CN102220629A - 一种采用直径法控制区熔晶体自动生长方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种采用直径法控制区熔晶体自动生长方法及系统。本方法设定生长区间和输入控制参数，当直径大于50mm时，开通控制程序，程序根据测到的单晶直径判断生长区间，调用该区间参数并计算，根据参数和计算值完成控制，一个区间生长完成后，程序进入下一个区间，直至进入到等径生长阶段，根据保持功率设定值进行控制。本系统包括PLC控制器、PC机、摄像头、发生器、触摸屏、上转、下转、上速和下速伺服电机、多晶和单晶旋转电机、多晶和单晶下降电机以及电磁阀、流量计和传感器。采用本方法和系统，大幅提升区熔法大直径单晶的生产能力，减小区熔人为造成的失误及损失，降低区熔单晶生长的人工劳动强度，可有效提高单晶的一致性质量。
Description
技术领域
本发明涉及区熔硅单晶的生产方法及设备，尤其涉及一种采用直径法控制区熔晶体自动生长方法及系统。
背景技术
目前，采用区熔法生产硅单晶主要利用人工拉晶的方法。区熔法生长晶体的工艺过程主要由预热及化料、引颈和细颈生长、放肩、等径生长、收尾等组成。现在区熔法这五个工艺段中基本采用的是人工方式，而人工拉晶的缺点很显著：1)大直径单晶生长时，人工拉晶时间过长，大直径单晶量产难度大；2)晶体生长中，人为影响因素较大，晶体的生长过程难以控制；3)单晶质量把握性差，人工拉晶不能够保证生产出的每一个区熔单晶都具备相同的质量。
由于国内尚无区熔晶体自动生长技术方面的研究，因此，非常有必要开发出一套区熔法硅单晶自动生长方法和系统。随着计算机技术及电子技术的发展,近十年来已经具备了较好的激光测距摄像技术及精良的自动控制技术，因此，通过采取先进的技术手段，实现区熔法硅单晶自动生长是完全可行的。这可以杜绝人为因素的影响，大幅提高区熔法的单晶生长效率及品质水平。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用直径法控制区熔晶体自动生长方法及系统，该方法采用的是直径控制技术。
由于区熔法在单晶生长引颈和放肩过程的初期，生长情况及控制较为复杂，很难通过计算机的控制来实现，所以区熔法的自动生长控制主要针对放肩和保持生长过程。而单晶区熔法晶体自动生长的实现就是让晶体按照设定的形状生长。一般区熔拉晶过程中采用晶体的生长速率Rgrowth来控制晶体生长的形状，如下式所示：Rgrowth= Dcrystal -（Vupper/ Vlower）1/2 *Dpoly 其中，Vupper, Vlower, Dpoly , Dcrystal分别代表多晶的下降速度，单晶的下降速度，多晶的直径及单晶的直径。同时为了能够保证成晶，在不同的直径时，相应的功率也要加以控制，比如单晶的直径小时，相应的功率要低些，单晶直径大时，功率相对要高些。
因此，对晶体生长形状的控制，主要应通过改变加热功率和拉速等方法来改变晶体的生长速度,从而控制晶体的生长直径。而在实际的生长控制中有五个参量需要加以控制，即单晶的下降速度，多晶的下降速度，发生器功率，单晶的旋转速度和多晶的旋转速度。
为了能够利用生长率控制单晶的生长形状，本方法采取用生长率来计算多晶的下降速度来控制单晶的生长，同时运用红外激光测距准确获取直径信息作为控制依据，其余的参量则采集一般直径范围内所需要的控制值。
为了能够达到上述目的，本发明采取的技术方案是：一种采用直径法控制区熔晶体自动生长方法，其特征在于，包括如下步骤：
（一）、设定生长区间和设置控制参数
设定多个自动放肩的单晶直径区间，设置每个单晶直径区间的参数选项，参数选项包括单晶的下降速度、发生器功率、单晶的旋转速度、多晶的旋转速度和单晶的生长速率，然后利用公式Vupper=[（Dcrystal+Rgrowth）/Dpoly]2 * Vlower计算出多晶的即时下降速度Vupper，式中Vupper为多晶的下降速度, Vlower为单晶的下降速度, Dpoly为多晶的直径, Dcrystal为单晶的直径，Rgrowth为单晶的生长速率，另外还要设置等径保持阶段的发生器功率；
