自動加料單晶爐的設計與研究

李海林，武 歡，王 瑞

(中國電子科技集團公司第二十六研究所,重慶 400060)

0 引言

晶體具有優異的光敏特性、熱敏特性和摻雜特性，是電子工業和高技術領域中不可缺少的材料。人工晶體材料的制備是將組成晶體的基元(原子、分子或離子)解離后按照一定規則又重新組合的過程[1]。提拉法[2]是目前獲取人工晶體材料的主要方法之一，其原理是：熔體在接觸到籽晶時，通過降低熔體溫度來形成過冷度，從而使熔體沿籽晶結晶，并隨籽晶的逐漸上升而生長成棒狀晶體。

由于傳統的晶體生長設備在晶體生長過程中不會補充原料，所以，坩堝內的固-液界面會因熔體結晶而逐漸下降，直至熔體全部結晶完成。因此，最終晶體的大小取決于預先放置于坩堝中的原料多少，而坩堝中原料的多少取決于坩堝和生長設備的大小。如果想通過大的坩堝和設備來生長大尺寸晶體，則成本高。如何在生長過程中添加原料，使固-液界面保持不變，從而利用小坩堝生長大尺寸晶體以降低生長成本，已成為晶體生長工作者追求的重要目標。

1 自動加料單晶爐結構及工作原理

自動加料單晶爐(見圖1)是在原提拉單晶爐(以中國電子科技集團公司第二十六研究所生產的JGD系列提拉單晶爐為參考設備)的基礎上進行改進和優化設計，主要由晶體自動生長控制系統和自動加料控制系統組成，自動加料控制系統受控于晶體自動生長控制系統。

圖1 自動加料單晶爐結構示意圖

晶體自動生長控制系統(見圖1)由提拉模塊、稱重模塊、旋轉模塊、加熱模塊及中央控制模塊等組成[3]。提拉模塊為晶體提供一個垂直向上的移動速度v1，使晶體不斷向上生長。稱重模塊實時測量，并向中央控制系統反饋晶體的質量M(晶體開始生長前稱重傳感器清0)。旋轉模塊為晶體提供一個旋轉速度ω1，保證晶體生長的連續性。加熱模塊為原料融化和晶體生長提供所需熱量。中央控制模塊對反饋回來的數據信息進行處理，并根據處理結果對加熱功率及加料速度等參數進行控制調整。

自動加料控制系統(見圖2)由稱重模塊、加料模塊和中央控制系統組成。稱重模塊實時測量料斗中剩余原料質量，同時將數據反饋給中央控制模塊。中央控制模塊根據數據計算出已向坩堝中添加的原料質量m；加料模塊通過電機旋轉將原料以速度v2從料斗底部出口推向落料口，原料通過引料管后落入坩堝。

圖2 自動加料系統結構示意圖

晶體自動生長控制系統和自動加料控制系統均采用稱重反饋方式[4]，v1作為輸入參數，由晶體生長人員設置確定，v2(或ω2)作為自動調整參數，根據反饋回來的數據信息作出相應變化。生長過程中，兩個稱重傳感器獲得質量數據，中央控制系統根據數據計算出晶體質量M和添加粉料質量m，在對其進行比較判斷后，通過控制自動加料系統中電機的旋轉速度ω2，調整推料速度v2，使m=M，確保自動添加的原料質量和生長的晶體質量一致，從而實現坩堝內的固-液界面保持不變，保證晶體能一直持續生長，直到程序結束為止。

2 晶體自動生長控制系統

晶體自動生長控制系統的原理是將晶體的實際質量M與理論質量M′進行比較,并根據比較結果來控制加熱功率，調節晶體結晶速度的快慢，進而實現M=M′。

在放肩階段，晶體的理論質量為

M′=ρ1·V1

(1)

式中：ρ1為晶體密度；V1為放肩階段晶體體積。

若將其近似為圓錐體[5]，則有：

(2)

若程序設置等徑半徑為R，則有:

(3)

由式(1)～(3)可得放肩階段晶體的理論質量為

(4)

(5)

在等徑階段，晶體的理論質量為

M′=ρ1·V2

(6)

式中V2為等徑階段晶體總體積，可視為一個圓錐體和圓柱體組成，即

(7)

式中T為系統設置的生長結束時間。

結合式(6) 、(7)可得等徑階段晶體的理論質量為

(8)

根據稱重傳感器1返回的數據得到晶體的M。當M>M′時，說明晶體結晶速度較快，需要適當加大加熱功率P，以減小溫場梯度，降低結晶速度；當M

圖3 晶體自動生長控制流程圖

3 自動加料控制系統

在自動加料控制系統中，以補充的原料理論質量m′作為參考量，補充的原料實際質量m作為調整變量，通過系統控制最終實現m=m′。m的變化通過自動調整理論加料速度v2(或電機理論轉速ω2)來實現，所以，m是一個關于v2(或ω2)和時間t的函數。

在晶體放肩階段，補充原料的m′為

(9)

式中：t0為晶體放肩階段任一時刻；ρ2為原料密度；S為腔室有效截面積(除去螺旋推桿外的截面積(見圖2))。

根據質量守恒定律有：

m′=M′

(10)

由式(4)、(9)及(10)可得：

(11)

(12)

(13)

在晶體等徑階段，補充的原料理論總質量為

(14)

由式(8)、(10)及(14)可得：

(15)

(16)

結合式(12)、(16)，則理論加料速度為

(17)

又有：

v2=ω2k

(18)

式中：ω2為電機的理論轉速；k為螺旋推桿導程。

由式(17)、(18)得電機的理論轉速為

(19)

根據(19)可知，在晶體放肩階段，自動加料系統中，ω2是t的二階函數。在晶體等徑階段，ω2只是一個常數，其曲線示意圖如圖4所示。

圖4 電機理論轉速ω2曲線示意圖

在實際生長過程中，補充原料為粉狀物，由于在不同部位其密實程度存在一定差異，所以，ρ2也并非固定不變，這導致補充原料的m與m′有一定偏差。在晶體生長控制系統下，M=M′,結合式(10)可得m′=M′=M。因此，要想實現m=M，保證坩堝內固-液界面不變，則必須滿足m=m′。而m=m′的實現，需要中央控制系統對加料系統的ω2進行比例、積分和微分(PID)閉環控制。其控制流程圖如圖5所示。

圖5 自動加料系統控制流程圖

在系統PID控制下，加料系統中電機的實際轉速會隨著理論轉速來回波動，尤其是兩個階段的前期較明顯，隨后波動幅度逐漸減小。在等徑階段后期，實際轉速較平穩，無明顯波動。電機在系統控制下的轉速示意圖如圖6所示。

圖6 電機轉速示意圖

4 結束語

本文根據補充粉料質量與生長晶體質量相等這一原則，以晶體質量為參考，通過自動加料系統對加料速度進行控制，確保坩堝內固-液界面保持不變，進而實現小坩堝生長大尺寸晶體的目標，提高了設備利用率，節約了能源，降低了生長成本。但在實際生產中，當晶體長度尺寸達到一定值后，晶體上端可能會因離溫場距離較遠，溫度下降過快而開裂。若要防止晶體開裂，唯有加大溫場高度，但如何對其進行分段控制，形成合理的溫場梯度，從而避免晶體在生長及降溫過程中開裂，還需要進一步研究。