CN101392405B - 用于锗单晶生长过程中的高精度温度控制方法及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于锗单晶生长过程中的高精度温度控制方法及该方法采用的的温度控制系统，由温补信号模块给出一个温补信号发送到晶体生长控制器，由晶体生长控制器对该温补信号进行数字滤波；再由温补信号处理电路进行二次滤波以及隔离处理；再将该处理后的温补信号与红外测温传感器测量的加热炉内的实际温度值反向串联得到叠加信号，将该叠加信号作为实际温度反馈送给温度控制器；温度控制器将叠加信号与温度目标设定值进行比较，温度控制器再根据差值的大小进行PID计算，并根据PID计算结果调整加热器的加热功率，使加热炉内的温度达到要求。本发明的方法简单可靠，控制精度高，采用的装置简洁，故障率低。

Description

用于锗单晶生长过程中的高精度温度控制方法及控制系统

技术领域

本发明属于半导体电子专用设备技术领域，涉及一种用于锗单晶生长过程中的高精度温度控制方法，本发明还涉及实现该温度控制方法所用的温度控制系统。

背景技术

由于受热场、熔料量以及坩埚内的温度等因素影响，所以，在晶体生长过程中，为了生长出高质量的晶体，按照工艺要求，对温度和提拉速度均有调整。温度变化趋势是先降温后升温，降温过程主要完成引晶、放肩直到要求的直径，而提拉速度仅是一个下降的过程。提拉速度下降，是因为晶体生长到后期，坩埚位置升高，液面位置保持不变，导致坩埚离加热中心位置越来越远，而坩埚内剩的料是越来越少，保温效果会减弱，这样就导致液面结晶处温度大幅降低，这时，尽管液面很平，横向温度梯度变化也不大，但纵向温度梯度却越来越小，而晶体生长的要求恰恰是横向温度梯度越小越好，纵向梯度越大越好。为了保证晶体的均匀性和晶格排列的正确性，也不能骤然提高拉速，这时，需要一个温度补偿，用温度补偿升高温度保持有合适的晶体生长结晶温度，即依靠适当的降低提拉速度和升高温度两方面来保证均匀一致的晶格排列，保证晶体的等直径要求。当然，降低拉速是一个非常缓慢且幅度非常小的过程，如果拉速波动太大，就会导致单晶晶格错位，重则使晶体变晶，形成多晶。

综上所述，晶格整齐，排列均匀的晶体依靠稳定均匀的拉速，而稳定均匀的拉速则是依靠结构合理的热场以及高精度、且稳定的温度控制效果来保证的，因此，温度控制系统在晶体生长过程中起着举足轻重、至关重要的作用。目前在制备过程中，对于温度控制是通过晶体生长控制器和温度控制器之间直接通讯的办法来实现的，即按照晶体生长的要求，由晶体生长控制器直接发送温度的目标值给温度控制器，该目标值一旦被修改，温度控制器就会根据实际的温度反馈信号值与新的温度目标设定值的偏差不断调整加热器的加热功率，进而达到按照要求调整加热炉内温度的目的，这样，晶体生长控制器和温度控制器之间就要求进行通讯，除增加了硬件成本外，还要保证二者之间的通讯一定要畅通，否则，通讯出错，温度目标设定值就不会按照晶体生长要求改变，温度补偿跟不上，就会出现晶体变形、质量下降。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于锗单晶生长过程中的高精度温度控制方法，克服现有技术在设备之间通讯可靠性不足的问题，能够精确实现调整加热炉内实际温度的目的。

本发明的另一目的是提供一种实现上述温度控制方法所用的控制系统，保证温补信号稳定、可靠的采集、处理，以及精确调整加热炉内实际温度的目的。

本发明所采用的一个技术方案是，一种用于锗单晶生长过程中的高精度温度控制方法，该方法按照以下步骤实施：采用一温补信号模块，由温补信号模块给出一个温补信号发送到晶体生长控制器，由晶体生长控制器对该温补信号进行数字滤波，得到温补原始信号；将温补原始信号发送到温补信号处理电路进行二次滤波以及隔离处理，得到处理后的温补信号；再将该处理后的温补信号与红外测温传感器测量的加热炉内的实际温度值反向串联进行叠加，得到叠加信号，将该叠加信号作为实际温度反馈送给温度控制器；温度控制器将叠加信号与温度目标设定值进行比较，得到温度差值，温度控制器再根据该温度差值的大小进行PID计算，如果温度控制器的温度目标设定值高于叠加信号，则温度控制器根据PID计算结果加大加热器的加热功率，使加热炉内的温度升高；如果温度控制器的温度目标设定值低于叠加信号，则温度控制器根据PID计算结果减小加热器的加热功率，使加热炉内的温度降低。

