直拉式晶體生長爐自動控制方法及系統的製作方法
2023-12-03 20:23:06 2
專利名稱：直拉式晶體生長爐自動控制方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種直拉式晶體生長爐自動控制方法及系統。
背景技術：
矽單晶是微電子技術的材料基石，隨著我國信息產業的發展，對矽單晶質量要求越來越高，直徑也越來越大。可以說矽單晶是現代信息技術、通信技術得以持續發展的材料基礎，有不可替代的作用。
隨著矽單晶在高技術應用領域的不斷推廣，對單晶體的需求量在不斷增加，對晶體質量的要求越來越高，直徑越來越大。這無疑對晶體生長技術也提出了更加嚴格的要求。市場需求高穩定性，全自動控制的矽晶體生長爐。
為滿足迅速發展的信息技術對矽單晶的需求，國內外晶體生長廠家紛紛投巨資擴大晶體生長，對直拉式矽晶體生長爐的需求量近年來也迅速增加。特別是近年來國家對信息產業(含矽單晶片)的優惠政策使國內矽片生產廠商紛紛擴大生產規模，新的廠家投巨資進入矽單晶片生產領域，成為國內的一個投資熱點。
儘管製備晶體方法有很多種，但由於全自動控制熔體提拉法生長具有生長速度快、晶體的純度和完整性高等優點，因而依然是製備高質量大單晶，特別是高質量的IC片矽單晶最常用和最重要的方法。因此直拉式晶體生長爐是最主要的高質量矽晶體生產設備之一。由於全自動控制熔體提拉法生長具有生長速度快、晶體的純度和完整性高等優點，一直是製備高質量大單晶，特別是高質量的IC片矽單晶最常用和最重要的方法。
進入本世紀以來，國內各大矽單晶的生產廠商都成倍地擴大生產規模，需要大量訂購直拉式晶體生長爐；還有很多新建的矽單晶生產廠商都需要大批量購置多臺晶體生長爐。據不完全統計，國內晶體生長廠家對直拉式晶體生長爐的年需求量超過了110臺。然而目前國內有能力生產直拉式矽晶體生長爐的企業僅杭州凱克斯浙大機電有限公司、西安理工大學工廠等少數幾家中外合資企業，還有相當大的市場缺口，高質量的晶體生長爐仍只能依賴進口。
目前用國產晶體生長爐生產晶體產品，其完整性與均勻性都遠遠低於進口晶體生長爐或合資企業生產的晶體生長爐，還很難達到電路級的要求，產品大部分只能用於太陽能市場，而不能進入IC行業的晶片市場。
發明內容
本發明的目的在於提供一種直拉式晶體生長爐自動控制方法及系統，採用帶預測補償功能的晶體生長爐通過對坩堝內熔液的溫度、坩堝與籽晶提升速度、坩堝與籽晶旋轉速度等多個參數的協調控制，在僅採用紅外探測型的直徑傳感器的條件下，仍能達到與進口爐相當的晶體產品完整性與均勻性，使產品達到電路級的要求。
利用直拉式晶體生長爐生產矽單晶，主要依靠將普通矽材料進行熔化—重新結晶來完成的。根據矽單晶的結晶規律，製造一個熔化和結晶的環境將原材料放在坩堝中加熱熔化，控制溫度比矽單晶的結晶溫度略高，確保熔化後的矽材料在熔液表面可以結晶。結晶出來的單晶通過直拉爐的提升系統提出液面，在惰性氣體的保護下冷卻、成形，最後結晶成一個主體為圓柱體、尾部為圓椎體的晶體。晶體產品的完整性與均勻性是晶體生長爐最關鍵的技術指標，要求在長達30~40個小時的成晶過程中確保晶體的無錯位生長，同時儘可能避免晶體的內應力與微缺陷；因此需要讓矽單晶按要求進行有規律地生長，這就對晶體的圓柱直徑、生長速度的均勻性提出了很高的要求。另外，在整個過程中，滲雜劑在軸向以及徑向分布的均勻性、氧含量的均勻性也都直接影響了產品的質量。因此，需要有一套相應的自動控制方法及系統自動完成引晶—放肩—等徑—收尾的全過程，並確保最終晶體產品的完整性與均勻性，同時最大限度地免除人為因素對生長過程的幹擾。
