CN116695235A

CN116695235A - 一种抑制晶体划弧的控制方法

Info

Publication number: CN116695235A
Application number: CN202310987999.2A
Authority: CN
Inventors: 陈伟; 李林东; 魏子涵; 许堃; 李安君; 吴超慧; 闫洪嘉
Original assignee: Suzhou Chenhui Intelligent Equipment Co ltd
Current assignee: Suzhou Chenhui Intelligent Equipment Co ltd
Priority date: 2023-08-08
Filing date: 2023-08-08
Publication date: 2023-09-05
Anticipated expiration: 2043-08-08
Also published as: CN116695235B

Abstract

本申请的实施例提供了一种抑制晶体划弧的控制方法，涉及单晶硅生产制造技术领域。该抑制晶体划弧的控制方法包括：步骤一、等时间间隔获取晶体运动时在平面内的位置坐标；步骤二、根据所述位置坐标获取晶体运动轨迹方程及晶体运动方向；步骤三、根据所述位置坐标和晶体运动轨迹方程获取晶体运动方向与晶体受力方向的夹角；步骤四、根据晶体运动方向与晶体受力方向的夹角和晶体运动方向控制晶体转速和坩埚转速；步骤五、在一个调整周期后重复步骤一到步骤四，直至晶体与运动中心轴的夹角小于预期角度值，其能够在晶体生长过程中有效抑制晶体划弧。

Description

一种抑制晶体划弧的控制方法

技术领域

本申请涉及单晶硅生产制造技术领域，具体而言，涉及一种抑制晶体划弧的控制方法。

背景技术

在单晶硅生长过程中，由于阻尼套老化、上下轴不对中、埚升过快等原因会使晶棒偏离自转中心产生摆动，在晶转、埚转、科氏力的作用下划弧。

行业内排除该异常状态的方法主要是在停炉后校准上下轴、更换老化部件等，但采用停炉后校准上下轴、更换老化部件的操作，在晶体生长过程中缺乏有效抑制晶体划弧的措施。

发明内容

本申请的目的包括，例如，提供了一种抑制晶体划弧的控制方法，其能够在晶体生长过程中有效抑制晶体划弧。

本申请的实施例可以这样实现：

本申请的实施例提供了一种抑制晶体划弧的控制方法，其包括：

步骤一、等时间间隔获取晶体运动时在平面内的位置坐标；

步骤二、根据所述位置坐标获取晶体运动轨迹方程及晶体运动方向；

步骤三、根据所述位置坐标和晶体运动轨迹方程获取晶体运动方向与晶体受力方向的夹角；

步骤四、根据晶体运动方向与晶体受力方向的夹角和晶体运动方向控制晶体转速和坩埚转速；

步骤五、在一个调整周期后重复步骤一到步骤四，直至晶体与运动中心轴的夹角小于预期角度值。

可选的，所述步骤二包括：

通过最小二乘法拟合等时间间隔获取的多个所述位置坐标得到晶体运动轨迹方程。

可选的，所述晶体运动轨迹方程为x^2/a^2+y^2/b^2=1。

可选的，所述步骤二包括：

根据时间顺序先后任取三个所述位置坐标，其中，每个所述位置坐标包括横坐标和纵坐标；

根据前两个所述位置坐标计算第一横坐标位移变化量和第一纵坐标位移变化量，以及根据后两个所述位置坐标计算第二横坐标位移变化量和第二纵坐标位移变化量；

计算第一横坐标位移变化量和第一纵坐标位移变化量的乘积以及第二横坐标位移变化量和第二纵坐标位移变化量的乘积；

判断第一横坐标位移变化量和第一纵坐标位移变化量的乘积和第二横坐标位移变化量和第二纵坐标位移变化量的乘积是否符号相反；

若第一横坐标位移变化量和第一纵坐标位移变化量的乘积和第二横坐标位移变化量和第二纵坐标位移变化量的乘积符号相反，则通过第一横坐标位移变化量、第一纵坐标位移变化量、第二横坐标位移变化量以及第二纵坐标位移变化量遍历晶体运动方向数据表以判断晶体运动方向。