本发明所采用的另一技术方案是，一种前述温度控制方法所采用的温度控制系统，包括晶体生长控制器、温度控制器、加热器、红外测温传感器、温补信号模块、温补信号处理电路；所述的温补信号模块，用于产生温补信号，并将温补信号发送到晶体生长控制器；晶体生长控制器，用于进行数字滤波，得到温补原始信号，该温补原始信号发送到温补信号处理电路；温补信号处理电路，用于进行二次滤波以及隔离处理，得到处理后的温补信号，该处理后的温补信号与红外测温传感器测量的加热炉内的实际温度值反向串联，进行叠加，得到叠加信号，该叠加信号反馈给温度控制器；温度控制器，用于对叠加信号与温度目标设定值进行比较，得到温度差值，温度控制器并根据该温度差值进行PID计算，控制加热器加热功率，加热器用于调节加热炉内的实际温度。

本发明的方法实现了锗单晶生长过程中的高精度温度控制，该方法依赖的控制电路结构简单、成本低、且稳定可靠，使加热炉内实际温度满足拉晶工艺需要的温度要求。

附图说明

图1是本发明方法的温度控制原理框图；

图2是本发明方法的温度补偿信号与红外测温传感器测量信号叠加框图；

图3是本发明方法中使用的温度补偿信号处理电路示意图。

图中，1.晶体生长控制器，2.温度控制器，3.加热器，4.加热炉，5.红外测温传感器，6.温补信号模块，7.温补信号处理电路。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的方法用于锗单晶生长过程中的高精度温度控制，该方法按照以下步骤实施：

参照图1、图2，首先由温补信号模块6产生温补信号，并将该温补信号发送到晶体生长控制器1进行数字滤波，得到温补原始信号；滤波后的温补原始信号再经过温补信号处理电路7进行处理，得到处理后的温补信号；然后将该处理后的温补信号与红外测温传感器5测量的加热炉4内的实际温度测量值反向串联进行叠加，得到叠加信号(即实际的温度反馈信号值)，并将该叠加信号作为温度测量值反馈给温度控制器2；温度控制器2将叠加信号与温度目标设定值进行比较，得到温度差值，温度控制器2再根据该温度差值大小进行PID计算，并根据计算结果及时调整加热器3的加热功率，使得加热炉4内的温度达到要求。

图1是本发明方法的温度控制原理框图，红外测温传感器5测量出加热炉4内的实际温度值，该实际温度值经过与由温补信号模块6、晶体生长控制器1及温补信号处理电路7依次处理后的温补信号反向串联叠加，得到一个叠加信号值，将叠加信号值输入温度控制器2，温度控制器2同时接受到设定信号值和叠加信号值，经过比较得到温度差值，并根据该温度差值大小进行PID计算，温度控制器2再根据计算结果控制加热器3及时调整功率，使得加热炉4内的温度始终符合技术上的要求，晶体生长控制器1还与温度控制器2保持通讯联系。

温度控制器2是具有PID自整定、自适应控制及程序给定等功能的智能仪表，对80mv的PV输入，其分辨率可以达到3.2μv，采样速率到9Hz，输入阻抗大于100MΩ，输入漏电流小于±14NA，线性误差为0.003％。红外测温传感器5克服了热偶测温输出灵敏度比较低、容易受环境干扰信号和信号处理电路前置放大器温度漂移的影响等不足，而且，体积小，机械安装简单、电器连线方便。红外测温传感器5的输出信号为标准线性的电流信号，4～20mA，对应温度范围为300～1300℃。红外测温传感器5的输出信号采用双线技术，信号稳定，响应时间短，且非常适合用于对石墨件表面测温，这些特点完全符合使用环境和技术的要求。

晶体生长控制器1对温补信号模块6输出信号能够进行有效数字滤波，再经过温补信号处理电路7的二次滤波以及隔离处理，保证温补信号处理电路7给出的温补信号稳定、可靠。

按照温度控制器2对反馈信号的要求，对电流信号必须使用负载电阻，而且，如果输入小于4mA，温度控制器2就认为是输入开路。所以，选用了2.5Ω的精密金属膜电阻，将红外测温传感器5输出的4～20mA的电流信号变成10～50mV的电压信号，这样，红外测温传感器5的测量输出信号与测量的实际炉内温度之间的对应关系就是：测量值10～50mV，对应温度300～1300℃，即：40μv/℃。

