柴氏法生長6~8吋矽單晶之高溫梯爐體與製程設計模擬

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邱彥智(Yen-Chih Chiu) 查詢紙本館藏

畢業系所

能源工程研究所

論文名稱

柴氏法生長6~8吋矽單晶之高溫梯爐體與製程設計模擬
(Effects of different furnace designs on the temperature field during Czochralski growth of 6~8 inch monocrystalline silicon crystals)

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摘要(中)

摘要
單晶矽為生產半導體的主要材料，為生產低電阻的半導體元件，需要在柴式法(Czochralski method ,Cz)生長單晶矽製程中，增加摻雜硼、磷、砷的濃度，進而降低矽晶圓的電阻。然而在晶體長度100~300mm時，因為重摻物種濃度高，容易導致矽晶晶棒組成過冷(Constitutional supercooling)，導致晶棒失去單晶結構。本研究使用，以有限體積法為基礎的長晶模擬軟體CGSim，建立長晶爐的物理模型，探討如何提升晶體溫梯，避免組成過冷發生。
本研究首先探討在生長75公斤6吋矽單晶時，增加冷卻環設計對熱場之影響。結果顯示當冷卻環長度加長、表面發射率升高，可以提升晶體溫梯。並以此高溫梯熱場與原熱場，比較不同晶體轉速、坩堝轉速搭配下，對熱流場、晶體溫梯與介面形狀之影響。使用原熱場設計搭配最佳生長參數，晶體溫梯從4.6上升到5.2(K/mm)，(提升13.6%)；使用高溫梯熱場搭配最佳生長參數，晶體溫梯從4.6上升到5.6(K/mm)，(提升21.9%)。另外討論加大產量，生長120公斤8吋矽晶之模擬。模擬原熱場與原本之生長參數，比較高溫梯熱場與最佳生長參數，在熱流場、溫梯與介面形狀的差異。研究發現在生產120公斤8吋矽晶時，使用高溫梯熱場與最佳參數，晶體溫梯從3.5上升到4.9(K/mm)，(提升晶體溫梯39%)。

摘要(英)

Abstract
The single crystalline-silicon (sc-si) is a major material for semiconductor. Recently, the demand for low resistivity wafer is increasing. In order to produce low resistivity wafer, the dopant concentration should be enhanced during the growth of Czochralski silicon. As the dopant concentration increased, the probability of losing structure increased as well. The phenomenon of losing structure is also known as constitutional supercooling. Increasing the temperature gradient in crystal is one method to prevent constitutional supercooling. The Cz furnace model is numerically investigated by CGSim (Crystal Growth Simulator). In this study, the numerical simulation has been performed to analyze how to enhanced the temperature gradient in crystal. First, compare the effect of adding cooled jacket in the furnace of 75kg 6 inch silicon. As the length of cooled jacket increased, the temperature gradient enhanced. Increasing the emissivity of cooled jacket could enhance the temperature gradient as well. Based on this hot zone design, comparing the effect of different crystal and crucible rotation rates. In the case of 75kg 6 inch silicon, the result showed that using the original hot zone with optimized growth parameter can increase the temperature gradient by 13.6% (from 4.6 to 5.2 K/mm). While using the cooled jacket design with optimized growth parameter could increase the temperature gradient 21.9% (from 4.6 to 5.6 K/mm). In addition, this study discusses the larger size production. If we using the optimized hot zone design with optimized growth parameter, the temperature gradient could be increased 39% (from 3.5 to 4.9 K/mm).

關鍵字(中)

★ 單晶矽
★ 柴式法
★ 溫梯

關鍵字(英)

