单晶炉晶体自动化生长直径控制原理浅析
单晶硅生长炉原理
单晶硅生长炉原理单晶硅生长炉原理首先，把高纯度的多晶硅原料放入高纯石英坩埚，通过石墨加热器产生的高温将其熔化；然后，对熔化的硅液稍做降温，使之产生一定的过冷度，再用一根固定在籽晶轴上的硅单晶体（称作籽晶）插入熔体表面，待籽晶与熔体熔和后，慢慢向上拉籽晶，晶体便会在籽晶下端生长；接着，控制籽晶生长出一段长为100m单晶硅生长炉m左右、直径为3～5mm的细颈，用于消除高温溶液对籽晶的强烈热冲击而产生的原子排列的位错，这个过程就是引晶；随后，放大晶体直径到工艺要求的大小，一般为75～300mm，这个过程称为放肩；接着，突然提高拉速进行转肩操作，使肩部近似直角；然后，进入等径工艺，通过控制热场温度和晶体提升速度，生长出一定直径规格大小的单晶柱体；最后，待大部分硅溶液都已经完成结晶时，再将晶体逐渐缩小而形成一个尾形锥体，称为收尾工艺；这样一个单晶拉制过程就基本完成，进行一定的保温冷却后就可以取出。
直拉法，也叫切克劳斯基（J.Czochralski）方法。
此法早在1917年由切克劳斯基建立的一种晶体生长方法，用直拉法生长单晶的设备和工艺比较简单，容易实现自动控制，生产效率高，易于制备大直径单晶，容易控制单晶中杂质浓度，可以制备低电阻率单晶。
据统计，世界上硅单晶的产量中70％～80％是用直拉法生产的。
单晶硅生长炉现状目前国内外晶体生长设备的现状如下：美国KAYEX公司国外以美国KAYEX公司为代表，生产全自动硅单晶体生长炉。
KAYEX公司是目前世界上最大，最先进的硅单晶体生长炉制造商之一。
KAYEX的产品早在80年代初就进入中国市场，已成为中国半导体行业使用最多的品牌。
该公司生长的硅晶体生长炉从抽真空－检漏－熔料－引晶－放肩－等径－收尾到关机的全过程由计算机实行全自动控制。
晶体产品的完整性与均匀性好，直径偏差在单晶全长内仅±1mm。
主要产品有CG3000、CG6000、KAYEX100PV、KAYEX120PV、KEYEX150，Vision300型，投料量分别为30kg、60kg、100kg、120kg、150kg、300kg。
直拉硅单晶生长工艺流程与原理
隔离阀室 （翻板阀 室）
炉盖
主炉室 控制柜 坩埚提升 旋转机构
单晶炉的主要组成部分
1、炉体（基座、炉室、炉盖、液压系统） 2、晶体升降及旋转机构 3、坩埚升降及旋转机构 4、氩气和真空系统 5、加热系统（加热电源、热场） 6、冷却系统 7、控制系统
炉体
炉体（炉体由基座、炉室、炉盖及液压系统组成） 1、基座配合水平调整和防震设施为晶体提供良好的生长环境； 2、主炉室是晶棒生长的地方；副炉室是晶棒冷却的地方； 3、通过炉盖观察窗（主视窗、CCD窗）监控晶体生长全过程； 4、液压系统控制炉室打开与复位。 炉体调试重点： 1、炉子达到密闭性要求、极限真空和漏率合格； 2、调整调平垫块使炉底板达到水平度要求； 3、拧紧地脚螺栓； 4、液压系统运行平稳，限位调整，定位销检查。
单晶炉底座及地基和震源的隔离
外界震源包含： 1、真空泵运行振动 （措施：真空泵下用弹簧座主动隔震真空泵远离炉子）
2、基础所处土壤表层振动
（措施：基础四周挖减震槽隔离） 3、基础所处土壤深层振动 （措施：1、混凝土基础座在实土层2、混凝土基础不宜过高）
二、直拉单晶炉的基本结构
晶体提升 旋转机构 副炉室
免挂边、气泡、搭桥等。。
需要考量的因素： 1、装料一般原则；
2、掺杂剂类型及掺杂方法。
抽空——检漏——调压
1、将单晶炉密闭后抽真空，并使用氩气冲洗2-3次，
最后抽极限真空，关闭所有阀门检测炉压上升速度，
判断炉子泄漏率。一般冷炉泄漏率小于3帕/10分钟，
热炉泄漏率小于1-3帕/10钟认为合格。
2、炉子泄漏率合格之后开启真空阀和氩气阀，设定氩
1、静态热场 熔硅后引晶时的温度分布，由加热器、保温系统、坩埚位置等因素决定 。 2、动态热场
单晶炉工作原理
单晶炉工作原理
单晶炉是一种重要的工业设备，用于制备高纯度的单晶材料，如硅晶片和蓝宝石等。
它的工作原理基于熔融和凝固的过程。
首先，将原材料放入炉中，通常是固体多晶材料。
然后，通过加热将材料熔化，使其成为液态。
为了保持材料的纯度，通常需要在无氧或惰性气氛下进行。
接下来，需要将材料重新结晶为单晶体。
为了实现这一点，单晶炉会调整温度梯度，在炉内创建一个温度梯度。
通常，炉的底部较高温，而顶部较低温。
这种温度梯度会导致材料在较高温区域熔化，然后在较低温区域重新结晶为单晶体。
