多尺度模拟揭示冷却管对直拉硅晶体中COP缺陷的抑制机制

本文推荐：该研究通过耦合有限元-元胞自动机（FE-CA）模型，创新性地解析了不锈钢冷却管对直拉法（CZ）硅晶体生长中空位型缺陷（COP）的抑制机制。研究发现冷却管通过增强轴向温度梯度（V/G>0.3 mm2/°C·min）、降低空位过饱和度，将COP缺陷减少74%，为半导体级硅晶圆制造提供了缺陷工程优化方案。

　　

Highlight

本研究通过多尺度建模揭示了冷却管在直拉硅晶体生长中的关键作用：通过增强热场调控，显著抑制晶体原生颗粒（COP）的形成。

CZ工艺简介

直拉法（CZ）作为制备高纯度单晶硅的主流技术，其核心是通过控制熔体温度、拉速（V）与轴向温度梯度（G）的比值（V/G）来调控点缺陷类型。当V/G>0.3 mm²/°C·min时，空位主导的缺陷（如COP）会显著增加。

COP的实验检测

从晶体不同轴向位置截取的晶圆显示，冷却管的引入使COP密度降低74%，激光粒子计数证实缺陷分布更均匀。

结果

有限元模拟表明：冷却管使轴向温度梯度提升1.6倍，空位扩散窗口缩短35%，有效抑制了空位团簇（void）的成核与生长。

讨论

冷却管通过三重机制发挥作用：(1) 加速晶体凝固，(2) 降低空位过饱和度，(3) 减少空位扩散时间。这些发现与半导体行业对高良率晶圆的需求高度契合。

结论

该FE-CA模型为热场优化提供了新工具，证明冷却管设计可将COP缺陷控制在工业化可接受范围内（<0.1个/cm²）。

（注：翻译保留原文技术细节如V/G比值符号，采用"空位团簇"等专业表述，并添加"三重机制"等生动归纳）