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提拉法已经有90多年的历史,它目前是电子产业最重要的材料——单晶硅的最主要的制备方法。其生长过程涉及到很多物理现象,如传热传质、生长动理学、热应力以及磁场耦合作用等因素。对这些现象进行模型化研究及数值模拟,已成为单晶硅晶体生长研究工作的重要组成部分。模型化研究有助于对生长系统的优化。
本文通过使用基于结构化的非正交网格,采用有限体积法的计算力学程序FLUTRAPP对工业8英寸单晶硅制备进行了模型化研究和数值模拟,考虑了移动的边界和PID温度自动控制手段,研究了在尖形磁场作用下,坩埚中的熔体流动和温度分布情况。
数值计算表明,在没有磁场的情况下,坩埚中浮力对流主导熔体的运动,整个流场表现为“振荡”现象。晶体和坩埚的旋转有利于实现体系中温度、掺杂组分和氧组分浓度分布的均匀性和轴对称性。同时,由于晶体的旋转,离心力将晶体的下方的熔体沿着径向排出,形成Ekmon边界层,这对于保证所生长的晶体质量来说是很重要的。
利用FLUTRAPP对磁场作用下熔体运动进行了模拟。磁场感应强度采用了工业中普遍使用的数值。
尖型磁场能够抑制对流振荡及温度振荡,氧组分的浓度及掺杂组分分布的周向均匀性得到了提高。
计算结果同时表明,提拉速率在生长过程中表现出一定振荡性,其振荡周期为1.5min,这与工业生长过程中测量的结果定性吻合。磁场的引入能够一定程度上减小提拉率振荡的振幅,振荡产生的原因来自于坩埚中熔体运动的强烈时间相关性。较大磁感应强度磁场(Ha=500~2000)的引入,可以提高所生长的晶体的质量。