[发明专利]一种单晶硅熔炉晶体生长直径预测方法

说明书

本发明是一种单晶硅熔炉晶体生长直径预测方法，其基于PSO优化的KNN算法。本发明的优点：针对单晶硅生长过程中直径控制问题，利用了大量不同熔融炉的历史生长数据，并将不同生长阶段划分为不同数据集。为了消除不同数据类型数值差异过大对权重的影响，采用正态归一化方法进行数据增强。输入KNN回归模型优化加权权重。训练结束后，应用阶段可以将晶体生长数据输入回归模型，给出历史相似参数下的生长直径，并预测下一时刻晶体生长直径。利用PSO优化的带权重KNN回归计算模型，实现了晶体生长直径预测功能；对于优化晶体生长直径控制算法、减小直径波动和提高硅晶体质量具有重要意义。

技术领域

本发明涉及的是一种单晶硅熔炉生长直径预测方法，具体涉及一种粒子群优化带权重的k-最邻近算法和基于该算法的单晶硅熔炉中晶体生长直径的预测方法，属于预测算法和硅晶体生产技术领域。

背景技术

单晶硅棒是生产单晶硅片的重要原材料，随着国内和国际市场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。

单晶硅按晶体生长方法的不同，分为直拉法(CZ)、区熔法(FZ)和外延法。由于成本和性能的原因，直拉法单晶硅材料应用最广。

直拉法即切克劳斯基法(Czochralski:Cz)，基本原理和基本过程如下：

1.引晶：通过电阻加热，将装在石英坩埚中的多晶硅熔化，并保持略高于硅熔点的温度，将籽晶浸入熔体，然后以一定速度向上提拉籽晶并同时旋转引出晶体；

2.缩颈：生长一定长度的缩小的细长颈的晶体，以防止籽晶中的位错延伸到晶体中；

3.放肩：将晶体控制到所需直径；

4.等径生长：根据熔体和单晶炉情况，控制晶体等径生长到所需长度；

5.收尾：直径逐渐缩小，离开熔体；

6.降温：降级温度，取出晶体，待后续加工。

其中，放肩和等径生长阶段需要通过控制液面温度、晶体转速、坩埚转速以达到控制晶体生长直径的目的。现有技术中一般采用的控制技术为PID自动控制，生长晶体过程仍然存在直径波动。

发明内容

本发明提出的是一种单晶硅熔炉晶体生长直径预测方法，其目的旨在克服现有技术存在的上述缺陷，实现根据当前控制参数和状态预测下一时刻的晶体直径，用于改进控制算法，减小晶体生长时的直径波动。

本发明的技术解决方案：一种PSO优化的KNN算法，即一种采用粒子群优化带权重的k-最邻近算法，包括根据当前的控制参数和状态，查找历史数据中与当前最相似的K个点，对历史数据中的这K个点求加权平均，对于最佳权重的求取，采用粒子群算法进行优化。

优选的，所述的粒子群算法中，粒子具有速度和位置两个属性，每一个粒子的位置表示为每一个粒子经历过的最好位置记为也称为pbest，在群体所有粒子经历过的最好位置的索引号用符号g表示，即Pg，也称为gbest；PSO初始化N个粒子，位置随机，通过迭代找到最优解；在每一次的迭代中，粒子通过跟踪两个极值(pbest，gbest)来更新自己；在找到这两个最优值后，粒子通过下列公式更新自己的速度和位置：

其中w为惯性权重，c₁和c₂为加速常数，rand()和Rand()为两个在[0,1]范围内变化的随机值；

粒子的速度V_i被一个最大速度V_max所限制；如果当前对粒子的加速导致其在某维的速度v^d_i超过该维的最大速度V^d_max，则该维的速度被限制为该维最大速度V^d_max。