（二）、自动放肩生长
经人工放肩后，当单晶直径大于50mm时，开通自动放肩程序，程序根据采集到的单晶直径数据判断直径位于哪个生长区间，然后调用该区间设置参数，根据设定的单晶的下降速度、发生器功率、单晶的旋转速度、多晶的旋转速度参数值完成上转伺服电机、下转伺服电机、下速伺服电机以及发生器功率的控制，根据计算的多晶的即时下降速度参数值完成上速伺服电机的控制，一个直径区间自动放肩生长完成后，程序进入下一个直径区间，接着调用下一个直径区间的设置参数直至最后一个直径区间，以此来实现控制各直径区间的自动放肩生长；
（三）、自动等径生长
单晶直径自动放肩生长完成后，进入到等径生长阶段，此时程序根据保持功率设定值完成发生器功率的控制，自动等径生长结束。
一种采用直径法控制区熔晶体自动生长系统，其特征在于：包括PLC控制器、PC机、摄像头、发生器、触摸屏、上转伺服电机、下转伺服电机、上速伺服电机、下速伺服电机、多晶旋转电机、单晶旋转电机、多晶下降电机、单晶下降电机以及用于气体控制的电磁阀、流量计和传感器，其中，PLC控制器分别与PC机、发生器、触摸屏以及用于气体控制的电磁阀、流量计和传感器连接；PLC控制器通过DEVICENET总线与上转伺服电机、下转伺服电机、上速伺服电机、下速伺服电机连接；上转伺服电机与多晶旋转电机连接；下转伺服电机与单晶旋转电机连接；上速伺服电机与多晶下降电机连接；下速伺服电机与单晶下降电机连接；PC机与摄像头连接。
采用直径法控制区熔晶体自动生长系统各个部分的作用原理如下：
1）PLC控制器：采用OMRON PLC控制器完成与PC机的数字信号通信，实现发生器、触摸屏，上速、上转、下速、下转伺服电机以及电磁阀和流量计的总体控制。
2）PC机：通过以太网线将红外摄像头采集到的测距信息得到，并将信息处理后通过数字信号传给PLC控制器。
3）发生器：由PLC控制器控制，用于单晶的高频加热功率控制。
4）触摸屏：与PLC控制器相互通信，传达人工信息到PLC控制器，同时将PLC控制器采集到的各种信息传达到触摸屏上。
5）用于气体控制的电磁阀、流量计和传感器由PLC控制器控制，完成氩气、氮气等保护气，以及硼烷、磷烷等掺杂气的流量控制输入或输出。
6）上转、上速、下速、下转伺服电机：由PLC控制器进行程序控制，用于驱动控制运动电机（多晶旋转电机、单晶旋转电机、多晶下降电机、单晶下降电机）。
7）多晶、单晶旋转电机，多晶、单晶下降电机：由各伺服电机驱动，完成PLC控制器下发的命令。
本发明所产生的有益效果是：通过直径法的控制区熔晶体自动生长方法，利用自动生长系统，完成了区熔法单晶自动生长。本发明大幅提升区熔法大直径单晶的生产能力，减小区熔人为造成的失误及损失，降低区熔单晶生长的人工劳动强度，可以有效提高单晶的一致性质量。
附图说明
图1是本发明中采用直径法控制区熔晶体自动生长方法流程示意图。
图2是本发明中采用直径法控制区熔晶体自动生长系统示意图。
具体实施方式
下面给出具体的Φ6"区熔单晶自动生长实施案例，进一步说明本发明是如何实现的。
Φ6"区熔单晶自动生长的具体步骤如下：
（1）设定生长区间，设置控制参数
设定直径区间，以本实施为例，设置的区间为50-60mm， 60-70mm， 70-80mm，80-90mm， 90-100mm， 100-110mm，110-120 mm，120-130mm，130-140mm，140-152mm。然后通过经验数据设置每个自动放肩单晶直径区间的控制参数选项，例如：在对应设定直径区间60-70mm中，设置Vlower单晶的下降速度为 3.6mm/min，发生器功率为22kw，单晶的旋转速度为 7.5rpm，多晶的旋转速度为0.30rpm、Rgrowth单晶生长速率为 4.0mm/dia及等径保持阶段的发生器功率为48kw，使得单晶按照一个角度生长，并将上述各参量通过人机界面触摸屏传送给Omron PLC控制器，其中多晶和单晶的直径是由视觉系统采集而成，在此例中多晶直径Dcrystal = 125mm，Omron PLC控制器根据公式Vupper=[（Dcrystal+Rgrowth）/Dpoly]2 * Vlower计算出多晶的下降速度为0.94mm/min。
