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內容簡介

本書源於作者在直拉矽單晶生長控製領域十餘年的研究心得與成果積纍，在對矽單晶生長工藝參數及製備理論進行全麵論述的基礎上，係統地介紹瞭直拉矽晶體生長的基本原理和工藝過程以及熱場、磁場等關鍵部件的設計理論與方法。研究瞭影響矽片品質的關鍵變量的檢測問題和工程方法，提齣瞭全自動晶體生長控製係統的基本理論和控製方法。全書分為八章，即緒論、矽單晶生長原理、矽單晶直拉（CZ）生長設備、直拉單晶爐熱係統建模與設計實現、磁場環境下直拉矽單晶生長原理與實現、晶體生長過程關鍵變量的檢測與信息處理、晶體生長過程控製原理與方法、全自動單晶爐自動控製係統設計與實現。書中的主要內容均從理論和實踐兩的方麵予以闡述並輔以工程實驗結果，具有理論引導、內容豐富、結閤實際、指導性強的特點。本書對於從事集成電路産業的專業技術人員及從事此領域的研究、開發的相關人員、高校教師、碩士研究生和博士研究生具有參考價值。

目錄

序
前言
第1章緒論1
1.1矽單晶在半導體行業中的應用2
1.2矽單晶在太陽能光伏發電領域的應用4
1.3矽單晶生長方法概述6
1.4章節安排7
參考文獻7
第2章矽單晶生長原理9
2.1單晶生長基本理論9
2.1.1凝固結晶的動力9
2.1.2晶體生長係統的熱平衡11
2.1.3熱的傳輸與溫度分布12
2.2晶體的生長速度15
2.2.1晶體生長過程中速度的概念15
2.2.2影響晶體生長速度的主要因素16
2.3晶體生長中的光環區與固液界麵18
2.3.1光環區及其作用18
2.3.2固液界麵及對晶體品質的影響19
2.4晶體生長過程中的熱對流現象21
2.4.1自然對流21
2.4.2強迫對流23
2.4.3錶麵張力對流24
2.5氧？碳含量及缺陷24
2.5.1CZ矽中的氧及其控製25
2.5.2CZ矽中碳的形成與作用27
2.5.3晶體生長中的缺陷問題28
2.6小結36
參考文獻36
第3章直拉矽單晶生長設備38
3.1矽單晶的常用製備方法38
3.1.1矽單晶的製備38
3.1.2矽單晶主要製備方法39
3.2直拉矽單晶生産的流程與設備48
3.2.1直拉法基本原理48
3.2.2晶體生長設備———單晶爐的主要部件49
3.3直拉矽單晶生長工藝57
3.3.1直拉矽單晶生長工藝流程57
3.3.2直拉矽單晶生長過程中的主要工藝參數61
3.4小結62
參考文獻62
第4章直拉矽單晶熱係統建模與設計實現63
4.1單晶爐內的熱場及其對晶體品質的影響64
4.1.1直拉單晶爐內的熱場64
4.1.2溫度梯度對固液界麵的影響65
4.2基於解析法的矽單晶熱場建模與分析68
4.2.1矽單晶熱場68
4.2.2矽單晶生長過程中的熱傳輸68
4.2.3矽單晶熱場的數學建模71
4.2.4結果分析73
4.3數值仿真在直拉法矽單晶生長中的應用74
4.3.1熱場數值模擬技術研究現狀75
4.3.2基於有限元法的熱場數值計算77
4.3.3工程應用算例與驗證85
4.3.4矽單晶典型生長階段控製參數研究93
4.4熱係統設計實例106
4.4.1ANSYS晶體生長數值仿真及固液界麵形態模型107
4.4.2單晶爐內熱屏功用分析與優化設計122
4.5小結131
參考文獻132
第5章磁場環境下直拉矽單晶生長原理與實現134
5.1MCZ的基本原理與主要形式134
5.1.1磁場抑製熔體對流的原理134
5.1.2MCZ單晶爐常用磁場135
5.1.3勾形磁場抑製對流原理139
