CN114892263A - 晶体生长装置、晶体直径控制方法、系统及存储介质 - Google Patents

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CN114892263A CN202210473460.0A CN202210473460A CN114892263A CN 114892263 A CN114892263 A CN 114892263A CN 202210473460 A CN202210473460 A CN 202210473460A CN 114892263 A CN114892263 A CN 114892263A
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Abstract

本发明公开了一种晶体生长装置、晶体直径控制方法、系统及存储介质，晶体生长装置包括：直径获取单元、坩埚、导流筒、加热单元、晶体提拉单元、坩埚升降单元、导流筒升降单元和控制单元，控制单元与直径获取单元、加热单元、晶体提拉单元、坩埚升降单元和导流筒升降单元连接，用于根据所述当前晶体直径与预设的目标晶体直径的直径偏差，计算需要调整的液面距偏差，并根据所述液面距偏差调整所述导流筒的位置，以相应改变液面距，从而对所述直径偏差进行修正，其中，所述液面距为所述熔体液面与所述导流筒的距离。根据本发明的晶体生长装置、晶体直径控制方法、系统及存储介质可以及时有效地对晶体直径偏差进行修正，抑制晶体直径变化的波动。

Description

晶体生长装置、晶体直径控制方法、系统及存储介质
技术领域
本申请涉及晶体生长领域，具体而言涉及一种晶体生长装置、晶体直径控制方法、系统及存储介质。
背景技术
直拉法是现有的一种常用的单晶生长方法，又称为切克劳斯基法，简称CZ法。CZ法的特点是在一个直筒型的炉体中，用石墨加热器加热，将装在高纯度石英坩埚中的多晶硅熔化，然后将籽晶插入熔体表面进行熔接，同时转动籽晶，再反转坩埚，籽晶缓慢向上提升，经过引晶、放肩、转肩、等径生长、收尾等过程，最终长成所需直径和长度的晶棒。
目前，在等径生长的过程中，为了控制晶体直径，通常通过调整晶体提拉速度和石墨加热器的加热功率，来调整晶体直径偏差。
但是，晶体的提拉速度直接影响着晶体内部缺陷变化，晶体的提拉速度首先要满足晶体品质的要求。根据Vornkov晶体生长理论，晶体内部的缺陷类型和v/G值相关。v为晶体的提拉速度(mm/min)，G为晶体固液界面的垂直温度梯度(K/mm)。
当v/G值较大时，固液界面上部的晶体中产生过剩的原子空穴(Vacancy)，在晶体冷却后，过剩的空穴聚集产生被称为COP晶体缺陷。当v/G值较小时，固液界面上部的晶体中产生过剩的间隙硅原子(Interstitial)，过剩的间隙硅原子聚集形成位错族缺陷。v/G值按照大至小的顺序，晶体内存在有COP领域，OSF领域，PvPi领域(无缺陷领域)，位错族领域。晶体的径向截面内全部为PvPi的无缺陷领域所对应的v/G值范围非常的狭小。因此，在半导体硅单晶生长的晶体缺陷控制的要求下，提拉速度可以变化范围非常狭小。
而通过调整石墨加热器加热功率来调整晶体直径偏差的方式因热量传递需要很长时间，具有较长的时间滞后性，通常滞后时间在30min以上，不能及时修正晶体直径的变化。
因此，通过调整晶体提拉速度和石墨加热器的加热功率来调整晶体直径偏差，难以及时有效地对晶体直径进行控制，容易导致晶体直径出现周期性的波动，甚至出现直径波动越来越大，产生振荡，无法实现直径控制的情况。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种晶体生长装置、晶体直径控制方法、系统及存储介质。
根据本发明的第一方面，提供了一种晶体生长装置，其包括：
直径获取单元，用于获取当前晶体直径；
坩埚，用于容纳生长晶体的熔体；
导流筒，位于所述熔体液面的上方且环绕晶体；
加热单元，用于加热所述坩埚；
晶体提拉单元，用于提拉晶体；
坩埚升降单元，用于带动坩埚升降；
导流筒升降单元，用于带动所述导流筒升降；
控制单元，与所述直径获取单元、所述加热单元、所述晶体提拉单元、所述坩埚升降单元和所述导流筒升降单元连接，用于根据所述当前晶体直径与预设的目标晶体直径的直径偏差，计算需要调整的液面距偏差，并根据所述液面距偏差调整所述导流筒的位置，以相应改变液面距，从而对所述直径偏差进行修正，其中，所述液面距为所述熔体液面与所述导流筒的距离。
