CN109706521A - 一种根据生长角度控制区熔单晶自动生长的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种根据生长角度控制区熔单晶自动生长的方法。在该方法控制的区熔单晶自动生长过程中，通过设置单晶生长角度，并且考虑由于单晶直径和熔区深度变化造成的熔区体积变化，从而精确计算出单晶达到预设直径时所需的多晶移动速度。同时线圈功率按照以直径为函数的曲线变化，该函数曲线通过手动拉晶数据拟合得到，在计算过程中，由于预设单晶直径与单晶生长角度有关，故线圈功率也是随单晶生长角度变化。通过如上设置保证多晶移动速度和线圈功率均为单晶达到预设直径的所需数值，且相互匹配，最终保证区熔单晶自动生长的精确控制。采用本方法生长出的区熔硅单晶不受设备与多晶原料影响，单晶肩部具有标准的外形尺寸，一致性非常高。
Description
技术领域
本发明涉及一种根据生长角度控制区熔单晶自动生长的方法，属于区熔单晶生长技术领域。
背景技术
传统区熔拉晶都是人工手动拉制，对操作技术要求非常高，特别是大直径区熔单晶硅，不仅操作难度大，而且操作过程耗时长，人工往往很难精确控制工艺参数，造成一定比例的失误，导致生产效率低下。国外一些大的区熔单晶生产商均已实现自动生长，外形尺寸一致性非常高，而国内多数厂家还停留在手动拉制区熔单晶硅的技术水平。
在区熔单晶生长过程中，单晶直径主要由多晶移动速度和线圈功率控制，只有精确控制这两个参数，并且相互匹配，才能控制单晶直径的有序生长。专利CN102220629A中公开了一种采用直径法控制区熔晶体生长的方法，在该方法中，多晶移动速度vupper利用公式vupper＝[(Dcrystal+Rgrowth)/Dpoly]2*vlower来计算，其中Rgrowth被定义为单晶的生长速率，但在实际工艺过程中该参数没有明确的物理定义，难以确定其合理的数值范围。同时线圈功率在划定的不同直径区间内直接设定，因此在使用该方法自动生长单晶过程中，多晶移动速度随Rgrowth变化，线圈功率随设定数值线性变化，无法保证二者的相互匹配程度。并且由于切入自动程序时单晶实际生长状态的不同，最终造成单晶肩部的形状、尺寸差异很大，从而影响单晶生长的一致性。因此，有必要改进区熔硅单晶的自动生长工艺方法，以提高区熔单晶生长的一致性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种根据生长角度控制区熔单晶自动生长的方法，能够有效避免单晶断棱问题，提高区熔单晶生长的一致性，提升区熔单晶的成晶率。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种根据生长角度控制区熔单晶自动生长的方法，包括以下步骤：
(1)设置单晶的直径区间，以及每个所述直径区间内的单晶表面边缘切线与垂直方向之间的单晶生长角度、多晶旋转速度、单晶旋转速度、单晶移动速度和线圈偏移量；
(2)利用所述单晶生长角度，计算从当前直径生长到预设直径时的单晶体积变化，并将所述单晶体积变化与熔区体积变化相加，得到所需的多晶体积变化，根据所述多晶体积变化得到单晶达到所述预设直径时所需的多晶移动速度；
(3)根据利用手动拉晶记录的数据拟合得到的公式设置与单晶直径对应的线圈功率；
(4)当单晶放肩达到预设自动放肩直径后，切换到自动生长模式，根据采集得到的单晶直径数据，确定相应的直径区间，以与所述单晶生长角度对应的多晶移动速度和所述单晶直径对应的线圈功率进行自动放肩；
(5)当单晶直径到达等径直径时，设置单晶生长角度为0°，进入等径生长阶段，当多晶棒料剩余重量达到需要收尾值时，开始自动收尾。
在该方法中，所述利用所述单晶生长角度，计算从当前直径生长到预设直径时的单晶体积变化为：
利用所述单晶生长角度、所述当前直径和所述预设直径，利用公式ΔVcrystal＝π*(D1/2+h*tanα)2*h，其中D1为当前直径，h为从当前直径到预设直径的单晶长度变化，α为单晶生长角度，计算得到所述单晶体积变化ΔVcrystal。
