硅單晶是半導體集成電路和光伏發(fā)電產業(yè)的重要基礎材料,通常采用直拉法(CZ)生長硅晶體。隨著大規(guī)模集成電路技術的不斷發(fā)展,要求硅單晶向著大尺寸和高品質的方向發(fā)展。然而硅單晶尺寸的增大,使得晶體生長過程中的非線性、大時滯、緩時變等特性增強,導致建立準確的晶體生長模型愈發(fā)困難,從而也難以實現(xiàn)對硅單晶生長過程的精確控制。因此,為了適應硅單晶大尺寸、高品質的發(fā)展趨勢,建立更準確、更貼近實際的晶體生長控制模型,對于實現(xiàn)晶體直徑和品質的同時控制至關重要。在CZ法晶體生長過程中,經常忽略晶體直徑控制效果對晶體品質的影響。然而晶體品質又與晶體內部的溫度分布密切相關。為此,本文依據晶體生長過程中的提拉動力學原理以及晶體內部的熱傳輸方程,提出了一種基于有限元數值模型的硅單晶生長溫度與晶體直徑同時控制的系統(tǒng)結構。首先,根據建立的晶體生長提拉動力學模型設計控制器,實現(xiàn)了晶體外形的實時控制;其次分別在晶體表面與外部環(huán)境之間的強、弱熱輻射作用條件下,建立了晶體內部熱傳輸的動態(tài)有限元數值模型,并通過CGSim數值仿真確定了加熱器輻射高度和晶體溫度監(jiān)測點位置;然后,在溫度梯度和加熱器輸入功率的約束下,利用ALO優(yōu)化得到了最佳加熱器輻射功率軌跡和最佳溫度軌跡;最后,根據建立的晶體內部熱傳輸模型設計控制器,實現(xiàn)了當晶體外形變化時對于晶體內部溫度分布的跟蹤控制。研究結果表明,基于有限元模型的CZ法硅單晶生長溫度與直徑跟蹤控制系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對晶體直徑和晶體溫度的同時控制,而且具有對干擾的抑制性能和較強的魯棒性。另外,為了提高PID晶體直徑控制性能,引入生物啟發(fā)模型在抑制固液界面熱通量偏差較大所導致的控制量抖動問題的同時,又明顯地提高了晶體直徑控制精度。在弱熱輻射作用下基于狀態(tài)方程的MPC控制性能優(yōu)于PID控制,且滿足實時性要求。而強熱輻射作用下,模型收斂速度降低,此時為了兼顧準確性和實時性,MRAC的控制效果明顯優(yōu)于常規(guī)PID和MPC,更有助于避免晶體位錯缺陷產生的可能性。
【學位單位】：西安理工大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：O613.72;TP273
【部分圖文】：

緒論.1 研究背景及意義從晶體管問世開始，到目前完全占領整個電子信息市場，半導體材料的優(yōu)越性能業(yè)界得到廣泛認可，現(xiàn)已成為工業(yè)生產過程中的重要基礎材料。其中，以硅材料表突出。硅材料來源廣泛，極易獲取，儲存量大，利用硅材料制作的半導體電子器件多特點，如良好的電學特性和熱穩(wěn)定性使其在不同溫度環(huán)境下仍可以保持穩(wěn)定工作而成為了微電子、通信、光伏發(fā)電以及航空航天等領域不可替代的半導體材料。如球范圍內以硅單晶為基礎材料的半導體產品的市場占有率占 95%以上[1]，與此同時近年來太陽能光伏發(fā)電產業(yè)的迅速發(fā)展，半導體硅材料的需求量也急劇上升[2]。硅半導體材料主要指硅單晶材料，而硅單晶則是硅原子嚴格按照一定晶格結構生的產物。自然界存在的硅單晶分為天然形成和人工制備兩種，由于天然形成的硅單稀少，通常需要通過人工制備的方法來獲取。硅單晶生長完成后再經過后續(xù)的拋光等工藝過程則可以作為基礎材料用于半導體集成電路和光伏發(fā)電產業(yè)，如圖 1-1 所

西安理工大學碩士學位論文制模型使其更準確、更貼近實際，并且能夠結合控制方法其滿足工業(yè)要求是至關重要的。眾所周知，晶體品質由其位錯密度、晶體內部的殘留應力等，而這些屬性很大程度情況。因此，為了適應硅單晶大尺寸、高品質的發(fā)展趨勢部溫度分布的同時控制具有重要意義。單晶生長技術制備硅單晶方法很多，比較有代表性的包括直拉法（CZ、水熱法等[5]。直拉法能夠通過摻雜等手段來控制晶體特硅單晶棒，因而在半導體器件與集成電路產業(yè)中占據著非直徑、高品質硅單晶的生長與制備過程[6-9]。其中，CZ 法。

圖 1-3 熱系統(tǒng)實物Fig.1-3 Thermal system917 年發(fā)明了從熔體中生長單晶的方法，奠定了大程度上促進了晶體生長技術的發(fā)展。直拉法晶觀察晶體生長過程；不發(fā)生直接接觸，熱應力得以明顯降低；晶和縮頸工藝顯著減少缺陷，得到特定晶向的以適當增大。拉硅單晶生長示意圖。
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