CN110528069B - 一种直拉硅单晶的自动调温方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的直拉硅单晶的自动调温方法，用于自动调节液面温度，包括以下步骤，设定目标液面温度值Ts，测量实际液面温度值T，以t为固定周期时间计算实际液面温度T与目标液面温度Ts的差值ΔT；判断ΔT是否在给定范围；如果是，则进入温度稳定过程，如果不是，则进行温度调节过程；温度调节过程中，对差值ΔT进行计算，得出功率调节量ΔPower及功率设定值Pr，输出功率设定值Pr，进而调节硅熔体液面温度。本发明取消了SP参与的控制，消除了不稳定因素，提高了系统控制温度的稳定性，提高调温的统一性，提高成品率，降低生产成本。

Description

一种直拉硅单晶的自动调温方法

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自动调温方法。

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地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。

直拉硅单晶制造过程是将多晶硅料放入石英坩埚中，加热熔化形成液态硅料，然后经过调温、引晶、放肩、转肩、等径、收尾等六个步骤，最终生产出硅单晶棒。在引晶之前需要进行调温，以达到更好的引晶温度，保证引晶质量。目前直拉硅单晶工艺的调温过程主要依靠SP值，依靠操作人员经验，手动调节SP设定值，无判定标准；另外由于热电堆取光孔对中困难，每次的对中位置不一致，导致每炉温度存在差异。

在实际引晶过程中，引晶温度目标值的获取较为困难。目前，一般通过籽晶试验的方法，将籽晶放入硅液中观察籽晶周围的光圈变化，并根据光圈的变化来判断调节温度。该过程需要人工参与，根据以往经验判断，具有不确定性。另外，在调温过程中，炉体内部液体处于高温、高真空环境，采用温度测量装置测量液体表面温度，测温装置与待测表面的距离较远，抗干扰能力差，导致测量精度较低。以上问题使得调温过程存在诸多不确定性，不同人员、不同炉台、不同技术水平等不确定因素导致调温的结果完全不一样，无法实现温度的准确调节，进而导致后期引晶、放肩、转肩、等径等过程温度不稳定，影响成本及产品品质。因此需要一种调温方法，提高温度的稳定性。

发明内容

本发明提供了一种直拉硅单晶的自动调温方法，能够提高控制系统的温度稳定性，提高直拉单晶炉调温过程的自动化程度。

本发明所采用的技术方案是：一种直拉硅单晶的自动调温方法，用于引晶之前自动调节液面温度，包括温度调节过程和温度稳定过程，所述温度调节过程包括以下步骤：

设定功率初始设定值Pi；

设定目标温度值Ts：控制系统自动记录前N次相同工艺条件下的引晶温度，并做平均值处理，作为目标温度值Ts，其中N≥2；

以t为固定周期，测量液体表面实际温度T；

计算实际温度T与目标温度Ts的差值ΔT；

设定ΔT波动的给定范围，判断ΔT是否在给定范围，若ΔT在给定范围内，控制调温过程进入温度稳定过程，若ΔT不在给定范围内，依据ΔT自动调节功率，进而调节液面温度。

进一步地，设定所述温度稳定过程目标持续时间为t1，实际温度稳定过程持续时间为t2，

当t2≥t1时，自动进入引晶阶段；

当t2＜t1时，进行温度调节过程，直到进入引晶阶段。

事例性地，所述t1范围为20-30min。

进一步地，所述差值ΔT的计算公式为：ΔT＝T-Ts，所述差值ΔT的给定范围为±8℃。

进一步地，所述依据ΔT自动调节功率包括依据ΔT计算固定周期t内的功率调节量ΔPower及功率设定值Pr，并输出功率设定值Pr。

更进一步地，所述功率设定值Pr的计算公式为

Pr＝Pi+ΔPower。

事例性地，依据ΔT，采用PID算法计算所述功率调节量ΔPower。

事例性地，依据ΔT，采用偏差算法计算所述功率调节量ΔPower，计算公式为，

ΔPower＝ΔT*a

其中a为偏差系数，取值范围为-100-0。

事例性地，所述t范围为100-3000s。

进一步地，测量所述液体表面实际温度T时，以硅熔体液面中心为圆心，以目标晶体直径为直径范围作为温度测量位置范围，确定所述温度测量位置范围内任意一点作为固定点，测量液面温度。

更进一步地，测量所述液体表面实际温度T包括步骤：通过CCD摄像头捕捉所述固定点的液面图像，利用所述液面图像的灰度值与温度值的线性关系得出实际温度T。

本发明的直拉硅单晶的自动调温方法的有益效果是：

1、取消了SP参与的控制，消除了不稳定因素，提高了系统控制温度的稳定性，提高调温的统一性，提高成品率，降低生产成本；

2、节省时间，由原来手动调温需要4-5小时缩短到2小时以内；

3、提高了直拉单晶炉调温过程的自动化程度。

附图说明

图1是本发明直拉硅单晶的自动调温方法的流程示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种直拉硅单晶的自动调温方法，用于直拉硅单晶引晶之前自动调节液面温度，包括温度调节过程和温度稳定过程。

