單晶硅片中氧沉淀演化行為的相場法模型及其模擬研究.pdf

1、硅單晶是支撐信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)和光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)材料，它的性能直接影響和決定著相關(guān)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。隨著直拉硅單晶的直徑不斷增大以及集成電路特性線寬持續(xù)減小，硅單晶的缺陷控制及其質(zhì)量保證尤為重要，特別是新型的基于快速熱處理(RTP)的“內(nèi)吸雜”結(jié)構(gòu)在熱處理過程中硅片內(nèi)部演變行為的研究。
　　近些年來，計算機數(shù)值模擬技術(shù)越來越多地被用于材料微缺陷演變的研究中。其中，以吉布斯-朗道自由能理論為基礎(chǔ)的相場法，已經(jīng)成為研究材料介-微觀缺陷的一

2、種重要數(shù)值模擬方法。基于該方法的模型構(gòu)建、程序編寫以及模擬數(shù)據(jù)可視化處理，可以實現(xiàn)材料介-微觀區(qū)域中缺陷演變行為的仿真，對研究材料微缺陷分布及其形成機理等有重要的理論和實際意義。
　　目前，國內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用相場法針對材料組織結(jié)構(gòu)的演變進行了大量模擬研究。然而，針對硅片中氧沉淀等缺陷在退火過程中演變行為的相場模擬研究還鮮見報道。因此，本文應(yīng)用相場法，建立了描述RTP處理后硅片中氧聚集體和氧沉淀演變行為的相場模型，分別實現(xiàn)了它們在低溫退

3、火和高溫退火過程中演變的仿真，研究和分析了不同模擬條件的影響規(guī)律，進一步探索了相場法在硅片缺陷演變模擬研究中的應(yīng)用。
　　首先，基于材料熱力學(xué)、晶體點缺陷物理學(xué)、相場理論和相關(guān)模擬假設(shè)，分別構(gòu)建了描述RTP處理后硅片中氧聚集體和氧沉淀演變的相場模型，包括系統(tǒng)自由能方程、缺陷演變控制方程等。確定了以有限差分法和歐拉迭代法為主的模擬算法，且采用Matlab語言編寫了仿真程序。
　　然后，設(shè)定不同的初始模擬條件，應(yīng)用仿真程序分別在

4、計算機上實現(xiàn)了低溫退火過程中氧聚集體和高溫退火過程中氧沉淀演變的仿真，通過與理論和文獻中相關(guān)實驗結(jié)論對比，初步驗證了所提出的模型、算法和程序的合理性。
　　最后，通過進一步的全面模擬研究，分別揭示了初始空位濃度和低溫退火溫度對于氧聚集體演變以及高溫退火溫度對于氧沉淀演變的影響規(guī)律:(1)低溫退火期間，隨著退火時間的延長，氧聚集體的數(shù)量不斷增加，且尺寸略微有所增大;(2)低溫退火期間，氧聚集體的存在量隨著初始空位濃度的增加而增加、且

5、隨著退火溫度的增加先增加后減小;(3)設(shè)定初始空位濃度≥1×1015cm-3、退火溫度為1075～1175K的初始條件，有利于氧聚集體形成;而初始空位濃度＜1×1012cm-3、退火溫度低于900K時，幾乎無法獲得氧聚集體;(4)高溫退火期間，隨著退火時間延長，氧沉淀尺寸不斷增大，而數(shù)量先增加后基本保持不變;(5)高溫退火期間，隨著退火溫度的不斷提高，氧沉淀尺寸不斷增大，在1000～1500K范圍內(nèi)退火時其平均尺寸大約可達到50～120