（机械电子工程专业论文）cz150直拉单晶炉—热场控制系统的研究.pdf

学号塑i ! 叁竺! ! 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得澎鎏盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 乱奠 签字日期：矽口莎年多月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权进姿盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 赳轰 签字日期：力口；年6 月7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：埘年月夕日 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文 摘要 本论文介绍了一种基于p l c 的模块化直拉单晶炉热场温度控制系统，它具有可 扩展性强、灵活性好、易于维护等特点，只要做很少的模块扩展与软件修改工作， 就可以满足各类直拉单晶炉控制系统的要求。 本论文鉴于现在直拉单晶炉热场温度控制的现状，提出了模糊变系数p i d 控制 算法，通过现场试验，实验曲线数据分析表明：论文给出的模糊变系数p i d 控制算 法能够满足设计要求，能够达到对于直拉单晶炉热场温度控制的目的，控制精度在 允许的控制范围内，误差比较合理，使作业控制更加有效和准确。 论文总共分为七章： 第一章介绍了论文的研究背景以及国内外在直拉单晶炉研究现状及发展，并对 热场及其控制以及c z l 5 0 直拉单晶炉进行了介绍，并由此引出了论文的研究内容和 方法。 第二章主要进行的工作是研究了晶体的热动力、热传输，在此基础上对热场建 j ，： 模。 第三章详细叙述了直拉单晶炉热场模糊变系数p i d 温度控制，首先对直拉单晶 炉热场的特性进行测试研究，然后用模糊变系数p i d 控制算法进行控制，用经验知 识对模糊变系数p i d 算法中的参数进行修正，达到理想的控制效果。 第四章详细叙述了以基于p l c 的模块化直拉单晶炉热场温度控制系统的硬件实 现，首先提出了直拉单晶炉热场对控制系统的硬件要求，然后对本系统的硬件设计 进行了详细说明。 第五章详细叙述了以基于p l c 的模块化直拉单晶炉热场温度控制系统的软件实 现，首先对软件系统的整体框架进行了介绍，然后对软件系统的各个程序模块逐个 分析。 第六章介绍了论文的现场试验，给出了系统试验的曲线、数据分析和最终结论。 第七章总结了本论文研究的内容，并对课题中需要进一步研究、完善的重点进 行了一定的探讨、分析和展望。 关键词：模块化，单晶炉，p l c ，热场温度，控制策略，模糊变系数p i d 。 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t am o d u l a r i z a t i o n - c o n t r o ls y s t e mo fs i l i c o nc r y s t a lf u m a e eb a s e dp l ci sd i s c u s s e d i nd e t a i l b e c a u s eo fi t sm o d u l a r i z a t i o n - s t r u c t u r e , i th a ss t r o n g e x p a n s i b i l i t y , g o o d f l e x i b i l i t ya n dg o o dm a i n t a i n a b i l i t y w i t hc h a n g i n g af e wh a r d w a r em o d u l a r sa n d m o d i f y i n gs o f t w a r e ，i t c a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so fm o s tc o n t r o ls y s t e m so fs i l i c o n c r y s t a lg r o w i n gf u r n a c e a i m i n ga t t h 0a c t u a l i t yi nt h et h e r m a lf i e l do ft h ec o n t r o ls y s t e mo fc z s i l i c o n c r y s t a lf u m a e e t h ep i da n df u z z yc o n t r o li sr a i s e da n dr e a l i z e d t h i sn e w l yc o n s t r u c t e d s y s t e mi st e s t e db yp r a c t i c a le x p e r i m e n to ni t sc o n t r o le f f e c ta n dt h er e s u l ts h o w