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《浙江大学》 2010年
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直拉式单晶硅生长炉的关键技术研究

曹建伟  
【摘要】:信息产业与新型绿色能源产业是目前人类的两大支柱产业,做为两大产业的基础材料单晶硅材料的制备也尤为重要。目前国内用于大规模集成电路(VLSI)的3-8英寸单晶硅的生产绝大部分采用进口直拉式单晶硅生长炉设备;而用于90-65nm线程的12英寸的极大规模集成电路(ULSI)级的单晶硅的生长工艺、控制技术、设备等技术由国外几家公司垄断,无法进行购置。虽然国内50年代开始研究直拉式单晶硅生长炉,但是还停留在半自动阶段、设备制造精度不高、自动控制水平低、无法满足大规模集成电路和极大规模集成电路级别单晶硅生长的要求。 因此,本论文首先研制了用于大规模集成电路级单晶硅生长的全自动生长控制系统。研究了单晶硅全自动生长检测与控制相关的关键技术;提出了基于CCD测量的非完整图像识别技术,提高了新型节能热场下单晶的直径测量精度;研究了全自动工艺与全自动控制环技术,在国内首次实现了抽真空、检漏、压力化、熔料、稳定化、熔接、引晶、放肩、转肩、等径、收尾、停炉等12步全自动生长工艺及晶体直径、热场温度、液面温度、晶体生长速度、液面位置、炉内压力的六大控制闭环技术,实现了的单晶硅的全自动生长控制。同时,在上述技术基础上,研制了单晶硅全自动生长控制系统,该控制系统在国内外单晶硅生长炉上取得了广泛的应用,打破了国外进口设备对我国大规模集成电路级直拉式单晶硅生长炉市场的垄断。 极大规模集成电路(ULSI)级单晶硅是目前最高端的信息材料,最终关系到国家信息安全与国防安全。为满足应用于90-65nm线程、12英寸极大规模集成电路硅片中新增的COP缺陷指标,本文对单晶生长控制中相关COP缺陷的的测量及控制技术进行了改变。在COP缺陷形成的V/G理论指导下,提出了的功率控制直径技术及基于倒影图像检测的液面位置控制技术,实现了单晶生长中的生长速度V和生长界面轴向温度梯度G的精确控制,有效的减少了COP缺陷的生成,从而攻克了极大规模集成电路级单晶硅生长中的关键技术。 在新兴的光伏产业中,中国自2006年开始每年递增上千台单晶硅生长炉,单晶硅太阳能片的生产上已经占了全球80%以上的产能的现状。本文在最后章节中通过改变热屏材料及加热器结构的方式来提高热场轴向温度梯度,研制了一套高效节能22英寸热场,有效的降低了光伏级单晶硅片的生产成本。 本论文的创新点主要为:1)在深入研究硅单晶生长工艺的基础上,国内首次成功研发了直拉式单晶硅生长炉的全自动控制系统;2)提出并实现了基于CCD测量的非完整图像识别的直径测量技术,提高了新型节能热场下单晶的直径测量精度;3)提出并实现了使用功率控制直径的方法和使用倒影图像检测液面位置的方法,有效地减少了单晶硅片的COP缺陷;4)提出了亚双加热器的结构来提高热场轴向温度梯度,从而增加了单晶生长速度,降低了单晶生长成本。
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