JPH04219388A - Control of diameter of silicon single crystal and apparatus therefor - Google Patents

Control of diameter of silicon single crystal and apparatus therefor

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JPH04219388A
JPH04219388A JP8863391A JP8863391A JPH04219388A JP H04219388 A JPH04219388 A JP H04219388A JP 8863391 A JP8863391 A JP 8863391A JP 8863391 A JP8863391 A JP 8863391A JP H04219388 A JPH04219388 A JP H04219388A
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JP
Japan
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diameter
single crystal
silicon single
crystal
pid
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JP8863391A
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Japanese (ja)
Inventor
Akihiro Kawashima
章浩 川島
Tatsuo Sato
佐藤 辰夫
Toshio Okawa
大川 登志男
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JFE Engineering Corp
Original Assignee
NKK Corp
Nippon Kokan Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To save PID parameter adjustment operation at the job site by improving the calculation method of PID operation performed under direct control, adding dead time compensation control and improving the ability for following up a set point. CONSTITUTION:In controlling the diameter of a drawn-up silicon single crystal rotating correlatively to a crucible by the draw up rate, a measured diameter value by a video measure 5 as an optical means is processed by a crystal diameter input part 10 of a unit 20 for controlling the diameter by non-exact differentiation PID process. The above-processed diameter is compared with a target diameter by a non-exact differentiation PID operation part 11 to calculate the draw up rate. The resultant draw up rate is sent through a part 12 for sending out the draw up rate to a motor controller 8 to give a command and a drawn-up single crystal 1 is drawn up at a controlled draw up rate, thus giving the objective silicon single crystal 1.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

【0001】0001

【産業上の利用分野】本発明はシリコン単結晶の直径制
御方法及び装置、特にるつぼに対して相対的に回転させ
ながらシリコン単結晶を連続的に製造する結晶引上げ中
に引上げ単結晶の直径を制御するシリコン単結晶の直径
制御方法及び装置に関するものである。
[Industrial Application Field] The present invention relates to a method and apparatus for controlling the diameter of a silicon single crystal, and more particularly, to controlling the diameter of a pulled single crystal during crystal pulling in which silicon single crystals are continuously produced while rotating relative to a crucible. The present invention relates to a method and apparatus for controlling the diameter of a silicon single crystal.

【0002】0002

【従来の技術】図2はシリコン等の半導体単結晶の製造
方法としてよく知られているチョクラルスキー法による
単結晶製造装置を示す模式説明図である。なお、チョク
ラルスキー法は広くCZ法と称され、また一般には結晶
引上げ法と呼称されている。
2. Description of the Related Art FIG. 2 is a schematic explanatory diagram showing a single crystal manufacturing apparatus using the Czochralski method, which is well known as a method for manufacturing semiconductor single crystals such as silicon. Note that the Czochralski method is widely referred to as the CZ method, and is also generally referred to as the crystal pulling method.

【0003】図において、シリコン単結晶を製造する場
合、るつぼ2にはヒータ4によって加熱溶融されたシリ
コン融液3が入っていて、そこから図示しない回転機構
によりシリコン単結晶1をるつぼ2の回転方向と逆方向
に回転させながら、引上げ装置7で徐々に引上げ、シリ
コン融液3とシリコン単結晶1との界面領域で結晶成長
させるようになっている。このシリコン単結晶1は種結
晶1aから結晶成長して育成され、種結晶1aは引上げ
装置7に接続する種結晶ホルダ6によって支持されてい
る。このような成長中のシリコン単結晶1を以下の説明
では引上げ単結晶と呼称している。また、引上げ装置7
はシリコン単結晶1を上下する機構と回転する機構を備
えており、モータコントローラ8、引上げモータ9その
他によって構成されているが、よく知られている装置で
あるので、その構造の詳細説明は省略する。るつぼ2は
上述の回転機構のほか図示しない上下機構によって支持
されており、この上下機構により例えば結晶が成長して
も融液面は下降せずに一定に保たれるようになっていて
、融液面付近の温度分布を変化させないような工夫が施
されている。
In the figure, when producing a silicon single crystal, a crucible 2 contains a silicon melt 3 heated and melted by a heater 4, and a silicon single crystal 1 is rotated from there by a rotating mechanism (not shown) in the crucible 2. While rotating in the opposite direction, it is gradually pulled up by a pulling device 7 to cause crystal growth in the interface region between the silicon melt 3 and the silicon single crystal 1. This silicon single crystal 1 is grown by crystal growth from a seed crystal 1a, and the seed crystal 1a is supported by a seed crystal holder 6 connected to a pulling device 7. In the following explanation, such growing silicon single crystal 1 will be referred to as a pulled single crystal. In addition, the pulling device 7
is equipped with a mechanism for raising and lowering the silicon single crystal 1 and a mechanism for rotating it, and is composed of a motor controller 8, a pulling motor 9, and others, but since it is a well-known device, a detailed explanation of its structure will be omitted. do. In addition to the above-mentioned rotation mechanism, the crucible 2 is supported by an up-and-down mechanism (not shown), and this up-and-down mechanism keeps the melt level constant without lowering even if a crystal grows, for example. Efforts have been made to not change the temperature distribution near the liquid surface.