st h a to u r d e s i g nc a nm e e tt h ed e s i g ng u i d e l i n ea n d w o r ke f f e c t i v e l y t h i st h e s i sc o n s i s t so fs e v e ns e c t i o n s ： c h a p t e r 1s h o w st h er e s e a r c h b a c k g r o u n d , a n a l y z e st h ep r e s e n t r e s e a r c h d e v e l o p m e n to nt h ef i e l do ft h ec z l 5 0 s i l i c o nc r y s t a lf u r n a c ea n df i n a l l yg i v e st h er e s e a r c h c o n t e n ta n dm e t h o do fm y p a p e r c h a p t e r2r e s e a r c h e so nt h e r m o d y n a m i c sa n dh e a t - e x c h a n g eo ft h ec r y s t a l ， a f t e r t h a tt h et h e r m a lf i e l dm o d e li su p b u i l d e d c h a p t e r3d e t a i l e d l yd e p i c t st h ep i da n df u z z yc o n t r 0 1 f i r s t l yi t sc h a r a c t e r i s t i ci s t e s t e da n ds t u d i e d l a t e r , p i da n df u z z yc o n t r o la r i t h m e t i ca r eu s e df o rc o n t r o l l i n g , e x p e r i m e n td a t aa r ea n a l y s e da n ds t u d i e d , w i t ht h a tt h er e s u s t sa r ep r e s e n t e d l a a t l y p a r a m e t e ro ft h ep i da n df u z z yc o n t r o li sc o r r e c t e ds u b j e c t i v e l ys ot h a tt h ep e r f e c te f f e c t i sa c h i e v e d c h a p t e r4d e t a i l e d l yd e p i c t st h ei m p l e m e n to fh a r d w a r ea b o u tt h ec o n t r o ls y s t e mo f s i l i c o nc r y s t a lf u m a c ew i t hp l cb a s e d f i r s t l yt h eh a r d w a r ec o n d i t i o ni sm e n t i o n e d l a t e r , e a c hm o d u l ei n t e r f a c ea n df u n c t i o ni si n n o d u c c d c h a p t e r5d e t a i l e d l yd e p i c t st h ei m p l e m e n to fs o f t w a r ea b o u tt h ec o n t r o ls y s t e mo f s i l i c o nc r y s t a lf u m a e ew i t hp l c b a s e d f i r s t l yt h ei n t e g e r e df r a m eo fs o f t w a r es y s t e mi s d i s c u s s e d l a t e r , e a c hp r o g r a m m a b l em o d u l oi sa n a l y s e ds t e pa n ds t e p c h a p t e r6e x p l a i n st h es y s t e me x p e r i m e n t st h a ta r ec a r r i e do u tt ot e s tt h i ss y s t e m d e s i g n a f t e re x p e r i m e n t a lc 札i n ea n dd a t aa n a l y s i s t h er e s u l ts h o w st h a to u rd e s i g nc a n m e e tt h ed e m a n do ft