CN117518814A - 一种用于单晶炉拉晶收尾阶段自动匹配温度及拉速的方法及系统 - Google Patents
一种用于单晶炉拉晶收尾阶段自动匹配温度及拉速的方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于单晶炉拉晶收尾阶段自动匹配温度及拉速的方法及系统，包括以下步骤：基于用户收集的拉晶数据，确定温度与拉速的关系，根据温度与拉速的关系建立第一温度‑拉速匹配模型；模拟不同拉晶温度和拉晶速度下的拉晶收尾阶段，并记录相应的晶体变化数据；根据晶体变化数据，并基于第一温度‑拉速匹配模型，得到第二温度‑拉速匹配模型；根据现场实际拉晶炉台后台数据，对第二温度‑拉速匹配模型进行验证，并在验证通过后确定最终温度‑拉速匹配模型；根据最终温度‑拉速匹配模型自动匹配拉晶温度和拉晶速度，并进行输出。本发明达到自动匹配拉晶温度和拉晶速度，提高收尾阶段的稳定性和效率的目的。
Description
技术领域
本发明涉及单晶炉拉晶技术领域，具体涉及一种用于单晶炉拉晶收尾阶段自动匹配温度及拉速的方法及系统。
背景技术
直拉法单晶硅制造的具体生产过程是把原料多硅晶块放入石英坩埚中，在单晶炉中加热融化，再将一根直径只有10mm的棒状晶种(称籽晶)浸入融液中，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，成为单晶体硅。
如果把晶种微微地旋转向上提升。融液中的硅原子会在前面形成的单晶体上继续结晶，并延续其规则的原子排列结构。若整个结晶环境稳定，就可以周而复始地形成结晶，最后形成一根圆柱形的原子排列整齐的硅单晶晶体，即硅单晶锭。当结晶加快时，晶体直径会变粗，提高晶体速率可以使直径变细，增加温度能抑制结晶速度；反之，若结晶变慢，直径变细，则通过降低拉速和降温去控制。拉晶开始，先引出一定长度、直径为3～5mm的细颈，以消除结晶位错，这个过程叫做引晶，然后放大单晶体直径至工艺要求，进入等径阶段，直至大部分硅融液都结晶成硅单晶锭，只剩下少量剩料，剩料又叫埚底料，埚底料经化学处理后可有限次重复使用。
经过等径阶段后，为防止因位错反延导致的晶体结构破坏，在拉晶结束前应逐步缩小晶体直径，直至收缩为一点脱离液面，这一过程称为收尾。缩小晶体直径可通过提高拉速或升高温度的方法来实现。单纯提高拉速容易导致晶体过早脱离液面，收尾失败。单纯升温则收尾时间过长，能耗大幅增加。实际生产中更多的是将两种方法结合起来共同控制收尾阶段中的直径变化。
针对收尾阶段拉晶温度和拉晶速度的控制，主要依靠单晶炉控制系统读取参数设定人员给定的工艺参数运行，从而完成收尾阶段的拉制。但是现有技术在给定拉晶温度和拉晶速度时，主要通过参数设定人员按照经验进行设定，此种方式存在以下的缺陷：
(1)更多依靠的是参数设定人员的经验，在设定时会因参数设定人员的不同，所设定的参数会有所不同，参数设定没有标准，导致单晶品质难以保证；
(2)设定的参数太过理想化，单晶炉控制系统不能按照单晶炉内实际情况进行拉晶速度、拉晶温度的匹配。
上述的缺陷会影响到单晶拉制收尾阶段的稳定性和效率。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种用于单晶炉拉晶收尾阶段自动匹配温度及拉速的方法及系统，用于解决现有技术采用人工的方式进行拉晶速度和拉晶温度的设定，无法保证收尾阶段的稳定性和效率的技术问题，从而达到自动匹配拉晶温度和拉晶速度，提高收尾阶段的稳定性和效率的目的。
