[发明专利]锗单晶直拉生长法的自动等径控制方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体电子技术领域，涉及一种锗单晶直拉生长法的自动等径控制方法。

背景技术

锗晶体具有良好的透红外性能、高的折射指数、低色散、不潮解、机械强度高和化学稳定性好等优点，是8-12μm波段热成像仪光学系统的首选材料。用于红外光学系统的锗晶体有单晶和多晶两种,多晶锗具有成本低、工艺简单、可直接加工成适当形状等优点。但多晶锗存在晶界,其光学均匀性和力学性能都不及单晶锗，因此，高精度的红外系统仍然选用单晶锗，这类锗单晶统称红外锗单晶。此外，大尺寸(4英寸以上)低位错锗单晶,用于空间高效GaAs/Ge太阳电池衬底片，这类锗单晶有严格的位错要求，统称为低位错锗单晶。大直径锗单晶生长工艺有直拉法、定向结晶法、斯捷潘诺夫法、旋转晶片法等。

作为独特的不可替代的红外光学材料，锗单晶材料在航空航天和国防军工等高新技术领域发挥重要作用，在红外探测、激光测距、热成像、红外扫描、远距离侦察诸多领域应用广泛。随着国家GDP的增长，用于国防建设的开支逐年提高，锗单晶材料，特别是大直径红外光学材料需求更大，前景广阔。

在21世纪初，生产锗单晶的各科研院所，大都使用石墨加热器，直拉法为主。整个拉晶过程，分为升温化料引晶、放肩/转肩、等径生长、收尾结束四个阶段，而等径生长部分是晶体生长的主要部分。鉴于早期直拉法锗单晶炉设备自动化水平低，不论是无位错要求的红外锗单晶，还是有位错要求的低位错锗单晶，都是采用手动控制直径，操作人员需要随时监控晶体生长的情况，如果发现晶体长粗，即刻提高拉速或者升温；相反，如果晶体长细，即刻降低拉速或降温，以保证晶体转肩以后尽可能等直径。人工控制直径长出的锗晶体，外形凸凹不平，导致后续加工抛光、磨圆、切片过程浪费严重，效率低。更严重地，在晶体长细的情况下，如果操作人员发现不及时，降温幅度不够，就会导致晶体直径大幅收细，不满足等径尺寸最小要求，致使整个晶体无法使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种锗单晶直拉生长法的自动等径控制方法，解决了目前通过人工控制直径长出的锗晶体外形凸凹不平及等径尺寸不能满足使用要求的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种锗单晶直拉生长法的自动等径控制方法，按照以下步骤实施：

1）设定需要制备的锗晶体的直径，以及初始晶升电机提拉速度设定值SL；

2）建立速度控制环、温度控制环a及温度控制环b，其中，

建立速度控制环的实施步骤为：对锗晶体的直径进行实时测量，计算出测量得到的锗晶体的直径与步骤1）中设定的锗晶体的直径偏差e1，然后根据算法：算出晶升电机提拉速度调节值OP，将晶升电机提拉速度调节值OP与步骤1的晶升电机提拉速度设定值SL叠加，不断调整晶升电机提拉速度，从而使晶体直径发生改变，

其中，

k为速度控制环比例调节器的比例系数，

Ti为速度控制环积分调节器的积分时间系数，

Td为速度控制环微分调节器的微分时间系数，

t为速度控制环的控制周期；

建立温度控制环a的实施步骤为：根据直径偏差e1，通过算法：

算出温度校正斜率tr1，通过直径控制器与控温仪表温度设定SP之间的MODBUS通讯程序功能块，不断修正控温仪表温度设定值SP，使加热器温度改变，从而使晶体直径发生改变，

其中，

k1为温度控制环a比例调节器的比例系数，

Ti1为温度控制环a积分调节器的积分时间系数，

t1为温度控制环a的控制周期；

建立温度控制环b的实施步骤为：

经速度控制环改变的晶升电机提拉速度与初始晶升电机提拉速度设定值SL的差值为晶升电机拉速偏差e2，温度控制环b根据晶升电机拉速偏差e2，通过算法：算出温度校正斜率tr2，通过直径控制器与控温仪表温度设定SP之间的MODBUS通讯程序功能块，不断修正控温仪表温度设定SP，使加热器温度改变，进而使晶体直径发生变化，

其中，k2为温度控制环b比例调节器的比例系数，

Ti2为温度控制环b积分调节器的积分时间系数，

t2为温度控制环b的控制周期；

3）根据所要制备的锗单晶的需要，以控制提拉速度为主进行直径控制，结合温度控制，即单独使用速度控制环进行控制，或使用速度控制环与温度控制环a协同控制，或以速度控制环为主，结合温度控制环b进行控制；