【0004】CZ法により製造された引上げ単結晶1は
、のちに円柱状のシリコン単結晶インゴットに仕上げら
れるので、引上げ単結晶1はボディー部全体にわたって
ほぼ同一直径で引上げられることが要求される。そのた
め、ビデオメジャー5等の光学的手段で引上げ単結晶1
の直径を引上げ中に直接計測して、直径を目標値に保つ
ように引上げ速度を調整しながら引上げる直径制御を行
っている。この場合、光学的手段は結晶引上げ装置に固
定されていて、引上げ単結晶1と融液面との境界にみら
れるフユージョンリングを斜め上方から一本の計測線で
測定して直接引上げ単結晶1の直径を計測している。
[0004] Since the pulled single crystal 1 produced by the CZ method is later finished into a cylindrical silicon single crystal ingot, the pulled single crystal 1 is required to be pulled with approximately the same diameter over the entire body portion. Therefore, the single crystal 1 is pulled by optical means such as video measure 5.
The diameter of the material is directly measured during the pulling process, and the diameter of the material is controlled while adjusting the pulling speed to maintain the diameter at the target value. In this case, the optical means is fixed to the crystal pulling device, and measures the fusion ring seen at the boundary between the pulled single crystal 1 and the melt surface with a single measurement line from diagonally above, directly pulling the pulled single crystal 1. Measuring the diameter of.

【0005】上述の引上げ速度の調整による引上げ単結
晶の直径制御は、光学的手段による直径実測値と目標直
径値とを比較してその偏差をよく知られているPID制
御することにより操作量として引上げ速度を算出し、こ
れをモータコントローラ8に入力指令し引上げ速度を制
御することによって行われている。
[0005] The diameter of the pulled single crystal is controlled by adjusting the pulling speed as described above, by comparing the actual diameter value measured by optical means with the target diameter value and using the well-known PID control to calculate the deviation as a manipulated variable. This is performed by calculating the pulling speed, inputting the calculated value to the motor controller 8, and controlling the pulling speed.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来のシ
リコン単結晶の直径制御方法乃至直径制御装置において
は、結晶引上げ装置の例えば引上げ速度を変えた時のシ
リコン単結晶の応答すなわち引上げ単結晶の直径の変化
は、その影響が現れるまでに時間がかかり(むだ時間が
長い)、さらに変化の割合いが小さい(変化又は応答速
度が小さい)のが一般である。したがって、目標直径値
と比較してPID制御を行う場合、引上げ単結晶の直径
の変化を的確にとらえるタイムリーな引上げ速度の操作
が必要とされるために、微分項(微分動作)をきかせた
先行制御が必要である。しかしながら、光学的手段で計
測された引上げ単結晶の直径実測値にはノイズが多いた
め、この影響を受けて引上げ速度が過剰に変動する恐れ
があって微分項を大きくした制御を行うことができなか
った。このため結晶直径変動抑制に限界があり、その歩
留りが悪くなりがちであった。
[Problems to be Solved by the Invention] In the conventional silicon single crystal diameter control method or diameter control device as described above, for example, the response of the silicon single crystal when the pulling speed of the crystal pulling device is changed, that is, the pulled single crystal It generally takes a long time for a change in the diameter to take effect (long dead time), and the rate of change is small (change or response speed is small). Therefore, when performing PID control by comparing with the target diameter value, it is necessary to timely manipulate the pulling speed to accurately capture changes in the diameter of the pulled single crystal. Advance control is required. However, since there is a lot of noise in the actual measured diameter of a pulled single crystal measured by optical means, there is a risk that the pulling speed may fluctuate excessively due to this influence, and control with a large differential term cannot be performed. There wasn't. For this reason, there is a limit to suppressing variations in crystal diameter, and the yield tends to be poor.

【0007】また、現場でのPIDパラメータ調整が不
可欠なものであったため、シリコン単結晶をPIDパラ
メータの調整のために無駄に引上げなければならなかっ
た。
[0007] Furthermore, since on-site PID parameter adjustment was essential, silicon single crystals had to be pulled up in order to adjust the PID parameters.

【0008】本発明は上述のような課題を解決するため
になされたもので、直径制御において実施するPID演
算の算法に改良を加え、さらにはむだ時間補償制御を付
加して、目標値追従が優れ、かつ、現場でのPIDパラ
メータ調整作業をなくしたシリコン単結晶の直径制御方
法及び装置を提供することを目的とするものである。
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and improves the algorithm of PID calculation performed in diameter control, and furthermore adds dead time compensation control to improve target value tracking. It is an object of the present invention to provide a method and apparatus for controlling the diameter of a silicon single crystal that is excellent and eliminates the need for on-site PID parameter adjustment work.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明に係る第1のシリ
コン単結晶の直径制御方法は、るつぼに対して相対的に
回転させながらシリコン単結晶を引上げてシリコン単結
晶を製造する工程中において、光学的手段により計測さ
れる引上げ単結晶の直径実測値と目標直径値とを比較し
、この偏差をもとに不完全微分によるPID処理を行っ
て引上げ速度を算出し、引上げ速度を結晶引上げ装置の
モータコントローラに出力して引上げ速度の操作により
引上げ単結晶の直径制御を行うものである。
[Means for Solving the Problems] A first method for controlling the diameter of a silicon single crystal according to the present invention is performed during the process of manufacturing a silicon single crystal by pulling the silicon single crystal while rotating it relative to a crucible. , compare the actual diameter value of the pulled single crystal measured by optical means with the target diameter value, calculate the pulling speed by performing PID processing using incomplete differentiation based on this deviation, and adjust the pulling speed to the crystal pulling speed. The diameter of the pulled single crystal is controlled by outputting it to the motor controller of the device and manipulating the pulling speed.