为了确保新生的单晶体具有所需的纯度和晶体质量，还会采取措施来减少杂质的引入。
例如，可以使用定向凝固方法，其中引入的单晶种子作为晶体生长的起始点。
通过控制晶体的生长速度，可以使杂质更有可能被排除在晶体的生长前沿。
此外，还有一些其他因素需要考虑，如搅拌、外部压力控制和炉内气氛的控制等。
这些因素都对最终单晶体的质量和晶体结构产生影响。
总之，单晶炉通过将材料熔化然后重新结晶为单晶体的过程，制备高纯度的单晶材料。
它的工作原理涉及温度梯度的创建、杂质控制和结晶生长的调控等多个方面。
通过对这些因素的控制，可以获得高质量的单晶材料，用于各种应用领域。
300 mm单晶硅生长过程中直径的功率控制方法(二)
300 mm单晶硅生长过程中直径的功率控制方法(二)
300 mm单晶硅生长过程中直径的功率控制方法
引言
在300 mm单晶硅生长的过程中，控制直径的功率是非常重要的。
本文将详细介绍各种控制方法。
方法一：称量控制
1.在生长过程中，使用称量器具精确地测量并控制硅锭的重量。
2.根据测量结果，调整功率以控制直径。
方法二：温度控制
1.使用温度控制设备，监测和控制硅锭的温度。
2.根据温度变化，调整功率以控制直径。
方法三：液面控制
1.在生长过程中，通过测量液面高度来控制硅锭直径。
2.根据测量结果，调整功率以控制直径。
方法四：激光测量
1.使用激光测量设备，实时监测硅锭直径。
2.根据测量结果，调整功率以控制直径。
方法五：光强反馈控制
1.使用光强反馈传感器，测量光强的变化。
2.根据测量结果，调整功率以控制直径。
方法六：气氛控制
1.在300 mm单晶硅生长过程中，通过调整气氛组成来控制直径。
2.根据气氛的变化，调整功率以控制直径。
结论
在300 mm单晶硅生长过程中，有多种方法可以控制直径的功率。
其中包括称量控制、温度控制、液面控制、激光测量、光强反馈控制和气氛控制等方法。
根据具体情况选择合适的方法，可以有效控制直径并获得高质量的单晶硅。
CZ单晶炉单晶等径生长计算机控制系统
CZ单晶炉单晶等径生长计算机控制系统本文介绍了CZ单晶炉单晶等径生长计算机控制系统，简述了计算机硬件结构和软件设计原理。
一单晶棒直径控制是单晶炉控制的重点。
单晶直径在生长过程中可受到温度、提拉速度与转速、坩埚跟踪速度与转速、生长物理环境、保护气体的流速与温度、冷却水流的流速与温度等因素的影响。
归纳起来，无外乎是热场波动和生长速度变化两大类。
因此，炉内热场设置、生长温度补偿、速度等参数选配是控制单晶外形的基本条件，炉内热场和生长速度的精确控制是单晶炉单晶等径生长控制的重点。
二、控制系统构成．单晶等径生长在忽略一些干扰因素影响下，主要受温度和拉速的影响。
CZ单晶炉单晶等径生长控制系统如图1所示。
单晶生长等径控制系统是由拉速控径单元和温度控径单元组成，而温度控径单元又是由温度控制单元和温度校正控制单元组成。
温度控制单元是为了保证单晶正常生长所需的极严格的过冷度要求(如硅单晶生长过冷度为1240℃一0．5℃)，温度校正控制单元是用来进行热补偿的(晶体生长过程中结晶面释放潜热、单晶棒与周围空间的热辐射、热传导、热对流等)。
由直径偏差信号调节拉速及埚转速度，由温度信号控制缘晶面温度，再由拉速控制温度校正升温速率，改变炉温达到控径的目的，同时也限制了拉速的大范围波动与变化。
此外，温度校正还以极宽的曲线范围补偿因坩埚与加热器相对位置变化及单晶棒运动造成的确定性热量扰动，即以经验前馈的方式来控径。
速度控径单元和温度控径单元共同构成晶体等径自动生长控制器。
除温度控制单元采用了欧陆(Eurotherm)818P温度控制器(该控制器内部为一智能的PID 调节器)外，拉速控径单元和温度校正控制单元均采用PID控制器。
在温度校正控制单元中，输人偏差信号是由晶升测速机(CF)测得的拉速与温校曲线的设定拉速相比较产生的。
温度校正主要是用来补偿因单晶长度改变而引起固液交界面热稳态发生变化的。
温度校正曲线是根据经验人为设置的一条晶体拉速经验曲线(如图2)。
自动控径单晶炉控温方式的研究
世界有色金属 2019年 4月下254自动控径单晶炉控温方式的研究金宁昌（广州半导体材料研究所，广东 广州 ５１０６１０）摘 要：中频感应加热单晶炉生长晶体一般采用铱－铱铑热电偶测温，通过３５０４过程控制器控制电源输出功率实现自动控温，但生产实践中往往出现热偶测温点松动、断裂以及冷点漂移等诸多问题使炉温波动而严重影响生产的进行，本文介绍了采用中频电源功率模拟量控制的方法，能够避免上述情况的发生，有效的提高了晶体的生长质量和效率。
