勾形磁场中直拉硅单晶的模拟与磁场参数优化

西安理工大学硕士学位论文勾形磁场中直拉硅单晶的模拟与磁场参数优化姓名：李波申请学位级别：硕士专业：微电子学与固体电子学指导教师：高勇;安涛20080301摘要论文题目z勾形磁场中直拉硅单晶的模拟及磁场参数优化学科专业z微电子学与固体电子学研究生z李波指导教师z商勇安涛授工教商德名z非问签名z土豆签名z气去将摘要随着半导体产业对于大直径，高质量单晶的迫切需求，直拉法过程中峭搁内多晶硅投料最急剧增加，由此而产生的熔体热对流已经严熏影响了晶体质最。本文以6英寸直拉单晶炉(}6英寸地锅〉勾形磁场为研究对象，首先在对晶体生长中单晶炉柑桐内熔体自然对流、毛细对流的形成机理，以及质量输运对晶体质最影响的理论分析基础上，利用ANSYS软件模拟分析了引起增端内熔体对流的温度场分布以及晶棒上的温度梯度，对自然对流、毛细对流的影响。然后对勾形磁场磁屏蔽体和电礁场等关键参数进行了模拟分析与优化，选取了线圈阻数、线圈纵横向层数(纵横向层数比值〉、上下两线圈间距、磁屏敲体的厚度、电流和功率等优化寥数，并提出可以应用于生产的设计方案。最后为6英寸单晶炉勾形磁场装置提供了具有指导意义的模拟方法和经验数据。关键词z单晶炉:勾形磁场装置:结构参数:磁感应强度西安理工大学硕士学位论文Title:SimulationofCZandOptimizatonofCuspMagneticFieldCharacterMajor:MicroelectronicandSolidElectronicsName:Li80Supervisor:Prof.YongGaoSeniorEngineerTaoAnAbstract:;;:::::;最~Signature:在且'Withthedevelopmentoflarge-diametersinglecrystalsi1iconandtherearemorepolysi1iconinthecrucible,meltconvectionbecomesaseriouslyprobleminCZ.Itisbasedonthesix-inchmono-crystalfumace(sixteen-inchcrucible)throughmathematicalmodelingsimulationtoresearchthemeltconvectionandthecauseofimpuritynonuniformityduringthegrow白process.Thenbasedontheinflucenceofmasstran叩ortonqualityofsinglecrystaltostudycrucibletemperaturefielddistributionwiththeso抗wareANSYS.Inthedesignprocession,cuspma伊eticfieldthatinc1udecoilsandwel1ofmagnetizeraresimulated,optimizedandanalyed，and阳'0desi伊schemesthatcanbeappliedareprovided.Itisprovidedanewreliablewayandpractica1datasforthedesigningofsix-inchmono-crystalfumacecuspm~伊leticfieldKeywords:mono唰crystal臼rnace;cuspmagneticfield;magneticfluxdensity;structuralparemeter独创性声明荣成祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明:本人所坠交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果α尽我所知，除特别加以标性和致谢的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并巳致谢。