示例性地，所述控制单元用于根据所述当前晶体直径与目标晶体直径的直径偏差，计算需要调整的液面距偏差，并根据所述液面距偏差调整导流筒的位置，包括：
将所述直径偏差作为第一PID算法的输入，通过所述第一PID算法输出需要调整的液面距偏差；
控制所述导流筒升降单元带动所述导流筒升降与所述液面距偏差对应的距离。
示例性地，所述控制单元还用于：
将所述直径偏差作为第二PID算法的输入，通过所述第二PID算法输出所述晶体提拉单元的晶体提拉速度偏差；
根据所述晶体提拉速度偏差，调整所述晶体提拉单元的晶体提拉速度；
且/或，
所述控制单元还用于：
将所述直径偏差作为第三PID算法的输入，通过所述第三PID算法计算所述加热单元的加热功率偏差；
根据所述加热功率偏差，调整所述加热单元的加热功率。
示例性地，所述晶体生长装置还包括：
液面距获取单元，与所述控制单元连接，用于获取当前液面距；
所述控制单元还用于：
控制当前液面距处于预设的液面距范围。
根据本发明的第二方面，提供了一种晶体直径控制方法，其包括如下步骤：
获取当前晶体直径；
计算所述当前晶体直径与预设的目标晶体直径的直径偏差；
根据所述直径偏差，确定需要调整的液面距偏差，并根据所述液面距偏差调整晶体生长装置中的导流筒的位置，以相应改变液面距，从而对所述直径偏差进行修正，其中，所述液面距为晶体生长装置中的坩埚中的熔体液面与所述导流筒的距离。
示例性地，根据所述直径偏差，确定需要调整的液面距偏差，并根据所述液面距偏差调整晶体生长装置中的导流筒的位置，包括：
将所述直径偏差作为第一PID算法的输入，通过所述第一PID算法输出需要调整的液面距偏差；
控制晶体生长装置中的导流筒升降单元带动所述导流筒升降与所述液面距偏差对应的距离。
示例性地，计算所述晶体直径与预设的目标晶体直径的直径偏差的步骤之后，还包括：
将所述直径偏差作为第二PID算法的输入，通过所述第二PID算法计算晶体提拉速度偏差；
根据所述晶体提拉速度偏差，调整晶体提拉速度；
且/或，
计算所述晶体直径与预设的目标晶体直径的直径偏差的步骤之后，还包括：
将所述直径偏差作为第三PID算法的输入，通过所述第三PID算法计算晶体生长装置中的加热单元的加热功率偏差，所述加热单元用于加热所述晶体生长装置中的坩埚；
根据所述加热功率偏差，调整所述加热单元的加热功率。
示例性地，所述控制方法还包括：
获取当前液面距；
控制当前液面距处于预设的液面距范围。
根据本发明的第三方面，提供了一种晶体直径控制系统，其包括存储器、处理器及存储在所述存储器上且在所述处理器上运行的计算机程序；
所述处理器执行所述计算机程序时，实现如上所述的控制方法的步骤。
根据本发明的第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的控制方法的步骤。
根据本发明的晶体生长装置、晶体直径控制方法、系统及存储介质，通过调整导流筒位置来改变液面距，从而调整晶体直径，可以及时有效地对直径偏差进行修正，可以使晶体提拉速度的变化在合理的范围内的同时，抑制晶体直径变化的波动，防止发生直径失控，防止由于晶体提拉速度和直径的反复振荡而导致晶体内产生晶体原生缺陷。
附图说明
本申请的下列附图在此作为本申请的一部分用于理解本申请。附图中示出了本申请的实施例及其描述，用来解释本申请的装置及原理。在附图中，
图1为根据本发明一实施例的晶体生长装置的结构示意图；
图2为根据本发明一实施例中晶体生长过程中的直径控制流程示意图；
图3为晶体固液界面处的热传递示意图；
图4为根据本发明一实施例与一比较例的晶体直径波动示意图；
图5为根据本发明一实施例与一比较例的晶体提拉速度波动示意图；
图6为根据本发明一实施例的晶体直径控制方法的流程示意图；
图7为根据本发明一实施例的晶体直径控制系统的结构示意图。
附图标记说明：
100-炉体，110-坩埚，120-加热单元，130-导流筒，140-保温层，150-晶体提拉单元，160-坩埚升降单元，170-直径获取单元，180-控制单元，190-导流筒升降单元；
200-晶体，210-熔体；
300-晶体直径控制系统，310-存储器，320-处理器。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本申请更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本申请可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本申请发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