為了達到上述目的本發明採用的技術方案如下1.直拉式晶體生長爐自動控制方法1)加料將矽晶體原材料放到坩堝內；2)氬氣保護控制利用氬氣保護控制模塊進行控制，即啟動真空泵對爐筒與提升腔1抽真空到10-6bar～10-5bar→氬氣充氣部件向爐筒與提升腔內充氬氣到常壓→再抽真空到10-6bar～10-5bar→再充氬氣到常壓，反覆6～8次後停止；3)熔晶啟動坩堝加熱控制部件與冷卻水，並利用坩堝加熱與冷卻控制模塊控制坩堝加熱控制部件的功率和冷卻水的流量，綜合控制坩堝內的普通矽原材料加熱熔化，以及對爐筒外殼的冷卻，避免高溫影響安裝在爐筒上的其他部件和傳感器；4)引晶放肩矽晶體原材料全部熔化後，啟動坩堝與籽晶升降控制模塊，綜合控制將結晶的矽單晶拉出液面的速度，使籽晶以每小時1cm～2cm的低速上升，並確保單晶直徑測量傳感器始終對準液面結晶位置，同時啟動坩堝與籽晶旋轉控制模塊，使籽晶與坩堝以每分鐘10～20轉的速度旋轉，提高單晶產品的均勻性，最終使得單晶矽在籽晶周圍形成一個圓錐；5)等徑控制拉出來的單晶直逕到達標準直徑時，啟動單晶直徑控制模塊，利用CCD攝像或紅外測量儀獲得晶體在結晶點上的直徑大小，以便控制算法實時調節籽晶提升速度，並綜合考慮加熱溫度、坩堝提升、坩堝與籽晶旋轉四個方面因素的影響，進行協調控制；6)收尾晶體生長完成後，關閉單晶直徑控制模塊、坩堝與籽晶旋轉控制模塊、坩堝與籽晶升降控制三個模塊，坩堝下降到底；7)冷卻關閉坩堝加熱與冷卻控制模塊中的加熱部分；8)取出產品等爐筒內溫度降到常溫後，關閉坩堝加熱與冷卻控制模塊17)中的冷卻部分，打開爐筒，取出單晶矽產品。
2.直拉式晶體生長爐自動控制方法的系統包括1)在提升腔內安裝有籽晶頭，籽晶提升控制部件、籽晶旋轉控制部件，在爐筒內安裝有坩堝、坩堝提升控制部件、坩堝旋轉控制部件，矽晶體原料放在坩堝內，在坩堝外面包有坩堝加熱控制部件，冷卻水則貫穿爐筒內矽晶體原料液面的上部，以及整個提升腔，爐筒的上方裝有單晶直徑傳感器，對準了矽晶體原料液面位置，在爐筒的上部安裝有抽真空部件，在提升腔的最上部以及爐筒的最下部裝有氬氣充氣部件。
2)坩堝加熱與冷卻控制模塊、坩堝與籽晶升降控制模塊、坩堝與籽晶旋轉控制模塊、氬氣保護控制模塊、單晶直徑控制模塊均採用商用的工控機專用I/O輸入輸出模塊、A/D模擬量輸入模塊、D/A模擬量輸出模塊組成；其中，坩堝加熱控制部件、冷卻水內的供水流量接坩堝加熱與冷卻控制模塊；籽晶提升控制部件、坩堝提升控制部件接坩堝與籽晶升降控制模塊；籽晶旋轉控制部件、坩堝旋轉控制部件接坩堝與籽晶旋轉控制模塊；抽真空部件、氬氣充氣部件接氬氣保護控制模塊；單晶直徑傳感器的輸出信號、坩堝加熱與冷卻控制模塊輸出的坩堝內溫度信號均接到單晶直徑控制模塊的輸入端，單晶直徑控制模塊的輸出信號接到坩堝與籽晶升降控制模塊的輸入端。
