硅单晶是制造集成电路和光能转换产品的基础材料,对于21世纪信息产业和太阳能产业的发展起到关键的支撑作用。从2002年始,我国硅单晶产量由不足世界总产量的0.4%发展为今天以出口为主。但是,其品质还无法与国际上高纯度、高完整性、高均匀性、大直径的发展趋势同步。目前,直拉硅单晶缺陷已经成为制约其发展和应用的关键问题,然而,硅单晶中一些缺陷也有利于提高器件的成品率与电参数,对它们的认识亦由原来的“消除”转变为“控制、利用”,促使人们更加重视对其合理控制即“缺陷工程”的研究。鉴于直拉硅单晶直径逐渐增大的趋势及“缺陷工程”的兴起,揭示和控制硅单晶生长过程中空洞、氧沉淀等微观缺陷的演变规律和存在状态以确保其应用性能已成为当前不容忽视的实际问题。近年来,采用计算机数值模拟作为辅助手段已成为直拉硅单晶缺陷研究的一种新趋势,直拉硅单晶缺陷研究已逐渐转向试验观察-理论分析与计算机数值模拟相并行。但是,目前的数值模拟研究只限于有限元法的宏观模拟,还不能对介观或微观区域中缺陷演变进行模拟,缺少深层次的仿真分析。探索宏观-介观-微观多尺度耦合的模拟方法、相应模型、应用程序及其关键模拟技术,实现直拉硅单晶缺陷多尺度数值模拟的研究势在必行。相场法以Ginzburg-Landau自由能理论为基础,用微分方程来展现有序化势和热力学驱动的综合作用,是一种新型的材料微结构演化的数值模拟方法。经过20多年的发展,它已成为材料介-微观组织模拟的一种重要方法。目前,国内学者已经应用相场模型进行了枝晶长大、动态再结晶及单晶生长的模拟研究,但未见其用于单晶体缺陷模拟的报道。因此,本文尝试采用相场模型,模拟了直拉硅单晶中微缺陷的演变,这一研究具有重要的理论意义和实际价值。首先,基于晶体生长物理学和相场模拟理论,全面考虑原始点缺陷的扩散和复合行为以及拉晶速度对空洞演化的影响,创建了直拉硅单晶空洞演化的单相场模型,并以时间为纽带,通过空间尺度转换、网格再划分等技术,将有限元软件CGSim所模拟的温度场、点缺陷浓度场导入相场模型,完成有限元方法与相场方法的耦合,实现硅单晶微缺陷的宏观分析和介观形态观察的有机结合。成功地模拟了Φ400mm直拉硅单晶轴线不同区域空洞演化,揭示了初始本征点缺陷浓度和拉晶速度对空洞演化的影响规律：初始本征点缺陷浓度较高时,空洞的数目、平均尺寸、面积分数普遍较大,孕育阶段缩短、形核和长大阶段延长；空洞的偏聚及合并、长大的现象明显；两种拉晶速度对于空洞演化历程影响不大,依然先后经历孕育-形核-长大-稳定四个阶段,拉晶速度较低时空洞的密度增加而平均尺寸减小。该相场模型及其模拟结果的可靠性得到了实验观察与有限元模拟结果的检验。其次,基于直拉硅单晶生长时空洞演化单相场模型,创建了直拉硅单晶生长微缺陷演化多相场模型及其分析流程,完成了不同初始点缺陷状态对直拉硅单晶生长时轴向微缺陷演化影响的模拟研究及其相关机理的探讨,结果表明：①纯初始间隙氧原子浓度条件下,随着温度降低,氧沉淀密度单调增加,平均直径先增大后缓慢减小；随着初始间隙氧原子浓度增加,空洞平均直径增大(低温时更显著),空洞密度减小(低温时),而平均直径增大。②低温时,最小的和最大的初始空位浓度分别对应最小的多型空洞密度和空洞密度,最大初始空位浓度下空洞平均直径相对较大；随着初始空位浓度增大,氧沉淀密度基本不变,氧沉淀平均直径增大且随温度降低逐渐增强。③低温时,空洞密度与平均直径随间隙硅原子浓度增大而减小,初始间隙硅原子浓度对氧沉淀演变影响不大。该相场模型及其模拟结果的可靠性得到了相关的宏观模拟结果验证。随后,考虑轴向和径向点缺陷对流、扩散的影响,进一步完善了空洞-氧沉淀演化多相场模型及其应用程序,通过宏观有限元模拟和介观多相场模拟,实现了晶体内部微缺陷全局演变的双层次仿真,揭示了拉晶速度对微缺陷存在状态影响的规律。结果表明：①晶体内不同轴向位置处空洞和氧沉淀的径向分布规律均相同,即除了晶体边缘空洞密度减小或无空洞区之外,随着径向半径增加,空洞密度增大而平均直径减小；氧沉淀密度沿径向大部分区域变化不大,仅在接近侧表面区域呈现先升高又急剧降低的变化,其平均直径沿径向减小且总体变化幅度大于空洞。②随着轴向位置升高,空洞密度降低,平均直径增大,无空洞区减小；氧沉淀密度径向变化减弱而平均直径径向变化增强。③拉晶速度对于微缺陷径向分布规律没有影响,随着拉晶速度加快,空洞密度曲线和平均直径曲线向侧表面平移,空洞密度减小、平均直径增加,无空洞区减小；氧沉淀密度和直径的径向变化趋势减小。④相场模拟结果不仅提供了微缺陷演变的形貌、分布状态等介观信息,而且显示了与有限元模拟相同的空洞径向演变规律,两种模拟的结合可实现直拉硅单晶生长时微缺陷演化的多尺度全局模拟。最后,在空洞-氧沉淀多相场模型基础上,引入余差函数计算硅片热处理过程中点缺陷扩散,成功地模拟了硅片在炉冷、传统高-低-高三步等温退火、RTA退火和中子辐照退火过程中硅片微缺陷的演变规律,并与理论和实验进行了比较。模拟结果表明：①炉冷过程对于直拉硅单晶微缺陷分布规律没有影响,只使得空洞平均直径略有增加,氧沉淀尺寸减小、密度增大。②三步等温退火时,在第一步高温退火获得的合理间隙氧原子浓度分布前提下,通过后续的低温退火和高温退火,可在硅片中形成表面为洁净区和心部为氧沉淀聚集区的“内吸杂”结构,且第三步高温退火促进了心部氧沉淀聚集。③较高起始温度的Ramping退火硅片的微缺陷密度和尺寸要明显小于较低起始温度的Ramping退火硅片,同时洁净区厚度较大；RTP处理+Ramping退火后硅片的微缺陷密度、尺寸都小于传统的RTP处理+低-高两步退火,且空洞演变所受退火条件影响较氧沉淀更明显。④在合理的中子辐照空位浓度条件下,通过相场模拟可实现硅片心部高表面低的空位浓度分布状态。