穩(wěn)定提拉法晶體生長(zhǎng)界面的裝置和方法研究

周益民，何 曄，岑 偉，陳川貴，鄧江濤

(1. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所，重慶 400060;2. 麥格磁電科技有限公司,廣東 珠海 519040)

0 引言

晶體生長(zhǎng)界面穩(wěn)定是生長(zhǎng)高質(zhì)量晶體的重要條件。全自動(dòng)提拉單晶爐使用高精度上稱(chēng)重系統(tǒng)[1]間接測(cè)量晶體的實(shí)際生長(zhǎng)直徑，并反饋到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制加熱源輸出功率，可較好地控制整個(gè)晶體按照預(yù)設(shè)的形狀完成生長(zhǎng)過(guò)程。但從引晶開(kāi)始到生長(zhǎng)結(jié)束的過(guò)程中，隨著晶體的生長(zhǎng)，晶體的固-液界面不斷往下移動(dòng)，在不同位置，生長(zhǎng)界面[2-3]受晶體散熱改變、保溫系統(tǒng)保溫改變及加熱系統(tǒng)加熱效果改變等綜合因素的影響，導(dǎo)致生長(zhǎng)界面的溫度梯度不斷地發(fā)生變化，從而使生長(zhǎng)界面的形狀也相應(yīng)改變，整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中生長(zhǎng)界面不穩(wěn)定。

不穩(wěn)定的生長(zhǎng)界面將影響整個(gè)晶體的內(nèi)部品質(zhì)的一致性。同時(shí)，生長(zhǎng)界面形狀的改變，改變了晶體所受浮力的大小，這樣作用到上稱(chēng)重系統(tǒng)的合力除增加的晶體質(zhì)量外，還有一個(gè)浮力的改變量，導(dǎo)致以晶體質(zhì)量為反饋參數(shù)的晶體等徑控制系統(tǒng)出現(xiàn)控制失真，引起晶體直徑的不合理改變。

1 結(jié)構(gòu)及原理描述

本文從引起晶體生長(zhǎng)界面形狀改變的主要因素入手：

1) 不斷添加晶體生長(zhǎng)原料，使熔液界面在一個(gè)很小的區(qū)間內(nèi)波動(dòng)，解決傳統(tǒng)控制系統(tǒng)由于熔液界面下降而造成的溫度梯度變化，同時(shí)為光學(xué)檢測(cè)晶體直徑偏差提供可靠的保證。

2) 通過(guò)光學(xué)檢測(cè)晶體直徑與理論直徑的偏差，控制晶體的旋轉(zhuǎn)速度來(lái)調(diào)節(jié)生長(zhǎng)界面的角度，使生長(zhǎng)界面角度始終維持在一個(gè)很小的區(qū)間波動(dòng)。

圖1為穩(wěn)定晶體生長(zhǎng)界面的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，v1為晶體的提拉速度，v2為料棒下降速度，ω1為晶體的旋轉(zhuǎn)速度,ω2為電荷耦合器件(CCD)的旋轉(zhuǎn)速度。

圖1 穩(wěn)定晶體生長(zhǎng)界面的裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖1由傳統(tǒng)的全自動(dòng)控制系統(tǒng)、原料補(bǔ)充系統(tǒng)、光學(xué)放大CCD成像[4]直徑變化測(cè)量裝置3套獨(dú)立控制系統(tǒng)組成。

傳統(tǒng)的全自動(dòng)控制裝置中秤1測(cè)量生產(chǎn)出的晶體質(zhì)量g1。g1與控制軟件設(shè)計(jì)的質(zhì)量(即晶體理論質(zhì)量G1)進(jìn)行比較，其差值((Δg1)i=g1-G1)作為控制加熱源的功率變化值，最終達(dá)到晶體按照設(shè)計(jì)的質(zhì)量進(jìn)行生長(zhǎng)的目的，從而實(shí)現(xiàn)晶體幾何形狀按照預(yù)設(shè)的形狀進(jìn)行生長(zhǎng)的結(jié)果。P1、I1、D1、T1為該控制系統(tǒng)的比例、積分、微分(PID)控制參數(shù)及采樣周期，晶體等徑控制過(guò)程中加熱電源功率調(diào)整值為

