一种直拉单晶液位保护系统及其控制方法与流程

本发明属于直拉硅单晶技术领域，尤其是涉及一种直拉单晶液位保护系统及其控制方法。

背景技术：

在直拉单晶生长过程中，为了硅晶体能够稳定生长，在硅单晶提拉的过程中，硅熔液液位，即埚位需要保持恒定。目前通过设置埚跟比参数来实现埚位控制，埚跟比＝坩埚上升的速度/单晶上升的速度(设置原理：单位时间内拉出的晶体体积＝坩埚上升的溶体体积)，埚跟比在工艺参数中的设定是通过提前测算进行设置的。坩埚上升的速度＝当时单晶的生长速率*埚跟比，也就是正常情况下不管单晶直径大小，坩埚上升的速率是一定的。即单位时间内拉出的晶体体积不管多与少，但是坩埚上升的溶体体积是一定的。

在实际生产过程中，在稳温环节，拉晶操作需要升起坩埚，进行稳温操作，在加料环节，操作工人要升降埚位进行加料，如此很多环节都会涉及升降坩埚的操作，如果操作失误，会造成硅熔液浸入导流筒，造成喷硅事故，甚至硅熔液烫穿水冷套发生单晶炉爆炸事故。

硅晶体的直径大小和石英坩埚的大小以及石墨坩埚大小都会影响埚位的稳定，埚位低时易造成单晶细、扭等情况，埚位高时气流不畅易造成单晶晃动，导致喷硅事故，甚至硅熔液烫穿水冷套发生单晶炉爆炸事故。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本发明要解决的问题是提供一种直拉单晶液位保护系统及其控制方法，适合直拉单晶过程中使用，对坩埚的理论位置和坩埚的实际距离进行监控，使坩埚驱动装置正确动作，防止硅溶液液面与导流筒下沿接触，防止硅熔液因操作失误或系统失误导致的喷硅或爆炸事故。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种直拉单晶液位保护系统控制方法，包括以下步骤：

s1：根据导流筒下沿与坩埚内硅溶液的液面之间的距离，计算坩埚的理论位置；

s2：监控坩埚的实际距离，并将坩埚的实际距离与坩埚的理论距离作对比，进行埚升控制。

进一步的，步骤s1包括以下步骤：

s11：计算坩埚内硅溶液的液位深度；

s12：计算坩埚的理论位置；

进一步的，步骤s11包括以下步骤：

s111：根据坩埚参数计算坩埚的体积；

s112：根据投料量与坩埚的体积计算硅溶液液位深度。

进一步的，步骤s12包括以下步骤：

s121：根据硅溶液液面与导流筒下沿的最小距离和投料量，计算坩埚的理论位置；

s122：根据坩埚的理论位置，监控坩埚的实际位置。

进一步的，监控的实际距离为坩埚位置检测装置。

一种直拉单晶液位保护系统，其特征在于：包括坩埚位置检测装置、埚升驱动装置和控制装置，埚升驱动装置与坩埚位置检测装置均与控制装置电连接，根据坩埚位置检测装置检测坩埚的位置，并将检测到的坩埚的位置信号传递给控制装置，控制装置控制埚升驱动装置动作，控制坩埚上升或停止。

进一步的，埚升驱动装置为电机。

进一步的，控制装置为cpu或plc。

进一步的，坩埚位置检测装置为编码器。

本发明具有的优点和积极效果是：由于采用上述技术方案，使得直拉单晶液位保护系统结构简单，使用方便，通过判定坩埚的实际位置是否符合测算的坩埚理论位置，做出正确有效的防护动作，可以有效防止硅熔液因操作失误或系统失误导致的喷硅或爆炸事故，系统防护只需进行控制系统升级，投入成本低；防止拉晶过程中埚位变高时，出现单晶晃动；防止拉晶过程中埚位变高时，出现喷硅等事故；防止拉晶过程中升埚位时误操作，一直上升坩埚，出现喷硅等事故；设备安全性提高，异常损失降低；设备安全性提高，操作工人生命安全有保障；设备安全性提高，生产稳定性提高。