温度调节过程包括以下步骤：

设定功率初始设定值Pi；

设定目标温度值Ts：控制系统自动记录前N次相同工艺条件下的引晶温度，并做平均值处理，作为目标温度值Ts，其中N≥2即可，优选为N≥5；

以t为固定周期，测量液体表面实际温度T；示例性地，t设置在100-3000s之间。测量液体表面实际温度T可以具体为：以硅熔体液面中心为圆心，以目标晶体直径为直径范围作为温度测量位置范围，确定该温度测量位置范围内任意一点作为固定点，然后通过CCD摄像头捕捉固定点的液面图像，利用液面图像的灰度值与温度值的线性关系得出实际温度T。

计算实际温度T与目标温度Ts的差值ΔT；差值ΔT的计算公式为：ΔT＝T-Ts。

设定ΔT的给定范围，并判断ΔT是否在给定范围，若ΔT在给定范围内，控制调温过程进入温度稳定过程，若ΔT不在给定范围内，依据ΔT自动调节功率，进而调节液面温度。事例性地，设定差值ΔT的给定范围为±8℃。

上述依据ΔT自动调节功率，包括依据ΔT计算固定周期t的功率调节量ΔPower及功率设定值Pr，并输出功率设定值Pr，Pr的计算公式为Pr＝Pi+ΔPower。

具体地，依据ΔT，可以采用PID算法计算功率调节量ΔPower；也可以采用偏差算法计算功率调节量ΔPower，计算公式为ΔPower＝ΔT*a，其中a为偏差系数，取值范围为-100-0。

在温度稳定过程中，设定温度稳定过程目标持续时间为t1，t1的范围为20-30min，实际温度稳定过程持续时间为t2，

当t2≥t1时，自动进入引晶阶段；

当t2＜t1时，进行温度调节过程，直到进入引晶阶段。

下面通过附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步描述。

实施例

结合图1，本实施例直拉硅单晶的自动调温方法包括温度调节过程和温度稳定过程，具体包括以下步骤：

1、在控制系统中设定功率初始设定值Pi，本实施例Pi为55.0kw；

设定目标温度值Ts：控制系统自动记录前N次，N≥5，相同工艺条件下的引晶温度，并做平均值处理，作为目标温度值Ts；

相同工艺条件，指采用相同的加热器、保温部件及热交换部件等其他影响单晶炉内温度的相关部件。

2、以t为固定周期时间，测量硅熔体液面的实际温度T；其中，t的范围可以为100-3000s。

固定周期t的取值范围，依据炉体进行功率调整后，由于热场环境等条件的影响，考虑实际温度的反应时间进行取值。每个单晶炉，由于热场环境等不同，对应的固定周期t取值不同。本实施例选取t＝600s。

测量液体表面实际温度T，在以液面中心位置为圆心，以目标晶体直径为直径作为测量位置范围，确定该范围内任意一点作为固定点，测量该固定点的液面温度值T，本实施例的目标晶体直径为260mm。

本实施例采用熔体表面温度预测方法测量液体表面实际温度T。通过CCD摄像头捕捉炉体内固定点的液面图像，利用液面图像灰度值与温度值的线性关系得出实际温度T。

更具体地，熔体液面表面实际温度T的确定方法，包括以下步骤：

a、提供测温仪，在熔体升温过程中，利用测温仪测量炉体内液体表面某测量点的温度，得到温度测量值；

b、提供CCD摄像头，利用摄像头同时获取该液体表面的图像；并对获取的图像在控制系统中进行处理，获得某测量点对应的灰度值；

c、对该测量点的温度测量值及对应的灰度值进行拟合运算，得出温度测量值与灰度值之间的对应关系。熔体的液面表面温度确定方法针对同一炉台，获得该对应关系之后，可移除测温仪，将待测点的灰度值代入对应关系即可；本实施例，线性方程y＝5.0709x+1105.3，y为液面实际温度T，x为固定点的灰度值。

d、利用CCD摄像头获取固定点的图像，利用对应关系得到该固定点的温度预测值，即为该固定点的液体表面实际温度T。例如，获得固定点的图像灰度值为63，将x＝63代入线性方程，得到该固定点的温度y为1424.8℃。

