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FEMAG超純單晶硅區(qū)熔法數(shù)值模擬解決方案
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1.背景介紹 1.1單晶硅 硅的單晶體，是一種良好的半導體材料。在工業(yè)上單晶硅多用于半導體產(chǎn)業(yè)，主要用于制造半導體芯片、太陽能電池等。單晶硅有巨大的市場和廣闊的發(fā)展空間。其原料來源豐富，硅元素在地殼中含量達高達25.8%，可謂取之不盡。以單晶硅為代表的高科技附加值材料，如今已經(jīng)成為當代全球經(jīng)濟發(fā)展中增長最快的先導產(chǎn)業(yè)——信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的支柱。且隨著當前常規(guī)能源供給的有限性和環(huán)保壓力的不斷增加，太陽能等新能源正在掀起新一輪能量改革熱潮，國際上許多國家已經(jīng)開始制定可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，將太陽能的發(fā)展當做重要的戰(zhàn)略目標。一個大規(guī)模的半導體信息時代以及太陽能等新能源時代正在拉開序幕，單晶硅產(chǎn)品因此也將成為21 世紀最受關(guān)注的產(chǎn)品之一。 1.2單晶硅的區(qū)熔法制備 在半導體行業(yè)，單晶硅主要用于半導體制造芯片和電子器件，為了保證其工作的穩(wěn)定性可靠性，工業(yè)上通常要求單晶硅的純度達到99.9999%，甚至99.9999999%以上普通的單晶硅晶體生長方法或多或少都會引入少量雜質(zhì)，但是區(qū)熔法是一種比較特殊的高純度單晶生長技術(shù)。由于其本身也是一種提純的方法，因此用區(qū)熔法來制備超純單晶硅非常適合。區(qū)熔法晶體生長技術(shù)工業(yè)上被稱為懸浮區(qū)熔法，簡稱區(qū)熔法（FZ），這種技術(shù)是指在氣氛或真空的爐室中，利用高頻線圈在單晶籽晶和其上方懸掛的多晶硅棒的接觸處產(chǎn)生熔區(qū)，然后使熔區(qū)向上移動進行單晶生長。由于硅熔體完全依靠其表面張力和高頻電磁力的支托，懸浮于多晶棒與單晶之間，因此不需要坩堝等其他載體，這是區(qū)熔法最顯著的特征之一。 2. 問題及需求 2.1 區(qū)熔法制備超純單晶硅的現(xiàn)狀 區(qū)熔法制備的單晶硅純度很高，實際生產(chǎn)中區(qū)熔法單晶的氧含量比直拉硅單晶的氧含量低2 到3個數(shù)量級。因此很多高質(zhì)量的電子器件，高集成電路，例如光敏二極管、射線探測器、紅外探測器等器件的關(guān)鍵部位多采用區(qū)熔法制備的單晶硅來制造。但是區(qū)熔法也有自身的局限性，首先工藝比較煩瑣，生產(chǎn)效率偏低，而且一般使用純度較高的多晶硅為原料，生產(chǎn)成本較高，此外由于工藝特殊性，較難生產(chǎn)出大直徑的單晶硅棒。因此生產(chǎn)商很希望提高區(qū)熔法的成品率，降低原料消耗和成本。在產(chǎn)品質(zhì)量面，由于區(qū)熔法熔體中存在著受重力而引起的自然對流，受表面張力驅(qū)動而產(chǎn)生的對流，還有旋轉(zhuǎn)引起的強迫對流等多種對流作用，使得熔體與晶體界面復雜，因此很難得到無層錯的晶體。同時區(qū)熔法工藝涉及到傳質(zhì)傳熱和流動耦合的復雜物理過程，因此要對產(chǎn)品質(zhì)量進行精確分析和預測都有一定難度。 2.2 區(qū)熔法制備超純單晶硅的模擬需求 如前所述，在區(qū)熔法單晶硅生長過程中，熔體中存在著受重力作用而引起的自然對流，受熔體自由表面張力的驅(qū)動而產(chǎn)生的對流，另外還有旋轉(zhuǎn)引起的強迫對流等多種對流作用，熔體的流動模式十分復雜。生長的單晶硅質(zhì)量受到很多傳質(zhì)、傳熱及對流因素的影響。例如生長材料的熱擴散率、溶質(zhì)擴散率、表面張力、熔點以及熱傳輸系等物理性質(zhì)以及實際的工藝參數(shù)如單晶半徑、拉晶速度等因素都能影響晶體質(zhì)量。為了獲得高質(zhì)量的單晶硅，同時也為了優(yōu)化工藝設(shè)備，多數(shù)企業(yè)還有機構(gòu)都希望借助先進的計算機技術(shù)手段來輔助工藝分析。隨著高速計算機的迅速發(fā)展，數(shù)值模擬方法為解決這一類復雜物理場的實際問題提供了一種重要手段。利用數(shù)值模擬技術(shù)對超純單晶硅區(qū)熔法技術(shù)所涉及的復雜物理場進行分析和研究，可以快速有效的解決工藝問題，提高生產(chǎn)質(zhì)量并優(yōu)化工藝路線。計算機數(shù)值模擬的方法已經(jīng)成為目前國內(nèi)外廣泛使用的分析手段。 3. FEMAG 解決方案 FEMAG/FZ 是FEMAG 公司針對晶體生長區(qū)熔法（FZ）而開發(fā)的專用軟件，這是目前世界上最專業(yè)的用于模擬分析區(qū)熔法晶體生長工藝過程的軟件。FEMAG/FZ 可以幫助您全面分析單晶硅區(qū)熔法生產(chǎn)過程中的熱場、應力場、流場、缺陷、加熱器功率等問題，并具有輔助工藝優(yōu)化設(shè)計的功能。能夠為您或您的企業(yè)提供可靠的工藝仿真數(shù)據(jù)和工藝優(yōu)化方案。 |
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2015-12-21 10:18:22, 3.33 M
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