【0010】また、本発明に係る第2のシリコン単結晶
の直径制御方法は、第1の直径制御方法における不完全
微分によるPID処理の代りに、スミス法による処理を
行って引上げ速度を算出するようにしたものである。
[0010] Furthermore, in the second method for controlling the diameter of a silicon single crystal according to the present invention, instead of the PID process using incomplete differentiation in the first diameter control method, processing is performed using the Smith method to calculate the pulling rate. This is how it was done.

【0011】つぎに、本発明に係る第1のシリコン単結
晶の直径制御装置は、光学的手段により計測される引上
げ単結晶の直径実測値を取り込む入力部と、引上げ単結
晶の直径実測値と目標直径値を比較して引上げ速度を算
出する不完全微分PID演算部と、引上げ速度を結晶引
上げ装置のモータコントローラに出力する出力部とによ
って構成したものである。
[0011] Next, the first silicon single crystal diameter control device according to the present invention includes an input section that receives an actual measured diameter value of the pulled single crystal measured by optical means, and an input section that receives the actual measured diameter value of the pulled single crystal. It is composed of an incomplete differential PID calculation section that calculates the pulling speed by comparing target diameter values, and an output section that outputs the pulling speed to the motor controller of the crystal pulling apparatus.

【0012】また、本発明に係る第2のシリコン単結晶
の直径制御装置は、第1の直径制御装置の不完全微分P
ID演算部の代りに、スミス法演算部を用いて構成した
ものである。
Further, the second silicon single crystal diameter control device according to the present invention has an incomplete differential P of the first diameter control device.
It is constructed using a Smith method calculation section instead of the ID calculation section.

【0013】さらに、本発明に係るシリコン単結晶のモ
デルパラメータ決定方法は、引上げ単結晶の直径値の引
上げ速度に対する応答特性を下記の式に示す伝達関数に
よりモデル化し、引上げ速度をステップ的に変化させた
ときの直径値の応答を調べるステップ応答試験により伝
達関数中の応答速度V、むだ時間Lの2つのモデルパラ
メータを決定するものである。
Furthermore, in the method for determining model parameters of a silicon single crystal according to the present invention, the response characteristic of the diameter value of the pulled single crystal to the pulling rate is modeled using a transfer function shown in the following equation, and the pulling rate is changed in steps. Two model parameters, response speed V and dead time L in the transfer function, are determined by a step response test that examines the response of the diameter value when

【0014】 伝達関数:Gp(s)=V/s2 ・e−Ls また、
本発明に係るPIDパラメータ決定方法は、上記のシリ
コン単結晶モデルを用いた計算機シミュレーションを行
って最適パラメータを求めるものである。
Transfer function: Gp(s)=V/s2・e−Ls Also,
The PID parameter determination method according to the present invention calculates optimal parameters by performing a computer simulation using the silicon single crystal model described above.

【0015】[0015]

【作用】本発明においては、前記第1のシリコン単結晶
の直径制御方法及び装置において、不完全微分PID制
御により直径実測値のノイズの影響を抑えた有効な微分
効果を発揮させうるため、シリコン単結晶の直径値を目
標値に限りなく近づけることができる。
[Operation] In the present invention, in the first silicon single crystal diameter control method and apparatus, an effective differential effect can be exerted by suppressing the influence of noise on the actual measured diameter value by incomplete differential PID control. The diameter value of the single crystal can be brought as close as possible to the target value.

【0016】また、前記第2のシリコン単結晶の直径制
御方法及び装置において、不完全微分PID制御単独で
なく、スミス法による直径制御を行うから、第1の直径
制御方法及び装置の作用に加えて、Gp(s)・(1−
e−Ls )というむだ時間補償モデルをマイナールー
プに挿入することによりむだ時間のない伝達関数Gp(
s)を制御対象とすることができ、目標値追従性の優れ
た直径制御が行われる。  また、上記の直径制御方法
及び装置の演算手段に適用するPIDパラメータ及びス
ミス法パラメータは実際にシリコン単結晶を引き上げて
決定することなく、最適のパラメータは計算機シミュレ
ーションで決定される。
Furthermore, in the second silicon single crystal diameter control method and device, the diameter is controlled by the Smith method, not just the incomplete differential PID control, so that in addition to the operation of the first diameter control method and device, the diameter is controlled by the Smith method. , Gp(s)・(1−
By inserting a dead time compensation model called e−Ls ) into the minor loop, the transfer function Gp (
s) can be controlled, and diameter control with excellent target value followability is performed. Moreover, the PID parameters and Smith method parameters applied to the calculation means of the diameter control method and apparatus described above are not determined by actually pulling a silicon single crystal, but the optimum parameters are determined by computer simulation.