h i sp r o j e c ta n dc a nw o r ke f f e c t i v e l y c h a p t e r7i sas u m m a r yo ft h ew h o l er c s e n r e hw o r k t h em a i na c h i e v e m e n t so ft h i s t h e s i sa r em e n t h i o n e da n dt h e n e e i to ft h ef u r t h e rd e v e l o p i n gw o r ki sp o i n t e do u t 2 奠 j 鳓 浙江大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：m o d u l a r i z a t i o n ，c r y s t a lf u r l l a c e , p l c , t e m p e r a t u r eo ft h et h e r m a lf i e l d , c o n t r o ls t r a t e g y , f u z z yv a r i e t y p a r a m e t e rp i d 3 一| ， 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 摘要：综合阐述了直拉单晶炉国内外的发展历程、研究现状及其发展趋势，并介绍了直拉单晶 炉的控制系统，最后指明了本论文的主要研究方向和内容。 1 1 直拉单晶炉的国内外研究现状及发展 1 1 1 硅单晶及其制备方法直拉法简介 硅单晶是由硅原子周期性彼此紧密平行排列在一起的单晶体，是一种半导体材 料，它是微电子技术的材料基石，k a y e x 公司生产的硅单晶如图i - i 。根据硅单晶中 各结晶面( 或方向) 不同，它分 、 及 三类。硅的物理化学性质在 不同晶向有所差异，因此根据器件不同的要求，对材料提出不同的生长方向。多数 硅结型器件( 如晶体管、集成电路等) ，大都采用 晶向硅片；对于表面器件如 m o s f e t ，c c d 等，大都采用 晶向，这是因为 晶向界面密度删1 j 髑。 图i - i 硅单晶 六十年代，人们发展了硅单晶半导体材料，它一登上半导体材料舞台，就显示 了独特优点：电学性能和热稳定性好，能在较高和较低的温度下稳定的工作，硬度 大，原材料来源丰富，地球上百分之二十五点八使硅，真是取之不尽，用之不竭。 因此，硅单晶制备工艺发展非常迅速，产量成倍增加。 随着我国信息产业的发展，对硅单晶质量要求越来越高，直径也越来越大。可 以说硅单晶是现代信息技术、通信技术得以持续发展的材料基础，有不可替代的作 用就硅晶体生长和制备而言，有天然硅晶体和人工硅晶体。天然硅晶体的数量很 少，一般硅单晶都是人工制造的。为了制备性能良好的硅单晶，在生产实践中，人 们通过不断地研究、实践和探索，不断完善了硅单晶生长技术。从熔体中生长单晶 6 ，吩 0 浙扛大学硕士学位论文 所用的直拉法和区熔法是当前硅单晶生产的主要方法。另外，还有基座法、片状单 晶生长法、蹼状单晶生长法等。尽管制备硅单晶方法有很多种，但由于直拉法生长 硅单晶具有设备和工艺比较简单，容易实现自动控制，生产效率搞，易于制备大直 径硅单晶1 6 i ，并且晶体生长速度快、晶体的纯度和完整性高等优点，因而依然是制 备高质量大单晶，特别是高质量的l c 片硅单晶最常用和最重要的方法。下面对直拉 法( c z 法) 简单介绍。 直拉法，也叫切克劳斯基( j c z o c h r a l s k i ) 7 1 法。此法早在1 9 1 7 年由切克劳斯基 建立的一种晶体生长方法，后来经过很多人的改进，成为现代制备硅单晶的一种主 要方法。用直拉法生长单晶的设备和工艺比较简单，容易实现自动控制，生产效率 高，易于制备大直径单晶，容易控制单晶中杂质浓度，可以制备低电阻率单晶。据 统计，世界上硅单晶的产量中7 0 8 0 是用直拉法生产的。 利用直拉式晶体生长炉生产硅单晶，主要依靠将普通硅材料进行熔化一重新结 晶来完成的。根据硅单晶的结晶规律，制造一个熔化和结晶的环境：将原材料放在 坩埚中加热熔化，控制温度比硅单晶的结晶温度略高，确保熔化后的硅材料在熔液 表面可以结晶。结晶出来的单晶通过直拉炉的提升系统提出液面，在惰性气体的保 护下冷却、成形，最后结晶成一个主体为圆柱体、尾部为圆椎体的晶体，如图l 硅 单晶。 1 1 2 直拉单晶炉结构简介 直拉单晶炉尽管型式不同，但总的来说，主要是由炉体、电器部分、热系统、 水冷系统，真空系统和氩气装置等六大部分组成嗍【1 2 1 一、炉体 炉体由炉座、炉膛、炉项盖、坩埚轴( 也叫下轴) 、籽晶轴( 也叫上轴) 、光学 等直径测量仪和温度监测器等部件组成。 炉座一般由铸铁制成，它支撑整个炉体，炉膛装在炉座上面，坩埚轴及其相应 驱动部件也装在炉座上。 炉膛的样式比较多，但一般是由炉室、观察窗、炉门、测温孔、光学等直径监 测孔和外接真空管道与氩气进出口等几部分。坩埚轴和籽晶轴从炉膛中心穿过并能 上下运动。炉膛一般由两层4 毫米一5 毫米不透钢板制成夹层状，中间通水。 