本發明具有的有益的效果是在單晶的生長過程中存在一個「固冷點」，作為每層晶體向前鋪設的起點。在固冷點處會釋放出大量的結晶熱，需要通過冷卻水迅速帶走，形成新一層的「固冷點」，同時晶體上提一層。如果在結晶過程中不能對其固冷行為進行很好地控制，必然會導致晶體的錯位生長，使整爐晶體全部報廢。因此，單晶的完整性與均勻性受坩堝內熔液的溫度、坩堝與籽晶提升速度、坩堝與籽晶旋轉速度等參數的影響嚴重。本發明專利提出一套適用於國產化晶體生長爐的控制策略，綜合分析爐筒內的熱場分布及流動情況、晶體的固冷行為過程、結晶熱的散發過程以及被冷卻水吸收的情況等等，對上述參數進行多變量協調控制，大幅度提高目前國產爐產品的完整性與均勻性。另外，國產化晶體生長爐出於成本的考慮，其直徑傳感器一般都採用紅外探測方案，性能方面較進口爐較差，也給等晶控制提出了更高的要求。在上述參數中，坩堝內熔液的溫度對等晶度的影響最大，但同時它又是最難控制的一個量，響應速度很慢，因此只能進行宏觀控制；坩堝與籽晶提升速度雖然對等晶度的影響熔液溫度來得那麼明顯，但對它的控制相對比較容易，響應速度快，可以對等晶度進行微調；坩堝與籽晶的旋轉則可以提高單晶產品的均勻性，但同時對等晶控制來說又是一個幹擾量，需要在確保等徑控制許可的範圍內最大限度地利用坩堝與籽晶的旋轉來提高單晶產品的均勻性。
圖1是直拉式晶體生長爐機械部分結構圖；圖2是直拉式晶體生長爐控制模塊與機械部分的連接圖，圖3是直拉式晶體生長爐自動控制方法流程圖。
圖中1、提升腔，2、爐筒，3、籽晶頭，4、籽晶提升控制部件，5、籽晶旋轉控制部件，6、坩堝，7、坩堝提升控制部件，8、坩堝旋轉控制部件，9、矽晶體原料，10、矽晶體原料液面位置，11、矽單晶(圓柱形)，12、坩堝加熱控制部件，13、冷卻水，14、單晶直徑傳感器，15、抽真空部件，16、氬氣充氣部件，17、坩堝加熱與冷卻控制模塊，18、坩堝與籽晶升降控制模塊，19、坩堝與籽晶旋轉控制模塊，20、氬氣保護控制模塊，21、單晶直徑控制模塊。
具體實施例方式
30kg投料量的直拉式晶體生長爐，具體的指標如下(1)直拉式晶體生長爐投料量規格30kg；(2)可完成引晶—放肩—等徑—收尾全過程的自動化控制；(3)晶體生長直徑4」；(4)晶體生長的完整性成晶全過程晶體無位錯、內應力低、微缺陷數量少；(5)晶體生長的均勻性滲雜劑在軸向與徑向分布均勻、氧含量均勻；(6)等徑生長時的直徑偏差在單晶全長內小於±1mm。
如圖1所示，在外觀上由提升腔1與爐筒2組成。在提升腔1內安裝有籽晶頭3(用來引晶)、籽晶提升控制部件4、籽晶旋轉控制部件5，在爐筒2內安裝有坩堝6、坩堝提升控制部件7、坩堝旋轉控制部件8。矽晶體原料9放在坩堝6內，其液面位置10在爐筒2內相對固定。拉出來的矽單晶11成圓柱形，位於矽晶體原料液面位置10的正上方，並通過籽晶頭3引出。在坩堝6外面包有坩堝加熱控制部件12(用來熔化矽晶體原料)，冷卻水13則貫穿爐筒2內矽晶體原料液面10的上部，以及整個提升腔1。在爐筒2的上方裝有單晶直徑傳感器14，對準了矽晶體原料液面位置10。在爐筒2的上部安裝有抽真空部件15，確保晶體生長環境的氧含量低於要求值。在提升腔1的最上部以及爐筒2的最下部裝有氬氣充氣部件16，確保矽單晶在惰性氣體的保護下生長。