关键词：单晶炉；热电偶；功率；模拟量中图分类号：ＴＮ４０５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２－５０６５（２０１９）０８－０２５４－３Study on Temperature Control Mode of Automatic Diameter Control Single Crystal FurnaceJIN Ning-chang（Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ， Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０６１０，Ｃｈｉｎａ）Abstract: Ｍｅｄｉｕｍ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｈｅａｔｉｎｇ ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌ ｆｕｒｎａｃｅ ｇｒｏｗｔｈ ｃｒｙｓｔａｌ ｉｓ ｇｅｎｅｒａｌｌｙ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｂｙ ｉｒｉｄｉｕｍ－ｉｒｉｄｉｕｍ ｒｈｏｄｉｕｍ ｔｈｅｒｍｏｃｏｕｐｌｅ． Ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｉｓ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｂｙ ３５０４ ｐｒｏｃｅｓｓ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ． Ｈｏｗｅｖｅｒ， ｍａｎｙ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｌｏｏｓｅｎｉｎｇ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｐｏｉｎｔ， ｆｒａｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｄｒｉｆｔ ｏｆ ｃｏｌｄ ｐｏｉｎｔ ｏｆｔｅｎ ｏｃｃｕｒ ｉｎ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｐｒａｃｔｉｃｅ， ｗｈｉｃｈ ｓｅｒｉｏｕｓｌｙ ａｆｆｅｃｔ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ． Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ａｎａｌｏｇｕｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｍｅｄｉｕｍ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ． Ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｎ ａｖｏｉｄ ｔｈｅ ａｂｏｖｅ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ａｎｄ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｃｒｙｓｔａｌ ｇｒｏｗｔｈ．Keywords: Ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌ ｆｕｒｎａｃｅ； Ｔｈｅｒｍｏｃｏｕｐｌｅ； Ｐｏｗｅｒ； Ａｎａｌｏｇ ｑｕａｎｔｉｔｙ目前，单晶炉生长Nd:YAG 晶体都是采用铱-铱铑热电偶测温[1]，通过3504过程控制器自动控制中频电源的输出功率，从而达到控制炉温的目的。
单晶炉原理
单晶炉原理介绍单晶炉是一种用于生产单晶材料的设备，广泛应用于半导体材料的制备过程中。
单晶材料具有与多晶材料相比更优异的电学、热学和力学性能，因此在电子领域、光学领域和磁学领域等多个领域都有广泛的应用。
本文将对单晶炉的原理进行全面、详细、完整和深入的探讨。
单晶炉的结构单晶炉主要由炉体、炉盖、炉底、炉管、加热装置、温度控制装置、真空系统和气体控制系统等组成。
炉体炉体是单晶炉的主体部分，通常由高温合金材料制成。
