CN101724891B - 直拉硅单晶直径自动补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直拉硅单晶直径自动补偿方法，尤其是一种直拉硅单晶生长过程中用于控制单晶硅尾部直径的自动补偿方法。该方法的重点在于当熔融硅液面到达坩埚内壁垂直面与弧度面交线处时，启动自动补偿程序II控制单晶硅生长。首先控制程序自动计算起始补偿点，补偿参数控制器根据单晶硅直径和坩埚直径计算出补偿参数，PID控制器通过对单晶硅直径和补偿参数信号进行整合计算，作用于单晶硅提升速度控制器和坩埚加热器，通过调整晶体提升速度和坩埚加热功率实现对单晶硅直径的控制。通过该方法可以达到精确控制单晶硅尾部直径的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种直拉硅单晶直径自动补偿方法，尤其是一种直拉硅单晶生长过程中用于控制单晶硅尾部直径的自动补偿方法。
背景技术
直拉法提拉硅单晶是目前生产单晶硅应用最广泛的技术，在直拉法工艺中将高纯度的多晶硅装进石英坩埚，由负载高频波的环绕线圈或电流加热器来加热石英坩埚以使多晶硅熔化。然后把一特定晶向的硅单晶(称作籽晶)与熔融硅接触，硅在合适的温度下将顺着已知晶向的籽晶上硅原子的排列结构在固液交界面上形成规则的结晶，成为单晶体。在结晶的同时将籽晶向上提升，当籽晶体长大至接近目标直径时，改变提升速度，使单晶体等径生长。直至大部分硅熔液都结晶成硅晶锭，只剩少量剩料，通过调整晶体的提升速度和熔液温度将晶体直径渐渐减小而形成一个尾形锥体，当锥体的尖足够小时，晶体就会和熔体分离，最后完成硅单晶生长的全过程。
由上面的工艺过程可知，在单晶硅生长过程中晶体的提拉速度和熔融硅液的温度对晶体的质量影响很大。目前常规控制技术就是基于PID(比例积分微分)控制技术，通过控制提升速度和熔融硅液的温度来控制单晶硅直径。控制理论和技术已日益成熟，对于单晶硅生长中期的等径生长过程，直径控制已达较高精度。但是对于单晶硅生长后期来说，由于坩埚底部直径不断变化，造成单位时间内熔融硅液在坩埚底部的变化量不一致，熔融硅液面的高度变化较快，使得单晶硅直径往往不易控制，因此，单晶硅尾部直径容易出现细化的现象。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种直拉硅单晶直径自动补偿方法，以解决直拉硅单晶生长后期晶体尾部直径细化的问题。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种直拉硅单晶直径自动补偿方法，设定PID控制器控制程序I，加热原料至熔融，开始提拉单晶硅，PID控制器采集单晶硅直径信号并和预设值进行对比，若有偏差则作用于单晶硅提升速度控制器和坩埚加热器，通过调整晶体提升速度和坩埚加热功率实现对单晶硅直径的控制，关键在于：当熔融硅液面到达坩埚内壁垂直面与弧度面交界线处时，启动自动补偿程序II控制单晶硅生长，其步骤包括：
1)计算补偿起始点：①严格控制原料的起始投料量，原料的起始投料量等效于熔融硅液两部分之和的质量：第一部分是石英坩埚内壁垂直面与弧度面交界线以上部分熔融硅液的质量M1，另一部分是交界线以下部分熔融硅液的质量M2；其中M1＝ρ1πr2H，公式中ρ1为熔融硅液的密度，r为石英坩埚内径，H为交界线以上熔融硅液面的高度；②单晶硅生长后，晶体生长控制器计算出单晶硅的平均直径D及相应晶体质量M3；③晶体生长控制器根据公式L＝M1/(ρ2πD2/4)计算出补偿起始点L0；
2)晶体生长控制器根据单晶硅的平均直径D及晶体质量M3计算出单晶硅实时长度L，当单晶硅实时长度L＝L0时，启动自动补偿程序II；