3、计算实际液面温度T与目标液面温度Ts的差值，计算公式为ΔT＝T-Ts，ΔT的给定范围为±8℃。

4、若ΔT的范围在-8～8℃之间，则控制调温过程进入温度稳定过程。

设定温度稳定过程目标持续时间为t1，t1范围为20-30min；实际温度稳定过程持续时间为t2。

固定周期t1的取值范围，参考功率调整后，实际温度的反应时间为15-20min进行设定。每个单晶炉，由于热场环境等不同，对应的固定周期t1取值不同。

当t2≥t1时，自动进入引晶阶段；

当t2＜t1时，则进行温度调节过程，直到进入引晶阶段。

5、若ΔT的范围不在-8～8℃，例如，ΔT＝9℃，依据ΔT自动调节功率进行温度调节过程，具体包括以下步骤：

a、控制系统计算固定周期t的功率调节量ΔPower，采用PID算法或偏差算法进行计算。

采用PID算法，计算公式为

其中P、I、D代表调节参数，由工艺系统实施状态确定。本实施例，P、I、D分别为-2、-0.01、-40。本实施例t＝600s，dT/dt＝0.015℃/period，计算得出ΔPower＝-18.69kw。

另外，也可以采用偏差算法计算ΔPower，其计算公式为ΔPower＝ΔT*a，

其中a为偏差系数，取值范围为-100-0。本实施例，a为-2.0，计算得出ΔPower＝-18.0kw。

b、控制系统计算固定周期t的功率设定值Pr，Pr＝Pi+ΔPower。采用PID算法，得出Pr为36.31kw；采用偏差算法，得出Pr＝37kw。

c、控制系统输出根据PID算法或偏差算法计算得出的输出功率设定值Pr，进而控制液面温度。

6、以t为固定周期时间，重复步骤2-3；若ΔT的范围在-8～8℃，进行步骤4；若ΔT的范围不在-8～8℃，进行步骤5。

本发明的有益效果是：调温过程不需要人员干预，节省人工成本；由原来手动调温4-5小时缩短到2小时以内，节省时间；提高调温的统一性，提高成品率，降低生产成本；取消了SP参与的控制，消除了不稳定因素，提高系统控制的稳定性；提高了直拉单晶炉的自动化程度。采用熔体表面温度预测方法测量固定点的温度，无测量距离干扰，反应灵敏且测量误差小，有助于提升测量精度。

Claims (7)

1.一种直拉硅单晶的自动调温方法，用于引晶之前自动调节液面温度，其特征在于，包括温度调节过程和温度稳定过程，所述温度调节过程包括以下步骤：

设定功率初始设定值Pi；

设定目标温度值Ts：控制系统自动记录前N次相同工艺条件下的引晶温度，并做平均值处理，作为目标温度值Ts，其中N≥2；

以t为固定周期，测量液体表面实际温度T；

计算实际温度T与目标温度Ts的差值ΔT；

设定ΔT波动的给定范围，判断ΔT是否在给定范围，若ΔT在给定范围内，控制调温过程进入温度稳定过程，若ΔT不在给定范围内，依据ΔT自动调节功率，进而调节液面温度；

所述依据ΔT自动调节功率包括依据ΔT计算固定周期t内的功率调节量ΔPower及功率设定值Pr，并输出功率设定值Pr；

所述功率设定值Pr的计算公式为

Pr＝Pi+ΔPower；

依据ΔT，采用PID算法或偏差算法计算所述功率调节量ΔPower；

所述PID算法的计算公式为，

其中P、I、D代表调节参数；

所述偏差算法的计算公式为，

ΔPower＝ΔT*a

其中a为偏差系数，取值范围为-100-0。

2.根据权利要求1所述的直拉硅单晶的自动调温方法，其特征在于，设定所述温度稳定过程目标持续时间为t1，实际温度稳定过程持续时间为t2，

当t2≥t1时，自动进入引晶阶段；

当t2＜t1时，进行温度调节过程，直到进入引晶阶段。

3.根据权利要求2所述的直拉硅单晶的自动调温方法，其特征在于，所述t1范围为20-30min。

4.根据权利要求1所述的直拉硅单晶的自动调温方法，其特征在于，所述差值ΔT的计算公式为：ΔT＝T-Ts，所述差值ΔT的给定范围为±8℃。

5.根据权利要求1所述的直拉硅单晶的自动调温方法，其特征在于，所述t范围为100-3000s。

6.根据权利要求1所述的直拉硅单晶的自动调温方法，其特征在于，测量所述液体表面实际温度T时，以硅熔体液面中心为圆心，以目标晶体直径为直径范围作为温度测量位置范围，确定所述温度测量位置范围内任意一点作为固定点，测量液面温度。

7.根据权利要求6所述的直拉硅单晶的自动调温方法，其特征在于，测量所述液体表面实际温度T包括步骤：通过CCD摄像头捕捉所述固定点的液面图像，利用所述液面图像的灰度值与温度值的线性关系得出实际温度T。

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