直拉硅单晶生长过程建模与控制
出版时间： 2015年版
内容简介
本书源于作者在直拉硅单晶生长控制领域十余年的研究心得与成果积累，在对硅单晶生长工艺参数及制备理论进行全面论述的基础上，系统地介绍了直拉硅晶体生长的基本原理和工艺过程以及热场、磁场等关键部件的设计理论与方法。研究了影响硅片品质的关键变量的检测问题和工程方法，提出了全自动晶体生长控制系统的基本理论和控制方法。全书分为八章，即绪论、硅单晶生长原理、硅单晶直拉（CZ）生长设备、直拉单晶炉热系统建模与设计实现、磁场环境下直拉硅单晶生长原理与实现、晶体生长过程关键变量的检测与信息处理、晶体生长过程控制原理与方法、全自动单晶炉自动控制系统设计与实现。书中的主要内容均从理论和实践两的方面予以阐述并辅以工程实验结果，具有理论引导、内容丰富、结合实际、指导性强的特点。本书对于从事集成电路产业的专业技术人员及从事此领域的研究、开发的相关人员、高校教师、硕士研究生和博士研究生具有参考价值。
目录
序 前言 第1章绪论1 1.1硅单晶在半导体行业中的应用2 1.2硅单晶在太阳能光伏发电领域的应用4 1.3硅单晶生长方法概述6 1.4章节安排7 参考文献7 第2章硅单晶生长原理9 2.1单晶生长基本理论9 2.1.1凝固结晶的动力9 2.1.2晶体生长系统的热平衡11 2.1.3热的传输与温度分布12 2.2晶体的生长速度15 2.2.1晶体生长过程中速度的概念15 2.2.2影响晶体生长速度的主要因素16 2.3晶体生长中的光环区与固液界面18 2.3.1光环区及其作用18 2.3.2固液界面及对晶体品质的影响19 2.4晶体生长过程中的热对流现象21 2.4.1自然对流21 2.4.2强迫对流23 2.4.3表面张力对流24 2.5氧？碳含量及缺陷24 2.5.1CZ硅中的氧及其控制25 2.5.2CZ硅中碳的形成与作用27 2.5.3晶体生长中的缺陷问题28 2.6小结36 参考文献36 第3章直拉硅单晶生长设备38 3.1硅单晶的常用制备方法38 3.1.1硅单晶的制备38 3.1.2硅单晶主要制备方法39 3.2直拉硅单晶生产的流程与设备48 3.2.1直拉法基本原理48 3.2.2晶体生长设备———单晶炉的主要部件49 3.3直拉硅单晶生长工艺57 3.3.1直拉硅单晶生长工艺流程57 3.3.2直拉硅单晶生长过程中的主要工艺参数61 3.4小结62 参考文献62 第4章直拉硅单晶热系统建模与设计实现63 4.1单晶炉内的热场及其对晶体品质的影响64 4.1.1直拉单晶炉内的热场64 4.1.2温度梯度对固液界面的影响65 4.2基于解析法的硅单晶热场建模与分析68 4.2.1硅单晶热场68 4.2.2硅单晶生长过程中的热传输68 4.2.3硅单晶热场的数学建模71 4.2.4结果分析73 4.3数值仿真在直拉法硅单晶生长中的应用74 4.3.1热场数值模拟技术研究现状75 4.3.2基于有限元法的热场数值计算77 4.3.3工程应用算例与验证85 4.3.4硅单晶典型生长阶段控制参数研究93 4.4热系统设计实例106 4.4.1ANSYS晶体生长数值仿真及固液界面形态模型107 4.4.2单晶炉内热屏功用分析与优化设计122 4.5小结131 参考文献132 第5章磁场环境下直拉硅单晶生长原理与实现134 5.1MCZ的基本原理与主要形式134 5.1.1磁场抑制熔体对流的原理134 5.1.2MCZ单晶炉常用磁场135 5.1.3勾形磁场抑制对流原理139 5.2勾形磁场的设计与实现142 5.2.1电磁场有限元分析理论142 5.2.2勾形磁场建模144 5.2.3勾形磁场结构设计147 