直拉硅单晶生长过程建模与控制PDF电子书下载

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

2.5.1 CZ硅中的氧及其控制 25

2.5.2 CZ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

4.4.1 ANSYS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

5.1 MCZ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

5.1.2 MCZ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

8.2.1 CANOpen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