CN117661101A - 一种基于数字模拟的单晶炉液口用法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于数字模拟的单晶炉液口用法，具体涉及单晶生长技术领域，包括步骤一、获取定液口距SP值和CCD液口距，步骤二、计算液口距偏差，步骤三、增设液口距计算值，步骤四、液口距计算值与液口距SP进行偏差比较，步骤五、恢复图形捕捉。本发明通过增加液口距计算值算法，解决了头部液口距无法捕捉的异常，降低了生产切换不同尺寸单晶时频繁更换备件的问题无新增硬件，费用低，通过偏差调节液口距PID，算法简单、使用方便，安全系数高，有效降低了事故率。
Description
技术领域
本发明涉及单晶生长技术领域，更具体地说，本发明涉及一种基于数字模拟的单晶炉液口用法。
背景技术
单晶炉是一种在惰性气体环境中，用石墨加热器将多晶硅等多晶材料熔化，用直拉法生长无错位单晶的设备，液口距就是单晶炉中导流筒下沿口距单晶炉石英坩埚中熔硅液面的距离；
目前，在单晶制造的过程中，必须尽可能保证温度场温度梯度的稳定，才能得到稳定的结晶环境，上轴晶升与下轴埚升共同维系着结晶界面，液口距进行微调，加热器发热区位置固定，则高温区域固定，晶体结晶后上轴将其提升，石英坩埚上移保证结晶界面温度不变，通过分析结晶后不同长度温度梯度变化，工艺给定液口距SP值，由液口距SP与CCD液口距捕捉值的偏差进行下轴埚位的微调整；
目前直拉法单晶硅制造企业现有的液口距捕捉方式基于图像的显示值，根据图像的检测，进行液口距PID调整；
上述技术在生产大尺寸单晶硅棒时，导流筒下口内径与单晶硅棒距离较近，液口距捕捉区域接近晶棒光圈，CCD相机无法正常识别，进行液口距PID调节，等径后随着晶棒的生长，下轴埚位上升，液口距捕捉区域减小，液口距捕捉恢复正常，但等径头部液口距调节失控，直径影响单晶温度的控制、少子寿命、电阻率、氧含量等，提前结束单晶生长过程。
针对上述情况，本发明提出一种基于数字模拟的单晶炉液口用法，解决单晶硅制造过程中等径晶棒头部液口距倒影模糊，无法正确捕捉的现象。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供一种基于数字模拟的单晶炉液口用法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于数字模拟的单晶炉液口用法，具体包括以下步骤:
步骤一、分析单晶在结晶后不同长度随温度梯度的变化，工艺给定液口距SP值，采用CCD相机对导流筒下沿口进行拍摄并获取导流筒在单晶液面的CCD液口距捕捉值，定义为CCD液口距；
步骤二、根据液口距SP值与CCD液口距的偏差进行下轴埚位的微调整，液口距偏差=液口距SP-CCD液口距的数值；
步骤三、在步骤一和步骤二的现有基础上，增设液口距计算值，具体步骤为：根据石英坩埚中已知数据，计算出单公斤硅溶液高度，将单晶的引肩、放肩和转肩阶段下轴坩埚内硅熔液的重量变化转换为高度，标定并定义熔接状态下实际液口距值为输入值，计算出当前熔硅液面到导流筒下沿的距离，标记为液口距计算值；
步骤四、将液口距计算值与液口距SP进行偏差比较，通过液口距PID调节下轴埚位上升速度，保证导流筒下沿到单晶炉石英坩埚熔硅液面距离符合工艺要求。
步骤五、待CCD相机液口距捕捉图像正常后，恢复图像捕捉,设定CCD液口距启用长度，待单晶生长至规定长度后，关闭液口距计算值，启用CCD液口距。
优选地，步骤三中，石英坩埚的已知数据为石英坩埚中上部的圆柱形状，提前测量的石英坩埚内径数据，计算公式为V=πr²h，V=m/ρ，h=m/πr²ρ。
优选地，在步骤三中，计算出当前熔硅液面到导流筒下沿的距离时，计算公式为，（液口距计算值）＝（熔接状态时液口距数值）-（引晶、放肩和转肩阶段下熔硅减少的高度）。
优选地，在步骤四中，计算公式为，液口距偏差=液口距SP-液口距计算值。
优选地，在步骤四中，将液口距计算值与液口距SP进行偏差比较时所处的环境为，等径阶段头部液口距捕捉异常时，启用液口距计算值。
优选地，在启用液口距计算值时，CCD液口距不参与计算。
优选地，述液口距为单晶炉中导流筒下沿口距单晶炉石英坩埚中熔硅液面的距离。
本发明的技术效果和优点：
本发明通过在原有基础上增加液口距计算值算法，解决了头部液口距无法捕捉的异常，降低了生产切换不同尺寸单晶时频繁更换备件的问题无新增硬件，费用低，通过偏差调节液口距PID，算法简单、使用方便，安全系数高，有效降低了事故率。