应当理解的是，本申请能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本申请的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，各部件的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。
空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。
在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本申请的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
这里参考作为本申请的理想实施例(和中间结构)的示意图的横截面图来描述发明的实施例。这样，可以预期由于例如制造技术和/或容差导致的从所示形状的变化。因此，本申请的实施例不应当局限于在此所示的区的特定形状，而是包括由于例如制造导致的形状偏差。因此，图中显示的区实质上是示意性的，它们的形状并不意图显示器件的区的实际形状且并不意图限定本申请的范围。
为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的结构以及详细的步骤，以便阐释本发明提出的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
参照附图1对根据发明一实施例的晶体生长装置进行示例性说明。
在本实施例中，所述晶体生长装置可以为单晶炉，其用于通过直拉法生长单晶硅。晶体生长装置包括炉体100、坩埚110、加热单元120、导流筒130、保温层140、晶体提拉单元150、坩埚升降单元160、直径获取单元170、导流筒升降单元190和控制单元180。
坩埚110设置于炉体100内，用于容纳多晶硅原料，该多晶硅原料用于生长单晶硅，坩埚110包括石英坩埚和石墨坩埚，多晶硅原料位于石英坩埚中，石英坩埚位于石墨坩埚中。
加热单元120可以为石墨加热器，其位于炉体100内，用于加热坩埚110，从而使坩埚110内的多晶硅原料变成熔体210，并保持熔融的状态。
导流筒130(也称为热屏)位于炉体100内且位于坩埚110中熔体210液面的上方环绕晶体200的生长区域，其通常是由石墨材料制成的倒锥形屏蔽物，用于调节氩气的流向和流速，使向下吹的氩气集中到晶体200的生长界面附近，以及阻止高温的液面和坩埚110对冷却中的晶体200的热辐射传递，提高晶体200表面对周围的热输出，提高晶体侧热传出速率和晶体侧的温度梯度。
保温层140可以为碳毡，其位于炉体100内且位于加热单元120与炉体100之间，用于保持炉内的温度。
晶体提拉单元150(也称为提拉头)与炉体100固定连接，其可以包括快速电机、慢速电机、旋转电机、钢缆、籽晶称重头等部件，其用于使籽晶提升及旋转，且记录晶体200重量、位移等数据。
坩埚升降单元160与炉体100固定连接，其可以包括滚珠直线导轨、高精度丝杆、提升电机和旋转电机等部件，用于带动坩埚110升降及旋转。
直径获取单元170，可以包括CCD(charge coupled device，电荷耦合元件)相机，该CCD相机可以获取晶体200固液界面处的图像，从而可以根据固液界面处的亮环获取晶体轮廓，再对晶体轮廓进行拟合，可以获得椭圆边界，然后将椭圆边界校正成圆边界，再从圆边界上取3个或3个以上的像素点坐标代入圆坐标公式进行求解，就可以计算出圆心坐标及直径，也即可以获得晶体直径。
导流筒升降单元190与炉体100固定连接，其可以包括电机和传动部件，电机可以为步进电机或伺服电机，电机通过传动部件与导流筒130连接，带动导流筒130相对于熔体210液面上升或下降。
控制单元180可以包括PC控制模块和/或PLC控制模块，具体地，其可以包括处理器、存储器、输入输出接口等。在本实施例中，控制单元180与直径获取单元170、加热单元120、晶体提拉单元150、坩埚升降单元160和导流筒升降单元190连接，用于在晶体200生长过程中(尤其是在等径生长过程中)，根据直径获取单元170获取的当前晶体直径，计算当前晶体直径与预设的目标晶体直径的直径偏差，然后根据该直径偏差计算需要调整的液面距偏差，然后根据液面距偏差调整导流筒130的位置，以相应改变液面距，从而对直径偏差进行修正(即，在当前晶体直径大于预设的目标晶体直径时，通过改变液面距来使晶体直径减小；在当前晶体直径小于目标晶体直径时，通过改变液面距来使晶体直径增大)，使晶体直径尽可能地控制在目标晶体直径附近，抑制直径变化的波动。需要说明的是，这里所说的液面距是指坩埚110中硅熔体210液面与导流筒130下方的距离。此外，控制单元180还根据该直径偏差，对晶体提拉速度、加热单元120的加热功率进行调整，以修正直径偏差。
