柴式生長零缺陷矽單晶過程熱場分佈與
缺陷關係之數值模擬分析

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陳炳忠(Bing-Jung Chen) 查詢紙本館藏

畢業系所

機械工程學系

論文名稱

柴式生長零缺陷矽單晶過程熱場分佈與缺陷關係之數值模擬分析
(Numerical Simulation of thermal and microdefect distributions during the Czochralski Si-Crystal Growth )

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摘要(中)

矽單晶為半導體最主要的基材之一，而大約有85％的矽單晶是經由柴式法（Czochralski method）所製造的，在本研究中將針對柴式法生長矽單晶過程中的爐體設計做分析研究。
對於爐體內的熱流現象經由Heat transfer equation及Incompressible Navier-Stokes equatuion去計算後可以得到爐體內的熱流場及晶棒的熱歷史，再結合R.A.Brown等人所發展的缺陷方程式（Defect equation）計算晶棒內的OISF-ring的位置，再藉此分析晶棒內的缺陷分佈。
對於柴式法生長矽單晶的過程也將逐一針對不同尺寸的爐體內加裝熱遮罩，改變爐體設計對於熱流場及缺陷分佈的影響、氬氣流動現象的影響做深入的研究分析，同時也針對矽單晶的生長尺寸不同對於爐體內熱流場及缺陷分佈的影響加以分析，最後也將探討改變12吋爐體設計對於熱流場及缺陷分佈的影響所產生的變化。
本研究參考文獻及專利中的熱遮罩設計，將其加入爐體內並計算爐體內的熱流場分佈及晶棒內的缺陷分佈，利用熱遮罩的裝設來改變爐體的設計，並且利用熱遮罩的裝設來輔助晶體的生長，將可提升矽單晶的品質、提高矽單晶的拉速及降低氬氣的使用量，降低生產所需的成本。

摘要(英)

To clear the characteristics of the Czochralski (Cz) furnace for the single-crystal growth of silicon, a set of global analyses of momentum, heat and mass transfer in small Cz furnaces is carried out using the finite-element method. Consider the global system to be a steady state, axisymmetric system with laminar flow, and ideal gas condition. Convective and conductive heat transfers, radiative heat transfer between diffuse surfaces and the Navier–Stokes equations for gas are all combined and solved together.
In this work, heat shield is installed in the Czochralski furnace. Heat shield refers from the reference papers and U.S. patent. Heat shield will effect the thermal and microdefect distributions. In this work will analysis the heat shield effects by numerical simulation.

關鍵字(中)

★ 缺陷
★ 柴式
★ 熱遮罩

關鍵字(英)

★ heat shield
★ defect
★ Czochralski

論文目次

目錄
摘要...................................................... Ⅰ
誌謝...................................................... Ⅱ
圖表目錄.................................................. Ⅴ
符號說明.................................................. Ⅷ
第一章、緒論.............................................. 1
1.1 研究動機及研究目的................................... 1
1.2 柴式法生長矽單晶簡介................................. 2
第二章、矽單晶中缺陷生成概論.............................. 5
2.1 矽晶圓中的微缺陷的生成概論........................... 5
2.2 微缺陷形式介紹....................................... 6
2.2.1 A-defects與B-defects............................. 6
2.2.2 D-defects........................................ 6
2.2.3 OISF-ring........................................ 8
2.3 缺陷生成動力學理論及數值模擬......................... 11
2.3.1 缺陷的生成動力學................................. 11
2.3.2 缺陷分佈數值模擬................................. 14
2.3.3 V. V. Voronkov的理論............................ 14
2.3.4 R. A. Brown團隊對於缺陷分佈的研究................ 17
2.3.5 Dornberger 對於熱場設計的研究.................... 19
第三章、系統熱流現象及缺陷計算分析........................ 21
3.1 長晶過程熱流行為探討................................. 22
3.1.1 文獻回顧......................................... 22
3.1.2 加入熱遮罩的改變................................. 23
3.1.3 本研究中所採用之熱遮罩型式................... 24
3.1.4 長晶過程熱傳遞行為............................... 25
3.2 系統描述與數值方法................................... 27
3.2.1 系統內熱流計算分析............................... 27
3.2.2 缺陷計算分析..................................... 30
3.2.3 參數設定與數值方法介紹........................... 32
3.3 爐體內熱場設計....................................... 34
3.3.1 Hot zone元件的熱分佈情形......................... 34
3.3.2 SiO的污染效應.................................... 34
3.3.3 晶棒的熱歷史與缺陷成核溫度....................... 35
第四章、結果與討論........................................ 36
4.1 整體熱流場分析...................................... 37
4.2 6吋爐體內裝設熱遮罩後的改變.......................... 39
4.2.1 有無裝設熱遮罩後的熱場比較....................... 39
4.2.2 裝設熱遮罩後的缺陷分佈............................. 41
4.3 熱遮罩對於爐內流場之影響............................. 43
4.4 尺寸因素對於晶棒內缺陷分佈的影響..................... 45
4.4.1 尺寸因素對於爐體熱場的影響....................... 45
4.4.2 尺寸因素對於晶棒缺陷分佈的影響................... 46
4.5 熱遮罩應用於12吋爐體的影響........................... 47
4.5.1 裝設熱遮罩後的熱場改變....................... 47
4.5.2 裝設熱遮罩後的流場分佈....................... 48
4.5.3 裝設熱遮罩後的缺陷分佈............................. 48
4.6 晶體拉速對於缺陷分佈的影響........................... 49
第五章、結論.............................................. 50
參考文獻 ................................................. 52

參考文獻

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指導教授

陳志臣(Jyh-Chen Chen)

審核日期

2004-7-6

推文