1.引言

在半导体材料的制造过程中，硅单晶是最为重要的基础材料，广泛应用于集成电路、太阳能电池和微电子器件等领域。随着科技的快速发展，对大尺寸、高质量硅单晶的需求不断增加，推动了硅单晶炉技术的不断革新与进步。直拉法是目前最常用的硅单晶生长技术之一，它具有较高的生产效率和较低的成本优势，成为工业领域主流的生产方式。随着单晶尺寸的扩大，传统硅单晶炉的热场设计逐渐显现出一些不足之处，影响大直径硅单晶的生长质量和生产稳定性。

在现有单晶炉坩埚旋转控制系统中提出一种用粒子群算法(Particle Swarm Optimization, PSO)和BP神经网络来混合优化原有的PID控制的方法。通过粒子群算法对神经网络权值的优化，规避神经网络的自身缺陷，之后再优化 PID控制参数，使得PID控制效果达到最佳。仿真实验的结果表明，PSO-BP-PID控制的响应速度比PID控制和神经网络PID控制分别提升了72.7%和25%；控制达到稳定的速度分别提升了69.4%和58.7%；超调量比PID控制的超调量减少了12.8%，比神经网络PID控制减少了4.6%。双算法对坩埚转速控制的混合优化提高单晶硅棒的品质，促进直拉单晶硅的高质量生产。

太阳能资源在地球上十分丰富，陆地上能够利用的太阳能资源如果都充分利用起来能提供相当于当前能耗的500倍能源，而如果想要满足全世界的电力能源需求也只需在地球上1%的沙漠上建设光伏电站，光伏行业的发展潜力巨大。近年来全球传统能源危机的出现也预示着光伏产业的发展必将在不远的将来上升到另一个高峰。

热场影响着晶体的温度梯度、熔体的流动状态，还决定单晶的生长速度和晶体质量。目前应用的大直径直拉硅单晶炉在生产过程中常面临热场不均匀的问题，这种不均匀性容易导致晶体内部应力增大，影响晶体的纯度和结构完整性，降低硅单晶的成品率和使用寿命。优化大直径直拉硅单晶炉的热场设计，成为业内关注的焦点。

2.大直径直拉硅单晶炉的工作原理

2.1直拉法硅单晶生长工艺介绍

直拉法硅单晶生长工艺是一种通过控制熔体温度和晶体生长速度，让熔化的多晶硅通过渐进冷却结晶，形成高纯度单晶硅的工艺方法。工艺由晶体学家齐格勒于1916年首次提出，由捷克物理学家简-西格尔于20世纪50年代加以改进，最终成为大规模工业生产中广泛采用的技术。直拉法的核心是依据一个硅棒种子从熔融的硅中缓慢拉出，导致液态硅在种子晶体的引导下有序凝固，逐渐形成单晶。直拉法工艺的优点在于较为精确地控制晶体生长过程中的温度和拉速，保证较高的晶体质量。

我国单晶硅棒生产也在逐步朝着大尺寸化的方向发展，并且切割的厚度也是越来越薄。其具体表现在22年我国已有大批企业将产线进行了升级改造，生产出的硅片直径已经达到220mm甚至更大。而在硅片切割产线中，硅片厚度已经到了 160微米，同时已有部分企业开始在采用钨丝切割，这样将使切割的硅片比原来用金刚线切割的更加薄。

2.2大直径单晶炉的结构与特点

ＨｇＴｅ单晶炉主要结构部件包括带水冷夹层外壳、保温层、加热丝、均温筒、石英管、坩埚等，在工作中炉腔内充满高压气体，现使用的 ＨｇＴｅ单晶炉加热器为两区加热，实际使用中温度梯度约为３.８℃／ｃｍ，由于获得ＨｇＴｅ单晶最佳温度梯度约为４～６ ℃／ｃｍ，为了获得更大的温度梯度，现考虑在原有结构基础上改进，本实验提出一种五区加热结构，每区加热功率单独控制，通过调节每区的加热功率来达到更好的温度梯度；同时增大上三区保温层与下两区保温层厚度差值来改变上下保温性能，获得更大的温度梯度。

