无温度信号处理开环式功率自控晶体生长控制方法
【专利摘要】一种无温度信号处理开环功率自控晶体生长控制方法，包括放肩工艺步骤的功率开环控制系统和等径工艺步骤的功率开环控制系统，采用功率直控模式，完全避免了温度信号测试仪的信号取值与处理，直接采用功率控制模块进行闭环控制模式，与直径拉速闭环控制模式相辅相成，形成独特的晶体功率控制模式，从而有效解决单晶硅棒生长过程中的异常功率波动及温度冲击导致晶体生长失败的情况，较大地提高晶体硅棒连续化，提高生产效率，提高了抗干扰性能，降低了生产成本（约25%）的同时大幅度提高了产品成品率（约32%）。
【专利说明】无温度信号处理开环式功率自控晶体生长控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及CZ直拉法单晶炉控制系统制造领域，特别无温度信号处理开环式功率自控晶体生长控制方法。
【背景技术】
[0002]日常生活中，硅单晶可以说是无处不在。电视、电脑、电话、冰箱、手表、汽车，以至于航天飞机、宇宙飞船、人造卫星等等都要以晶体硅作为必不可缺少的原材料。特别是标志着绿色能源革命的开始——太阳能电池的发明和应用，不仅表明了太阳能晶体硅的利用将普及到全世界范围，也预示着硅材料的需求将日益增加。因为硅单晶的多种优点使得硅单晶的生长设备及控制系统的需求迅速增加，同时对其生长设备及控制系统的工艺及技术提出了更高的要求。
[0003]硅单晶生长过程是耗时耗能的，通常情况下，单晶硅从投料生产到最后成品制成需要三天或者三天以上连续运转时间，这期间除了需要耗费大量的电能和氩气等能源外，人力也是一个重要的消耗品，传统的单晶炉因为自动化程度不够，在整个生产过程中每台单晶炉都需要三到四个人进行轮流值班以确保单晶炉能进行不间断运行，而且需要人工掌握相当的操作技术手段才能达到 一定的单晶硅质量要求，这样在人才培训和人才流动上都有一定的限制性。目前国内的晶体硅生长半自动控制系统，仅能实现等径工艺自动化，其他试温、引晶、放肩、收尾等工艺步骤需要全程的人为干预，控制质量比较差而且需要几个人同时监控一台机器。但是，随着计算机技术的迅速普及，使得工业中产品小型化和智能化已经成为了可能。
[0004]硅棒生产中加热器及硅熔体的温度对单晶的生长至关重要，温度的波动会造成拉速或直径的变化过大，增大了单晶断棱的可能，从而降低了产品的成品率增加了成本，但在温度控制模块方面，大部分厂家采用的仍然是模拟温度信号控制系统，工作原理如图1所示:从温度计传出的信号与控制器给出的温控信号比较，其误差信号通过放大后采样输入PID调节器，从控制器输出的信号进入触发器，以实现对整流板上可控硅导通角的改变，控制加热器石墨电极电压的，达到控制温度的目的。
[0005]但在使用过程中，特别是CZ法工艺日新月异的今天，热场尺寸经历了 12、14、16寸、18寸、20寸、22寸、24寸的发展历程，单炉投料量也从12kg、30kg、45kg、60kg、90kg、120kg、150kg、220kg的过渡。热场尺寸越大，生长炉内的温度变化也越来越大，温度区间梯度相对增加，传统的红外测温仪收到的干扰信号越来越多，致使温度信号失真，导致信号在进行处理过程中出现错误输入，造成异常功率波动的情况，产生热量冲击致使晶体生长失败，导致晶体加工不连续，降低生产效率。
【发明内容】
[0006]本发明主提出一种无温度信号处理的开环式功率自控晶体生产系统，解决单晶硅棒生长过程中的异常功率波动及温度冲击导致晶体生长失败的情况，较大地提高晶体硅棒连续化，提高生产效率。
[0007]本发明所采用的技术方案如下:
一种无温度信号处理开环功率自控晶体生长控制方法，包括晶体生长炉，所述的晶体生长炉包括装有溶液的坩埚和石墨加热器，其特征在于:晶体生长的放肩过程中，还包括无温度信号放肩功率控制系统，所述的无温度信号放肩功率控制系统根据晶体生长炉热场情况及产品情况和放肩时间设定功率斜率编程，结合PID调节算法对该信号进行处理并把计算结果输出到加热电路，加热电路的输出的功率控制信号通过D/A转换电路转化输出到石墨加热器的加热功率器，对装有溶液的坩埚进行温度调整；晶体等径生长时，还包括无温度信号等径功率控制系统，所述的无温度信号等径功率控制系统包括测量炉内晶体生产过程中晶体直径变化信号的拉速控径部分、功率校正单元、功率控制单元，红外测径仪测量晶体生长炉中晶体直径并把测量值输出到拉速控径部分的直径测量电路，所述的拉速控径部分输出端连接整晶体拉升速度电路反馈调整晶体拉升速度，所述的调整后的晶体拉升速度经平均算法处理后发送到功率校正单元和功率控制单元，所述的功率控制单元采用PID控制算法计算出晶体拉升速度与加热功率之间的关系，并输出加热功率调整信号反馈给所述的石墨加热器对石英坩埚的进行加热。
[0008]所述的功率控制单元按照编程内设定的长度，斜率进行功率升降，通过设定功率、PID调节、加热电路、D/A模块、加热器功率的模式进行实施。
[0009]所述的功率校正单元通过A/D模块对某段时间内平均拉速的进行测量与累计，对比编程内设定的长度，拉速进行微积分计算，进行PI调节，计算出当时的功率补偿值与功率控制单元的设定斜率进行叠加，进行功率斜率校正后，进行加热电路的输出。