【0017】[0017]

【実施例】以下、本発明による実施例を説明する。実施
例1では主として不完全微分PID演算によるシリコン
単結晶の直径制御方法及び装置、実施例2ではスミス法
演算による直径制御方法及び装置についてのべる。
[Examples] Examples according to the present invention will be described below. Embodiment 1 mainly describes a method and apparatus for controlling the diameter of a silicon single crystal using incomplete differential PID calculation, and Example 2 mainly describes a method and apparatus for controlling diameter of a silicon single crystal using Smith method calculation.

【0018】実施例1;図1は不完全微分PID演算に
よる直径制御方法に用いる直径制御装置の一実施例を示
す模式構成図である。図において、1〜9は図2の従来
のシリコン単結晶製造装置の説明に用いた部分符号と同
一又は相当部分を示すものでその説明は省略する。また
、図3は図1の直径制御装置の機能を説明するブロック
図である。
Embodiment 1: FIG. 1 is a schematic diagram showing an embodiment of a diameter control device used in a diameter control method using incomplete differential PID calculation. In the figure, numerals 1 to 9 indicate the same or equivalent parts as those used in the explanation of the conventional silicon single crystal manufacturing apparatus in FIG. 2, and the explanation thereof will be omitted. Further, FIG. 3 is a block diagram illustrating the functions of the diameter control device of FIG. 1.

【0019】図1の20は不完全微分PID処理による
直径制御装置をブロック図で示した部分である。この装
置における制御対象データは基本的には光学的手段とし
て用いたビデオメジャー5で計測された直径実測値であ
る。図にみられるように、直径制御装置は直径実測値を
処理する結晶直径入力部10と、処理された直径実測値
と目標直径とを比較して引上げ速度を演算する不完全微
分PID演算部11と、引上げ速度をシリコン単結晶製
造装置(結晶引上げ装置)に指令する引上げ速度出力部
12とによって構成されている。なお、13は演算時に
使用するパラメータを格納するPIDパラメータを示し
ている。
Reference numeral 20 in FIG. 1 is a block diagram of a diameter control device using incomplete differential PID processing. The controlled object data in this device is basically the actual diameter value measured by the video measure 5 used as an optical means. As shown in the figure, the diameter control device includes a crystal diameter input section 10 that processes the actual measured diameter value, and an incomplete differential PID calculation section 11 that calculates the pulling speed by comparing the processed actual measured diameter value and the target diameter. and a pulling speed output section 12 that instructs a silicon single crystal manufacturing apparatus (crystal pulling apparatus) to perform a pulling speed. Note that 13 indicates a PID parameter that stores parameters used during calculation.

【0020】つぎに、図1,図2にもとづいて不完全微
分PIDによる直径制御方法の一実施例を説明する。ビ
デオメジャー5から得られた直径実測値(図3ではシリ
コン単結晶製造装置30からの出力で、図1では結晶入
力部10の出力)を加算点31で図示しないメモリに格
納された目標直径と比較し、不完全微分PID演算部1
1において不完全微分を用いたPID演算11aを行い
操作出力の引上げ速度を算出する。この引上げ速度を引
上げ速度出力部12を介してモータコントローラ8に出
力することにより指令を行い、引上げ単結晶1が制御さ
れた引上げ速度により引上げられてシリコン単結晶1が
製造される。このような制御操作を引上げ単結晶1が例
えば1回転する間に数回行い、この操作をボディー部引
上げの全体にわたって行うようになっている。
Next, an embodiment of a diameter control method using incomplete differential PID will be explained based on FIGS. 1 and 2. The actual diameter measurement value obtained from the video measure 5 (in FIG. 3, the output from the silicon single crystal production apparatus 30, in FIG. 1, the output from the crystal input section 10) is added to the target diameter stored in a memory (not shown) at the addition point 31. Compare and incomplete differential PID calculation unit 1
1, a PID calculation 11a using incomplete differentiation is performed to calculate the rate of increase in the operation output. A command is issued by outputting this pulling speed to the motor controller 8 via the pulling speed output section 12, and the pulled single crystal 1 is pulled at the controlled pulling speed to produce the silicon single crystal 1. Such a control operation is performed several times during one rotation of the pulled single crystal 1, for example, and this operation is performed over the entire body part pulling.

【0021】以上のような直径制御方法を実施すること
により、直径変動が少なく、かつ目標直径に近い直径値
を有するシリコン単結晶1を製造することができる。な
お、この制御方法において、PIDパラメータ13はシ
リコン単結晶モデルを用いた計算機シミュレーションに
より最良のパラメータが決定済みであるので、現場での
PIDパラメータの調整は不要である。
By carrying out the diameter control method as described above, it is possible to produce silicon single crystal 1 with little variation in diameter and having a diameter value close to the target diameter. In this control method, since the best parameters for the PID parameters 13 have already been determined by computer simulation using a silicon single crystal model, there is no need to adjust the PID parameters on site.

