单晶炉自动控制系统的设计

论文摘要

在单晶硅生产过程中,硅片的直径大小和晶体生长过程的自动化程度,对生产效率和产品质量有很大的影响。为此,本课题以TDR-120型单晶炉的开发背景,解决了晶体生长过程中直径准确测量问题,同时在分析出工艺曲线的基础上实现了单晶生长过程全自动控制的目标。本文中对单晶炉热场做了系统的分析,利用FEMAGSoft S.A公司的FEMAG-CZ热场仿真软件对TDR-120炉热场进行了设计及热电耦合模拟,确定了熔晶电流、电压、坩埚的位置等化料工艺参数,使熔晶过程可以顺利进行。并通过软件模拟,得到了长晶各个阶段炉内热场分布,并对热场的合理性进行了分析和讨论。在热场分析的基础上确定出合理的温度、速度曲线,为晶体生长控制奠定了工艺基础。在晶体生长过程中,晶体直径的控制是通过控制晶升速度和加热器温度而实现的。控制系统有在两个输入量为加热温度和提拉速度,两个输出量为晶体直径和生长速度,输入输出之间存在相互耦合关系。在本设计中采用前馈补偿解偶的方法,成功地解决了单晶炉生长控制中双入双出耦合系统的解偶问题。实验表明：在整个拉晶阶段,实现了晶体生长的全自动控制,可以根据工艺要求控制温度变化,控温精度可以达到预期要求,同时在整个晶体生长阶段将直径控制在了允许的误差范围内。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 半导体硅工业发展现状
• 1.2 直拉法生长硅单晶的原理和工艺
• 1.2.1 硅单晶的生长方法
• 1.2.2 直拉法单晶炉机械结构
• 1.2.3 直拉法基本原理和基本过程
• 1.2.4 直拉法晶体生长的几个重要参数
• 1.3 国内直拉单晶炉控制系统的现状
• 1.3.1 我国单晶炉发展历史回顾
• 1.3.2 国外晶体生长设备发展现状
• 1.3.3 国产单晶炉设备
• 1.4 本文所研究的主要内容
• 1.4.1 本课题主要目的
• 1.4.2 本课题基本的控制构想
• 1.4.3 本课题的预期效果
• 2 TDL-120型单晶炉机械部分综述
• 2.1 结构组成及机械传动
• 2.1.1 坩埚升降与旋转机构
• 2.1.2 籽晶升降及旋转机构
• 2.1.3 主副室的提升与支撑机构
• 2.2 机械结构特点
• 2.2.1 主炉室结构
• 2.2.2 翻板隔离阀结构
• 2.2.3 副炉室结构
• 2.3 关键部分的设计优化
• 2.3.1 真空度的稳定性问题提出
• 2.3.2 单晶炉膛压控制方案及实现
• 2.3.3 气流问题的提出
• 2.3.4 气流问题的解决方案及实现
• 3 单晶炉热场的设计与仿真
• 3.1 FEMAG-CZ热场仿真软件简介
• 3.1.1 数值模拟意义
• 3.1.2 数值模拟与实际实验对比
• 3.1.3 如何使用数值模拟工具
• 3.1.4 FEMAG-CZ热场仿真软件功能
• 3.2 针对TDR-120单晶炉进行热场分析
• 3.2.1 使用温度梯度分析热场意义
• 3.2.2 温度梯度分析图
• 3.3 分析仿真结果并设定合理生长曲线
• 4 单晶炉自动控制系统方案设计
• 4.1 控制系统方案设计
• 4.1.1 传统的单晶炉控制系统
• 4.1.2 传统控制方式存在的问题
• 4.1.3 控制方案的设想
• 4.1.4 控制方案设计
• 4.2 选型
• 4.2.1 人机界面
• 4.2.2 直径检测系统
• 4.2.3 PLC选型
• 4.2.4 信号处理、连接端子选型
• 4.2.5 温控仪表选型
• 4.2.6 检测执行部件
• 4.3 拉晶工艺流程
• 4.3.1 设备检测
• 4.3.2 晶体生长各阶段控制目标
• 4.4 人机界面设计与实现
• 4.4.1 真空压力系统界面
• 4.4.2 速度控制界面
• 4.4.3 功率控制界面
• 4.4.4 直径控制界面
• 4.4.5 视窗观测界面
• 4.4.6 报警界面
• 4.5 晶体生长外围条件控制
• 4.5.1 液压控制程序
• 4.5.2 真空检漏流程
• 4.5.3 水温报警程序
• 4.5.4 气体流量控制
• 4.5.5 膛压控制
• 4.6 晶体生长控制流程及算法
• 4.6.1 DVT540（CCD）与PLC之间通讯
• 4.6.2 晶体生长控制流程
• 4.6.3 双入、双出系统解偶控制设计
• 4.7 小结
• 5 结论
• 致谢
• 参考文献