炉顶盖样式也较多，一般由铸铁制成，主要支撑籽晶轴的提拉、旋转及其驱动 部件。 坩埚轴由不透钢制成，双层套管，中间通水冷却。坩埚轴通过托杆和石墨托碗 支撑石英坩埚中的多晶硅，并且通过旋转、上升或下降调节热系统中坩埚内熔硅位 置，以便顺利拉晶。 籽晶轴也是由不透钢制成，能够旋转、上升和下降，它的结构和坩埚轴一样， 但比坩埚轴要长。它的主要作用是通过耔晶夹头卡住籽晶，并且一边旋转一边向上 7 、；h 1 j 浙江大学硕士学位论文 缓慢运动，完成拉晶动作。随着单晶炉的大型化，单晶长度增加很快，提拉行程增 长，现在一般是用钢丝式铰链做籽晶轴，即所谓的“软轴” 光学等直径测量仪装在炉膛上，它似照相机，一组光学镜头对准坩埚中心，通 过镜头将硅单晶横断面直径的变化影象反射到毛玻璃屏幕上，屏幕上有一组光敏二 极管，单晶直径影像的变化作用在光敏二极管上，产生电信号，经过放大与分压或 分流处理，控制拉晶速度和加热功率，保证硅单晶等直径生长，调节光敏二极管的 位置可以决定生长硅单晶直径的大小。 红外测温仪装在炉膛的测温孔上，正对加热器中部。为了便于测量与测量的灵 敏度高和测量准确，一般要现场调试安装的位置，使得到的热信号强度达到最大， 将热信号的变化经放大输入给温度功率控制部分，可自动恒温控制。 单晶炉的机械传动部分包括籽晶轴、坩埚轴和驱动它们旋转与上升或下降的电 机。籽晶轴和坩埚轴的旋转有直流电机分别经过皮带( 或齿轮变速后) 带动抱轮使 其旋转。籽晶轴和坩埚轴的上升或下降通过两个直流电机驱动螺纹旋转，使丝杠上 升或下降来完成。这四个运动各自独立，互不干扰。不同的是坩埚轴比籽晶轴有更 慢的上升或下降速度。 二、电器 智力单晶炉电器由配电盘，控制柜和变压器三大部分组成配电盘是整个直拉 单晶炉的总电源，通过它把电流输送给控制柜，控制柜控制整个直拉单晶炉安全正 常运转和加热功率的变化，控制真空系统运行。加热电源通过控制柜后进入变压器， 把2 2 0 伏( 或3 8 0 伏) 电压变成o 一5 0 伏，输给直拉单晶炉紫铜电极。 三、热系统 智力单晶炉热系统由加热器、保温罩、石墨电极、石墨托碗、石墨托杆组成。 保温罩一般用高纯石墨制成。强大的电流通过加热器产生高温，由保温罩保温，形 成热场。 四、水冷系统 用直拉单晶炉拉制硅单晶是在高温下进行的，因此，炉膛、观察窗、籽晶轴、 坩埚轴、紫铜电极必须进行水冷。直拉单晶炉都装有庞大的水冷系统，它由进水管、 水阀、水压继电器、分水箱、回水箱和排水箱组成各冷气部分水网。 五、直拉单晶炉真空系统 直拉单晶炉的真空系统使直拉单晶炉膛获得真空度高低，主要包括真空机组， 真空测量仪表( 真空计) 。真空机组由机械泵、真空阀门、充气阀门和真空管道组成。 六、氩气净化装置 直拉法拉制硅单晶时，一般用高纯氩气做保护气体 1 1 3 直拉单晶炉的发展概述 1 9 1 7 年，切克劳斯基( j c z o e h r a l s k i ) 发表了用直拉法从熔体中生长单晶体的论 8 浙江大学硕士学位论文 文，为用直拉法生长硅单晶奠定了理论基础，从此，直拉单晶设备一直拉单晶炉飞 速发展。最初的直拉单晶炉用高频加热，这种形式的单晶炉称为外热式直拉单晶炉。 最初的外热式单晶炉粗糙简单，以后在发展过程中不断改进，增加了坩埚的旋转和 一些附属件，终于使外热式单晶炉初具规模。但是，这种形成的直拉单晶炉对进一 步扩大硅单晶生产阻碍较大，因此，在发展中出现了内热式直拉单晶炉。内热式单 晶炉用高纯石墨作发热体，发热体用保温材料保温，放在密封水冷的不锈钢炉腔内， 发热体通过大电流产生高温使多晶硅熔化。 同时直拉硅单晶生长技术的发展也促进了直拉硅单晶生长设备发展。最初的直 拉单晶炉装料量只有一百多克多晶硅，石英坩埚的直径4 0 毫米至6 0 毫米，拉制的 硅单晶长度只有几厘米到十几厘米，现在，直拉单晶炉一般可装多晶硅4 5 公斤，最 多的国外达到3 0 0 公斤，石英坩埚直径达3 5 0 毫米，单晶直径达1 5 0 毫米，长度近 2 米“”1 “1 。直拉单晶炉籽晶轴由硬构件发展成软构件，由手工操作发展成自动操作， 并进一步发展成计算机操作。直拉单晶炉几乎每三年更新一次。 随着硅单晶在高技术应用领域的不断推广，对单晶体的需求量在不断增加，对 硅单晶质量的要求越来越高，市场需要的单晶硅芯片直径越来越大。为满足迅速发 展的信息 技术对硅单晶的需求，国内外晶体生长厂家纷纷投巨资扩大硅单晶的产量，对直拉 式硅晶体生长炉的需求量近年来也迅速增加。特别是近年来国家对信息产业( 含硅 单晶片) 的优惠政策使国内硅片生产厂商纷纷扩大生产规模，新的厂家投巨资进入 硅单晶片生产领域，成为国内的一个投资热点 目前，人工晶体材料不断向大直径、高质量、产业化方向发展，这就要求与之相 适应的人工晶体生长设备( 包括直拉式单晶生长炉) 向大型化方向发展，具备稳定性 好、质量高、自动化程度高、操作使用方便等优点。 1 1 4 国内外研究现状 目前，人工晶体材料不断向大直径、高质量、产业化方向发展，这就要求与之相 适应的人工晶体生长设备向大型化方向发展，具备稳定性好、质量高、自动化程度高、 操作使用方便等优点。 尽管制备晶体的方法有很多种，但由于全自动控制熔体提拉法生长具有生长速 度快、晶体的纯度和完整性高等优点，因而依然是国内外制备高质量大单晶，特别 是高质量的i c 片硅单晶最常用和最重要的方法。 