3)补偿参数控制器根据设定程序计算出补偿参数晶升埚升比例SL/CL＝R2/r2，其中R为单晶硅半径，r为石英坩埚内径；
4)PID控制器将对获得的单晶硅直径和补偿参数信号进行整合计算，作用于单晶硅提升速度控制器和坩埚加热器，通过调整晶体提升速度和坩埚加热功率实现对单晶硅直径的控制。
上述方法，所述晶升埚升比例SL/CL为动态变化数值，根据微分原理，将石英坩埚曲度部分分成若干段，用0、1、2、3、4、……表示对应的段位，每一段位相对于前一段位的补偿度为ΔSL/CL＝R2/r2 1234…-R2/r2 0123…，通过控制程序的积分功效计算出补偿参数晶升埚升比例SL/CL数值。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：由于在单晶硅生长过程中看不到坩埚内熔融硅液面，因此需要通过合理控制多晶硅投料量，计算出当石英坩埚内壁垂直面与弧度面交界处的切点以上部分熔融硅液全部转化为单晶硅时的晶体的长度L0，并将L0设定为工艺补偿起始点，从而使PID控制器达到精确控制补偿起始点的目的；在此基础上根据工艺控制程序积分作用将计算出的补偿参数晶升埚升比例SL/CL传递给PID控制器，PID控制器将对采集到的单晶硅直径信号和补偿参数信号进行整合计算，得出用于晶体提升速度和坩埚加热器加热功率的调节信号，进而控制单晶硅的生长直径，从而达到有效控制单晶硅尾端直径的目的。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明控制单晶硅等径生长的控制原理框图。
具体实施方式
本实施例中直拉硅单晶直径自动补偿方法包括以下具体步骤：
一种直拉硅单晶直径自动补偿方法，设定PID控制器控制程序I，加热原料至熔融，开始提拉单晶硅，PID控制器采集单晶硅直径信号并和预设值进行对比，若有偏差则作用于单晶硅提升速度控制器和坩埚加热器，通过调整晶体提升速度和坩埚加热功率实现对单晶硅直径的控制，关键在于：当熔融硅液面到达坩埚内壁垂直面与弧度面交界线处时，启动自动补偿程序II控制单晶硅生长，步骤包括：
1)计算补偿起始点：①严格控制原料的起始投料量，原料的起始投料量等效于熔融硅液两部分之和的质量：第一部分是石英坩埚内壁垂直面与弧度面交界线以上部分熔融硅液的质量M1，另一部分是交界线以下部分熔融硅液的质量M2；其中M1＝ρ1πr2H，公式中ρ1为熔融硅液的密度，r为石英坩埚内径，H为交界线以上熔融硅液面的高度；②单晶硅生长后，晶体生长控制器计算出单晶硅的平均直径D及相应晶体质量M3；③晶体生长控制器根据公式L＝M1/(ρ2πD2/4)计算出补偿起始点L0；
2)晶体生长控制器根据单晶硅的平均直径D及晶体质量M3计算出单晶硅实时长度L，当单晶硅实时长度L＝L0时，启动自动补偿程序II；
3)补偿参数控制器计算出补偿参数晶升埚升比例SL/CL＝R2/r2，其中R为单晶硅半径，r为石英坩埚内径；晶升埚升比例SL/CL为动态变化数值，根据微分原理，将石英坩埚曲度部分分成若干段，用0、1、2、3、4、……表示对应的段位，每一段位相对于前一段位的补偿度为ΔSL/CL＝R2/r2 1234…-R2/r2 0123…，通过控制程序的积分功效计算出补偿参数晶升埚升比例SL/CL数值；
4)PID控制器采用双向PID复合控制程序，对获得的单晶硅直径和补偿参数信号进行整合计算，作用于单晶硅提升速度控制器和坩埚加热器，通过调整晶体提升速度和坩埚加热功率实现对单晶硅直径的控制。
可以总结为以下具体实施过程：
在直拉硅单晶炉内加入原料，加热使原料熔融成为熔融硅液，放入籽晶开始提拉单晶硅。PID控制器根据程序I采集单晶硅直径信息，并和预先设定值进行对比，若有偏差，则PID控制器会产生控制信号，控制单晶硅提升速度控制器和坩埚加热器以调节晶体提升速度和坩埚加热器的加热功率，从而实现对单晶硅生长直径的控制。本领域内的人员熟知提高晶体提升速度或升高熔融硅液温度可减小晶体直径，降低晶体提升速度或降低熔融硅液温度可增大晶体直径。