具体地，参照附图2对本实施例的晶体生长装置中的晶体生长过程中的直径控制流程进行示例性说明。
对于晶体直径，采用模型前馈控制和实时反馈控制结合的方法进行控制。模型前馈是根据前批次运行后总结的结果，对晶体直径、液面距、晶体提拉速度和加热单元120的加热功率设定目标值，以实现控制的指引。即，根据前批次运行后总结的结果，设定目标晶体直径、目标液面距、目标晶体提拉速度和目标加热功率。实时反馈是对晶体生长过程中的晶体直径进行实时监测采集数据，然后采用三个PID控制环对液面距、晶体提拉速度、加热单元120的加热功率进行调整，以修正直径偏差。
其中，第一PID控制环，是将直径偏差作为第一PID算法的输入，通过PID算法输出需要调整的液面距偏差，然后控制导流筒升降单元190带动导流筒130升降与所述液面距偏差对应的距离，以修正直径偏差。具体而言，第一PID算法输出的液面距偏差，是对当前液面距(当前液面距的初始值为上述的目标液面距)的修正量，该修正量可以是导流筒130在一个控制周期(即采样周期，也即直径获取单元170获取晶体直径的时间间隔)内需要升降的距离，然后，控制单元180控制导流筒升降单元190带动导流筒130升降该距离。此时，可以保持熔体210液面在相对恒定的位置，即，根据质量守恒定律，单位时间内提拉上去的晶体质量等于液面下降的熔体210的质量，从而可以根据晶体直径、晶体提拉速度和坩埚尺寸，确定熔体210液面下降的速度，控制坩埚升降单元170以该速度带动坩埚110上升，就可以使熔体210液面保持在相对恒定的位置，从而此时导流筒130升降的距离就直接等同于液面距变化的距离。如此循环往复，不断根据直径偏差对液面距(也即对导流筒130的位置)进行调整，以对直径偏差进行修正，使晶体直径尽可能地控制在目标晶体直径附近，抑制直径变化的波动。第一PID算法中的比例系数、积分系数和微分系数可以通过实验确定，也可以通过特定的计算机软件模拟获得。
下面参照附图3对其原理进行示例性说明。
在晶体生长的固液界面处，液体硅向固体硅相变的过程中释放结晶潜热。从液体硅传递到固液界面的溶液侧热传入速率Qm、结晶潜热产生速率Ql，和从固液界面到晶体的晶体侧热传出速率Qs满足以下热平衡公式：
Qs＝Qm+Ql
晶体侧热传出速率Qs主要以热辐射方式通过晶体200的表面释放热量。溶液侧热传入速率Qm主要和加热单元120的加热功率成正相关关系，也和硅熔体210的对流模式相关。结晶潜热产生速率Ql满足如下公式：
Ql＝L*m＝L*(1/4*D2*π*v)*ρ
其中，L为硅的结晶潜热(J/kG)，m为结晶生长速度(kG/min)，D为晶体直径(mm)，ρ为硅晶体的密度(kG/mm3)，v为晶体提拉速度，mm/min。
液面距的变化可以在较快的时间内，改变晶体200表面的热辐射，改变晶体表面的热流束h(z)分布和晶体侧的温度梯度G，致使晶体侧热传出速率Qs发生变化，会致使热流速率差ΔQ＝(Qs-Qm)发生变化，也即会致使结晶潜热产生速率Ql发生变化，从而使晶体直径在较短时间内发生变化。对于常规的晶体直径控制过程，液面距通常是固定不变的，或者根据晶体生长的长度逐渐递增或者递减，液面距不会根据晶体直径的变化而调整。而对于本实施例，是根据直径偏差对液面距(也即对导流筒130的位置)进行调整，在本实施例中，液面距不是固定不变的，也不是根据晶体生长的长度逐渐递增或者递减，而是会根据晶体直径的变化(即根据当前晶体直径与目标晶体直径的直径偏差)相应调整，通常是在预设的目标液面距附近波动，以对直径偏差进行修正。
参见附图2，在直径控制流程中，第二PID控制环，是将上述的直径偏差作为第二PID算法的输入，通过第二PID算法输出晶体提拉单元150的晶体提拉速度偏差，然后根据晶体提拉速度偏差，调整晶体提拉单元150的晶体提拉速度。具体而言，第二PID算法输出的晶体提拉速度偏差是对当前晶体提拉速度(当前晶体提拉速度的初始值为上述的目标晶体提拉速度)的修正量，将当前晶体提拉速度与该修正量相加，就得到了修正后晶体提拉速度，控制晶体提拉单元150将当前提拉速度调整为修正后的晶体提拉速度。如此循环往复，不断根据直径偏差对晶体提拉速度进行调整，以对直径偏差进行修正，使晶体直径尽可能地控制在目标晶体直径附近，抑制直径变化的波动。根据质量守恒定律，单位时间内提拉上去的晶体质量等于液面下降的熔体210的质量，从而可以根据晶体直径、晶体提拉速度和坩埚尺寸，确定熔体210液面下降的速度，控制单元180控制坩埚升降单元170以该速度带动坩埚110上升，使熔体210液面保持在相对恒定的位置。第二PID算法可以以比例P项和微分D项为主，第二PID算法中的比例系数、积分系数和微分系数可以通过实验确定，也可以通过特定的计算机软件模拟获得。
