一种直拉硅单晶生长工艺优化固液界面氧分布调节方法技术

本发明专利技术公开了一种直拉硅单晶生长工艺优化固液界面氧分布调节方法，首先调节超导水平磁场强度，得到不同磁场强度下的固液界面氧浓度分布曲线，计算固液界面的平均氧浓度和固液界面径向氧浓度分布的均匀性，通过对比选取出合适的磁场强度，其次是在选取的磁场强度下分别调节晶体转速和坩埚转速，通过对比仿真结果得到适合降低固液界面氧浓度和提高固液界面氧浓度分布均匀性的晶体转速和坩埚转速，最后在所选取的超导磁场强度、晶体转速和坩埚转速三者的共同作用下，得到超导水平磁场下直拉硅单晶固液界面氧浓度分布信息，本发明专利技术解决了现有技术中存在的直拉硅单晶生长工艺参数调节时容易造成晶体中氧含量过高、氧分布不均匀的问题。

A method for optimizing the growth process of Czochralski silicon single crystal to optimize the oxygen distribution at the solid-liquid interface

The invention discloses a crystal growth process optimization of the solid-liquid interface oxygen distribution regulation method of Czochralski silicon, first adjust the level of the superconducting magnetic field intensity, obtained under different magnetic intensity of the solid-liquid interface oxygen concentration distribution curve, uniformity calculation of solid-liquid interface average oxygen concentration and solid-liquid interfacial radial distribution of oxygen concentration, by comparing the selected field strength right, followed by the magnetic field intensity in the selected respectively adjusting the rotation of crystal and crucible rotation, through the comparison of the simulation results obtained for the reduction of the solid-liquid interfacial oxygen concentration and increase oxygen concentration distribution of solid-liquid interface rotate of crystal and crucible uniformity, the last common role in the superconducting magnetic field intensity, the rotation of crystal and crucible rotation speed three under the level of superconducting magnetic field by Czochralski silicon oxygen concentration distribution of solid-liquid interface information, the invention solves It is easy to cause high oxygen content in crystal and uneven distribution of oxygen in the crystal growth process of Czochralski crystal.

【技术实现步骤摘要】
一种直拉硅单晶生长工艺优化固液界面氧分布调节方法
本专利技术属于磁控直拉硅单晶固液界面氧分布生长工艺调节方法
，具体涉及一种直拉硅单晶生长工艺优化固液界面氧分布调节方法。
技术介绍
直拉法是制备集成电路和光伏发电领域硅单晶半导体材料的主要方法。半导体行业对硅单晶的主要质量评价指标包括有降低晶圆片中各种有害杂质含量(氧、碳)和降低微缺陷，其中氧杂质含量所引起的二次缺陷会严重影响拉制的硅半导体材料的质量和生产的器件性能。为了尽可能减少晶体的微缺陷及确保晶体电阻率的均匀性，所以如何降低大尺寸晶体生长过程中固液界面(晶体与熔体交界面)的氧杂质含量和提高固液界面氧分布的均匀性，就具有十分重要的意义。由于熔融硅处于高温、密封的炉体中，不能直接获取坩埚熔体内和固液界面的氧分布情况。目前，获取晶体中氧分布的方法主要有红外吸收法和数值模拟法。红外吸收法是通过测量硅晶圆片，对红外光谱进行分析，根据峰位置、吸收强度进行定量分析计算出硅晶圆片上的氧含量及氧分布均匀性，由于多次拉晶实验的方法费时费力,代价很大,只能直观地了解实验现象。数值模拟法是通过借助商业CFD软件对单晶炉热场进行建模，采用有限体积法本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种直拉硅单晶生长工艺优化固液界面氧分布调节方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1、构建直拉法硅单晶生长所需的三维局部物理模型；步骤2、将三维局部物理模型导入CFX流体仿真模块，设置仿真模拟为稳态模拟，并设置硅熔体、硅晶体、石墨坩埚和石英坩埚的物性参数和超导磁场强度；步骤3、求解不同超导水平磁场强度下固液界面径向氧浓度分布情况；步骤4、分析晶体转速对固液界面形状和熔体内径向温度分布的影响；步骤5、分析坩埚转速对固液界面形状和熔体内径向温度分布的影响；步骤6、综合步骤3～5，结合所选取的超导水平磁场强度、晶体转速和坩埚转速三者的共同作用下，得到超导水平磁场下直拉硅单晶固液界面氧浓度分布信...

