【正文】 單位距離內(nèi)溫度變化也越大，溫度梯度也越大。反之，溫度相差越小，溫度梯度也越小。于是，仿照力學(xué)上的力場，電學(xué)上磁場的描述，稱這種熱力學(xué)上的溫度分布為“溫度場”，通常稱為“熱場”。單晶爐內(nèi)的熱場在整個拉晶過程中的變化的，因此，上面所說的熱場，包括靜態(tài)熱場和動態(tài)熱場兩種形態(tài)。靜態(tài)熱場指多晶硅熔化后，引晶時候的溫度分布狀況，由加熱器、保溫系統(tǒng)、坩堝位置及周圍環(huán)境決定。動態(tài)熱場指拉晶時候的熱場。拉晶時，由于晶體生長放出結(jié)晶潛熱，影響溫度分布，熔體液面下降，使溫度分布發(fā)生變化，而晶體生長的表面積增加，散熱面積增加，溫度分布也發(fā)生變化，這樣溫度梯度不斷變化的熱場稱為動態(tài)熱場。動態(tài)熱場是晶體生長時的實(shí)際熱場，它是在靜態(tài)熱場的基礎(chǔ)上補(bǔ)充變化而來的。單晶硅是在單晶爐熱場中進(jìn)行生長的，熱場的優(yōu)劣對單晶硅的生長和質(zhì)量有很大影響。單晶硅生長過程中，好的熱場，不但單晶生長順利，而且能生長出高質(zhì)量的單晶。不好的熱場，不但根本生長不出單晶，即便生長出單晶，也容易發(fā)生晶變，變成多晶或有大量的結(jié)構(gòu)缺陷。因此，尋找較好的熱場條件，配置最佳熱場，是直拉單晶硅生長工藝非常重要的技術(shù)。熱場的徑向溫度梯度，包括晶體的徑向溫度梯度，熔體的徑向溫度梯度核生長界面的徑向溫度梯度。由于熔體周圍由加熱器供熱，一般來說，熔體的徑向溫度梯度總是正值，但是，單晶硅整個生長過程中生長界面的變化表明，結(jié)晶界面的徑向溫度梯度由大于零變到等于零和小于零。單晶硅最初等直徑生長時，生長界面凸向熔體，界面的經(jīng)向溫度梯度是正值，隨單晶不斷的增長，結(jié)晶界面由凸向熔體逐漸變平，界面的徑向溫度梯度逐漸趨近于零。一般來說，單晶硅中部結(jié)晶機(jī)平坦，界面的徑向溫度梯度等于零。單晶逐漸生長到尾部，平坦的生長界面逐漸凹向熔體，越接近單晶尾部，生長界面越凹。這說明，單晶生長界面的徑向溫度由于等于零變?yōu)樨?fù)值，而且負(fù)值越來越小。坩堝里整個熔硅表面，由于熔硅的傳熱與單晶硅結(jié)晶放出結(jié)晶潛熱，還有晶體散熱三個因素影響，單晶最初生長可以近似認(rèn)為熔硅便面徑向溫度梯度大于零，單晶生長到中部時，可近似地認(rèn)為熔硅表面徑向溫度梯度等于零，單晶硅生長到尾部時，熔硅表面的徑向溫度梯度由小于零到大于零，溫度梯度變化成倒人字形。綜上所述，一個熱系統(tǒng)，合理的熱場溫度分布應(yīng)該是： （1）生長界面的縱向溫度梯度盡可能大，這樣，才能使單晶生長有足夠的動力。但是，不能過大，單晶即能良好生長，又不產(chǎn)生結(jié)構(gòu)缺陷和產(chǎn)生晶變，應(yīng)盡量使溫度梯度變化平滑，不產(chǎn)生溫度突變，不使單晶生長受到較大的熱沖擊。（2）生長界面的徑向溫度梯度盡量接近零或等于零，保證結(jié)晶界面平坦。直拉單晶爐熱場溫度控制系統(tǒng)包括熱場系統(tǒng)和電氣溫度控制系統(tǒng)。其中熱場系統(tǒng)包括石墨加熱器、石墨坩堝、石墨支座、石墨碳?xì)直卣趾褪姌O，其中加熱器是熱場的主體，電氣溫度控制系統(tǒng)包括電氣控制柜，可控硅整流，溫度傳感器等。硅晶體產(chǎn)品的完整性與均勻性是晶體生長爐最關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)，要求在長達(dá)3040個小時的成晶過程中確保晶體的無錯位生長，同時盡可能避免晶體的內(nèi)應(yīng)力與微缺陷；因此需要讓單晶硅按要求進(jìn)行有規(guī)律地生長，這就要求有一個精確的、穩(wěn)定的熱場溫度控制晶體生長環(huán)境。為此我們開發(fā)了一套基于PLC的模塊化直拉單晶爐熱場溫度控制器，以此為控制和測試平臺，其可編程終端PT觸摸屏良好的人機(jī)界面可以方便的進(jìn)行手動、自動切換，以及完成存儲數(shù)據(jù)和繪制溫度控制曲線等功能。通過以上這個溫度控制和測試平臺，我們用各種控制算法來對直拉單晶爐熱場溫度進(jìn)行控制，比較其控制性能。由于控制系統(tǒng)采樣PLC為核心，因此我們可以將比較復(fù)雜的控制算法直接移植到直拉單晶爐熱場現(xiàn)場溫度控制中，在不提高直拉單晶爐熱場溫度控制系統(tǒng)價格的前提下，提高直拉單晶爐熱場溫度控制的控制效果。