从上述的热平衡公式和结晶潜热产生速率Ql的公式可以看出，在晶体侧热传出速率Qs和溶液侧热传入速率Qm不变的情况下，晶体提拉速度与晶体直径负相关，因此，当晶体直径相对于目标晶体直径增大时，提高晶体提拉速度可以使晶体直径减小；相应地，当晶体直径相对于目标晶体直径减小时，降低晶体提拉速度，可以使晶体直径增大。从而，可以通过第二PID控制环，来根据直径偏差，调整晶体提拉速度，以修正该直径偏差。
参见附图2，在直径控制流程中，第三PID控制环，是将上述的直径偏差作为第三PID算法的输入，通过第三PID算法计算加热单元120的加热功率偏差，根据加热功率偏差，调整加热单元120的加热功率(例如石墨加热器的功率)。具体而言，第三PID算法输出的加热功率偏差是对加热单元120的当前加热功率(当前加热功率的初始值为上述的目标加热功率)的修正量，将当前加热功率与该修正量相加，就得到了修正后加热功率，控制加热单元120将当前加热功率调整为修正后的加热功率。如此循环往复，不断根据直径偏差对加热功率进行调整，以对直径偏差进行修正，使晶体直径尽可能地控制在目标晶体直径附近，抑制直径变化的波动。第三PID算法中的比例系数、积分系数和微分系数可以通过实验确定，也可以通过特定的计算机软件模拟获得。
由于加热功率与溶液侧热传入速率Qm成正相关关系，因此，加热功率成变化会致使溶液侧热传入速率Qm发生变化，从而致使热流速率差ΔQ＝(Qs-Qm)发生变化，也即会致使结晶潜热产生速率Ql发生变化，从而使晶体直径发生变化。从而，可以通过第三PID控制环，来根据直径偏差，调整加热单元120的加热功率，以修正该直径偏差。
对于上述直径控制流程，由于使用了第一PID控制环来通过调整液面距修正直径偏差，因此，可以有效缩小第二PID控制环中晶体提拉速度的调整范围，使得晶体提拉速度的变化在合理的范围内的同时，抑制直径变化的波动，防止发生直径失控，避免晶体提拉速度和晶体直径的反复振荡而导致晶体内产生晶体原生缺陷，从而提升了产品良率。在三个PID控制环中，对晶体直径变化的反应速度由快到慢依次为：第二PID控制环、第一PID控制环、第三PID控制环。
下面结合比较例和本发明的具体实施例(以下简称发明例)来对上述直径控制流程的技术效果进行说明。
对于比较例，晶体生长装置使用水平超导磁场，磁场强度4000G，使用32寸坩埚，装料400kg，拉制直径310mm，长度2000mm的半导体晶棒。液面距控制在40mm，等径时目标晶体提拉速度为0.55mm/min，目标晶体直径为310mm。。由于晶体缺陷控制的要求，控制提拉速度v的波动范围在±10％之内。期望的晶体直径的波动范围为310±1.0mm。比较例仅使用上述的第二PID控制环和第三PID控制环对直径偏差进行修正。
对于发明例，使用水平超导磁场，磁场强度4000G，使用32寸坩埚，装料400kg，拉制直径310mm，长度2000mm的半导体晶棒。目标液面距为40mm，等径时目标晶体提拉速度为0.55mm/min，目标晶体直径为310mm。由于晶体缺陷控制的要求，控制提拉速度v的波动范围在±10％之内。期望的晶体直径的波动范围为310±1.0mm。发明例使用上述的第一PID控制环、第二PID控制环和第三PID控制环对直径偏差进行修正。
对于比较例，拉制10根晶棒中，有4根晶棒在某段长度中，直径波动大于±1.0mm，其中2根直径波动大于±3.0mm，波动段的晶棒长度大于400mm，造成产品降级处理，严重影响了产品的良率。对于发明例，拉制10根晶棒中，晶棒表面光洁，全部晶棒的直径波动小于±1.0mm，晶体提拉速度的波动在设定范围内，在设定的晶体长度范围内，晶体无缺陷领域，提高了产品的良率。比较例和发明例的晶体直径波动的比较结果如图4所示，晶体提拉速度的波动范围的比较如图5所示，从图中可以看出，发明例的晶体直径波动和晶体提拉速度的波动显著小于对比例。