5.2勾形磁場的設計與實現142
5.2.1電磁場有限元分析理論142
5.2.2勾形磁場建模144
5.2.3勾形磁場結構設計147
5.2.4勾形磁場設計實驗驗證150
5.3勾形磁場結構優化153
5.3.1非對稱結構的勾形磁場153
5.3.2橫嚮層數對磁場的影響及對策154
5.3.3縱嚮層數對磁場的影響及對策154
5.3.4磁屏蔽體對磁場的影響155
5.3.5綫圈間距對磁場的影響155
5.4勾形磁場功率優化156
5.4.1磁場功率優化基本問題156
5.4.2銅管傳熱原理及相關計算分析158
5.4.3綫圈功率優化模型159
5.5勾形磁場製造工藝160
5.5.1勾形磁場綫圈繞製方法160
5.5.2勾形磁場屏蔽體設計與加工161
5.5.3勾形磁場的升降係統設計162
5.6磁場環境下的矽單晶生長164
5.6.1磁場環境下的晶體生長模型164
5.6.2磁場對熱對流的抑製作用168
5.6.3磁場和晶體/坩堝鏇轉的耦閤效應171
5.6.4勾形磁場對固液界麵形狀的影響173
5.6.5勾形磁場對氧濃度的影響173
5.7超導磁場原理及在晶體生長中的應用177
5.7.1超導體的電磁性質177
5.7.2超導磁體的結構與設計178
5.7.3單晶生長中超導磁體係統的構成181
5.7.4超導磁體對於晶體生長的影響183
5.8小結185
參考文獻186
第6章晶體生長過程關鍵變量的檢測與信息處理188
6.1單晶爐熱場溫度檢測188
6.1.1基於粒子群搜索幅值的自適應對消法190
6.1.2基於迭代自適應法的自適應對消法192
6.2單晶爐晶體直徑檢測196
6.2.1矽單晶直徑檢測方法196
6.2.2矽單晶直徑信號處理207
6.3單晶爐矽熔液液位檢測及信號處理211
6.4晶體生長狀態變量檢測及處理方法219
6.4.1化料檢測219
6.4.2籽晶與液麵接觸檢測222
6.5小結225
參考文獻225
第7章晶體生長過程控製原理與方法229
7.1控製問題的提齣229
7.1.1晶體直徑控製231
7.1.2生長速度控製232
7.1.3晶體直徑和生長速度的耦閤關係232
7.2直拉矽單晶生長控製係統的組成233
7.3晶體生長過程中主要變量的關係模型235
7.3.1晶體生長速度與晶體直徑的關係235
7.3.2彎月麵質量計算模型236
7.3.3彎月麵高度計算模型237
7.3.4熔體液麵高度計算模型237
7.3.5晶體傾斜角計算238
7.3.6晶體生長速度計算238
7.3.7晶體重量計算239
7.3.8晶體弧麵對稱重測量信號的影響239
7.3.9晶體生長速度與固液界麵熱量的關係240
7.3.10固液界麵形狀與熱傳遞的關係241
7.3.11基於晶體長度的數學模型242
7.4基於模型綫性化的控製器設計242
7.5基於模型微分平坦性的控製器設計244
7.5.1微分平坦係統定義244
7.5.2係統的解耦分析245
7.5.3軌跡控製器設計246
7.6基於PID的晶體生長過程控製器設計247
7.6.1基於CCD測量的晶體直徑PID控製247
7.6.2基於重量測量的晶體直徑PID控製249
7.7基於模型與PID結閤的控製器設計253
7.8小結256
參考文獻256
第8章全自動單晶爐自動控製係統設計與實現261
8.1全自動晶體生長工藝對單晶爐控製係統的要求261
8.2基於現場總綫技術的網絡化單晶爐自動控製係統設計262
8.2.1CANOpen總綫在晶體生長自動控製係統中的應用264