在该方法中，所述根据利用手动拉晶记录的数据拟合得到的公式设置与单晶直径对应的线圈功率为：根据利用手动拉晶记录的数据拟合得到的预设函数设置与单晶直径对应的线圈功率，所述预设函数至少三阶。所述预设函数为F(x)＝ax3+bx2+cx+d，其中x为单晶直径，a、b、c、d为通过手动拉晶时记录数据拟合得到的系数。
所述熔区体积变化利用熔区高度计算得出，其中，熔区高度函数的计算公式为H(x)＝mx+n，其中x为单晶直径，m、n为通过手动拉晶时记录数据拟合得到的系数。
所述线圈功率函数为针对放肩过程、转肩过程、等径过程和收尾过程而不同的分段函数。
所述预设自动放肩直径为40mm至70mm。
所述需要收尾值利用多晶棒料剩余计长和直径计算得到。
本发明的优点在于：
在采用本发明的方法控制区熔单晶自动生长的过程中，通过设置单晶生长角度，并且考虑由于单晶直径和熔区深度变化造成的熔区体积变化，从而精确计算出单晶达到预设直径时所需的多晶移动速度。同时线圈功率按照以直径为函数的曲线变化，该函数曲线通过手动拉晶数据拟合得到，在计算过程中，由于预设单晶直径与单晶生长角度有关，故线圈功率也是随单晶生长角度变化。通过如上设置保证多晶移动速度和线圈功率均为单晶达到预设直径的所需数值，且相互匹配，最终保证区熔单晶自动生长的精确控制。采用本方法生长出的区熔硅单晶不受设备与多晶原料影响，单晶肩部具有标准的外形尺寸，一致性非常高。
附图说明
图1为单晶生长角度示意图。
图2为多晶移动速度vpoly推导示意图。
具体实施方式
本发明的核心思想在于提供一种根据生长角度控制区熔硅单晶自动生长的工艺方法，使得区熔硅单晶不受设备与多晶原料影响，单晶肩部具有标准的外形尺寸，一致性非常高。
下面将结合附图和实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例。基于以下实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，为单晶生长角度示意图，其中，D1表示单晶的当前直径，D2表示预设直径，h为从当前直径到预设直径的单晶长度变化，α为单晶生长角度，h1表示直径为D1时的熔区高度，h2表示直径为D2时的熔区高度。
如图2所示，为多晶移动速度推导示意图。利用单晶生长角度α、单晶的当前直径D1和单晶的预设直径D2，利用公式ΔVcrystal＝π*(D1/2+h*tanα)2*h，计算得到所述单晶体积变化ΔVcrystal。熔区体积变化ΔVmelt利用熔区高度计算得出，其中，熔区高度函数的计算公式为H(x)＝mx+n，其中x为单晶直径，m、n为通过手动拉晶时记录数据拟合得到的系数。由多晶体积变化(ΔVcrystal+ΔVmelt)反推出多晶移动速度Vpoly。
实施例1
自动放肩过程通过下面方式实现，以生长6寸单晶(155mm)为例说明：
(1)设定直径区间为0-70mm，70-85mm，85-100mm，100-110mm，110-120mm，120-130mm，130-135mm，135-140mm，140-145mm，145-148mm，148-150mm，150-151mm，151-152mm，152-153mm，153-154mm，154-155mm，155以上。然后设置各区间单晶生长角度、多晶旋转速度、单晶旋转速度、单晶移动速度和线圈偏移量，并根据手动拉晶数据拟合得到各阶段线圈功率函数F(x)及熔区高度函数H(x)。
如在本实施例中，直径区间为0-70mm，单晶生长角度为20°；直径区间为70-85mm，单晶生长角度为15°；直径85-100mm区间，单晶生长角度为12.5°；直径区间为100-110mm，单晶生长角度为15°；直径区间为110-120mm，单晶生长角度为12.5°；直径区间为120-130mm，单晶生长角度为10°；直径区间为130-135mm，单晶生长角度为8°；直径区间为135-140mm，单晶生长角度为6°；直径区间为140-145mm，单晶生长角度为5°；直径区间为145-150mm，单晶生长角度为4.5°；直径区间为150-151mm，单晶生长角度为4°；直径区间为151-152mm，单晶生长角度为3°；直径区间为152-153mm，单晶生长角度为2°；直径区间为153-154mm，单晶生长角度为1°；直径区间为154-155mm，单晶生长角度为1°；直径区间为155mm以上，单晶生长角度为0°；