在晶体生长过程中，为了最大限度地免除人为因素对生长过程的干扰，必须最 大限度地提高生长设备的稳定性、精确性和自动化程度。在这方面，国内外生产厂 家都作了大量的技术改进和提高。 目前国内外晶体生长设备的现状如下： 9 浙江大学硕士学位论文 1 国外的以美国k a y e x 公司为代表，生产全自动硅单晶体生长炉。k a y e x 公司是目前世界上最大，最先进的硅单晶体生长炉制造商之一，它是专业生产直拉 单晶炉的厂商，隶属于美国通用信号集团。该公司拥有4 0 多年的历史，在单晶炉制 造业中一直处于领先地位，是世界上第一个拉出8 ”单晶硅的公司，其产品行销世界 各地。k a y e x 的产品早在8 0 年代初就进入中国市场，为众多半导体材料生产厂家 所广泛采用。h e m c o - - k a y e x 已成为中国半导体行业使用最多的品牌，深得用户 好评k a y e x 公司一直致力于开发新技术以更好地服务于用户。其研制成功的半 连续加料系统和带磁场、大容量、大直径单晶炉已经被证实是卓有成效的。该公司 生长的硅晶体生长炉从抽真空一检漏一熔料一引晶一放肩一等径一收尾到关机的全 过程由计算机实行全自动控制。晶体产品的完整性与均匀性相当好，等径生长时直 径偏差在单晶全长内仅l m m 。主要产品有c g 3 0 0 0 、c g 6 0 0 0 、l ( 1 ；y i 1 5 0 、v i s i o n 3 0 0 型，投料量分别为3 0 k g 、6 0 k g 、1 5 0 k g 、3 0 0 k g 。( 详细信息见表1 ) 北京有色金属总院、浙大海纳公司、洛阳麦斯克硅材料厂、上海硅材料厂、浙 江硅峰公司、浙江湖州新元泰微电子有限公司等硅单晶生产厂商都采用k a y e x 的 炉子。但其价格相当昂贵。以掀c g 6 0 0 0 型为例，每台售价在3 00 8 万美元左 右( 折合人民币约2 5 0 - - 3 1 0 万元左右) 。 表1 k a y e x 主要产品 最大投料量坩埚最大直径硅单晶直径 v i s i o n 3 0 0 3 0 0 k g 3 6 ”1 2 “ k x 2 6 0 2 6 0 k g 2 8 ” 1 2 “ k x 5 0 1 5 0 k g 2 4 ”8 ” f k l 2 0 1 2 0 k g 2 2 ”8 ” c g 6 0 0 0 6 0 k g 1 8 ”6 ” c g 3 0 0 0 3 0 k g 1 4 ” 4 。 k a y e x c g 3 0 0 0 、k a y e x c g 6 0 0 0 型系统如图1 2 、图1 - 3 ： 1 0 浙江大学硕士学位论文 图1 - 2k a y e x c g 3 0 0 0 型图卜3k a y e xk x l 5 0 型 2 国内以西安理工大学的晶体生长设备研究所为代表。自6 1 年起开始生产晶 体生长设备。主要产品有t d r 一6 2 b 、t d r - 7 0 b 、t d r 8 0 ，投料量分别为3 0 k g 、4 5 k g 、 6 0 k g 。开封太阳能电池厂、秦皇岛太阳能电池厂、云南半导体材料厂、宁波太阳能 电池厂等太阳能电池生产厂商都采用西安理工大学的炉子。但其产品属于普及型。 目前产品大部分用于太阳能电池市场。国内晶体生长炉的自动化程度远远不及国外 的产品，不能满足现在我国市场上大直径、自动化程度高的要求。 西安理工大学生产的t d r 一7 0 、t d r - - 8 0 单晶炉如图1 4 、l 一5 图1 4t d r - 7 0 型单晶炉图1 - 5t d r - 8 0 型单晶炉 3 浙江大学机械厂与美国k a y e x 公司合作( 美方控股) 成立中美k a y e x - 浙 1 1 浙江大学硕士学位论文 大机电有限公司，利用引进k a y e x 公司的c g 3 0 0 0 、c g 6 0 0 0 硅单晶生长设备制造 技术，生产全自动硅单晶生长设备4 0 余台。产品主要销往台湾、香港、美国等地。 但由于美国k a y e x 公司在技术方面的保密要求，中方只能进行设备机械部分制造、 装配与调试，所有设备的材料都需要从美国引进，连一个螺钉螺母都不例外，全自 动控制软件全由美方控制。从技术层面上讲，与引进设备是一致的，属同一水准。 国产晶体生长炉和进口晶体生长炉相比存在的差距主要表现在晶体产品的完整 性与均匀性、元器件的稳定可靠性和设备的控制水平、自动化程度等几个方面。例 如k a y e xc g 6 0 0 0 型单晶炉和k a y e x l 5 0 型单晶炉可以实现从抽真空一检漏一熔料 一引晶一放肩一转肩一等径一收尾直到关机全过程的自动化控制，而国产单晶炉仅 能实现等径一收尾过程的自动化控制。另外，由于东南亚的金融危机及国外半导体 硅材料生产厂家的升级换代，使得原有的设备廉价出售，趁此时机国内半导体硅材 料生产厂家竞相购买，国产单晶炉相对于进口单晶炉的价格优势不复存在。 1 2 直拉单晶炉控制系统概述 晶体产品的完整性与均匀性是晶体生长炉最关键的技术指标，要求在长达3 0 - 4 0 个小时的成晶过程中确保晶体的无错位生长，同时尽可能避免晶体的内应力与微缺 陷；因此需要让硅单晶按要求进行有规律地生长，这就对晶体的圆柱直径、生长速 度的均匀性提出了很高的要求。