8.2.2單晶爐控製係統中的Modbus通信協議270
8.2.3基於工業以太網的上層網絡設計271
8.2.4基於一綫測溫技術的冷卻水測量係統272
8.3上位控製計算機監控軟件的設計275
8.4小結285

精彩書摘

第1 章緒論
矽(Si)為元素周期錶中的Ⅳ族元素？在地殼中主要以二氧化矽和矽酸鹽的形式存在？豐度為27.7%，僅次於氧？矽的原子量為28.05，25℃下密度為2.329g/cm3，具有灰色金屬光澤，較脆，莫氏硬度為6.5，稍低於石英？熔點為1410℃，達到熔點時體積收縮率為9.5%？常溫下矽錶麵覆蓋一層極薄的氧化層，化學性質不活潑？
20世紀中葉，鍺(Ge)和矽在工業中開始得到廣泛應用？在Bardeen等於1948年發明瞭晶體管之後，半導體材料的重要性與日俱增，發展速度之快甚至改變瞭人類的生活和思維方式，為人們創造瞭一個嶄新的世界？常用的半導體材料有矽？鍺和砷化鎵等，由於矽材料具有來源豐富？電學性能和熱穩定性好，且能在不同的溫度下穩定工作等特點，已逐漸取代鍺成為最重要的半導體材料？當今全球每年超過3000億美元的半導體市場中95%以上的半導體器件及95%以上的集成電路都用到瞭矽，同時近年來以矽材料為基礎的太陽能光伏發電産業迅速發展，導緻全世界對半導體矽材料的需求量非常大？
矽單晶也稱為單晶矽，是矽原子按一定規律周期性重復排列的矽單晶？熔融的單質矽在凝固時以金剛石晶格排列成許多晶核，如果這些晶核長成晶麵取嚮相同的晶粒，則這些晶粒平行結閤起來便結晶成矽單晶？矽單晶經後續處理後可用作半導體集成電路芯片和太陽能光伏電池的基礎材料？根據矽單晶中各結晶麵(或方嚮)的不同，它可分為[1，0，0]？[1，1，0]及[1，1，1]三類，如圖1.1所示？
矽的物理？化學性質依據不同晶嚮有所不同，因此，根據所製備半導體器件的不同要求，對矽單晶提齣不同的生長方嚮？對於多數矽結型器件(如晶體管？集成電路等)，大都采用[1，1，1]晶嚮矽片;對於錶麵器件(如MOSFET？CCD等)大都采用[1，0，0]晶嚮;而太陽能電池均采用[1，0，0]晶嚮矽片？
矽單晶作為微電子？光伏？通信和航空航天等高科技領域不可替代的關鍵材料，逐漸受到世界各國的廣泛重視？矽單晶已經成為現代信息技術得以持續發展的基礎性材料，由其衍生的許多新技術和新産品，已經融入人們生活的方方麵麵？例如，大部分電子産品，如計算機？移動電話或者數字音視頻設備當中的核心芯片都和矽單晶有著極為密切的關係？不同領域和應用對矽單晶品質的要求有很大差彆，目前對其質量的主要評價指標包括電阻率均勻度？氧碳含量？純度以及微缺陷等？
圖1.1晶嚮圖
1.1矽單晶在半導體行業中的應用
半導體技術就是以半導體材料為基礎，製作成組件及集成電路的技術，因此，電子産業又稱為半導體産業？絕大多數電子組件都是以矽為基材製作而成的？
半導體的導電能力介於導體與絕緣體之間？在純淨的半導體中通過摻雜可以得到兩種半導體，分彆為N型和P型半導體，兩種載流子為自由電子和空穴？通過特殊工藝把兩類摻雜半導體結閤在一起，將齣現電子和空穴的擴散？漂移？復閤等運動現象，這些運動現象會導緻在兩類半導體結閤部位形成構成電子器件基礎的PN結？集成電路均是製作在矽晶圓片的錶麵上，這裏的半導體矽晶圓片就是襯底，半導體襯底不僅具有電氣性能，而且具有機械支撐作用？
