[发明专利]直拉硅单晶直径自动补偿方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种直拉硅单晶直径自动补偿方法，尤其是一种直拉硅单晶生 长过程中用于控制单晶硅尾部直径的自动补偿方法。

背景技术

直拉法提拉硅单晶是目前生产单晶硅应用最广泛的技术，在直拉法工艺中 将高纯度的多晶硅装进石英坩埚，由负载高频波的环绕线圈或电流加热器来加 热石英坩埚以使多晶硅熔化。然后把一特定晶向的硅单晶(称作籽晶)与熔融 硅接触，硅在合适的温度下将顺着已知晶向的籽晶上硅原子的排列结构在固液 交界面上形成规则的结晶，成为单晶体。在结晶的同时将籽晶向上提升，当籽 晶体长大至接近目标直径时，改变提升速度，使单晶体等径生长。直至大部分 硅熔液都结晶成硅晶锭，只剩少量剩料，通过调整晶体的提升速度和熔液温度 将晶体直径渐渐减小而形成一个尾形锥体，当锥体的尖足够小时，晶体就会和 熔体分离，最后完成硅单晶生长的全过程。

由上面的工艺过程可知，在单晶硅生长过程中晶体的提拉速度和熔融硅液 的温度对晶体的质量影响很大。目前常规控制技术就是基于PID(比例积分微 分)控制技术，通过控制提升速度和熔融硅液的温度来控制单晶硅直径。控制 理论和技术已日益成熟，对于单晶硅生长中期的等径生长过程，直径控制已达 较高精度。但是对于单晶硅生长后期来说，由于坩埚底部直径不断变化，造成 单位时间内熔融硅液在坩埚底部的变化量不一致，熔融硅液面的高度变化较快， 使得单晶硅直径往往不易控制，因此，单晶硅尾部直径容易出现细化的现象。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种直拉硅单晶直径自动补偿方法，以解 决直拉硅单晶生长后期晶体尾部直径细化的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种直拉硅单晶直径 自动补偿方法，设定PID控制器控制程序I，加热原料至熔融，开始提拉单晶 硅，PID控制器采集单晶硅直径信号并和预设值进行对比，若有偏差则作用于 单晶硅提升速度控制器和坩埚加热器，通过调整晶体提升速度和坩埚加热功率 实现对单晶硅直径的控制，关键在于：当熔融硅液面到达坩埚内壁垂直面与弧 度面交界线处时，启动自动补偿程序II控制单晶硅生长，其步骤包括：

1)计算补偿起始点：①严格控制原料的起始投料量，原料的起始投料量等 效于熔融硅液两部分之和的质量：第一部分是石英坩埚内壁垂直面与弧度面交 界线以上部分熔融硅液的质量M₁，另一部分是交界线以下部分熔融硅液的质量 M₂；其中M₁＝ρ₁πr²H，公式中ρ₁为熔融硅液的密度，r为石英坩埚内径，H为交界 线以上熔融硅液面的高度；②单晶硅生长后，晶体生长控制器计算出单晶硅的 平均直径D及相应晶体质量M₃；③晶体生长控制器根据公式L＝M₁/(ρ₂πD²/4) 计算出补偿起始点L₀；

2)晶体生长控制器根据单晶硅的平均直径D及晶体质量M₃计算出单晶硅 实时长度L，当单晶硅实时长度L＝L₀时，启动自动补偿程序II；

3)补偿参数控制器根据设定程序计算出补偿参数晶升埚升比例 SL/CL＝R²/r²，其中R为单晶硅半径，r为石英坩埚内径；

4)PID控制器将对获得的单晶硅直径和补偿参数信号进行整合计算，作用 于单晶硅提升速度控制器和坩埚加热器，通过调整晶体提升速度和坩埚加热功 率实现对单晶硅直径的控制。

上述方法，所述晶升埚升比例SL/CL为动态变化数值，根据微分原理，将 石英坩埚曲度部分分成若干段，用0、1、2、3、4、……表示对应的段位，每 一段位相对于前一段位的补偿度为ΔSL/CL＝R²/r²₁₂₃₄…-R²/r²₀₁₂₃…，通过控制程 序的积分功效计算出补偿参数晶升埚升比例SL/CL数值。