1.引言：
现今，300mm硅片广泛的应用于集成电路的制造。随着集成电路特征尺寸由微米级下降到亚微米级甚至纳米级的水平，这对处于微电子基础地位的半导体材料提出了更高的要求。为了得到质量符合要求的硅单晶，需要优化拉制300mm硅单晶所用的28英寸热场。只通过实际的晶体生长实验来优化热场需要极高的经济和时间成本，延长了技术开发的周期。出于以上两个方面的考虑，引进计算机数值模拟技术对热场的优化是十分有用和必要的。目前应用最广泛的是2D轴对称模型，研究者通过实验和数值模拟不断改进熔体对流、晶体热传导等物理模型。对于优化单晶炉的热场结构，国内外学者做了大量数值模拟方面的研究，北京有色金属研究总院的高宇分析了热屏和后继加热器对直拉单晶硅生长过程中固液界面的影响，江苏大学的苏文佳分析了单晶炉导流筒、热屏及碳毡对单晶硅生长影响的优化模拟，Smirnova等通过设计新式的炉体结构来提高生长速率。
本文主要针对Kayex150型单晶炉，利用数值模拟的方法，研究热屏底端位置对于热场的影响。
2. 模型的建立：
2.1. 数学模型
模拟采用FEMAG-CZ中的Mix-length Turbulence模型，熔体流动及热传输的控制方程和边界条件如下：
2.2材料及过程参数：
模拟过程中以KAYEX系列型单晶炉为原型，采用28英寸热场，炉体内充氩气作为保护气体。数值模拟过程的物性参数如表1所示。晶体生长过程中的相关参数如下：晶体直径300mm、晶体总长度850mm、总投料量160kg、晶体转速10rpm、坩埚转速12rpm、氩气流量0.002m3/s、炉内压力22torr。
表1 模拟过程所用材料物性参数
3.模拟结果和分析：
数值模拟中，cusp磁场强度0.1T(熔体与坩埚壁交点处磁场强度径向分量)。在相同的晶体提拉速度、晶转、埚转、磁场强度等条件下，分别改变热屏底端距熔体自由界面距离Y和热屏底端距晶体的距离X，进行硅单晶生长。
从图1可见，在V/G曲线中，曲线的斜率不断降低，但降低幅度不断减小。V/G曲线中处于和高于临界值区域的范围不断增加。这说明随着轴向距离的增加，最终残留的自间隙原子的浓度不断减小，尤其在优化热屏位置后(after
声明：
“反射器位置对生长大尺寸硅单晶热场影响的数值模拟” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色网
来源：北京有色金属研究总院，有研半导体材料股份有限公司
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2025年06月06日 ~ 08日 
