[实用新型]一种采用直径法控制区熔晶体自动生长系统

说明书

技术领域

本发明涉及区熔硅单晶的生产设备，尤其涉及一种采用直径法控制区熔晶体自动生长系统。

背景技术

目前，采用区熔法生产硅单晶主要利用人工拉晶的方法。区熔法生长晶体的工艺过程主要由预热及化料、引颈和细颈生长、放肩、等径生长、收尾等组成。现在区熔法这五个工艺段中基本采用的是人工方式，而人工拉晶的缺点很显著：1)大直径单晶生长时，人工拉晶时间过长，大直径单晶量产难度大；2)晶体生长中，人为影响因素较大，晶体的生长过程难以控制；3)单晶质量把握性差，人工拉晶不能够保证生产出的每一个区熔单晶都具备相同的质量。

由于国内尚无区熔晶体自动生长技术方面的研究，因此，非常有必要开发出一套区熔法硅单晶自动生长系统。随着计算机技术及电子技术的发展,近十年来已经具备了较好的激光测距摄像技术及精良的自动控制技术，因此，通过采取先进的技术手段，实现区熔法硅单晶自动生长是完全可行的。这可以杜绝人为因素的影响，大幅提高区熔法的单晶生长效率及品质水平。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用直径法控制区熔晶体自动生长系统。由于区熔法在单晶生长引颈和放肩过程的初期，生长情况及控制较为复杂，很难通过计算机的控制来实现，所以区熔法的自动生长控制主要针对放肩和保持生长过程。而单晶区熔法晶体自动生长的实现就是让晶体按照设定的形状生长。一般区熔拉晶过程中采用晶体的生长速率R_growth来控制晶体生长的形状，如下式所示：R_growth= D_crystal -（V_upper/ V_lower）^1/2 *D_poly

其中，V_upper, V_lower, D_poly , D_crystal分别代表多晶的下降速度，单晶的下降速度，多晶的直径及单晶的直径。同时为了能够保证成晶，在不同的直径时，相应的功率也要加以控制，比如单晶的直径小时，相应的功率要低些，单晶直径大时，功率相对要高些。

因此，对晶体生长形状的控制，主要应通过改变加热功率和拉速等方法来改变晶体的生长速度,从而控制晶体的生长直径。而在实际的生长控制中有五个参量需要加以控制，即单晶的下降速度，多晶的下降速度，发生器功率，单晶的旋转速度和多晶的旋转速度。

为了能够利用生长率控制单晶的生长形状，本系统采取用生长率来计算多晶的下降速度来控制单晶的生长，同时运用红外激光测距准确获取直径信息作为控制依据，其余的参量则采集一般直径范围内所需要的控制值。

为了能够达到上述目的，本发明采取的技术方案是： 一种采用直径法控制区熔晶体自动生长系统，其特征在于：包括PLC控制器、PC机、摄像头、发生器、触摸屏、上转伺服电机、下转伺服电机、上速伺服电机、下速伺服电机、多晶旋转电机、单晶旋转电机、多晶下降电机、单晶下降电机以及用于气体控制的电磁阀、流量计和传感器，其中，PLC控制器分别与PC机、发生器、触摸屏以及用于气体控制的电磁阀、流量计和传感器连接；PLC控制器通过DEVICENET总线与上转伺服电机、下转伺服电机、上速伺服电机、下速伺服电机连接；上转伺服电机与多晶旋转电机连接；下转伺服电机与单晶旋转电机连接；上速伺服电机与多晶下降电机连接；下速伺服电机与单晶下降电机连接；PC机与摄像头连接。

采用直径法控制区熔晶体自动生长系统各个部分的作用原理如下：

1）PLC控制器：采用OMRON PLC控制器完成与PC机的数字信号通信，实现发生器、触摸屏，上速、上转、下速、下转伺服电机以及电磁阀和流量计的总体控制。

2）PC机：通过以太网线将红外摄像头采集到的测距信息得到，并将信息处理后通过数字信号传给PLC控制器。

3）发生器：由PLC控制器控制，用于单晶的高频加热功率控制。

4）触摸屏：与PLC控制器相互通信，传达人工信息到PLC控制器，同时将PLC控制器采集到的各种信息传达到触摸屏上。

5）用于气体控制的电磁阀、流量计和传感器由PLC控制器控制，完成氩气、氮气等保护气，以及硼烷、磷烷等掺杂气的流量控制输入或输出。

6）上转、上速、下速、下转伺服电机：由PLC控制器进行程序控制，用于驱动控制运动电机（多晶旋转电机、单晶旋转电机、多晶下降电机、单晶下降电机）。

7）多晶、单晶旋转电机，多晶、单晶下降电机：由各伺服电机驱动，完成PLC控制器下发的命令。