[0010]所述的直径拉速控制单元通过红外测径仪的信号测量，经过A/D输入后进行运算，与设定直径对比进行PID控制器调节，通过D/A进行功放电路输出至调速电路进行速度输出。
[0011]本发明的优点是:
本发明通过无温度信号处理，自主开发了功率开环控制系统，采用功率直控模式，完全避免了温度信号测试仪的信号取值与处理，直接采用功率控制模块进行闭环控制模式，与直径拉速闭环控制模式相辅相成，形成独特的晶体功率控制模式，从而有效解决单晶硅棒生长过程中的异常功率波动及温度冲击导致晶体生长失败的情况，较大地提高晶体硅棒连续化，提高生产效率，提高了抗干扰性能，降低了生产成本(约25%)的同时大幅度提高了产品成品率(约32%)。
【专利附图】
【附图说明】
`[0012]图1传统方式温度控制系统原理图；
图2 —般温度采集原理图；
图3—般A/D转换器原理图；
图4放肩功率开环控制单元原理图；
图5等径功率开环控制系统原理图。
【具体实施方式】[0013]一种无温度信号处理开环功率自控晶体生长控制方法包括放肩工艺步骤的功率开环控制系统和等径工艺步骤的功率开环控制系统；
所述的放肩工艺步骤的功率开环控制系统由功率斜率设定编程、功率控制单元组成；根据放肩时间的进行放肩功率斜率设定编程，现场工程师可根据炉台热场情况及产规情况进行程序设定。
[0014]放肩过程中，根据实际情况操作员可进行拉速调节动作，控制晶体放肩速度。
[0015]所述的等径工艺步骤的功率开环控制系统由功率斜率及设定拉速编程、功率控制单元、功率校正单元、直径拉速单元组成。
[0016]所述的功率斜率及设定拉速编程根据晶体生长的长度进行的功率斜率及拉速设定编程，现场工程师可根据炉台热场情况及单晶生长的热历史趋势进行程序设定。
[0017]所述的功率控制单元:按照编程内设定的长度，斜率进行功率升降，通过设定功率、PID调节、加热电路、D/A模块、加热器功率的模式进行实施，与放肩模式实施步骤接近。
[0018]所述的功率校正单元:通过A/D模块对某段时间内平均拉速的进行测量与累计，对比编程内设定的长度，拉速进行微积分计算，进行PI调节，计算出当时的功率补偿值与功率控制单元的设定斜率进行叠加，进行功率斜率校正后，进行加热电路的输出；
所述的直径拉速控制单元:通过红外测径仪的信号测量，经过A/D输入后进行运算，与设定直径对比进行PID控 制器调节，通过D/A进行功放电路输出至调速电路进行速度输出。
【权利要求】
1.一种无温度信号处理开环功率自控晶体生长控制方法，包括晶体生长炉，所述的晶体生长炉包括装有溶液的坩埚和石墨加热器，其特征在于:晶体生长的放肩过程中，还包括无温度信号放肩功率控制系统，所述的无温度信号放肩功率控制系统根据晶体生长炉热场情况、产品情况和放肩时间设定功率斜率编程信号，结合PID调节算法对该功率斜率编程信号进行处理并把计算结果输出到加热电路，加热电路输出的功率控制信号通过D/A转换电路转化输出到石墨加热器的加热功率器，对装有溶液的坩埚进行温度调整；晶体等径生长时，还包括无温度信号等径功率控制系统，所述的无温度信号等径功率控制系统包括测量炉内晶体生产过程中晶体直径变化信号的拉速控径部分、功率校正单元、功率控制单元，红外测径仪测量晶体生长炉中晶体直径并把测量值输出到拉速控径部分的直径测量电路，所述的拉速控径部分输出端连接整晶体拉升速度电路反馈调整晶体拉升速度，所述的调整后的晶体拉升速度经平均算法处理后发送到功率校正单元和功率控制单元，所述的功率控制单元采用PID控制算法计算出晶体拉升速度与加热功率之间的关系，并输出加热功率调整信号反馈给所述的石墨加热器对石英坩埚的进行加热。
2.根据权利要求1所述的一种无温度信号处理开环功率自控晶体生长控制方法，其特征在于:所述的功率控制单元按照编程内设定的长度，斜率进行功率升降，通过设定功率、PID调节、加热电路、D/A模块、加热器功率的模式进行实施。
3.根据权利要求1所述的一种无温度信号处理开环功率自控晶体生长控制方法，其特征在于:所述的功率校正单元通过A/D模块对某段时间内平均拉速的进行测量与累计，对比编程内设定的长度，拉速进行微积分计算，进行PI调节，计算出当时的功率补偿值与功率控制单元的设定斜率进行叠加，进行功率斜率校正后，进行加热电路的输出。
4.根据权利要求1所述的一种无温度信号处理开环功率自控晶体生长控制方法，其特征在于:所述的直 径拉速控制单元通过红外测径仪的信号测量，经过A/D输入后进行运算，与设定直径对比进行PID控制器调节，通过D/A进行功放电路输出至调速电路进行速度输出。
【文档编号】C30B15/22GK103834991SQ201410085969
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2014年3月10日 优先权日:2014年3月10日
【发明者】马四海, 刘长清, 张笑天, 马青, 丁磊 申请人:马鞍山明鑫电气科技有限公司