问题描述
硅单晶材料在集成电路产业链中占据首要地位，硅单晶的品质对集成电路芯片性能有着重要的影响。硅单晶制备过程是多场耦合、多相变、大空间、高温、高真空、高洁净的精密生产过程，此过程决定了硅单晶的品质。如何在复杂的制备过程中，通过调控宏观工艺参数，实现对硅单晶微观品质的精准管控，是硅单晶制备产业界和学术界持续关注的难题。通过发展新理论、研究新方法、形成新工艺，实现对硅单晶生长过程及品质的有效管控，达到稳定提升硅单晶材料品质的目的，以满足不断演进的集成电路芯片制程要求。这项技术对建立和发展我国半导体硅单晶产业，实现生产过程的科学化、高效化、实用化，形成市场竞争优势具有重要的理论价值和现实意义。
半导体硅单晶是制造集成电路芯片最重要的基础性材料，90%以上的集成电路芯片都是制作在硅单晶上，硅单晶的制备在集成电路产业链中占据首要地位。半导体硅单晶的品质主要包括：直径尺寸、长度等宏观品质；氧碳含量、晶体缺陷、杂质浓度等微观指标，这些决定了硅单晶制备效率和后端集成电路芯片的性能，同时，也反映了一个国家集成电路产业的发展水平。目前，半导体硅单晶材料制备产业仍具有高度集中的特点，以直径12英寸硅片为例，日、德、韩等境外5家企业占据90%以上的全球市场份额，形成了世界范围的垄断。代表当今集成电路芯片主流制造水平的20nm及以下制程工艺所要求的高品质、大尺寸半导体硅片，我国主要依赖进口。半导体硅单晶材料从技术研发、产业生产到市场销售具有投资规模大、建设周期长、技术门槛高、产业垄断强的突出特点，成为制约我国集成电路产业发展的关键壁垒之一。问题背景
制备半导体硅单晶的主要方法是直拉法，也称为Czochralski法，所采用的设备称为硅单晶生长炉，简称单晶炉。近百年来，依据此方法，集成电路材料经历了由锗单晶向硅单晶的发展历程，实现了由生长直径不足1英寸到12英寸及以上、制造的芯片由微米制程到纳米制程的发展阶段。随着集成电路芯片线宽的不断降低，目前线宽可低至3纳米，进而对半导体硅单晶材料的品质指标提出了更高的要求，如COPFree（无缺陷）、低杂质、大尺寸等方面。如何在直拉硅单晶制备过程中实现对硅单晶材料宏观和微观品质的精准控制，是我国半导体硅单晶产业发展面临的难题。
硅单晶生长是一个是在电-磁-流-热等多场作用下实现硅材料由多晶态向单晶态相变的复杂物理过程，其中涉及材料科学、控制科学、机械制造、检测技术、半导体技术等多个科学技术领域，具有鲜明的多学科交叉融合特点。从自动控制的视角看，硅单晶生长又是一个复杂的具有流程工业特征的工艺生产过程，这一过程所具有的分布参数系统、多场多相耦合、关键变量测控、纳米尺度表征等复杂特征集中体现为变量检测难、建模辨识难、工艺控制难、品质管控难等方面，成为制备满足集成电路芯片微细纳米制程要求的高品质大硅片的技术瓶颈。因此，需要探索和研究在产业化条件下（满足品质与良率要求）的晶体生长机理与核心工艺，揭示生长控制方法与品质作用关系，创新硅单晶生长过程及品质管控理论与技术方法，实现高品质硅单晶生长过程由传统的主要依赖经验的“技艺”向以科学理论为指导、以先进技术为依托的“科学”转变。本研究所提出的问题既是全球范围内半导体硅单晶生材料制备领域学术界和产业界关注的热点，更是发展我国集成电路硅单晶产业的急迫需求。最新进展（截止问题发布年度）
当前，我国的大尺寸半导体级硅单晶材料制备已进入产业化进程，但在硅片品质的一致性、良品率、生长设备的可靠性以及生长工艺的适应性等方面与世界先进水平存在一定差距。长期以来，在硅单晶生长领域秉承以专家经验为主导的硅片制造与品质调控方法，通过对硅片品质进行检测与评判，再探索修改和优化生长工艺和参数，从而形成所谓特定的技术“诀窍”。这既缺乏严谨的理论指导，又耗时耗财，而且容易形成了技术壁垒与行业垄断。随着半导体硅单晶生长技术向着数字化、网络化、智能化的方向发展，传统的理论基础和技术支撑难以满足微细纳米集成电路芯片制程快速发展和对品质和良率的指标要求。
针对当前所面临的问题，发展新理论、研究新方法、形成新工艺，实现对生长过程及品质的有效管控，达到稳定提升硅单晶材料品质的目的，是本领域理论研究与行业发展关注的焦点。信息技术的新成果、多学科交叉融合推进创新驱动，形成新质生产力的新思路为解决此问题提供了新的、可能的途径。将专家经验和半导体硅单晶生长的基本理论、核心工艺与信息化技术深度融合、集成创新，从中探索和形成能够指导半导体硅单晶生长和实现硅单晶品质管控的科学理论和技术方法，是发展我国半导体硅单晶材料制备产业面临的关键工程技术难点和挑战。重要意义
本难题的解决，将提高我国半导体硅单晶产业化生产的科学化、高效化、实用化水平，有利于建立和提升我国半导体硅单晶材料在国际市场中的竞争力，为我国集成电路产业的健康发展提供坚实基础。与此同时，科学理论和关键技术的突破，对于打破国外垄断，解决此领域的“卡脖子”问题，实现我国在集成电路硅材料领域核心技术自主可控具有重大意义。
