超大规模、超高速集成电路的迅速发展对硅单晶材料提出了愈来愈严格的要求,“大尺寸、高质量”成为目前硅单晶材料的发展趋势。半个多世纪以来,直拉法作为最常用的晶体生长方法,其显著优势是可以生产出高质量、大尺寸的半导体级或太阳能级单晶硅片,在制备单晶硅过程中被广泛使用。随着半导体集成电路及光伏产业等的飞速发展,对单晶硅材料的制备成本、质量控制等提出了越来越严格的要求,导致设备、热场及工艺技术等的研发周期长、成本高。计算机数值模拟仿真技术作为一种重要的研究手段也越来越多的应用于直拉法制备硅单晶的研发过程,大大缩短了研发周期并降低了研发成本。利用计算机模拟仿真技术开展直拉法单晶生长研究对进一步降低单晶硅制造成本、提高单晶硅质量及半导体集成电路器件性能与寿命具有重要意义。本文采用有限元软件FEMAG-CZ对直径18英寸与12英寸直拉单晶硅生长过程进行了一系列数值模拟仿真实验研究,目的在于通过数值模拟仿真技术分析直拉单晶硅生长工艺过程,进一步优化大尺寸直拉单晶硅长晶工艺以提高其质量。数值模拟仿真计算过程以实际炉体结构为依据,充分考虑了热场所有主要几何结构、各种传热、传质现象,并与实际生产工艺过程相结合,可以精确预测整个生长炉内的全局温度分布、固液界面的形状、熔体/气流的流动,并能对晶体生长过程的各种杂质及掺杂元素、晶体生长过程的热应力、晶体生长点缺陷等进行计算与分析。首先,使用FEMAG-CZ三维数值模拟仿真技术,对适用于生长18英寸直拉单晶硅的40英寸热场在水平磁场下的生长工艺进行三维模拟仿真计算。数值模拟计算结果表明:由于外加水平磁场的引入,熔体的流动呈现完全的三维、非对称特点,从而导致熔体内的温度场、氧杂质的分布呈现明显的三维非对称特性;水平磁场强烈影响固/液生长界面下熔体的流动特性,从而显著影响熔体的固/液生长界面形状及氧杂质传输过程。其次,利用三维模拟仿真技术深入研究了水平磁场下拉晶速度、晶体转速与坩埚转速对单晶生长的影响。研究结果表明:增大拉速,熔体中坩埚侧壁处高温区面积减小,固液界面下方低温区增大,固液界面由下凹向熔体逐渐变得上凸向晶体,同时固液界面处的V/G增大,而坩埚中的熔体流动趋势一致,随着拉速的增大并未出现明显的变化;增大晶体转速(坩埚转速),固液界面下方低温区面积减小,温度梯度增大,固液界面由下凹向熔体逐渐变得上凸向晶体,同时固液界面处的V/G未出现明显变化。最后,利用计算机模拟仿真技术对12英寸半导体直拉单晶硅生长过程的传热及点缺陷进行了动态模拟仿真计算。研究结果表明:生长速度较大时,晶体内部主要以空穴性点缺陷为主;当生长速度逐步降低,晶体内部空穴性缺陷区域逐渐缩小;当单晶生长拉速足够大或足够小时,可分别生长出完全为空穴型缺陷或自间隙型缺陷的硅单晶。通过合适的拉速控制及V/G理论,使用点缺陷动态模拟仿真计算可为生长特定点缺陷分布甚至无点缺陷硅单晶工艺提供有效依据。