CN102839416B - 一种半导体直拉单晶硅棒自动分段设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体直拉单晶硅棒自动分段设备及方法，其中自动分段设备包括PLC控制系统、割断装置、冷却水系统、夹持装置及自动机床，其中，单晶硅棒由夹持装置夹持固定于自动机床的工作台上，PLC控制系统控制自动机床直线移动的同时控制割断装置在自动机床移动到指定位置后对单晶硅棒进行割断作业，冷却水系统提供割断作业中的冷却水。本发明根据影响单晶电阻率变化因素推倒出的理论模型基础上结合实际修正，绘制不同规格单晶的电阻率分布曲线；利用PLC控制系统，根据单晶硅电阻率变化曲线进行长度计算；通过控制自动机床及割断装置实现单晶硅棒自动截取功能，极大提高了生产中的电阻率对档性，优化了生产环节，提高了生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体单晶材料加工领域，特别涉及一种直拉单晶硅棒自动分段的方法和设备。
背景技术
做为集成电路行业的支撑业---半导体单晶硅及硅片加工行业，硅片电阻率符合性是生产加工环节的一项重要生产能力指标。电阻率主要与掺杂剂量、多晶硅料量、热场、生长工艺、掺杂剂分凝系数等有关。相同热场，投料量，掺杂量，生长工艺下，在固有分凝系数影响下，同规格的单晶具有较好的电阻率分布一致性。这为理论模拟单晶硅电阻率轴向分布提供了良好基础。
由于下游企业工艺及产品要求，一般要求制作器件的硅片电阻率在较窄的范围内，同时还有厚度，参考面，倒角等各种不同参数的要求，以中高阻单晶（25-50）为例，一般订单要求5欧姆厘米范围，实际直拉硅单晶生长时电阻率分布跨度较大（50-10欧姆厘米）且有一定规律的，因此生长出来的单晶硅棒不能全部用于制作某个客户需要的硅片，需要根据电阻率进行分段加工，能否准确将符合固定客户电阻率要求的晶锭截取出来直接关乎企业的生产成本，目前行业普遍采用人工估算，人工分段的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种半导体直拉单晶硅棒自动分段设备及方法，提高生产中的电阻率对档性，优化生产环节，提高了生产效率。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种半导体直拉单晶硅棒自动分段设备，其特征在于：包括PLC控制系统、割断装置、冷却水系统、夹持装置及自动机床，其中，单晶硅棒由夹持装置夹持固定于自动机床的工作台上，PLC控制系统控制自动机床直线移动的同时控制割断装置在自动机床移动到指定位置后对单晶硅棒进行割断作业，冷却水系统提供割断作业中的冷却水。
作为优选，所述PLC控制系统包括单晶硅棒头部电阻率输入装置、所需晶锭电阻率范围输入装置、电阻率变化曲线输入装置、数据分析计算装置及输出控制装置，数据分析计算装置根据单晶硅棒头部电阻率输入装置、所需晶锭电阻率范围输入装置及电阻率变化曲线输入装置输入的数据进行计算分析得出单晶硅棒的切割长度及切割位置并通过输出控制装置输出控制信息以控制设备运行。
作为优选，所述割断装置为金刚砂带锯。
作为优选，所述自动机床由步进电机驱动在直线滑轨上做直线移动。
本发明还提供了使用上述半导体直拉单晶硅棒自动分段设备对半导体直拉单晶硅棒进行自动分段的方法，其采用如下技术方案：一种半导体直拉单晶硅棒自动分段方法，其特征在于：具体步骤为：
1）通过数理统计及理论推算方法得到不同规格单晶硅棒的中心电阻率与电阻率变化曲线，并输入PLC控制系统；
2）对待分段单晶硅棒头部及尾部各截取2mm样片进行电阻率样片制作，并测试单晶硅棒中心电阻率；
3）将待分段单晶硅棒放置在自动机床工作台上由夹持装置上固定住，并进行零位复位；
4）打开冷却水系统开关；
5）在PLC控制系统中输入单晶硅棒头部电阻率、截取最大长度及最小长度，允许电阻率偏差的百分比，进行计算，并得到截取结果；
6）确认结果与生产匹配，点击确认，启动自动机床；
7）自动机床根据系统指令移动待割断单晶硅棒到制定位置后停止，割断装置启动，开始切割；
8）一次切割完成后，取下已割断部分，根据情况点击继续切割；
9）如需要截取多个电阻率范围的晶锭可重复3-8步骤。
本发明根据影响单晶电阻率变化因素推倒出的理论模型基础上结合实际修正，绘制不同规格单晶的的电阻率分布曲线；利用PLC控制系统，根据单晶硅电阻率变化曲线进行长度计算；通过控制自动机床及割断装置实现单晶硅棒自动截取功能，极大提高了生产中的电阻率对档性，优化了生产环节，提高了生产效率。
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描述：
图1为本发明半导体直拉单晶硅棒自动分段设备的结构示意图；
图2为实施例1电阻率变化曲线；
图3为实施例2电阻率变化曲线。
具体实施方式
下面结合图1具体说明本发明的半导体直拉单晶硅棒自动分段设备，包括PLC控制系统1、割断装置2、冷却水系统3、夹持装置4及自动机床6，其中，单晶硅棒5由夹持装置4夹持固定于自动机床6的工作台上，PLC控制系统1控制自动机床直线移动的同时控制割断装置2在自动机床移动到指定位置后对单晶硅棒进行割断作业，冷却水系统3提供割断作业中的冷却水。
