CN111591997B - 多晶硅还原炉自动化控制方法 - Google Patents

多晶硅还原炉自动化控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及多晶硅生产技术领域，尤其是涉及一种多晶硅还原炉自动化控制方法，包括以下步骤：在还原炉运行之前，将电流曲线以及还原炉的运行周期内的理想温度曲线输入至还原炉的控制系统中；将还原炉的运行周期划分为第一阶段和第二阶段，分别包括多个时间点，在各个时间点对硅棒的温度进行实时测量；在第一阶段，根据所测量的硅棒在某一时间点的实际温度与该时间点在理想温度曲线上对应的理想温度之间的差值以及该时间点在电流曲线上对应的电流值计算第一补偿电流，以使硅棒表面的温度维持在设定温度范围；在第二阶段，控制系统根据辐射功率变化计算第二补偿电流。本发明提供的控制方法能够保证对还原炉整个生产过程中的温度进行准确控制。

Description

多晶硅还原炉自动化控制方法
技术领域
本发明涉及多晶硅生产技术领域，尤其是涉及一种多晶硅还原炉自动化控制方法。
背景技术
对于特定炉型的多晶硅还原炉，多晶硅生产厂商常结合市场需求，调整运行工艺参数。通常，含硅气体与还原气体在一定配比、压力及温度条件下，单质硅的沉积效率是一定的，在充足气体输运条件下，硅棒直径能够保持匀速增长。焦耳热功率等于流通电流的平方与硅棒导体平均电阻(实际各点的电阻率与温度相关)的乘积，随着硅棒直径的匀速增长，硅棒的平均电阻值与直径的平方成反比，即平均电阻值随时间的延长而降低。同时，随着硅棒直径的增加，硅棒表面积随直径线性增加，为保证充足的反应气体供应，气体流量也会增加，辐射(与硅棒表面积和炉壁视角几何因子及反射率有关)和与气体对流的热损失(与气体流量和硅棒表面积有关)随之增加。
因此，在保证硅芯内部温度不超过单质硅熔点的前提下，需随时间调整电流。但是，还原炉生产运行过程中的热损耗不是随着运行时间持续恒定增加的，尤其到了中后期，当硅棒的直径生长到设定直径时，还原炉内的辐射热损耗及对流热损耗增幅趋于平缓，现有的控制方法很难保证对还原炉整个生产过程中的温度进行准确控制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多晶硅还原炉自动化控制方法，以缓解现有技术中存在的还原炉生产运行过程中的热损耗不是随着运行时间持续增加的，现有的控制方法很难保证对还原炉整个生产过程中的温度进行准确控制的技术问题。
基于上述目的，本发明提供了一种多晶硅还原炉自动化控制方法，所述多晶硅还原炉自动化控制方法包括以下步骤：
在还原炉运行之前，将电流曲线以及所述还原炉的运行周期内的理想温度曲线输入至所述还原炉的控制系统中；
将所述还原炉的运行周期至少划分为连续的第一阶段和第二阶段，所述第一阶段和所述第二阶段分别包括多个时间点，在各个时间点对硅棒的温度进行实时测量；
在所述第一阶段，所述控制系统根据所测量的硅棒在某一时间点的实际温度与该时间点在所述理想温度曲线上对应的理想温度之间的差值以及该时间点在所述电流曲线上对应的电流值计算第一补偿电流，以使硅棒表面的温度维持在设定温度范围；
在所述第二阶段，所述硅棒的直径生长到设定直径，所述控制系统根据辐射功率变化计算第二补偿电流，以使所述还原炉内的整体温场均匀分布。
可选地，在某些实施例中，在所述还原炉运行的第一阶段，所述第一补偿电流为
Figure BDA0002539881670000024
Figure BDA0002539881670000021
其中，t1为对所述硅棒的温度进行实时测量的时间点，即所述还原炉的运行时间，
Figure BDA0002539881670000022
为t1时间点的理想温度值，T(t1)为所述硅棒在t1时间点的实际温度值，
Figure BDA0002539881670000023
为t1时间点的电流值，η1为调整系数。
可选地，在某些实施例中，在所述还原炉运行的第二阶段，所述第二补偿电流为
Figure BDA0002539881670000033
Figure BDA0002539881670000031
其中，t2为对所述硅棒的温度进行实时测量的时间点，即所述还原炉的运行时间，