与传统的直拉硅单晶炉相比，大直径单晶炉的结构更为复杂，主要由加热系统、冷却系统、拉晶系统、晶体旋转系统以及控温系统等组成。大直径单晶炉在结构设计上追求熔体温度的精确控制和单晶生长过程中应力的有效缓解，加热系统的设计十分关键。经过一系列控制系统和传感器的协同工作，能够精确监控晶体生长过程中的温度梯度，保障晶体在均匀的温度场中生长^[1]。

热场主要包括炉内的温度场和流场，它们影响晶体的生长速度、方向以及结晶质量。温度场的均匀性对于晶体内部应力的分布以及缺陷的产生有着直接影响，过大的温差导致晶体内部产生裂纹或杂质沉积，降低晶体质量。热场设计的目标是尽可能减少温度梯度，让晶体在一个均匀的温度环境中形成，提高单晶的均匀性和纯度。

2.3热场在硅单晶炉中的重要作用

熔体的流动状态直接影响熔体中的杂质分布，流动不均匀或湍流过强都可能导致杂质在晶体中的分布不均，影响晶体的电子性能。优化炉内的加热器布局、调整加热功率和控制熔体流动，有效控制流场，减少杂质的进入，提高晶体的纯净度^[2]。

良好的热场设计能够减少晶体的缺陷率，提高生产效率，降低能耗。针对大直径直拉硅单晶炉的热场改造研究，既是提升产品质量的需要，也是推动整个产业发展的关键环节。

3.热场改造方案分析

3.1改造的需求与目标

半导体行业对大尺寸、高纯度单晶硅的需求日益增加，现有的热场设计在应对大直径单晶的高温均匀性、熔体流动控制以及杂质排放等方面显得力不从心，影响了晶体的生长稳定性和成品率^[3]。改造的首要目标是提高热场的均匀性，降低温度梯度，改善晶体的质量。优化加热系统和冷却系统，让整个生长过程中熔体的流动更加平稳，减少杂质的沉积与内部应力的积累。改造的最终目标是依据一系列的技术措施，降低生产过程中的缺陷率，提高单晶的良品率和经济效益。

3.2热场设计中的关键参数

温度梯度，这是决定晶体生长速率和质量的重要因素。如果温度梯度过大，容易导致晶体内部产生热应力，引发裂纹和位错，这对晶体的电子性能有不良影响。优化热场设计的首要任务是减少温度梯度，保障在晶体生长区域内温度分布尽可能均匀。

熔体流动的方式影响杂质的分布与晶体的纯度，在大直径单晶炉中，熔体的体积较大，流场较为复杂。如果流动不均匀，杂质会在晶体生长区域聚集，形成晶体中的杂质带，影响电子器件的性能^[4]。在设计热场时，要注意熔体的流动方向与速度，合理的加热和冷却布局，控制熔体的流动，让其保持稳定、均匀。

3.3具体改造内容

加热系统是影响热场的关键部分，现有的加热系统在大直径单晶炉中往往采用电阻加热的方式，由于大直径晶体的尺寸较大，现有的加热系统难以保证温度的精确控制。对加热器的布局进行重新设计，采用多区加热方式，将整个加热区域划分为多个独立的加热区，各区的加热功率单独调节，精确控制温度分布。在加热器表面增加热屏障材料，减少热量的辐射损失，提高热场的均匀性。

现有的冷却系统往往难以在大尺寸晶体的生长过程中有效控制温度变化，导致晶体内部温差过大，引发热应力。为了改进冷却效果，采用渐进冷却的方式，在单晶的不同生长阶段提供不同的冷却强度。在晶体生长区域设置多级冷却器，控制冷却速度，晶体的冷却过程更加平稳，有效减小晶体内部的热应力。对冷却器的结构进行优化，增加冷却器的表面积，提升冷却效率。

热屏障是用于隔离加热区与冷却区的材料，减少热量的传导损失，让加热系统和冷却系统的效率更高。现有的热屏障设计在大直径单晶炉中经常难以有效隔离热量，导致热量分布不均。为了改善这一问题，采用具有高热阻性能的新型隔热材料，如陶瓷纤维或氧化铝材料，增强隔热效果。对热屏障的几何形状进行优化，保障热量在熔体中均匀分布，减少温度波动。