【0022】ここで、不完全微分PID演算の算法とモ
デルパラメータ決定方法について説明する。
[0022] Here, the algorithm of incomplete differential PID calculation and the method of determining model parameters will be explained.

【0023】通常のPID動作のみによる操作出力Go
(s)は、直径実測値と目標直径との偏差をE(s) 
として、式[2]のようになる。
Operation output Go by normal PID operation only
(s) is the deviation between the actual measured diameter value and the target diameter E(s)
, it becomes as shown in equation [2].

【0024】[0024]

【数2】[Math 2]

【0025】     Go(s)=K*{1+1/(Ti *s)+
Td *s}E(s)       …[2]ここで、
Kは比例ゲイン、Ti は積分時間、Td は微分時間
、sはラプラス変数(複素数)である。
Go(s)=K*{1+1/(Ti*s)+
Td *s}E(s)...[2] Here,
K is a proportional gain, Ti is an integral time, Td is a differential time, and s is a Laplace variable (complex number).

【0026】一方、本発明の直径制御で使用する不完全
微分PID動作の操作出力G(s) は式[3]で示す
ことができる。
On the other hand, the operation output G(s) of the incomplete differential PID operation used in the diameter control of the present invention can be expressed by equation [3].

【0027】[0027]

【数3】[Math 3]

【0028】 G(s)=K*{1+1/(Ti*s)       
 +Td *s/(1+α*Td *s}*E(s) 
              …[3]ここで、1/α
は微分ゲインと呼ばれる。[2]式と[3]式との違い
は、微分項による操作変数の計算にあるが、[3]式の
場合は[2]式の通常の微分項出力Td *sに一次遅
れフィルタをかけたものとなっている。 図4は偏差E(s) のステップ状変化に対する応答特
性の比較波形図である。図4の(a) は横軸時間に対
する偏差の値を示し、図4の(b) は偏差に対する通
常のPID演算の操作出力量Mを縦軸に示したものであ
り、図4の(c) は不完全微分PID演算における微
分動作部分の操作出力量Mの応答特性である。図4から
も明らかなるように、不完全微分PIDの場合は、例え
ばノイズ偏差に対する出力が1/αのゲインで抑えられ
る(図ではM/α)こととなりノイズに対する敏感な応
答が抑えられ、有効な微分効果を得ることができる。
G(s)=K*{1+1/(Ti*s)
+Td *s/(1+α*Td *s}*E(s)
...[3] Here, 1/α
is called differential gain. The difference between formula [2] and formula [3] lies in the calculation of the manipulated variable using the differential term, but in the case of formula [3], a first-order lag filter is applied to the normal differential term output Td *s of formula [2]. It is worth the price. FIG. 4 is a comparative waveform diagram of the response characteristics to a step change in the deviation E(s). (a) in FIG. 4 shows the value of deviation versus time on the horizontal axis, (b) in FIG. ) is the response characteristic of the manipulated output amount M of the differential operation part in the incomplete differential PID calculation. As is clear from Figure 4, in the case of incomplete differential PID, for example, the output for noise deviation is suppressed by a gain of 1/α (M/α in the figure), which suppresses the sensitive response to noise and is effective. It is possible to obtain a differential effect.

【0029】また、PIDパラメータ13を決定するた
めに計算機シミュレーションで用いたシリコン単結晶モ
デルに関しては、実際の応答を忠実に再現できるむだ時
間Lを考慮した式[4]で示す2次の積分系で近似した
Regarding the silicon single crystal model used in the computer simulation to determine the PID parameter 13, the second-order integral system shown in equation [4] takes into account the dead time L that can faithfully reproduce the actual response. It was approximated by

【0030】[0030]

【数4】[Math 4]

【0031】         Gp(s)=V/s2 ・e−Ls 
                        …
[4]ただし  V:反応速度 モデルパラメータであるむだ時間L、反応速度Vは、以
下の手順によりもとめる。まず、シリコン単結晶製造装
置において、引上げ速度をステップ的に変化させ、その
ときのシリコン単結晶直径の応答データを採取する。次
に、むだ時間L、反応速度Vを仮定して計算機シミュレ
ーションによりステップ応答試験を再現する。そしてこ
のシミュレーション結果と実際の応答波形データとの誤
差が最も少なくなるVとLとを決定する。
Gp(s)=V/s2・e−Ls

[4] However, V: The dead time L and reaction rate V, which are reaction rate model parameters, are determined by the following procedure. First, in a silicon single crystal manufacturing apparatus, the pulling speed is changed stepwise, and response data of the silicon single crystal diameter at that time is collected. Next, assuming dead time L and reaction rate V, the step response test is reproduced by computer simulation. Then, V and L are determined to minimize the error between the simulation result and the actual response waveform data.

【0032】ここで、上記のような不完全微分PID制
御方法及び装置により、実際にシリコン単結晶を製造し
た実施例結果について説明する。
[0032] Here, the results of an example in which a silicon single crystal was actually manufactured using the incomplete differential PID control method and apparatus as described above will be explained.

