CN102758250A - 锗单晶直拉生长法的自动等径控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锗单晶直拉生长法的自动等径控制方法，先设定需要制备的锗晶体的直径，以及设定初始晶升电机提拉速度SL，然后建立速度控制环、温度控制环a及温度控制环b，锗单晶在生长过程中，当直径测量值偏离直径设定值时，直径测量值与直径设定值之间就会形成直径偏差e1，三个控制环互相配合，自动调节晶升电机提拉速度、控温仪表温度设定SP，让直径测量值达到直径设定值。使锗单晶的生产从人工控直径转到自动控直径，提高了生产效率，减小了单晶棒后续抛光、磨圆、切片加工过程中的浪费。

Description

锗单晶直拉生长法的自动等径控制方法

技术领域

本发明属于半导体电子技术领域，涉及一种锗单晶直拉生长法的自动等径控制方法。

背景技术

锗晶体具有良好的透红外性能、高的折射指数、低色散、不潮解、机械强度高和化学稳定性好等优点，是8-12μm波段热成像仪光学系统的首选材料。用于红外光学系统的锗晶体有单晶和多晶两种,多晶锗具有成本低、工艺简单、可直接加工成适当形状等优点。但多晶锗存在晶界,其光学均匀性和力学性能都不及单晶锗，因此，高精度的红外系统仍然选用单晶锗，这类锗单晶统称红外锗单晶。此外，大尺寸(4英寸以上)低位错锗单晶,用于空间高效GaAs/Ge太阳电池衬底片，这类锗单晶有严格的位错要求，统称为低位错锗单晶。大直径锗单晶生长工艺有直拉法、定向结晶法、斯捷潘诺夫法、旋转晶片法等。

作为独特的不可替代的红外光学材料，锗单晶材料在航空航天和国防军工等高新技术领域发挥重要作用，在红外探测、激光测距、热成像、红外扫描、远距离侦察诸多领域应用广泛。随着国家GDP的增长，用于国防建设的开支逐年提高，锗单晶材料，特别是大直径红外光学材料需求更大，前景广阔。

在21世纪初，生产锗单晶的各科研院所，大都使用石墨加热器，直拉法为主。整个拉晶过程，分为升温化料引晶、放肩/转肩、等径生长、收尾结束四个阶段，而等径生长部分是晶体生长的主要部分。鉴于早期直拉法锗单晶炉设备自动化水平低，不论是无位错要求的红外锗单晶，还是有位错要求的低位错锗单晶，都是采用手动控制直径，操作人员需要随时监控晶体生长的情况，如果发现晶体长粗，即刻提高拉速或者升温；相反，如果晶体长细，即刻降低拉速或降温，以保证晶体转肩以后尽可能等直径。人工控制直径长出的锗晶体，外形凸凹不平，导致后续加工抛光、磨圆、切片过程浪费严重，效率低。更严重地，在晶体长细的情况下，如果操作人员发现不及时，降温幅度不够，就会导致晶体直径大幅收细，不满足等径尺寸最小要求，致使整个晶体无法使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种锗单晶直拉生长法的自动等径控制方法，解决了目前通过人工控制直径长出的锗晶体外形凸凹不平及等径尺寸不能满足使用要求的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种锗单晶直拉生长法的自动等径控制方法，按照以下步骤实施：

1）设定需要制备的锗晶体的直径，以及初始晶升电机提拉速度设定值SL；

2）建立速度控制环、温度控制环a及温度控制环b，其中，

建立速度控制环的实施步骤为：对锗晶体的直径进行实时测量，计算出测量得到的锗晶体的直径与步骤1）中设定的锗晶体的直径偏差e1，然后根据算法：算出晶升电机提拉速度调节值OP，将晶升电机提拉速度调节值OP与步骤1的晶升电机提拉速度设定值SL叠加，不断调整晶升电机提拉速度，从而使晶体直径发生改变，