为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种用于单晶炉拉晶收尾阶段自动匹配温度及拉速的方法，包括以下步骤：
基于用户收集的拉晶数据，确定温度与拉速的关系，根据所述温度与拉速的关系建立第一温度-拉速匹配模型；
模拟不同拉晶温度和拉晶速度下的拉晶收尾阶段，并记录相应的晶体变化数据；
根据所述晶体变化数据，并基于所述第一温度-拉速匹配模型，得到第二温度-拉速匹配模型；
根据现场实际拉晶炉台后台数据，对所述第二温度-拉速匹配模型进行验证，并在验证通过后确定最终温度-拉速匹配模型；
根据所述最终温度-拉速匹配模型自动匹配拉晶温度和拉晶速度，并进行输出。
作为本发明优选的实施方式，在确定温度与拉速的关系时，包括：
基于用户收集的拉晶温度数据、拉晶速度数据以及晶体尺寸数据进行分析，确定拉晶速度与温度梯度成正比，如公式1、公式2以及公式3所示：
dT＝T1-T2 (1)；
Dr＝r1-r2 (2)；
式中，T1为晶体A点的温度，T2为晶体B点的问题，r1为晶体A点的长度，r2为晶体B点的长度，为温度梯度，v为拉晶速度。
作为本发明优选的实施方式，在根据所述温度与拉速的关系建立第一温度-拉速匹配模型时，包括：
根据所述温度与拉速的关系，并基于晶体直径、晶体长度、拉晶速度以及拉晶温度，建立所述第一温度-拉速匹配模型，如公式4所示：
式中，F为所述晶体直径，Q1为所述晶体长度，Q2为所述拉晶速度，Q3为所述拉晶温度，s1、s2、s3为常量。
作为本发明优选的实施方式，在模拟不同拉晶温度和拉晶速度下的拉晶收尾阶段时，包括：
在单晶生长过程中选择多个拉晶温度和对应的拉晶速度进行拉晶收尾阶段实验，并记录不同拉晶温度和拉晶速度下不同时刻的晶体长度数据和晶体重量数据以及拉晶等径阶段结束时的晶体直径数据、晶体长度数据和晶体重量数据；
根据不同时刻的晶体长度数据和晶体重量数据以及拉晶等径阶段结束时的晶体直径数据、晶体长度数据和晶体重量数据，得到不同时刻的晶体直径数据。
作为本发明优选的实施方式，在记录晶体长度数据和晶体重量数据时，包括：
通过单晶炉内的重量传感器获取到的晶体重量数据；
从拉晶设备中读取晶体的行程，即晶体长度数据。
作为本发明优选的实施方式，在得到不同时刻的晶体直径数据时，包括：
通过晶体直径预测模型对不同时刻的晶体直径数据进行预测，如公式5所示：
式中，ρ为晶体密度，Z为拉晶等径阶段结束时的晶体重量数据，j为拉晶等径阶段结束时的晶体长度数据，F为拉晶等径阶段结束时的晶体直径数据，Zh为不同时刻的晶体重量数据，jh为不同时刻的晶体长度数据，Fh为不同时刻的晶体直径数据。
作为本发明优选的实施方式，在得到第二温度-拉速匹配模型时，还包括：
将不同拉晶温度和拉晶速度下不同时刻的晶体直径数据与晶体长度数据，代入所述第一温度-拉速匹配模型，进行联合求解，确定常量a1、a2、a3，得到所述第二温度-拉速匹配模型。
作为本发明优选的实施方式，在对所述第二温度-拉速匹配模型进行验证时，包括：
获取所述现场实际拉晶炉台后台数据中的等径参数表和收尾参数表，并基于所述等径参数表和所述收尾参数表中记载的数据进行匹配，若匹配度达到95％以上，则判定验证通过。
作为本发明优选的实施方式，在根据所述最终温度-拉速匹配模型自动匹配拉晶温度和拉晶速度时，包括：
获取拉晶等径阶段结束时的晶体直径数据、晶体长度数据和晶体重量数据；
通过单晶炉内的重量传感器采集拉晶收尾阶段的实时晶体重量数据，从拉晶设备中读取拉晶收尾阶段的晶体的实时行程，即得到实时晶体长度数据；