可选的，所述步骤三包括：根据所述位置坐标计算当前位置与晶体运动中心连线的第一斜率，并根据所述晶体运动轨迹方程计算晶体运动轨迹中当前位置切线的第二斜率；

根据所述第一斜率和所述第二斜率计算晶体运动方向与晶体受力方向的夹角。

可选的，所述晶体运动方向与晶体受力方向的夹角的计算公式为：

θ=arctan（|（ks-kf）/（1+ks·kf）|）；

其中，θ为所述晶体运动方向与晶体受力方向的夹角，kf为第一斜率，ks为第二斜率。

可选的，所述步骤四包括：

在晶体运动方向为顺时针的情况下，若0<θ<π/2，提升坩埚转速并降低晶体转速；若θ=π/2，保持当前坩埚转速和晶体转速；若π/2<θ<π，降低坩埚转速并提升晶体转速；

在晶体运动方向为逆时针的情况下，若0<θ<π/2，降低坩埚转速及晶体转速；若θ=π/2，保持当前坩埚转速和晶体转速；若π/2<θ<π，提升坩埚转速及晶体转速；

其中，θ为所述晶体运动方向与晶体受力方向的夹角。

可选的，在晶体运动方向为顺时针且0<θ<π/2的情况下，所述坩埚转速的提升范围为1-5r/min，所述晶体转速的降低范围为1-6r/min；

在晶体运动方向为顺时针且π/2<θ<π的情况下，所述坩埚转速的降低范围为1-7r/min，所述晶体转速的提升范围为1-10r/min；

在晶体运动方向为逆时针且0<θ<π/2的情况下，所述坩埚转速的降低范围为1-7r/min，所述晶体转速的降低范围为1-5r/min；

在晶体运动方向为逆时针且π/2<θ<π的情况下，所述坩埚转速的提升范围为1-3r/min，所述晶体转速的提升范围为1-10r/min。

可选的，在步骤五中，所述调整周期为晶体运动一周的周期。

可选的，在步骤五中，所述预期角度值为1°-3°。

本申请实施例的抑制晶体划弧的控制方法的有益效果包括，例如：为了在晶体生长过程中有效抑制晶体划弧，首先在晶体生长过程中等时间间隔获取晶体运动时在平面内的位置坐标，随后根据位置坐标获取晶体运动轨迹方程及晶体运动方向，再根据位置坐标和晶体运动轨迹方程获取晶体运动方向与晶体受力方向的夹角，随后再根据晶体运动方向与晶体受力方向的夹角和晶体运动方向控制晶转和埚转，在一个调整周期后重复上述步骤，直至晶体与运动中心轴的夹角小于预期角度值，此时便有效抑制了晶体划弧的现象。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为抑制晶体划弧的控制方法中步骤S1-S5的流程图；

图2为抑制晶体划弧的控制方法中步骤S21-S26的流程图；

图3为抑制晶体划弧的控制方法中步骤S31-S32的流程图；

图4为抑制晶体划弧的控制方法中步骤S41-S42的流程图；

图5为本申请实施例中用于展示晶体运动轨迹的示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。

此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例中的特征可以相互结合。

晶转和埚转会对晶体施加一定的力，俯视视角下晶体逆时针自转，坩埚带动硅液顺时针旋转。晶体稍微偏离中心时，晶体外侧相对硅液逆向运动，内侧相对硅液顺向运动，根据伯努利原理由于压差此时硅液会对晶体施加一个向外的力，该外力会使摆动角度增加，并且摆动角度增大后会使得该作用力增大，综上使得晶体处于不稳定状态，即处于划弧状态。

