昨天介绍了半导体单晶炉的机械结构和工艺流程，今天介绍半导体长晶炉的温度和拉速控制。在CZ 硅单晶生长过程中，设备和工艺参数众多，硅单晶生长过程变量和工艺参数与晶体生长状态紧密相关。以下列举出晶体生长过程中的重要参数与其对晶体品质的影响。
(1)加热器温度
单晶炉内的温度场是晶体生长的原动力。硅单晶生长系统中热场的传热方式主要有三种：热传导，热对流，热辐射。加热器为整个晶体生长过程提供热量，然后以热辐射方式传递到坩埚表面，以热传导方式传递到硅熔体中。科学地设计一个能够达到适合晶体生长温度要求的热场，无论是对于晶体生长工艺的操作、提高效率和降低成本，还是生长出达到品质要求的晶体都是至关重要的。晶体生长系统的热场结构如图所示。
加热器通电后为系统提供热源，可以通过调节电源电压或者电流控制其功率。热源放出的能量通过保温系统进行保温，构成晶体生长所需的热场环境。坩埚、加热器等装置的材料性质和参数直接决定了单晶炉内热场的状态和温度分布情况。如果热场不均匀则不能形成正常的温度梯度，从而影响晶体生长的方向。
(2)熔体温度
熔硅时温度不能过高，一般在1500℃到1600℃，否则有可能会产生“硅跳”。当硅跳比较严重的时候，熔硅就会从坩埚里跳出溅到加热器、单晶炉壁，使得石墨器件受损，一般只能降温停炉，此时一锅料基本作废，正常的生长过程都无法保证，晶体的品质更无从谈起。在放肩过程中，坩埚边缘可能有结晶生成，如果没有及时处理，结晶将渐渐生长，严重影响单晶生长。造成这一现象的主要原因是熔硅表面过冷度过高，从工艺上看有可能是放肩时温度降低太多造成的。因此，放肩过程中降温幅度应该控制在很小的范围，避免放肩过程中坩埚边缘出现结晶现象。一旦坩埚边缘发生结晶，应适当提高温度，让结晶慢慢熔化。当结晶熔化时，可以继续进行正常的放肩拉晶过程。
(3)晶体生长速度
晶体生长速度这一物理量与多晶生长、位错和其他晶体内部缺陷直接相关。晶体的生长速度会直接影响晶体生长的效率及缺陷，对晶体的周期性对称也有破坏性影响。随着工业生产与研究中对晶体微缺陷的控制以及生产效率的需求逐渐提高，晶体生长速度已逐步成为重要生产指标之一。由于晶体生长界面过冷度的存在，晶体生长可以持续进行，增大晶体内部温度梯度，能提高晶体的生长速度，但是温度梯度太大，会使晶体内产生很大的热弹应力，致使位错和其他晶体缺陷产生，甚至导致晶体产生裂纹。
(4)晶体直径
晶体直径是晶体生长中的一项重要性能指标，对晶体直径进行实时监测和有效控制，一方面可提高切片过程中晶体利用率；另一方面，晶体直径变化越小，固-液界面的形状愈稳定，晶体内位错缺陷越少，晶体品质越高。晶体生长过程具有的非线性和大滞后特性，对晶体直径的监测和准确控制提出了挑战。
(5)熔体高度
熔体液面位置在晶体生长过程中也是一个重要参数。大尺寸低纳米线距集成电路需求量越来越大，对硅熔液液面位置控制精度要求也越来越严格。在晶体生长过程中，获取熔体液面高度数据并对其进行有效控制是生长高质量晶体的基本条件。硅熔液会随着晶体生长逐减少，液面下降，此时会影响到固-液界面处的温度梯度和固-液界面形状，从而使晶体内部产生缺陷。同时，硅熔液液面的改变会对晶体直径的测量产生较大的影响，导致直径控制系统发散。
(6)晶体转速和坩埚转速
为了达到生长出大尺寸、高品质硅单晶的需求，单晶炉及其热场的尺寸随之变大，内部熔体的自然热对流现象也更为复杂，影响到硅单晶的正常生长过程，此时一般采用调整晶体转速和坩埚转速的方法来抑制硅熔体内自然对流。晶体与坩埚之间相互反向旋转运动，使熔体的中心区域和外围区域产生相对运动，通过对熔体进行搅拌，在固-液界面下形成了相对稳定区域，有利于晶体的稳定生长。晶体旋转会对熔体内温度分布均匀性产生影响，晶体转速的提高使熔体内部的强迫对流加强，晶体下方高温熔体的持续运动使熔体内部的温度分布更加均匀。适当的增加晶体转速也有利于晶体生长中的热量传输，提高拉晶质量。在没有坩埚转动的情况下，晶体生长的固-液界面的形状大幅度凸向熔体，熔体中径向温度分布梯度较大。有坩埚转动时，相变界面渐渐地向晶体中心轴方向偏移，并且坩埚中熔体的径向温度分布逐渐趋近于中心。合理设定坩埚转速，可以改善熔体温度分布均匀性，增强固液界面形状稳定。另外，晶转和埚转对熔液内杂质分布有直接影响，所以晶转和埚转对整个晶体内杂质均匀度也有一定的调节作用。所图所示为晶转和埚转产生的强迫对流示意图
(7)固-液界面形状
固-液界面的形状对于硅单晶均匀性和完整性有重要的影响，固-液界面变化的原因是当晶体提拉速度增大时，为了维持晶体的稳定生长，固-液界面结晶前沿晶体生长速率也相应增大，而在晶体生长过程中，硅熔液转变为晶体时单位时间内释放的热量增多，使得固-液界面弯曲程度增大，进而导致固-液界面附近晶体内部轴向温度梯度增加，且增幅沿径向减小，同时晶体内也会产生较大的应力，当应力值超过一定限制时，会直接导致位错或变晶。通过调整晶转、埚转等工艺参数可以对固-液界面的形状进行调节。
(8)坩埚升速
坩埚的上升用于弥补熔体液面降低导致的生长界面的偏移，使生长界面保持炉内固定位置。多晶硅熔完后，若突然上升坩埚，坩埚中熔硅的温度将发生剧烈变化，形成较大温度梯度，坩埚边缘的熔硅流向坩埚中心，生成环状波纹，形成“温度振荡”。波纹高低与波动周期、熔硅温度梯度的大小、坩埚中熔硅的数量相关。要对热场进行适当的调节，更改坩埚的位置。并且在熔硅过程中，缓慢调节坩埚的升速。
(9)晶体倾斜角
晶体生长速度不变时，晶晶体倾斜角改变将导致晶体半径改变，晶体倾斜角是描述晶体直径大小的一个重要参量。
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