阅读说明：本技术 一种稳定提拉法晶体生长界面的控制装置和方法 (Control device and method for stabilizing crystal growth interface of Czochralski method ) 是由 何晔 周益民 岑伟 陈川贵 于 2019-11-15 设计创作，主要内容包括：本发明属于晶体生长技术领域,为一种稳定提拉法晶体生长界面的控制装置和方法；方法包括实时测量晶体生长的重量,将测量的晶体重量与其理论重量作差,根据两者的差值采用PID控制算法控制晶体生长所需的加热功率；实时测量料棒的重量,并将测量得到的晶体重量与料棒重量之和作为整体重量,根据整体重量与其初始重量的差值,采用PID控制算法控制料棒下降速度；采用CCD旋转装置对CCD光学放大装置进行旋转,光学放大装置实时测量晶体基准线灰度值对应的位置与测量基准线中线的距离,根据该距离与其初始距离的差值采用PID控制算法控制晶体旋转速度；本发明能维持晶体生长界面的稳定,保证晶体外形符合设定尺寸要求。(The invention belongs to the technical field of crystal growth, and relates to a control device and a control method for stabilizing a crystal growth interface of a Czochralski method; the method comprises measuring the weight of crystal growth in real time, subtracting the measured weight of crystal from the theoretical weight of crystal, and controlling the heating power required by crystal growth by PID control algorithm according to the difference between the measured weight of crystal and the theoretical weight of crystal; measuring the weight of the charge bar in real time, taking the sum of the measured weight of the crystal and the weight of the charge bar as the overall weight, and controlling the descending speed of the charge bar by adopting a PID control algorithm according to the difference value of the overall weight and the initial weight of the charge bar; rotating the CCD optical amplifying device by adopting a CCD rotating device, measuring the distance between the position corresponding to the gray value of the crystal reference line and the central line of the measuring reference line by the optical amplifying device in real time, and controlling the rotating speed of the crystal by adopting a PID control algorithm according to the difference value of the distance and the initial distance; the invention can maintain the stability of the crystal growth interface and ensure that the crystal appearance meets the set size requirement.)

一种稳定提拉法晶体生长界面的控制装置和方法

技术领域

本发明属于晶体生长技术领域，具体涉及一种稳定提拉法晶体生长界面的控制装置和方法。

背景技术

晶体生长界面稳定是生长高质量晶体的重要条件。目前使用的全自动提拉单晶炉，使用高精度上称重系统间接测量晶体的实际生长直径，并反馈到计算机控制系统控制加热源输出功率，可以较好的控制整个晶体按照预设的形状完成整个生长过程。从引晶开始到生长结束，随着晶体的生长，晶体的固液界面不断往下移动，在不同的位置，生长界面受到晶体散热改变、保温系统在该处保温改变、加热系统在该处加热效果改变等综合因素的影响，导致生长界面的温度梯度不断发生变化，结果是生长界面的形状也相应地被改变，亦即图1中ψ角发生了变化，整个生长过程生长界面是不稳定的。

不稳定的生长界面将影响整个晶体的内部品质的一致性。同时，生长界面形状的改变，改变了晶体所受浮力的大小，影响称重系统准确测量晶体的质量，进而引起晶体控制直径的不准确性。

发明内容

基于现有技术存在的问题，本发明从引起晶体生长界面形状改变因素入手，主要采用了两种手段，一种是不断添加晶体生长原料，使熔液界面在一个很微小的区间内波动，解决传统控制系统由于熔液界面下降而造成的温度梯度变化，同时便于光学检测晶体直径偏差。第二种手段是通过光学检测晶体直径与理论直径的偏差，控制晶体的旋转速度来调节生长界面的角度，使生长界面角度始终维持在一个很小的区间波动。

基于此，本发明提出了一种稳定提拉法晶体生长界面的控制装置和方法。

一种稳定提拉法晶体生长界面的控制方法，所述方法包括以下步骤：

S1、实时测量晶体生长的重量，将测量到的晶体重量与其理论重量作差；根据两者的差值采用PID控制算法来控制晶体生长所需要的加热功率；

S2、实时测量料棒的重量，并将测量得到的晶体重量与料棒重量之和作为整体重量；根据整体重量与其初始重量的差值，采用PID控制算法控制料棒的下降速度；

S3、采用CCD旋转装置对CCD光学放大装置进行旋转，CCD光学放大装置实时测量晶体基准线灰度值对应的位置与测量基准线中线的距离，根据该距离与其初始距离的差值，采用PID控制算法控制晶体的旋转速度。

另外，一种稳定提拉法晶体生长界面的控制装置，所述控制装置至少包括加热电源控制系统、料棒补充控制系统以及晶体旋转控制系统；

所述加热电源控制系统包括第一秤、第一控制模块以及感应加热模块；第一秤实时测量生长晶体的重量；感应加热模块提供晶体生长所需要的热能量；第一控制模块根据测量得到生长晶体的重量与晶体理论重量的差值采用PID控制算法来控制感应加热模块的功率；

所述料棒补充控制系统包括第二秤、第二控制模块以及步进电机；第二秤实时测量补充料棒的重量；步进电机控制料棒的下降速度；第二控制模块采用 PID控制算法获取步进电机所需的速度，并控制步进电机以该速度运行；