3.4改造前后的热场对比

改造前，硅单晶炉内的温度梯度较大，导致晶体生长过程中出现明显的热应力，晶体内部常出现裂纹或杂质带，影响成品率。改造后，热场中的温度梯度降低，熔体流场更加稳定，晶体生长过程中的热应力得到了有效缓解，晶体质量大幅提升。依据过数值模拟和实验验证的结果表明，改造后的热场在温度分布和流场控制方面更加优化，晶体的缺陷率显著降低，单晶的纯度和均匀性得到了有效改善。

改造后的加热系统能够在不同生长阶段灵活调节加热功率，温度场的分布更加均匀，避免了局部过热现象。冷却系统的渐进冷却设计减少了晶体内部的温差，降低了晶体中由于温差引发的热应力。优化后的热屏障结构有效隔离了加热区与冷却区，减少了热量的无效传导，提高了晶体生长过程中的温度控制精度。

4.改造方案的数值模拟与实验验证

4.1数值模拟方法与软件选取

依据数值模拟，能够在不进行实际实验的情况下预测热场改造对温度场、流场以及晶体生长过程的影响，为实际改造提供可靠的依据。采用了有限元分析法（Finite Element Method, FEM）对热场进行数值模拟，选择了商业上常用的热传导与流体力学分析软件ANSYS Fluent进行模拟分析。ANSYS Fluent具有强大的热流体分析功能，能够准确模拟晶体生长过程中熔体的流动、热传导、温度分布等物理现象，模拟复杂的多物理场耦合问题^[5]。

实际单晶炉结构相似的几何模型需要精确反映单晶炉的加热器、冷却器、熔体和晶体的相对位置和尺寸。在建模过程中，采用三维模型以便准确捕捉热场的空间分布情况。对于加热器部分，设定不同区域的加热功率，模拟改造前后的加热系统工作状态。在冷却部分，模拟了不同冷却强度和冷却速率下晶体的温度变化过程。对于材料的热力学性质，例如硅的熔点、导热系数、密度和比热容等，都根据实际工艺参数进行设定。

4.2热场的温度场和流场分析

温度场是影响单晶生长质量的最重要因素之一，温度分布的均匀性直接影响晶体内部应力和缺陷生成。在模拟中，设置边界条件和初始条件，观察晶体生长区域内的温度梯度变化。在改造前的模拟结果中，显示出温度场分布不均匀，晶体生长区域内存在较大的温度梯度，导致晶体内部应力增加。在改造后的模拟中，对加热器和冷却器的优化设计，温度场的分布得到了显著改善，整个晶体生长区域内的温度梯度减小，热应力显著降低。

熔体的流动状态影响到杂质的分布和晶体的纯度。在模拟过程中，重点分析了熔体的速度场和湍流强度。在改造前的流场模拟中，熔体的流动较为紊乱，湍流强度较大，导致杂质的集中沉积。在改造后的流场模拟中，调整加热器的布局和冷却系统的设计，熔体流动趋于平稳，湍流强度大幅降低，杂质分布更加均匀，有助于提高晶体的纯度和质量。

4.3实验验证的具体步骤与方法

对原有热场进行实验数据的采集，改造后的热场进行测试并对比验证。在实验过程中，选择实际生产中的大直径硅单晶炉作为实验对象。在炉内不同位置布置热电偶和温度传感器，实时监测熔体和晶体生长区域内的温度变化。实验过程中还利用激光干涉仪检测晶体表面的温度分布情况，验证改造前后的温度梯度变化。采用高精度的流速计和湍流传感器测量熔体的流动速度和湍流强度，评估流场的改善效果。

晶体生长区域的温度梯度较改造前显著降低，在晶体与熔体接触的区域，温度分布更加均匀，晶体表面的热应力得到了有效控制。流场测量数据表明，熔体的流动速度趋于稳定，湍流强度减小。

