稳定提拉法晶体生长界面的装置和方法研究

周益民，何 晔，岑 伟，陈川贵，邓江涛

(1. 中国电子科技集团公司第二十六研究所，重庆 400060;2. 麦格磁电科技有限公司,广东 珠海 519040)

0 引言

晶体生长界面稳定是生长高质量晶体的重要条件。全自动提拉单晶炉使用高精度上称重系统[1]间接测量晶体的实际生长直径，并反馈到计算机控制系统控制加热源输出功率，可较好地控制整个晶体按照预设的形状完成生长过程。但从引晶开始到生长结束的过程中，随着晶体的生长，晶体的固-液界面不断往下移动，在不同位置，生长界面[2-3]受晶体散热改变、保温系统保温改变及加热系统加热效果改变等综合因素的影响，导致生长界面的温度梯度不断地发生变化，从而使生长界面的形状也相应改变，整个生长过程中生长界面不稳定。

不稳定的生长界面将影响整个晶体的内部品质的一致性。同时，生长界面形状的改变，改变了晶体所受浮力的大小，这样作用到上称重系统的合力除增加的晶体质量外，还有一个浮力的改变量，导致以晶体质量为反馈参数的晶体等径控制系统出现控制失真，引起晶体直径的不合理改变。

1 结构及原理描述

本文从引起晶体生长界面形状改变的主要因素入手：

1) 不断添加晶体生长原料，使熔液界面在一个很小的区间内波动，解决传统控制系统由于熔液界面下降而造成的温度梯度变化，同时为光学检测晶体直径偏差提供可靠的保证。

2) 通过光学检测晶体直径与理论直径的偏差，控制晶体的旋转速度来调节生长界面的角度，使生长界面角度始终维持在一个很小的区间波动。

图1为稳定晶体生长界面的装置结构示意图。图中，v1为晶体的提拉速度，v2为料棒下降速度，ω1为晶体的旋转速度,ω2为电荷耦合器件(CCD)的旋转速度。

图1 稳定晶体生长界面的装置结构示意图

图1由传统的全自动控制系统、原料补充系统、光学放大CCD成像[4]直径变化测量装置3套独立控制系统组成。

传统的全自动控制装置中秤1测量生产出的晶体质量g1。g1与控制软件设计的质量(即晶体理论质量G1)进行比较，其差值((Δg1)i=g1-G1)作为控制加热源的功率变化值，最终达到晶体按照设计的质量进行生长的目的，从而实现晶体几何形状按照预设的形状进行生长的结果。P1、I1、D1、T1为该控制系统的比例、积分、微分(PID)控制参数及采样周期，晶体等径控制过程中加热电源功率调整值为

ΔP=P1×[(Δg1)i-(Δg1)i-1+T1/I1×

(Δg1)i+D1/T1×((Δg1)i-2×

(Δg1)i-1+(Δg1)i-2))]

(1)

原料补充系统中，由秤2测量料棒的质量g2，控制软件不断记录g1+g2的值为q，初始值为q0，在第i个控制周期，即以Δqi=qi-q0作为调整料棒下降速度的调整源，Δv2为料棒下降速度的调整量，P2、I2、D2、T2为该控制系统的PID控制参数及采样周期，通过下列控制算法可较好地保证熔液液面高度的稳定。

Δv2=P2×[Δqi-Δqi-1+T2/I2×Δqi+

D2/T2×(Δqi-2×Δqi-1+Δqi-2)]

(2)

CCD系统为光学放大CCD成像[4]直径变化测量装置，图2为晶体俯视图，使用颜色分为3个区，从外到内依次为坩埚内壁、晶体熔液、晶体熔液过度区、晶体。

图2 晶体生长界面俯视图

图3为光学放大后的CCD视窗图。图1中旋转w2直到晶体生长固液界面处于视窗中心，从CCD视窗中确定晶体边缘为“晶体基准线”，并记录其灰度值H1[5]，以某一灰度值H0(与晶体种类有关)定义“测量基准线中线”，该中线在整个控制过程中在CCD视窗中保持不变，并记录H0与H1的间距为L0，在控制周期i时，测量灰度值为H1处与“测量基准线中线”的距离为Li，并得到ΔLi=Li-L0，P3、I3、D3、T3为该控制系统的PID控制参数，得到ω1的调整量Δω1为

Δω1=P3×[ΔLi-ΔLi-1+T3/I3×ΔLi+

D3/T3×(ΔLi-2×ΔLi-1+ΔLi-2)]

(3)

图3 CCD视窗放大图

2 结束语

3套控制系统既独立运行，又相互影响，通过综合调整各个控制系统的P、I、D、T参数，可较好地维持晶体生长界面的稳定。原料补充系统的正确运行，在保证液面高度不变的同时，为光学放大CCD成像直径变化测量装置测量晶体直径变化提供了稳定的测量环境，保证光学测量直径的准确性。传统的全自动控制系统在正确运行情况下，光学放大CCD成像直径变化测量装置监测到晶体直径发生了变化，这说明晶体生长界面发生了改变，使传统的全自动控制系统出现了控制失真。通过调整晶体旋转速度，使晶体生长界面恢复到原来的状态，这样既保证了晶体外形符合设定尺寸要求，又可以保证晶体内部品质的优良。