另外，在整个过程中，渗杂剂在轴向以及径向分布 的均匀性、氧含量的均匀性也都直接影响了产品的质量。要达到上述的技术要求， 除了对单晶炉的机械本体的加工、安装精度有较高的要求之外，作为单晶炉核心的 自动控制系统部分显得尤为至关重要。 国外的直拉单晶炉的自动控制技术比较成熟，比如美国k a y e x 公司的直拉单 晶炉能够实现从抽真空一检漏一熔料一引晶一放肩一转肩一等径一收尾1 1 6 】。0 7 1 n 关 机的全过程由计算机实行全自动控制，并且晶体产品的完整性与均匀性相当好，等 径生长时直径偏差在单晶全长内仅- , - l m m 。国产晶体生长炉只能实现等径一收尾的自 动控制，而且用国产晶体生长炉生产晶体产品，其完整性与均匀性都远远低于进口 晶体生长炉或合资企业生产的晶体生长炉，还很难达到电路级的要求，产品大部分 只能用于太阳能市场，而不能进入i c 行业的芯片市场。 晶体生长炉自动控制系统是整套晶体生长炉的核心，包括硬件与控制策略两大 部分。硬件部分包括加热电源功率控制系统、坩埚旋转与升降系统、籽晶旋转与升 降系统、硅单晶直径测量与控制四大主系统，以及氩气保护系统、系统冷却及故障 自保护系统、液压油源等辅助系统控制策略又是整个晶体生长炉自动控制系统的 重中之重要提高晶体产品的完整性与均匀性，关键就在于自动控制系统如何对坩 埚内熔液的温度、加热器功率、坩埚与籽晶旋转速度特别是籽晶提升速度等多个参 数的协调控制，即等径阶段的自动控制策略。 整个晶体生长炉是一套集晶体生长理论，热流体场理论、机械、电子、传感、 浙江大学硕士学位论文 液压、真空、自动控制等于一体的复杂设备，需要通过自动控制系统完成抽真空一 熔料一引晶一放肩一转肩一等径一收尾的全过程，并确保最终晶体产品的完整性与 均匀性。在晶体生长过程中，为了最大限度地免除人为因素对生长过程的干扰，必 须最大限度地提高生长设备的稳定性、精确性和自动化程度。在这方面，国内外生 产厂家都作了大量的技术改进和提高。 1 3 直拉单晶炉热场、影响因素 1 - 3 1 直拉单晶炉热系统和热场 直拉单晶炉热系统由加热器、保温系统、支持机构、托杆、托碗等组成，加热 器是热系统的主体，用高纯石墨制成。保温系统用石墨制成，也有用碳素纤维、碳 毡、高纯石英、钼片和高纯石墨其中几种材料混合组成f 1 8 】。 热系统的大小、高矮、厚薄不同，温度的变化不同，常用温度梯度从数量上描 j 个 述热系统的温度分布情况。所谓温度梯度，指温度在某方向的变化率，用竿表示， d r 指某点的温度t 在，方向的变化率。在一定距离内，某方向的温度相差越大，单位 距离内温度变化也越大，温度梯度也越大。反之，温度相差越小，温度梯度也越小。 于是，仿照力学上的力场，电学上磁场的描述，称这种热力学上的温度分布为“温 度场”，通常称为“热场”。 单晶炉内的热场在整个拉晶过程中是变化的，因此，上面所说的热场，包括静 态热场和动态热场两种形态。静态热场指多晶硅熔化后，引晶时候的温度分布状况， 由加热器、保温系统、坩埚位置及周围环境决定。动态热场指拉晶时候的热场。拉 晶时，由于晶体生长放出结晶潜热，影响温度分布，熔体液面下降，使温度分布发 生变化，而晶体生长的表面积增加，散热面积增加，温度分布也发生变化，这样温 度梯度不断变化的热场称为动态热场。动态热场是晶体生长时的实际热场，它时在 静态热场的基础上补充变化而来的。 硅单晶是在单晶炉热场中进行生长的，热场的优劣对硅单晶的生长和质量有很 大影响。硅单晶生长过程中，好的热场，不但单晶生长顺利，而且能生长出高质量 的单晶。不好的热场，不但根本生长不出单晶，即便生长出单晶，也容易发生晶变， 变成多晶或有大量的结构缺陷。因此，寻找较好的热场条件，配置最佳热场，是直 拉硅单晶生长工艺非常重要的技术。 浙江大学硕士学位论文 f - 、 o 温度t#0 x 加热器纵冉温度分布示意囝加热器径向温度分布示意图 图1 6 加热器纵向和径向温度分布示意图 热场主要受热系统影响，热系统变化，热场一定要变化。加热器是热系统的主 体，是热场的关键部件，因此，了解加热器内温度分布状况对配置热场是非常重要 的，如上图1 - 6 。 从图1 - 6 加热器纵向和径向温度分布示意图看出：加热器纵向温度分布，以中 心为基准，中心温度最高，向上和向下温度逐渐降低，它的温度变化率称为纵向温 度梯度，用坚表示。加热器的径向温度分布，中心温度最低，越靠近加热器边缘， 缈 温度逐渐增高，成抛物线状，它的温度变化率称为径向温度梯度，用坚表示。 d x 硅单晶生长时，热场中存在着晶体( 固体) 和熔体两种形态。因此，温度梯度 也有两种。晶体中的纵向温度梯度用( 婴) s 表示，径向温度梯度用( 孕) 。表示。 掣 戤 熔体中的纵向温度梯度用( 譬) 。表示，径向温度梯度用( 孕) 。表示。这是两种 卿积 完全不同的温度梯度。但是，最能影响熔体结晶状态体是第三种温度梯度，即生长 界面的温度梯度，用( 婴) 札和( 鍪) 礼表示。它是晶体结晶、熔体状态和环境三 缈 积 者的传热、放热与散热综合影响的结果，在一定程度上决定着生长的硅单晶质量。 晶体生长时，硅单晶的温度梯度粗略讲，离结晶界面越远，温度越低，即纵向 温度梯度大于零，如图1 7 。 