其中，

k为速度控制环比例调节器的比例系数，

Ti为速度控制环积分调节器的积分时间系数，

Td为速度控制环微分调节器的微分时间系数，

t为速度控制环的控制周期；

建立温度控制环a的实施步骤为：根据直径偏差e1，通过算法：

算出温度校正斜率tr1，通过直径控制器与控温仪表温度设定SP之间的MODBUS通讯程序功能块，不断修正控温仪表温度设定值SP，使加热器温度改变，从而使晶体直径发生改变，

其中，

k1为温度控制环a比例调节器的比例系数，

Ti1为温度控制环a积分调节器的积分时间系数，

t1为温度控制环a的控制周期；

建立温度控制环b的实施步骤为：

经速度控制环改变的晶升电机提拉速度与初始晶升电机提拉速度设定值SL的差值为晶升电机拉速偏差e2，温度控制环b根据晶升电机拉速偏差e2，通过算法：算出温度校正斜率tr2，通过直径控制器与控温仪表温度设定SP之间的MODBUS通讯程序功能块，不断修正控温仪表温度设定SP，使加热器温度改变，进而使晶体直径发生变化，

其中，k2为温度控制环b比例调节器的比例系数，

Ti2为温度控制环b积分调节器的积分时间系数，

t2为温度控制环b的控制周期；

3）根据所要制备的锗单晶的需要，以控制提拉速度为主进行直径控制，结合温度控制，即单独使用速度控制环进行控制，或使用速度控制环与温度控制环a协同控制，或以速度控制环为主，结合温度控制环b进行控制；

或以控制温度为主进行直径控制，只调节控温仪表温度设定SP，进行恒拉速拉晶，即仅以温度控制环a进行控制，使晶升电机提拉速度与工艺要求的初始晶升电机提拉速度SL相同，从而使锗晶体生长过程中的直径得到控制。

本发明的有益效果是，根据不同类型锗单晶工艺生长的实际特点、要求，可以自由选择等径控制环及其组合。使锗单晶的生产从人工控制直径转到自动控制直径，提高了生产效率，减小了单晶棒后续抛光、磨圆、切片加工过程中的浪费。

附图说明

图1是本发明锗单晶直拉生长法的自动等径控制方法的框图；

图2是本发明的方法中锗单晶等径生长速度控制环的原理图；

图3是本发明的方法中锗单晶等径生长温度控制环a的原理图；

图4是本发明的方法中锗单晶等径生长温度控制环b的原理图。

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。

本发明提供了一种锗单晶直拉生长法的自动等径控制方法，如图1所示，按照以下步骤实施：

1）设定需要制备的锗晶体的直径，以及设定初始晶升电机提拉速度SL；

2）建立速度控制环、温度控制环a及温度控制环b，其中，

如图2所示，速度控制环的实施步骤为：对锗晶体的直径进行实时测量，计算出测量得到的的锗晶体的直径与步骤1）中设定的锗晶体的直径偏差e1，然后根据算法：

算出晶升电机提拉速度调节值OP，将晶升电机提拉速度调节值OP与原始的晶升电机提拉速度设定值SL叠加，不断调整晶升电机提拉速度，从而使晶体直径发生改变，

其中，

k为速度控制环比例调节器的比例系数，

Ti为速度控制环积分调节器的积分时间系数，

Td为速度控制环微分调节器的微分时间系数，

t为速度控制环的控制周期；

如图3所示，温度控制环a的实施步骤为：根据直径偏差e1，通过算法：

算出温度校正斜率tr1，通过直径控制器与控温仪表温度设定SP之间的MODBUS通讯程序功能块，不断修正控温仪表温度设定SP，使加热器温度改变，从而使晶体直径发生改变，