附图说明
图1为本发明的整体步骤流程图。
图2为本发明的液口距计算流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
本发明提供一种基于数字模拟的单晶炉液口用法，具体包括以下步骤：
步骤一、分析单晶在结晶后不同长度随温度梯度的变化，工艺给定液口距SP值，采用CCD相机对导流筒下沿口进行拍摄并获取导流筒在单晶液面的CCD液口距捕捉值，定义为CCD液口距；
步骤二、根据液口距SP值与CCD液口距的偏差进行下轴埚位的微调整，液口距偏差=液口距SP-CCD液口距的数值。
具体而言，本发明的步骤一和步骤二为单晶炉液口距计算的现有方案，现有方案中采用CCD相机对导流筒下沿口进行拍摄并获取导流筒在单晶液面的CCD液口距捕捉值，将CCD液口距捕捉值与工艺给定的液口距SP值进行相减，从而得到液口距的偏差数值；
具体场景为，单晶硅制造是熔融状态下硅的过冷结晶，单晶炉热场为动态温度场，必须尽可能保证温度场温度梯度的稳定，才能得到稳定的结晶环境，上轴晶升与下轴埚升共同维系着结晶界面，液口距进行微调，加热器发热区位置固定，则高温区域固定，晶体结晶后上轴将其提升，石英坩埚上移保证结晶界面温度不变，通过分析结晶后不同长度温度梯度变化，工艺给定液口距SP值，由液口距SP与CCD液口距捕捉值的偏差进行下轴埚位的微调整。
步骤三、在步骤一和步骤二的现有基础上，增设液口距计算值，具体步骤为：根据石英坩埚中已知数据，石英坩埚中上部的圆柱形状，提前测量的石英坩埚内径数据，计算出单公斤硅溶液高度，计算公式为V=πr²h，V=m/ρ，h=m/πr²ρ；
将单晶的引肩、放肩和转肩阶段下轴坩埚内硅熔液的重量变化转换为高度，标定并定义熔接状态下实际液口距值为输入值，计算出当前熔硅液面到导流筒下沿的距离，标记为液口距计算值，计算公式为，（液口距计算值）＝（熔接状态时液口距数值）-（引晶、放肩和转肩阶段下熔硅减少的高度）。
具体而言，该步骤针对于步骤一和步骤二的具体情况，在此基础上增设液距口的计算值，该液口距计算值的设定能够避免因晶体等径头部阶段CCD相机捕捉不到图像而引起的异常，为了在CCD相机捕捉异常图像的异常情况下精准计算液口距偏差的数值提供了依据。
步骤四、等径阶段头部液口距捕捉异常时，启用液口距计算值，CCD液口距不参与计算，将液口距计算值与液口距SP进行偏差比较，通过液口距PID调节下轴埚位上升速度，保证导流筒下沿到单晶炉石英坩埚熔硅液面距离符合工艺要求。
具体而言，该步骤结合步骤三中计算的液口距计算值，并将其与工艺给定的液口距SP值进行偏差比较，通过将液口距SP与液口距计算值相减，从而得到液口距偏差，进而根据液口距偏差情况，采用液口距PID调节下轴埚位上升速度，从而保证导流筒下沿到单晶炉石英坩埚熔硅液面距离符合工艺要求；
总之，步骤三和步骤四为本发明的技术方案，并通过步骤三和步骤四的相互配合，能够在晶体等径头部阶段CCD相机捕捉不到图像而引起的异常的情况下，通过将液口距SP与液口距计算值相减的方式得到液口距偏差情况。
步骤五、待CCD相机液口距捕捉图像正常后，恢复图像捕捉，同时设定CCD液口距启用长度，待单晶生长至规定长度后，关闭液口距计算值，启用CCD液口距。
具体而言，该步骤中，如因晶体等径头部阶段CCD相机捕捉不到图像而引起的异常时，可启用液距口计算值进行精准计算，而CCD相机捕捉画面正常后，可关闭液距口计算值，并启用CCD液口距。
为了理解本发明的具体工作原理，下面针对上述步骤做出详细说明，具体地本发明工作原理为：
单晶硅制造实质是熔融状态下硅的过冷结晶，单晶炉热场为动态温度场，必须尽可能保证温度场温度梯度的稳定，才能得到稳定的结晶环境，上轴晶升与下轴埚升共同维系着结晶界面，液口距进行微调，加热器发热区位置固定，则高温区域固定，晶体结晶后上轴将其提升，石英坩埚上移保证结晶界面温度不变，通过分析结晶后不同长度温度梯度变化，工艺给定液口距SP值，由液口距SP与CCD液口距捕捉值的偏差进行下轴埚位的微调整，液口距偏差=液口距SP-CCD液口距；
进而在现有单晶炉液口距偏差计算方式为，采用CCD相机对导流筒下沿口进行拍摄并获取导流筒在单晶液面的CCD液口距捕捉值，同时工艺给定液口距SP值，将液口距SP和CCD液口距的数值相减，从而得到液口距偏差的数值，液口距为单晶炉中导流筒下沿口距单晶炉石英坩埚中熔硅液面的距离；