炉体内部需要提供良好的真空密封性能，以保证单晶材料的生长过程在无氧、无杂质的环境中进行。
炉盖和炉底炉盖和炉底是单晶炉的上下封闭部分，通常也由高温合金材料制成。
炉盖上设置有透明的窗口，用于观察单晶生长的情况。
炉管炉管用于固定和保护单晶材料的生长过程。
炉管通常由石英材料制成，具有良好的耐高温性能和透明性，使得操作人员可以清楚地观察单晶的生长过程。
加热装置加热装置用于提供高温环境，促使单晶材料的生长。
常见的加热方式有电阻加热、感应加热和激光加热等。
温度控制装置温度控制装置用于监测和控制单晶炉的温度。
通常采用热电偶或红外线传感器等温度传感器来监测炉内温度，并通过控制加热装置的功率实现温度的精确控制。
真空系统真空系统用于在单晶炉内部提供高真空环境，以防止杂质的污染和氧化反应的发生。
真空系统由真空泵和真空阀等组成。
气体控制系统气体控制系统用于控制单晶炉内部的气氛组成。
在生长不同材料的单晶过程中，可能需要控制不同气氛的供应，以实现所需的单晶生长条件。
单晶生长原理单晶炉主要利用熔融法、气相输送法或溶液法等方法，在良好的温度控制和高真空环境下，将单晶材料由液态或气态状态逐渐生长为单晶体。
熔融法熔融法是最常用的单晶生长方法之一，适用于高熔点材料的生长。
熔融法主要包括悬臂法、引上法和向下法等。
悬臂法悬臂法是一种将熔融材料悬挂在加热区域，使其逐渐凝固生长为单晶的方法。
在悬臂法中，熔融材料通过静电或力学方式，悬挂在炉管上方的加热区域，随着炉体温度的降低，熔融材料逐渐凝固并生长为单晶体。
单晶炉晶体自动化生长直径控制原理浅析
单晶炉晶体自动化生长直径控制原理浅析1)系统组成㈠械部分⑴刀口盘⑵籽晶杆、接头、籽晶⑶称重室㈡电气部分⑴称重头---60001A50-1177⑵称重放大器---AED9101B⑶15V电源---HF20W-S-15型开关电源⑷功控机-2）直径控制工作原理浅析生产过程中，随着晶体的不断生长，晶体本身的重量将不断增加。
功控机根据生产工艺设定的晶体直径、晶体密度、提拉速度、生长速率等参数向温度控制仪（欧陆818、欧陆3504）、晶升电机、晶转电机等运动执行机构发出相应控制指令，各运动执行机构根据指令执行相应运动，从而实现晶体按预定的要求生长。
功控机判断晶体的直径是通过晶体密度、设计外形、生长的实时长度和生长过程中的实时重量计算得来的。
直径控制工作的控制本质任务就是控制晶体生长的实时长度和实时重量。
实时重量信号获取的真实性对直径控制工作很关键。
3）影响直径控制的主要因数㈠晶体生长的实时长度的控制不良。
主要因数：功控机性能不良。
㈡重量信号不稳定主要因数：⑴称重放大器（AED9101B）工作不正常。
①称重放大器（AED9101B）本身电路工作不正常。
②称重放大器的供电电路（HF20W-S-15型开关电源）工作不正常。
⑵称重头（60001A50-1177）工作不正常。
⑶重量信号的获得通道工作异常。
①籽晶杆、接头、籽晶等不同心。
造成运动中对称重头施加非单纯由于晶体生长形成的垂直向下的拉力，直接影响重量信号获得的真实性，重量信号出现波动。
②刀口盘卡阻、滑动不畅。
直接影响重量信号获得的真实性，重量信号出现波动。
③晶体生长本身的不均匀性也可能形成重量信号不稳定。
④功控机本身工作不稳定。
⑤干扰。
生产现场大量存在的中频电源电场、磁场干扰会对功控机重量信号的获得电路产生影响，造成功控机获得的重量信号失真，影响直径控制工作。
为了保证单晶炉晶体自动化生长直径控制的准确进行，应该努力避免上述情况在生产过程出现。
4）典型案例分析㈠U0802、0803出现直径瞬间波动，最大偏差达14mm。
单晶炉工作原理
单晶炉工作原理
单晶炉是一种用于生产单晶材料的设备，它可以将多晶材料通过熔融再结晶的方法制成单晶。
单晶炉的工作原理主要包括熔化、结晶和拉伸三个步骤。
1. 熔化
在单晶炉中，首先需要将多晶材料熔化，使其成为一种高温的液态。
这个过程需要通过加热来完成，一般使用电阻加热或感应加热的方式。
在加热的同时，需要使用惰性气体来保护熔池，避免杂质的污染。
2. 结晶
当多晶材料被熔化后，需要通过结晶的方式将其变成单晶。
结晶过程中，需要使用一根细小的晶体种子来引导单晶的生长。
晶体种子要精确地定位在熔池中，并在适当的温度下进行调整，使其与熔池中的材料接触。
然后，通过控制熔池的温度和运动速度，使晶体种子逐渐生长成为单晶。
3. 拉伸
当单晶生长到一定的大小后，需要通过拉伸的方式来增加单晶的长度。
拉伸过程中，需要使用一个机械臂来逐渐拉伸单晶，使其变得更加细长。
