大尺寸单晶硅提拉生长过程中熔体流动不稳定性及其对结晶界面形态的影响机理

The research and development (R&D) of large-diameter electronic grade monocrystalline silicon is to meet the strategic requirement of the development of very large-scale integrated circuit (VLSI) in our country. The instability of the silicon melt flow in the crucible is one of the key factors influencing the growth of large-diameter monocrystallline silicon. In this project we study the characteristics of unstable melt flow in the crucible during the Czochralski (CZ) crystal growth of silicon of 450 mm in diameter, and investigate the influence mechanism of flow instability on the interface morphology of crystal growth. A numerical model, coupling the unstable melt flow and the fluctuant crystal growth interface, is established by considering the relationship between the kinetic undercooling and the growth rate. With this model, we study the influence mechanisms of the key parameters, such as the rotation rates of crystal and crucible, and the size and position of cusp-shaped magnetic field, on the fluctuations and spectral characteristics of temperature and velocity in the unstable melt flow. The fluctuation of undercooling at the growth interface is obtained to reveal the influence of flow instability on the interface morphology parameters, such as the interface shape, the growth rate and the temperature gradient at the growth interface. Some preliminary technical solutions are proposed to improve the stability of melt flow and morphology of the growth interface, which provides a theoretical basis to the manufacture of large-diameter monocrystalline silicon with high quality.

超大口径电子级单晶硅的研发是为适应我国发展超大规模集成电路的重大需求，坩埚内部硅熔体流动的不稳定特性是影响大尺寸单晶硅生长的关键因素之一。本项目研究提拉法制备450 mm口径单晶硅过程中坩埚内部硅熔体流动的不稳定特性，及其对结晶界面形态的影响机制。根据单晶硅生长动力学关于结晶界面过冷度与生长速率之间的关系，建立不稳定熔体流动与波动结晶界面的耦合数值模型，研究单晶硅生长过程中坩埚旋转和外磁场等关键物理量对不稳定熔体流动中熔体温度和速度的脉动及其频谱特性的影响规律，获得结晶界面过冷度的脉动特征，进而阐明熔体不稳定性对结晶界面形状、生长速率和界面处温度梯度等界面形态参数的影响机理，提出改善熔体流动稳定性和结晶界面形态的初步技术方案，为提拉法制备高质量大尺寸单晶硅技术提供科学理论依据。

大尺寸直拉法单晶硅的制备是我国光伏以及半导体行业发展的迫切需求。随着晶体尺寸的增大，熔体中杂质以及热量输运剧烈变化，造成结晶界面处温度、晶体生长速度、杂质及界面形状的三维非稳定分布，进而影响晶体内部点缺陷的生成，对晶体的质量造成显著影响。本项目以大尺寸单晶硅生长过程为研究对象，多尺度深入研究熔体内部复杂的热量以及氧、碳杂质输运特性，及其对结晶界面、晶体点缺陷的影响机理，对于改进晶体生长工艺进而提高晶体质量具有重要指导价值。.在宏观尺度研究方面，提出了将熔体内部脉动物理场、结晶界面以及晶体内部温度分布相关联的三维非定常模型，解决了大尺寸直拉法单晶硅生长过程中晶体、熔体及结晶界面非定常耦合求解的这一难题，研究了炉体关键结构、晶体坩埚旋转、勾型磁场对熔体温度、速度振荡、结晶界面以及晶体品质的影响，首次获得了直拉法单晶硅生长过程中结晶界面温度的脉动特征，约为0.4K左右。研究结果表明勾型磁场能够显著改善熔体流动，抑制结晶界面变形，降低界面温度脉动。.在微观尺度研究方面，建立了硅晶体点缺陷形成能的计算模型，研究了硅晶体内部间隙点缺陷形成的关键影响因素，阐明了结晶界面、杂质、应力对间隙点缺陷形成的影响机理。构建了熔体-晶体分凝系数计算模型，首次使用分子模拟对硅熔体中碳杂质扩散与分凝特性进行了研究，研究表明目前的经验势函数足以为研究碳杂质在硅晶体生长过程中的输运提供准定量计算。最后基于原子尺度硅熔体凝固生长模型，研究了硅熔体凝固生长行为及其关键影响因素。研究发现在纯硅熔体与含氧硅熔体凝固过程中，凝固速率均随过冷度先增大后减小，同时氧杂质对硅熔体凝固速率的影响微小。