单晶硅提拉生长控制系统关键技术研究

admin · 发表于 2024-2-2 09:27:07

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凭借优质的特性、日臻完善的工艺以及广泛的用途等综合优势，单晶硅已成为当代工业中应用最多的半导体材料，作为电子信息行业的最基础性材料，单晶硅的应用已渗透到国民经济和国防科技中各个领域。提拉法（CZ法）晶体生长以其自身的生长过程特点、较快的生长速率以及较高的晶体成品率，目前已成为制备单晶硅乃至其他人工晶体最主要的一种方法。众所周知，CZ法晶体生长是一个典型的跨学科研究项目，涵盖了晶体生长、热流体场、机械电子、自动控制以及计算机等技术领域，其分析及控制十分复杂。因此，对CZ法晶体生长控制系统进行研究具有十分重要的意义。本文在对CZ法晶体生长设备及其控制技术的国内外发展现状进行深入分析的基础上，首先建立了CZ法晶体生长的温度状态方程，针对其大惯量、大滞后的特性，引入基于DMC的预测控制方法，有效减少了从加热功率改变到熔液温度变化之间的调节时间，提高了系统响应的快速性，并通过仿真分析验证了其有效性。恒定的晶体直径是CZ法晶体生长过程的首要控制目标。CZ法过程中，拉速是晶体直径控制的调节量之一，其对直径造成的影响最为迅速。本文在总结前人研究成果的基础上，分析拉速——直径之间的关系，运用自抗扰控制（ADRC）技术，以期减少控制过程中各种干扰可能对直径造成的影响，仿真结果表明，此方法能有效提高系统的抗干扰能力。本文在进行实际晶体生长实验过程中，发现拉速波动较大是CZ法生产过程中普遍存在的一个现象；而前人的研究成果表明拉速的大幅波动容易造成晶体的结构性微观缺陷。本文深入分析了影响拉速波动的内部机理，采用新的控制结构，以拉速偏差作为温度补偿速率的依据来调节加热功率，并引入模糊控制及遗传算法理论，同时提高了功率补偿的精度和系统鲁棒性。仿真结果也表明该控制结构和相关控制算法的引入有效抑制了拉速的波动，一方面降低了晶体缺陷的产生机率，同时由于拉速长周期、大幅度波动的减少，对晶体产量也带来一定的积极影响。最后，在分析比较各种控制方案的基础上，利用PLC的高可靠性及PC在编程方面的灵活性设计并建立通用、可靠的PC+PLC控制平台；完成了整个系统的调试和单晶硅提拉生长实验，并验证控制结构及相关智能控制算法的正确性和可行性，实现了晶体直径的高精度控制。

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