自動加料單晶爐的設(shè)計與研究

李海林，武 歡，王 瑞

(中國電子科技集團公司第二十六研究所,重慶 400060)

0 引言

晶體具有優(yōu)異的光敏特性、熱敏特性和摻雜特性，是電子工業(yè)和高技術(shù)領(lǐng)域中不可缺少的材料。人工晶體材料的制備是將組成晶體的基元(原子、分子或離子)解離后按照一定規(guī)則又重新組合的過程[1]。提拉法[2]是目前獲取人工晶體材料的主要方法之一，其原理是：熔體在接觸到籽晶時，通過降低熔體溫度來形成過冷度，從而使熔體沿籽晶結(jié)晶，并隨籽晶的逐漸上升而生長成棒狀晶體。

由于傳統(tǒng)的晶體生長設(shè)備在晶體生長過程中不會補充原料，所以，坩堝內(nèi)的固-液界面會因熔體結(jié)晶而逐漸下降，直至熔體全部結(jié)晶完成。因此，最終晶體的大小取決于預(yù)先放置于坩堝中的原料多少，而坩堝中原料的多少取決于坩堝和生長設(shè)備的大小。如果想通過大的坩堝和設(shè)備來生長大尺寸晶體，則成本高。如何在生長過程中添加原料，使固-液界面保持不變，從而利用小坩堝生長大尺寸晶體以降低生長成本，已成為晶體生長工作者追求的重要目標(biāo)。

1 自動加料單晶爐結(jié)構(gòu)及工作原理

自動加料單晶爐(見圖1)是在原提拉單晶爐(以中國電子科技集團公司第二十六研究所生產(chǎn)的JGD系列提拉單晶爐為參考設(shè)備)的基礎(chǔ)上進行改進和優(yōu)化設(shè)計，主要由晶體自動生長控制系統(tǒng)和自動加料控制系統(tǒng)組成，自動加料控制系統(tǒng)受控于晶體自動生長控制系統(tǒng)。

圖1 自動加料單晶爐結(jié)構(gòu)示意圖

晶體自動生長控制系統(tǒng)(見圖1)由提拉模塊、稱重模塊、旋轉(zhuǎn)模塊、加熱模塊及中央控制模塊等組成[3]。提拉模塊為晶體提供一個垂直向上的移動速度v1，使晶體不斷向上生長。稱重模塊實時測量，并向中央控制系統(tǒng)反饋晶體的質(zhì)量M(晶體開始生長前稱重傳感器清0)。旋轉(zhuǎn)模塊為晶體提供一個旋轉(zhuǎn)速度ω1，保證晶體生長的連續(xù)性。加熱模塊為原料融化和晶體生長提供所需熱量。中央控制模塊對反饋回來的數(shù)據(jù)信息進行處理，并根據(jù)處理結(jié)果對加熱功率及加料速度等參數(shù)進行控制調(diào)整。

自動加料控制系統(tǒng)(見圖2)由稱重模塊、加料模塊和中央控制系統(tǒng)組成。稱重模塊實時測量料斗中剩余原料質(zhì)量，同時將數(shù)據(jù)反饋給中央控制模塊。中央控制模塊根據(jù)數(shù)據(jù)計算出已向坩堝中添加的原料質(zhì)量m；加料模塊通過電機旋轉(zhuǎn)將原料以速度v2從料斗底部出口推向落料口，原料通過引料管后落入坩堝。

圖2 自動加料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

晶體自動生長控制系統(tǒng)和自動加料控制系統(tǒng)均采用稱重反饋方式[4]，v1作為輸入?yún)?shù)，由晶體生長人員設(shè)置確定，v2(或ω2)作為自動調(diào)整參數(shù)，根據(jù)反饋回來的數(shù)據(jù)信息作出相應(yīng)變化。生長過程中，兩個稱重傳感器獲得質(zhì)量數(shù)據(jù)，中央控制系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)計算出晶體質(zhì)量M和添加粉料質(zhì)量m，在對其進行比較判斷后，通過控制自動加料系統(tǒng)中電機的旋轉(zhuǎn)速度ω2，調(diào)整推料速度v2，使m=M，確保自動添加的原料質(zhì)量和生長的晶體質(zhì)量一致，從而實現(xiàn)坩堝內(nèi)的固-液界面保持不變，保證晶體能一直持續(xù)生長，直到程序結(jié)束為止。

2 晶體自動生長控制系統(tǒng)

晶體自動生長控制系統(tǒng)的原理是將晶體的實際質(zhì)量M與理論質(zhì)量M′進行比較,并根據(jù)比較結(jié)果來控制加熱功率，調(diào)節(jié)晶體結(jié)晶速度的快慢，進而實現(xiàn)M=M′。