Figure BDA0002539881670000032
为t2时间点的理想温度值，T(t2)为所述硅棒在t2时间点的实际温度值，η2为调整系数。
可选地，在某些实施例中，η1的取值范围为0.1～10。
可选地，在某些实施例中，η2的取值范围为0.01～20。
可选地，在某些实施例中，所述还原炉运行的第一阶段为运行开始至设定时间，所述还原炉运行的第二阶段为所述设定时间至停炉。
可选地，在某些实施例中，在还原炉运行之前，还包括将含硅气体与还原气体随时间变化的进气料表曲线输入至所述还原炉的控制系统中的步骤。
可选地，在某些实施例中，所述还原炉分批次生产多晶硅，在第一批次生产结束之后，得到第一批次运行工艺参数，所述第一批次运行工艺参数至少包括第一次修正后的电流曲线；在第二批次生产开始之前，且在所述还原炉运行之前，将所述第一次修正后的电流曲线以及所述还原炉的运行周期内的理想温度曲线输入至所述还原炉的控制系统中，进行第二批次生产；在所述第二批次生产结束之后，得到第二批次运行工艺参数，所述第二批次运行工艺参数至少包括第二次修正后的电流曲线；在第三批次生产开始之前，且在所述还原炉运行之前，将所述修正后的电流曲线以及所述还原炉的运行周期内的理想温度曲线输入至所述还原炉的控制系统中，进行第三批次生产；以此类推，直至所述还原炉的运行周期内的各个时间点的实际温度与对应的理想温度之间的差值在设定范围内。
可选地，在某些实施例中，所述第一批次运行工艺参数和所述第一批次运行工艺参数还包括含硅气体与还原气体的流量和配比。
可选地，在某些实施例中，在在各个时间点对硅棒的温度进行实时测量的步骤中，采用温度调节模块测量硅棒的实际温度，并将测量结果反馈给所述控制系统。
与现有技术相比，本发明的有益效果主要在于：
本发明提供的多晶硅还原炉自动化控制方法，包括以下步骤：
在还原炉运行之前，将电流曲线以及所述还原炉的运行周期内的理想温度曲线输入至所述还原炉的控制系统中；
将所述还原炉的运行周期至少划分为连续的第一阶段和第二阶段，所述第一阶段和所述第二阶段分别包括多个时间点，在各个时间点对硅棒的温度进行实时测量；
在所述第一阶段，所述控制系统根据所测量的硅棒在某一时间点的实际温度与该时间点在所述理想温度曲线上对应的理想温度之间的差值以及该时间点在所述电流曲线上对应的电流值计算第一补偿电流，以使硅棒表面的温度维持在设定温度范围；
在所述第二阶段，所述硅棒的直径生长到设定直径，所述控制系统根据辐射功率变化计算第二补偿电流，以使所述还原炉内的整体温场均匀分布。
本发明提供的多晶硅还原炉自动化控制方法，采用控制系统代替人工调整，根据还原炉生产运行过程中的热损耗特性，将一个还原炉运行周期至少分为连续的第一阶段和第二阶段，分别实现温度闭环控制，其中，在第一阶段，硅棒直径能够保持匀速增长，硅棒表面积随直径线性增加，此时，根据所测量的硅棒在某一时间点的实际温度与该时间点在理想温度曲线上对应的理想温度之间的差值以及该时间点在电流曲线上对应的电流值计算第一补偿电流；在第二阶段，硅棒的直径生长到设定直径时，还原炉内的辐射热损耗及对流热损耗增幅趋于平缓，此时，考虑到电功率与热损耗平衡，根据辐射功率变化计算第二补偿电流，能够控制实际温度接近理想温度，以使还原炉内的整体温场均匀分布，从而保证对还原炉整个生产过程中的温度进行准确控制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中的补偿电流与温度控制关系示意图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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。
在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等，其指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本实施例提供了一种多晶硅还原炉自动化控制方法，包括以下步骤：
在还原炉运行之前，将电流曲线以及还原炉的运行周期内的理想温度曲线输入至还原炉的控制系统中；
