直拉硅單晶中空洞型缺陷演化行為的相場(chǎng)模型及其模擬研究.pdf

1、隨著電子工業(yè)的蓬勃發(fā)展和社會(huì)信息化的不斷深入，微電子技術(shù)在人類生產(chǎn)生活的方方面面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。硅單晶是電子器件制造的基礎(chǔ)材料，其質(zhì)量直接關(guān)系和決定著現(xiàn)代電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度和潛能。實(shí)驗(yàn)研究和實(shí)際生產(chǎn)中人們主要通過(guò)直拉法生長(zhǎng)獲得硅單晶。硅單晶直拉法生長(zhǎng)過(guò)程中，大量的固有點(diǎn)缺陷和雜質(zhì)在固液界面處引入硅單晶基體并隨著拉晶過(guò)程演化成各種微缺陷。這些微缺陷，如空洞、位錯(cuò)環(huán)、氧-空位復(fù)合體、氧沉淀等，嚴(yán)重影響硅單晶的質(zhì)量，進(jìn)而制約著微電

2、子器件的使用性能和發(fā)展?jié)摿?。因此，開(kāi)展直拉硅單晶生長(zhǎng)過(guò)程中微缺陷演化的研究工作勢(shì)在必行。
　　近些年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，硅單晶微缺陷演化的數(shù)值模擬和仿真研究發(fā)展迅速，成為深入認(rèn)識(shí)微缺陷動(dòng)力學(xué)和預(yù)測(cè)缺陷大小和分布的重要研究途徑。其中，相場(chǎng)法是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種研究材料微觀組織演變的的數(shù)值模擬方法。不同于傳統(tǒng)的尖銳界面模型，相場(chǎng)模型無(wú)需時(shí)刻跟蹤界面即可模擬微觀結(jié)構(gòu)的演化過(guò)程，近些年來(lái)廣泛應(yīng)用于介觀尺度下材料微觀結(jié)構(gòu)演變的模擬工

3、作。
　　本文以直拉硅單晶中的空洞型缺陷為研究對(duì)象，依據(jù)材料熱力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理學(xué)和朗道相變理論構(gòu)建了空洞演化行為的相場(chǎng)模型，通過(guò)數(shù)學(xué)建模、程序編寫和圖像可視化實(shí)現(xiàn)了空洞動(dòng)態(tài)演化過(guò)程的仿真模擬，在晶體生長(zhǎng)熱力學(xué)和缺陷演化動(dòng)力學(xué)的范疇內(nèi)深入研究和認(rèn)識(shí)硅單晶生長(zhǎng)過(guò)程中空洞的形成機(jī)理，探索將相變理論應(yīng)用于微缺陷演化動(dòng)力學(xué)研究的新途徑。
　　首先，通過(guò)分析直拉硅單晶中空位、間隙硅原子的動(dòng)力學(xué)行為和空洞的演化機(jī)制，基于材料熱力學(xué)等相關(guān)知識(shí)

4、和朗道相變理論，建立了直拉硅單晶過(guò)程中空洞演化的二維相場(chǎng)模型，包括構(gòu)建系統(tǒng)自由能方程、描述空位擴(kuò)散的保守場(chǎng)方程和空洞演化的非保守場(chǎng)方程等。
　　然后，基于數(shù)值分析、計(jì)算機(jī)編程和圖像可視化技術(shù)，開(kāi)發(fā)了相場(chǎng)模型模擬硅單晶生長(zhǎng)中空洞演化的應(yīng)用程序。采用有限差分法和顯式歐拉迭代法對(duì)空洞演化的控制方程進(jìn)行了離散和數(shù)值求解，在給定的相場(chǎng)模擬假設(shè)、初始條件和邊界條件的前提下，利用Matlab語(yǔ)言編制了空洞演化的主程序，以及函數(shù)優(yōu)化、模擬結(jié)果處理

5、和圖像可視化輸出等輔助程序。
　　最后，利用所建立的空洞演化的相場(chǎng)模型及其模擬程序，研究了直拉硅單晶中單空洞長(zhǎng)大動(dòng)力學(xué)、空洞-基體界面演化動(dòng)力學(xué)和雙空洞長(zhǎng)大動(dòng)力學(xué)等三個(gè)方面，通過(guò)大量的模擬實(shí)驗(yàn)在多個(gè)層次深入探討了空洞的演化機(jī)理以及相關(guān)參數(shù)對(duì)演化動(dòng)力學(xué)的影響規(guī)律。結(jié)果表明，本文所建立的相場(chǎng)模型和開(kāi)發(fā)的模擬程序能夠有效展現(xiàn)空洞演化的動(dòng)力學(xué)過(guò)程及其基本特征，模擬結(jié)果可依據(jù)熱力學(xué)理論進(jìn)行合理分析和解釋。此外，相關(guān)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)空洞演