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直拉硅单晶生长过程建模与控制研究综述
资料介绍
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.
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Control Theory & Applications
第 34 卷第 1 期
2017 年 1 月
Vol. 34 No. 1
Jan. 2017
DOI: 10.7641/CTA.2017.60247
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
(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)
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.
关键词: 直拉硅单晶; 过程建模; 变量检测; 过程控制; 控制策略
中图分类号: TP273
文献标识码: A
A review of growth process modeling and control of
Czochralski silicon single crystal
LIU Ding†, ZHAO Xiao-guo, ZHAO Yue
(National & Local Joint Engineering Research Center of Crystal Growth Equipment and System Integration,
Xi’an University of Technology, Xi’an Shaanxi 710048, China)
Abstract: 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.
Key words: Czochralski silicon single crystal; process modeling; variables detection; process control; control strategy
1 引言(Introduction)
直拉法一直在不断演进和发展, 催生了一系列科学技
术上的突破: 用来提纯硅的西门子法和消除位错
的 Dash 缩颈工艺[2]、Hurle 关于晶体直径的控制理
论[3]、Voronkov提出的用于消除晶体固有点缺陷的生
长速度(Vg)/温度梯度(G)的比值法[4]、利用磁场控制
熔体流动的方法[5], 以及生长所谓零缺陷或“完
美”硅单晶的生长工艺[6]都是其典型代表. 随着集成
电路技术的快速发展, 大尺寸、高品质的硅单晶成为
技术发展的新要求. 为降低集成电路芯片的成本, 硅
单晶的尺寸要求更大, 从而使得其生长设备–硅单晶
炉的尺寸增大, 具有多流场、多相变的硅单晶生长环
1916年, 波兰学者Czochralski提出了通过提拉装
置从熔体中生长晶体的方法, 业界简称为直拉法或
CZ法. 1950年和1952年, Teal 采用直拉法分别生长出
锗单晶[1] 和硅单晶. 这个开创性的工作相继引发了微
电子与集成电路、信息技术、电力电子以及光伏发电
等领域的巨大发展和产业变革. 目前, 工业生产中已
经可以利用直拉法生长出直径300 mm、重量超过
300 kg的硅单晶产品, 同时, 直径450 mm的晶体也从
技术可行性和实验室中得到了证明, 这些都为当今半
导体产业的飞速发展奠定了坚实的基础. 近100年来,
收稿日期: 2016−04−23; 录用日期: 2016−12−09.
†通信作者. E-mail: ; Tel.: +86 29-82312008.
本文责任编委: 胡跃明.
国家自然科学基金重点项目(61533014), 国家重点基础研究发展计划(“973”计划)(2014CB360508), 陕西省科技统筹创新工程计划 (2016
KTZDGY–03–03)资助.
Supported by Key Program of National Natural Science Foundation of China (61533014), National Basic Research Program of China (2014CB
360508) and Shaanxi Science & Technology Co-ordination & Innovation Project (2016KTZDGY–03–03).
2
控 制 理 论 与 应 用
第 34 卷
境空间也随之增大, 建立生长模型变得更加困难; 随
着集成电路线程的不断缩小, 对硅单晶的杂质及氧碳
含量、缺陷分布、电物理参数等都提出了更加严苛的
要求, 使得实现这些目标的控制方法变得越发困难.
因此, 上述问题一直是世界范围内产业界和学术界关
注和研究的热点. 近年来, 国内外许多学者在此相关
领域从多个角度开展研究, 取得了重要的成果. 针对
大尺寸、高品质硅单晶生长过程中的科学问题和技术
方法, 本文从生长机理与模型、变量检测与处理、控制
理论与方法3个方面对已有研究成果进行了综述, 并
提出当前及今后此领域的研究热点和需要解决的关
键问题, 为此领域的学者和工程技术人员提供借鉴和
研究思路.
图2中: Gs为固相自由能, GL为液相自由能, 固、
液两相间的自由能差值∆G就是晶体生长的原始驱动
力.
