直拉硅單晶生長界面生成、演變及控制方法研究.pdf

1、單晶硅是最重要的半導(dǎo)體材料，伴隨著集成電路產(chǎn)業(yè)的進步，對單晶硅的品質(zhì)提出了更高的要求。直拉法是制備電子級單晶硅的主要方法，在直拉硅單晶生長系統(tǒng)中，生長界面（也稱為固液界面）是硅從液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變的分界面，生長界面的形狀直接影響到直拉硅單晶的品質(zhì)，平直的界面形狀有利于提高硅單晶品質(zhì)，例如徑向溶質(zhì)濃度、徑向電阻率等品質(zhì)參數(shù)。本文正是在這樣的背景下，對直拉硅單晶生長界面形狀生成機理及其控制方法進行研究。
　　1．數(shù)值模擬是對直拉硅單晶生長

2、過程進行研究的重要方法。針對固液界面形狀的數(shù)值模擬問題，本文建立了晶體生長系統(tǒng)的數(shù)值模型，提出一種內(nèi)熱源法和迭代法共同用于解決界面形狀的獲取問題，通過晶體生長實驗驗證了該方法的有效性。提出了一種二維/三維混合模型中邊界條件的確立方法，綜合考慮了熱輻射、熱傳導(dǎo)以及氬氣流動的影Ⅱ向，將數(shù)值模擬從二維推廣至三維空間。采用該方法對水平磁場作用下的晶體生長進行了研究，得到了磁場強度等因素對晶體生長溫度場和固液界面形狀的影響及描述。
　　2．

3、采用數(shù)值模擬的方法，依據(jù)晶體生長工藝過程，對放肩、等徑以及收尾階段的固液界面形狀進行了數(shù)值模擬。給出了固液界面形狀的演變過程，揭示了這種演變過程的內(nèi)在規(guī)律，研究了不同宏觀控制參數(shù)對固液界面形狀的影響。研究結(jié)果表明，液面位置的變化是影響固液界面形狀的主要干擾，需要進行抑制；提拉速度對界面形狀的影響較大，不能使用傳統(tǒng)的提拉速度作為控制量對晶體直徑進行控制，而應(yīng)當作為界面形狀的調(diào)整手段。根據(jù)界面形狀演變的內(nèi)在規(guī)律，分別采用提拉速度和晶轉(zhuǎn)作為調(diào)

4、整界面形狀的參數(shù)，優(yōu)化了界面形狀的平真度
　　3.對于晶體生長過程中液面位置變化對固液界面形狀的影響，提出一種熔硅液面位置檢測方法，使用基于模型的濾波方法濾除了檢測過程中的脈沖噪聲。在晶體生長實驗中對液面位置進行閉環(huán)控制，證明控制后的精度能夠達到<±0.2mm，達到了國家科技重大專項對半導(dǎo)體級單晶爐的控制精度要求。維持了液面位置穩(wěn)定，減少了液面位置變化對界面形狀的影響。
　　4．對于傳統(tǒng)拉速控制晶體直徑方式對界面形狀的影響，

5、提出一種恒拉速晶體直徑控制方法，采用溫度對晶體直徑進行控制。研究中將晶體生長過程分為多個階段進行辨識，通過實驗手段獲得不同階段的離線模型。使用基于模型的廣義預(yù)測控制解決控制過程中純滯后時間較大的問題；針對晶體生長過程中過程模型緩時變的特征，在不同階段離線模型的基礎(chǔ)上采用在線辨識的方法予以解決；對于不同階段間模型切換的問題，則采用多模型切換控制的思路，最終設(shè)計了恒拉速晶體直徑控制器，并通過晶體生長實驗驗證了控制方法的有效性。消除了傳統(tǒng)控制