本实施例的晶体生长装置还包括液面距获取单元，液面距获取单元包括CCD相机，该CCD相机可以获取熔体210液面的图像，从而可以根据导流筒130在熔体210液面的倒影，或者根据导流筒130上设置的标志物在熔体210液面的倒影，确定导流筒130与熔体210液面的距离，也即液面距。控制单元180根据液面距获取单元获取的液面距，对第一PID控制环的调整范围进行限制，使得第一PID控制环调整的液面距不超出预设的目标液面距的一定百分比，例如，不超出预设的目标液面距的±10％，也即，使得液面距始终处于预设的液面距范围(例如预设的目标液面距的90％-110％)内。具体地，每当第一PID算法输出液面距偏差时，判断该液面距偏差与液面距获取单元获取的当前液面距的和是否超出预设的液面距范围(例如预设的目标液面距的90％-110％)，当判定液面距偏差与当前液面距的和超出预设的液面距范围时，不根据该液面距偏差调整导流筒130的位置。
在其他一些实施例中，对于晶体生长过程中的直径控制流程，也可以仅使用上述的第一PID控制环、第二PID控制环和第三PID控制环的任意一种或任意两种来对晶体的直径偏差进行修正。
参见附图6，本发明还提供了一种晶体直径控制方法，该控制方法可以基于如上所述的晶体生长装置，用于在晶体生长过程(尤其是等径生长过程)中对晶体直径进行控制，其包括如下步骤：
S1：获取当前晶体直径。
具体地，通过晶体生长装置中的直径获取单元170获取当前晶体直径，直径获取单元170可以为CCD相机，其可以获取晶体固液界面处的图像，并根据图像中固液界面处的亮环信息确定当前晶体直径。直径获取单元170每隔预设时间便获取一次当前晶体直径，每当获取到当前晶体直径，便进行后续步骤。
S2：计算当前晶体直径与预设的目标晶体直径的直径偏差。
S3：根据直径偏差，确定需要调整的液面距偏差，并根据液面距偏差调整导流筒130的位置，以相应改变液面距，从而对直径偏差进行修正，其中，液面距是指坩埚110中的熔体210液面与导流筒130下方的距离。
步骤S3具体包括：
S31：将直径偏差作为第一PID算法的输入，通过第一PID算法输出需要调整的液面距偏差。其中，第一PID算法中的比例系数、积分系数和微分系数可以通过实验确定，也可以通过特定的计算机软件模拟获得。
S32：控制导流筒升降单元190带动导流筒130升降与液面距偏差对应的距离。其中，液面距偏差是对当前液面距(当前液面距的初始值为预设的目标液面距)的修正量，该修正量可以是导流筒130在一个预设的控制周期内需要升降的距离，控制单元180控制导流筒升降单元190带动导流筒130相应升降该距离。
在步骤S31-S32中，可以保持熔体210液面在相对恒定的位置，即，根据质量守恒定律，单位时间内提拉上去的晶体质量等于液面下降的熔体210的质量，从而可以根据晶体直径、晶体提拉速度和坩埚尺寸，确定熔体210液面下降的速度，控制坩埚升降单元170以该速度带动坩埚110上升，就可以使熔体210液面保持在相对恒定的位置，从而此时导流筒130升降的距离就直接等同于液面距变化的距离。
在步骤S31-S32中，也可以使熔体210液面在不同的阶段处在指定的位置上，也即熔体210的液面位置可以是变化的，例如可以通过改变坩埚上升速度使熔体210的液面按照一定的规律升高或降低，此时，需要将通过第一PID算法输出的液面距偏差减去或加上熔体210的液面升高或降低的距离，并将得到的结果作为导流筒升降单元190带动导流筒130升降的距离。
步骤S2之后还包括：
S41：将直径偏差作为第二PID算法的输入，通过第二PID算法输出晶体提拉单元150的晶体提拉速度偏差。其中，第二PID算法可以以比例P项和微分D项为主，第二PID算法中的比例系数、积分系数和微分系数可以通过实验确定，也可以通过特定的计算机软件模拟获得。第二PID算法输出的晶体提拉速度偏差是对当前晶体提拉速度(当前晶体提拉速度的初始值为预设的目标晶体提拉速度)的修正量。
S42：根据所述晶体提拉速度偏差，调整所述晶体提拉单元150的晶体提拉速度。其中，将当前晶体提拉速度与该修正量相加，就得到了修正后晶体提拉速度，然后控制晶体提拉单元150将当前提拉速度调整为修正后的晶体提拉速度。
步骤S2之后还包括：
S51：将直径偏差作为第三PID算法的输入，通过第三PID算法计算晶体生长装置中的加热单元120的加热功率偏差。其中，第三PID算法中的比例系数、积分系数和微分系数可以通过实验确定，也可以通过特定的计算机软件模拟获得。第三PID算法输出的加热功率偏差是对加热单元120的当前加热功率(当前加热功率的初始值为预设的目标加热功率)的修正量。
S52：根据所述加热功率偏差，调整所述加热单元120的加热功率。其中，将当前加热功率与该修正量相加，就得到了修正后加热功率，然后控制加热单元120将当前加热功率调整为修正后的加热功率。