将还原炉的运行周期至少划分为连续的第一阶段和第二阶段，第一阶段和第二阶段分别包括多个时间点，在各个时间点对硅棒的温度进行实时测量；
在第一阶段，控制系统根据所测量的硅棒在某一时间点的实际温度与该时间点在理想温度曲线上对应的理想温度之间的差值以及该时间点在电流曲线上对应的电流值计算第一补偿电流，以使硅棒表面的温度维持在设定温度范围；
在第二阶段，硅棒的直径生长到设定直径，控制系统根据辐射功率变化计算第二补偿电流，以使还原炉内的整体温场均匀分布。
本实施例提供的多晶硅还原炉自动化控制方法，采用控制系统代替人工调整，根据还原炉生产运行过程中的热损耗特性，将一个还原炉运行周期至少分为连续的第一阶段和第二阶段，分别实现温度闭环控制，其中，在第一阶段，硅棒的直径能够保持匀速增长，硅棒表面积随直径线性增加，此时，根据所测量的硅棒在某一时间点的实际温度与该时间点在理想温度曲线上对应的理想温度之间的差值以及该时间点在电流曲线上对应的电流值计算第一补偿电流；在第二阶段，硅棒的直径生长到设定直径时，还原炉内的辐射热损耗及对流热损耗增幅趋于平缓，此时，考虑到电功率与热损耗平衡，根据辐射功率变化计算第二补偿电流，能够更准确地控制实际温度接近理想温度，以使还原炉内的整体温场均匀分布，从而保证对还原炉整个生产过程中的温度进行准确控制。
本实施例提供的多晶硅还原炉自动化控制方法的控制原理为：还原炉反应器的保温效果在于电功率与热损耗之间的平衡，热损耗包括热辐射、热对流以及热传导。在第一阶段，硅棒的直径逐渐增大，散热总表面积迅速增长，辐射热损耗的占比大幅上升，因此，第一阶段只能依据绝对温差去控制电流。而在第二阶段，硅棒体积达到设定尺寸后，其与反应器壁面的辐照面积不再明显增长，辐射热损耗占比稳定，因此，在第二阶段按照辐射功率与电功率的关系控制电流，控制效果更好。
本实施例中的反应器可以采用现有的多晶硅CVD反应器。
需要说明的是，在还原炉运行之前，将电流曲线以及还原炉的运行周期内的理想温度曲线输入至还原炉的控制系统中的步骤中，可以由工作人员将电流曲线以及还原炉的运行周期内的理想温度曲线输入至还原炉的控制系统中，也可以是在还原炉出售前就将电流曲线以及还原炉的运行周期内的理想温度曲线内置在还原炉的控制系统中。
本实施例中，参见图1所示，圆点虚线表示理想温度曲线，虚线表示电流曲线，图1中，横轴为时间t(h)，为了便于理解本实施例的技术方案，将理想温度曲线、实际温度曲线和电流曲线以及补偿电流曲线绘制在同一个坐标系中，图1中的纵轴为温度T(℃)或电流I(A)，其中，温度数值和电流数值均可从纵轴上读取。电流曲线的拐点为第一阶段和第二阶段的分界点。在第一阶段，电流随时间线性增长，在第二阶段，电流的变化比较平缓。
可选地，在某些实施例中，在还原炉运行的第一阶段，第一补偿电流为
Figure BDA0002539881670000072
Figure BDA0002539881670000071
其中，t1为对硅棒的温度进行实时测量的时间点，即还原炉的运行时间，
Figure BDA0002539881670000081
为t1时间点的理想温度值，T(t1)为硅棒在t1时间点的温度值，
Figure BDA0002539881670000082
为t1时间点的电流值，η1为调整系数。
可选地，在某些实施例中，η1的取值范围为0.1～10。
可选地，在某些实施例中，在还原炉运行的第二阶段，第二补偿电流为
Figure BDA0002539881670000086
Figure BDA0002539881670000083
其中，t2为对硅棒的温度进行实时测量的时间点，即还原炉的运行时间，
Figure BDA0002539881670000084
为t2时间点的理想温度值，T(t2)为硅棒在t2时间点的温度值，η2为调整系数。
在还原炉运行的第二阶段，考虑到电功率与热损耗平衡，电功率为P＝I2·R，对其进行简化处理，硅棒的直径匀速增长时，电阻R反比于硅棒的横截面积，即电阻R反比于时间的平方；由于辐射功率正比于温度的四次方，推导得出
Figure BDA0002539881670000085
根据此算法调整电流，能够控制实际温度更加接近理想温度。
