【CN109972201A】用于直拉法硅单晶生长过程的晶体直径控制方法【专利】

直拉单晶硅等径生长过程直径建模与控制研究直拉单晶硅等径生长过程直径建模与控制研究摘要：直拉单晶硅是太阳能电池制造中常用的材料，其质量和直径对电池性能有着重要影响。

本文通过对直拉单晶硅等径生长过程的研究，提出了直径建模与控制方法，旨在提高单晶硅的生产效率和质量。

1. 引言太阳能电池作为一种可再生能源利用技术，具有广阔的应用前景。

直拉单晶硅作为太阳能电池的主要材料，其优良的电学性能和化学稳定性使其成为首选材料。

然而，直拉单晶硅的生长过程中直径的均匀性对电池性能有着重要影响。

因此，直径建模与控制研究对于提高太阳能电池的制造效率和质量具有重要意义。

2. 直拉单晶硅等径生长过程直拉单晶硅等径生长是指通过在熔融硅中拉取单晶硅晶体，使其直径保持不变。

在等径生长过程中，熔融硅在拉动和冷却的作用下逐渐凝固形成单晶硅。

直径建模与控制的关键在于准确预测和控制熔融硅的温度和流动状态，以确保单晶硅的直径均匀性。

3. 直径建模方法3.1. 热传导方程模型基于热传导方程的模型是最常用的直径建模方法之一。

通过考虑熔融硅的热传导和热辐射特性，可以建立一个与时间和空间相关的温度分布模型。

这个模型可以用来预测熔融硅的温度分布，从而间接地推断出单晶硅的大小和形状。

3.2. 流动力学模型除了考虑热传导，流动力学模型也是直径建模的重要方法。

通过考虑熔融硅的流动特性，如速度分布和涡流等，可以建立一个与时间和空间相关的熔融硅流动模型。

这个模型可以用来预测熔融硅中的流动情况，从而间接地推断出单晶硅的直径均匀性。

4. 直径控制方法4.1. 单晶硅引心设计单晶硅引心是直径控制的重要手段之一。

通过设计合适的引领机构，可以在等径生长过程中控制熔融硅的流动，从而影响单晶硅的直径。

4.2. 温度控制熔融硅的温度对等径生长过程中单晶硅的直径具有重要影响。

控制熔融硅的温度可以通过调节加热功率和冷却速度等参数来实现。

4.3. 流动控制熔融硅中的流动特性对等径生长过程中单晶硅的直径均匀性有着重要影响。

直拉法单晶硅生长的数值模拟和控制参数优化王玉臣【摘要】采用有限体积元法软件CrysVUn对直拉法生长直径210 mm的硅单晶热场进行了模拟.后继加热器提高了晶体生长界面中心高度,对熔体温度梯度基本没有影响;热屏能改善晶体生长界面形状,使界面更加平滑,降低界面中心高度,并能降低熔体纵向温度梯度,得到更好的温度分布.【期刊名称】《电子工业专用设备》【年(卷),期】2015(044)007【总页数】5页(P13-17)【关键词】数值模拟;单层热屏;加强型热屏;后继加热器【作者】王玉臣【作者单位】中国电子科技集团公司第四十六研究所,天津300220【正文语种】中文【中图分类】TN304.053半导体硅作为现代电子工业的基础材料，已有50～60年的历史，随着IC集成度的提高，给硅片质量提出了更高的要求，这就要求半导体材料行业能够提供直径更大、质量更好的单晶硅[1]。