其中，

k1为温度控制环a比例调节器的比例系数，

Ti1为温度控制环a积分调节器的积分时间系数，

t1为温度控制环a的控制周期；

如图4所示，温度控制环b的实施步骤为：

经速度控制环改变的晶升电机提拉速度与步骤1）中初始晶升电机提拉速度SL的差值为晶升电机拉速偏差e2，温度控制环b根据晶升电机拉速偏差e2，通过算法：

算出温度校正斜率tr2，通过直径控制器与控温仪表温度设定SP之间的MODBUS通讯程序功能块，不断修正控温仪表温度设定SP，使加热器温度改变，进而使晶体直径发生变化，

其中，k2为温度控制环b比例调节器的比例系数，

Ti2为温度控制环b积分调节器的积分时间系数，

t2为温度控制环b的控制周期；

3）根据所要制备的锗单晶的需要，以控制提拉速度为主进行直径控制，结合温度控制，即速度控制环与温度控制环a协同控制，两个控制环同时控制，从而更加及时准确的对直径进行控制；或以速度控制环为主，结合温度控制环b进行控制；

或以控制温度为主进行直径控制，只调节控温仪表温度设定值SP，进行恒拉速拉晶，即仅以温度控制环a进行控制，使晶升电机提拉速度与工艺要求的初始晶升电机提拉速度SL相同，从而使锗晶体生长过程中的直径得到控制。

在锗晶体生长过程中,锗晶体的直径主要受晶升提拉速度和熔体温度的影响而变大变小，当晶升速度增大时，晶体直径变小，反之当晶升速度减小时，晶体直径变大；当熔体温度升高时，晶体直径变小，反之当熔体温度下降时，晶体直径变大。因此，晶体直径的控制就是通过控制晶升电机提拉速度和控温仪表温度设定值SP实现的。

锗单晶生长直径控制器具有三个控制环。锗单晶在生长过程中，当直径测量值偏离直径设定值时，直径测量值与直径设定值之间就会形成直径偏差e1，直径控制器三个控制环的任务就是互相配合，自动调节晶升电机提拉速度、控温仪表温度设定值SP，让直径测量值达到直径设定值。

通过直径控制器的控制，实现三个控制环：速度控制环、温度控制环a、温度控制环b各自的功能，包括重要参数的定义，如各控制环所要求的设定值、过程测量值，各调节器参数的定义，比例系数，积分时间系数，微分时间系数，控制周期，以及各调节器输出值的上、下限等。此外，按照各控制环的PID调节算法，实现与调节算法相一致的调节功能，以及各控制环的调用执行条件。

速度控制环

当晶体直径变化时，速度控制环会自动调节晶升电机提拉速度，使晶体直径保持不变，如下所示：

1）晶体直径变大时

直径增大时，晶升电机提拉速度调节值OP增大，使得晶升电机提拉速度增大，进而使直径减小，以使直径合乎需求；

2）晶体直径变小时

直径减小时，晶升电机提拉速度调节值OP减小，使得晶升电机提拉速度减小，进而使直径增大，使直径合乎需求。

不管直径如何变化，速度控制环都能保证晶体直径的变化在一定范围之内。速度控制环根据直径偏差e1，实时自动计算晶升电机提拉速度调节值OP，与原始的晶升电机提拉速度设定值SL叠加，不断调整晶升电机提拉速度，直到直径达到其设定值。

温度控制环a

温度控制环a根据直径偏差e1，实时自动计算温度校正斜率tr1，通过直径控制器与控温仪表温度设定SP之间的MODBUS通讯程序功能块，不断修正控温仪表温度设定SP，使加热器温度改变，晶体直径发生变化。

温度控制环b

当速度控制环工作时，根据直径偏差的情况，晶升电机提拉速度会被实时调整，导致晶升电机提拉速度与工艺要求的晶升电机提拉速度设定值SL发生偏离。这时，温度控制环b根据晶升电机拉速偏差e2，自动计算温度校正斜率tr2，通过直径控制器与控温仪表温度设定SP之间的MODBUS通讯程序功能块调节控温仪表温度设定SP，使加热器温度改变，晶体直径发生变化，速度控制环随着调整晶升电机提拉速度，使晶升电机提拉速度与工艺要求的晶升电机提拉速度设定值SL相接近。