上述部件均由相應的自動控制模塊控制，確保矽單晶能按要求生長。其中，坩堝加熱控制部件12、冷卻水13內的供水流量由坩堝加熱與冷卻控制模塊17控制；籽晶提升控制部件4、坩堝提升控制部件7由坩堝與籽晶升降控制模塊18控制；籽晶旋轉控制部件5、坩堝旋轉控制部件8由坩堝與籽晶旋轉控制模塊19控制；抽真空部件15、氬氣充氣部件16由氬氣保護控制模塊20控制；單晶直徑傳感器14的輸出信號、坩堝加熱與冷卻控制模塊17輸出的坩堝內溫度信號均接到單晶直徑控制模塊21的輸入端，單晶直徑控制模塊21的輸出信號則接到坩堝與籽晶升降控制模塊18的輸入端，作為一個補償量給出，以控制拉出來的矽單晶11的直徑。
如圖2、圖3所示，控制系統軟體包括坩堝加熱與冷卻控制模塊17、坩堝與籽晶升降控制模塊18、坩堝與籽晶旋轉控制模塊19、單晶直徑控制模塊21四大主模塊，以及氬氣保護控制模塊20、電源及故障自保護控制模塊、液壓油源控制模塊等輔助模塊。各模塊均採用商用的工控機專用I/O輸入輸出模塊、A/D模擬量輸入模塊、D/A模擬量輸出模塊組成，配以響應的控制方法。要提高晶體產品的完整性與均勻性，關鍵就在於自動控制系統如何對坩堝內熔液的溫度、單晶直徑、坩堝加熱控制部件功率、籽晶提升速度、坩堝與籽晶旋轉速度等多個參數的協調控制，即等徑階段的自動控制策略。各主模塊的主要特徵如下(1)坩堝加熱與冷卻控制模塊17坩堝加熱和冷卻控制模塊17用來綜合控制坩堝內的普通矽原材料加熱熔化，以及對爐筒外殼的冷卻，避免高溫影響安裝在爐筒上的其他部件和傳感器。其控制目標包括三部分坩堝內的溫度、結晶面上的溫度以及爐筒內的溫度場，相應的控制輸入量則為坩堝加熱控制部件功率、冷卻水的流量。
假定矽單晶的結晶溫度為T0，則將坩堝內溫度的控制目標值設定為比矽單晶的結晶溫度T0略高的一個值T0+TH，其中TH可由操作人員自由設定，以確保熔化後的矽材料在熔液表面可以結晶。
加熱功能由中頻電極加熱控制單元實現。因此，對坩堝內溫度的控制可以通過對坩堝加熱控制部件功率的調節來實現。具體的控制方法為溫度偏差ΔT＝T0+TH-T，其中T為坩堝內溫度傳感器的檢測值。
坩堝加熱控制部件輸出功率設定值P分三段控制，當溫度偏差小於允許偏差下限時，P＝Pmax，即以最大輸出功率加熱；當溫度偏差大於允許的偏差上限時，P＝0，即關閉坩堝加熱控制部件。當溫度偏差在允許偏差內時，P＝P0+KPT*ΔT+KIT*∑ΔT，其中P0為坩堝加熱控制部件輸出功率的初始設定值，KPT與KIT為坩堝加熱控制部件功率的控制參數，三個參數均由操作人員自由設定。∑ΔT為溫度偏差進入允許範圍內後的累計值。
結晶面上的溫度和爐筒內的溫度場均通過溫度傳感器檢測得到，分別用TF、T1、T2、……Tn表示。對上述溫度點進行加權求和處理，權值分別為M0、M1、M2、……Mn，即M0+M1+M2+……+Mn＝1。具體數值均可由操作人員自由設定。則溫度場偏差ΔTF＝T0-(M0*TF+2*M1*T1+2*M2*T2+……+2*Mn*Tn)。
