直拉硅單晶中空洞型缺陷演化行為的相場模型及其模擬研究.pdf

1、隨著電子工業(yè)的蓬勃發(fā)展和社會信息化的不斷深入，微電子技術在人類生產(chǎn)生活的方方面面發(fā)揮著越來越重要的作用。硅單晶是電子器件制造的基礎材料，其質量直接關系和決定著現(xiàn)代電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度和潛能。實驗研究和實際生產(chǎn)中人們主要通過直拉法生長獲得硅單晶。硅單晶直拉法生長過程中，大量的固有點缺陷和雜質在固液界面處引入硅單晶基體并隨著拉晶過程演化成各種微缺陷。這些微缺陷，如空洞、位錯環(huán)、氧-空位復合體、氧沉淀等，嚴重影響硅單晶的質量，進而制約著微電

2、子器件的使用性能和發(fā)展?jié)摿?。因此，開展直拉硅單晶生長過程中微缺陷演化的研究工作勢在必行。
　　近些年來，隨著計算機技術的發(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，成為深入認識微缺陷動力學和預測缺陷大小和分布的重要研究途徑。其中，相場法是近年來發(fā)展起來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，相場模型無需時刻跟蹤界面即可模擬微觀結構的演化過程，近些年來廣泛應用于介觀尺度下材料微觀結構演變的模擬工

3、作。
　　本文以直拉硅單晶中的空洞型缺陷為研究對象，依據(jù)材料熱力學、統(tǒng)計物理學和朗道相變理論構建了空洞演化行為的相場模型，通過數(shù)學建模、程序編寫和圖像可視化實現(xiàn)了空洞動態(tài)演化過程的仿真模擬，在晶體生長熱力學和缺陷演化動力學的范疇內(nèi)深入研究和認識硅單晶生長過程中空洞的形成機理，探索將相變理論應用于微缺陷演化動力學研究的新途徑。
　　首先，通過分析直拉硅單晶中空位、間隙硅原子的動力學行為和空洞的演化機制，基于材料熱力學等相關知識

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

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模型及其模擬程序，研究了直拉硅單晶中單空洞長大動力學、空洞-基體界面演化動力學和雙空洞長大動力學等三個方面，通過大量的模擬實驗在多個層次深入探討了空洞的演化機理以及相關參數(shù)對演化動力學的影響規(guī)律。結果表明，本文所建立的相場模型和開發(fā)的模擬程序能夠有效展現(xiàn)空洞演化的動力學過程及其基本特征，模擬結果可依據(jù)熱力學理論進行合理分析和解釋。此外，相關熱力學和動力學參數(shù)對空洞演