所述PLC控制系统包括单晶硅棒头部电阻率输入装置、所需晶锭电阻率范围输入装置、电阻率变化曲线输入装置、数据分析计算装置及输出控制装置，数据分析计算装置根据单晶硅棒头部电阻率输入装置、所需晶锭电阻率范围输入装置及电阻率变化曲线输入装置输入的数据进行计算分析得出单晶硅棒的切割长度及切割位置并通过输出控制装置输出控制信息以控制设备运行。
所述割断装置为金刚砂带锯。所述自动机床由步进电机驱动在直线滑轨上做直线移动。
本发明还提供了使用上述半导体直拉单晶硅棒自动分段设备对半导体直拉单晶硅棒进行自动分段的方法，其具体步骤为：
1）通过数理统计及理论推算方法得到不同规格单晶硅棒的中心电阻率与电阻率变化曲线，并输入PLC控制系统；
2）对待分段单晶硅棒头部及尾部各截取2mm样片进行电阻率样片制作，并测试单晶硅棒中心电阻率(此步骤的功能是为了进行分段计算提供计算基点，也就是说电阻率变化曲线提供了变化趋势，头部样片电阻率提供了起始点的电阻率值）；
3）将待分段单晶硅棒放置在自动机床工作台上由夹持装置上固定住，并进行零位复位；
4）打开冷却水系统开关；
5）在PLC控制系统中输入单晶硅棒头部电阻率、截取最大长度及最小长度，允许电阻率偏差的百分比，进行计算，并得到截取结果（晶锭分割是一个系统工程，有时候合适电阻率长度只有100mm，为了后道加工方便可能要截取最小长度为150mm，长度变长了电阻率就会超出原有范围，因此要给出电阻率允许偏差的百分比；有时候电阻率范围很大，截取长度很长，如800mm，后道加工最大长度为380mm，最小长度为150mm，系统则会按照算法计算分为三段，380,210,210）；
6）确认结果与生产匹配，点击确认，启动自动机床；
7）自动机床根据系统指令移动待割断单晶硅棒到制定位置后停止，割断装置启动，开始切割；
8）一次切割完成后，取下已割断部分，根据情况点击继续切割；
9）如需要截取多个电阻率范围的晶锭可重复3-8步骤。
本发明具有如下优点：
1）分段准确，电阻率对档率高。
2）具有PLC控制系统及精确移动的自动机床，实现自动割断。
3）具有操作简便、生产效率高、可靠性强的优点。
实施例1，CG6000型单晶炉，16寸热场，装料25kg，拉制N型<111>晶向，4寸单晶，掺杂剂为P，头部目标电阻率为45欧姆厘米的单晶，所需要的电阻率范围为40-45。按照本发明方法得到的电阻率归一化与晶锭长度曲线如图2所示。头部样片电阻率为44.5欧姆厘米，得到截取位置为0mm和180mm，截取长度180mm，加工成硅片后电阻率在40-45范围内的硅片比例为94.6%，对档性良好。
实施例2，CG3000型单晶炉，14寸热场，装料20kg，拉制P型<111>晶向，3寸单晶，掺杂剂为B，头部目标电阻率为2.0欧姆厘米的单晶，所需要的电阻率范围为1.5-1.8欧姆厘米。按照本发明方法得到的电阻率归一化与晶锭长度曲线如图3所示。头部样片电阻率为2.05欧姆厘米，得到截取位置为782mm和12712mm，截取长度489mm，加工成硅片后电阻率在1.5-1.8范围内的硅片比例为97.01%，对档性良好。
Claims (1)
1. 一种半导体直拉单晶硅棒自动分段方法，使用半导体直拉单晶硅棒自动分段设备，该自动分段设备包括：PLC控制系统（1）、割断装置（2）、冷却水系统（3）、夹持装置（4）及自动机床（6），其中，单晶硅棒（5）由夹持装置（4）夹持固定于自动机床（6）的工作台上，PLC控制系统（1）控制自动机床直线移动的同时控制割断装置（2）在自动机床移动到指定位置后对单晶硅棒进行割断作业，自动机床由步进电机驱动在直线滑轨上做直线运动，冷却水系统（3）提供割断作业中的冷却水，所述PLC控制系统包括单晶硅棒头部电阻率输入装置、所需晶锭电阻率范围输入装置、电阻率变化曲线输入装置、数据分析计算装置及输出控制装置，数据分析计算装置根据单晶硅棒头部电阻率输入装置、所需晶锭电阻率范围输入装置及电阻率变化曲线输入装置输入的数据进行计算分析得出单晶硅棒的切割长度及切割位置并通过输出控制装置输出控制信息以控制设备运行；
半导体直拉单晶硅棒自动分段方法具体步骤为：
1)通过数理统计及理论推算方法得到不同规格单晶硅棒的中心电阻率与电阻率变化曲线，该电阻率变化曲线为电阻率归一化与晶锭长度曲线，并输入PLC控制系统；
2)对待分段单晶硅棒头部及尾部各截取2mm样片进行电阻率样片制作，并测试单晶硅棒中心电阻率，该步骤功能是为了进行分段计算提供计算基点，其中电阻率变化曲线提供了变化趋势，头部样片电阻率提供了起始点的电阻率值；
3)将待分段单晶硅棒放置在自动机床工作台上由夹持装置上固定住，并进行零位复位；
4)打开冷却水系统开关；
5)在PLC控制系统中输入单晶硅棒头部电阻率、截取最大长度及最小长度， 允许电阻率偏差的百分比，进行计算；
6)确认结果与生产匹配，点击确认，启动自动机床；
7)自动机床根据系统指令移动待割断单晶硅棒到制定位置后停止，割断装置启动，开始切割；
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