ΔP=P1×[(Δg1)i-(Δg1)i-1+T1/I1×

(Δg1)i+D1/T1×((Δg1)i-2×

(Δg1)i-1+(Δg1)i-2))]

(1)

原料補(bǔ)充系統(tǒng)中，由秤2測(cè)量料棒的質(zhì)量g2，控制軟件不斷記錄g1+g2的值為q，初始值為q0，在第i個(gè)控制周期，即以Δqi=qi-q0作為調(diào)整料棒下降速度的調(diào)整源，Δv2為料棒下降速度的調(diào)整量，P2、I2、D2、T2為該控制系統(tǒng)的PID控制參數(shù)及采樣周期，通過(guò)下列控制算法可較好地保證熔液液面高度的穩(wěn)定。

Δv2=P2×[Δqi-Δqi-1+T2/I2×Δqi+

D2/T2×(Δqi-2×Δqi-1+Δqi-2)]

(2)

CCD系統(tǒng)為光學(xué)放大CCD成像[4]直徑變化測(cè)量裝置，圖2為晶體俯視圖，使用顏色分為3個(gè)區(qū)，從外到內(nèi)依次為坩堝內(nèi)壁、晶體熔液、晶體熔液過(guò)度區(qū)、晶體。

圖2 晶體生長(zhǎng)界面俯視圖

圖3為光學(xué)放大后的CCD視窗圖。圖1中旋轉(zhuǎn)w2直到晶體生長(zhǎng)固液界面處于視窗中心，從CCD視窗中確定晶體邊緣為“晶體基準(zhǔn)線”，并記錄其灰度值H1[5]，以某一灰度值H0(與晶體種類(lèi)有關(guān))定義“測(cè)量基準(zhǔn)線中線”，該中線在整個(gè)控制過(guò)程中在CCD視窗中保持不變，并記錄H0與H1的間距為L(zhǎng)0，在控制周期i時(shí)，測(cè)量灰度值為H1處與“測(cè)量基準(zhǔn)線中線”的距離為L(zhǎng)i，并得到ΔLi=Li-L0，P3、I3、D3、T3為該控制系統(tǒng)的PID控制參數(shù)，得到ω1的調(diào)整量Δω1為

Δω1=P3×[ΔLi-ΔLi-1+T3/I3×ΔLi+

D3/T3×(ΔLi-2×ΔLi-1+ΔLi-2)]

(3)

圖3 CCD視窗放大圖

2 結(jié)束語(yǔ)

3套控制系統(tǒng)既獨(dú)立運(yùn)行，又相互影響，通過(guò)綜合調(diào)整各個(gè)控制系統(tǒng)的P、I、D、T參數(shù)，可較好地維持晶體生長(zhǎng)界面的穩(wěn)定。原料補(bǔ)充系統(tǒng)的正確運(yùn)行，在保證液面高度不變的同時(shí)，為光學(xué)放大CCD成像直徑變化測(cè)量裝置測(cè)量晶體直徑變化提供了穩(wěn)定的測(cè)量環(huán)境，保證光學(xué)測(cè)量直徑的準(zhǔn)確性。傳統(tǒng)的全自動(dòng)控制系統(tǒng)在正確運(yùn)行情況下，光學(xué)放大CCD成像直徑變化測(cè)量裝置監(jiān)測(cè)到晶體直徑發(fā)生了變化，這說(shuō)明晶體生長(zhǎng)界面發(fā)生了改變，使傳統(tǒng)的全自動(dòng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)了控制失真。通過(guò)調(diào)整晶體旋轉(zhuǎn)速度，使晶體生長(zhǎng)界面恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)，這樣既保證了晶體外形符合設(shè)定尺寸要求，又可以保證晶體內(nèi)部品質(zhì)的優(yōu)良。