本实施例的控制方法，在步骤S2之后同时进行步骤S31-S32、S41-S42和S51-S52，通过三个PID控制环(步骤S31-S32、S41-S42和S51-S52即上述的第一PID控制环、第二PID控制环和第三PID控制环中的具体步骤)的同时作用，来对直径偏差进行修改。在其它一些实施例中，在步骤S2之后，可以只进行步骤S31-S32、S41-S42和S51-S52中任意一者或任意两者。
在本实施例中，控制方法还包括如下步骤：
S61：获取当前液面距。
具体地，通过晶体生长装置中的液面距获取单元获取当前液面距，液面距获取单元可以包括CCD相机，该CCD相机可以获取熔体210液面的图像，从而可以根据导流筒130在熔体210液面的倒影，或者根据导流筒130上设置的标志物在熔体210液面倒影，确定导流筒130与熔体210液面的当前距离，也即当前液面距。
S62：控制当前液面距处于预设的液面距范围。
具体地，每当第一PID算法输出液面距偏差时，判断该液面距偏差与当前液面距的和是否超出预设的液面距范围，该液面距范围可以是预设的目标液面距的90％-110％，当判定液面距偏差与当前液面距的和超出预设的液面距范围时，不根据该液面距偏差调整导流筒130的位置。也即，对第一PID控制环的调整范围进行限制，使得通过步骤S31-S32调整的液面距不超出预设的目标液面距的一定百分比，例如，不超出预设的目标液面距的±10％。
图7示出了根据本发明一实施例的晶体直径控制系统300的结构示意图。晶体直径控制系统300包括存储器310和处理器320。
存储器310存储用于实现上述实施例的晶体直径控制方法中的相应步骤的程序代码。
处理器320用于运行所述存储器310中存储的程序代码，以实现上述实施例的晶体直径控制方法中的相应步骤。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，该存储介质上存储有程序指令，该程序指令被计算机或处理器运行时用于执行上述实施例的晶体直径控制方法的相应步骤。该存储介质例如可以包括平板电脑的存储部件、个人计算机的硬盘、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、便携式紧致盘只读存储器(CD-ROM))、USB存储器、或者上述存储介质的任意组合。所述计算机可读存储介质可以是一个或多个计算机可读存储介质的任意组合。
尽管这里已经参考附图描述了示例实施例，应理解上述示例实施例仅仅是示例性的，并且不意图将本申请的范围限制于此。本领域普通技术人员可以在其中进行各种改变和修改，而不偏离本申请的范围和精神。所有这些改变和修改意在被包括在所附权利要求所要求的本申请的范围之内。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个设备，或一些特征可以忽略，或不执行。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本申请的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
类似地，应当理解，为了精简本申请并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在对本申请的示例性实施例的描述中，本申请的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该本申请的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本申请要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如相应的权利要求书所反映的那样，其发明点在于可以用少于某个公开的单个实施例的所有特征的特征来解决相应的技术问题。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本申请的单独实施例。
本领域的技术人员可以理解，除了特征之间相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的替代特征来代替。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本申请的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
应该注意的是上述实施例对本申请进行说明而不是对本申请进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。本申请可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