【0033】本実施例では、0.1秒毎の直径計測デー
タの移動平均値と目標直径値との比較、引上げ速度算出
、モータコントローラ8への出力の一連の作業を、1秒
間に1回、つまりシリコン単結晶が1回転する間に3回
行った。(引上げ単結晶の回転数は20.0rpm で
ある。)この制御周期については、引上げ速度、回転数
が増加した場合、さらにるつぼ内の温度変動等の運転上
の外乱が大きい場合にはさらに短かくすることが直径制
御上有効と考えられる。ボディー部の目標直径は、16
0.0mmである。製造されたシリコン単結晶を有効ボ
ディー部のトップから0.0,50.0,100.0,
150.0,200.0,250.0mmのところで直
径を計測した結果を図5の模式図に示す。図5に示す通
り、目標直径160.0mmに対してその偏差は最大値
、最小値で±0.5mm以内であり各部で均一な直径の
シリコン単結晶を製造することができた。
In this embodiment, the series of operations of comparing the moving average value of diameter measurement data every 0.1 seconds with the target diameter value, calculating the pulling speed, and outputting to the motor controller 8 are performed once per second. In other words, it was performed three times during one rotation of the silicon single crystal. (The rotational speed of the pulled single crystal is 20.0 rpm.) This control period will become shorter if the pulling speed and rotational speed increase, or if there are large operational disturbances such as temperature fluctuations inside the crucible. This is considered to be effective in controlling the diameter. The target diameter of the body part is 16
It is 0.0 mm. The manufactured silicon single crystal is 0.0, 50.0, 100.0,
The results of measuring the diameter at 150.0, 200.0, and 250.0 mm are shown in the schematic diagram of FIG. As shown in FIG. 5, the maximum and minimum deviations from the target diameter of 160.0 mm were within ±0.5 mm, and it was possible to manufacture silicon single crystals with uniform diameters in each part.

【0034】また、このデータは、シリコン単結晶モデ
ルを用いて、計算機シミュレーションにより求めたPI
Dパラメータで行った最初の製造であり、1回目からこ
のように精度良く目標直径に追従したシリコン単結晶を
製造することができた。
[0034] Furthermore, this data is based on the PI obtained by computer simulation using a silicon single crystal model.
This was the first production performed using the D parameter, and from the first attempt we were able to produce a silicon single crystal that accurately followed the target diameter.

【0035】実施例2;図6はスミス法演算による直径
制御方法に用いる直径制御装置の一実施例を示す模式構
成図である。図において、11を除く1〜13は図1の
実施例装置の説明に用いた部分符号と同一又は相当部分
を示すものである。また、図7は図6の直径制御装置の
機能を説明するブロック図である。
Embodiment 2: FIG. 6 is a schematic diagram showing an embodiment of a diameter control device used in a diameter control method using Smith method calculation. In the figure, 1 to 13 excluding 11 indicate the same or corresponding parts as the partial symbols used in the explanation of the embodiment device of FIG. Further, FIG. 7 is a block diagram illustrating the functions of the diameter control device shown in FIG. 6.

【0036】図6の21はスミス法処理による直径制御
装置をブロック図で示した部分であり、14はスミス法
演算部である。これは図1の実施例の不完全微分PID
演算部11の部分をスミス法演算部14とおきかえただ
けの構成であるが、図7にみられるようにスミス法制御
における主調節機能は不完全微分PID11a の演算
であるが、スミス法による引上げ単結晶1の直径制御で
は、さらに制御偏差を求めるのに式[4]で示したシリ
コン単結晶モデルを用いることに特徴を有するものであ
る。すなわち、不完全微分PID11a のフィードバ
ックの主ループに、式[4]から求めたむだ時間補償モ
デルによる伝達関数V/s2 (1−e−Ls )14
aをマイナーループに挿入して、加算点2にフィードバ
ックし制御偏差を求めるものである。これにより、むだ
時間を補償した制御が可能となり、目標追従性の優れた
直径制御が達成される。
Reference numeral 21 in FIG. 6 is a block diagram showing a diameter control device using Smith method processing, and 14 is a Smith method calculation section. This is the incomplete differential PID of the example in Figure 1.
The configuration is simply that the calculation unit 11 is replaced with the Smith method calculation unit 14, but as shown in FIG. 7, the main adjustment function in Smith method control is the calculation of the incomplete differential PID11a, but The diameter control of the single crystal 1 is further characterized in that the silicon single crystal model shown in equation [4] is used to determine the control deviation. That is, the transfer function V/s2 (1-e-Ls)14 based on the dead time compensation model obtained from equation [4] is added to the main feedback loop of the incomplete differential PID11a.
a is inserted into the minor loop and fed back to addition point 2 to obtain the control deviation. This enables control that compensates for dead time, and achieves diameter control with excellent target followability.

