專利名稱：鍺單晶直拉生長(zhǎng)法的自動(dòng)等徑控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種鍺單晶直拉生長(zhǎng)法的自動(dòng)等徑控制方法。
背景技術(shù)：
鍺晶體具有良好的透紅外性能、高的折射指數(shù)、低色散、不潮解、機(jī)械強(qiáng)度高和化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，是8-12 u m波段熱成像儀光學(xué)系統(tǒng)的首選材料。用于紅外光學(xué)系統(tǒng)的鍺晶體有單晶和多晶兩種，多晶鍺具有成本低、工藝簡(jiǎn)單、可直接加工成適當(dāng)形狀等優(yōu)點(diǎn)。但多晶鍺存在晶界，其光學(xué)均勻性和力學(xué)性能都不及單晶鍺，因此，高精度的紅外系統(tǒng)仍然選用單晶鍺，這類鍺單晶統(tǒng)稱紅外鍺單晶。此外，大尺寸(4英寸以上)低位錯(cuò)鍺單晶，用于空間高效GaAs/Ge太陽(yáng)電池襯底片，這類鍺單晶有嚴(yán)格的位錯(cuò)要求，統(tǒng)稱為低位錯(cuò)鍺單晶。大直徑鍺單晶生長(zhǎng)工藝有直拉法、定向結(jié)晶法、斯捷潘諾夫法、旋轉(zhuǎn)晶片法等。 作為獨(dú)特的不可替代的紅外光學(xué)材料，鍺單晶材料在航空航天和國(guó)防軍工等高新技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，在紅外探測(cè)、激光測(cè)距、熱成像、紅外掃描、遠(yuǎn)距離偵察諸多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。隨著國(guó)家GDP的增長(zhǎng)，用于國(guó)防建設(shè)的開(kāi)支逐年提高，鍺單晶材料，特別是大直徑紅外光學(xué)材料需求更大，前景廣闊。在21世紀(jì)初，生產(chǎn)鍺單晶的各科研院所，大都使用石墨加熱器，直拉法為主。整個(gè)拉晶過(guò)程，分為升溫化料引晶、放肩/轉(zhuǎn)肩、等徑生長(zhǎng)、收尾結(jié)束四個(gè)階段，而等徑生長(zhǎng)部分是晶體生長(zhǎng)的主要部分。鑒于早期直拉法鍺單晶爐設(shè)備自動(dòng)化水平低，不論是無(wú)位錯(cuò)要求的紅外鍺單晶，還是有位錯(cuò)要求的低位錯(cuò)鍺單晶，都是采用手動(dòng)控制直徑，操作人員需要隨時(shí)監(jiān)控晶體生長(zhǎng)的情況，如果發(fā)現(xiàn)晶體長(zhǎng)粗，即刻提高拉速或者升溫；相反，如果晶體長(zhǎng)細(xì)，即刻降低拉速或降溫，以保證晶體轉(zhuǎn)肩以后盡可能等直徑。人工控制直徑長(zhǎng)出的鍺晶體，夕卜形凸凹不平，導(dǎo)致后續(xù)加工拋光、磨圓、切片過(guò)程浪費(fèi)嚴(yán)重，效率低。更嚴(yán)重地，在晶體長(zhǎng)細(xì)的情況下，如果操作人員發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，降溫幅度不夠，就會(huì)導(dǎo)致晶體直徑大幅收細(xì)，不滿足等徑尺寸最小要求，致使整個(gè)晶體無(wú)法使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種鍺單晶直拉生長(zhǎng)法的自動(dòng)等徑控制方法，解決了目前通過(guò)人工控制直徑長(zhǎng)出的鍺晶體外形凸凹不平及等徑尺寸不能滿足使用要求的問(wèn)題。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種鍺單晶直拉生長(zhǎng)法的自動(dòng)等徑控制方法，按照以下步驟實(shí)施I)設(shè)定需要制備的鍺晶體的直徑，以及初始晶升電機(jī)提拉速度設(shè)定值SL ；2)建立速度控制環(huán)、溫度控制環(huán)a及溫度控制環(huán)b，其中，建立速度控制環(huán)的實(shí)施步驟為對(duì)鍺晶體的直徑進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，計(jì)算出測(cè)量得到的鍺晶體的直徑與步驟I)中設(shè)定的鍺晶體的直徑偏差el，然后根據(jù)算法OP = k* (el+去算出晶升電機(jī)提拉速度調(diào)節(jié)值0P，將晶升電機(jī)提拉速度 Ti Jodt
調(diào)節(jié)值OP與步驟I的晶升電機(jī)提拉速度設(shè)定值SL疊加，不斷調(diào)整晶升電機(jī)提拉速度，從而使晶體直徑發(fā)生改變，其中，k為速度控制環(huán)比例調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)，Ti為速度控制環(huán)積分調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間系數(shù)，Td為速度控制環(huán)微分調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間系數(shù)，t為速度控制環(huán)的控制周期； 建立溫度控制環(huán)a的實(shí)施步驟為根據(jù)直徑偏差el，通過(guò)算法trl = kl* (el+^f dx//l)算出溫度校正斜率trl，通過(guò)直徑控制器與控溫儀表
i/1 Jo