5.2.4勾形磁场设计实验验证150 5.3勾形磁场结构优化153 5.3.1非对称结构的勾形磁场153 5.3.2横向层数对磁场的影响及对策154 5.3.3纵向层数对磁场的影响及对策154 5.3.4磁屏蔽体对磁场的影响155 5.3.5线圈间距对磁场的影响155 5.4勾形磁场功率优化156 5.4.1磁场功率优化基本问题156 5.4.2铜管传热原理及相关计算分析158 5.4.3线圈功率优化模型159 5.5勾形磁场制造工艺160 5.5.1勾形磁场线圈绕制方法160 5.5.2勾形磁场屏蔽体设计与加工161 5.5.3勾形磁场的升降系统设计162 5.6磁场环境下的硅单晶生长164 5.6.1磁场环境下的晶体生长模型164 5.6.2磁场对热对流的抑制作用168 5.6.3磁场和晶体/坩埚旋转的耦合效应171 5.6.4勾形磁场对固液界面形状的影响173 5.6.5勾形磁场对氧浓度的影响173 5.7超导磁场原理及在晶体生长中的应用177 5.7.1超导体的电磁性质177 5.7.2超导磁体的结构与设计178 5.7.3单晶生长中超导磁体系统的构成181 5.7.4超导磁体对于晶体生长的影响183 5.8小结185 参考文献186 第6章晶体生长过程关键变量的检测与信息处理188 6.1单晶炉热场温度检测188 6.1.1基于粒子群搜索幅值的自适应对消法190 6.1.2基于迭代自适应法的自适应对消法192 6.2单晶炉晶体直径检测196 6.2.1硅单晶直径检测方法196 6.2.2硅单晶直径信号处理207 6.3单晶炉硅熔液液位检测及信号处理211 6.4晶体生长状态变量检测及处理方法219 6.4.1化料检测219 6.4.2籽晶与液面接触检测222 6.5小结225 参考文献225 第7章晶体生长过程控制原理与方法229 7.1控制问题的提出229 7.1.1晶体直径控制231 7.1.2生长速度控制232 7.1.3晶体直径和生长速度的耦合关系232 7.2直拉硅单晶生长控制系统的组成233 7.3晶体生长过程中主要变量的关系模型235 7.3.1晶体生长速度与晶体直径的关系235 7.3.2弯月面质量计算模型236 7.3.3弯月面高度计算模型237 7.3.4熔体液面高度计算模型237 7.3.5晶体倾斜角计算238 7.3.6晶体生长速度计算238 7.3.7晶体重量计算239 7.3.8晶体弧面对称重测量信号的影响239 7.3.9晶体生长速度与固液界面热量的关系240 7.3.10固液界面形状与热传递的关系241 7.3.11基于晶体长度的数学模型242 7.4基于模型线性化的控制器设计242 7.5基于模型微分平坦性的控制器设计244 7.5.1微分平坦系统定义244 7.5.2系统的解耦分析245 7.5.3轨迹控制器设计246 7.6基于PID的晶体生长过程控制器设计247 7.6.1基于CCD测量的晶体直径PID控制247 7.6.2基于重量测量的晶体直径PID控制249 7.7基于模型与PID结合的控制器设计253 7.8小结256 参考文献256 第8章全自动单晶炉自动控制系统设计与实现261 8.1全自动晶体生长工艺对单晶炉控制系统的要求261 8.2基于现场总线技术的网络化单晶炉自动控制系统设计262 8.2.1CANOpen总线在晶体生长自动控制系统中的应用264 8.2.2单晶炉控制系统中的Modbus通信协议270 8.2.3基于工业以太网的上层网络设计271 8.2.4基于一线测温技术的冷却水测量系统272 8.3上位控制计算机监控软件的设计275 8.4小结285
