[发明专利]用于单晶硅生长过程控制的智能PID控制方法及其系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于对单晶硅的生长过程进行控制的智能PID (Proportional Integral Derivative，比例积分微分)控制方法，同时也涉 及用于实施该方法、对单晶硅的生长过程进行智能控制的控制系统，属 于工业自动控制技术领域。

背景技术

单晶硅是电子信息产业中最基础的材料之一。按晶体生长方法的不 同，分为直拉法(CZ)、区熔法(FZ)和外延法。直拉法、区熔法生长 单晶硅棒材，外延法生长单晶硅薄膜。单晶硅的制法通常是先制得多晶 硅或无定形硅，然后用直拉法或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单晶硅。 棒状单晶硅是生产单晶硅片的基础原材料。随着市场上对单晶硅片需求 量的快速增加，单晶硅棒的市场需求也呈快速增长的趋势。

硅单晶炉是利用直拉法将多晶硅原料提炼成单晶硅的生长设备。在 硅单晶炉中生长棒状单晶硅晶体的过程分为装料、加热熔料、降温调整 引晶温度、引晶、放肩、转肩、等径、收尾等步骤。

1.装料

首先将石英埚装入坩埚上，然后将多晶硅料装入石英埚。装料完成 后合炉，然后开始抽真空，在达到真空要求后，充入氩气，在微负压的 情况下，打开加热器开始加热。

2.加热熔料

加热熔料是根据熔料的工艺要求逐步升高温度，达到熔料的温度， 将固态多晶硅原料溶化成液态。

3.降温调整引晶温度

当多晶硅原料溶化完成后，还不能马上开始引晶，因为这时的温度 要高于引晶温度，还必须经过降温，将温度调整到引晶的温度。

4.引晶

引晶是将事先装到钢丝绳末端的籽晶(也就是加工成一定形状的单 晶)与液面接触，在引晶温度下，硅分子将沿着籽晶的晶格方向生长， 从而形成单晶。

5.放肩

引晶的过程中将逐步拉出直径在2～3毫米左右、长度在150毫米左 右的一段晶体，以便消除晶体位错。放肩是将晶体直径逐步生长到生产 所要求的直径。

6.转肩

当晶体在放肩过程中生长到生产要求的直径后，进入转肩过程。转 肩是提高晶体拉速，将晶体直径控制在生产所要求的直径。

7.等径

当转肩完成后进入等径控制步骤，它是决定单晶硅晶体生长质量的 关键环节之一。在该步骤中，通过对拉速和温度的自动控制，让晶体将 按照设定的直径等径生长。

8.收尾

晶体在完成等径生长后将进入收尾过程，收尾的过程也是为了消除 位错。

9.其他

收尾完成后晶体生长基本完成，让晶体继续保留在硅单晶炉中一定 的时间，从而完成晶体的退火。

在实际的生产过程中，上述的1至6步骤大多由手动完成，而7和8 步骤采用手工操作难以保证质量，因此通常会采用专门开发的计算机控 制系统自动完成有关的操作。采用计算机控制加热温度及晶体的等径生 长，对提高产品质量、降低工作强度、节约能耗有极大的意义(例如， 参见专利文献1～7)。

[专利文献1]PCT/US00/04168

[专利文献2]JP2005-162558

[专利文献3]JP2005-035823

[专利文献4]JP2004-035353

[专利文献5]JP2001-261485

[专利文献6]JP2000-191394

[专利文献7]JP09-221386

单晶硅的生长过程控制作为具有非线性、时变、大纯滞后特性的控 制对象，虽然许多控制理论和技术日趋成熟，但应用常规PID控制器难 以实现有效的控制，而采用自适应PID等方法，计算时间长，调试费用 大，实时应用仍比较困难。为此，在中国出版的《测控技术》第20卷第 3期35～36页上，介绍了Fuzzy-PID复合控制在单晶硅等径生长中的应 用。该论文中，在大偏差范围内采用Fuzzy控制，在小偏差范围内采用 PID控制，从而实现对晶体等径的控制。但是，上述的Fuzzy-PID复合 控制方法中，采用预测型Fuzzy自整定PID参数控制器。此处的模糊规 则是基于经验法则确定的，这显然会带来较大的经验误差，很难进一步 提高单晶硅生长的质量。

发明内容