4.4模拟结果与实验结果的对比分析

对改造前后生产的晶体进行X射线衍射分析（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）测试，清楚地观察到晶体内部应力和缺陷的变化情况。XRD结果显示，改造后晶体的晶格排列更加规整，应力集中区域减少，晶体的结构完整性得到了明显改善。SEM测试结果则表明，改造后的晶体内部缺陷减少，杂质带的宽度明显减小，晶体的纯度和均匀性大幅提升。这些实验结果与数值模拟预测的趋势保持一致，证明热场改造的有效性。

5.改造效果分析与讨论

5.1改造后单晶生长过程的改进

改造后的热场设计使得温度分布更加均匀，温度梯度大幅降低，熔体的热对流现象得到了有效控制。改善晶体生长过程中的稳定性，导致单晶在生长过程中受热均匀，减少了因热应力引发的位错和晶体破裂问题。原先由于温度波动导致的晶体内部缺陷和杂质集中情况也得到了有效缓解，这意味着单晶的结构质量得到了提升。熔体的流动情况更加稳定，减少了湍流现象，杂质的扩散更加均匀，降低了晶体内部杂质带的形成。

5.2单晶质量的变化

改造后生产的单晶在纯度、结构完整性以及表面光洁度等方面都有进步。实验分析显示，晶体内部的应力和位错密度显著下降，杂质的含量也明显减少。这些变化提高了单晶的电子性能，在后续应用中的表现更加稳定可靠。晶体生长过程中的成品率也得到了提升，减少了由于晶体破裂或结构缺陷导致的废品率。改造后的单晶产品质量达到甚至超出行业标准，为后续工艺和生产应用提供了更高质量的基础材料。

5.3改造方案的经济性与可行性分析

尽管初期的改造投入，包括设备升级、热场设计优化和数值模拟费用等，较为显著，但长期来看，这些投入提高单晶的成品率、减少生产缺陷以及降低能耗等方面得到了有效回报。改造后的硅单晶炉在能耗上有所降低，还减少了材料的浪费，提升了生产效率。生产过程中的维护需求也有所减少，节省了运营成本。热场改造改善了生产性能，也增强了企业的市场竞争力，在高端硅材料市场中，优质单晶产品的需求不断增加，这导致改造的经济性更加突出。

5.4改造方案的潜在问题与优化方向

在冷却系统的某些区域，温度控制还未能完全达到理想状态，导致晶体某些部位的温差依然较大，这可能对提高单晶的质量造成一定影响。尽管温度梯度和流场得到改善，但在复杂的生产环境中，某些极端工况下的热场控制仍然存在挑战，这意味着需优化控制系统的灵敏度和反应速度。

提升冷却系统的设计，让冷却过程更加渐进和均匀，在单晶生长的后期阶段，避免因快速降温产生的热应力问题。热场监测系统更加智能化，利用先进的传感器和控制算法，实时监控并调整加热和冷却过程，保障整个生长过程中的温度和流场保持在最优状态。改造方案的推广和规模化应用还需要评估在不同炉型和生产工艺中的适应性，保障该方案在更广泛的应用场景中能够同样发挥其效能。

6.结论

对大直径直拉硅单晶炉的热场进行了全面改造，取得明显的成果。优化加热系统、冷却系统以及热屏障设计，改善单晶生长过程中的温度梯度和熔体流场，减少晶体内部的应力和杂质带，提高了单晶的纯度和结构完整性。改造后的热场设计有效降低了晶体生长过程中的缺陷率，提升成品率和生产效率，具有较高的经济性和实用性。

参考文献：

[1] 徐晓伟,王斐,冉瑞应,等.213 mm大直径单晶硅直拉法制备过程的热场模拟研究[J].热加工工艺,2023,52(09):72-75.

[2] 王军磊.大直径直拉硅单晶生长速度的研究[D].河北工业大学,2022.

[3] 莫宇,张颖武,韩焕鹏,等.石英坩埚对大直径直拉硅单晶生长的影响[J].电子工艺技术,2021,42(01):46-49.

[4] 郭瑞奇,任辉启,龙志林,等.大直径SHTB实验装置数值模拟及混凝土细观骨料模型动态直拉研究[J].爆炸与冲击,2020,40(09):18-31.

[5] 吴景超.大直径直拉式单晶炉等径控制系统的工程应用研究[D].北京化工大学,2015.