(jù)此推測(cè),熱屏B結(jié)構(gòu)下的氬氣流對(duì)自由液面產(chǎn)生的剪切力要對(duì)高于熱屏A,由于剪切對(duì)流的產(chǎn)生,自由液面下方的熔體流速要低于熱屏A。參考Chen等[22]的研究結(jié)果,熔體流動(dòng)強(qiáng)度會(huì)影響硅熔體固液界面的氧含量。參考Geng等[24]關(guān)于不同等徑階段的對(duì)流現(xiàn)象研究結(jié)果,等徑初期流場(chǎng)主要受到浮力的影響。當(dāng)熱屏A條件的固液界面下方熔體的浮力得到抑制,在氧的擴(kuò)散方向上會(huì)形成一定的阻礙作用。因此,在熱屏A條件下能夠獲得更大的SiO氣體揮發(fā),并阻礙氧從熔體向晶體的擴(kuò)散。

圖6 不同等徑階段硅熔體的流速矢量分布情況Fig.6 Distribution of flow velocity vectors in silicon melt at different body growth stages

圖7 不同等徑階段自由液面上方1 mm氬氣流速分布(a)和自由液面下方1 mm熔體流速分布(b)Fig.7 Argon flow velocity distribution of 1 mm above the free liquid surface (a) and melt flow velocity distribution of 1 mm below the free liquid surface (b) at different body growth stages

2.3 熱屏結(jié)構(gòu)對(duì)不同等徑階段的氧含量分布影響

直拉單晶硅中氧傳輸過(guò)程包括兩部分,從石英坩堝高溫溶解析出的氧和在硅熔體-氣體界面處與硅結(jié)合生成SiO氣體揮發(fā)[20]。在本文的模擬模型中,單晶硅固液界面處的氧含量近似為假定溶解于硅熔體的恒定氧含量減去從液氣界面以SiO氣體形式揮發(fā)的氧含量。

為了對(duì)比熱屏結(jié)構(gòu)對(duì)于直拉單晶硅氧含量分布的影響,本文模擬計(jì)算了不同等徑階段固液界面處的徑向溫度梯度與徑向氧含量的分布情況。如圖8所示,在熱屏A條件下晶體生長(zhǎng)過(guò)程的固液界面中心到邊緣的溫度梯度均低于熱屏B,較小的徑向溫度梯度可以提高晶體生長(zhǎng)穩(wěn)定性。圖9模擬了兩套熱屏下不同等徑階段的熔體自由表面上方8 mm范圍內(nèi)的氧含量分布及氧含量的差值圖,A-B表示熱屏A條件熔體自由表面上方8 mm范圍內(nèi)的氧含量減去熱屏B條件下相同區(qū)域的氧含量。圖9(b)的氧含量差值圖表明,熱屏A熔體自由表面上方的氧含量高,熱屏B熔體自由表面上方的氧含量低。結(jié)合上述分析,熱屏A條件下的流場(chǎng)更利于SiO氣體的揮發(fā)。如圖10所示,兩套熱屏結(jié)構(gòu)在不同等徑階段的氧含量的分布趨勢(shì)相同,即單晶硅棒中心位置的氧含量低,單晶硅棒邊緣位置的氧含量高。無(wú)論是熱屏A還是熱屏B,氧含量的分布趨勢(shì)均為等徑[300 mm]>[800 mm]>[1 000 mm],該“頭部高、尾部低”的分布情況符合氧雜質(zhì)在硅中的偏析行為。參考Teng等[25]關(guān)于熱屏位置調(diào)整對(duì)固液界面處氧分布的模擬研究結(jié)果,晶體中的氧含量與剩余熔體量和坩堝深度有關(guān)。值得注意的是,熱屏B在3種等徑階段的氧含量分布均高于熱屏A,這與上述溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的分析推測(cè)一致?？赏茰y(cè),在熱屏B條件下,氬氣流場(chǎng)不利于SiO氣體的擴(kuò)散,固液界面前端擴(kuò)散向固液界面的氧濃度增大,從而使固液界面處的氧含量增多。兩種熱屏結(jié)構(gòu)相比,一段式熱屏結(jié)構(gòu)下的溫度場(chǎng)均勻性較好,氬氣剪切應(yīng)力較小,熔體內(nèi)固液界面的氧擴(kuò)散得到抑制,固液界面的溫度梯度小,可獲得較低的氧含量和較為均勻的徑向氧含量分布。

圖8 固液界面的徑向溫度梯度分布情況Fig.8 Radial temperature gradient distribution at the solid-liquid interface

圖9 不同等徑階段的硅熔體自由液面上方8 mm范圍內(nèi)的氧含量分布圖(a)和氧差值圖(b)Fig.9 Oxygen distribution (a) and oxygen difference distribution (b) within 8 mm above silicon melt at different body growth stages

3 結(jié) 論

本文采用ANSYS有限元分析軟件,研究了熱屏結(jié)構(gòu)對(duì)200 mm半導(dǎo)體級(jí)直拉單晶硅氧含量分布的影響?；谝欢问胶投问綗崞两Y(jié)構(gòu),通過(guò)對(duì)不同等徑階段的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、固液界面溫度梯度及徑向氧含量分布進(jìn)行模擬計(jì)算,得到以下結(jié)論:

1)一段式熱屏的爐腔內(nèi)部和熔體的溫度場(chǎng)均勻性更好。

2)二段式熱屏條件下,熔體自由表面上方氬氣流速過(guò)大,氬氣流場(chǎng)不利于SiO氣體的擴(kuò)散,固液界面前端擴(kuò)散向固液界面的氧濃度增大,從而使固液界面處的氧含量增多。

3)一段式熱屏的晶體生長(zhǎng)過(guò)程固液界面溫度梯度較小,氧含量較低、徑向氧含量分布較為均勻。