(2)将清洗干净的多晶棒料装到区熔炉中，经过抽真空、充氩气、预热过程。
(3)手动放肩至40-70mm时，切换到自动放肩生长状态，程序根据当前直径信息确定单晶生长角度和其他工艺参数，自动计算上轴移动速度及线圈功率函数。
(4)当多晶棒料剩余重量(系统根据多晶棒料剩余计长和直径自动计算)达到收尾要求时，自动收尾程序启动，进行自动收尾。
根据此工艺连续自动生长单晶3根，其肩部重量、长度如下表所示，可以看出，通过本工艺生长的单晶肩部重量、长度的一致性非常好。
表1自动拉晶单晶肩部长度及重量
| 序号 | 肩部重量(kg) | 肩部长度(mm) |
| 1 | 5.953 | 290 |
| 2 | 5.916 | 288 |
| 3 | 5.989 | 293 |
Claims (8)
1.一种根据生长角度控制区熔单晶自动生长的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)设置单晶的直径区间，以及每个所述直径区间内的单晶表面边缘切线与垂直方向之间的单晶生长角度、多晶旋转速度、单晶旋转速度、单晶移动速度和线圈偏移量；
(2)利用所述单晶生长角度，计算从当前直径生长到预设直径时的单晶体积变化，并将所述单晶体积变化与熔区体积变化相加，得到所需的多晶体积变化，根据所述多晶体积变化得到单晶达到所述预设直径时所需的多晶移动速度；
(3)根据利用手动拉晶记录的数据拟合得到的公式设置与单晶直径对应的线圈功率；
(4)当单晶放肩达到预设自动放肩直径后，切换到自动生长模式，根据采集得到的单晶直径数据，确定相应的直径区间，以与所述单晶生长角度对应的多晶移动速度和所述单晶直径对应的线圈功率进行自动放肩；
(5)当单晶直径到达等径直径时，设置单晶生长角度为0°，进入等径生长阶段，当多晶棒料剩余重量达到需要收尾值时，开始自动收尾。
2.根据权利要求1所述的根据生长角度控制区熔单晶自动生长的方法，其特征在于，所述利用所述单晶生长角度，计算从当前直径生长到预设直径时的单晶体积变化为：利用所述单晶生长角度、所述当前直径和所述预设直径，利用公式ΔVcrystal＝π*(D1/2+h*tanα)2*h，其中D1为当前直径，h为从当前直径到预设直径的单晶长度变化，α为单晶生长角度，计算得到所述单晶体积变化ΔVcrystal。
3.根据权利要求1所述的根据生长角度控制区熔单晶自动生长的方法，其特征在于，所述根据利用手动拉晶记录的数据拟合得到的公式设置与单晶直径对应的线圈功率为：根据利用手动拉晶记录的数据拟合得到的预设函数设置与单晶直径对应的线圈功率，所述预设函数至少三阶。
4.根据权利要求3所述的根据生长角度控制区熔单晶自动生长的方法，其特征在于，所述预设函数为F(x)＝ax3+bx2+cx+d，其中x为单晶直径，a、b、c、d为通过手动拉晶时记录数据拟合得到的系数。
5.根据权利要求1所述的根据生长角度控制区熔单晶自动生长的方法，其特征在于，所述熔区体积变化利用熔区高度计算得出，其中，熔区高度函数的计算公式为H(x)＝mx+n，其中x为单晶直径，m、n为通过手动拉晶时记录数据拟合得到的系数。
6.根据权利要求3所述的根据生长角度控制区熔单晶自动生长的方法，其特征在于，所述线圈功率函数为针对放肩过程、转肩过程、等径过程和收尾过程而不同的分段函数。
7.根据权利要求1所述的根据生长角度控制区熔单晶自动生长的方法，其特征在于，所述预设自动放肩直径为40mm至70mm。
8.根据权利要求1所述的根据生长角度控制区熔单晶自动生长的方法，其特征在于，所述需要收尾值利用多晶棒料剩余计长和直径计算得到。
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