所述晶体旋转控制系统包括CCD光学放大装置、CCD旋转装置、第三控制模块以及力矩电机；所述CCD旋转装置控制CCD光学放大装置进行旋转，CCD 光学放大装置采集晶体基准线灰度值对应的位置与测量基准线中线的距离；第三控制模块根据该距离与其初始距离的差值，采用PID控制算法得到力矩电机所需的旋转速度，并控制力矩电机使晶体以该旋转速度进行旋转。

本发明的有益效果：

采用本发明提出的控制方法和装置，可以将上述三套控制系统独立运行，又可以让三套系统相互影响，通过综合调整各个控制系统的P、I、D、T参数，可以维持晶体生长界面的稳定，既可以得到外形符合设定尺寸的晶体，又可以保证晶体优异的品质。

附图说明

图1为现有技术中的提拉法晶体生长界面装置；

图2为本发明提出的一种稳定提拉法晶体生长界面的控制方法流程图；

图3为本发明提出的一种稳定提拉法晶体生长界面的控制装置；

图4为本发明采用晶体旋转控制系统拍摄的晶体下视图；

图5为本发明对晶体下视图采用光学放大后的视窗图；

图中，1、第一秤，2、第二秤，3、料棒，30、提升机构4、晶体，40、旋转机构，5、熔体，6、感应线圈，7、保温层，8、坩埚，9、导流罩，11、CCD 旋转装置，12、CCD光学放大装置，100、CCD视图窗，101、晶体基准线，102、测量基准线中线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示，本发明的一种稳定提拉法晶体生长界面的控制方法，所述方法包括以下步骤：

S1、实时测量晶体生长的重量，将测量到的晶体重量与其理论重量作差；根据两者的差值采用PID控制算法来控制晶体生长所需要的加热功率；

S2、实时测量料棒的重量，并将测量得到的晶体重量与料棒重量之和作为整体重量；根据整体重量与其初始重量的差值，采用PID控制算法控制料棒进行下降速度；

S3、采用CCD旋转装置对CCD光学放大装置进行旋转，CCD光学放大装置实时测量晶体基准线灰度值对应的位置与测量基准线中线的距离，根据该距离与其初始距离的差值，采用PID控制算法控制晶体的旋转速度。

步骤S1中，所述根据两者的差值采用PID控制算法来控制晶体生长所需要的加热功率包括采用加热电源控制系统对晶体生长所需要的加热功率利用如下公式进行控制：

其中，ΔP表示加热电源功率调整值；P₁、I₁、D₁、T₁为该加热电源控制系统的PID控制参数，P₁表示该加热电源控制系统的比例控制参数，I₁表示该加热电源控制系统的积分控制参数；D₁表示该加热电源控制系统的微分控制参数； T₁表示该加热电源控制系统的时间控制参数；(Δg₁)_i表示第i个控制周期时实际测量到的晶体重量与其理论重量的差值，(Δg₁)_i为第i个控制周期时(g₁-G₁)的值，g₁表示测量的晶体重量，G₁为晶体理论重量；(Δg₁)_i-1表示第i-1个控制周期时实际测量到的晶体重量与其理论重量的差值；(Δg₁)_i-2表示第i-2个控制周期时实际测量到的晶体重量与其理论重量的差值。

按照步骤S1的控制方式，最终达到晶体按照设计的重量进行生长，最终实现晶体几何形状按照预设的形状进行生长的结果。

步骤S2中，所述采用PID控制算法控制料棒进行下降包括采用料棒补充控制系统对料棒的下降速度利用如下公式进行控制：

其中，ΔV₂表示为料棒下降速度的调整量；P₂、I₂、D₂、T₂为该料棒补充控制系统的PID控制参数，P₂表示该料棒补充控制系统的比例控制参数，I₂表示该料棒补充控制系统的积分控制参数；D₂表示该料棒补充控制系统的微分控制参数；T₂表示该料棒补充控制系统的时间控制参数；Δq_i表示第i个控制周期时测量到的晶体重量与料棒重量之和与其初始之和的差值；Δq_i-1表示第i-1个控制周期时测量到的晶体重量与料棒重量之和与其初始之和的差值；Δq_i-2表示第i-2 个控制周期时测量到的晶体重量与料棒重量之和与其初始之和的差值；将Δq_i作为调整料棒下降速度的调整源，通过ΔV₂调整料棒下降速度。

通过上述控制算法，可以较好的保持熔液液面稳定几乎不波动。

所述步骤S3包括通过CCD旋转装置控制CCD光学放大装置进行旋转，直到晶体生长固液界面处于视窗中心，从CCD视窗中确定晶体边缘为晶体基准线，并记录其灰度值H1；根据晶体种类，确定以某灰度值H0为测量基准线中线，并记录H0与H1之间的初始距离为L₀；保持测量基准线中线在整个控制过程中在CCD视窗中保持不变，实时记录在控制周期i时，测量灰度值为H1处与测量基准线中线的距离为L_i；根据该距离即(L_i-L₀)的差值采用晶体旋转控制系统对晶体旋转速度进行调节。