同时，需要控制温度和拉伸速度，以保证单晶的质量和
尺寸符合要求。
总体来说，单晶炉的工作原理比较复杂，需要精确地控制各种参数，才能制备出高质量的单晶材料。
此外，单晶炉的使用还需要考虑到材料的性质、加热方式、晶体种子的选择等因素，以实现最佳的生产效果。
第七章 单晶生长方法的理论分析
直 拉 硅 单 晶 炉
(2) 坩 蜗 移 动 法 该 方 法 常 称 布 里 支 曼 (Bridgman)法，简称B—S法。该方法的特点是让 熔体在坩埚中冷却而凝固。凝固过程虽然是由坩 埚的一端开始而逐渐扩展到接个熔体，但方式却 有所不同，坩埚可以垂直放置如图6—2（a）所示。 熔体自下向上凝固、或自上而下凝固。 (将一籽 晶插入熔体上部，这样在生长初期晶体不与坩埚 壁接触，以减少缺陷)。
1．正常凝固法 正常凝固法又包括以下几种方法 (1)晶体提拉法 晶体提拉法又称“直拉法”。该方法的创始人是切克劳斯基(1．Czochrolski)，他 的论文发表于1918年。这是熔体中最常用的一种方法。虽然后来对该法有许多改进，但基本方法和原 理仍与早期方法类同，许多重要的实用晶体大都是用这种方法制备的。近年来，这种方法又得到了几 项重大改进。能够顺利地生长某些易挥发的化合物(如GaP等)和特定形状的晶体(如管状宝石和带状硅 单晶)。
1.从溶液中生长晶体法 该方法的历史最久，应用也很广泛。这种方法的基本原理是将原材料溶解在溶剂 中，采取适当的措施造成溶液的过饱和，使晶体在其中生长。例如，食盐结晶，利 用蒸发使NaCl晶体生长，从而使食盐结晶。 2.助溶剂法生长晶体（熔盐法） 助溶剂法(又称熔盐法)：该方法类似于溶液生长法。因为这种方法的生长温度较 高，故一般地又称“高温溶液生长法”。它是将晶体的原成分在高温下溶解于低熔 点的助溶剂溶液中，形成均匀的饱和溶液，然后通过慢降温，形成过饱和溶液，使 晶体析出。
坩埚也可以水平放置(使用“舟”形 坩埚)，如图6—2(b)所示，凝固过程 是通过移动固—液界面来完成，移动 界面的方式有：移动坩埚，或移动加 热炉，或降低温度均可。
2.逐区熔化法
(1)水平区熔法 区熔法的创始入是W．pfann， 他的论文发表于1952年。该方法主要用于材 料的物理提纯，也可用于生长晶体，该法的 特点是熔区被限制在一段段狭窄范围内，而 绝大部分材料处于固态。 随着熔区沿着料锭由一端向另一端缓慢移动， 晶体的生长过程也就逐渐完成。这种方法比 正常凝固法的优点是减少了坩埚对熔体的污 染，并降低了加热功率。另外，这种区熔过 程可以反复进行，从而提高了晶体的纯度或 使掺质均匀。生长装置如图6-4所示。
单晶炉原理
单晶炉原理
单晶炉是一种用于制备单晶材料的设备，其原理是通过熔融和再结晶的过程，在材料中培养出一片无缺陷的单晶。
单晶材料具有高度的结晶度和均匀性，因此在许多领域如半导体、光学和磁性材料等方面具有广泛的应用。
单晶炉的主要原理是根据熔融和再结晶过程中的热传导和扩散现象，使材料中的晶粒逐渐生长并形成单晶。
其基本构造包括炉体、加热元件、炉内腔和控制系统等。
在单晶炉中，首先需要将待熔材料放置在炉内腔中。
然后，通过加热元件对材料进行升温，使其逐渐熔化。
熔化后的材料形成了一个熔池，其中的晶粒开始溶解并混合在一起。
接下来，通过控制加热元件的温度和时间，可以实现熔池中的温度梯度和熔体成分的均匀性。
这样，熔池中的溶质会随着温度梯度进行扩散，并逐渐沉积在熔池的一侧。
这个沉积的过程称为再结晶。
在再结晶过程中，沉积的溶质将作为晶粒生长的种子，引导熔体中的其他溶质沉积在其周围，并逐渐形成大尺寸的单晶。
通过控制温度梯度和扩散速度，可以控制单晶的生长速率和尺寸。
在整个熔融和再结晶过程中，需要对炉体和炉内腔进行保护，以防止杂质的污染和氧化。
通常采用惰性气体如氩气进行保护，并通过真空系统将气体排出。
总的来说，单晶炉是一种利用热传导和扩散原理，通过控制温度和时间来培养无缺陷单晶的设备。
其原理和操作方法的优化，对于制备高质量的单晶材料具有重要的意义。
基于PLC的单晶炉的自动化控制系统的设计讲解
基于PLC的单晶炉的自动化控制系统的设计摘要在单晶炉晶体的生长过程中，生产工艺的自动化水平和引晶、放肩、等径和收尾这四个生产阶段炉内温度的控制觉得这产品的质量，尤其是炉内温度的控制在单晶硅晶体形成的过程中起到了极为关键的作用。
就我国而言，大部分的单晶硅生产企业的单晶炉无论是生产工艺还是自动化水平都较为落后，炉内温度的控制精度不高直接影响了生产的产品只能处于质量的低端，只能应用于光伏发电等领域，而无法进入芯片的高端领域。