直拉單晶爐熱場溫度控制系統(tǒng)一般以控制功率反饋與溫度反饋相結(jié)合，控制方式一般采用三相可空硅控制系統(tǒng)，%～%，調(diào)節(jié)精細(xì)。在保溫罩側(cè)面上有一個圓形開孔，開孔位置與爐膛上的一個測溫窗口對應(yīng)，爐外有一個紅外測溫儀，可監(jiān)測保溫罩內(nèi)側(cè)的石墨圓筒壁的溫度，從而達(dá)到控制拉制單晶硅溫度的目的。在操作上，溫度的控制一般有三種方式。1）調(diào)節(jié)加熱功率，使用電位器調(diào)節(jié)加熱器的電壓，從而使加熱器達(dá)到一定的加熱功率。2）通過監(jiān)測保溫罩石墨內(nèi)筒的溫度，對溫度進(jìn)行自動設(shè)定和調(diào)節(jié)，保溫罩石墨圓筒的亮度與加熱器的溫度有關(guān)，爐外的溫度傳感器將這個光信號轉(zhuǎn)換成電信號，并給出一個讀數(shù)，這個讀數(shù)與設(shè)定的讀數(shù)相比較，來控制加熱功率。這個讀數(shù)只是一個相對讀數(shù)，并不代表實(shí)際溫度，傳感器保溫圓筒的對準(zhǔn)程度，保溫罩與加熱器之間的距離都會顯著改變這個讀數(shù)，嚴(yán)格的說，每一爐這個數(shù)值都會發(fā)生變化，但在條件改變不大的情況下，上一爐的數(shù)值可作下一爐拉制。3）通過設(shè)定拉速實(shí)現(xiàn)溫度的自動控制，拉速可隨時手動調(diào)節(jié)，也可按工藝要預(yù)先設(shè)定工藝，即按拉晶的長度設(shè)定拉速，控制系統(tǒng)根據(jù)某一時段內(nèi)實(shí)際平均拉晶和設(shè)定拉速的差來控制溫度，當(dāng)實(shí)際拉速大于設(shè)定拉速時，增大加熱功率，當(dāng)實(shí)拉速小于設(shè)定拉速時，降低加熱功率，差值的大小控制加熱功率的變化量。第5章 結(jié)論在爐室氣壓保持恒定的前提下，施加的熱屏起到導(dǎo)流筒的作用。改進(jìn)了氬氣流場，促進(jìn)了SiO的會發(fā)，使單晶硅中含氧量有所下降。合理的熱場溫度分布應(yīng)該是：（1）生長界面的縱向溫度梯度盡可能大，這樣才能使單晶生長有足夠的動力。但是不能過大單晶即能良好生長，又不產(chǎn)生結(jié)構(gòu)缺陷和產(chǎn)生晶變，應(yīng)盡量使溫度梯度變化平滑，不產(chǎn)生溫度突變，不使單晶生長受到較大的熱沖擊。（2）生長界面的徑向溫度梯度盡量接近零或等于零，保證結(jié)晶界面平坦。參考文獻(xiàn)[1] 龍柏砩 單晶及硅片的技術(shù)與市場[J].世界產(chǎn)品與技術(shù)，200229[2] [J].半導(dǎo)體技術(shù)，19982[3] 材料科學(xué)與技術(shù)[M]. 浙江：浙江大學(xué)出版社，200028[4] Neamen，DA 半導(dǎo)體物理與器件[M].北京：電子工業(yè)出版社，20052[5] 黃有志，[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20097[6] [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20092[7] [D].中國優(yōu)秀碩士論全文數(shù)據(jù)庫，2009[8] M Hourai Nature and generation of rrownin defects in CZ silicon crystals 1998[9] [J].半導(dǎo)體技術(shù)，20023 [10] Feodorov Physical modeling of the meltfow during largediametersilicon single crystal growth 20037[11] 蔣榮華，[J].半導(dǎo)體情報，20016致 謝本文是在我的指導(dǎo)老師朱貴新老師的幫助下完成的，老師淵博的課程知識讓我受益匪淺，耳目一新。老師對科學(xué)事業(yè)孜孜以求、廢寢忘食的精神時時鞭策著我在未來旅途中發(fā)奮努力、銳利進(jìn)取。還有這大學(xué)幾年陪著我的同學(xué)和老師們，是你們讓我的大學(xué)生活豐富多彩，在這其樂融融的學(xué)習(xí)氛圍中，不僅讓我們的知識得到了提高還讓我們之間的情誼得到了升華。感謝大家讓我大學(xué)這個家庭中深感溫暖、備受幸福。22