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FEMAG超纯单晶硅区熔法数值模拟解决方案
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1.背景介绍 1.1单晶硅 硅的单晶体，是一种良好的半导体材料。在工业上单晶硅多用于半导体产业，主要用于制造半导体芯片、太阳能电池等。单晶硅有巨大的市场和广阔的发展空间。其原料来源丰富，硅元素在地壳中含量达高达25.8%，可谓取之不尽。以单晶硅为代表的高科技附加值材料，如今已经成为当代全球经济发展中增长最快的先导产业——信息技术产业的支柱。且随着当前常规能源供给的有限性和环保压力的不断增加，太阳能等新能源正在掀起新一轮能量改革热潮，国际上许多国家已经开始制定可持续发展战略，将太阳能的发展当做重要的战略目标。一个大规模的半导体信息时代以及太阳能等新能源时代正在拉开序幕，单晶硅产品因此也将成为21 世纪最受关注的产品之一。 1.2单晶硅的区熔法制备 在半导体行业，单晶硅主要用于半导体制造芯片和电子器件，为了保证其工作的稳定性可靠性，工业上通常要求单晶硅的纯度达到99.9999%，甚至99.9999999%以上普通的单晶硅晶体生长方法或多或少都会引入少量杂质，但是区熔法是一种比较特殊的高纯度单晶生长技术。由于其本身也是一种提纯的方法，因此用区熔法来制备超纯单晶硅非常适合。区熔法晶体生长技术工业上被称为悬浮区熔法，简称区熔法（FZ），这种技术是指在气氛或真空的炉室中，利用高频线圈在单晶籽晶和其上方悬挂的多晶硅棒的接触处产生熔区，然后使熔区向上移动进行单晶生长。由于硅熔体完全依靠其表面张力和高频电磁力的支托，悬浮于多晶棒与单晶之间，因此不需要坩埚等其他载体，这是区熔法最显著的特征之一。 2. 问题及需求 2.1 区熔法制备超纯单晶硅的现状 区熔法制备的单晶硅纯度很高，实际生产中区熔法单晶的氧含量比直拉硅单晶的氧含量低2 到3个数量级。因此很多高质量的电子器件，高集成电路，例如光敏二极管、射线探测器、红外探测器等器件的关键部位多采用区熔法制备的单晶硅来制造。但是区熔法也有自身的局限性，首先工艺比较烦琐，生产效率偏低，而且一般使用纯度较高的多晶硅为原料，生产成本较高，此外由于工艺特殊性，较难生产出大直径的单晶硅棒。因此生产商很希望提高区熔法的成品率，降低原料消耗和成本。在产品质量面，由于区熔法熔体中存在着受重力而引起的自然对流，受表面张力驱动而产生的对流，还有旋转引起的强迫对流等多种对流作用，使得熔体与晶体界面复杂，因此很难得到无层错的晶体。同时区熔法工艺涉及到传质传热和流动耦合的复杂物理过程，因此要对产品质量进行精确分析和预测都有一定难度。 2.2 区熔法制备超纯单晶硅的模拟需求 如前所述，在区熔法单晶硅生长过程中，熔体中存在着受重力作用而引起的自然对流，受熔体自由表面张力的驱动而产生的对流，另外还有旋转引起的强迫对流等多种对流作用，熔体的流动模式十分复杂。生长的单晶硅质量受到很多传质、传热及对流因素的影响。例如生长材料的热扩散率、溶质扩散率、表面张力、熔点以及热传输系等物理性质以及实际的工艺参数如单晶半径、拉晶速度等因素都能影响晶体质量。为了获得高质量的单晶硅，同时也为了优化工艺设备，多数企业还有机构都希望借助先进的计算机技术手段来辅助工艺分析。随着高速计算机的迅速发展，数值模拟方法为解决这一类复杂物理场的实际问题提供了一种重要手段。利用数值模拟技术对超纯单晶硅区熔法技术所涉及的复杂物理场进行分析和研究，可以快速有效的解决工艺问题，提高生产质量并优化工艺路线。计算机数值模拟的方法已经成为目前国内外广泛使用的分析手段。 3. FEMAG 解决方案 FEMAG/FZ 是FEMAG 公司针对晶体生长区熔法（FZ）而开发的专用软件，这是目前世界上最专业的用于模拟分析区熔法晶体生长工艺过程的软件。FEMAG/FZ 可以帮助您全面分析单晶硅区熔法生产过程中的热场、应力场、流场、缺陷、加热器功率等问题，并具有辅助工艺优化设计的功能。能够为您或您的企业提供可靠的工艺仿真数据和工艺优化方案。 |
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2015-12-21 10:18:22, 3.33 M
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