单晶硅直径控制研究

作者：邹杨州

来源：《新材料产业》 2012年第6期

文/邹杨州 杭州富通半导体设备科技有限公司

直拉法单晶硅制造的具体生产过程是把原料多硅晶块放入石英坩埚中，在单晶炉中加热融化，再将一根直径只有10m m的棒状晶种（称籽晶）浸入融液中，在合适的温度下，融液中的硅原子会顺着晶种的硅原子排列结构在固液交界面上形成规则的结晶，成为单晶体硅。如果把晶种微微地旋转向上提升，融液中的硅原子会在前面形成的单晶体上继续结晶，并延续其规则的原子排列结构。若整个结晶环境稳定，就可以周而复始地形成结晶，最后形成一根圆柱形的原子排列整齐的硅单晶晶体，即硅单晶锭。当结晶加快时，晶体直径会变粗，提高晶体速率可以使直径变细，增加温度能抑制结晶速度；反之，若结晶变慢，直径变细，则通过降低拉速和降温去控制。拉晶开始，先引出一定长度、直径为3 ～ 5m m的细颈，以消除结晶位错，这个过程叫做引晶；然后放大单晶体直径至工艺要求，进入等径阶段，直至大部分硅融液都结晶成硅单晶锭，只剩下少量剩料，剩料又叫埚底料，埚底料经化学处理后可有限次重复使用。

控制直径、保证晶体等径生长是单晶硅制造的重要环节。而影响单晶硅晶体直径变化的变量包括热场温度、晶体拉速这2个基本变量，因此，在设计控制系统时，主要考虑晶体拉速、温升速率和加热功率的P I D控制（即根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的一种系统），以及这3个控制器之间的配合。

本文结合直拉单晶炉生产工艺和自动控制原理，通过采用数字P I D控制器，分别控制晶体生长的拉速、温度以及功率，来使晶体直径尽可能地保持一致。提出采用串级控制，总共分为3级控制，前级控制系统通过采集直径偏差来控制晶体拉速，中级控制系统通过采集拉速偏差来控制温升速率，后级控制系统通过采集温度偏差来控制加热功率。通过实验调整3级控制的P I D参数，使系统控制性能达到最优。实验结果表明，此控制系统的性能优于常规控制算法，最终控制精度能够达到直径偏差为±0.5mm。

一、PID控制的原理和特点

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，即为P I D控制器（又称P I D调节）。P I D控制器问世至今已有几十年历史，它因具有结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便等优点而成为工业控制的主要技术之一。P I D控制具有以下特点：①当被控对象的结构和参数不能够完全掌握，得不到精确的数学模型，控制理论的其他技术难以采用，或系统控制器的机构和参数必须依据经验和现场调试来确定时，应用P I D控制技术最为方便。即在不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合采用P I D控制技术。②P I D解决了模拟量闭环控制所要解决的最基本问题，即系统的稳定性、快速性和准确性。③可应用在可编程控制器（P LC）系统中，通过P ID控制规律进行离散化处理即数字P I D控制算法。④P I D控制有较强的适应性和灵活性，有各种改进的控制方式。⑤P I D控制参数的整定有比较成熟的经验试凑法来进行参数整定。⑥P I D控制在实际应用中易掌握。

在实际应用中，主要有P I控制、P D控制及P I D控制3种形式。P I D控制系统包含模拟P I D控制系统和数字P I D控制系统，随着控制系统的数字化及计算机、P L C的广泛应用，一般在工程应用中较多为数字P I D控制系统，它是通过编程运算程序来完成PID控制算法。

二、单晶炉控制系统

本文所讨论的单晶炉控制系统，是针对目前太阳能光伏行业中所普遍采用的直拉法制备太阳能光伏电池的生长炉上所使用的控制系统。如图1所示，在此系统中，首先由控径仪测得炉内单晶硅晶体直径，然后与设定的目标直径对比，计算偏差，再根据拉速P I D算法，计算出拉速增量，通过设定拉速与拉速增量之和，再经过系统数/模转换（D/A）输出来控制晶体上升的速度，图2所示为拉速控制PID系统原理图。