冷卻水貫穿爐筒上的所有主要受熱部位，對結晶面和爐筒內的溫度場進行控制。與坩堝加熱控制部件輸出功率的控制相對應，其流量設定值Q也分三段控制，當溫度偏差小於允許偏差下限，即坩堝加熱控制部件以最大輸出功率加熱時，Q＝Qmax，即以最大流量冷卻；當溫度偏差大於允許的偏差上限，即系統超溫時，Q＝Qmax，即仍以最大流量冷卻。當溫度偏差在允許偏差內時，Q＝Q0+KPF*ΔTF+KIF*∑ΔTF，其中Q0為冷卻水流量的初始設定值，KPF與KIF為冷卻水流量的控制參數，三個參數均可由操作人員自由設定。∑ΔTF為溫度偏差進入允許範圍內後溫度場偏差的累計值。
(2)坩堝與籽晶升降控制模塊18坩堝與籽晶升降控制模塊18用來綜合控制將結晶的矽單晶拉出液面的速度，是晶體生長爐最主要的功能。其控制目標包括兩部分籽晶提升速度和坩堝行程，相應的控制輸入量則為籽晶提升用直流電機的轉速與坩堝提升用直流電機的轉速。
籽晶的提升是將結晶的矽單晶拉出液面的執行主體。假定晶體生產爐的投料量為G，結晶狀態下矽單晶的密度為ρs，結晶後晶體的直徑為d0，拉晶時間設定為t0，直流電機驅動籽晶提升絞盤的直徑為dz，則籽晶提升速度的設定值Vzt＝4*G/(ρs*π*d02*t0)+ΔV；其中ΔV為晶體直徑控制模塊給出的直徑補償量。籽晶提升直流電機的轉速設定值ωzt＝Vzt/(π*dz)。
坩堝成半球形，它的提升主要用來補償拉晶過程中熔化態矽單晶液面的降低，確保單晶直徑測量傳感器始終對準液面結晶位置。假定熔化狀態下矽單晶的密度為ρ1，坩堝的半徑為R，拉出單晶長度為L，直流電機驅動坩堝提升絞盤的直徑為dg，則坩堝行程的設定值可通過以下迭代公式計算獲得，並取迭代初值為零H0=3RH02-3(G-Lsd02/4)l3.]]>假定坩堝行程的實測值為H，行程偏差ΔH＝H0-H，則坩堝提升直流電機的轉速設定值ωgt＝[KPH*ΔH+KIH*∑ΔH]/(π*dz)。其中KPH與KIH為坩堝行程的控制參數，兩個參數均可由操作人員自由設定。∑ΔTF為拉晶全過程中坩堝行程偏差的累計值。
(3)坩堝與籽晶旋轉控制模塊19坩堝與籽晶旋轉控制模塊19用來提高單晶產品的均勻性。其中單晶本體的旋轉可以保證單晶產品在圓周方向上的均勻性，而坩堝旋轉則可以保證坩堝內熔液受熱的均勻性。坩堝與籽晶的旋轉也都通過直流電機驅動，籽晶與坩堝旋轉驅動直流電機的轉速設定值ωzz、ωgz均可由操作人員自由設定。
(4)晶體直徑控制模塊21晶體的直徑控制模塊21是影響晶體生長爐質量最關鍵的指標，利用CCD攝像或紅外測量儀獲得晶體在結晶點上的直徑大小，以便控制算法實時調節籽晶提升速度，並綜合考慮加熱溫度、坩堝提升、坩堝與籽晶旋轉等多方面因素的影響，進行協調控制。其控制目標是給籽晶提升速度控制模塊的直徑補償量ΔV，而其控制輸入則為CCD攝像頭或者紅外測量儀獲得的圖像信號。
通過對圖像信號中溫度最高點的預測，可間接地獲取晶體的實際直徑預測值d。直徑偏差預測值Δd＝d0-d。
根據實際直徑與設定直徑的偏差，同時考慮溫度偏差的影響，其直徑補償量ΔV＝KPd*Δd+KId*∑Δd+KTd*ΔT，其中KPd與KId為直徑偏差的控制參數，KTd為溫度預測補償參數，三個參數均由操作人員自由設定。∑Δd為進入等徑階段後直徑偏差的累計值。