半導體技術進入納米時代後，一些薄膜的厚度達到1~2nm，而且其整片的誤差要求小於5%？這相當於在100個足球場大小的麵積上要很均勻地鋪一層約1cm厚的泥土，而且誤差要控製在0.05cm的範圍內，難度可想而知[1]？半導體技術的演進，除瞭改善性能(如芯片的運行速度？能耗與可靠性)外，另一重點就是降低成本和提高效率，除瞭改良製作方法，包括製作流程與采用的設備外，如果能在矽芯片的單位麵積産齣更多芯片，成本也會下降？所以半導體技術的一個非常重要的發展趨勢，就是矽晶片的尺寸越來越大，而集成電路芯片外形尺寸日趨微小化？
總而言之，隨著半導體集成電路技術的不斷發展，為提高産業過程中的效率，芯片集成度不斷提高，最小綫寬不斷縮小，芯片麵積不斷增大？這就迫切要求半導體材料行業能夠提供直徑更大？質量更好的矽單晶晶圓片，也就是在要求提高單晶尺寸的同時減小缺陷密度？目前主流DRAM和CPU的最小綫寬已經小於22nm，而且還在不斷縮小？適閤微細加工的大直徑？低缺陷矽晶片在市場中的需求量日益加大？矽片直徑由1950年的1in(1in=2.54cm)逐步發展，目前已經完成8~12in的過渡？在2003年隻占有市場份額7%的12in矽片到2013年其市場占有比例已經超過70%？目前，部分科研機構已經開展瞭16~18in矽單晶的生産技術研究？直徑越大的晶圓片所能刻製的集成電路越多，晶片的使用效率越高，芯片成本越低，同時大尺寸晶片對其生長設備和工藝要求也越高？錶1.1為矽單晶發展趨勢及其質量要求？
半導體集成電路技術在國民經濟和科學技術發展中發揮著重要作用，各個國傢對高品質矽單晶的消耗量反映瞭該國集成電路製造業的規模，而各國對矽單晶和矽拋光片的製造水平是該國集成電路産業是否獨立自主的重要標誌？
隨著我國電子信息産業的高速發展，目前已經初步具備瞭集成電路生産能力，因此國內市場在不斷提高矽單晶産量的同時，對其內在品質的要求也越來越高？據工業和信息化部統計，由於我國半導體分立器件行業的快速發展，到2020年，中國可能成為全球最大的集成電路製造基地之一，這也勢必帶動我國半導體設備市場的大幅增長？
圖1.2為我國集成電路産業産量增長狀況[2]？圖1.3為2006~2012年我國半導體産業銷售額增長狀況[2]？
截至2012年，我國集成電路晶圓生産綫投入運營的有56條，其中12in芯片生産綫已經達到6條？8in生産綫15條？6in生産綫12條？5in生産綫9條？4in生産綫14條？從數量分布上看，目前國內晶圓生産綫中6in及以下生産綫在整個産業中仍占據相當比例？但同時8in生産綫數量正在迅速增加，並已成為産業的主流？從技術上看，MOS生産綫占瞭一半以上，Bipolar和BiCMOS所占比例正在不斷下降？
圖1.2我國集成電路産業産量增長狀況(數據來源:CSIA)
圖1.32006~2012我國半導體産業銷售額增長狀況(數據來源:CSIA)
1.2矽單晶在太陽能光伏發電領域的應用
在科學技術飛速發展的今天，利用矽單晶生産的太陽能電池可以直接把太陽能轉化為光能，實現瞭邁嚮綠色能源革命的開始？太陽能光伏發電依靠光伏效應，依據光伏效應原理，如果光綫照射在太陽能電池上並且光在界麵層被吸收，具有足夠能量的光子能夠在P型矽和N型矽中將電子從共價鍵中激發，以緻産生電子-空穴對？界麵層附近的電子和空穴在復閤之前，將通過空間電荷的電場作用被相互分離？電子嚮帶正電的N區？空穴嚮帶負電的P區運動？通過界麵層的電荷分離，將在P區和N區之間産生電壓？通過光照在界麵層産生的電子-空穴對越多，電流越大？界麵層吸收的光能越多，界麵層即電池麵積越大，在太陽能電池中形成的電流越大[3]？進一步將大量的太陽能電池串聯，再進行結構保護，即成為太陽能電池組件，最終采用功率控製器等部件進行調解就成為光伏發電裝置？處於核心地位的太陽能電池分為單晶矽太陽能電池？多晶矽太陽能電池和非晶矽太陽能電池三種，其中，單晶矽太陽能電池的應用最為廣泛？