★ Single crystalline-silicon (sc-si)
★ CZ
★ Temperature gradient

論文目次

目錄
摘要 I
Abstract II
目錄 IV
圖目錄 VI
表目錄 IX
符號說明 X
第一章緒論 1
1-1前言 1
1-2文獻回顧 1
柴式長晶法(Cz)介紹 1
柴式法矽單晶的應用 2
柴式法在重摻時候的困難與解決方法 3
1-3研究目的與動機 4
第二章物理模型與系統描述 6
2-1物理系統 6
2-2基本假設 6
2-3數學模型與邊界條件 7
2-3-1統御方程式 7
2-3-2熱場邊界條件 8
2-3-3流場邊界條件 9
2-4無因次參數式 9
第三章研究方法 15
3-1紊流模型 15
3-2.數值方法 15
3-3網格測試 16
3-4收斂性測試 16
3-5數值與實驗結果驗證 17
第四章結果與討論 21
4-1生長75公斤6吋矽單晶，冷卻環與熱帷幕的熱場設計 21
4-1-1冷卻環與三相點高度差，對溫梯的影響 21
4-1-2冷卻環表面發射率，對溫梯的影響 21
4-2不同晶堝轉速之熱場、流場比較 22
4-2-1原熱場設計，不同晶堝轉對熱流場的影響 22
4-2-2高溫梯熱場，不同晶堝轉對熱流場的影響 22
4-3大容量120公斤8吋矽單晶熱場模擬 24
4-4大容量120公斤8吋矽單晶製程設計 25
第五章結論與未來研究方向 55
參考文獻 56
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圖目錄
圖1-1柴式法重摻硼、磷、砷的，載子濃度與電阻關係[2] 5
圖1-2柴式生長法的熱傳示意圖[6] 5
圖2-1長晶爐示意圖 12
圖2-2系統參數，不同長晶階段之拉速 12
圖3-2，網格示意圖(a)Global (b)Local 18
圖3-3，網格數目測試 19
圖3-4收斂殘值測試 19
圖3-5功率驗證圖 20
圖4-1 爐體增設冷卻環示意圖(a)H= 406mm、(b)H= 206mm、(c)H= 74mm 27
圖4-2 晶體長度300mm時，冷卻環底端高度H與溫梯之關係 28
圖4-3 晶體長度900mm時，冷卻環底端高度H與溫梯之關係 28
圖4-4 冷卻環表面發射率，對晶體內溫梯之影響 29
圖4-5 原熱場在L=100mm時，固定晶轉13rpm，不同堝轉時的溫梯 30
圖4-6 原熱場在L=100mm時，固定晶轉13rpm，不同堝轉時的介面形狀 30
圖4-7 原熱場在L=100mm時，固定晶轉23rpm，不同堝轉時的溫梯 31
圖4-8 原熱場在L=100mm時，固定晶轉23rpm，不同堝轉時的介面形狀 31
圖4-9 高溫梯熱場在L=100mm時，固定晶轉13rpm，不同堝轉時的溫梯 32
圖4-10 高溫梯熱場在L=100mm時，固定晶轉13rpm，不同堝轉時的介面形狀 32
圖4-11 高溫梯熱場在L=100mm時，固定晶轉23rpm，不同堝轉時的溫梯 33
圖4-12 高溫梯熱場在L=100mm時，固定晶轉23rpm，不同堝轉時的介面形狀 33
圖4-13 高溫梯熱場在L=100mm時，固定晶轉13rpm，不同堝轉下的流場分佈 34
圖4-14 高溫梯熱場在L=100mm時，固定晶轉23rpm，不同堝轉下的流場分佈 35
圖4-15 高溫梯熱場在L=300mm時，固定晶轉13rpm，不同堝轉時的溫梯 36
圖4-16 高溫梯熱場在L=300mm時，固定晶轉13rpm，不同堝轉時的介面形狀 36
圖4-17 高溫梯熱場在L=300mm時，固定晶轉23rpm，不同堝轉時的溫梯 37
圖4-18 高溫梯熱場在L=300mm時，固定晶轉23rpm，不同堝轉時的介面形狀 37
圖4-19 高溫梯熱場在L=300mm時，固定晶轉13rpm，不同堝轉下的流場分佈 38
圖4-20 高溫梯熱場在L=300mm時，固定晶轉23rpm，不同堝轉下的流場分佈 39
圖4-21 高溫梯熱場在L=900mm時，固定晶轉13rpm，不同堝轉時的溫梯 40
圖4-22 高溫梯熱場在L=900mm時，固定晶轉13rpm，不同堝轉時的介面形狀 40
圖4-23 高溫梯熱場在L=900mm時，固定晶轉23rpm，不同堝轉時的溫梯 41
圖4-24 高溫梯熱場在L=900mm時，固定晶轉23rpm，不同堝轉時的介面形狀 41
圖4-25 高溫梯熱場在L=900mm時，固定晶轉13rpm，不同堝轉下的流場分佈 42
圖4-26 高溫梯熱場在L=900mm時，固定晶轉23rpm，不同堝轉下的流場分佈 43
圖4-27 高溫梯熱場在L=1500mm時，固定晶轉13rpm，不同堝轉時的溫梯 44
圖4-28 高溫梯熱場在L=1500mm時，固定晶轉13rpm，不同堝轉時的介面形狀 44
圖4-29 高溫梯熱場在L=1500mm時，固定晶轉23rpm，不同堝轉時的溫梯 45
圖4-30 高溫梯熱場在L=1500mm時，固定晶轉23rpm，不同堝轉時的介面形狀 45
圖4-31 高溫梯熱場在L=1500mm時，固定晶轉13rpm，不同堝轉下的流場分佈 46
圖4-32 高溫梯熱場在L=1500mm時，固定晶轉23rpm，不同堝轉下的流場分佈 47
圖4-33加大坩堝容量示意圖 48
圖4-34 120公斤熱場在不同晶體長度時，對應的晶體溫梯 49
圖4-35不同晶體長度時，以溫梯計算出的晶體長速 49
圖4-36加大坩堝容量，比較冷卻環效果之示意圖 50
圖4-37 120公斤8吋，以優化製程參數生產(a) L=200mm、(b) L=700mm、(c) L=1200mm 51
圖4-38 120公斤8吋，以原製程參數生產(a) L=200mm、(b) L=700mm、(c) L=1200mm 52
圖4-39 加入冷卻環的優化製程，在不同晶體長度時對溫梯、加熱器功率、熔湯內最高溫度之影響 53
圖4-40 加入冷卻環的優化製程，不同晶體長度時對固液介面形狀的影響 54

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表目錄
表2-1 矽物理性質 13
表2-2氬氣物理性質 13
表2-3其他固體物理性值表 14
表2-4實際長晶參數 14

參考文獻

參考文獻
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指導教授

陳志臣(Jyh-Chen Chen)

審核日期

2018-8-14

推文