将拉晶等径阶段结束时的晶体直径数据、晶体长度数据和晶体重量数据以及拉晶收尾阶段的实时晶体重量数据和实时晶体长度数据，输入到所述最终温度-拉速匹配模型中；
通过所述最终温度-拉速匹配模型自动匹配拉晶温度和拉晶速度。
一种用于单晶炉拉晶收尾阶段自动匹配温度及拉速的系统，包括：
第一匹配模型建立单元：基于用户收集的拉晶数据，确定温度与拉速的关系，根据所述温度与拉速的关系建立第一温度-拉速匹配模型；
数据记录单元：在模拟不同拉晶温度和拉晶速度下的拉晶收尾阶段时，用于记录相应的晶体变化数据；
第二匹配模型建立单元：用于根据所述晶体变化数据，并基于所述第一温度-拉速匹配模型，得到第二温度-拉速匹配模型；
第三匹配模型建立单元：用于根据现场实际拉晶炉台后台数据，对所述第二温度-拉速匹配模型进行验证，并在验证通过后确定最终温度-拉速匹配模型；
匹配输出单元：用于根据所述最终温度-拉速匹配模型自动匹配拉晶温度和拉晶速度，并进行输出。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
(1)本发明所提供的方法通过建立匹配模型并进行模拟计算，能够快速准确地找到收尾阶段中合适的拉晶温度和拉晶速度，并能根据实际情况进行自动调整；与传统的手工调整方法相比，本发明有效提高了收尾阶段的稳定性和效率，减少了参数设定人员的操作难度，降低了人为误差的风险；
(2)本发明通过建立晶体直径预测模型，并基于拉晶等径阶段结束时的晶体直径数据、晶体长度数据、晶体重量数据以及不同时刻的晶体重量数据、晶体长度数据，预测不同时刻的晶体直径数据，得到准确的晶体直径数据；并将该准确的晶体直径数据输入到温度-拉速匹配模型中，实现收尾阶段按照单晶炉内实际情况进行拉晶温度和拉晶速度的准确匹配。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例的用于单晶炉拉晶收尾阶段自动匹配温度及拉速的方法步骤图。
具体实施方式
本发明所提供的用于单晶炉拉晶收尾阶段自动匹配温度及拉速的方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤S1：基于用户收集的拉晶数据，确定温度与拉速的关系，根据温度与拉速的关系建立第一温度-拉速匹配模型；
步骤S2：模拟不同拉晶温度和拉晶速度下的拉晶收尾阶段，并记录相应的晶体变化数据；
步骤S3：根据晶体变化数据，并基于第一温度-拉速匹配模型，得到第二温度-拉速匹配模型；
步骤S4：根据现场实际拉晶炉台后台数据，对第二温度-拉速匹配模型进行验证，并在验证通过后确定最终温度-拉速匹配模型；
步骤S5：根据最终温度-拉速匹配模型自动匹配拉晶温度和拉晶速度，并进行输出。
在上述步骤S1中，在确定温度与拉速的关系时，包括：
基于用户收集的拉晶温度数据、拉晶速度数据以及晶体尺寸数据进行分析，确定拉晶速度与温度梯度成正比，如公式1、公式2以及公式3所示：
dT＝T1-T2 (1)；
Dr＝r1-r2 (2)；
式中，T1为晶体A点的温度，T2为晶体B点的问题，r1为晶体A点的长度，r2为晶体B点的长度，为温度梯度，v为拉晶速度。
在上述步骤S1中，在根据温度与拉速的关系建立第一温度-拉速匹配模型时，包括：
根据温度与拉速的关系，并基于晶体直径、晶体长度、拉晶速度以及拉晶温度，建立第一温度-拉速匹配模型，如公式4所示：
式中，F为晶体直径，Q1为晶体长度，Q2为拉晶速度，Q3为拉晶温度，s1、s2、s3为常量。
