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。

第1 章绪论
硅(Si)为元素周期表中的Ⅳ族元素？在地壳中主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在？丰度为27.7%，仅次于氧？硅的原子量为28.05，25℃下密度为2.329g/cm3，具有灰色金属光泽，较脆，莫氏硬度为6.5，稍低于石英？熔点为1410℃，达到熔点时体积收缩率为9.5%？常温下硅表面覆盖一层极薄的氧化层，化学性质不活泼？
20世纪中叶，锗(Ge)和硅在工业中开始得到广泛应用？在Bardeen等于1948年发明了晶体管之后，半导体材料的重要性与日俱增，发展速度之快甚至改变了人类的生活和思维方式，为人们创造了一个崭新的世界？常用的半导体材料有硅？锗和砷化镓等，由于硅材料具有来源丰富？电学性能和热稳定性好，且能在不同的温度下稳定工作等特点，已逐渐取代锗成为最重要的半导体材料？当今全球每年超过3000亿美元的半导体市场中95%以上的半导体器件及95%以上的集成电路都用到了硅，同时近年来以硅材料为基础的太阳能光伏发电产业迅速发展，导致全世界对半导体硅材料的需求量非常大？
硅单晶也称为单晶硅，是硅原子按一定规律周期性重复排列的硅单晶？熔融的单质硅在凝固时以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则这些晶粒平行结合起来便结晶成硅单晶？硅单晶经后续处理后可用作半导体集成电路芯片和太阳能光伏电池的基础材料？根据硅单晶中各结晶面(或方向)的不同，它可分为[1，0，0]？[1，1，0]及[1，1，1]三类，如图1.1所示？
硅的物理？化学性质依据不同晶向有所不同，因此，根据所制备半导体器件的不同要求，对硅单晶提出不同的生长方向？对于多数硅结型器件(如晶体管？集成电路等)，大都采用[1，1，1]晶向硅片;对于表面器件(如MOSFET？CCD等)大都采用[1，0，0]晶向;而太阳能电池均采用[1，0，0]晶向硅片？
硅单晶作为微电子？光伏？通信和航空航天等高科技领域不可替代的关键材料，逐渐受到世界各国的广泛重视？硅单晶已经成为现代信息技术得以持续发展的基础性材料，由其衍生的许多新技术和新产品，已经融入人们生活的方方面面？例如，大部分电子产品，如计算机？移动电话或者数字音视频设备当中的核心芯片都和硅单晶有着极为密切的关系？不同领域和应用对硅单晶品质的要求有很大差别，目前对其质量的主要评价指标包括电阻率均匀度？氧碳含量？纯度以及微缺陷等？
图1.1晶向图
1.1硅单晶在半导体行业中的应用
半导体技术就是以半导体材料为基础，制作成组件及集成电路的技术，因此，电子产业又称为半导体产业？绝大多数电子组件都是以硅为基材制作而成的？
半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间？在纯净的半导体中通过掺杂可以得到两种半导体，分别为N型和P型半导体，两种载流子为自由电子和空穴？通过特殊工艺把两类掺杂半导体结合在一起，将出现电子和空穴的扩散？漂移？复合等运动现象，这些运动现象会导致在两类半导体结合部位形成构成电子器件基础的PN结？集成电路均是制作在硅晶圆片的表面上，这里的半导体硅晶圆片就是衬底，半导体衬底不仅具有电气性能，而且具有机械支撑作用？
半导体技术进入纳米时代后，一些薄膜的厚度达到1~2nm，而且其整片的误差要求小于5%？这相当于在100个足球场大小的面积上要很均匀地铺一层约1cm厚的泥土，而且误差要控制在0.05cm的范围内，难度可想而知[1]？半导体技术的演进，除了改善性能(如芯片的运行速度？能耗与可靠性)外，另一重点就是降低成本和提高效率，除了改良制作方法，包括制作流程与采用的设备外，如果能在硅芯片的单位面积产出更多芯片，成本也会下降？所以半导体技术的一个非常重要的发展趋势，就是硅晶片的尺寸越来越大，而集成电路芯片外形尺寸日趋微小化？
总而言之，随着半导体集成电路技术的不断发展，为提高产业过程中的效率，芯片集成度不断提高，最小线宽不断缩小，芯片面积不断增大？这就迫切要求半导体材料行业能够提供直径更大？质量更好的硅单晶晶圆片，也就是在要求提高单晶尺寸的同时减小缺陷密度？目前主流DRAM和CPU的最小线宽已经小于22nm，而且还在不断缩小？适合微细加工的大直径？低缺陷硅晶片在市场中的需求量日益加大？硅片直径由1950年的1in(1in=2.54cm)逐步发展，目前已经完成8~12in的过渡？在2003年只占有市场份额7%的12in硅片到2013年其市场占有比例已经超过70%？目前，部分科研机构已经开展了16~18in硅单晶的生产技术研究？直径越大的晶圆片所能刻制的集成电路越多，晶片的使用效率越高，芯片成本越低，同时大尺寸晶片对其生长设备和工艺要求也越高？表1.1为硅单晶发展趋势及其质量要求？
半导体集成电路技术在国民经济和科学技术发展中发挥着重要作用，各个国家对高品质硅单晶的消耗量反映了该国集成电路制造业的规模，而各国对硅单晶和硅抛光片的制造水平是该国集成电路产业是否独立自主的重要标志？
随着我国电子信息产业的高速发展，目前已经初步具备了集成电路生产能力，因此国内市场在不断提高硅单晶产量的同时，对其内在品质的要求也越来越高？据工业和信息化部统计，由于我国半导体分立器件行业的快速发展，到2020年，中国可能成为全球最大的集成电路制造基地之一，这也势必带动我国半导体设备市场的大幅增长？