本文首先对相关研究背景、课题需求、国内外研究现状及论文的研究□的与内容做以介绍，然后对本文涉及的系统建模、参数识别及非线性数学模型的线性化分析等基础理论进行分析，通过对本系统控制方案的设讣以及控制与检测仪表的选型等内容引出，本文的重点分析部分，主要介绍基于模型预测算法的单晶炉温度控制的设讣与实现过程，以等径阶段模型预测控制器设讣及其仿真为切入点进行介绍，然后通过比较MPC和PID之间在系统控制效果得出单晶炉温度控制应以MPC控制器为首选，最后通过等径阶段模拟控制器在单晶炉其他三个重要阶段的使用得出，每个阶段都应该有一个符合自己系统的控制器，并要根据各个阶段生产工艺的实际对每阶段模型间的切换时间进行合理安排；本文以系统建模、参数识别及非线性数字模型的线性化为理论基础，通过S7-300系列PLC和WINCC组态软件的控制系统，对基于模型预测算法在单晶炉温度控制的应用进行分析。
在研究的顺序看，在对模型预测控制等相关内容介绍之后，以单晶炉晶体生产最为重要的等径阶段为研究切入点，通过对等径阶段模型预测控制器的设计与仿真的介绍，并在控制效果和抗干扰两个方面MPC和PID控制算法对单晶炉温度控制的比较，得出MPC更加适合单晶炉在温度方面的控制，然后把在等径阶段的MPC控制器运用到单晶炉晶体生产的其他三阶段, 通过对温度控制参数的比较与仿真得出，在单晶炉晶体成长的四个重要阶段，需要通过通过不同的MPC控制器来控制炉内的温度，并对每个阶段模型控制器间的切换进行合理优化。
单晶炉温度控制系统解读
辽宁工业大学微型计算机控制技术课程设计（论文）题目：单晶炉温度控制系统设计院（系）：电气工程学院专业班级：自动化093学号： 090302084学生姓名：宋进帅指导教师：（签字）起止时间：辽宁工业大学课程设计说明书（论文）课程设计（论文）报告的内容及其文本格式1、课程设计（论文）报告要求用A4纸排版，单面打印，并装订成册，内容包括：①封面（包括题目、院系、专业班级、学生学号、学生姓名、指导教师姓名、、起止时间等）②设计(论文)任务及评语③中文摘要（黑体小二，居中，不少于200字）④目录⑤正文（设计计算说明书、研究报告、研究论文等）⑥参考文献2、课程设计（论文）正文参考字数：2000字周数。
3、封面格式4、设计（论文）任务及评语格式5、目录格式①标题“目录”（小二号、黑体、居中）②章标题（四号字、黑体、居左）③节标题（小四号字、宋体）④页码（小四号字、宋体、居右）6、正文格式①页边距：上2.5cm，下2.5cm，左3cm，右2.5cm，页眉1.5cm，页脚1.75cm，左侧装订；②字体：一级标题，小二号字、黑体、居中；二级标题，黑体小三、居左；三级标题，黑体四号；正文文字，小四号字、宋体；③行距：20磅行距；④页码：底部居中，五号、黑体；7、参考文献格式①标题：“参考文献”，小二，黑体，居中。
②示例：（五号宋体）期刊类：[序号]作者1,作者2,……作者n.文章名.期刊名（版本）.出版年,卷次（期次）:页次.图书类：[序号]作者1,作者2,……作者n.书名.版本.出版地:出版社，出版年:页次.课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院教研室：自动化Array注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘要单晶炉是以直拉法从熔化的多晶硅熔液中生长硅单晶的电子专用设备。
而等径控制是单晶炉自动控制的核心。
单晶直径在生长过程中可受到温度、提拉速度与转速、坩埚跟踪速度与转速、保护气体的流速与温度等因素的影响。
单晶硅生长原理及工艺
单晶硅生长原理及工艺摘要：介绍了直拉法生长单晶硅的基本原理及工艺条件。
通过控制不同的工艺参数（晶体转速：2.5、10、20rpm；坩埚转速： 1.25、5、10），成功生长出了三根150×1000mm 优质单晶硅棒。
分别对这三种单晶硅样品进行了电阻率、氧含量、碳含量、少子寿命测试，结果表明，当晶体转速为10rpm，坩埚转速为5rpm，所生长出的单晶硅质量最佳。
最后分析了氧杂质和碳杂质的引入机制及减少杂质的措施。
关键词：单晶硅；直拉法生长；性能测试；氧杂质；碳杂质中图分类号：O782 文献标识码：A 文章编号：1672 －9870（2009）04 －0569 －05收稿日期：2009 07 25基金项目：中国兵器科学研究院资助项目（42001070404）作者简介：刘立新（1962 ），男，助理研究员，E-mail：lxliu2007@。