Claims (10)

1.一种晶体生长装置，其特征在于，包括：
直径获取单元，用于获取当前晶体直径；
坩埚，用于容纳生长晶体的熔体；
导流筒，位于所述熔体液面的上方且环绕晶体；
加热单元，用于加热所述坩埚；
晶体提拉单元，用于提拉晶体；
坩埚升降单元，用于带动所述坩埚升降；
导流筒升降单元，用于带动所述导流筒升降；
控制单元，与所述直径获取单元、所述加热单元、所述晶体提拉单元、所述坩埚升降单元和所述导流筒升降单元连接，用于根据所述当前晶体直径与预设的目标晶体直径的直径偏差，计算需要调整的液面距偏差，并根据所述液面距偏差调整所述导流筒的位置，以相应改变液面距，从而对所述直径偏差进行修正，其中，所述液面距为所述熔体液面与所述导流筒的距离。
2.根据权利要求1所述的晶体生长装置，其特征在于，
所述控制单元用于根据所述当前晶体直径与目标晶体直径的直径偏差，计算需要调整的液面距偏差，并根据所述液面距偏差调整导流筒的位置，包括：
将所述直径偏差作为第一PID算法的输入，通过所述第一PID算法输出需要调整的液面距偏差；
控制所述导流筒升降单元带动所述导流筒升降与所述液面距偏差对应的距离。
3.根据权利要求1所述的晶体生长装置，其特征在于，
所述控制单元还用于：
将所述直径偏差作为第二PID算法的输入，通过所述第二PID算法输出所述晶体提拉单元的晶体提拉速度偏差；
根据所述晶体提拉速度偏差，调整所述晶体提拉单元的晶体提拉速度；
且/或，
所述控制单元还用于：
将所述直径偏差作为第三PID算法的输入，通过所述第三PID算法计算所述加热单元的加热功率偏差；
根据所述加热功率偏差，调整所述加热单元的加热功率。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的晶体生长装置，其特征在于，
所述晶体生长装置还包括：
液面距获取单元，与所述控制单元连接，用于获取当前液面距；
所述控制单元还用于：
控制当前液面距处于预设的液面距范围。
5.一种晶体直径控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取当前晶体直径；
计算所述当前晶体直径与预设的目标晶体直径的直径偏差；
根据所述直径偏差，确定需要调整的液面距偏差，并根据所述液面距偏差调整晶体生长装置中的导流筒的位置，以相应改变液面距，从而对所述直径偏差进行修正，其中，所述液面距为晶体生长装置中的坩埚中的熔体液面与所述导流筒的距离。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，
根据所述直径偏差，确定需要调整的液面距偏差，并根据所述液面距偏差调整晶体生长装置中的导流筒的位置，包括：
将所述直径偏差作为第一PID算法的输入，通过所述第一PID算法输出需要调整的液面距偏差；
控制晶体生长装置中的导流筒升降单元带动所述导流筒升降与所述液面距偏差对应的距离。
7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，
计算所述晶体直径与预设的目标晶体直径的直径偏差的步骤之后，还包括：
将所述直径偏差作为第二PID算法的输入，通过所述第二PID算法计算晶体提拉速度偏差；
根据所述晶体提拉速度偏差，调整晶体提拉速度；
且/或，
计算所述晶体直径与预设的目标晶体直径的直径偏差的步骤之后，还包括：
将所述直径偏差作为第三PID算法的输入，通过所述第三PID算法计算晶体生长装置中的加热单元的加热功率偏差，所述加热单元用于加热所述晶体生长装置中的坩埚；
根据所述加热功率偏差，调整所述加热单元的加热功率。
8.根据权利要求5-7中任一项所述的控制方法，其特征在于，
所述控制方法还包括：
获取当前液面距；
控制当前液面距处于预设的液面距范围。
9.一种晶体直径控制系统，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上且在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，
所述处理器执行所述计算机程序时，实现如权利要求5至8中任一项所述的控制方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求5至8中任一项所述的控制方法的步骤。
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