周益民,何 曄,岑 偉,陳川貴,鄧江濤
(1. 中國電子科技集團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)
晶體生長界面穩(wěn)定是生長高質(zhì)量晶體的重要條件。全自動提拉單晶爐使用高精度上稱重系統(tǒng)[1]間接測量晶體的實際生長直徑,并反饋到計算機控制系統(tǒng)控制加熱源輸出功率,可較好地控制整個晶體按照預(yù)設(shè)的形狀完成生長過程。但從引晶開始到生長結(jié)束的過程中,隨著晶體的生長,晶體的固-液界面不斷往下移動,在不同位置,生長界面[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)致生長界面的溫度梯度不斷地發(fā)生變化,從而使生長界面的形狀也相應(yīng)改變,整個生長過程中生長界面不穩(wěn)定。
不穩(wěn)定的生長界面將影響整個晶體的內(nèi)部品質(zhì)的一致性。同時,生長界面形狀的改變,改變了晶體所受浮力的大小,這樣作用到上稱重系統(tǒng)的合力除增加的晶體質(zhì)量外,還有一個浮力的改變量,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。
本文從引起晶體生長界面形狀改變的主要因素入手:
1) 不斷添加晶體生長原料,使熔液界面在一個很小的區(qū)間內(nèi)波動,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,同時為光學(xué)檢測晶體直徑偏差提供可靠的保證。
2) 通過光學(xué)檢測晶體直徑與理論直徑的偏差,控制晶體的旋轉(zhuǎn)速度來調(diào)節(jié)生長界面的角度,使生長界面角度始終維持在一個很小的區(qū)間波動。
圖1為穩(wěn)定晶體生長界面的裝置結(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)定晶體生長界面的裝置結(jié)構(gòu)示意圖
圖1由傳統(tǒng)的全自動控制系統(tǒng)、原料補充系統(tǒng)、光學(xué)放大CCD成像[4]直徑變化測量裝置3套獨立控制系統(tǒng)組成。
傳統(tǒng)的全自動控制裝置中秤1測量生產(chǎn)出的晶體質(zhì)量g1。g1與控制軟件設(shè)計的質(zhì)量(即晶體理論質(zhì)量G1)進行比較,其差值((Δg1)i=g1-G1)作為控制加熱源的功率變化值,最終達到晶體按照設(shè)計的質(zhì)量進行生長的目的,從而實現(xiàn)晶體幾何形狀按照預(yù)設(shè)的形狀進行生長的結(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)
原料補充系統(tǒng)中,由秤2測量料棒的質(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]直徑變化測量裝置,圖2為晶體俯視圖,使用顏色分為3個區(qū),從外到內(nèi)依次為坩堝內(nèi)壁、晶體熔液、晶體熔液過度區(qū)、晶體。
圖2 晶體生長界面俯視圖
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“晶體基準線”,并記錄其灰度值H1[5],以某一灰度值H0(與晶體種類有關(guān))定義“測量基準線中線”,該中線在整個控制過程中在CCD視窗中保持不變,并記錄H0與H1的間距為L0,在控制周期i時,測量灰度值為H1處與“測量基準線中線”的距離為Li,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
3套控制系統(tǒng)既獨立運行,又相互影響,通過綜合調(diào)整各個控制系統(tǒng)的P、I、D、T參數(shù),可較好地維持晶體生長界面的穩(wěn)定。原料補充系統(tǒng)的正確運行,在保證液面高度不變的同時,為光學(xué)放大CCD成像直徑變化測量裝置測量晶體直徑變化提供了穩(wěn)定的測量環(huán)境,保證光學(xué)測量直徑的準確性。傳統(tǒng)的全自動控制系統(tǒng)在正確運行情況下,光學(xué)放大CCD成像直徑變化測量裝置監(jiān)測到晶體直徑發(fā)生了變化,這說明晶體生長界面發(fā)生了改變,使傳統(tǒng)的全自動控制系統(tǒng)出現(xiàn)了控制失真。通過調(diào)整晶體旋轉(zhuǎn)速度,使晶體生長界面恢復(fù)到原來的狀態(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。