CN110528067A - 一种直拉硅单晶的温度控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种直拉硅单晶的温度控制方法，用于硅单晶等径生长过程自动调节温度，包括步骤：确定平均晶体生长速度V并输出；设定目标晶体生长速度VS，并计算平均晶体生长速度V和目标晶体生长速度VS的偏差ΔV；依据ΔV，确定功率设定值Pr并输出，进而调节温度。本发明的直拉硅单晶的温度控制方法相比于现有的SP闭环控制方式具有以下优点：1、取消SP参与控制，消除了不稳定因素，提高温度控制系统的稳定性，进而更好地控制晶体直径，提高成品率，降低生产成本；2、取消热电偶，降低了设备成本；3、提高了直拉单晶炉的自动化程度。

Description

一种直拉硅单晶的温度控制方法
技术领域
本发明属于单晶生长工艺技术领域，具体涉及一种直拉硅单晶的温度控制方法。
背景技术
随着全球经济的快速发展，人类对能源的需求不断增长，但煤、石油、天然气等化石燃料，正逐渐被耗竭。而作为绿色能源的太阳能正越来越多的被人类所接受和应用，日益受到世界各国的重视并得到大力发展。而硅单晶是制造光伏组件的初始原料。
直拉硅单晶是一种硅单晶的制造工艺，其制造过程是将多晶硅料放入石英坩埚中，加热融化形成液态硅料，然后经过调温、引晶、放肩、转肩、等径、收尾六个步骤，最终生产出硅单晶棒。温度控制在直拉硅单晶生长过程中有着举足轻重的作用，长期以来技术研发人员一直致力于温度控制的研究。
在等径生长过程中，目前普遍采用的是SP(Set Point，设定目标值)闭环控制，控制原理基本是利用平均晶体生长速度和目标晶体生长速度差值作为控制输入，通过PID计算，输出设定SP值，再由设定SP值和实际测量的SP值比较，通过PID计算设定功率，达到温度闭环控制的目的。在实际温度控制过程中，需要人工通过热电偶测量，计算出SP值，由于装置测量准确性及热场环境的影响导致实际测量的SP值不准确，无法准确反应炉内温度、进而准确控制功率。另外，由于温度有严重的滞后性，及目前控制方式的滞后性，导致整个温度控制系统严重滞后，温度波动，继而导致直径控制不稳定，影响产品良率。本发明提供一种等径过程中的温度控制方法，取消SP值的参与，提高温度控制系统的稳定性，进而更好的控制晶体直径。
发明内容
本发明提供了一种直拉硅单晶的温度控制方法，取消了SP值的参与，能够提高温度控制系统的稳定性，进而更好地控制硅单晶的晶体直径。
本发明所采用的技术方案是：一种直拉硅单晶的温度控制方法，用于硅单晶等径生长过程自动调节温度，包括步骤：确定平均晶体生长速度V并输出；设定目标晶体生长速度VS，并计算平均晶体生长速度V和目标晶体生长速度VS的偏差ΔV；依据ΔV，确定功率设定值Pr并输出，进而调节温度。
进一步地，所述确定平均晶体生长速度V，包括步骤：设定目标晶体生长直径DS，测量实际晶体生长直径D，计算实际晶体生长直径D与目标晶体生长直径DS的偏差ΔD。
进一步地，所述确定平均晶体生长速度V，还包括步骤：依据ΔD，采用PID算法，以等径过程晶体拉速的调节周期t3为固定周期，计算晶体生长速度设定值Vd。
示例性地，所述t3不大于10s。
进一步地，所述确定平均晶体生长速度V，还包括步骤：设定晶体生长速度初始值Vi，以平均晶体生长速度计算周期t1为固定周期，计算平均晶体生长速度V并输出，所述平均晶体生长速度V计算公式为：
示例性地，所述t1的范围为100-3000s。
进一步地，所述确定功率设定值Pr，包括步骤：设定功率初始值Pi，计算所述功率设定值Pr，计算公式为：
Pr＝Pi+ΔPower，
其中，ΔPower为功率调节量。
进一步地，所述确定功率设定值Pr，还包括步骤：依据ΔV，采用PID算法，以等径过程功率调节周期t2为固定周期，计算ΔPower。
进一步地，所述确定功率设定值Pr，还包括步骤：以t2为固定周期，确定所述功率设定值Pr并输出，进而调节温度。
示例性地，所述t2的范围为100-3000s。
本发明的直拉硅单晶的温度控制方法相比于现有的SP闭环控制方式具有以下优点：
1、取消SP参与控制，消除了不稳定因素，提高温度控制系统的稳定性，进而更好地控制晶体直径，提高成品率，降低生产成本；
2、取消热电偶，降低了设备成本；
3、提高了直拉单晶炉的自动化程度。
具体实施方式
本发明公开了一种直拉硅单晶的温度控制方法，用于硅单晶等径生长过程自动调节温度，包括步骤：确定平均晶体生长速度V；设定目标晶体生长速度VS，计算平均晶体生长速度V与目标晶体生长速度VS的偏差ΔV；依据ΔV，确定功率设定值Pr并输出，进而调节温度。
进一步地，确定平均晶体生长速度V，包括步骤：设定目标晶体生长直径DS，测量实际晶体生长直径D，计算实际晶体生长直径D与目标晶体生长直径DS的偏差ΔD。
确定平均晶体生长速度V，还包括步骤：依据ΔD，采用PID算法，以t3为固定周期，计算晶体生长速度设定值Vd，t3为等径过程晶体拉速调节周期。
而t3不大于10s。t3依据等径过程中，晶体拉速对直径的敏感性以及晶体拉速反馈到实际晶体直径的时间进行范围设定。
更进一步地，确定平均晶体生长速度V，还包括步骤：设定晶体生长速度初始值Vi，以平均晶体生长速度计算周期t1为固定周期，平均晶体生长速度V的计算公式为，
t1的范围为100-3000s。在用平均晶体生长速度反应实际晶体生长速度时，若计算周期时间太短则平均体生长速度波动较大，功率调整频繁，不利于晶体生长；若计算周期时间太长则又不能真实反应晶体生长速度，功率不能及时调整，同样不利于晶体生长，因此据此设定t1的取值范围。
确定功率设定值Pr，包括步骤：设定功率初始值Pi，计算功率设定值Pr的计算公式为
Pr＝Pi+ΔPower
确定功率设定值Pr，还包括确定功率调节量ΔPower的步骤：依据ΔV，采用PID算法，以等径过程功率调节周期t2为固定周期，计算功率调节量ΔPower。
确定功率设定值Pr，还包括步骤：以t2为固定周期，确定功率设定值Pr并输出，进而调节温度。
t2的范围为100-3000s。结合炉体热场环境等因素，依据功率调整后的反应时间进行t2的范围设定。
下面通过具体实施例对本发明进行详细说明。
本实施例提供一种直拉硅单晶的温度控制方法，用于硅单晶等径生长过程自动调节温度，包括步骤：
第一步，确定平均晶体生长速度V并输出，包括以下步骤：
a、设定目标晶体生长直径DS，测量实际晶体生长直径D，计算实际晶体生长直径D与目标晶体生长直径DS的偏差ΔD。本实施例ΔD为0.02mm。
b、依据ΔD，采用PID算法，以等径过程晶体拉速的调节周期t3为固定周期，t3的范围不大于10s，计算晶体生长速度设定值Vd，本实施例的计算公式为，
公式(1)中，P、I、D代表调节参数，由工艺系统实施状态确定。本实施例，t3＝1s，P＝5，I＝0.005，D＝800，得出Vd＝16.04mm/hr。
c、以平均晶体生长速度计算周期t1为固定周期，t1的范围为100-3000s，计算平均晶体生长速度V并输出，计算公式为，
公式(2)中，本实施例Vi＝70mm/hr，t1＝300s，得出V＝81.5075mm/hr。
第二步，根据输出的平均晶体生长速度V，计算平均晶体生长速度V与目标晶体生长速度VS的偏差ΔV。本实施例，ΔV计算公式为ΔV＝V-VS，本实施例ΔV＝3mm/hr。
第三步，根据偏差ΔV，确定功率设定值Pr并输出，进而调节温度，包括以下步骤：
a、依据ΔV，采用PID算法计算功率调节量ΔPower，计算公式为，
公式(3)中，t2为等径过程控制系统对功率的调节周期，t2的范围为100-3000s。P、I、D代表调节参数，由工艺系统实施状态确定。本实施例，t2＝600s，P＝0.1，I＝0.006，D＝100，计算出ΔPower＝2.212kw。
b、设定功率初始值Pi，计算功率设定值Pr并输出，计算公式为，
Pr＝Pi+ΔPower (4)
公式(4)中，本实施例中，Pi＝66.0kw，计算出Pr＝68.212kw。

