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单晶硅片中氧沉淀演化行为的相场法模型及其模拟研究

【摘要】:硅单晶是支撑信息技术产业和光伏产业发展的基础材料,它的性能直接影响和决定着相关高技术产业的发展。随着直拉硅单晶的直径不断增大以及集成电路特性线宽持续减小,硅单晶的缺陷控制及其质量保证尤为重要,特别是新型的基于快速热处理(RTP)的“内吸杂”结构在热处理过程中硅片内部演变行为的研究。近些年来,计算机数值模拟技术越来越多地被用于材料微缺陷演变的研究中。其中,以吉布斯-朗道自由能理论为基础的相场法,已经成为研究材料介-微观缺陷的一种重要数值模拟方法。基于该方法的模型构建、程序编写以及模拟数据可视化处理,可以实现材料介-微观区域中缺陷演变行为的仿真,对研究材料微缺陷分布及其形成机理等有重要的理论和实际意义。目前,国内外学者应用相场法针对材料组织结构的演变进行了大量模拟研究。然而,针对硅片中氧沉淀等缺陷在退火过程中演变行为的相场模拟研究还鲜见报道。因此,本文应用相场法,建立了描述RTP处理后硅片中氧聚集体和氧沉淀演变行为的相场模型,分别实现了它们在低温退火和高温退火过程中演变的仿真,研究和分析了不同模拟条件的影响规律,进一步探索了相场法在硅片缺陷演变模拟研究中的应用。首先,基于材料热力学、晶体点缺陷物理学、相场理论和相关模拟假设,分别构建了描述RTP处理后硅片中氧聚集体和氧沉淀演变的相场模型,包括系统自由能方程、缺陷演变控制方程等。确定了以有限差分法和欧拉迭代法为主的模拟算法,且采用Matlab语言编写了仿真程序。然后,设定不同的初始模拟条件,应用仿真程序分别在计算机上实现了低温退火过程中氧聚集体和高温退火过程中氧沉淀演变的仿真,通过与理论和文献中相关实验结论对比,初步验证了所提出的模型、算法和程序的合理性。最后,通过进一步的全面模拟研究,分别揭示了初始空位浓度和低温退火温度对于氧聚集体演变以及高温退火温度对于氧沉淀演变的影响规律:(1)低温退火期间,随着退火时间的延长,氧聚集体的数量不断增加,且尺寸略微有所增大;(2)低温退火期间,氧聚集体的存在量随着初始空位浓度的增加而增加、且随着退火温度的增加先增加后减小;(3)设定初始空位浓度≥1×1015cm-3、退火温度为1075~1175 K的初始条件,有利于氧聚集体形成;而初始空位浓度1×1012cm-3、退火温度低于900 K时,几乎无法获得氧聚集体;(4)高温退火期间,随着退火时间延长,氧沉淀尺寸不断增大,而数量先增加后基本保持不变;(5)高温退火期间,随着退火温度的不断提高,氧沉淀尺寸不断增大,在1000-1500K范围内退火时其平均尺寸大约可达到50~120nm。本文所建模型及其算法经检验具有可信的热力学和实验基础,所得出的模拟结论与相关报道的实验结论吻合。

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