高性能的温度控制器2和输出稳定、反应灵敏的红外测温传感器5为高精度的温度控制奠定了坚实的基础。

图2是温度补偿信号与红外测温传感器测量信号叠加框图，从图2可以看出，温补信号模块6给出的温补信号经过一系列的处理后，与红外测温传感器5的测量信号反向串联，影响了测量信号，得到叠加信号，实际送给温度控制器2的温度反馈值为：

温度控制器2的温度反馈值(叠加信号)＝红外测温传感器5的实际测量值—处理后的温补信号值

所以，根据需要，如果需要升温，温补信号模块6会给出正的温补信号，导致送给温度控制器2的实际温度反馈信号降低，对这一现象的判断，温度控制器2认为就是加热炉4内温度降低了，所以，会迅速调节输出，加大加热功率，使加热炉4内温度升高。这样，尽管温度控制器2的温度目标设定值没有改变，但实际的结果就是加热炉4内温度升高，满足了晶体生长的要求。相反，如果需要降温，温补信号模块6就会给出负的温补信号，导致送给温度控制器2的实际温度反馈信号升高，对这一现象的判断，温度控制器2认为就是加热炉4内温度升高了，所以，会迅速调节输出，降低加热功率，使加热炉4内实际温度随之降低，达到了降温的要求。

根据晶体生长的情况，如果觉得温补的幅度还不够，可以直接通过修正温度控制器2的温度目标设定值来加强调整力度，非常方便。

那么，想要实现高精度的温度补偿，就必须要将温补信号处理电路7处理后的微伏数量级信号准确稳定的与红外测温传感器5的测量值毫伏级信号相串接，即将两个电压信号稳定可靠的串联起来。温补信号与红外测温传感器5的测量值信号在串接之前，经过温补信号处理电路7的隔离、调整，保证两信号互不影响。事实上，直接以0μV为基准进行串接实现起来很困难，因为信号很弱，且处于温补信号模块6的边沿临界点，很容易受到干扰，发生信号漂移。所以，本发明的方法中不直接以0μV为基准进行串接，而是采用串接一个原始数值作为温度补偿信号的基准，如3mV，然后，根据晶体生长的要求，在此基础上对信号进行微伏数量级的精细调整，巧妙地避开了温补信号模块6的边沿临界点不稳定工作区，这样，如果要降温，将温补信号以原始值3mV为基准，缓缓的降低一些，使得送给温度控制器2的实际温度反馈信号(叠加信号)升高，让温度控制器2认为加热炉4内温度高了，会降低加热功率，实质是让加热炉4内降温了。相反，如果要升温，将温补信号以原始值3mV为基准，缓缓升高一些，使得送给温度控制器2的实际温度反馈信号(叠加信号)减小，让温度控制器2认为加热炉4内温度低了，会升高加热功率，实质是让加热炉4内升温了。

图3是本发明方法中使用的温度补偿信号处理电路示意图。图中，R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10为电阻，D1、D2为二极管，C1、C2、C3、C4为电容，Q1、Q2为运算放大器，POT1为调零电位器；POT2为增益电位器；GND1为隔离器件G输入端地；GND2为隔离器件G输出端地。

在温度补偿信号处理电路7中，温补原始信号的一端串联一电阻R1后与运算放大器Q1的正极连接，温补原始信号的另一端串联一电阻R4后与运算放大器Q1的负极连接，电阻R1的负极端与电阻R4的正极端之间并联有三个支路，该三个并联支路分别为电阻R2支路、二极管D1、D2对接成的支路、电容C1、C2负极短接构成的支路；运算放大器Q1的输出端与电阻R4的负极端通过电阻R3连接。同时，运算放大器Q1的输出端与隔离器件G的输入端连接，电阻R4的正极端与隔离器件G的输入端地GND1连接，隔离器件G的输出端地为GND2；隔离器件G的输出端通过串连的电阻R7与调零电位器POT1、运算放大器Q2的正极分别连接，调零电位器POT1的一端通过串连的电阻R5与外接电源的正极连接(电压为+5V)，同时调零电位器POT1的另一端通过串连的电阻R6与外接电源的负极连接(电压为-5V)；运算放大器Q2的负极通过串连的电阻R10与输出温补信号的一端连接，运算放大器Q2的输出极通过串连的电阻R8与输出温补信号的另一端连接，运算放大器Q2的负极通过串连的电阻R9和增益电位器POT2与电阻R8的负极端连接。这样，一组温补原始信号经过该温度补偿信号处理电路7的处理后，就得到一组处理后的温补信号。

