直拉硅單晶生長(zhǎng)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(jìn)步，對(duì)單晶硅的品質(zhì)提出了更高的要求。直拉法是制備電子級(jí)單晶硅的主要方法，在直拉硅單晶生長(zhǎng)系統(tǒng)中，生長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)直拉硅單晶生長(zhǎng)界面形狀生成機(jī)理及其控制方法進(jìn)行研究。
　　1．?dāng)?shù)值模擬是對(duì)直拉硅單晶生長(zhǎng)

2、過程進(jìn)行研究的重要方法。針對(duì)固液界面形狀的數(shù)值模擬問題，本文建立了晶體生長(zhǎng)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(zhǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(dòng)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(duì)水平磁場(chǎng)作用下的晶體生長(zhǎng)進(jìn)行了研究，得到了磁場(chǎng)強(qiáng)度等因素對(duì)晶體生長(zhǎng)溫度場(chǎng)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(zhǎng)工藝過程，對(duì)放肩、等徑以及收尾階段的固液界面形狀進(jìn)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(duì)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(jìn)行抑制；提拉速度對(duì)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(duì)晶體直徑進(jìn)行控制，而應(yīng)當(dāng)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(duì)于晶體生長(zhǎng)過程中液面位置變化對(duì)固液界面形狀的影響，提出一種熔硅液面位置檢測(cè)方法，使用基于模型的濾波方法濾除了檢測(cè)過程中的脈沖噪聲。在晶體生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)中對(duì)液面位置進(jìn)行閉環(huán)控制，證明控制后的精度能夠達(dá)到<±0.2mm，達(dá)到了國(guó)家科技重大專項(xiàng)對(duì)半導(dǎo)體級(jí)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(duì)界面形狀的影響。
　　4．對(duì)于傳統(tǒng)拉速控制晶體直徑方式對(duì)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(duì)晶體直徑進(jìn)行控制。研究中將晶體生長(zhǎng)過程分為多個(gè)階段進(jìn)行辨識(shí)，通過實(shí)驗(yàn)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(cè)控制解決控制過程中純滯后時(shí)間較大的問題；針對(duì)晶體生長(zhǎng)過程中過程模型緩時(shí)變的特征，在不同階段離線模型的基礎(chǔ)上采用在線辨識(shí)的方法予以解決；對(duì)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(jì)了恒拉速晶體直徑控制器，并通過晶體生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了控制方法的有效性。消除了傳統(tǒng)控制