《Vacuum》：Optimizing doping and boat design to mitigate slip in silicon wafers during high-temperature argon annealing
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高温氩气退火中硅片滑移线形成机制及抑制策略研究，通过船齿结构优化降低应力集中（降幅54.9%）与氮掺杂增强材料抗滑性能的协同作用，实现滑移线完全消除。
杨月浩|王虎|张辉|孙晨光|张学楠|谢新健|刘国东|陈贵峰
河北工业大学天津智能电力分配设备及系统国家重点实验室，300132，中国
摘要
在1200°C以上的高温氩气退火过程中，实现硅晶圆的无滑移加工是一个重大挑战。为了解决这一挑战，通过修改退火舟中的齿状结构，对300毫米硅晶圆上的重力诱导应力集中进行了模拟研究。假设材料具有各向异性且表现出线性弹性行为，采用三维有限元分析方法计算了不同齿状设计下的应力集中情况。结果表明，与原始设计相比，优化后的齿状结构使重力引起的最大等效应力降低了约54.9%。后续的退火实验验证了模拟结果的准确性：在改进后的退火舟中处理的晶圆上明显减少了滑移线的数量。研究发现了一个关键的协同效应：结构优化使外部应力降低了54.9%，而氮掺杂增强了材料本身的抗滑移能力。这种组合最终实现了氮掺杂晶圆中滑移线的完全消除，突显了抑制滑移的双重途径策略。
引言
对于IGBT基板而言，对成本效益高的Czochralski（CZ）硅晶圆的需求主要由新能源汽车等应用驱动[1,2]。低氧CZ晶圆的一个关键优势是它们在高温氩气退火后能够形成深且无缺陷的区域，适合IGBT漂移区的使用[[3], [4], [5], [6]]。然而，这一优势也带来了显著的代价：氧含量的降低显著削弱了晶圆的机械强度[7,8]。这是因为通常固定位错并增强固溶体强度的间隙氧原子显著减少。结果，当氧含量低于5 ppma时，硅晶体的临界解理剪切应力在1100 K时降至5 MPa以下[9]。这种机械脆弱性使得晶圆在退火过程中容易在热应力作用下发生位错滑移，从而形成有害的表面滑移线，这可以通过X射线拓扑（XRT）观察到。在优化电性能与保持机械完整性之间存在内在矛盾，成为加工中的一个重大瓶颈。
测量显示，滑移主要起源于退火舟齿状结构与硅晶圆接触点，并沿<110>晶向传播。在滑移线中心会形成一个十字形图案。假设齿状结构尖端是应力集中点（见图1）（见图2）。
虽然炉子几何形状是一个已知因素，但加工环境（特别是在亚大气压氩气环境中）的作用仍研究不足。受控气氛不仅对于防止氧化至关重要，还能最小化可能改变表面力学性质或缺陷动态的残留污染物的吸收[[10], [11], [12], [13]]。此外，全面理解这一问题需要将外部因素（来自退火舟的应力）与内部因素（通过掺杂改变的材料强度）区分开来。本研究系统地探讨了这两个方面。
在退火过程中，位错运动主要受热应力和晶圆与退火舟齿状结构接触处的接触应力驱动。先前的研究[14,15]使用有限元模拟和实验分析了垂直和水平退火舟中的应力行为。本研究提出了一种通过修改垂直退火舟的齿状结构来减少接触应力的方法，从而减轻退火后的滑移现象。
本研究提出了一种新颖的抑制滑移的双重途径策略，结合了基于定量有限元分析的退火舟几何结构优化（外部因素）和氮掺杂以增强材料内在强度（内部因素）。这种协同效应不仅仅是简单的叠加，而是实现了质的飞跃：完全消除了滑移，这是单独使用任一方法都无法实现的。这为扩展先进半导体制造工艺窗口提供了机制框架。
模型建立与网格划分
在本研究中，退火舟模型基于市售的Wing-Type退火舟建立，并将其简化结构导入ANSYS的静态分析模块中。
假设硅晶圆和退火舟均为线性弹性体。退火舟材料选为SiC。由于研究的重点是评估宏观尺寸变化对应力的影响，因此将退火舟近似为各向同性材料，其弹性模量为450 GPa，密度为3210 kg/m3。
实验
实验使用了直径为300毫米、厚度为775微米、（100）晶向的轻掺杂n型硅晶圆。所有晶圆的氧浓度为1.0 × 101?原子/cm3（符合新的ASTM标准）。为了评估氮掺杂对滑移形成的影响，准备了两种规格相同的晶圆：一组氮掺杂硅晶圆和另一组未掺氮的硅晶圆。
氮掺杂是在Czochralski晶体生长过程中进行的。
外部途径的验证
结果在抑制滑移的双重途径框架下进行分析，包括（1）通过退火舟几何结构优化来减少应力的外部途径，以及（2）通过氮掺杂来增强材料内在强度的内部途径。
结论
本研究建立了控制高温氩气退火过程中滑移的机制框架。我们证明了这一现象受外部机械应力与材料内在强度相互作用的影响。
1.我们开发并验证了一个预测性有限元模型，该模型能够量化重力诱导的应力，从而合理设计退火舟几何结构，使应力集中降低了54.9%。
2.我们提供了有力的实验证据，证明氮掺杂能够从本质上
作者贡献声明
杨月浩：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，正式分析，数据整理。王虎：监督，软件使用，资源提供，实验调查。张辉：资源提供，实验调查，正式分析。孙晨光：监督，资源提供，项目管理。张学楠：监督，资源提供，项目管理，方法论制定。谢新健：监督，软件使用，方法论制定，实验调查。刘国东：监督，资源提供，项目管理，概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了河北省自然科学基金的重点计划（编号F2025202069和F2023516003）的支持。
