直拉法硅单晶生长固液相变模型与数值仿真研究

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1、分类号UDC密级学号硕士学位论文直拉法硅单晶生长固液相变模型与数值仿真研究冯雪亮学科名称：模式识别与智能系统学科门类：工学指导教师：刘丁教授申请日期：2018年6月摘要论文题目：直拉法硅单晶生长固液相变模型与数值仿真研究学科专业：模式识别与智能系统研究生：冯雪亮签名:指导教师：刘丁教授签名:摘要硅单晶作为半导体行业基础材料，对集成电路技术和光伏发电产业的发展起着非常重要的作用。随着大规模集成电路的发展，对硅单晶有了更高的要求，具体表现为高纯度、高均匀性、低缺陷和大尺寸四个方面。直拉法是生长硅单晶的主要方法，直拉法生长硅单晶的实质是多晶硅熔体在特定环境

2、下转化为固体硅单晶的固液相变过程。该相变过程伴随着流动传热现象，且相变界面的形态会影响硅单晶的位错密度大小和剖面上电阻率的均匀性，对晶体品质产生较大的影响。因此，研究直拉法硅单晶生长中的固液相变过程，对了解相变过程中的物理现象，改善晶体生长工艺参数，提高晶体品质都具有非常重要的理论意义和实际价值。本文提出了一种融合浸入边界法和格子Boltzmann法的二维轴对称模型，用于研究直拉法晶体生长中的固液相变问题。将相变界面视为浸入边界，用拉格朗日节点显式追踪相变界面位置；用格子Boltzmann方法求解熔体中的流场与温度场；用有限差分法求解晶体中温度分布。

3、在上述理论及方法的基础上，研究基于浸入边界-格子Boltzmann方法的动态相变界面晶体生长过程，得到了不同晶体生长控制参数作用下的流场、温度场以及相变界面形态。最后，引入相变界面位置与自由表面位置偏差的标准差和均值来衡量相变界面的平坦度，得到了平坦相变界面对应的工艺参数调整方法。仿真实验结果表明，相变过程与晶体提拉速度、晶体旋转参数和坩埚旋转参数密切相关，适当地增大晶体提拉速度，能有效地改善相变界面严重凸向熔体的问题，在只有晶体旋转作用时，相变界面凸向熔体的情况能够得到抑制，但相变界面波动较大，在晶体旋转和坩埚旋转共同作用时，通过调节晶体和坩埚的旋

4、转速度比值，可以获得较好的相变界面形态，并发现平坦相变界面形状下晶体旋转参数和坩埚旋转参数满足一定的函数关系。上述研究结果为晶体生长工艺参数的调整提供了理论依据和实验途径。关键词:CZ法晶体生长；固液相变；浸入边界法；格子Boltzmann法IAbstractTitle:ModelandNumericalSimulationofSolid-LiquidPhaseTransitioninCzochralskiSiliconSingleCrystalGrowthMajor:PatternRecognitionandIntelligentSystemNam

5、e:FengXueliangSignature:Supervisor:Prof.LiuDingSignature:AbstractMono-crystallinesiliconisthebasicmaterialofthesemiconductorindustry,whichplaysanimportantroleinthedevelopmentofintegratedcircuittechnologyandsolarphotovoltaicpowergenerationindustry.Withthedevelopmentofverylargesc

6、aleintegratedcircuits,morerequirementsareproposedformono-crystallinesilicon,anditisincludedinfouraspects:highpurity,highuniformity,lowdefectandlargesize.TheCzochralskimethodisthemainwayofproducingmono-crystallinesilicon.TheCzochralskimono-crystallinesilicongrowthisaphasetransit

7、ionprocessofpolycrystallinesiliconmeltintosolidsiliconsinglecrystalinaspecificenvironment.Thephasetransitionprocessisaccompaniedbythephenomenonofflowheattransfer,andthephasechangeinterfaceshapeaffectsthedislocationdensityinmono-crystallinesiliconandtheuniformityofresistivity,so

8、itwillaffectthesinglecrystalquality.Therefore,theresea