行业内排除晶体划弧的方法一般是在停炉后校准上下轴、更换老化部件等，而在晶体生长过程中缺乏有效抑制晶体划弧的措施。本申请的实施例提供了一种抑制晶体划弧的控制方法，仅针对俯视视角下晶体逆时针自转、坩埚顺时针转动的情况，该控制方法能够在晶体生长过程中有效抑制晶体划弧。

请参考图1-图5，本申请的实施例提供了一种抑制晶体划弧的控制方法，包括：

步骤S1、等时间间隔获取晶体运动时在平面内的位置坐标。

晶体运动时在平面内的位置坐标是通过视觉检测装置获取，等时间间隔获取的位置坐标为在晶体运动轨迹上的一系列点的坐标，设为（xi，yi），其中，xi=（x1，x2…xn），yi=（y1，y2…yn）。

步骤S2、根据位置坐标获取晶体运动轨迹方程及晶体运动方向。

视觉检测装置将步骤S1获取的该一系列点的坐标发送至控制器，控制器拟合该一系列点的坐标获得晶体运动轨迹方程，并根据至少多个点的坐标获取晶体运动方向。

步骤S3、根据位置坐标和晶体运动轨迹方程获取晶体运动方向与晶体受力方向的夹角。

根据步骤S1获取的位置坐标和步骤S2获取的晶体运动轨迹方程计算得到晶体运动方向与晶体受力方向的夹角。

步骤S4、根据晶体运动方向与晶体受力方向的夹角和晶体运动方向控制晶体转速和坩埚转速。

根据步骤S2获取的晶体运动方向和步骤S3获取的晶体运动方向与晶体受力方向的夹角的大小调整晶体转速和坩埚转速。

步骤S5、在一个调整周期后重复步骤S1到步骤S4，直至晶体S与运动中心轴OP的夹角a小于预期角度值。

实际上，晶体运动轨迹为椭圆轨迹，运动中心轴OP上的O点为晶体运动中心，即椭圆轨迹中心，P点为炉体内腔顶部的中心，调整周期为晶体沿椭圆轨迹运动一周的周期；预期角度值为1°-3°，优选的，预期角度值为2°，在重复步骤S1到步骤S4直至晶体S与运动中心轴OP的夹角a小于2°时，晶体S更加靠近椭圆轨迹的中心，有效抑制了晶体划弧现象。

进一步地，步骤S2包括：

子步骤S21、通过最小二乘法拟合等时间间隔获取的多个位置坐标得到晶体运动轨迹方程。

在此步骤中，通过最小二乘法拟合等时间间隔获取的晶体在运动轨迹上的一系列点的坐标，最终得到晶体运动轨迹方程，晶体运动轨迹方程为x^2/a^2+y^2/b^2=1，实际上晶体运动轨迹方程为椭圆轨迹方程，其中，a和b分别代表椭圆的长半轴和短半轴，通过视觉检测装置获取a和b的值；此外，由于晶体划弧被抑制，晶体在运动过程中会逐渐靠近椭圆轨迹中心，a和b的值也会随之减小，（x，y）代表椭圆轨迹上任意一点的坐标。

步骤S2还包括：

子步骤S22、根据时间顺序先后任取三个位置坐标，其中，每个位置坐标包括横坐标和纵坐标。

定义椭圆轨迹中心为原点O，原点O的坐标为（0,0），（x0，y0）为晶体在椭圆轨迹上的初始位置坐标，根据时间顺序再取（x1，y1），（x2，y2）两个椭圆轨迹上的位置坐标，这三个位置坐标均包括横坐标和纵坐标。

在其他实施例中，还可以取除初始位置坐标以外的三个位置坐标。

子步骤S23、根据前两个位置坐标计算第一横坐标位移变化量和第一纵坐标位移变化量，以及根据后两个位置坐标计算第二横坐标位移变化量和第二纵坐标位移变化量。

以（x0，y0），（x1，y1），（x2，y2）三个位置坐标为例，第一横坐标位移变化量Δx1=x1- x0，第一纵坐标位移变化量Δy1= y1- y0，第二横坐标位移变化量Δx2= x2- x1，第二纵坐标位移变化量Δy2= y2- y1。