本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担-切相关责任论文作者签名:且;(J一一)D/)问川27日学位论文使用授权声明本人3Je一一在导师的指导下创作完成毕业论丈。本人巳通过论文的酬，并已经在西安理工大学申请博士/硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权四安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即t)巳狭学位的研究生按学校规定提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内存编入有关数据库进行检索2)为教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文戒解密后的学位论文作为资料在罔书馆、贸料室等场所或在校同附上供校内师生阅读、浏览。理。本入学位论文全部成部分内容的公布(包括刊登〉授权西安理工大学研究生部办(保密的学位论文在解密后，适用本授权说明)…肌1L.~yrjj1it名:土豆l80扩年7月27日绪论1绪论1.1引宫直拉法是一种利用籽晶从熔体中提拉出晶体的生长方法，具有以下几个优点:町以观察晶体生长金过程，控制生长条件:使用优质定向籽品和缩颈技术，可以减少晶体缺陷:能以较快速度获得质量较好的优质单晶体，近几十年…直作为单品生长的主要工艺手段。但随着半导体产业的快速发展，各半导体厂商对于单晶的质量和直径都有越来越高的要求:另一方面，太阳能光伏产业作为未来能源紧缺问题的最终解决方法也处于快速发展阶段，对商质最单品的需求旺盛。这就意味着半导体行业对于单晶的要求是:高纯度，高完整性，高均匀性，大直径。在单晶的生长中减少单晶材料的缺陷、杂质含量、提高氧、碳等杂质在晶体中分布的均匀性川以及加大破片的直径。但当直拉法生长晶体向大直径方向发展时，投料量将会忽刷增加，随之产生的熔体对流将会严重影响晶体质盘。经过几十年的研究，在晶体生长过程中加入磁场被公认为可以有效抑制熔体对流，提高晶体质量。目前，在单品生长过程中主要是通过磁场分布为水平方向的横向磁场和垂直方向的纵向磁场来抑制影响晶体质量的熔体对流[210但是，横向磁场和纵向磁场在单晶炉增锅中的磁力线分布都是单一方向，而士时锅中对晶体生长影响最大的自然对流和强迫对流，其流向不可能是单纯的精商或水平。所以它们仅对与自己磁力钱费直方向的熔体对流起到完全抑制作用，对成一定角度的部分热对流只能起到部分抑制，而与磁力线平行方向的热对流不坦任何抑制，即热对流在烙融体内不能完全被抑制[310因此，在晶体生长过程中采用横向磁场和纵向磁场拉制的单晶棒仍会存在着纵向和径向氧、掺杂含量不均匀等一系列影响晶体质量的因素。为了克服以上横向磁场和纵向磁场磁力线分布方向单…的缺陷入们提出了勾形磁场[4lo勾形磁场的优点是磁力线分布是以轴及上下对称兼有径向和纵向分盘的发散型磁场，可有效地抑制热对流以及晶棒和柑塌相对旋转产生的强迫对流，使单晶质量得到进…步提高。1.2直拉法生妖单晶现状半导体单晶材料是半导体器件和集成电路等电子工业的基础材料，现在超过95%的半导体器件由耐材料制成[匀。单晶生长方法有很多种，但在生产中普滴应用的有两种，即悬浮区烙法和直拉法(CZ)。直拉法可简单的描述为t将原料蝶在一个上方有一可旋转升降的籽品杆柑塌中，杆下端有一央头，在其上端捆有一根籽晶。原料被加热器熔化后，将籽晶插入;熔体之中，控制合适的瓶底，在转动时间时提校，即可获得所需单晶。根据生长晶体不间的要求，加热器可选用商颇或中频感应加热戒电阻加热[6J。如今脏材料中直拉法(CZ)生产的单晶所占份额超过80%。在过去近半个世纪里，无论是直拉单品的完整性，西安理工大学硕士学位论文均匀性和纯度，还是直拉单晶锐的直径和长度都得到了不断提高和壮大。然而直检法固有的高浓度问隙态过饱和，以及氧和碳沾陌将会增加单晶材料的缺陷、杂质含量，影响氧、碳等杂质以及掺杂剂在晶体中分布均匀性。有害杂质的增多和掺杂剂分布不均匀是制约单晶质蠢的主要因素，进而会引起材料的光学、电学性能的不均匀性，最终损害半导体器件的光、电学性能。