刘立新1，罗平1，李春1，林海1，张学建1，2，张莹1（1.长春理工大学材料科学与工程学院，长春130022；2.吉林建筑工程学院，长春130021）Growth Principle and Technique of Single Crystal SiliconLIU Lixin1，LUO Ping1，LI Chun1，LIN Hai1，ZHANG Xuejian1，2，ZHANG Ying1（1.Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2. Jilin Architectural and civil Engineering institute，Changchun 130021）Abstract：This paper introduces the basic principle and process conditions of single crystal silicon growth by Cz method.Through controlling different process parameters (crystal rotation speed: 2.5，10，20rpm; crucible rotation speed: -1.25，-5，-10)，three high quality single crystal silicon rods with the size of 150×1000mm were grown successfully. Performancemeasurements of three single crystal silicon samples were performed including resistivity，oxygen and carbon content，minority carrier lifetime，respectively. The results show that as-grown single crystal silicon has the optimal qualitywhen crystal rotation speed is 10rpm，and crucible rotation speed is -5rpm. Finally，the introducing mechanism of oxygenand carbon impurities，and the way to reduce the impurities were discussed.Key words：single crystal silicon；growth by Cz method；performance measurements；oxygen impurities；carbon impurities单晶硅属于立方晶系，金刚石结构，是一种性能优良的半导体材料。
单晶硅直径控制研究
单晶硅直径控制研究作者：邹杨州来源：《新材料产业》 2012年第6期文/邹杨州杭州富通半导体设备科技有限公司直拉法单晶硅制造的具体生产过程是把原料多硅晶块放入石英坩埚中，在单晶炉中加热融化，再将一根直径只有10m m的棒状晶种（称籽晶）浸入融液中，在合适的温度下，融液中的硅原子会顺着晶种的硅原子排列结构在固液交界面上形成规则的结晶，成为单晶体硅。
如果把晶种微微地旋转向上提升，融液中的硅原子会在前面形成的单晶体上继续结晶，并延续其规则的原子排列结构。
若整个结晶环境稳定，就可以周而复始地形成结晶，最后形成一根圆柱形的原子排列整齐的硅单晶晶体，即硅单晶锭。
当结晶加快时，晶体直径会变粗，提高晶体速率可以使直径变细，增加温度能抑制结晶速度；反之，若结晶变慢，直径变细，则通过降低拉速和降温去控制。
拉晶开始，先引出一定长度、直径为3 ～ 5m m的细颈，以消除结晶位错，这个过程叫做引晶；然后放大单晶体直径至工艺要求，进入等径阶段，直至大部分硅融液都结晶成硅单晶锭，只剩下少量剩料，剩料又叫埚底料，埚底料经化学处理后可有限次重复使用。
控制直径、保证晶体等径生长是单晶硅制造的重要环节。
而影响单晶硅晶体直径变化的变量包括热场温度、晶体拉速这2个基本变量，因此，在设计控制系统时，主要考虑晶体拉速、温升速率和加热功率的P I D控制（即根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的一种系统），以及这3个控制器之间的配合。