可选地，在某些实施例中，η2的取值范围为0.01～20。
需要说明的是，调整系数η1和η2的取值范围与还原炉反应器结构有关，如钟罩壁面反射率(即反应器的保温效果)、反应器体积以及发热体(硅棒)分布形式等，在实际控温过程中，η1和η2的值可根据运行效果进行选取。
将各个时间点的第一补偿电流
Figure BDA0002539881670000087
和第二补偿电流拟合成补偿电流曲线，补偿电流曲线如图1中的粗实线所示。将各个时间点的硅棒的实际温度拟合成实际温度曲线，实际温度曲线如图1中的细实线所示。
可选地，在某些实施例中，还原炉运行的第一阶段为运行开始至设定时间，还原炉运行的第二阶段为设定时间至停炉。
应当理解的是，设定时间是硅棒的直径生长到设定直径的时间，设定直径和设定时间均是根据实际生产情况以及生产经验进行确定的。
可选地，本实施例中的设定时间为20h。
可选地，在某些实施例中，在还原炉运行之前，还包括将含硅气体与还原气体随时间变化的进气料表曲线输入至还原炉的控制系统中的步骤。
将含硅气体与还原气体随时间变化的进气料表曲线输入至还原炉的控制系统中，控制系统按照给定的进气料表曲线控制瞬时气体流量及电流、电压等电气参数，以保证生产顺利进行。
可选地，在某些实施例中，采用还原炉分批次生产多晶硅，在第一批次生产结束之后，得到第一批次运行工艺参数，第一批次运行工艺参数至少包括第一次修正后的电流曲线；在第二批次生产开始之前，且在还原炉运行之前，将第一次修正后的电流曲线以及还原炉的运行周期内的理想温度曲线输入至还原炉的控制系统中，进行第二批次生产；在第二批次生产结束之后，得到第二批次运行工艺参数，第二批次运行工艺参数至少包括第二次修正后的电流曲线；在第三批次生产开始之前，且在还原炉运行之前，将修正后的电流曲线以及还原炉的运行周期内的理想温度曲线输入至还原炉的控制系统中，进行第三批次生产；以此类推，直至还原炉的运行周期内的各个时间点的实际温度与对应的理想温度之间的差值在设定范围内。
本实施例中，第一批次生产开始前，将原始的电流曲线以及还原炉的运行周期内的理想温度曲线输入至还原炉的控制系统中，并采用本实施例提供的多晶硅还原炉自动化控制方法进行生产控制，根据补偿电流曲线对原始的电流曲线进行修正，得到第一次修正后的电流曲线，然后利用第一次修正后的电流曲线进行第二批次生产，仍然采用本实施例提供的多晶硅还原炉自动化控制方法进行生产控制，根据补偿电流曲线对第一次修正后的电流曲线进一步修正，得到第二次修正后的电流曲线，以此类推，直至还原炉的运行周期内的各个时间点的实际温度与对应的理想温度之间的差值在设定范围内。
通过迭代的方式，多次修正电流曲线，使得还原炉的运行周期内的各个时间点的实际温度与对应的理想温度之间的差值在设定范围内，即还原炉的运行周期内的实际温度逐渐收敛于理想温度，不会再有较大的波动。此时，可以采用最后一批次运行工艺参数作为后续生产的运行工艺参数，直接输入至控制系统，通常情况下，无需进一步修正，提高了生产效率和质量稳定性。
可选地，在某些实施例中，第一批次运行工艺参数和第二批次运行工艺参数还包括含硅气体与还原气体的流量和配比。
通过迭代的方式，多次修正电流曲线，不断优化工艺料表曲线，包括含硅气体与还原气体的流量和配比以及进气料表曲线等，可推广应用至其它同型号的还原炉，大幅缩减还原炉优化所需的时间和成本，提高了生产效率和产品质量稳定性。
可选地，在某些实施例中，在在各个时间点对硅棒的温度进行实时测量的步骤中，采用温度调节模块测量硅棒的温度，并将测量结果反馈给控制系统。
本实施例中，温度调节模块与控制系统连接，温度调节模块可以采用现有的测温传感器或温度检测仪。
本实施例中，控制系统为现有的DCS系统。
需要说明的是，还可以进一步将第一阶段分成多个第一子阶段，每个第一子阶段有各自的热损耗特性，根据各自的热损耗特性分别进行温度闭环控制，计算各个第一子阶段的补偿电流，这样的方式能够进一步减小实测温度在理想温度附近波动的幅度。