而完全通过实验来进行单晶硅生长的研究，成本非常大，数值模拟因此迅速发展起来。

CrysVUn是一款能应用于晶体生长过程全局模拟的软件。

它以有限元方法和非结构化网格为基础，最近规则网格的数值计算被应用，基于混合网格的计算也能被应用。

该软件所预测的物理量已经为大量的实践所证实。

本文采用有限体积元法软件CrysVUn对直拉法生长直径210 mm硅单晶热场进行了模拟，研究了不同热屏类型、后继加热器对单晶炉中热场分布的影响[2]。

晶体生长速率是由生长驱动力所决定，驱动力越大，生长速率就越大。

可以推测，当晶体生长的外场（温度场、扩散场、对流场、电场、磁场等）条件不均衡时，不同取向和不同位置的生长驱动力不同，从而导致晶体生长速率的差异。

随着晶体尺寸的增大，这种差异将增大。

因此，在实际晶体生长过程中，晶体生长形态是可以通过外场条件控制的[3]。

界面形状及其稳定性是决定晶体质量的关键因素，凹液面生长时，晶体附近的自然对流花样变得紊乱，晶体直径难以控制，晶体中出现宏观缺陷并极易开裂。

直拉法单晶制造中的直径检测技术1引言近年来，特别是进入21世纪，国内半导体工业蓬勃发展。

其最重要的基本材料——硅单晶需求量迅猛增加，占据了举足轻重的地位[5]。

各地兴建单晶厂和单晶硅片生产线的报道一直不绝于耳。

随着单晶硅片制造向200～300mm大直径化发展，直拉法在单晶制造中越来越显示出其主导地位，相应的直径检测技术也在向适应大直径化发展。

2直拉法单晶制造技术直拉单晶制造法（Czochralski，CZ法）是把原料多硅晶块放入石英坩埚中，在单晶炉中加热融化，再将一根直径只有10mm的棒状晶种（称籽晶）浸入融液中（图1）。

在合适的温度下，融液中的硅原子会顺着晶种的硅原子排列结构在固液交界面上形成规则的结晶，成为单晶体。

把晶种微微的旋转向上提升，融液中的硅原子会在前面形成的单晶体上继续结晶，并延续其规则的原子排列结构。

若整个结晶环境稳定，就可以周而复始的形成结晶，最后形成一根圆柱形的原子排列整齐的硅单晶晶体，即硅单晶锭。

当结晶加快时，晶体直径会变粗，提高升速可以使直径变细，增加温度能抑制结晶速度。

反之，若结晶变慢，直径变细，则通过降低拉速和降温去控制。

拉晶开始，先引出一定长度，直径为3～5mm的细颈，以消除结晶位错，这个过程叫做引晶。

然后放大单晶体直径至工艺要求，进入等径阶段，直至大部分硅融液都结晶成单晶锭，只剩下少量剩料。

控制直径，保证晶体等径生长是单晶制造的重要环节。

硅的熔点约为1450℃，拉晶过程始终保持在高温负压的环境中进行。

直径检测必须隔着观察窗在拉晶炉体外部非接触式实现。

拉晶过程中，固态晶体与液态融液的交界处会形成一个明亮的光环，亮度很高，称为光圈。

它其实是固液交界面处的弯月面对坩埚壁亮光的反射。

当晶体变粗时，光圈直径变大，反之则变小。

通过对光圈直径变化的检测，可以反映出单晶直径的变化情况。

自动直径检测就是基于这个原理发展起来的。

3 Ircon直径检测系统Ircon系统是早期的直径检测技术。

(10)申请公布号 (43)申请公布日 2010.06.23*CN101748477A*(21)申请号 200810239837.6(22)申请日 2008.12.19C30B 15/20(2006.01)C30B 29/06(2006.01)(71)申请人北京太克易航科贸有限公司地址100100 北京市通州区聚富苑民族产业发展基地聚和六街1-1-106(72)发明人焦建耀(74)专利代理机构北京北新智诚知识产权代理有限公司 11100代理人陈曦(54)发明名称用于单晶硅生长过程控制的智能PID 控制方法及其系统(57)摘要鉴于常规PID 控制器难以对单晶硅的生长过程进行有效的控制，特提供一种适用于各种直拉式单晶硅生长设备的智能PID 控制方法及其控制系统。

该方法中，首先对单晶硅晶体的生长过程进行监控，采集单晶硅的直径与预定直径的偏差；根据单晶硅直径与预定直径的偏差，基于模糊控制理论进行分类，根据分类后的直径偏差计算对拉速进行控制所需的积分分量和微分控制分量，对拉速进行控制；根据拉速与预定拉速的偏差，基于模糊控制理论进行分类，根据分类后的拉速偏差计算对温度进行控制所需的积分分量和微分控制分量，对温度进行控制。