具体地，晶体的生长速度与温度梯度成正比，温度梯度越大，晶体生长动力越足，则生长速率越快。
温度梯度：
dT：A点到B点的温度变化，T1-T2；
dr：A点到B点的距离，r1-r2；
越大，则v(拉速)越大。
在上述步骤S2中，在模拟不同拉晶温度和拉晶速度下的拉晶收尾阶段时，包括：
在单晶生长过程中选择多个拉晶温度和对应的拉晶速度进行拉晶收尾阶段实验，并记录不同拉晶温度和拉晶速度下不同时刻的晶体长度数据和晶体重量数据以及拉晶等径阶段结束时的晶体直径数据、晶体长度数据和晶体重量数据；
根据不同时刻的晶体长度数据和晶体重量数据以及拉晶等径阶段结束时的晶体直径数据、晶体长度数据和晶体重量数据，得到不同时刻的晶体直径数据。
进一步地，在记录晶体长度数据和晶体重量数据时，包括：
通过单晶炉内的重量传感器获取到的晶体重量数据；
从拉晶设备中读取晶体的行程，即晶体长度数据。
具体地，在本发明中，通过直拉法进行晶体拉制时，晶体的生长过程实际上是受控条件下的定向凝固过程，即通过拉取晶体来控制固液界面的移动进而控制长晶的。所以，晶体被提拉的距离就是晶体脱离熔体部分沿着提拉方向的长度，故从拉晶设备中读取晶体的行程即为晶体长度。
更进一步地，在得到不同时刻的晶体直径数据时，包括：
通过晶体直径预测模型对不同时刻的晶体直径数据进行预测，如公式5所示：
式中，ρ为晶体密度，Z为拉晶等径阶段结束时的晶体重量数据，j为拉晶等径阶段结束时的晶体长度数据，F为拉晶等径阶段结束时的晶体直径数据，Zh为不同时刻的晶体重量数据，jh为不同时刻的晶体长度数据，Fh为不同时刻的晶体直径数据。
具体地，收尾是晶体经过等径生长之后，对晶体进行提拉，从而让晶体逐渐与熔体分离并结束长晶的过程，在这个过程中晶体的直径会从等径生长时的直径慢慢缩小，直到晶体与熔体分离，形成一个尖点。因此，晶体的当前直径能够直观地反映出晶体当前的状态，而本发明则是通过上述晶体直径预测模型对不同时刻的晶体直径进行预测，从而得到收尾阶段不同时刻的晶体状态。
在上述步骤S3中，在得到第二温度-拉速匹配模型时，还包括：
将不同拉晶温度和拉晶速度下不同时刻的晶体直径数据与晶体长度数据，代入第一温度-拉速匹配模型，进行联合求解，确定常量a1、a2、a3，得到第二温度-拉速匹配模型。
在上述步骤S4中，在对第二温度-拉速匹配模型进行验证时，包括：
获取现场实际拉晶炉台后台数据中的等径参数表和收尾参数表，并基于等径参数表和收尾参数表中记载的数据进行匹配，若匹配度达到95％以上，则判定验证通过。
具体地，拉晶炉台后台数据中的等径参数表，如表1所示：
表1等径参数表
在上述步骤S5中，在根据最终温度-拉速匹配模型自动匹配拉晶温度和拉晶速度时，包括：
获取拉晶等径阶段结束时的晶体直径数据、晶体长度数据和晶体重量数据；
通过单晶炉内的重量传感器采集拉晶收尾阶段的实时晶体重量数据，从拉晶设备中读取拉晶收尾阶段的晶体的实时行程，即得到实时晶体长度数据；
将拉晶等径阶段结束时的晶体直径数据、晶体长度数据和晶体重量数据以及拉晶收尾阶段的实时晶体重量数据和实时晶体长度数据，输入到最终温度-拉速匹配模型中；
通过最终温度-拉速匹配模型自动匹配拉晶温度和拉晶速度。
本发明所提供的用于单晶炉拉晶收尾阶段自动匹配温度及拉速的系统，包括：第一匹配模型建立单元、数据记录单元、第二匹配模型建立单元、第三匹配模型建立单元以及匹配输出单元。
第一匹配模型建立单元：基于用户收集的拉晶数据，确定温度与拉速的关系，根据温度与拉速的关系建立第一温度-拉速匹配模型。