浙江大学硕士学位论文 ， t 图l - 7 晶体纵向温度梯度示意图 晶体的纵向温度梯度足够大时，才能使硅单晶生长时产生的结晶潜热和熔体传 给单晶的热量及时传走，保持结晶界面温度的稳定。若晶体的纵向温度梯度较小， 晶体生长放出的结晶潜热和熔体传给的热量不能及时传走，硅单晶的温度会升高， 结晶界面的温度也会升高，熔体表面的过冷度减小甚至温度超过熔点，硅单晶的正 常生长就会受到影响甚至产生回熔。如果晶体的纵向温度梯度过大，熔体传给晶体 的热量和结晶放出的潜热虽然及时导走了，但是由于晶体散热快，熔体表面的一部 分热量也被散掉，使结晶界面温度降低。熔体表面过冷度赠答，可能产生新的不规 则晶核，使晶体变成多晶，同时，熔体表面过冷度增大，单晶可能产生大量的结构 缺陷。总之，晶体的纵向温度梯度要足够大，但不能过大。 j 个 晶体正常生长时，熔体温度分布概略地说，即( 竺 ) l 大于零。如图1 8 。 y t r t 图l - 8 熔体各种不同纵向温度梯度及晶体生长状况 熔体的纵向温度梯度较大时，如图中( a ) ，离开液面远，即越深入导熔体内部温 浙江大学硕十学位论文 度越高，即使熔体温度波动有少量温度降低，因为生长界面以下熔体温度高于结晶 温度，不会使晶体局部有较快的生长，结晶界面较平坦，晶体生长是稳定的。 熔体的纵向温度梯度较小时，如图中( b ) ，结晶界面以下的熔体温度与结晶温度 相差很小，熔体温度波动时，温度降低可能生成新的晶核凝结在硅单晶表面，使硅 单晶发生晶变，晶体生长不稳定。当熔体表面较厚的一层处于实际结晶温度时( 低于 熔点温度) ，硅单晶生长更不稳定。 特殊情况下，熔体温度梯度为负值，即离结晶界面越远，温度越低。熔体内部 的温度低于结晶温度，硅单晶会不规则地长入熔体，无法得到单晶，如图( c ) 。 热场的径向温度梯度，包括晶体的径向温度梯度，熔体的径向温度梯度核生长 界面的径向温度梯度。由于熔体周围由加热器供热，一般说来，熔体的径向温度梯 度总是正值，但是，硅单晶整个生长过程中生长界面的变化表明，结晶界面的径向 温度梯度由大于零变到等于零和小于零，如图1 - 9 。 z 图1 - 9 晶体生长过程中径向温度梯度和界面情况示意图 从图中可以看出：硅单晶最初等直径生长时，生长界面凸向熔体，界面的径向 温度梯度是正值，随单晶不断的增长，结晶界面由凸向熔体逐渐变平，界面的径向 温度梯度逐渐趋近于零。一般说来，硅单晶中部结晶机诶马平坦，界面的径向温度 梯度等于零单晶逐渐生长到尾部，平坦的生长界面逐渐凹向熔体，越接近单晶尾 部，生长界面越凹。这说明，单晶生长界面的径向温度由等于零变为负值，而且负 值越来越小。坩埚里整个熔硅表面，由于熔硅的传热与硅单晶结晶放出结晶潜热， 还有晶体散热三个因素影响，单晶最初生长可以近似认为熔硅表面径向温度梯度大 于零，单晶生长到中部时，可近似地认为熔硅表面径向温度梯度等于零，硅单晶生 长到尾部时，熔硅表面的径向温度梯度由小于零到大于零，温度梯度变化成倒人字 形 综上所述，一个热系统，合理的热场温度分布应该是： ( 1 ) 面的纵向温度梯度尽可能大，这样，才能使单晶生长有足够的动力。但是， 能过大，单晶既能良好生长，又不产生结构缺陷和产生晶变，应尽量使温度梯度变 浙江大学硕士学位论文 化平滑，不产生温度突变，不使单晶生长受到较大的热冲击。 ( 2 ) 生长界面的径向温度梯度尽量接近零或等于零，保证结晶界面平坦。 1 3 2 影响热场温度梯度的因素 生长高质量的单晶，一个重要的条件就是有一个合适的热场f 1 8 l 。f 捌。好的热场不 但拉晶过程顺利，拉出的单晶的电阻率均匀性也好，结构缺陷少，质量高。不好的 热场不但拉晶操作复杂，拉出的单晶电阻率均匀性也差，结构缺陷多，质量较差。 为了提高单晶质量，需要单晶生长界面平坦，要求有等于零或稍小于零的径向 温度梯度。而温度梯度的大小很大程度上决定与热系统的结构，包括加热方式，加 热器、坩埚大小、保温罩，托碗的形状和尺寸，决定于它们之间的相对位置。界面 附近的空间纵向温度梯度大，意味着晶体散热快，因此，增大纵向温度梯度可以适 当提高坩埚位置或者提高熔体液面位置( 多装料) ，也可以适当降低保温罩的高度， 加快单晶散热速度也可以提高热场纵向温度梯度。单晶的散热速度和晶体所处的环 境密切相关，设法增大熔体和上部空间的温差，就能增大热场纵向温度梯度，增大 熔体中心部分和周围环境温差就能增大径向温度梯度。向单晶炉内通入氩气，改变 单晶炉内气体流动路线，均可增大晶体散热，加大热场纵向温度梯度。单晶炉内热 场随着单晶生长不断变化，随着单晶长度增加，单晶的表面增大了，散热快了，因 此，纵向温度梯度有增大的趋势，然而，随着熔体液面的降低，单晶进入坩埚底部， 使纵向温度梯度有减小的趋势，因此，当单晶生长到一定长度之后，纵向温度梯度 反而减小。 由热系统组成的热场是一个有机的整体，调整热场的纵向温度梯度时，径向温 度梯度也会变化。同样的热场，在不同的拉晶条件下，纵向温度梯度也不相同。在 真空条件下，纵向温度梯度较小的热场，在有气氛条件下纵向温度梯度可能很大， 在流动氩气下梯度更大，减压拉晶时可能合适。总之，热场温度梯度大小不但决定 于热系统本身影响，还决定于拉晶条件。