所述采用晶体旋转控制系统对晶体进行旋转包括利用如下公式进行控制：

其中，Δω₁表示晶体旋转速度的调整量；P₃、I₃、D₃、T₃为该晶体旋转控制系统的PID控制参数，P₃表示该晶体旋转控制系统的比例控制参数，I₃表示该晶体旋转控制系统的积分控制参数；D₃表示该晶体旋转控制系统的微分控制参数；T₃表示该晶体旋转控制系统的时间控制参数；ΔL_i表示第i个控制周期时L_i与L₀的差值；ΔL_i-1表示第i-1个控制周期时L_i-1与L₀的差值，L_i-1表示第i-1个控制周期时灰度值为H1处与测量基准线中线的距离；ΔL_i-2表示第i-2个控制周期时L_i-2与L₀的差值，L_i-2表示第i-2个控制周期时灰度值为H1处与测量基准线中线的距离。

一种稳定提拉法晶体生长界面的控制装置，所述装置至少包括加热电源控制系统、料棒补充控制系统以及晶体旋转控制系统；

所述加热电源控制系统包括第一秤1、第一控制模块以及感应加热模块；第一秤实时测量生长晶体4的重量；感应加热模块提供晶体生长所需要的热能量；第一控制模块根据测量得到生长晶体的重量与晶体理论重量的差值采用PID控制算法来控制感应加热模块的功率；

所述料棒补充控制系统包括第二秤2、第二控制模块以及步进电机；第二秤实时测量补充料棒3的重量；步进电机控制料棒下降；第二控制模块采用PID 控制算法获取步进电机所需的速度，并控制步进电机以该速度运行；

所述晶体旋转控制系统包括CCD光学放大装置12、CCD旋转装置11、第三控制模块以及力矩电机；所述CCD旋转装置控制CCD光学放大装置进行旋转，CCD光学放大装置采集晶体基准线灰度值对应的位置与测量基准线中线的距离；第三控制模块根据该距离与其初始距离的差值，采用PID控制算法产生力矩电机所需的旋转速度，并控制力矩电机使晶体以该旋转速度进行旋转。

如图3所示，所述装置还包括壳体、保温层7、坩埚8、导流罩9以及熔体 5；在外壳上方开设有多个对称的料棒孔，料棒固定在步进电机的提升结构30 上，控制料棒穿过料棒孔并下降；在料棒孔中间开设有一个晶体孔，力矩电机的旋转机构40穿过晶体孔，控制连接在外壳内的晶体旋转；在外壳内壁设置保温层，在保温层内安装有坩埚，坩埚内盛放有熔体，在坩埚的上部设置有一导流罩。

在本发明中，第一秤1可以获取晶体的重量，将重量信息发送至控制装置，控制装置能够根据重量信息判断出坩埚8内的材料的消耗量，从而控制电控引料装置向坩埚8内添加原料。而添加原料的重量由第二秤2实时测量并发送到控制装置，由控制装置比较原料添加量与晶体增加量的差值，该差值用于调整电控引料装置的下降速度而达到调节原料添加的速度，保证了晶体增加的重量与原料的补充重量基本一致，从而保证坩埚8内原料量的动态平衡。

其中，所述CCD光学放大装置包括CCD照相机和光学放大器。

在一个优选实施例中，在外壳顶部包括部分透光材料，所述CCD光学放大装置通过该透光材料部分拍摄外壳内部的晶体图像。

在一个优选实施例中，所述感应加热模块采用多匝感应线圈6，当然也可以采用其他的感应加热方式或者现有的其余加热方式。

如图4所示，将CCD光学放大装置采集到的晶体下视图分为多个颜色区域 (附图仅展示黑白线条图)，每个区域的颜色不同，所以其灰度值不同，这几个颜色区域包括从内向外的晶体4、熔液5以及坩埚8；将晶体4和熔液5区域作为CCD视图窗100，该视图窗内划分有晶体基准线101和测量基准线中线102；参考如图5所示，旋转w₂直到晶体生长固液界面处于视窗中心，从CCD视窗中确定晶体边缘为晶体基准线101，并记录其灰度值H1，以某一灰度值H0(与晶体种类有关)定义测量基准线中线102，该中线在整个控制过程中在CCD视窗中保持不变，并记录H0与H1之间的距离为L₀，反复记录灰度值为H1处与测量基准线中线的距离为L_i；根据该距离采用晶体旋转控制系统对晶体进行旋转。

本发明通过料棒补充控制系统不断添加晶体生长原料，使熔液界面在一个很小的区间内波动，本发明还通过加热电源控制系统控制感应加热模块的功率，解决传统控制系统由于熔液界面下降而造成的温度梯度变化，同时为光学检测晶体直径偏差提供可靠的保证。另外，本发明还基于光学检测晶体直径与理论直径的偏差，通过晶体旋转控制系统控制晶体的旋转速度来调节生长界面的角度，使生长界面角度始终维持在一个很小的区间波动。

可以理解的是，为避免赘述，本发明的控制方法和控制装置的部分特征可以相互引用，本发明不再一一例举。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。

以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。