(51)Int.Cl.(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书 2 页 说明书 11 页 附图 4 页CN 101748477 AC N 101748477 A1.一种用于单晶硅生长过程控制的智能PID控制系统，其特征在于：所述智能PID控制系统包括工业控制计算机、至少两个伺服控制器、晶升电机/埚升电机、晶转电机/埚转电机、直径传感器、信号调理单元、温度控制器；其中，所述工业控制计算机分别连接所述第一伺服控制器和所述第二伺服控制器；所述第一伺服控制器连接所述晶升电机/埚升电机，同时，所述晶升电机/埚升电机直接与所述工业控制计算机相连接；所述第二伺服控制器连接所述晶转电机/埚转电机，同时，所述晶转电机/埚转电机直接与所述工业控制计算机相连接；所述直径传感器通过所述信号调理单元与所述工业控制计算机相连接，所述温度控制器也与所述工业控制计算机相连接。

单晶硅直径控制研究作者：邹杨州来源：《新材料产业》 2012年第6期文/邹杨州杭州富通半导体设备科技有限公司直拉法单晶硅制造的具体生产过程是把原料多硅晶块放入石英坩埚中，在单晶炉中加热融化，再将一根直径只有10m m的棒状晶种（称籽晶）浸入融液中，在合适的温度下，融液中的硅原子会顺着晶种的硅原子排列结构在固液交界面上形成规则的结晶，成为单晶体硅。

如果把晶种微微地旋转向上提升，融液中的硅原子会在前面形成的单晶体上继续结晶，并延续其规则的原子排列结构。

若整个结晶环境稳定，就可以周而复始地形成结晶，最后形成一根圆柱形的原子排列整齐的硅单晶晶体，即硅单晶锭。

当结晶加快时，晶体直径会变粗，提高晶体速率可以使直径变细，增加温度能抑制结晶速度；反之，若结晶变慢，直径变细，则通过降低拉速和降温去控制。

拉晶开始，先引出一定长度、直径为3 ～ 5m m的细颈，以消除结晶位错，这个过程叫做引晶；然后放大单晶体直径至工艺要求，进入等径阶段，直至大部分硅融液都结晶成硅单晶锭，只剩下少量剩料，剩料又叫埚底料，埚底料经化学处理后可有限次重复使用。

控制直径、保证晶体等径生长是单晶硅制造的重要环节。

而影响单晶硅晶体直径变化的变量包括热场温度、晶体拉速这2个基本变量，因此，在设计控制系统时，主要考虑晶体拉速、温升速率和加热功率的P I D控制（即根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的一种系统），以及这3个控制器之间的配合。

本文结合直拉单晶炉生产工艺和自动控制原理，通过采用数字P I D控制器，分别控制晶体生长的拉速、温度以及功率，来使晶体直径尽可能地保持一致。

提出采用串级控制，总共分为3级控制，前级控制系统通过采集直径偏差来控制晶体拉速，中级控制系统通过采集拉速偏差来控制温升速率，后级控制系统通过采集温度偏差来控制加热功率。

通过实验调整3级控制的P I D参数，使系统控制性能达到最优。

实验结果表明，此控制系统的性能优于常规控制算法，最终控制精度能够达到直径偏差为±0.5mm。

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910274689.X(22)申请日 2019.04.07(71)申请人 浙江晶盛机电股份有限公司地址 312300 浙江省杭州市上虞区通江西路218号(72)发明人 高宇　胡建荣　傅林坚　曹建伟　夏泽杰　王小飞　倪军夫　叶钢飞　谭庆　(74)专利代理机构 杭州中成专利事务所有限公司 33212代理人 周世骏(51)Int.Cl.C30B 15/22(2006.01)C30B 29/06(2006.01)(54)发明名称用于直拉法硅单晶生长过程的晶体直径控制方法(57)摘要本发明涉及半导体晶体制造技术，旨在提供一种用于直拉法硅单晶生长过程的晶体直径控制方法。