如果系统模/数转换（A / D）输入测量得到的单晶硅晶体上升速度与设定速度之间存在偏差，则证明系统温度与晶体生长温度存在偏差，此时，根据温度P I D算法计算需要调整的温度增量，温度控制P I D系统原理与拉速控制PID系统原理类似。

控制系统根据温度P I D系统计算所得温度增量来调整热场温度设定值，使得温度设定和实际温度之间存在偏差，再由功率控制P I D算法得到需要调整的功率增量。之后由系统的D / A输出调整加热功率，来调整系统温度，达到单晶硅晶体生长的目标温度。功率控制P I D系统原理同样与拉速控制PID系统原理类似。

在整个控制系统中，被控对象为单晶硅晶体生长的直径，而影响晶体生长直径的系统变量为晶体的拉速和生长环境的温度。由于拉速由伺服电机外带加速器来实现，所以反应速度较快，能够及时通过调整拉速来快速实现晶体直径的变化。但是由于工艺要求，单晶硅晶体的生长速度变化不能够频繁和剧烈，这就需要同时来调整晶体生长的温度，使晶体生长环境中的温度梯度保持恒定，但是，温度调整属于大滞后系统，不能够通过及时调整来控制晶体的直径变化，因此，需要采用P I D串级控制系统来进行控制。

三、PID控制用于单晶硅直径控制

硅的熔点约为1450℃，因此拉晶过程始终保持在高温、负压的环境中进行。直径检测必须隔着观察窗在拉晶炉体外部非接触式实现。拉晶过程中，固态晶体与液态融液的交界处会形成一个明亮的光环，亮度很高，称为光圈。光圈其实是固液交界面处的弯月面对坩埚壁亮光的反射，当晶体变粗时，光圈直径变大，反之则变小，光圈直径的变化可以反映出单晶硅直径的变化情况。此外，实际单晶硅生长过程中，单晶炉内的温度梯度是随时间在不断变化的，很难用精确的数学模型来描述，因此很适合用P I D控制。

直拉法单晶硅生长过程即是抽空、检漏、压力化、熔料、引晶、等径、收尾、停炉等过程。在等径控制界面，可以采用经验试凑法来进行P I D参数整定，在等径过程中，单晶硅晶体的拉速随直径的变化而变化，可以通过观察晶体拉速变化及直径变化曲线来修正晶体控制界面的P I D参数，使其直径变化符合±0.5mm的范围。当单晶硅晶体直径在拉速的控制下达不到预想

的效果时，可以通过观察直径、晶体拉速变化曲线来修正温校控制界面的P I参数以控制温升速率。最后，通过采集温度变化来控制热场加热器的输出功率。

等径控制的好坏直接影响产品的成品率，同时也影响到企业的经济效益。单晶硅直径控制范围误差越小，成品率就越高，企业的经济效益也就越可观。

在具体应用方案中，采用欧姆龙的CJ1M-PLC作为控制器，利用红外控径仪采集单晶硅晶体直径，利用红外辐射计采集热场温度；通过采集伺服电机的反馈信号进行A / D转换，得到晶体拉速，通过采集加热器反馈信号进行A/D转换得到加热功率。

通过实验得到单晶硅晶体生长晶升速率（即晶体拉速）、直径偏差及加热功率的数据，见表1 ；利用Vi s u a lC++6.0编写绘图程序，得到晶升速率、直径、加热功率控制曲线如图3所示。

在图3中，最上面的曲线代表加热功率，中间的曲线代表单晶硅晶体直径，最下面的曲线代表晶体拉速。可以看出，在整个运行过程中，单晶硅晶体直径一直在一个很微小的范围（±0.5m m）内波动，系统加热功率在长时间内处于恒功率状态，这也与实际相吻合，晶体拉速跟随直径偏差的波动在实时响应，所有试验结果都跟预期非产吻合。

实验结果表明：此控制系统的性能优于常规控制算法，最终控制精度能够达到直径偏差为±0.5mm；PID串级控制方案，对解决单晶硅晶体生长过程中温度滞后、直径变化偏差大的问题是行之有效的。采用P I D的串级控制，实时控制了单晶硅晶体的直径变化。

参考文献

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