直拉硅单晶是半导体行业最重要的基础材料,半导体集成电路器件对硅材料行业提出了生产大直径、高品质硅单晶的要求。本文正是在这样背景下,以如何建立晶体微观品质与宏观控制参数之间的关系为问题驱动,从生长界面形态（微观）、拉速与温度梯度关系（桥梁）、晶体生长形态（宏观）三方面开展研究。围绕硅单晶生长界面形状与生长控制,对直拉硅单晶生长过程建模与工艺参数优化进行研究。1.数值模拟是对直拉硅单晶生长过程进行研究最为重要的方法。针对硅单晶生长过程建模,采用有限元法建立含有内热源晶体生长二维热场模型,为研究晶体典型生长阶段的固液界面形状内在规律与工艺参数影响奠定基础。针对磁场作用下的晶体生长过程建模,采用一种二维/三维混合模型中边界条件的确立方法,综合考虑热辐射、热传导以及氩气流动的影响。采用该方法研究了大尺寸热场引起固液界面附近温度波动问题,指出水平磁场晶体生长法的不足,提出了一种新型磁场结构-四极磁场,对四极磁场作用下的晶体生长进行研究,得到了磁感应强度等关键工艺参数对晶体生长温度分布和固液界面形状的影响及描述。结果表明,四极磁场对熔体及固液界面温度分布的对称性有明显改善作用;在该磁场结构的作用下,优化了磁感应强度参数,为硅单晶生长提供一个稳定的生长环境。2.硅单晶生长的放肩和收尾是影响成品率和生长效率的两个重要阶段。针对放肩过程中液流线切入晶体导致变晶的现象,采用理论研究与数值模拟相结合的方法,解释了液流线波动的原因,提出了变晶转工艺优化方法,有效避免了放肩过程中热对流形态变化剧烈所引起的变晶,保证晶体顺利进入等径生长阶段;针对收尾过程中晶体直径的快速收缩和突然停止引起位错反延现象,给出了加热功率优化曲线,解释了收尾失败的成因,避免了收尾时产生位错反延至等径的现象。在实验测试中,晶体放肩和收尾过程均取得了良好的控制效果,达到高效率放肩和快速平稳收尾的目的。3.硅单晶的最大生长速率与热系统形成的垂直方向温度梯度有关,本文提出了一种热系统中热屏改进方法。研究了不同结构热屏对晶体生长的影响,结果表明复合式热屏更有利于晶体高效生长。进一步,提出一种最大拉速估计的方法,并且通过实验验证了该方法的准确性。分析不同拉速对晶体内部点缺陷的影响规律,给出了拉速在工艺过程中的约束条件,为改善晶体内部品质提供参考。4.传统晶体控制方法中,转肩的控制方式对晶体有效可用长度和品质控制能力不足,在分析转肩后直径波动原因的基础上,提出一种基于模型预测算法的晶体生长控制器。采用广义预测自适应控制技术设计了晶体生长中的温度前馈控制器,使晶体生长严格按照工艺曲线进行,在实验测试中取得了良好的控制效果,确保晶体微观品质的基础上抑制了转肩后的直径波动现象,提高了晶体可用长度。仿真研究和工程实验验证了本文所获得结果的正确性。