该方法包括：在直拉法生产硅单晶时使晶体进入等径生长过程，达到稳定状态；将晶体实际提拉速度设定为当前平均提拉速度，按照预定的变化率使实际提拉速度向设定提拉速度靠拢，直至晶体提拉速度恒定不随晶体直径波动变化；在晶体等径生长过程通过调整加热器功率控制晶体直径，具体是在当前加热平均功率基础上附加可变周期脉冲式功率输出。

本发明通过对晶体直径变化速度、加速度的计算和临界值控制，使功率输出时间的关键点判断更为合理和准确；可以缩短直径变化对功率调节的响应时间滞后；不会对晶体直径造成较大扰动，不易造成晶体直径大幅度波动。

权利要求书2页 说明书5页 附图1页CN 109972201 A 2019.07.05C N 109972201A1.一种用于直拉法硅单晶生长过程的晶体直径控制方法，其特征在于，是在晶体等径生长过程中将晶体提拉速度设定为固定值，通过调整加热功率实现晶体直径控制；具体包括以下步骤：(1)在直拉法生产硅单晶时使晶体进入等径生长过程，达到稳定状态；(2)将晶体实际提拉速度设定为当前平均提拉速度，按照预定的变化率使实际提拉速度向设定提拉速度靠拢，直至晶体提拉速度恒定不随晶体直径波动变化；(3)在晶体等径生长过程通过调整加热器功率控制晶体直径，具体是在当前加热平均功率基础上附加可变周期脉冲式功率输出；附加功率输出幅度为0±15kw，输出时间小于120s；功率输出结束后回复到平均功率；功率调节周期，即两次附加功率输出起始点的时间间隔小于600s。

直拉硅单晶生长过程建模与控制研究综述刘丁;赵小国;赵跃【期刊名称】《控制理论与应用》【年(卷),期】2017(034)001【摘要】硅单晶是最重要的半导体材料,90%的半导体器件和集成电路芯片都制作在硅单晶上.随着集成电路技术的快速发展,对硅单晶的品质要求也不断提高.直拉法是生产硅单晶的主要方法,其科学原理与方法、生长技术与工艺、控制策略与手段一直是理论界和产业界高度关注和不断研究的热点.本文针对直拉法电子级硅单晶生长过程,以晶体生长基本原理为基础,从生长建模、变量检测、控制方法等方面进行了全面的阐述,特别针对当今大尺寸、高品质硅单晶生长的要求,总结了目前所取得的主要研究成果与面临的问题,并提出了相应的研究思路和方法.%Silicon single crystal is one of the most important materials of semiconductor. More than 90% of semi-conductor devices and integrated circuit chips are made of silicon single crystal. As the rapid development of integrated circuit technique, the quality of silicon single crystal is being concerned much more than before. Czochralski method is the main method of silicon single crystal production, therefore, its scientific principle and method, growth technique and technology, as well as control strategy and method have always been a hot research topic in both academia and industry. For growth process of electronic-grade silicon single crystal by Czochralski method, based on basic principle of crystal growth, this paper fully describes growth modeling, variables detection, control method, and so on.Especially for the demand of silicon single crystal with large size and high quality nowadays, the main research achievements and current problems are summarized. The research ideas and methods are put forward correspondingly.【总页数】12页(P1-12)【作者】刘丁;赵小国;赵跃【作者单位】西安理工大学晶体生长设备及系统集成国家地方联合工程研究中心,陕西西安710048;西安理工大学晶体生长设备及系统集成国家地方联合工程研究中心,陕西西安710048;西安理工大学晶体生长设备及系统集成国家地方联合工程研究中心,陕西西安710048【正文语种】中文【中图分类】TP273【相关文献】1.区熔硅单晶生长过程建模综述 [J], 云娜;庞炳远2.直拉硅单晶宽面控制工艺研究 [J], 史继祥;韩焕鹏3.直拉硅单晶生长过程中工艺参数对相变界面形态的影响 [J], 张妮;刘丁;冯雪亮4.直拉硅单晶非均匀相变温度场最优控制 [J], 张晶;刘丁;杜燕军5.Ф400mm直拉硅单晶生长过程中氧浓度对微缺陷影响的数值模拟 [J], 曾庆凯;关小军;潘忠奔;张怀金;王丽君;禹宝军;刘千千因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。