目前，太陽能光伏發電已經到瞭理論成熟階段，正走嚮大範圍實際應用階段，太陽能矽單晶的利用將普及全世界，市場需求量不言而喻？北京“綠色奧運”及英國倫敦奧運會已充分展示瞭以矽單晶為主材料的太陽能電池的運用？
太陽能光伏發電具有安全？清潔？環保和可持續發展等特點，所以在石油和煤炭資源日趨緊張和溫室氣體排放問題逐漸嚴峻的環境下，太陽能光伏發電已經成為一種理想的可再生能源？根據歐盟委員會聯閤研究中心(JointResearchCentre，JRC)的預測，到2030年太陽能發電將在世界電力供應中顯現其重要作用，發電量將占10%以上？因此，大力發展太陽能産業是優化能源結構和提高能源占有量的強有力手段？
圖1.4為全球光伏年度裝機容量趨勢圖[4]？
圖1.4全球光伏年度裝機容量趨勢圖(數據來源:EPIA)為瞭進一步提高矽單晶的品質和生産效率，達到降低太陽能發電成本的目的，需要提高矽單晶生産設備的技術水平？雖然太陽能光伏發電領域對所用到的矽單晶晶圓片的要求不如集成電路高，但是也在嚮著大直徑和低氧碳含量的方嚮發展[5，6]，這對其生長工藝和設備也提齣瞭更高的要求？
1.3矽單晶生長方法概述
矽單晶可以分為天然矽單晶和人工矽單晶，由於天然矽單晶數量很少，通常使用的矽單晶都是人工製備的？為瞭製備性能良好的矽單晶，從19世紀開始，人類已經探索瞭許多方法來製備理想的矽單晶，如直拉法[6]？區熔法[7]？外延法？焰熔法？水熱法等？盡管製備矽單晶的方法很多，但目前在實踐中最常用的方法是直拉法和區熔法？直拉法也稱為CZ(Czochralski)法，是製備矽單晶的主要方法，廣泛應用於大直徑？高品質半導體晶體和光學介質晶體的生長與製備？特彆是直拉法可通過摻雜等手段控製晶體特性，比區熔法更容易生長齣大尺寸的矽單晶棒，因而在半導體器件與集成電路産業中占據重要地位？早期的矽單晶生長主要依賴於操作者的經驗和技術，因此常被稱為一門“藝術”？隨著計算機和自動控製技術的發展，矽單晶生長實現瞭由“手動”到“自動”的轉變，開始成為一門“科學”，並已形成全球範圍內學術界和産業界的研究熱點和核心技術？目前，矽單晶生長正嚮著高純淨度？高完整性？高均勻性和大直徑方嚮發展，以滿足集成電路綫程不斷演進？品質日益提高的要求？
大尺寸電子級矽單晶爐是利用CZ法生産集成電路用矽單晶的關鍵技術裝備，在集成電路産業鏈中居首要地位，涉及半導體材料與工藝？自動控製理論與方法？機械製造？檢測方法與技術等多個專業技術領域，具有綜閤性？復雜性和精確性的特點？長期以來，電子級矽單晶爐的關鍵技術均由少數國傢所壟斷，成為製約我國集成電路産業發展的瓶頸之一，其核心主要體現在技術裝備和生長工藝兩方麵？
作者及其所領導的團隊自2009年1月實施國傢科技重大專項“300mm矽單晶直拉生長裝備的開發”項目以來，圍繞極大規模集成電路用單晶爐的關鍵技術進行攻關，凝聚瞭自動控製？電子信息？檢測及傳感？機械？材料等多學科交叉的科研人纔？研發團隊在國外技術封鎖？國內相關技術匱乏的情況下，曆經20個月，從自主設計？單元測試？整機製造？係統調試到拉晶實驗，取得瞭豐碩的成果，於2010年9月5日在自主研製的300mm矽單晶爐中成功拉製齣300mm無位錯矽單晶棒？主要成果有:研製成功國內第一颱電子級單晶爐用大型勾形磁場，打破瞭國外公司對大尺寸磁場的技術和産品壟斷;發明瞭新型直徑

前言/序言

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