通過對坩堝內熔液的溫度、籽晶提升速度、坩堝與籽晶旋轉速度、生長單晶的直徑等多個參數的協調控制，大幅度提高了國產晶體生長爐晶體產品的完整性與均勻性，產品已達到了電路級的要求。
權利要求
1.直拉式晶體生長爐自動控制方法，其特徵在於採用的步驟如下1)加料將矽晶體原材料(9)放到坩堝(6)內；2)氬氣保護控制利用氬氣保護控制模塊(20)進行控制，即啟動真空泵(15)對爐筒(2)與提升腔(1)抽真空到10-6ar～10-5bar→氬氣充氣部件(16)向爐筒(2)與提升腔(1)內充氬氣到常壓→再抽真空到10-6bar～10-5bar→再充氬氣到常壓，反覆6～8次後停止；3)熔晶啟動坩堝加熱控制部件(12)與冷卻水(13)，並利用坩堝加熱與冷卻控制模塊(17)控制坩堝加熱控制部件的功率和冷卻水的流量，綜合控制坩堝內的普通矽原材料加熱熔化，以及對爐筒外殼的冷卻，避免高溫影響安裝在爐筒上的其他部件和傳感器；4)引晶放肩矽晶體原材料全部熔化後，啟動坩堝與籽晶升降控制模塊(18)，綜合控制將結晶的矽單晶拉出液面的速度，使籽晶以每小時1cm～2cm的低速上升，並確保單晶直徑傳感器(14)始終對準液面結晶位置(10)，同時啟動坩堝與籽晶旋轉控制模塊(19)，使籽晶與坩堝以每分鐘10～20轉的速度旋轉，提高單晶產品的均勻性，最終使得單晶矽在籽晶周圍形成一個圓錐；5)等徑控制拉出來的單晶直逕到達標準直徑時，啟動單晶直徑控制模塊(21)，利用CCD攝像或紅外測量儀獲得晶體在結晶點上的直徑大小，以便控制算法實時調節籽晶提升速度，並綜合考慮加熱溫度、坩堝提升、坩堝與籽晶旋轉四個方面因素的影響，進行協調控制；6)收尾晶體生長完成後，關閉單晶直徑控制模塊(21)、坩堝與籽晶旋轉控制模塊(19)、坩堝與籽晶升降控制(18)三個模塊，坩堝(6)下降到底；7)冷卻關閉坩堝加熱與冷卻控制模塊(17)中的加熱部分；8)取出產品等爐簡內溫度降到常溫後，關閉坩堝加熱與冷卻控制模塊(17)中的冷卻部分，打開爐筒，取出單晶矽產品。
2.根據權利要求1所述的直拉式晶體生長爐自動控制方法，其特徵在於坩堝加熱和冷卻控制模塊(17)用來綜合控制坩堝內的普通矽原材料加熱熔化，以及對爐筒外殼的冷卻，避免高溫影響安裝在爐筒上的其他部件和傳感器，其控制目標包括三部分坩堝內的溫度、結晶面上的溫度以及爐筒內的溫度場，相應的控制輸入量則為坩堝加熱控制部件功率、冷卻水的流量；假定矽單晶的結晶溫度為T0，則將坩堝內溫度的控制目標值設定為比矽單晶的結晶溫度T0略高的一個值T0+TH，其中TH可由操作人員自由設定，以確保熔化後的矽材料在熔液表面可以結晶；加熱功能由中頻電極加熱控制單元實現，因此，對坩堝內溫度的控制可以通過對坩堝加熱控制部件功率的調節來實現，具體的控制方法為溫度偏差ΔT＝T-T0-TH，其中T為坩堝內溫度傳感器的檢測值；坩堝加熱控制部件輸出功率設定值P分三段控制，當溫度偏差小於允許偏差下限時，P＝Pmax，即以最大輸出功率加熱；當溫度偏差大於允許的偏差上限時，P＝0，即關閉坩堝加熱控制部件。當溫度偏差在允許偏差內時，P＝P0+KPT*ΔT+KIT*∑ΔT，其中P0為坩堝加熱控制部件輸出功率的初始設定值，KPT與KIT為坩堝加熱控制部件功率的控制參數，三個參數均由操作人員自由設定，∑ΔT為溫度偏差進入允許範圍內後的累計值；結晶面上的溫度和爐筒內的溫度場均通過溫度傳感器檢測得到，分別用TF、T1、T2、……Tn表示。