当熔融硅液面到达坩埚内壁垂直面与弧度面交界线处时，启动自动补偿程序II控制单晶硅生长，具体控制步骤为：①计算起始补偿点L0，计算方法为：严格控制在坩埚中加入的原料，根据坩埚的容积计算出坩埚内壁垂直面与弧度面交界线以上部分熔融硅液的质量M1，具体计算公式为M1＝ρ1πr2H，公式中ρ1为熔融硅液的密度，r为石英坩埚内径，H为交界线以上熔融硅液面的高度。也就说在控制原料起始加入量时，先定位原料熔融后坩埚内壁垂直面与弧度面交界线以上熔融硅液面的高度，根据此高度以下、交界线以上坩埚容积和坩埚底部容积计算出需要的起始投料量。用信号采集器采集并计算出单晶硅平均生长直径D及相应的单晶硅重量M3的信号，之后晶体生长控制器根据公式L＝M1/(ρ2πD2/4)计算出补偿起始点L0，即石英坩埚内壁垂直面与弧度面交界线以上部分熔融硅液全部生长为单晶硅后晶体的长度，将L0作为参照值手动输入单晶硅生长控制器。②晶体实时长度L根据公式L＝M3/(ρ2πD2/4)计算得出，其中ρ2为单晶硅的密度，并将计算出的晶体实时长度L与L0作比较，当晶体实时长度L＝L0时，系统自动启动单晶硅直径补偿程序II。自动补偿程序II启动后，参数控制器将计算出的补偿参数晶升埚升比例SL/CL传递给PID控制器，PID控制器将采集到的直径D和补偿参数进行整合计算，之后作用于单晶提升速度控制器和坩埚加热控制器以控制单晶硅的提升速度和坩埚加热器的加热功率，以达到控制单晶硅直径的目的。
Claims (2)
1.一种直拉硅单晶直径自动补偿方法，设定比例积分微分控制器控制程序Ⅰ，加热原料至熔融，开始提拉单晶硅，比例积分微分控制器采集单晶硅直径信号并和预设值进行对比，若有偏差则作用于单晶硅提升速度控制器和坩埚加热器，通过调整晶体提升速度和坩埚加热功率实现对单晶硅直径的控制，其特征在于：当熔融硅液面到达坩埚内壁垂直面与弧度面交界线处时，启动自动补偿程序Ⅱ控制单晶硅生长，其步骤包括：
1）计算补偿起始点：①严格控制原料的起始投料量，原料的起始投料量等效于熔融硅液两部分之和的质量：第一部分是石英坩埚内壁垂直面与弧度面交界线以上部分熔融硅液的质量M1，另一部分是交界线以下部分熔融硅液的质量M2；其中M1=ρ1πr2H，公式中ρ1为熔融硅液的密度，r为石英坩埚内径，H为交界线以上熔融硅液面的高度；②单晶硅生长后，晶体生长控制器计算出单晶硅的平均直径D及相应晶体质量M3；③晶体生长控制器根据公式L= M1/(ρ2πD2/4)计算出补偿起始点L0；
2）晶体生长控制器根据单晶硅的平均直径D及晶体质量M3计算出单晶硅实时长度L，当单晶硅实时长度L=L0时，启动自动补偿程序Ⅱ；
3）补偿参数控制器根据设定程序计算出补偿参数：晶升埚升比例SL/CL=R2/r 2 θ，其中R为单晶硅半径，rθ为动态变化的石英坩埚内径；根据微分原理，将石英坩埚曲度部分分成若干段，用0、1、2、3、4、… …表示对应的段位，每一段位相对于前一段位的补偿度为△SL/CL=R2/r2 1234…－R2/r2 0123…,通过控制程序的积分功效计算出补偿参数晶升埚升比例SL/CL数值；
4）比例积分微分控制器将对获得的单晶硅直径和补偿参数信号进行整合计算，作用于单晶硅提升速度控制器和坩埚加热器，通过调整晶体提升速度和坩埚加热功率实现对单晶硅直径的控制。
2.根据权利要求1所述的直拉硅单晶直径自动补偿方法，其特征在于所述比例积分微分控制器采用双向PID复合控制程序。
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