热屏位置对熔体流场及氧迁移路径的影响

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2026.0085

摘要/Abstract

摘要： 单晶硅部件是半导体设备核心构件，氧含量决定其性能与寿命，不同应用控制标准差异显著，精准控氧是产业发展关键。本文研究了热屏位置变化对氩气流场、熔体流场和温场的影响规律，并深入揭示了熔体流场与温场二者协同作用对氧杂质溶解量、迁移通量及迁移路径的内在影响机制。结果表明，缩短热屏与晶体间距，可提升三相点附近氩气流速，提升氧杂质去除效率；同时均化熔体温场，抑制石英坩埚溶解，并改善熔体湍流黏度以削弱氧杂质在熔体内的输运迁移，此外，还可以促使熔体表层形成紧凑小涡流，改变氧杂质迁移路径。在熔体流场与温场共同作用下，晶体径向氧含量最大值下降0.275×10¹⁷ atoms/cm³，均值下降0.206×10¹⁷ atoms/cm³。

关键词: 直拉单晶硅; 热屏位置; 氧迁移路径; 晶体氧含量; 熔体流场

Abstract: Monocrystalline silicon components serve as core parts of semiconductor equipment and are widely used in various high-temperature manufacturing processes of integrated circuits. Oxygen content dominates their performance and service life. With distinct control standards for different application scenarios， precise oxygen control is critical to industrial development. This paper investigates the influence of thermal shield position on the argon flow field， melt flow field and temperature field， and further reveals the internal mechanism of the synergistic effect between the melt flow field and temperature field on the dissolution capacity， migration flux and migration path of oxygen impurities. The results show that reducing the spacing between the thermal shield and the crystal can increase the argon flow velocity near the triple-phase point， enhance crystal heat dissipation， stabilize the growth interface and improve the removal efficiency of oxygen impurities. Meanwhile， it homogenizes the melt temperature field， inhibits quartz crucible dissolution， optimizes melt turbulent viscosity， and weakens the transport and migration of oxygen impurities in the melt. In addition， compact small eddies form on the melt surface， altering the migration path of oxygen impurities. Under the combined effect of melt flow field and temperature field， the maximum radial oxygen content of the crystal decreases by 0.275×10¹⁷ atoms/cm³， and the average value decreases by 0.206×10¹⁷ atoms/cm³.

Key words: Czochralski monocrystalline silicon; thermal shield position; oxygen migration path; crystal oxygen content; melt flow field

中图分类号:

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图/表 18

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d/mm	T_min/K	T_max/K	T_ave/K
20	1 685	1 700.9	1 691.85
30	1 685	1 702.7	1 693.11
40	1 685	1 704.2	1 694.17
50	1 685	1 705.5	1 695.15
50	1 685	1 706.8	1 695.98

d/mm	T_min/K	T_max/K	T_ave/K
20	1 685	1 700.9	1 691.85
30	1 685	1 702.7	1 693.11
40	1 685	1 704.2	1 694.17
50	1 685	1 705.5	1 695.15
50	1 685	1 706.8	1 695.98

d/mm	Minimum oxygen concentration/ （10¹⁷ atoms·cm^-3）	Maximum oxygen concentration/ （10¹⁷ atoms·cm^-3）	Average oxygen concentration/ （10¹⁷ atoms·cm^-3）	Max-min difference/ （10¹⁷ atoms·cm^-3）
20	8.947	10.348	10.035	1.401
30	9.034	10.513	10.167	1.479
40	9.053	10.542	10.180	1.507
50	9.100	10.601	10.225	1.501
60	9.121	10.623	10.241	1.502

d/mm	Minimum oxygen concentration/ （10¹⁷ atoms·cm^-3）	Maximum oxygen concentration/ （10¹⁷ atoms·cm^-3）	Average oxygen concentration/ （10¹⁷ atoms·cm^-3）	Max-min difference/ （10¹⁷ atoms·cm^-3）
20	8.947	10.348	10.035	1.401
30	9.034	10.513	10.167	1.479
40	9.053	10.542	10.180	1.507
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