CN113913923A - 一种单晶炉自动调温方法 - Google Patents

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文勇
黄振华
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    • C30—CRYSTAL GROWTH
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Abstract

本发明公开了一种单晶炉自动调温方法，具体为：对单晶炉进行循环调温缓慢降液面当前温度及调节引晶功率，通过单晶炉自动调温的控制系统逻辑实时检测当次循环时单晶炉中液面当前温度，并根据起始引晶功率及设定的目标温度、降温周期、循环周期、功率调整系数来计算功率降幅，根据功率降幅及设定引晶功率来计算出一个调温循环周期结束后的显示功率，下一个循环调温前温度对应的现有功率为P1，进行循环，在P1的基础上上升至此次循环调温结束时温度对应计算出的显示功率P2；不断循环以上操作，当温度相差设定的范围内时，功率直接上升到引晶功率P0，开始进度稳温阶段，本发明降低人员操作要求及对人员技能依赖程度，很好的控制调温时间。

Description

一种单晶炉自动调温方法
技术领域
本发明涉及一种调温方法，具体涉及一种单晶炉自动调温方法。
背景技术
单晶硅主要用于制作半导体元件，生长过程包括，拆清、熔料、稳温、引晶、扩肩、转肩、等径、收尾、停炉工步，直拉单晶工艺是通过电阻加热，在合适的温度下，融液中的硅原子会顺着晶种的硅原子排列结构在固液交界面上形成规则的结晶，然后以一定速度向上提拉籽晶并同时旋转引出晶体的技术，当结晶加快时，晶体直径会变粗，提高升速可以使直径变细，增加温度能一直结晶速度，反之，若结晶变慢，直径变细，则通过降低拉速和降温进行控制，因此在直拉工艺的过程中会温度进行调节和控制显得尤为重要；
现有的单晶硅棒调温技术采用单晶炉自动调温控制系统逻辑，在调温过程中，各厂家单晶炉自动调温控制逻辑存在差异，调温完后温度反馈滞后性及较为明显，后续温度判定对现场操作人员熟练度要求较高，自动化程度较弱，人员依赖性较高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种单晶炉自动调温方法，降低人员操作要求及对人员技能依赖程度，很好的控制调温时间。
为了解决以上技术问题，本发明提供一种单晶炉自动调温方法，具体包括以下步骤：
步骤一：开始对单晶炉进行循环调温缓慢降液面当前温度及调节引晶功率，通过单晶炉自动调温的控制系统逻辑实时检测当次循环时单晶炉中液面当前温度，并根据单晶炉的起始引晶功率及设定的目标温度、降温周期、循环周期、功率调整系数来计算功率降幅，具体根据如下公式：
功率降幅=T/t*(A-C)*B*D，
其中：A：当前温度，C：目标温度，T：降温周期，t：循环周期，B：功率调整系数，D：起始引晶功率；
步骤二：根据步骤一获得的功率降幅及检测到的设定引晶功率来计算出一个调温循环周期结束后的显示功率，具体根据如下公式：
具体根据如下公式：P2=P0-T/t*(A-C)*B*D，
其中：A：当前温度，C：目标温度，T：降温周期，t：循环周期，B：功率调整系数，D：起始引晶功率，P0：设定引晶功率，P2：显示功率；
步骤三：一个循环调温周期结束后，下一个循环调温前温度对应的现有功率为P1，进行循环，在P1的基础上上升至此次循环调温结束时温度对应计算出的显示功率P2；
步骤四：不断进行单次调温循环比对，直至最后液面当前温度与目标温度相差值在1-3℃时，停止循环调温操作直接将功率提升到设定引晶功率P0达到自动调温的作用，开始进入稳温阶段。
本发明进一步限定的技术方案是：
进一步的，前述单晶炉自动调温方法中，单晶炉调温时间控制在65min内。
前述单晶炉自动调温方法中，显示功率最小值为设定引晶功率*最低功率系数，最低功率系数为可调整量，具体公式如下：
Pmin=P0*e
其中，Pmin：显示功率最小值，e最低功率系数，e限定调温过程中允许最低功率。
本发明的有益效果是：
单晶炉调温时间控制在65min以内，节约时间；
降低人员操作要求及对人员技能依赖程度。
调温、引晶、放肩自动换程度更高，实现调温至收尾取出全自动化功能。
附图说明
