王 维，黄 鸣，常晓鱼，张 昊，吴 奇，龙连春

(1.北京北方华创真空技术有限公司，北京 100015； 2.北京工业大学材料与制造学部，北京 100124)

0 引 言

半导体材料是半导体工业的基础材料，在半导体材料中用量最大和用途最广的是硅[1-2]。近几年随着光伏行业的迅猛发展，单晶硅又被用来制作太阳能电池，逐渐取代多晶硅的行业占比，呈现供不应求的局面。而晶体生长设备与晶体生长密不可分，设备的稳定性、可靠性以及自动化程度是决定晶体质量的必要条件。单晶炉按照晶体生长方法可分为提拉法单晶炉、坩埚下降法单晶炉、区熔法单晶炉[3]。其中，提拉法单晶炉是晶体生长设备中最重要的产品系列，常用其来制备体块状晶体，虽然成本较其他方法高，但用此方法单晶生长速度高、晶体尺寸大、晶体质量好、最易实现人工控制，因此获得了最广泛的应用[4]。

最早在1916年，波兰学者Czochralski提出了通过提拉装置从熔体中生长晶体的方法，业界简称为直拉法或Cz法。1950年和1952年，Teal等[5]采用直拉法分别生长出锗单晶和硅单晶。这个开创性的工作相继引发了微电子与集成电路、信息技术、电力电子以及光伏发电等领域的巨大发展和产业变革。最初通过不同控制方法来实现对晶体直径的控制，Geverler等[6]采用了基于光学测径的PID控制方法通过调节提拉速度实现晶体直径控制。Bardsley等[7]采用了基于称重法的PID控制方案，调节直拉炉的热场温度实现对晶体直径的控制。Takano等[8]模拟了400 mm单晶生长的几个过程，单晶生长固液界面形状尽可能平坦，可以减小晶体中的热应力，从而生长出优质的单晶硅。……