溫度設(shè)定SP之間的MODBUS通訊程序功能塊，不斷修正控溫儀表溫度設(shè)定值SP，使加熱器溫度改變，從而使晶體直徑發(fā)生改變，其中，kl為溫度控制環(huán)a比例調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)，Til為溫度控制環(huán)a積分調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間系數(shù)，tl為溫度控制環(huán)a的控制周期；建立溫度控制環(huán)b的實(shí)施步驟為經(jīng)速度控制環(huán)改變的晶升電機(jī)提拉速度與初始晶升電機(jī)提拉速度設(shè)定值SL的差值為晶升電機(jī)拉速偏差e2，溫度控制環(huán)b根據(jù)晶升電機(jī)拉速偏差e2，通過(guò)算法
tr2 = k2* (e2+士 dn)算出溫度校正斜率tr2，通過(guò)直徑控制器與控溫儀表溫度設(shè)定
SP之間的MODBUS通訊程序功能塊，不斷修正控溫儀表溫度設(shè)定SP，使加熱器溫度改變，進(jìn)而使晶體直徑發(fā)生變化，其中，k2為溫度控制環(huán)b比例調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)，Ti2為溫度控制環(huán)b積分調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間系數(shù)，t2為溫度控制環(huán)b的控制周期；3)根據(jù)所要制備的鍺單晶的需要，以控制提拉速度為主進(jìn)行直徑控制，結(jié)合溫度控制，即單獨(dú)使用速度控制環(huán)進(jìn)行控制，或使用速度控制環(huán)與溫度控制環(huán)a協(xié)同控制，或以速度控制環(huán)為主，結(jié)合溫度控制環(huán)b進(jìn)行控制；或以控制溫度為主進(jìn)行直徑控制，只調(diào)節(jié)控溫儀表溫度設(shè)定SP，進(jìn)行恒拉速拉晶，即僅以溫度控制環(huán)a進(jìn)行控制，使晶升電機(jī)提拉速度與工藝要求的初始晶升電機(jī)提拉速度SL相同，從而使鍺晶體生長(zhǎng)過(guò)程中的直徑得到控制。本發(fā)明的有益效果是，根據(jù)不同類型鍺單晶工藝生長(zhǎng)的實(shí)際特點(diǎn)、要求，可以自由選擇等徑控制環(huán)及其組合。使鍺單晶的生產(chǎn)從人工控制直徑轉(zhuǎn)到自動(dòng)控制直徑，提高了生產(chǎn)效率，減小了單晶棒后續(xù)拋光、磨圓、切片加工過(guò)程中的浪費(fèi)。


圖I是本發(fā)明鍺單晶直拉生長(zhǎng)法的自動(dòng)等徑控制方法的框圖2是本發(fā)明的方法中鍺單晶等徑生長(zhǎng)速度控制環(huán)的原理圖；圖3是本發(fā)明的方法中鍺單晶等徑生長(zhǎng)溫度控制環(huán)a的原理圖；圖4是本發(fā)明的方法中鍺單晶等徑生長(zhǎng)溫度控制環(huán)b的原理圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明提供了一種鍺單晶直拉生長(zhǎng)法的自動(dòng)等徑控制方法，如圖I所示，按照以下步驟實(shí)施I)設(shè)定需要制備的鍺晶體的直徑，以及設(shè)定初始晶升電機(jī)提拉速度SL ；2)建立速度控制環(huán)、溫度控制環(huán)a及溫度控制環(huán)b，其中，如圖2所示，速度控制環(huán)的實(shí)施步驟為對(duì)鍺晶體的直徑進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，計(jì)算出測(cè)量得到的的鍺晶體的直徑與步驟I)中設(shè)定的鍺晶體的直徑偏差el，然后根據(jù)算法
權(quán)利要求
1.ー種鍺單晶直拉生長(zhǎng)法的自動(dòng)等徑控制方法，其特征在于，按照以下步驟實(shí)施 1)設(shè)定需要制備的鍺晶體的直徑，以及初始晶升電機(jī)提拉速度設(shè)定值SL； 2)建立速度控制環(huán)、溫度控制環(huán)a及溫度控制環(huán)b，其中， 建立速度控制環(huán)的實(shí)施步驟為對(duì)鍺晶體的直徑進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，計(jì)算出測(cè)量得到的鍺晶體的直徑與步驟I)中設(shè)定的鍺晶體的直徑偏差el，然后根據(jù)算法
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種鍺單晶直拉生長(zhǎng)法的自動(dòng)等徑控制方法，先設(shè)定需要制備的鍺晶體的直徑，以及設(shè)定初始晶升電機(jī)提拉速度SL，然后建立速度控制環(huán)、溫度控制環(huán)a及溫度控制環(huán)b，鍺單晶在生長(zhǎng)過(guò)程中，當(dāng)直徑測(cè)量值偏離直徑設(shè)定值時(shí)，直徑測(cè)量值與直徑設(shè)定值之間就會(huì)形成直徑偏差e1，三個(gè)控制環(huán)互相配合，自動(dòng)調(diào)節(jié)晶升電機(jī)提拉速度、控溫儀表溫度設(shè)定SP，讓直徑測(cè)量值達(dá)到直徑設(shè)定值。使鍺單晶的生產(chǎn)從人工控直徑轉(zhuǎn)到自動(dòng)控直徑，提高了生產(chǎn)效率，減小了單晶棒后續(xù)拋光、磨圓、切片加工過(guò)程中的浪費(fèi)。
文檔編號(hào)C30B15/22GK102758250SQ20121025326
公開(kāi)日2012年10月31日 申請(qǐng)日期2012年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月20日
發(fā)明者姚婕, 張紅勇 申請(qǐng)人:西安理工晶體科技有限公司