但是，由于导流筒下口内径与单晶硅棒距离较近，液口距捕捉区域接近晶棒光圈，CCD相机无法正常识别，进行液口距PID调节，等径后随着晶棒的生长，下轴埚位上升，液口距捕捉区域减小，液口距捕捉恢复正常，但等径头部液口距调节失控，直径影响单晶温度的控制、少子寿命、电阻率、氧含量等，提前结束单晶生长过程；
进而在本技术方案中，通过增加液口距计算值，可避免因晶体等径头部阶段相机捕捉不到图像而引起的异常，石英坩埚中上部为圆柱形，内径已知，可计算出单公斤硅溶液高度，V=πr²h，V=m/ρ，h=m/πr²ρ，引晶、放肩、转肩状态不进行下轴埚位提升，将引肩、放肩和转肩阶段下轴坩埚内硅熔硅的重量变化转换为高度，标定并定义熔接状态下实际液口距值为输入值，熔接状态时液口距数值减去引晶、放肩、转肩阶段下熔硅减少的高度，计算出当前熔硅液面到导流筒下沿的距离，即液口距计算值。
当等径阶段头部液口距捕捉异常，取液口距计算值与液口距SP进行偏差比较，通过液口距PID，调节下轴埚位上升速度，保证导流筒下沿到单晶炉石英坩埚熔硅液面距离符合工艺要求，液口距偏差=液口距SP-液口距计算值。待相机液口距捕捉图像正常后，恢复图像捕捉；
总之，在本发明中，等径头部液口距捕捉异常时，则启用液口距计算值，CCD液口距不参与计算；取熔接阶段液口距为输入值，将引晶、放肩、转肩阶段下轴检测重量变化值换算为高度，实时计算出液口距计算值（液口距计算值=熔接状态时液口距-引晶、放肩、转肩阶段下熔硅减少的高度），等径阶段液口距根据液口距偏差数值所对应PID调节（液口距偏差=液口距SP-液口距计算值）；
设定CCD液口距启用长度后，待单晶生长至规定长度后，关闭液口距计算值，启用CCD液口距。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于数字模拟的单晶炉液口用法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤一、分析单晶在结晶后不同长度随温度梯度的变化，工艺给定液口距SP值，采用CCD相机对导流筒下沿口进行拍摄并获取导流筒在单晶液面的CCD液口距捕捉值，定义为CCD液口距；
步骤二、根据液口距SP值与CCD液口距的偏差进行下轴埚位的微调整，液口距偏差=液口距SP-CCD液口距的数值；
步骤三、在步骤一和步骤二的现有基础上，增设液口距计算值，具体步骤为：根据石英坩埚中已知数据，计算出单公斤硅溶液高度，将单晶的引肩、放肩和转肩阶段下轴坩埚内硅熔液的重量变化转换为高度，标定并定义熔接状态下实际液口距值为输入值，计算出当前熔硅液面到导流筒下沿的距离，标记为液口距计算值；
步骤四、将液口距计算值与液口距SP进行偏差比较，通过液口距PID调节下轴埚位上升速度，保证导流筒下沿到单晶炉石英坩埚熔硅液面距离符合工艺要求。
2.步骤五、待CCD相机液口距捕捉图像正常后，恢复图像捕捉。
3.根据权利要求1所述的一种基于数字模拟的单晶炉液口用法，其特征在于：步骤三中，石英坩埚的已知数据为石英坩埚中上部的圆柱形状，提前测量的石英坩埚内径数据，计算公式为V=πr²h，V=m/ρ，h=m/πr²ρ。
4.根据权利要求1所述的一种基于数字模拟的单晶炉液口用法，其特征在于：在步骤三中，计算出当前熔硅液面到导流筒下沿的距离时，计算公式为，（液口距计算值）＝（熔接状态时液口距数值）-（引晶、放肩和转肩阶段下熔硅减少的高度）。
5.根据权利要求1所述的一种基于数字模拟的单晶炉液口用法，其特征在于：在步骤四中，计算公式为，液口距偏差=液口距SP-液口距计算值。
6.根据权利要求1所述的一种基于数字模拟的单晶炉液口用法，其特征在于：在步骤四中，将液口距计算值与液口距SP进行偏差比较时所处的环境为，等径阶段头部液口距捕捉异常时，启用液口距计算值。
7.根据权利要求1所述的一种基于数字模拟的单晶炉液口用法，其特征在于：在启用液口距计算值时，CCD液口距不参与计算。
8.根据权利要求1所述的一种基于数字模拟的单晶炉液口用法，其特征在于：还包括步骤六，设定CCD液口距启用长度，待单晶生长至规定长度后，关闭液口距计算值，启用CCD液口距。
9.根据权利要求1所述的一种基于数字模拟的单晶炉液口用法，其特征在于：所述液口距为单晶炉中导流筒下沿口距单晶炉石英坩埚中熔硅液面的距离。
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