基于有限元模型的CZ法硅单晶温度与直径跟踪控制

发布时间：2020-10-21 05:45

　　 硅单晶是半导体集成电路和光伏发电产业的重要基础材料,通常采用直拉法(CZ)生长硅晶体。随着大规模集成电路技术的不断发展,要求硅单晶向着大尺寸和高品质的方向发展。然而硅单晶尺寸的增大,使得晶体生长过程中的非线性、大时滞、缓时变等特性增强,导致建立准确的晶体生长模型愈发困难,从而也难以实现对硅单晶生长过程的精确控制。因此,为了适应硅单晶大尺寸、高品质的发展趋势,建立更准确、更贴近实际的晶体生长控制模型,对于实现晶体直径和品质的同时控制至关重要。在CZ法晶体生长过程中,经常忽略晶体直径控制效果对晶体品质的影响。然而晶体品质又与晶体内部的温度分布密切相关。为此,本文依据晶体生长过程中的提拉动力学原理以及晶体内部的热传输方程,提出了一种基于有限元数值模型的硅单晶生长温度与晶体直径同时控制的系统结构。首先,根据建立的晶体生长提拉动力学模型设计控制器,实现了晶体外形的实时控制;其次分别在晶体表面与外部环境之间的强、弱热辐射作用条件下,建立了晶体内部热传输的动态有限元数值模型,并通过CGSim数值仿真确定了加热器辐射高度和晶体温度监测点位置;然后,在温度梯度和加热器输入功率的约束下,利用ALO优化得到了最佳加热器辐射功率轨迹和最佳温度轨迹;最后,根据建立的晶体内部热传输模型设计控制器,实现了当晶体外形变化时对于晶体内部温度分布的跟踪控制。研究结果表明,基于有限元模型的CZ法硅单晶生长温度与直径跟踪控制系统能够实现对晶体直径和晶体温度的同时控制,而且具有对干扰的抑制性能和较强的鲁棒性。另外,为了提高PID晶体直径控制性能,引入生物启发模型在抑制固液界面热通量偏差较大所导致的控制量抖动问题的同时,又明显地提高了晶体直径控制精度。在弱热辐射作用下基于状态方程的MPC控制性能优于PID控制,且满足实时性要求。而强热辐射作用下,模型收敛速度降低,此时为了兼顾准确性和实时性,MRAC的控制效果明显优于常规PID和MPC,更有助于避免晶体位错缺陷产生的可能性。
【学位单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O613.72;TP273
【部分图文】：

绪论.1 研究背景及意义从晶体管问世开始，到目前完全占领整个电子信息市场，半导体材料的优越性能业界得到广泛认可，现已成为工业生产过程中的重要基础材料。其中，以硅材料表突出。硅材料来源广泛，极易获取，储存量大，利用硅材料制作的半导体电子器件多特点，如良好的电学特性和热稳定性使其在不同温度环境下仍可以保持稳定工作而成为了微电子、通信、光伏发电以及航空航天等领域不可替代的半导体材料。如球范围内以硅单晶为基础材料的半导体产品的市场占有率占 95%以上[1]，与此同时近年来太阳能光伏发电产业的迅速发展，半导体硅材料的需求量也急剧上升[2]。硅半导体材料主要指硅单晶材料，而硅单晶则是硅原子严格按照一定晶格结构生的产物。自然界存在的硅单晶分为天然形成和人工制备两种，由于天然形成的硅单稀少，通常需要通过人工制备的方法来获取。硅单晶生长完成后再经过后续的抛光等工艺过程则可以作为基础材料用于半导体集成电路和光伏发电产业，如图 1-1 所

西安理工大学硕士学位论文制模型使其更准确、更贴近实际，并且能够结合控制方法其满足工业要求是至关重要的。众所周知，晶体品质由其位错密度、晶体内部的残留应力等，而这些属性很大程度情况。因此，为了适应硅单晶大尺寸、高品质的发展趋势部温度分布的同时控制具有重要意义。单晶生长技术制备硅单晶方法很多，比较有代表性的包括直拉法（CZ、水热法等[5]。直拉法能够通过掺杂等手段来控制晶体特硅单晶棒，因而在半导体器件与集成电路产业中占据着非直径、高品质硅单晶的生长与制备过程[6-9]。其中，CZ 法。

图 1-3 热系统实物Fig.1-3 Thermal system917 年发明了从熔体中生长单晶的方法，奠定了大程度上促进了晶体生长技术的发展。直拉法晶观察晶体生长过程；不发生直接接触，热应力得以明显降低；晶和缩颈工艺显著减少缺陷，得到特定晶向的以适当增大。拉硅单晶生长示意图。
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本文编号：2849722