对某种电学参数的单晶，合适的热场条件 只能根据单晶参数的要求作出初步判断，较佳热场的具体条件只有通过试验才能最 后确定。 1 4 直拉单晶炉热场控制系统 1 4 1 直拉单晶炉热场控制系统及测试平台 直拉单晶炉热场温度控制系统包括热场系统和电气温度控制系统。其中热场系 统包括石墨加热器、石墨坩埚、石墨支座、石墨一碳毡保温罩、石墨保温罩和石墨 电极，其中加热器是热场的主体电气温度控制系统包括电气控制柜，可控硅整流， 温度传感器等。 硅晶体产品的完整性与均匀性是晶体生长炉最关键的技术指标，要求在长达 3 0 - 4 0 个小时的成晶过程中确保晶体的无错位生长，同时尽可能避免晶体的内应力 浙江大学硕士学位论文 与微缺陷；因此需要让硅单晶按要求进行有规律地生长，这就要求有一个精确的、 稳定的热场温度控制晶体生长环境。为此我们开发了一套基于p l c 的模块化直拉单 晶炉热场温度控制器，以此为控制控制和测试平台，其中可编程终端p t 触摸屏良好 的人机界面可以方便的进行手动、自动切换，以及完成存储数据和绘制温度控制曲 线等功能。通过以上这个温度控制和测试平台，我们用各种控制算法来对直拉单晶 炉热场温度进行控制，比较其控制性能。由于控制系统采样p l c 为核心，因此我们 可以将比较复杂的控制算法直接移植到直拉单晶炉热场现场温度控制中，在不提高 直拉单晶炉热场温度控制系统价格的前提下，提高直拉单晶炉热场温度控制的控制 效果。直拉单晶炉热场温度控制系统以及测试系统组成如图3 1 所示( 模块化直拉 单晶炉热场温控系统、p t 触摸屏、温度信号采集系统、加热控制输出系统) 1 2 6 j 3 q 。 人 控制指令 模 直 块 1 系统r 、r 一 拉 机化 蓖 界控晶 面 实时数据 制炉 系卜j 加热控制输出l j 、 热 、j 统叫系统r - 叫 场 图3 1 直拉单晶炉热场温度控制系统及测试系统 1 4 2 直拉单晶炉热场控制方式 直拉单晶炉热场温度控制系统一般以控制功率反馈与温度反馈相结合，控制方 式一般采用三相可控硅控制系统，输出功率的稳定度要求达到o 1 0 5 ，调节 精细。在保温罩侧面上有一个圆形开孔，开孔位置与炉膛上的一个测温窗口对应， 炉外有一个红外测温仪，可监测保温罩内侧的的石墨圆筒壁的温度，从而达到控制 拉制硅单晶温度的目的。在操作上，温度的控制一般有三种方式【3 2 l 4 3 1 。 ( a ) 手动调节加热功率，使用电位器调节加热器的电压，从而使加热器达到一 定的加热功率。 ( b ) 通过监测保温罩石墨内筒的温度，对温度进行自动设定和调节，保温罩石 墨圆筒的亮度与加热器的温度有关，炉外的温度传感器( 红9 t 灏1 温仪) 将这个光信 号转换成电信号，并给出一个读数，这个读数与设定的读数相比较，来控制加热功 率。这个读数只是一个相对读数，并不代表实际温度，传感器保温圆筒的对准程度， 保温罩与加热器之间的距离都会显著改变这个读数，严格的说，每一炉这个数值都 会发生变化，但在条件改变不大的情况下，上一炉的数值可作下一炉拉制硅单晶的 参考。 1 8 浙江大学硕士学位论文 ( c ) 通过设定拉速实现温度的自动控制，速度可随时手动调节，也可按工艺要 求预先设定工艺，即按拉晶的长度设定拉速，控制系统根据某一时段内实际平均拉 速和设定拉速的差来控制温度，当实际拉速大于设定拉速时，增大加热功率，当实 际拉速小于设定拉速时，降低加热功率，差值的大小控制加热功率的变化量。 1 4 3 热场温度控制算法 根据直拉单晶炉拉晶工艺，要求各生产工艺阶段温度不同，应用可控硅加热来 保证热场具有要求的温度分布和温控精度，同时应具有足够快的温升速度，以满足 拉晶工艺，保证制品质量，提高生产力的要求。由于加温系统存在大惯性，所以加 热系统是一个纯滞后，大惯性多边量的非线性时变系统1 4 4 1 1 6 1 1 。 直拉单晶炉热场温度控制系统的控制算法一般有： 一、位置式p i d 控制算法 由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量， 因此，微分项和积分项不能准确的计算出，只能用数值计算方法逼近。位置式的p i d 控制算法为： l 一七【弓+ t t , ：p ，+ 乃t ( 弓一轧1 ) 】 ( 1 1 ) 衙 还可得到增量式p i d 控制算法： a 吩- u j q 1 - 七【岛一岛- 1 + r 霉巳+ 瓦r ( 岛一2 巳1 + e f - 2 ) 】 ( 1 2 ) 计算机控制系统采用恒定的采样周期t ，故在确定了k ，t s ，t d 后，根据前后三 次的测量偏差就可以求出控制增量。实际上，位置式与增量式控制对整个闭环系统 并无本质差别，只是将原来全部由计算机承担的算式，分出一部分由其他的部件完 成。 二、积分分离p i d 控制算法 在一般的p i d 控制系统中，当开工、停工或大幅度下降给定值时，由于短时间 内产生很大偏差，加上系统有滞后，常会产生严重的积分饱和现象，这往往造成很 大的超调和长时间的振荡。特别对于温度、液面等变化缓慢的过程，这一现象更为 严重。为了克服这个缺点，可以采样积分分离手段，即在被控量开始跟踪时，取消 积分作用，而当被控量接近新的给定值时才将积分作用投入。采取这一措施后，可 以充分发挥积分作用在消除静差、提高精度方面的优点，