数据记录单元：在模拟不同拉晶温度和拉晶速度下的拉晶收尾阶段时，用于记录相应的晶体变化数据。
第二匹配模型建立单元：用于根据晶体变化数据，并基于第一温度-拉速匹配模型，得到第二温度-拉速匹配模型。
第三匹配模型建立单元：用于根据现场实际拉晶炉台后台数据，对第二温度-拉速匹配模型进行验证，并在验证通过后确定最终温度-拉速匹配模型。
匹配输出单元：用于根据＝最终温度-拉速匹配模型自动匹配拉晶温度和拉晶速度，并进行输出。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种用于单晶炉拉晶收尾阶段自动匹配温度及拉速的方法，其特征在于，包括以下步骤：
基于用户收集的拉晶数据，确定温度与拉速的关系，根据所述温度与拉速的关系建立第一温度-拉速匹配模型；
模拟不同拉晶温度和拉晶速度下的拉晶收尾阶段，并记录相应的晶体变化数据；
根据所述晶体变化数据，并基于所述第一温度-拉速匹配模型，得到第二温度-拉速匹配模型；
根据现场实际拉晶炉台后台数据，对所述第二温度-拉速匹配模型进行验证，并在验证通过后确定最终温度-拉速匹配模型；
根据所述最终温度-拉速匹配模型自动匹配拉晶温度和拉晶速度，并进行输出。
2.根据权利要求1所述的用于单晶炉拉晶收尾阶段自动匹配温度及拉速的方法，其特征在于，在确定温度与拉速的关系时，包括：
基于用户收集的拉晶温度数据、拉晶速度数据以及晶体尺寸数据进行分析，确定拉晶速度与温度梯度成正比，如公式1、公式2以及公式3所示：
dT＝T1-T2 (1)；
Dr＝r1-r2 (2)；
式中，T1为晶体A点的温度，T2为晶体B点的问题，r1为晶体A点的长度，r2为晶体B点的长度，为温度梯度，v为拉晶速度。
3.根据权利要求2所述的用于单晶炉拉晶收尾阶段自动匹配温度及拉速的方法，其特征在于，在根据所述温度与拉速的关系建立第一温度-拉速匹配模型时，包括：
根据所述温度与拉速的关系，并基于晶体直径、晶体长度、拉晶速度以及拉晶温度，建立所述第一温度-拉速匹配模型，如公式4所示：
式中，F为所述晶体直径，Q1为所述晶体长度，Q2为所述拉晶速度，Q3为所述拉晶温度，s1、s2、s3为常量。
4.根据权利要求1所述的用于单晶炉拉晶收尾阶段自动匹配温度及拉速的方法，其特征在于，在模拟不同拉晶温度和拉晶速度下的拉晶收尾阶段时，包括：
在单晶生长过程中选择多个拉晶温度和对应的拉晶速度进行拉晶收尾阶段实验，并记录不同拉晶温度和拉晶速度下不同时刻的晶体长度数据和晶体重量数据以及拉晶等径阶段结束时的晶体直径数据、晶体长度数据和晶体重量数据；
根据不同时刻的晶体长度数据和晶体重量数据以及拉晶等径阶段结束时的晶体直径数据、晶体长度数据和晶体重量数据，得到不同时刻的晶体直径数据。
5.根据权利要求4所述的用于单晶炉拉晶收尾阶段自动匹配温度及拉速的方法，其特征在于，在记录晶体长度数据和晶体重量数据时，包括：
通过单晶炉内的重量传感器获取到的晶体重量数据；
从拉晶设备中读取晶体的行程，即晶体长度数据。
6.根据权利要求4或5所述的用于单晶炉拉晶收尾阶段自动匹配温度及拉速的方法，其特征在于，在得到不同时刻的晶体直径数据时，包括：
通过晶体直径预测模型对不同时刻的晶体直径数据进行预测，如公式5所示：
式中，ρ为晶体密度，Z为拉晶等径阶段结束时的晶体重量数据，j为拉晶等径阶段结束时的晶体长度数据，F为拉晶等径阶段结束时的晶体直径数据，Zh为不同时刻的晶体重量数据，jh为不同时刻的晶体长度数据，Fh为不同时刻的晶体直径数据。
