大尺寸电子级硅单晶生长过程建模与控制

The monocrystalline silicon furnace is the main equipment which is used to growsilicon material based on Czochralski method for the silicon base of very large scale integrated circuits manufacture. As the diameter of the silicon ingot increasing and theline width decreasing of the integrated circuit, the requirement to the silicon growth technique and the corresponding control system are more and more strict. Based on the principle of the crystal growth, three-dimensional models are established to accurately describe the temperature, flow vector and thermal stress of anarbitrary point in the asymmetric thermal field. The relationship between the micro-scale quality of the silicon produced and the macro-scale manipulated variables are investigated. The key parameters sets for high quality silicon growth technique are optimized based on the collaborative sequential response surface method. The precise observing variables measure and estimation theory under a complicated (non-gauss, bounded etc) uncertainty environment are investigated in order to provide more information for thermal field modeling and accurate feedback variables for the growth controller. According to the optimized silicon growth technique requirement, a novel dual adaptive control algorithm not only satisfying control objectives but also guaranteeing the precision of parameter identification is proposed. To solve the set problems of prior models of traditional dual adaptive control, a set of models are estimated for the different stage of crystal growth using a dynamic finite element method. The monocrystalline silicon shape size, micro defects and impurities are effectively controlled using the proposed methods. Research results will be verified through experimental test to achieve a set of qualified techniques and the corresponding control theory and methodology.

硅单晶炉是利用直拉法制备集成电路用硅材料的重要设备，大（直径）尺寸微纳米集成电路用硅材料对硅单晶生长工艺以及控制方法提出了更加苛刻的要求。本项目依据硅晶体生长原理，通过建立三维模型，解决非对称热场空间任意点的温度、流场矢量及热应力变化的精确描述问题；探究晶体微观品质与宏观控制参数之间的关系，提出并实现基于协同序列响应面法的晶体生长过程工艺参数优化策略；研究复杂不确定环境中关键变量的精确检测与估计理论，为生长建模和工艺控制提供准确信息；依据经过优化的硅单晶生长的工艺，提出既可满足控制目标要求又能兼顾参数辨识精度的晶体生长对偶自适应控制方法，采用动态有限元方法构建硅单晶生长不同阶段数学模型集合，解决传统对偶控制中先验模型的设定问题，实现对硅单晶外形尺寸、微缺陷、杂质含量及分布等重要指标的有效控制。研究成果通过工程实验予以验证，获得高品质硅单晶生长的关键工艺和相应控制理论与方法。

硅单晶生长是在真空、高温及特定条件下，微观粒子分布、运动及形态变化相互影响、发展演变、设备与工艺高度融合的复杂物理化学过程。这一过程所具有的分布参数系统、多场多相耦合、纳米尺度表征等特性，集中体现出“变量检测难、建模辨识难、工艺控制难”的特点，并成为实现集成电路硅单晶材料产业化的主要瓶颈。本项目以集成电路芯片用硅单晶材料生长过程中关键科学技术问题为目标，依据在大尺寸、强磁场三维热场空间中生长微细纳米制程要求的电子级硅单晶材料的工艺要求，在基于知识和数据的晶体生长过程三维建模及工艺参数优化、晶体生长过程关键变量检测与估计理论、建立符合高品质晶体生长工艺要求的自动控制系统结构和算法等方面进行了系统的研究，完成了研究内容，达到了研究目标，取得了以下研究成果：. （1）提出了基于知识和数据的多场耦合条件下晶体生长机理过程与建模方法，揭示了硅单晶生长过程缺陷形成机理和杂质分布规律。. （2）提出了多场耦合条件下大尺寸、高品质硅单晶生长工艺参数的智能优化方法，为多场耦合环境下生长大尺寸、高品质硅单晶提供了指导和保障。. （3）提出了晶体生长过程中热场温度传感器最优布设方法和混合不确定参数估计理论与方法，解决了在高温、真空、多场耦合环境下与硅单晶生长密切相关的工业变量检测难题。. （4）提出了融合数据与机理知识的硅单晶生长过程模型预测控制，解决了传统晶体生长控制效果不理想、控制精度低和受限于模型不精确的问题，为硅单晶生长全过程的精准控制提供了理论支撑。. （5）研发制造了新一代大尺寸半导体硅单晶生长成套装备，在国内半导体硅单晶材料制造领军企业的半导体硅单晶生产线成功生长出满足微细纳米芯片制程要求的高品质硅单晶材料。. 本项目的完成和产业化应用，实现了我国在集成电路硅材料关键技术与核心工艺产业化方面的新突破，对于满足我国集成电路产业发展的迫切需要、解决在半导体大硅片领域的“卡脖子”问题具有重大意义。