子步骤S24、计算第一横坐标位移变化量和第一纵坐标位移变化量的乘积以及第二横坐标位移变化量和第二纵坐标位移变化量的乘积。

第一横坐标位移变化量和第一纵坐标位移变化量的乘积为Δx1·Δy1，第二横坐标位移变化量和第二纵坐标位移变化量的乘积为Δx2·Δy2。

子步骤S25、判断第一横坐标位移变化量和第一纵坐标位移变化量的乘积和第二横坐标位移变化量和第二纵坐标位移变化量的乘积是否符号相反。

其中，第一横坐标位移变化量和第一纵坐标位移变化量的乘积和第二横坐标位移变化量和第二纵坐标位移变化量的乘积符号相反包括：Δx1·Δy1>0，且Δx2·Δy2<0，以及Δx1·Δy1<0，且Δx2·Δy2>0两种情况。

子步骤S26、若第一横坐标位移变化量和第一纵坐标位移变化量的乘积和第二横坐标位移变化量和第二纵坐标位移变化量的乘积符号相反，则通过第一横坐标位移变化量、第一纵坐标位移变化量、第二横坐标位移变化量以及第二纵坐标位移变化量遍历晶体运动方向数据表以判断晶体运动方向。

若满足Δx1·Δy1>0，且Δx2·Δy2<0，以及Δx1·Δy1<0，且Δx2·Δy2>0任意一种情况，则通过Δx1、Δy1、Δx2、Δy2四个数据的符号遍历晶体运动方向数据表，其中，晶体运动方向数据表存储于控制器内部，包括顺时针运动数据表以及逆时针运动数据表。

若经遍历得到Δx1、Δy1、Δx2、Δy2四个数据同时存储于顺时针运动数据表中，则判断晶体运动方向为顺时针；若经遍历得到Δx1、Δy1、Δx2、Δy2四个数据同时存储于逆时针运动数据表中，则判断晶体运动方向为逆时针。

进一步地，步骤S3包括：

子步骤S31，根据位置坐标计算当前位置与晶体运动中心连线的第一斜率，并根据晶体运动轨迹方程计算晶体运动轨迹中当前位置切线的第二斜率。

例如，晶体S当前位置为（x1，y1），晶体运动中心即椭圆轨迹中心O的坐标为（0,0），晶体受到的外力F所在直线OS的第一斜率kf= x1/ y1；根据晶体运动轨迹方程x^2/a^2+y^2/b^2=1计算晶体速度v所在切线的第二斜率ks=-（b^2）·x1/（a^2）·y1。

子步骤S32，根据第一斜率和第二斜率计算晶体运动方向与晶体受力方向的夹角。

根据第一斜率kf和第二斜率ks计算晶体运动方向与晶体受力方向的夹角θ。

其中，晶体运动方向与晶体受力方向的夹角θ的计算公式为：

θ=arctan（|（ks-kf）/（1+ks·kf）|）。

其中，θ为晶体运动方向与晶体受力方向的夹角，kf为第一斜率，ks为第二斜率。

进一步地，步骤S4包括：

子步骤S41，在晶体运动方向为顺时针的情况下，若0<θ<π/2，提升坩埚转速并降低晶体转速；若θ=π/2，保持当前坩埚转速和晶体转速；若π/2<θ<π，降低坩埚转速并提升晶体转速。

在晶体运动方向为顺时针的情况下，硅液运动方向与晶体运动方向相同，通过增加坩埚转速，减小晶体与硅液的相对速度。

在晶体运动方向为顺时针且0<θ<π/2的情况下，坩埚转速的提升范围为1-5r/min，晶体转速的降低范围为1-6r/min；在晶体运动方向为顺时针且π/2<θ<π的情况下，坩埚转速的降低范围为1-7r/min，晶体转速的提升范围为1-10r/min。