在放肩階段，晶體的理論質(zhì)量為

M′=ρ1·V1

(1)

式中：ρ1為晶體密度；V1為放肩階段晶體體積。

若將其近似為圓錐體[5]，則有：

(2)

若程序設(shè)置等徑半徑為R，則有:

(3)

由式(1)～(3)可得放肩階段晶體的理論質(zhì)量為

(4)

(5)

在等徑階段，晶體的理論質(zhì)量為

M′=ρ1·V2

(6)

式中V2為等徑階段晶體總體積，可視為一個圓錐體和圓柱體組成，即

(7)

式中T為系統(tǒng)設(shè)置的生長結(jié)束時間。

結(jié)合式(6) 、(7)可得等徑階段晶體的理論質(zhì)量為

(8)

根據(jù)稱重傳感器1返回的數(shù)據(jù)得到晶體的M。當(dāng)M>M′時，說明晶體結(jié)晶速度較快，需要適當(dāng)加大加熱功率P，以減小溫場梯度，降低結(jié)晶速度；當(dāng)M

圖3 晶體自動生長控制流程圖

3 自動加料控制系統(tǒng)

在自動加料控制系統(tǒng)中，以補充的原料理論質(zhì)量m′作為參考量，補充的原料實際質(zhì)量m作為調(diào)整變量，通過系統(tǒng)控制最終實現(xiàn)m=m′。m的變化通過自動調(diào)整理論加料速度v2(或電機理論轉(zhuǎn)速ω2)來實現(xiàn)，所以，m是一個關(guān)于v2(或ω2)和時間t的函數(shù)。

在晶體放肩階段，補充原料的m′為

(9)

式中：t0為晶體放肩階段任一時刻；ρ2為原料密度；S為腔室有效截面積(除去螺旋推桿外的截面積(見圖2))。

根據(jù)質(zhì)量守恒定律有：

m′=M′

(10)

由式(4)、(9)及(10)可得：

(11)

(12)

(13)

在晶體等徑階段，補充的原料理論總質(zhì)量為

(14)

由式(8)、(10)及(14)可得：

(15)

(16)

結(jié)合式(12)、(16)，則理論加料速度為

(17)

又有：

v2=ω2k

(18)

式中：ω2為電機的理論轉(zhuǎn)速；k為螺旋推桿導(dǎo)程。

由式(17)、(18)得電機的理論轉(zhuǎn)速為

(19)

根據(jù)(19)可知，在晶體放肩階段，自動加料系統(tǒng)中，ω2是t的二階函數(shù)。在晶體等徑階段，ω2只是一個常數(shù)，其曲線示意圖如圖4所示。

圖4 電機理論轉(zhuǎn)速ω2曲線示意圖

在實際生長過程中，補充原料為粉狀物，由于在不同部位其密實程度存在一定差異，所以，ρ2也并非固定不變，這導(dǎo)致補充原料的m與m′有一定偏差。在晶體生長控制系統(tǒng)下，M=M′,結(jié)合式(10)可得m′=M′=M。因此，要想實現(xiàn)m=M，保證坩堝內(nèi)固-液界面不變，則必須滿足m=m′。而m=m′的實現(xiàn)，需要中央控制系統(tǒng)對加料系統(tǒng)的ω2進行比例、積分和微分(PID)閉環(huán)控制。其控制流程圖如圖5所示。

圖5 自動加料系統(tǒng)控制流程圖

在系統(tǒng)PID控制下，加料系統(tǒng)中電機的實際轉(zhuǎn)速會隨著理論轉(zhuǎn)速來回波動，尤其是兩個階段的前期較明顯，隨后波動幅度逐漸減小。在等徑階段后期，實際轉(zhuǎn)速較平穩(wěn)，無明顯波動。電機在系統(tǒng)控制下的轉(zhuǎn)速示意圖如圖6所示。

圖6 電機轉(zhuǎn)速示意圖

4 結(jié)束語

本文根據(jù)補充粉料質(zhì)量與生長晶體質(zhì)量相等這一原則，以晶體質(zhì)量為參考，通過自動加料系統(tǒng)對加料速度進行控制，確保坩堝內(nèi)固-液界面保持不變，進而實現(xiàn)小坩堝生長大尺寸晶體的目標(biāo)，提高了設(shè)備利用率，節(jié)約了能源，降低了生長成本。但在實際生產(chǎn)中，當(dāng)晶體長度尺寸達(dá)到一定值后，晶體上端可能會因離溫場距離較遠(yuǎn)，溫度下降過快而開裂。若要防止晶體開裂，唯有加大溫場高度，但如何對其進行分段控制，形成合理的溫場梯度，從而避免晶體在生長及降溫過程中開裂，還需要進一步研究。