專利名稱：鍺單晶直拉生長法的自動等徑控制方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于半導體電子技術(shù)領域，涉及一種鍺單晶直拉生長法的自動等徑控制方法。
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、機械強度高和化學穩(wěn)定性好等優(yōu)點，是8-12 u m波段熱成像儀光學系統(tǒng)的首選材料。用于紅外光學系統(tǒng)的鍺晶體有單晶和多晶兩種，多晶鍺具有成本低、工藝簡單、可直接加工成適當形狀等優(yōu)點。但多晶鍺存在晶界，其光學均勻性和力學性能都不及單晶鍺，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)低位錯鍺單晶，用于空間高效GaAs/Ge太陽電池襯底片，這類鍺單晶有嚴格的位錯要求，統(tǒng)稱為低位錯鍺單晶。大直徑鍺單晶生長工藝有直拉法、定向結(jié)晶法、斯捷潘諾夫法、旋轉(zhuǎn)晶片法等。 作為獨特的不可替代的紅外光學材料，鍺單晶材料在航空航天和國防軍工等高新技術(shù)領域發(fā)揮重要作用，在紅外探測、激光測距、熱成像、紅外掃描、遠距離偵察諸多領域應用廣泛。隨著國家GDP的增長，用于國防建設的開支逐年提高，鍺單晶材料，特別是大直徑紅外光學材料需求更大，前景廣闊。在21世紀初，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。整個拉晶過程，分為升溫化料引晶、放肩/轉(zhuǎn)肩、等徑生長、收尾結(jié)束四個階段，而等徑生長部分是晶體生長的主要部分。鑒于早期直拉法鍺單晶爐設備自動化水平低，不論是無位錯要求的紅外鍺單晶，還是有位錯要求的低位錯鍺單晶，都是采用手動控制直徑，操作人員需要隨時監(jiān)控晶體生長的情況，如果發(fā)現(xiàn)晶體長粗，即刻提高拉速或者升溫；相反，如果晶體長細，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。人工控制直徑長出的鍺晶體，夕卜形凸凹不平，導致后續(xù)加工拋光、磨圓、切片過程浪費嚴重，效率低。更嚴重地，在晶體長細的情況下，如果操作人員發(fā)現(xiàn)不及時，降溫幅度不夠，就會導致晶體直徑大幅收細，不滿足等徑尺寸最小要求，致使整個晶體無法使用。

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法的自動等徑控制方法，解決了目前通過人工控制直徑長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題。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種鍺單晶直拉生長法的自動等徑控制方法，按照以下步驟實施I)設定需要制備的鍺晶體的直徑，以及初始晶升電機提拉速度設定值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)的實施步驟為對鍺晶體的直徑進行實時測量，計算出測量得到的鍺晶體的直徑與步驟I)中設定的鍺晶體的直徑偏差el，然后根據(jù)算法OP = k* (el+去算出晶升電機提拉速度調(diào)節(jié)值0P，將晶升電機提拉速度 Ti Jodt
調(diào)節(jié)值OP與步驟I的晶升電機提拉速度設定值SL疊加，不斷調(diào)整晶升電機提拉速度，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)器的積分時間系數(shù)，Td為速度控制環(huán)微分調(diào)節(jié)器的微分時間系數(shù)，t為速度控制環(huán)的控制周期； 建立溫度控制環(huán)a的實施步驟為根據(jù)直徑偏差el，通過算法trl = kl* (el+^f dx//l)算出溫度校正斜率trl，通過直徑控制器與控溫儀表
i/1 Jo
溫度設定SP之間的MODBUS通訊程序功能塊，不斷修正控溫儀表溫度設定值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的實施步驟為經(jīng)速度控制環(huán)改變的晶升電機提拉速度與初始晶升電機提拉速度設定值SL的差值為晶升電機拉速偏差e2，溫度控制環(huán)b根據(jù)晶升電機拉速偏差e2，通過算法
tr2 = k2* (e2+士 dn)算出溫度校正斜率tr2，通過直徑控制器與控溫儀表溫度設定
SP之間的MODBUS通訊程序功能塊，不斷修正控溫儀表溫度設定SP，使加熱器溫度改變，進而使晶體直徑發(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行直徑控制，結(jié)合溫度控制，即單獨使用速度控制環(huán)進行控制，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進行控制；或以控制溫度為主進行直徑控制，只調(diào)節(jié)控溫儀表溫度設定SP，進行恒拉速拉晶，即僅以溫度控制環(huán)a進行控制，使晶升電機提拉速度與工藝要求的初始晶升電機提拉速度SL相同，從而使鍺晶體生長過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的實際特點、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、切片加工過程中的浪費。


圖I是本發(fā)明鍺單晶直拉生長法的自動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溫度控制環(huán)b的原理圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進行詳細說明。本發(fā)明提供了一種鍺單晶直拉生長法的自動等徑控制方法，如圖I所示，按照以下步驟實施I)設定需要制備的鍺晶體的直徑，以及設定初始晶升電機提拉速度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)的實施步驟為對鍺晶體的直徑進行實時測量，計算出測量得到的的鍺晶體的直徑與步驟I)中設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法的自動等徑控制方法，其特征在于，按照以下步驟實施 1)設定需要制備的鍺晶體的直徑，以及初始晶升電機提拉速度設定值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)的實施步驟為對鍺晶體的直徑進行實時測量，計算出測量得到的鍺晶體的直徑與步驟I)中設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)明公開了一種鍺單晶直拉生長法的自動等徑控制方法，先設定需要制備的鍺晶體的直徑，以及設定初始晶升電機提拉速度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，鍺單晶在生長過程中，當直徑測量值偏離直徑設定值時，直徑測量值與直徑設定值之間就會形成直徑偏差e1，三個控制環(huán)互相配合，自動調(diào)節(jié)晶升電機提拉速度、控溫儀表溫度設定SP，讓直徑測量值達到直徑設定值。使鍺單晶的生產(chǎn)從人工控直徑轉(zhuǎn)到自動控直徑，提高了生產(chǎn)效率，減小了單晶棒后續(xù)拋光、磨圓、切片加工過程中的浪費。
文檔編號C30B15/22GK102758250SQ20121025326
公開日2012年10月31日 申請日期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 申請人:西安理工晶體科技有限公司