摘要
单晶硅是最重要的半导体材料，伴随着集成电路产业的进步，对单晶硅的品质提出了更高的要求。直拉法是制备电子级单晶硅的主要方法，在直拉硅单晶生长系统中，生长界面（也称为固液界面）是硅从液态向固态转变的分界面，生长界面的形状直接影响到直拉硅单晶的品质，平直的界面形状有利于提高硅单晶品质，例如径向溶质浓度、径向电阻率等品质参数。本文正是在这样的背景下，对直拉硅单晶生长界面形状生成机理及其控制方法进行研究。 1．数值模拟是对直拉硅单晶生长过程进行研究的重要方法。针对固液界面形状的数值模拟问题，本文建立了晶体生长系统的数值模型，提出一种内热源法和迭代法共同用于解决界面形状的获取问题，通过晶体生长实验验证了该方法的有效性。提出了一种二维/三维混合模型中边界条件的确立方法，综合考虑了热辐射、热传导以及氩气流动的影Ⅱ向，将数值模拟从二维推广至三维空间。采用该方法对水平磁场作用下的晶体生长进行了研究，得到了磁场强度等因素对晶体生长温度场和固液界面形状的影响及描述。 2．采用数值模拟的方法，依据晶体生长工艺过程，对放肩、等径以及收尾阶段的固液界面形状进行了数值模拟。给出了固液界面形状的演变过程，揭示了这种演变过程的内在规律，研究了不同宏观控制参数对固液界面形状的影响。研究结果表明，液面位置的变化是影响固液界面形状的主要干扰，需要进行抑制；提拉速度对界面形状的影响较大，不能使用传统的提拉速度作为控制量对晶体直径进行控制，而应当作为界面形状的调整手段。根据界面形状演变的内在规律，分别采用提拉速度和晶转作为调整界面形状的参数，优化了界面形状的平真度 3.对于晶体生长过程中液面位置变化对固液界面形状的影响，提出一种熔硅液面位置检测方法，使用基于模型的滤波方法滤除了检测过程中的脉冲噪声。在晶体生长实验中对液面位置进行闭环控制，证明控制后的精度能够达到<±0.2mm，达到了国家科技重大专项对半导体级单晶炉的控制精度要求。维持了液面位置稳定，减少了液面位置变化对界面形状的影响。 4．对于传统拉速控制晶体直径方式对界面形状的影响，提出一种恒拉速晶体直径控制方法，采用温度对晶体直径进行控制。研究中将晶体生长过程分为多个阶段进行辨识，通过实验手段获得不同阶段的离线模型。使用基于模型的广义预测控制解决控制过程中纯滞后时间较大的问题；针对晶体生长过程中过程模型缓时变的特征，在不同阶段离线模型的基础上采用在线辨识的方法予以解决；对于不同阶段间模型切换的问题，则采用多模型切换控制的思路，最终设计了恒拉速晶体直径控制器，并通过晶体生长实验验证了控制方法的有效性。消除了传统控制方式中提拉速度对界面形状的影响。 仿真研究和工程实验验证了本文所获得结果的正确性。
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