随着集成电路中关键线宽不断缩小，这一缺陷巳经严重影响了半导体行业的发展。在直拉法晶体生长过程中，涉及到动最输远(流体速度分布〉、能量输远(温度分布)和物质输边(溶质浓度分布)[7)。当用cz法生长晶体时，由于采用以加热器周绕增桐外部的加热方式，一般来说会在熔体中形成外商内低的温度梯度，士甘梢岛主酣为高温区，靠近咱峭壁的熔体比增辆中心附近熔体温度高，熔体…晶体界面处的温度为最低(7)。这样的温度分布造成了硅烙体在塌壁和塌心两处的密度不同，并因此造成浮力对流。柑塌肆附近的低密度高热硅熔体沿增梢内黯向上运动，而增辆中心心附近高密度的低温硅熔体则被服向捐底，然后在柄底升南温度，沿着柑纲壁面上升，形成…个对流循环。增辆中熔体由于温度场的非均匀性，存在密度差产生的熔体热对流和在自由表面由于表面张力援引赳的热电细流(Marangoni)(8)流动。问时，柑桐内廉物质溶入高温态的熔硅之后，引起捐肆和捐心附近溶股浓度差，也会助长这种对流。其中，热对流会不断冲刷士甘锅，将轼，碳杂质由固液生长田带入晶体中:强迫对流会在晶体农圆形成条纹，这些都会严重影响到晶体质量。1.3勾形碰场提出近年来人们在微意力环境下对晶体生长进行了研究和分析，发现在微章力条件下，影响晶体质最的烙体对流将会由于重力的消失而大为减弱。由此人们开始对引起热对流的因素进行了理论分析，同时利用各种仿真软件模拟并通过许多实验进行分析研究。随着航天技术的发展人们在太空微重力(低轨道卫星g=goxlO-4:高轨道卫星g=goxlO-S-goxl0-6)环境下做了许多实验，发现熔体中几乎无自然对流[91。在晶体生长过程中烙体的质量输边，主要依靠扩散(扩散控制机制)生长的晶体完整性、均匀性得到了极大改替。其次，由重力引胆界面区域中的输运性质，尤其是与体输远效应有关的过程，例如生长界面的不稳定性所导致晶体中堆积缺陷、事晶、晶界，及宿度差异引起的沉积(包括漂浮凝聚核的聚集和浓度梯庶的形成〉都阳重力的消失阳减弱。但是，数据表明向太空中每发射一公斤有效载荷要耗费3''-'5万美元，代价高昂。所以在太空中生长单晶的方法不可能实现产业化，只能用于基础研究，验证有关晶体生长理论[1010同时，人们开始在地由条件下创造微意力环境，进行晶体生长工作。把磁场引入到晶体生长过程中，是一个有效模拟微撞力环境的办法。晶体生长过程中，硅烙体的熔体对流体将会切割外加磁场磁力线，由于洛伦磁力f=JxB的作用[111，熔体对流将会受到阻力，相当于降低了对流驱动力，增加了烙体粘滞系数。随着磁场强2绪论度增加，熔体对流逐渐减弱，最终会由于受到洛伦磁力作用而被完全抑制。士自锅也不会受到热对流的冲刷，晶体生长条纹消失。此时在晶体生长过程中悔体的质最输运与微重力空间相同，主要依靠扩散来进行，从而使晶体质量得到提高。磁场影响单品生长机制是Lorents力与烙体中的热对流相互作用。对;恪融态导电物质而言，磁场条件下的对流必然引起感应电流存在，而磁场又对这种感应电流有Lorents力作用，因此可以抑制熔体中的对流i1210磁场的作用相当于提高了熔体粘性[131，这是因为，如果所加磁场方向与温度梯度平行，洛仑兹力或是将熔体限制在水平面内流功以阻碍垂直温差引起的自然对流，或是将流体限制在某垂直平面内以阻碍水平温差引起的自然对流[1410因而将洛仑兹力阻滞对流的效果归结为磁场增加了对流的磁粘滞性(magneticviscosity)。随着哈特曼数增大，临界瑞利数也增大，当磁场强度大于某一数值时，能有效地抑制热对流。磁场的产生，可以采用电阻材料和超导体两类材料，电阻材料容易维护，但难以产生强磁场:而超导体材料造价昂贵，维护困难。磁场构型也是多种多样，主要有轴向磁场(axialfield)[15J，横向磁场(transversefield)[16)，勾形磁场(cuspfield),旋转磁场(rotatingfield)[17J。其中轴向磁场，横向磁场已经应用到晶体生长中，后两种目前应用、范围较小。横向磁场是最早被研究的磁场，结构也比较简单，将单晶炉放置在磁场两极中间，磁场的磁力线方向与