在晶体生长控制器1对温补信号进行数字滤波的基础上，温度补偿信号处理电路7对温补信号再次进行了电阻电容滤波处理，使得温度补偿信号在与红外测温传感器5的测量信号进行叠加之前，得到了有效隔离。温度补偿信号处理电路7还具有零点和增益调整功能，根据需要，可以适当放大温补信号。

综上所述，本发明公开的锗单晶生长过程中的高精度温度控制方法，不是改变送给温度控制器的温度的目标值，而是通过改变送给温度控制器的实际温度测量值，通过将温度补偿的微伏(μV)级高精度模拟电压信号，与测温元件红外测温传感器测量的毫伏(mV)级模拟电压信号反相串接的方法，从表面影响温度测量值，使得测量值与目标设定值产生偏差，从而调整加热器的加热功率，达到改善加热炉4内实际温度的目的，使加热炉4内实际温度满足拉晶工艺需要的温度要求。

Claims (4)

1.一种用于锗单晶生长过程中的高精度温度控制方法，其特征在于，该方法按照以下步骤实施：

采用一温补信号模块(6)，由温补信号模块(6)给出一个温补信号发送到晶体生长控制器(1)，由晶体生长控制器(1)对该温补信号进行数字滤波，得到温补原始信号；

将温补原始信号发送到温补信号处理电路(7)进行二次滤波以及隔离处理，得到处理后的温补信号；

再将该处理后的温补信号与红外测温传感器(5)测量的加热炉(4)内的实际温度值反向串联进行叠加，得到叠加信号，将该叠加信号作为实际温度反馈送给温度控制器(2)；

温度控制器(2)将叠加信号与温度目标设定值进行比较，得到温度差值，温度控制器(2)再根据该温度差值的大小进行PID计算，

如果温度控制器(2)的温度目标设定值高于叠加信号，则温度控制器(2)根据PID计算结果加大加热器(3)的加热功率，使加热炉(4)内的温度升高；如果温度控制器(2)的温度目标设定值低于叠加信号，则温度控制器(2)根据PID计算结果减小加热器(3)的加热功率，使加热炉(4)内的温度降低。

2.根据权利要求1所述的温度控制方法，其特征在于，所述的处理后的温补信号与红外测温传感器(5)测量的加热炉(4)内的实际温度值反向串联时，采用串接一个原始数值作为温补信号的基准，该基准值为3mV。

3.一种实现权利要求1所述温度控制方法所采用的温度控制系统，其特征在于，包括晶体生长控制器(1)、温度控制器(2)、加热器(3)、红外 测温传感器(5)、温补信号模块(6)、温补信号处理电路(7)；

所述的温补信号模块(6)，用于产生温补信号，并将温补信号发送到晶体生长控制器(1)；

晶体生长控制器(1)，用于进行数字滤波，得到温补原始信号，该温补原始信号发送到温补信号处理电路(7)；

温补信号处理电路(7)，用于进行二次滤波以及隔离处理，得到处理后的温补信号，该处理后的温补信号与红外测温传感器(5)测量的加热炉(4)内的实际温度值反向串联，进行叠加，得到叠加信号，该叠加信号反馈给温度控制器(2)；

温度控制器(2)，用于对叠加信号与温度目标设定值进行比较，得到温度差值，温度控制器(2)并根据该温度差值进行PID计算，控制加热器(3)加热功率；

加热器(3)，用于调节加热炉(4)内的实际温度。

4.根据权利要求3所述的温度控制系统，其特征在于，所述的温补信号处理电路(7)包括，温补原始信号的一端串联一电阻R1后与运算放大器Q1的正极连接，温补原始信号的另一端串联一电阻R4后与运算放大器Q1的负极连接，电阻R1的负极端与电阻R4的正极端之间并联有三个支路，该三个并联支路分别为电阻R2支路、二极管D1、D2对接成的支路、电容C1、C2负极短接构成的支路；运算放大器Q1的输出端与电阻R4的负极端通过电阻R3连接。同时，运算放大器Q1的输出端与隔离器件G的输入端连接，电阻R4的正极端与隔离器件G的输入端地GND1连接，隔离器件G的输出端地为GND2；隔离器件G的输出端通过串连的电阻R7与调零电位器POT1、运算放大器Q2的正极分别连接，调零电位器POT1的一端通过串连的电阻R5与外接 电源的正极连接，同时调零电位器POT1的另一端通过串连的电阻R6与外接电源的负极连接；运算放大器Q2的负极通过串连的电阻R10与输出温补信号的一端连接，运算放大器Q2的输出极通过串连的电阻R8与输出温补信号的另一端连接，运算放大器Q2的负极通过串连的电阻R9和增益电位器POT2与电阻R8的负极端连接。

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