對上述溫度點進行加權求和處理，權值分別為M0、M1、M2、……Mn，即M0+M1+M2+……+Mn＝1，具體數值均可由操作人員自由設定，則溫度場偏差ΔTF＝T0-(M0*TF+2*M1*T1+2*M2*T2+……+2*Mn*Tn)；冷卻水貫穿爐簡上的所有主要受熱部位，對結晶面和爐筒內的溫度場進行控制，與坩堝加熱控制部件輸出功率的控制相對應，其流量設定值Q也分三段控制，當溫度偏差小於允許偏差下限，即坩堝加熱控制部件以最大輸出功率加熱時，Q＝Qmax，即以最大流量冷卻；當溫度偏差大於允許的偏差上限，即系統超溫時，Q＝Qmax，即仍以最大流量冷卻；當溫度偏差在允許偏差內時，Q＝Q0+KPF*ΔTF+KIF*∑ΔTF，其中Q0為冷卻水流量的初始設定值，KPF與KIF為冷卻水流量的控制參數，三個參數均由操作人員自由設定，∑ΔTF為溫度偏差進入允許範圍內後溫度場偏差的累計值。
3.根據權利要求1所述的直拉式晶體生長爐自動控制方法，其特徵在於坩堝與籽晶升降控制模塊(18)用來綜合控制將結晶的矽單晶拉出液面的速度，是晶體生長爐最主要的功能；其控制目標包括兩部分籽晶提升速度和坩堝行程，相應的控制輸入量則為籽晶提升用直流電機的轉速與坩堝提升用直流電機的轉速；籽晶的提升是將結晶的矽單晶拉出液面的執行主體，假定晶體生產爐的投料量為G，結晶狀態下矽單晶的密度為ρs，結晶後晶體的直徑為d0，拉晶時間設定為t0，直流電機驅動籽晶提升絞盤的直徑為dz，則籽晶提升速度的設定值Vzt＝4*G/(ρs*π*d02*t0)+ΔV；其中ΔV為晶體直徑控制模塊給出的直徑補償量，籽晶提升直流電機的轉速設定值ωzt＝Vzt/(π*dz)；坩堝成半球形，它的提升主要用來補償拉晶過程中熔化態矽單晶液面的降低，確保單晶直徑測量傳感器始終對準液面結晶位置，假定熔化狀態下矽單晶的密度為ρl，坩堝的半徑為R，拉出單晶長度為L，直流電機驅動坩堝提升絞盤的直徑為dg，則坩堝行程的設定值可通過以下迭代公式計算獲得，並取迭代初值為零H0=3RH02-3(G-Lsd02/4)l3;]]>假定坩堝行程的實測值為H，行程偏差ΔH＝H0-H，則坩堝提升直流電機的轉速設定值ωgt＝[KPH*ΔH+KIH*∑ΔH]/(π*dz)，其中KPH與KIH為坩堝行程的控制參數，兩個參數均可由操作人員自由設定，∑ΔTF為拉晶全過程中坩堝行程偏差的累計值。
4.根據權利要求1所述的直拉式晶體生長爐自動控制方法，其特徵在於坩堝與籽晶旋轉控制模塊(19)用來提高單晶產品的均勻性，其中單晶本體的旋轉可以保證單晶產品在圓周方向上的均勻性，而坩堝旋轉則可以保證坩堝內熔液受熱的均勻性，坩堝與籽晶的旋轉也都通過直流電機驅動，籽晶與坩堝旋轉驅動直流電機的轉速設定值ωzz、ωgz均由操作人員自由設定。