【0037】図8はシリコン単結晶製造において、スミ
ス法制御による直径制御の様態を計算機シミュレーショ
ンにより得た結果を示す線図である。図において、横軸
は制御時間、縦軸は引上げ単結晶の直径である。実線が
スミス法による制御特性であり、参考のため従来のPI
D制御によるシミュレーション結果も点線で示した。シ
ミュレーションではいずれも初期直径162.0mm、
目標直径160.0mmとして求めている。図から明ら
かなように、PID制御では目標値に一致するのに約2
時間かかっているが、スミス法では約1時間であり、む
だ時間を補償した目標値追従の良い制御がスミス法では
可能である。
FIG. 8 is a diagram showing the results obtained by computer simulation of diameter control by Smith method control in the production of silicon single crystals. In the figure, the horizontal axis is the control time, and the vertical axis is the diameter of the pulled single crystal. The solid line is the control characteristic by the Smith method, and for reference, the conventional PI
The simulation results using D control are also shown by dotted lines. In all simulations, the initial diameter was 162.0 mm,
The target diameter is 160.0 mm. As is clear from the figure, in PID control, it takes about 2 times to match the target value.
Although it takes time, the Smith method takes about 1 hour, and the Smith method allows control with good follow-up of the target value while compensating for dead time.

【0038】[0038]

【発明の効果】以上のように本発明によるシリコン単結
晶の直径制御方法及びその装置によれば、まず、不完全
微分によるPID制御によりノイズの影響を抑えた結晶
引上げ中の直径制御ができるので、制御性能を向上させ
ることができ、そのため結晶品質の均一化をはかれるの
みでなく、微分項をきかせた制御ができるので直径を限
りなく目標値に近づけることができるため、歩留りの向
上を達成できる効果がある。
[Effects of the Invention] As described above, according to the method and apparatus for controlling the diameter of a silicon single crystal according to the present invention, firstly, the diameter can be controlled during crystal pulling while suppressing the influence of noise by PID control using incomplete differentiation. , it is possible to improve the control performance, which not only makes the crystal quality uniform, but also allows control using a differential term to bring the diameter as close as possible to the target value, thereby improving yield. effective.

【0039】つぎに、スミス法を用いた制御においても
、不完全微分PID制御と同様の作用による効果が得ら
れるばかりでなく、むだ時間を補償した制御ができるの
で、目標値追従性の優れた直径制御が達成され、より一
層の歩留り向上が得られる。
Next, in control using the Smith method, not only can effects similar to those of incomplete differential PID control be obtained, but also control can be performed that compensates for dead time, resulting in excellent target value tracking performance. Diameter control is achieved and yields are further improved.

【0040】その他、計算機シミュレーションにより最
良のPIDパラメータによるシリコン単結晶製造が最初
から実施できるので、従来方式のように実際にシリコン
単結晶を引上げてパラメータを求めるためにむだな結晶
引上げを行うというようなシリコン単結晶製造の冗長作
業をなくすことができる。
In addition, since silicon single crystal manufacturing using the best PID parameters can be carried out from the beginning through computer simulation, there is no need to actually pull the silicon single crystal and carry out unnecessary crystal pulling to obtain the parameters as in the conventional method. Redundant work in silicon single crystal manufacturing can be eliminated.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

【図1】本発明による不完全微分PID演算によるシリ
コン単結晶の直径制御方法に用いる直径制御装置の一実
施例を示す模式構成図である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of a diameter control device used in a method for controlling the diameter of a silicon single crystal using incomplete differential PID calculation according to the present invention.

【図2】従来からのチョクラルスキー法によるシリコン
単結晶製造装置を示す模式説明図である。
FIG. 2 is a schematic explanatory diagram showing a conventional silicon single crystal manufacturing apparatus using the Czochralski method.

【図3】図1の実施例装置の機能を説明するブロック図
である。
FIG. 3 is a block diagram illustrating the functions of the embodiment device of FIG. 1;

【図4】偏差のステップ状変化に対する不完全微分の応
答特性を示す比較波形図である。
FIG. 4 is a comparative waveform diagram showing response characteristics of incomplete differentiation with respect to step-like changes in deviation.

【図5】製造されたシリコン単結晶の直径実測値を示す
模式図である。
FIG. 5 is a schematic diagram showing measured diameter values of manufactured silicon single crystals.

【図6】スミス法演算による直径制御方法に用いる直径
制御装置の一実施例を示す模式構成図である。
FIG. 6 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of a diameter control device used in a diameter control method using Smith method calculation.

【図7】図6の実施例装置の機能を説明するブロック図
である。
FIG. 7 is a block diagram illustrating the functions of the embodiment device of FIG. 6;

【図8】スミス法による直径制御の様態を計算機シミュ
レーションにより求めた結果を示す線図である。
FIG. 8 is a diagram showing the results of computer simulation of diameter control using the Smith method.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1  シリコン単結晶(引上げ単結晶)2  るつぼ 3  シリコン融液 4  ヒータ 5  ビデオメジャー 6  種結晶ホルダ 7  引上げ装置 8  モータコントローラ 9  引上げモータ 10  結晶直径入力部 11  不完全微分PID演算部 12  引上げ速度出力部 13  PIDパラメータ 14  スミス法演算部 20  不完全微分PID処理による直径制御装置21
  スミス法処理による直径制御装置30  シリコン
単結晶製造装置
1 Silicon single crystal (pulled single crystal) 2 Crucible 3 Silicon melt 4 Heater 5 Video measure 6 Seed crystal holder 7 Pulling device 8 Motor controller 9 Pulling motor 10 Crystal diameter input section 11 Incomplete differential PID calculation section 12 Pulling speed output section 13 PID parameter 14 Smith method calculation unit 20 Diameter control device 21 using incomplete differential PID processing
Diameter control device 30 using Smith method processing Silicon single crystal manufacturing device