三个控制环的工作逻辑，根据锗单晶不同类型，可以以控制提拉速度为主，结合温度控制，即速度控制环与温度控制环a协同控制，或以速度控制环为主，结合温度控制环b进行控制，如红外锗单晶自动等径控制的工艺要求；也可以以控制温度为主，只调节控温仪表温度设定值SP，进行恒拉速拉晶，即仅以温度控制环a进行控制，使晶升电机提拉速度与工艺要求的初始晶升电机提拉速度SL相同，从而使锗晶体生长过程中的直径得到控制，如低位错锗单晶自动等径控制的工艺，就以温度控制环a进行控制。

本发明属于直拉法锗单晶生长过程中的自动等径控制方法，新一代锗单晶炉设备自动化水平大大提高，首次具备自动等径控制功能。本方法具有三个控制环，在锗单晶生长过程中，根据单晶类型的生长特点、要求，当直径测量值偏离其设定值时，直径控制器的三个控制环自由组合、互相配合，也可以独立使用，自动调节晶升电机的提拉速度、加热温度，保证直径在其设定值误差范围内。

本发明的方法中，三个控制环可以组合使用，也可以独立使用，可以只控制晶升提拉速度，或者可以只调节控温仪表温度设定值SP，进行恒拉速拉晶。

Claims (1)

1.一种锗单晶直拉生长法的自动等径控制方法，其特征在于，按照以下步骤实施：

1）设定需要制备的锗晶体的直径，以及初始晶升电机提拉速度设定值SL；

2）建立速度控制环、温度控制环a及温度控制环b，其中，

建立速度控制环的实施步骤为：对锗晶体的直径进行实时测量，计算出测量得到的锗晶体的直径与步骤1）中设定的锗晶体的直径偏差e1，然后根据算法：

算出晶升电机提拉速度调节值OP，将晶升电机提拉速度调节值OP与步骤1的晶升电机提拉速度设定值SL叠加，不断调整晶升电机提拉速度，从而使晶体直径发生改变，

其中，

k为速度控制环比例调节器的比例系数，

Ti为速度控制环积分调节器的积分时间系数，

Td为速度控制环微分调节器的微分时间系数，

t为速度控制环的控制周期；

建立温度控制环a的实施步骤为：根据直径偏差e1，通过算法：

算出温度校正斜率tr1，通过直径控制器与控温仪表温度设定SP之间的MODBUS通讯程序功能块，不断修正控温仪表温度设定值SP，使加热器温度改变，从而使晶体直径发生改变，

其中，

k1为温度控制环a比例调节器的比例系数，

Ti1为温度控制环a积分调节器的积分时间系数，

t1为温度控制环a的控制周期；

建立温度控制环b的实施步骤为：

经速度控制环改变的晶升电机提拉速度与初始晶升电机提拉速度设定值SL的差值为晶升电机拉速偏差e2，温度控制环b根据晶升电机拉速偏差e2，通过算法：

算出温度校正斜率tr2，通过直径控制器与控温仪表温度设定SP之间的MODBUS通讯程序功能块，不断修正控温仪表温度设定SP，使加热器温度改变，进而使晶体直径发生变化，

其中，k2为温度控制环b比例调节器的比例系数，

Ti2为温度控制环b积分调节器的积分时间系数，

t2为温度控制环b的控制周期；

3）根据所要制备的锗单晶的需要，以控制提拉速度为主进行直径控制，结合温度控制，即单独使用速度控制环进行控制，或使用速度控制环与温度控制环a协同控制，或以速度控制环为主，结合温度控制环b进行控制；

或以控制温度为主进行直径控制，只调节控温仪表温度设定SP，进行恒拉速拉晶，即仅以温度控制环a进行控制，使晶升电机提拉速度与工艺要求的初始晶升电机提拉速度SL相同，从而使锗晶体生长过程中的直径得到控制。

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