另外需要说明的是，还可以进一步将第二阶段分成多个第二子阶段，每个第二子阶段有各自的热损耗特性，根据各自的热损耗特性分别进行温度闭环控制，计算各个第二子阶段的补偿电流，这样的方式能够进一步减小实测温度在理想温度附近波动的幅度。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种多晶硅还原炉自动化控制方法，其特征在于，所述多晶硅还原炉自动化控制方法包括以下步骤：
在还原炉运行之前，将电流曲线以及所述还原炉的运行周期内的理想温度曲线输入至所述还原炉的控制系统中；
将所述还原炉的运行周期至少划分为连续的第一阶段和第二阶段，所述第一阶段和所述第二阶段分别包括多个时间点，在各个时间点对硅棒的温度进行实时测量；
在所述第一阶段，所述控制系统根据所测量的硅棒在某一时间点的实际温度与该时间点在所述理想温度曲线上对应的理想温度之间的差值以及该时间点在所述电流曲线上对应的电流值计算第一补偿电流，以使硅棒表面的温度维持在设定温度范围；
在所述第二阶段，所述硅棒的直径生长到设定直径，所述控制系统根据辐射功率变化计算第二补偿电流，以使所述还原炉内的整体温场均匀分布；
在所述还原炉运行的第一阶段，所述第一补偿电流为ΔIt1，
Figure FDA0002958426020000011
其中，t1为对所述硅棒的温度进行实时测量的时间点，即所述还原炉的运行时间，
Figure FDA0002958426020000012
为t1时间点的理想温度值，T(t1)为所述硅棒在t1时间点的实际温度值，
Figure FDA0002958426020000013
为t1时间点的电流值，η1为调整系数；
在所述还原炉运行的第二阶段，所述第二补偿电流为
Figure FDA0002958426020000014
Figure FDA0002958426020000015
其中，t2为对所述硅棒的温度进行实时测量的时间点，即所述还原炉的运行时间，
Figure FDA0002958426020000016
为t2时间点的理想温度值，T(t2)为所述硅棒在t2时间点的实际温度值，η2为调整系数。
2.根据权利要求1所述的多晶硅还原炉自动化控制方法，其特征在于，η1的取值范围为0.1～10。
3.根据权利要求1所述的多晶硅还原炉自动化控制方法，其特征在于，η2的取值范围为0.01～20。
4.根据权利要求1所述的多晶硅还原炉自动化控制方法，其特征在于，所述还原炉运行的第一阶段为运行开始至设定时间，所述还原炉运行的第二阶段为所述设定时间至停炉。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的多晶硅还原炉自动化控制方法，其特征在于，在还原炉运行之前，还包括将含硅气体与还原气体随时间变化的进气料表曲线输入至所述还原炉的控制系统中的步骤。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的多晶硅还原炉自动化控制方法，其特征在于，所述还原炉分批次生产多晶硅，在第一批次生产结束之后，得到第一批次运行工艺参数，所述第一批次运行工艺参数至少包括第一次修正后的电流曲线；在第二批次生产开始之前，且在所述还原炉运行之前，将所述第一次修正后的电流曲线以及所述还原炉的运行周期内的理想温度曲线输入至所述还原炉的控制系统中，进行第二批次生产；在所述第二批次生产结束之后，得到第二批次运行工艺参数，所述第二批次运行工艺参数至少包括第二次修正后的电流曲线；在第三批次生产开始之前，且在所述还原炉运行之前，将所述修正后的电流曲线以及所述还原炉的运行周期内的理想温度曲线输入至所述还原炉的控制系统中，进行第三批次生产；以此类推，直至所述还原炉的运行周期内的各个时间点的实际温度与对应的理想温度之间的差值在设定范围内。
7.根据权利要求6所述的多晶硅还原炉自动化控制方法，其特征在于，所述第一批次运行工艺参数和所述第二批次运行工艺参数还包括含硅气体与还原气体的流量和配比。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的多晶硅还原炉自动化控制方法，其特征在于，在各个时间点对硅棒的温度进行实时测量的步骤中，采用温度调节模块测量硅棒的实际温度，并将测量结果反馈给所述控制系统。
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