上海微系統(tǒng)所在300mm大硅片晶體生長(zhǎng)的數(shù)值模擬研究方面取得重要進(jìn)展

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】300mm大硅片是集成電路制造不可或缺的基礎(chǔ)材料，對(duì)整個(gè)集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起著關(guān)鍵支撐作用。針對(duì)我國(guó)集成電路制造行業(yè)對(duì)低氧高阻、近零缺陷等硅片產(chǎn)品的迫切需求，亟需解決大直徑、高質(zhì)量硅單晶晶體生長(zhǎng)技術(shù)中的氧雜質(zhì)輸運(yùn)、晶體缺陷調(diào)控等基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題，進(jìn)而開(kāi)發(fā)大直徑單晶晶體生長(zhǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)特定的晶體雜質(zhì)、缺陷的人工調(diào)控，滿足射頻、存儲(chǔ)等領(lǐng)域的應(yīng)用需求。
 

　　近日，中科院微系統(tǒng)所魏星研究員團(tuán)隊(duì)，在300mm晶體生長(zhǎng)的數(shù)值模擬研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)自主開(kāi)發(fā)了耦合橫向磁場(chǎng)的三維晶體生長(zhǎng)傳熱傳質(zhì)模型，并首次揭示了晶體感應(yīng)電流對(duì)硅熔體內(nèi)對(duì)流和傳熱傳質(zhì)的影響機(jī)制，相關(guān)成果于2023年05月以 “Effects of induced current in crystal on melt flow and melt-crystal interface during industrial 300 mm Czochralski silicon crystal growth with transverse magnetic field”為題，發(fā)表在美國(guó)化學(xué)會(huì)旗下晶體學(xué)領(lǐng)域的旗艦期刊《Crystal growth & design》上。
 

　　在本工作中，通過(guò)對(duì)比三組仿真結(jié)果，系統(tǒng)的分析了晶體電導(dǎo)率、磁場(chǎng)強(qiáng)度、晶轉(zhuǎn)速率這三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)晶體內(nèi)感應(yīng)電流的影響，進(jìn)而分析了其對(duì)熔體對(duì)流、溫度分布和界面形狀的影響。結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，模型準(zhǔn)確性得以驗(yàn)證，并預(yù)測(cè)了建模所需的合理的晶體電導(dǎo)率。研究結(jié)果表明，當(dāng)晶體中感應(yīng)電流增加時(shí)，界面下強(qiáng)制對(duì)流的驅(qū)動(dòng)力逐漸從離心力轉(zhuǎn)變?yōu)槁鍌惼澚Γ⒏淖儚?qiáng)制對(duì)流的旋轉(zhuǎn)方向，從而影響固液界面形狀。這項(xiàng)研究彌補(bǔ)了傳統(tǒng)模型的忽略晶體感應(yīng)電流的不足，首次系統(tǒng)地揭示了晶轉(zhuǎn)引起的感應(yīng)電流以及關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)傳熱傳質(zhì)、固液界面等的影響，大大提高了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，為近零缺陷硅片產(chǎn)品晶體生長(zhǎng)技術(shù)的優(yōu)化提供了理論支撐。
 

　　中科院上海微系統(tǒng)所陳松松助理研究員為文章的第一作者，魏星研究員為通訊作者。

       中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所原名中國(guó)科學(xué)院上海冶金研究所，前身是成立于1928年的國(guó)立中央研究院工程研究所，是中國(guó)最早的工學(xué)研究機(jī)構(gòu)之一。中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所學(xué)科領(lǐng)域?yàn)椋弘娮涌茖W(xué)與技術(shù)、信息與通信工程；學(xué)科方向?yàn)槲⑿⌒l(wèi)星、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、未來(lái)移動(dòng)通信、微系統(tǒng)技術(shù)、信息功能材料與器件。
 

圖 1 模型示意圖
 

圖2 (a)晶體感應(yīng)電流，(b)強(qiáng)制對(duì)流驅(qū)動(dòng)力示意圖和熔體自由液面溫場(chǎng)、流場(chǎng)分布圖