Claims (10)

1.一种直拉硅单晶的温度控制方法，用于硅单晶等径生长过程自动调节温度，其特征在于，包括步骤：确定平均晶体生长速度V并输出；设定目标晶体生长速度VS，并计算平均晶体生长速度V和目标晶体生长速度VS的偏差ΔV；依据ΔV，确定功率设定值Pr并输出，进而调节温度。
2.根据权利要求1所述的直拉硅单晶的温度控制方法，其特征在于，所述确定平均晶体生长速度V，包括步骤：设定目标晶体生长直径DS，测量实际晶体生长直径D，计算实际晶体生长直径D与目标晶体生长直径DS的偏差ΔD。
3.根据权利要求2所述的直拉硅单晶的温度控制方法，其特征在于，所述确定平均晶体生长速度V，还包括步骤：依据ΔD，采用PID算法，以等径过程晶体拉速的调节周期t3为固定周期，计算晶体生长速度设定值Vd。
4.根据权利要求3所述的直拉硅单晶的温度控制方法，其特征在于，所述t3不大于10s。
5.根据权利要求3所述的直拉硅单晶的温度控制方法，其特征在于，所述确定平均晶体生长速度V，还包括步骤：设定晶体生长速度初始值Vi，以平均晶体生长速度计算周期t1为固定周期，计算平均晶体生长速度V并输出，所述平均晶体生长速度V计算公式为：
6.根据权利要求5所述的直拉硅单晶的温度控制方法，其特征在于，所述t1的范围为100-3000s。
7.根据权利要求1所述的直拉硅单晶的温度控制方法，其特征在于，所述确定功率设定值Pr，包括步骤：设定功率初始值Pi，计算所述功率设定值Pr，计算公式为：
Pr＝Pi+ΔPower，
其中，ΔPower为功率调节量。
8.根据权利要求7所述的直拉硅单晶的温度控制方法，其特征在于，所述确定功率设定值Pr，还包括步骤：依据ΔV，采用PID算法，以等径过程功率调节周期t2为固定周期，计算ΔPower。
9.根据权利要求8所述的直拉硅单晶的温度控制方法，其特征在于，所述确定功率设定值Pr，还包括步骤：以t2为固定周期，确定所述功率设定值Pr并输出，进而调节温度。
10.根据权利要求9所述的直拉硅单晶的引晶方法，其特征在于，所述t2的范围为100-3000s。
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