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】  るつぼに対して相対的に回転する引上
げ単結晶の直径を結晶引上げ速度で制御するシリコン単
結晶の直径制御方法において、光学的手段により測定し
た上記引上げ単結晶の直径実測値と目標直径値とを比較
して偏差を求め、この偏差をもとに不完全微分によるP
ID処理を行って単結晶引上げ速度を算出し、この単結
晶引上げ速度を引上げ手段に指令して上記引上げ単結晶
の直径を目標直径に制御することを特徴とするシリコン
単結晶の直径制御方法。
Claim 1. A diameter control method for a silicon single crystal in which the diameter of a pulled single crystal rotating relative to a crucible is controlled by a crystal pulling speed, wherein the diameter of the pulled single crystal measured by optical means is Compare with the target diameter value to find the deviation, and based on this deviation, calculate P by incomplete differentiation.
A method for controlling the diameter of a silicon single crystal, characterized in that the diameter of the pulled single crystal is controlled to a target diameter by calculating a single crystal pulling speed by performing ID processing, and instructing a pulling means to use the single crystal pulling speed.
【請求項2】  偏差を不完全微分によるPIDで処理
する代りに、スミス法により処理することを特徴とする
請求項1記載のシリコン単結晶の直径制御方法。
2. The method for controlling the diameter of a silicon single crystal according to claim 1, characterized in that the deviation is processed by the Smith method instead of being processed by PID using incomplete differentiation.
【請求項3】  るつぼに対して相対的に回転する引上
げ単結晶の直径を結晶引上げ速度により制御するシリコ
ン単結晶の直径制御装置において、光学的手段により測
定される上記引上げ単結晶の直径実測値を取り込む結晶
直径入力部と、上記直径実測値と目標直径値とを比較し
てその偏差から上記単結晶引上げ速度を算出する不完全
微分PID演算部と、上記結晶引上げ速度を引上げ手段
に指令する引上げ速度出力部とを有することを特徴とす
るシリコン単結晶の直径制御装置。
3. In a silicon single crystal diameter control device that controls the diameter of a pulled single crystal that rotates relative to a crucible by a crystal pulling speed, an actual measured value of the diameter of the pulled single crystal measured by optical means. a crystal diameter input section that takes in the crystal diameter, an incomplete differential PID calculation section that compares the actual measured diameter value with the target diameter value and calculates the single crystal pulling speed from the deviation, and instructs the crystal pulling speed to the pulling means. 1. A diameter control device for a silicon single crystal, comprising a pulling speed output section.
【請求項4】  不完全微分PID演算部の代りにスミ
ス法演算部を用いたことを特徴とする請求項3記載のシ
リコン単結晶の直径制御装置。
4. The silicon single crystal diameter control device according to claim 3, wherein a Smith method calculation unit is used in place of the incomplete differential PID calculation unit.
【請求項5】  引上げ単結晶の直径値の結晶引上げ速
度に対する応答特性を式[1]に示す伝達関数により定
義し、上記結晶引上げ速度のステップ的変化に対する上
記直径値の応答を求めるステップ応答試験を行って上記
伝達関数中のV,Lの2種類のモデルパラメータを決定
することを特徴とするモデルパラメータ決定方法。 【数1】         Gp(s)=V/s2 ・e−Ls 
                      …[1
]            ただし、  V:応答速度
                      L:む
だ時間                      
s:ラプラス変数
5. A step response test in which the response characteristic of the diameter value of the pulled single crystal to the crystal pulling rate is defined by a transfer function shown in equation [1], and the response of the diameter value to a stepwise change in the crystal pulling rate is determined. A method for determining model parameters, characterized in that two types of model parameters, V and L, in the transfer function are determined by performing the following steps. [Equation 1] Gp(s)=V/s2 ・e−Ls
… [1
] However, V: Response speed L: Dead time
s: Laplace variable
【請求項6】  請求項1,3記載の
不完全微分PID処理による演算に用いるPIDパラメ
ータ及び請求項2,4記載のスミス法処理による演算に
用いるスミス法パラメータを、請求項5記載のシリコン
単結晶モデルを用いた計算機シミュレーションにより求
めることを特徴とするPIDパラメータ決定方法。
6. The PID parameters used in the calculation by the incomplete differential PID processing according to claims 1 and 3 and the Smith method parameters used in the calculation by the Smith method processing according to claims 2 and 4 are obtained by using the silicon unit according to claim 5. A method for determining PID parameters, characterized in that the PID parameters are determined by computer simulation using a crystal model.
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