附图说明

图1是本发明的一实施例的结构示意图。

图中：

1.导流筒d.坩埚外径l.坩埚壁厚

h1.圆柱段高度hr.r角高度h2.液位深度

r1.坩埚大r角r2.坩埚小r角h3.液面与导流筒下沿距离

h.坩埚总高度

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

图1示出了本发明一实施例的结构，本实施例涉及一种直拉单晶液位保护系统控制方法及直拉单晶液位保护系统，用于直拉单晶过程中对坩埚的实际位置与坩埚的理论位置进行对比，并进行坩埚的实际位置监控，避免硅溶液的液面与导流筒接触，造成喷硅事故，避免发生硅熔液烫穿水冷套发生单晶炉爆炸事故。

一种直拉单晶液位保护系统控制方法，控制直拉单晶过程中坩埚内硅溶液的液面与导流筒下沿之间的距离，防止导流筒与硅溶液液面接触，造成喷硅，包括以下步骤：

s1：根据导流筒下沿与坩埚内硅溶液的液面之间的距离，计算坩埚的理论位置，便于控制装置根据坩埚的理论位置判断坩埚的实际位置是否正确，避免硅溶液的液面与导流筒接触，具体包括以下步骤：

s11：计算坩埚内硅溶液的液位深度，具体包括以下步骤：

s111：根据坩埚参数计算坩埚的体积，该坩埚参数包括坩埚外径d、坩埚壁厚l、坩埚圆柱段高度h1、坩埚总高度h、坩埚大r角r1、坩埚小r角r2及r角高度hr，目前坩埚为底部具有r角的圆柱结构，根据圆柱的体积公式进行坩埚的体积计算，得到坩埚的体积；

s112：根据投料量与坩埚的体积计算硅溶液液位深度h2，在计算出坩埚的体积后，根据投料量，可以知道，硅料熔化后硅溶液的体积，进而可以知道硅溶液的液位深度h2，进而间接就可以知道，硅溶液的液面与坩埚的端口之间的距离；

s12：计算所述坩埚的理论位置，也就是初始状态坩埚相对于加热器的距离；

s121：根据硅溶液液面与导流筒下沿的最小距离h3，计算坩埚理论位置，由步骤s1可以知道坩埚的高度，根据坩埚的高度和硅溶液液面与导流筒下沿的最小距离h3，可以计算出坩埚的理论位置；

s2：监控坩埚的实际位置，并将坩埚的实际位置与坩埚的理论位置作对比，进行埚升控制，监控坩埚的实际距离的装置为坩埚位置检测装置，该坩埚位置检测装置为编码器，对坩埚的实际位置进行时时监测，并将监测数据传递给控制装置，控制装置将坩埚的实际位置与坩埚的理论位置进行对比，进行埚升控制，当坩埚的实际位置大于坩埚理论距离时，控制装置控制埚升驱动装置停止埚升，防止硅溶液液面与导流筒下沿接触，造成喷硅；当坩埚的实际位置小于坩埚的理论位置时，控制装置控制埚升驱动装置进行正常动作，使得硅溶液液面与导流筒下沿之间的距离保持在理论距离之间，保证拉晶的正常进行，且硅溶液液面与导流筒下沿不会接触，不会造成喷硅。

一种直拉单晶液位保护系统，包括坩埚位置检测装置、埚升驱动装置和控制装置，坩埚位置检测装置用于对坩埚的实际位置进行时时检测，埚升驱动装置与坩埚位置检测装置均与控制装置电连接，埚升驱动装置用于控制埚升，控制装置根据坩埚位置检测装置的测量的信号控制埚升驱动装置动作，进行硅溶液液面与导流筒下沿之间的距离的控制，防止硅溶液液面与导流筒下沿接触，避免喷硅。上述的埚升驱动装置为电机，上述的坩埚位置检测装置为编码器，进行硅溶液液面高度的判定，上述的控制装置为cpu或plc。

本发明具有的优点和积极效果是：由于采用上述技术方案，使得直拉单晶液位保护系统结构简单，使用方便，通过判定实际坩埚位置与坩埚的理论位置进行对比并作出正常控制信号输出，使得坩埚驱动装置正确动作，可以有效防止硅熔液因操作失误或系统失误导致的喷硅或爆炸事故，系统防护只需进行控制系统升级，投入成本低；防止拉晶过程中埚位变高时，出现单晶晃动；防止拉晶过程中埚位变高时，出现喷硅等事故；防止拉晶过程中升埚位时误操作，一直上升坩埚，出现喷硅等事故；设备安全性提高，异常损失降低；设备安全性提高，操作工人生命安全有保障；设备安全性提高，生产稳定性提高。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。