（2）人工化料、预热、引颈。
通过操作人员进行人工化料、预热、引颈（相关的操作参见申请号为200510013851、名称为《大直径区熔硅单晶制备方法》中的操作方法）。
（3）人工放肩，直径大于50mm时，开启自动放肩。
操作人员人工放肩，利用红外摄像头测距，当单晶的直径大于50mm时，就可以开启自动放肩程序。
（4）自动放肩生长
开通自动放肩程序，程序会根据测量到的单晶直径判断直径位于哪个生长区间，调用该区间设置参数，通过Omron PLC编程完成各参量的控制和计算，根据设定的单晶的下降速度、发生器功率、单晶的旋转速度、多晶的旋转速度参数值完成上转伺服电机、下转伺服电机、下速伺服电机以及发生器功率的控制，根据计算的多晶的即时下降速度参数值完成上速伺服电机的控制，一个直径区间（50-60mm）自动放肩生长完成后，程序进入下一个直径区间，接着调用下一个直径区间（60-70mm）设置的参数直至最后一个直径区间（140-152mm），以此来实现控制各直径区间的自动放肩生长。
（5）自动等径生长
单晶直径自动放肩生长完成后，即单晶直径达到Φ6"后，进入到等径生长阶段，此时程序根据保持功率设定值完成发生器的控制，自动等径生长结束。
（6）等径生长结束后，跳出程序，进行人工收尾。
Claims (2)
1.一种采用直径法控制区熔晶体自动生长方法，其特征在于，包括如下步骤：
（一）、设定生长区间和设置控制参数
设定多个自动放肩的单晶直径区间，设置每个单晶直径区间的参数选项，参数选项包括单晶的下降速度、发生器功率、单晶的旋转速度、多晶的旋转速度和单晶的生长速率，然后利用公式Vupper=[（Dcrystal+Rgrowth）/Dpoly]2 * Vlower计算出多晶的即时下降速度Vupper，式中Vupper为多晶的下降速度, Vlower为单晶的下降速度, Dpoly为多晶的直径, Dcrystal为单晶的直径，Rgrowth为单晶的生长速率，另外还要设置等径保持阶段的发生器功率；
（二）、自动放肩生长
经人工放肩后，当单晶直径大于50mm时，开通自动放肩程序，程序根据采集到的单晶直径数据判断直径位于哪个生长区间，然后调用该区间设置参数，根据设定的单晶的下降速度、发生器功率、单晶的旋转速度、多晶的旋转速度参数值完成上转伺服电机、下转伺服电机、下速伺服电机以及发生器功率的控制，根据计算的多晶的即时下降速度参数值完成上速伺服电机的控制，一个直径区间自动放肩生长完成后，程序进入下一个直径区间，接着调用下一个直径区间的设置参数直至最后一个直径区间，以此来实现控制各直径区间的自动放肩生长；
（三）、自动等径生长
单晶直径自动放肩生长完成后，进入到等径生长阶段，此时程序根据保持功率设定值完成发生器功率的控制，自动等径生长结束。
2.一种采用直径法控制区熔晶体自动生长系统，其特征在于：包括PLC控制器、PC机、摄像头、发生器、触摸屏、上转伺服电机、下转伺服电机、上速伺服电机、下速伺服电机、多晶旋转电机、单晶旋转电机、多晶下降电机、单晶下降电机以及用于气体控制的电磁阀、流量计和传感器，其中，PLC控制器分别与PC机、发生器、触摸屏以及用于气体控制的电磁阀、流量计和传感器连接；PLC控制器通过DEVICENET总线与上转伺服电机、下转伺服电机、上速伺服电机、下速伺服电机连接；上转伺服电机与多晶旋转电机连接；下转伺服电机与单晶旋转电机连接；上速伺服电机与多晶下降电机连接；下速伺服电机与单晶下降电机连接；PC机与摄像头连接。
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