在提升坩埚转速时会产生离心力，该离心力不能超过坩埚受力极限，因此，坩埚转速的提升不超过5r/min。而在降低坩埚转速或晶体转速时，坩埚转速和晶体转速至少要大于0。

子步骤S42，在晶体运动方向为逆时针的情况下，若0<θ<π/2，降低坩埚转速及晶体转速；若θ=π/2，保持当前坩埚转速和晶体转速；若π/2<θ<π，提升坩埚转速及晶体转速。

在晶体运动方向为逆时针且0<θ<π/2的情况下，需要减小晶体所受外力F，设定坩埚转速的降低范围为1-7r/min，晶体转速的降低范围为1-5r/min，但坩埚转速和晶体转速至少大于0；在晶体运动方向为逆时针且π/2<θ<π的情况下，坩埚转速的提升范围为1-3r/min，晶体转速的提升范围为1-10r/min。

在上述子步骤S41和子步骤S42中，晶体运动方向是在子步骤S26中得到，在此基础上，根据晶体运动方向与晶体受力方向的夹角θ的大小，调整坩埚转速以及晶体转速，在重复步骤S1到步骤S4直至晶体S与运动中心轴OP的夹角a小于2°时，晶体更加靠近椭圆轨迹的中心，便有效抑制了晶体划弧现象。

此外，根据转动力矩公式M=|OS|·|F|cosθ，在0<θ<π/2的情况下产生正向力矩，π/2<θ<π的情况下产生负向力矩，由于晶体转速增加会对籽晶施加转动力矩，该转动力矩M应小于籽晶扭转极限力矩。

综上所述，本申请实施例提供了一种抑制晶体划弧的控制方法，为了在晶体生长过程中有效抑制晶体划弧，首先在晶体生长过程中等时间间隔获取晶体运动时在平面内的位置坐标，随后根据位置坐标获取晶体运动轨迹方程及晶体运动方向，再根据位置坐标和晶体运动轨迹方程获取晶体运动方向与晶体受力方向的夹角，随后再根据晶体运动方向与晶体受力方向的夹角和晶体运动方向控制晶转和埚转，在一个调整周期后重复上述步骤，直至晶体与运动中心轴的夹角小于预期角度值，此时便有效抑制了晶体划弧的现象。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种抑制晶体划弧的控制方法，其特征在于，包括：

步骤一、等时间间隔获取晶体运动时在平面内的位置坐标；

2.根据权利要求1所述的抑制晶体划弧的控制方法，其特征在于，所述步骤二包括：

3.根据权利要求2所述的抑制晶体划弧的控制方法，其特征在于，所述晶体运动轨迹方程为x^2/a^2+y^2/b^2=1。

4.根据权利要求1所述的抑制晶体划弧的控制方法，其特征在于，所述步骤二包括：

5.根据权利要求1所述的抑制晶体划弧的控制方法，其特征在于，所述步骤三包括：根据所述位置坐标计算当前位置与晶体运动中心连线的第一斜率，并根据所述晶体运动轨迹方程计算晶体运动轨迹中当前位置切线的第二斜率；

6.根据权利要求5所述的抑制晶体划弧的控制方法，其特征在于，所述晶体运动方向与晶体受力方向的夹角的计算公式为：

θ=arctan（|（ks-kf）/（1+ks·kf）|）；

7.根据权利要求1所述的抑制晶体划弧的控制方法，其特征在于，所述步骤四包括：

其中，θ为所述晶体运动方向与晶体受力方向的夹角。

8.根据权利要求7所述的抑制晶体划弧的控制方法，其特征在于，在晶体运动方向为顺时针且0<θ<π/2的情况下，所述坩埚转速的提升范围为1-5r/min，所述晶体转速的降低范围为1-6r/min；

9.根据权利要求1所述的抑制晶体划弧的控制方法，其特征在于，在步骤五中，所述调整周期为晶体运动一周的周期。

10.根据权利要求1所述的抑制晶体划弧的控制方法，其特征在于，在步骤五中，所述预期角度值为1°-3°。