在结晶凝固过程中, ∆S小于零, 实际温度与凝固
点温度的差值为晶体凝固过程的动力. 若系统不稳定,
则实际温度与凝固点温度的差值不等于零, 此时系统
的自由能就会大于系统整体的最低值, 系统将降低自
由能以重新达到平衡状态.
直拉硅单晶生长过程遵循这样一个凝固过程: 通
过提拉速度维持固液界面的过冷度, 在固液界面处建
立一定的温度差, 使得整个生长过程反复处于提拉-过
冷-凝固的循环状态, 保证直拉生长条件并维持晶体平
稳生长.
晶体生长质量与界面形状、熔体内流动效应、热
量输出和质量输运等密切相关. 硅单晶生长是依照其
规律和工艺, 通过对热场温度、生长速度等宏观物理
量的控制, 获得无位错、无缺陷、外形均匀、氧碳含量
和电阻率达标的“完美”单晶的过程.
2 直拉硅单晶生长过程描述和基本特征(De-
scription of growth process of Czochralski
silicon single crystal and basic features)
直拉硅单晶是在高温(1420◦C)、真空(1000 Pa)、
惰性气体(Ar)和强磁场(0.1∼0.5 T)环境中将高纯度多
晶硅原料熔化, 再经过引晶、缩颈、放肩、等径、收尾
等生产工艺过程, 将多晶硅生长成为具有一定原子排
列周期并可延续的单晶体, 其生长过程如图1所示.
近年来, 随着晶体尺寸的不断增大(300∼450 mm),
其生长过程具有以下两个显著特点:
1) 硅单晶生长驱动力源于热场, 要满足电子级硅
单晶片微观性能指标的要求, 必须建立符合生长工艺
要求的热系统以获得理想的热场分布. 然而, 大尺
寸、高品质硅单晶生长的环境存在不均匀的热场、磁
场、重力场、自由表面张力以及多种机械运动, 坩埚内
的硅熔体产生多种对流, 热场影响热对流, 磁场的作
用直接影响流场并间接影响热场中的温度分布, 热场
的改变反过来又会影响流场, 在这种多场动态耦合作
用下, 使熔体的对流形态及演变过程呈现复杂特征,
难以准确获得热场中的温度分布描述.
图 1 直拉法晶体生长过程
Fig. 1 The steps of CZ process
直拉法是在高温、真空和热场、磁场及流场等多
场相互作用的环境中, 通过提拉运动在硅熔体的固液
界面中产生一定过冷度, 使结晶的硅原子沿籽晶方向
形成具有确定原子排序的单晶体. 结晶过程中, 晶体
与熔体之间的自由能差∆G如下式所示[7]:
2) 在具有高度非线性和不确定性的多场、多
相、多流态的硅单晶生长工艺过程中, 存在模型建立
难、信息测量难、精确控制难的问题, 要达到极大规模
集成电路对硅单晶的微观性能指标要求, 就需要研究
硅单晶生长过程中的缺陷形成和杂质输运机理, 实现
对关键变量的检测, 将晶体生长工艺与控制技术相结
合, 获得有效的控制方法[8]. 这些是当前大尺寸、高品
质硅单晶生长需要研究的重点内容.
∆H(Tm − T)
∆H∆T
∆G =
=
= ∆S∆T. (1)
Tm
Tm
式中: ∆T是晶体熔点Tm与实际温度T之差, 称为过
冷度; ∆S是两相间熵的差值, ∆H为结晶潜热. 固液
两相自由能随温度的变化过程如图2所示.
3 生长过程机理建模(Mechanism modeling
of growth process)
直拉法晶体生长的机理涉及到传热学、流体动力
学、机械、物理、化学等多个学科, 其中, 单晶炉中的
热量传输与温度分布是晶体生长研究中最重要的问
题, 也是晶体生长机理的核心因素之一. 因此, 建立精
准的热传输模型, 对指导生产工艺、提高晶体品质具
有重要的意义. 从20世纪80年代起, 人们开始了对晶
体生长热传输模型的研究. 1983年, Williams等人建立
图 2 温度与自由能的关系
Fig. 2 The relation between temperature and free energy
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