图1为本发明实施例单晶炉自动调温方法中一个单次调温循环时的示意图；
图2为本发明实施例单晶炉自动调温方法具体用于单晶炉的线性调温示图。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供的一种单晶炉自动调温方法，具体包括以下步骤：
步骤一：开始对单晶炉进行循环调温缓慢降液面当前温度及调节引晶功率，通过现有单晶炉自动调温的控制系统逻辑实时检测当次循环时单晶炉中液面当前温度，并根据单晶炉的起始引晶功率及设定的目标温度、降温周期、循环周期、功率调整系数来计算功率降幅，具体根据如下公式：
功率降幅=T/t*(A-C)*B*D，
其中：A：当前温度，C：目标温度，T：降温周期，t：循环周期，B：功率调整系数，D：起始引晶功率；
降温周期及循环周期按照秒设定，通过现有单晶炉系统PLC循环判断对应周期内，单晶炉内液面的温度实际值与目标值之间偏差，在循环周期内不间断进行循环比对，通过实验数据分析，得出最佳降温及循环周期；
步骤二：根据步骤一获得的功率降幅及检测到的设定引晶功率来计算出一个调温循环周期结束后的显示功率，具体根据如下公式：
具体根据如下公式：P2=P0-T/t*(A-C)*B*D，
其中：A：当前温度，C：目标温度，T：降温周期，t：循环周期，B：功率调整系数，D：起始引晶功率，P0：设定引晶功率，P2：显示功率；
步骤三：一个单次循环调温周期的示意图如图1所示，图中：P0 : 设定引晶功率，P1: 实际液温与目标液温差值功率差值，P2：单次循环结束显示功率，0：单次循环启始时间，T：单次循环降温时间，t：单次循环时间；
一个循环调温周期结束后，下一个循环调温前温度对应的现有功率为P1，进行循环，在P1的基础上上升至此次循环调温结束时温度对应计算出的显示功率P2；
P2是不停变化的，每次循环调温都有一个P2，经多次循环调温直至最后温差在设定范围内此时当次循环调温的P2直接调为P0；
步骤四：不断进行单次调温循环比对，直至最后液面当前温度与目标温度相差值在1-3℃时，停止循环调温操作直接将功率提升到设定引晶功率P0达到自动调温的作用，开始进入稳温阶段。
液面当前温度与目标温度相差值在设定范围：实验观测单晶炉籽晶经过高温熔接及功率调整后，晶种出点情况及稳定周期内及进入稳定化以后能够满足引晶速度要求给定的温度偏差，为后续稳定化温度给定余量。
在本实施例中，单晶炉调温时间控制在65min内。
在本实施例中，显示功率最小值为设定引晶功率*最低功率系数，最低功率系数为可调整量，具体公式如下：
Pmin=：P0*e
其中，Pmin：显示功率最小值，e最低功率系数，e限定调温过程中允许最低功率。
实施例2
本实施例提供的一种单晶炉自动调温方法，对型号为TDR160P4-ZJS的单晶炉进行线性调温示例如图2所示，具体包括以下步骤：
设定液面目标温度、降温周期、循环周期、功率调整系数、起始引晶功率，具体见表1所示；
表1 调温时单晶炉中设定的相关数值
设定项目 设定数值
液面目标温度（℃） 1450
起始引晶功率（kw） 71
升温功率（平均引晶功率系数） 1.32
降温功率（平均引晶功率系数） 0.7
功率调节系数 0.1
过热功率设定值—降温周期(s) 2
过热功率设定值—循环时间(s) 10
调温最高功率（kw） 93.72
调温最低功率（kw） 49.7
步骤一：开始对单晶炉进行循环调温缓慢降液面当前温度及调节引晶功率，通过现有单晶炉自动调温的控制系统逻辑实时检测第一次循环时单晶炉中液面当前温度为1464℃，并根据单晶炉的起始引晶功率及设定的目标温度、降温周期、循环周期、功率调整系数来计算功率降幅，具体根据如下公式：
功率降幅=T/t*(A-C)*B*D
= 2/10*(1464-1450)*0.1*71
=19.88kw；
其中：A：当前温度，C：目标温度，T：降温周期，t：循环周期，B：功率调整系数，D：起始引晶功率；
降温周期2s及循环周期10s按照秒设定，通过现有单晶炉系统PLC循环判断对应周期内，单晶炉内液面的温度实际值与目标值之间偏差，在循环周期内不间断进行循环比对，通过实验数据分析，得出最佳降温及循环周期；
步骤二：根据步骤一获得功率降幅19.88kw及设定引晶功率71kw来计算出当次循环调温周期结束时当前温度所代表的显示功率，具体根据如下公式：