【技术特征摘要】
1.一种直拉硅单晶生长工艺优化固液界面氧分布调节方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1、构建直拉法硅单晶生长所需的三维局部物理模型；步骤2、将三维局部物理模型导入CFX流体仿真模块，设置仿真模拟为稳态模拟，并设置硅熔体、硅晶体、石墨坩埚和石英坩埚的物性参数和超导磁场强度；步骤3、求解不同超导水平磁场强度下固液界面径向氧浓度分布情况；步骤4、分析晶体转速对固液界面形状和熔体内径向温度分布的影响；步骤5、分析坩埚转速对固液界面形状和熔体内径向温度分布的影响；步骤6、综合步骤3～5，结合所选取的超导水平磁场强度、晶体转速和坩埚转速三者的共同作用下，得到超导水平磁场下直拉硅单晶固液界面氧浓度分布信息。2.根据权利要求1所述的一种直拉硅单晶生长工艺优化固液界面氧分布调节方法，其特征在于，所述步骤1具体按照以下步骤实施：步骤1.1、利用Gambit软件网格生成直拉法硅单晶生长的三维局部物理模型，包含晶体、熔体、石英坩埚和石墨坩埚；步骤1.2、设置石英坩埚半径为0.306m，石墨坩埚半径为0.32m，坩埚内熔体半径为0.3m，坩埚逆时针旋转，坩埚转速为ωc；晶体半径范围为0.15m～0.225m，晶体顺时针旋转，晶体转速为ωs，熔体高度为0.08m～0.22m，晶体长度为0m～0.6m，投料量160kg，自由界面为硅熔体和气体交界面，固液界面为晶体与熔体之间的相界面。3.根据权利要求2所述的一种直拉硅单晶生长工艺优化固液界面氧分布调节方法，其特征在于，所述步骤1.2中坩埚转速ωc为0～10rpm，晶体转速ωs为0～16rpm。4.根据权利要求1所述的一种直拉硅单晶生长工艺优化固液界面氧分布调节方法，其特征在于，所述步骤2具体按照以下步骤实施：步骤2.1、设置坩埚为逆时针旋转，坩埚转速为ωc，晶体顺时针旋转，晶体转速为ωs；步骤2.2、假设硅熔体为不可压缩的牛顿流体；假设硅熔体满足Boussinesq近似；设置固液界面为平直面，在固液界面结晶时不发生过冷态，固液界面的温度为硅的熔点温度1685K；设置熔体与氩气交界面，即自由液面为平直面，其位置高度与固液界面高度相同，并向外界气氛环境辐射热量；石英坩埚底部和坩埚内壁与硅熔体满足无滑移边界条件；熔体内的氧输运过程对熔体流动与传热的影响忽略不计。5.根据权利要求4所述的一种直拉硅单晶生长工艺优化固液界面氧分布调节方法，其特征在于，所述步骤2.2中，仿真迭代求解过程中所用到的边界条件包括有氧浓度边界条件和温度边界条件，其中氧浓度边界条件如下：(1)硅熔液与石英坩埚内壁交界处的氧浓度边界条件：其中，NA为阿伏伽德罗常数，为氧分压，ao为氧体积分数，R为氧气体摩尔常数，T为化学反应温度，为化学反应自由能变化量。(2)硅熔液与氩气交界面处的氧浓度边界条件：式中，CO和Csurf分别是熔体中的氧浓度和自由液面的氧浓度；CSi是硅熔液浓度；DO和DSiO分别是氧在硅熔体中的扩散系数和SiO气体在氩气中的扩散系数；ΔG是化学反应式(Simelt+Omelt＝SiOgas)的自由能变化量，p0是一氧化硅气体的蒸汽压力，R为气体摩尔常数，T是化学反应温度；δg是自由液面边界层厚度；在晶体实际生长环境过程中，自由液面的氧在氩气的吹拂下，自由液面的氧浓度Csurf仅为熔体内部氧浓度CO的万分数，因此将自由液面的氧浓度Csurf忽略不计，则自由液面的氧浓度边界条件简化为CO＝0mol/m3；(3)固液界面(晶体生长界面)处的氧浓度边界条件：式中，D为氧的扩散系数，Vg为固液界面的移动速度，k为氧的分凝系数，Co为熔体内的氧浓度。实验揭示氧的分凝系数接近单位1，且超过99％的氧气从自由液面挥发到氩气当中，所以在固液界面整体氧通量平衡中将掺入到晶体中的氧含量忽略不计，上式简化为温度边界条件中石墨坩埚底部和石墨坩埚外壁施加等梯度温度分布值，在自由液面处建立热流密度方程，如下式：Q′l＝qout,k-qin,k＝σεT4-εqin,kqin,k＝sumj＝1～N(Fk,jqout,j)式中，β[T...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘丁，任俊超，张新雨，张晶，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61