图1.2为我国集成电路产业产量增长状况[2]？图1.3为2006~2012年我国半导体产业销售额增长状况[2]？
截至2012年，我国集成电路晶圆生产线投入运营的有56条，其中12in芯片生产线已经达到6条？8in生产线15条？6in生产线12条？5in生产线9条？4in生产线14条？从数量分布上看，目前国内晶圆生产线中6in及以下生产线在整个产业中仍占据相当比例？但同时8in生产线数量正在迅速增加，并已成为产业的主流？从技术上看，MOS生产线占了一半以上，Bipolar和BiCMOS所占比例正在不断下降？
图1.2我国集成电路产业产量增长状况(数据来源:CSIA)
图1.32006~2012我国半导体产业销售额增长状况(数据来源:CSIA)
1.2硅单晶在太阳能光伏发电领域的应用
在科学技术飞速发展的今天，利用硅单晶生产的太阳能电池可以直接把太阳能转化为光能，实现了迈向绿色能源革命的开始？太阳能光伏发电依靠光伏效应，依据光伏效应原理，如果光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被吸收，具有足够能量的光子能够在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激发，以致产生电子-空穴对？界面层附近的电子和空穴在复合之前，将通过空间电荷的电场作用被相互分离？电子向带正电的N区？空穴向带负电的P区运动？通过界面层的电荷分离，将在P区和N区之间产生电压？通过光照在界面层产生的电子-空穴对越多，电流越大？界面层吸收的光能越多，界面层即电池面积越大，在太阳能电池中形成的电流越大[3]？进一步将大量的太阳能电池串联，再进行结构保护，即成为太阳能电池组件，最终采用功率控制器等部件进行调解就成为光伏发电装置？处于核心地位的太阳能电池分为单晶硅太阳能电池？多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三种，其中，单晶硅太阳能电池的应用最为广泛？
目前，太阳能光伏发电已经到了理论成熟阶段，正走向大范围实际应用阶段，太阳能硅单晶的利用将普及全世界，市场需求量不言而喻？北京“绿色奥运”及英国伦敦奥运会已充分展示了以硅单晶为主材料的太阳能电池的运用？
太阳能光伏发电具有安全？清洁？环保和可持续发展等特点，所以在石油和煤炭资源日趋紧张和温室气体排放问题逐渐严峻的环境下，太阳能光伏发电已经成为一种理想的可再生能源？根据欧盟委员会联合研究中心(JointResearchCentre，JRC)的预测，到2030年太阳能发电将在世界电力供应中显现其重要作用，发电量将占10%以上？因此，大力发展太阳能产业是优化能源结构和提高能源占有量的强有力手段？
图1.4为全球光伏年度装机容量趋势图[4]？
图1.4全球光伏年度装机容量趋势图(数据来源:EPIA)为了进一步提高硅单晶的品质和生产效率，达到降低太阳能发电成本的目的，需要提高硅单晶生产设备的技术水平？虽然太阳能光伏发电领域对所用到的硅单晶晶圆片的要求不如集成电路高，但是也在向着大直径和低氧碳含量的方向发展[5，6]，这对其生长工艺和设备也提出了更高的要求？
1.3硅单晶生长方法概述
硅单晶可以分为天然硅单晶和人工硅单晶，由于天然硅单晶数量很少，通常使用的硅单晶都是人工制备的？为了制备性能良好的硅单晶，从19世纪开始，人类已经探索了许多方法来制备理想的硅单晶，如直拉法[6]？区熔法[7]？外延法？焰熔法？水热法等？尽管制备硅单晶的方法很多，但目前在实践中最常用的方法是直拉法和区熔法？直拉法也称为CZ(Czochralski)法，是制备硅单晶的主要方法，广泛应用于大直径？高品质半导体晶体和光学介质晶体的生长与制备？特别是直拉法可通过掺杂等手段控制晶体特性，比区熔法更容易生长出大尺寸的硅单晶棒，因而在半导体器件与集成电路产业中占据重要地位？早期的硅单晶生长主要依赖于操作者的经验和技术，因此常被称为一门“艺术”？随着计算机和自动控制技术的发展，硅单晶生长实现了由“手动”到“自动”的转变，开始成为一门“科学”，并已形成全球范围内学术界和产业界的研究热点和核心技术？目前，硅单晶生长正向着高纯净度？高完整性？高均匀性和大直径方向发展，以满足集成电路线程不断演进？品质日益提高的要求？
大尺寸电子级硅单晶炉是利用CZ法生产集成电路用硅单晶的关键技术装备，在集成电路产业链中居首要地位，涉及半导体材料与工艺？自动控制理论与方法？机械制造？检测方法与技术等多个专业技术领域，具有综合性？复杂性和精确性的特点？长期以来，电子级硅单晶炉的关键技术均由少数国家所垄断，成为制约我国集成电路产业发展的瓶颈之一，其核心主要体现在技术装备和生长工艺两方面？
作者及其所领导的团队自2009年1月实施国家科技重大专项“300mm硅单晶直拉生长装备的开发”项目以来，围绕极大规模集成电路用单晶炉的关键技术进行攻关，凝聚了自动控制？电子信息？检测及传感？机械？材料等多学科交叉的科研人才？研发团队在国外技术封锁？国内相关技术匮乏的情况下，历经20个月，从自主设计？单元测试？整机制造？系统调试到拉晶实验，取得了丰硕的成果，于2010年9月5日在自主研制的300mm硅单晶炉中成功拉制出300mm无位错硅单晶棒？主要成果有:研制成功国内第一台电子级单晶炉用大型勾形磁场，打破了国外公司对大尺寸磁场的技术和产品垄断;发明了新型直径

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