P2=P0-T/t*(A-C)*B*D
=71-19.88
=51.12kw；
其中：A：当前温度，C：目标温度，T：降温周期，t：循环周期，B：功率调整系数，D：起始引晶功率，P0：设定引晶功率，P2：显示功率；
步骤三：第一个循环调温周期结束后，第二个循环调温前温度对应的现有功率为P1，进行循环，在P1的基础上上升至此次循环调温结束时温度对应计算出的显示功率P2；
第二个循环调温检测的液面当前温度为1463℃，则
功率降幅=T/t*(A-C)*B*D
= 2/10*(1463-1450)*0.1*71
=18.46kw；
第二次循环调温的显示功率为：
P2=P0-T/t*(A-C)*B*D
=71-19.88
=52.54kw；
步骤四：不断循环以上操作循环调温15次具体数据见表2所示，直至第13-15次时最后液面当前温度与目标温度相差值在设定的2℃范围内时，停止循环调温操作直接将功率提升到设定引晶功率P0达到自动调温的作用，开始进入稳温阶段；
表2 单晶炉自动调温时多次循环调温的具体数据
序号 液面温度 目标液温 差值 功率变化 输出功率
1 1464 1450 14 19.88 51.12
2 1463 1450 13 18.46 52.54
3 1462 1450 12 17.04 53.96
4 1461 1450 11 15.62 55.38
5 1460 1450 10 14.2 56.8
6 1459 1450 9 12.78 58.22
7 1458 1450 8 11.36 59.64
8 1457 1450 7 9.94 61.06
9 1456 1450 6 8.52 62.48
10 1455 1450 5 7.1 63.9
11 1454 1450 4 5.68 65.32
12 1453 1450 3 4.26 66.74
13 1452 1450 2 2.84 71
14 1452 1450 2 2.84 71
15 1452 1450 2 2.84 71
在本实施例中，单晶炉调温时间控制在65min内。
在本实施例中，显示功率最小值为设定引晶功率*最低功率系数，最低功率系数为可调整量，具体公式如下：
Pmin=P0*e
其中，Pmin：显示功率最小值，e最低功率系数，（e最低功率系数范围：0-2之间），e限定调温过程中允许最低功率。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种单晶炉自动调温方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤一：开始对单晶炉进行循环调温缓慢降液面当前温度及调节引晶功率，通过单晶炉自动调温的控制系统逻辑实时检测当次循环时单晶炉中液面当前温度，并根据单晶炉的起始引晶功率及设定的目标温度、降温周期、循环周期、功率调整系数来计算功率降幅，具体根据如下公式：
功率降幅=T/t*(A-C)*B*D，
其中：A：当前温度，C：目标温度，T：降温周期，t：循环周期，B：功率调整系数，D：起始引晶功率；
步骤二：根据步骤一获得的功率降幅及检测到的设定引晶功率来计算出一个调温循环周期结束后的显示功率，具体根据如下公式：
具体根据如下公式：P2=P0-T/t*(A-C)*B*D，
其中：A：当前温度，C：目标温度，T：降温周期，t：循环周期，B：功率调整系数，D：起始引晶功率，P0：设定引晶功率，P2：显示功率；
步骤三：一个循环调温周期结束后，下一个循环调温前温度对应的现有功率为P1，进行循环，在P1的基础上上升至此次循环调温结束时温度对应计算出的显示功率P2；
步骤四：不断进行单次调温循环比对，直至最后液面当前温度与目标温度相差值在1-3℃时，停止循环调温操作直接将功率提升到设定引晶功率P0达到自动调温的作用，开始进入稳温阶段。
2.根据权利要求1所述的单晶炉自动调温方法，其特征在于：单晶炉调温时间控制在65min内。
3.根据权利要求1所述的单晶炉自动调温方法，其特征在于：所述显示功率最小值为设定引晶功率*最低功率系数，最低功率系数为可调整量，具体公式如下：
Pmin=P0*e
其中，Pmin：显示功率最小值，e最低功率系数，e限定调温过程中允许最低功率。
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