5.根據權利要求1所述的直拉式晶體生長爐自動控制方法，其特徵在於晶體的直徑控制模塊(21)是影響晶體生長爐質量最關鍵的指標，利用CCD攝像或紅外測量儀獲得晶體在結晶點上的直徑大小，以便控制算法實時調節籽晶提升速度，並綜合考慮加熱溫度、坩堝提升、坩堝與籽晶旋轉等多方面因素的影響，進行協調控制，其控制目標是給籽晶提升速度控制模塊的直徑補償量ΔV，而其控制輸入則為CCD攝像頭或者紅外測量儀獲得的圖像信號；通過對圖像信號中溫度最高點的預測，可間接地獲取晶體的實際直徑預測值d。直徑偏差預測值Δd＝d0-d；根據實際直徑與設定直徑的偏差，同時考慮溫度偏差的影響，其直徑補償量ΔV＝KPd*Δd+KId*∑Δd+KTd*ΔT，其中KPd與KId為直徑偏差的控制參數，KTd為溫度預測補償參數，三個參數均由操作人員自由設定，∑Δd為進入等徑階段後直徑偏差的累計值。
6.用於權利要求1所述的一種直拉式晶體生長爐自動控制方法的系統，其特徵在於包括1)在提升腔(1)內安裝有籽晶頭(3)，籽晶提升控制部件(4)、籽晶旋轉控制部件(5)，在爐筒(2)內安裝有坩堝(6)、坩堝提升控制部件(7)、坩堝旋轉控制部件(8)，矽晶體原料(9)放在坩堝(6)內，在坩堝(6)外面包有坩堝加熱控制部件(12)，冷卻水(13)則貫穿爐筒(2)內矽晶體原料液面(10)的上部，以及整個提升腔(1)，爐筒(2)的上方裝有單晶直徑傳感器(14)，對準了矽晶體原料液面位置(10)，在爐筒(2)的上部安裝有抽真空部件(15)，在提升腔(1)的最上部以及爐筒(2)的最下部裝有氬氣充氣部件(16)；2)坩堝加熱與冷卻控制模塊(17)、坩堝與籽晶升降控制模塊(18)、坩堝與籽晶旋轉控制模塊(19)、氬氣保護控制模塊(20)、單晶直徑控制模塊(21)均採用商用的工控機專用I/O輸入輸出模塊、A/D模擬量輸入模塊、D/A模擬量輸出模塊組成；其中，坩堝加熱控制部件(12)、冷卻水(13)內的供水流量接坩堝加熱與冷卻控制模塊(17)；籽晶提升控制部件(4)、坩堝提升控制部件(7)接坩堝與籽晶升降控制模塊(18)；籽晶旋轉控制部件(5)、坩堝旋轉控制部件(8)接坩堝與籽晶旋轉控制模塊(19)；抽真空部件(15)、氬氣充氣部件(16)接氬氣保護控制模塊(20)；單晶直徑傳感器(14)的輸出信號、坩堝加熱與冷卻控制模塊(17)輸出的坩堝內溫度信號均接到單晶直徑控制模塊(21)的輸入端，單晶直徑控制模塊(21)的輸出信號接到坩堝與籽晶升降控制模塊(18的輸入端。
全文摘要
本發明公開了一種直拉式晶體生長爐自動控制方法及系統。將矽晶體原材料放到坩堝內；利用氬氣保護控制模塊控制；並利用坩堝加熱與冷卻控制模塊控制坩堝加熱控制部件的功率和冷卻水的流量，綜合控制坩堝內的普通矽原材料加熱熔化和外殼的冷卻進行熔晶；啟動坩堝與籽晶旋轉控制模塊進行引晶放肩，使單晶矽在籽晶周圍形成一個圓錐；啟動單晶直徑控制模塊進行等徑控制；晶體生長完成後收尾；冷卻後取出單晶矽產品。採用帶預測補償功能的晶體生長控制策略，對坩堝內熔液溫度、坩堝與籽晶提升速度、旋轉速度等參數進行協調控制，在僅採用紅外探測型單晶直徑傳感器的條件下，仍能達到與進口爐相當的晶體產品完整性與均勻性，達到電路級要求。
文檔編號C30B15/20GK1844489SQ20061005012
公開日2006年10月11日 申請日期2006年3月31日 優先權日2006年3月31日
發明者曹建偉, 張俊, 顧臨怡, 邱敏秀 申請人:浙江大學