7.根据权利要求1所述的用于单晶炉拉晶收尾阶段自动匹配温度及拉速的方法，其特征在于，在得到第二温度-拉速匹配模型时，还包括：
将不同拉晶温度和拉晶速度下不同时刻的晶体直径数据与晶体长度数据，代入所述第一温度-拉速匹配模型，进行联合求解，确定常量a1、a2、a3，得到所述第二温度-拉速匹配模型。
8.根据权利要求1所述的用于单晶炉拉晶收尾阶段自动匹配温度及拉速的方法，其特征在于，在对所述第二温度-拉速匹配模型进行验证时，包括：
获取所述现场实际拉晶炉台后台数据中的等径参数表和收尾参数表，并基于所述等径参数表和所述收尾参数表中记载的数据进行匹配，若匹配度达到95％以上，则判定验证通过。
9.根据权利要求1所述的用于单晶炉拉晶收尾阶段自动匹配温度及拉速的方法，其特征在于，在根据所述最终温度-拉速匹配模型自动匹配拉晶温度和拉晶速度时，包括：
获取拉晶等径阶段结束时的晶体直径数据、晶体长度数据和晶体重量数据；
通过单晶炉内的重量传感器采集拉晶收尾阶段的实时晶体重量数据，从拉晶设备中读取拉晶收尾阶段的晶体的实时行程，即得到实时晶体长度数据；
将拉晶等径阶段结束时的晶体直径数据、晶体长度数据和晶体重量数据以及拉晶收尾阶段的实时晶体重量数据和实时晶体长度数据，输入到所述最终温度-拉速匹配模型中；
通过所述最终温度-拉速匹配模型自动匹配拉晶温度和拉晶速度。
10.一种用于单晶炉拉晶收尾阶段自动匹配温度及拉速的系统，其特征在于，包括：
第一匹配模型建立单元：基于用户收集的拉晶数据，确定温度与拉速的关系，根据所述温度与拉速的关系建立第一温度-拉速匹配模型；
数据记录单元：在模拟不同拉晶温度和拉晶速度下的拉晶收尾阶段时，用于记录相应的晶体变化数据；
第二匹配模型建立单元：用于根据所述晶体变化数据，并基于所述第一温度-拉速匹配模型，得到第二温度-拉速匹配模型；
第三匹配模型建立单元：用于根据现场实际拉晶炉台后台数据，对所述第二温度-拉速匹配模型进行验证，并在验证通过后确定最终温度-拉速匹配模型；
匹配输出单元：用于根据所述最终温度-拉速匹配模型自动匹配拉晶温度和拉晶速度，并进行输出。
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|---|---|---|---|
| CN202311590193.6A CN117518814A (zh) | 2023-11-27 | 2023-11-27 | 一种用于单晶炉拉晶收尾阶段自动匹配温度及拉速的方法及系统 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311590193.6A CN117518814A (zh) | 2023-11-27 | 2023-11-27 | 一种用于单晶炉拉晶收尾阶段自动匹配温度及拉速的方法及系统 |
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| CN117518814A true CN117518814A (zh) | 2024-02-06 |
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Family Applications (1)
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| CN (1) | CN117518814A (zh) |
-
2023
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