本文结合直拉单晶炉生产工艺和自动控制原理，通过采用数字P I D控制器，分别控制晶体生长的拉速、温度以及功率，来使晶体直径尽可能地保持一致。
提出采用串级控制，总共分为3级控制，前级控制系统通过采集直径偏差来控制晶体拉速，中级控制系统通过采集拉速偏差来控制温升速率，后级控制系统通过采集温度偏差来控制加热功率。
通过实验调整3级控制的P I D参数，使系统控制性能达到最优。
实验结果表明，此控制系统的性能优于常规控制算法，最终控制精度能够达到直径偏差为±0.5mm。
单晶炉工作原理
单晶炉工作原理
单晶炉是一种用于生产单晶硅的重要设备，其工作原理是通过特定的工艺流程，将多晶硅材料熔化并逐渐凝固成单晶体。
单晶硅是制造半导体器件和光伏电池的重要材料，因此单晶炉在现代工业中具有非常重要的地位。
单晶炉的工作原理主要包括以下几个方面：
首先，多晶硅材料被放入炉体中，并在高温下被加热至熔化状态。
在这个过程中，炉体内部的温度和气氛需要严格控制，以确保多晶硅材料能够均匀地熔化，并且在炉体内部的温度分布要足够均匀，以避免产生不均匀的结晶现象。
其次，一旦多晶硅材料完全熔化，需要通过特定的方法来降低温度，使其逐渐
凝固成单晶体。
这个过程需要非常精确的温度控制和降温速率控制，以确保单晶体的质量和晶格结构。
另外，为了获得高质量的单晶体，还需要在炉体内部施加特定的电磁场或者引
入特定的晶体生长控制剂，以控制单晶体的生长方向和晶格结构。
这些控制手段对于单晶体的质量和性能有着非常重要的影响。
最后，当单晶体完全凝固并达到所需的尺寸和形状后，需要将其从炉体中取出，并进行后续的加工和处理，以获得最终的产品。
这个过程也需要非常精密的操作和控制，以确保单晶体不受损坏，并且保持其优良的性能。
总的来说，单晶炉的工作原理是一个复杂而精密的过程，需要在温度、气氛、
电磁场等多个方面进行精确的控制和调节，以确保最终获得高质量的单晶硅材料。
这对设备本身的设计和制造，以及操作人员的技术水平都提出了很高的要求。
随着科学技术的不断发展，相信单晶炉的工作原理和技术将会不断得到改进和完善，为单晶硅材料的生产提供更加可靠和高效的解决方案。
单晶生长原理
直拉法：直拉法即切克老斯基法（Czochralski: Cz), 直拉法是半导体单晶生长用的最多的一种晶体生长技术。
直拉法单晶硅工艺过程－引晶：通过电阻加热，将装在石英坩埚中的多晶硅熔化，并保持略高于硅熔点的温度，将籽晶浸入熔体，然后以一定速度向上提拉籽晶并同时旋转引出晶体；－缩颈：生长一定长度的缩小的细长颈的晶体，以防止籽晶中的位错延伸到晶体中；－放肩：将晶体控制到所需直径；－等径生长：根据熔体和单晶炉情况，控制晶体等径生长到所需长度；－收尾：直径逐渐缩小，离开熔体；－降温：降底温度，取出晶体，待后续加工直拉法－几个基本问题最大生长速度晶体生长最大速度与晶体中的纵向温度梯度、晶体的热导率、晶体密度等有关。
提高晶体中的温度梯度，可以提高晶体生长速度；但温度梯度太大，将在晶体中产生较大的热应力，会导致位错等晶体缺陷的形成，甚至会使晶体产生裂纹。
为了降低位错密度，晶体实际生长速度往往低于最大生长速度。
熔体中的对流相互相反旋转的晶体（顺时针）和坩埚所产生的强制对流是由离心力和向心力、最终由熔体表面张力梯度所驱动的。
所生长的晶体的直径越大（坩锅越大），对流就越强烈，会造成熔体中温度波动和晶体局部回熔，从而导致晶体中的杂质分布不均匀等。
实际生产中，晶体的转动速度一般比坩锅快1-3倍，晶体和坩锅彼此的相互反向运动导致熔体中心区与外围区发生相对运动，有利于在固液界面下方形成一个相对稳定的区域，有利于晶体稳定生长。
生长界面形状（固液界面）固液界面形状对单晶均匀性、完整性有重要影响，正常情况下，固液界面的宏观形状应该与热场所确定的熔体等温面相吻合。
在引晶、放肩阶段，固液界面凸向熔体，单晶等径生长后，界面先变平后再凹向熔体。
通过调整拉晶速度，晶体转动和坩埚转动速度就可以调整固液界面形状。
生长过程中各阶段生长条件的差异直拉法的引晶阶段的熔体高度最高，裸露坩埚壁的高度最小，在晶体生长过程直到收尾阶段，裸露坩埚壁的高度不断增大，这样造成生长条件不断变化（熔体的对流、热传输、固液界面形状等），即整个晶锭从头到尾经历不同的热历史：头部受热时间最长，尾部最短，这样会造成晶体轴向、径向杂质分布不均匀。
浅析晶体生长炉机架的自动化
浅析晶体生长炉机架的自动化发布时间：2022-05-07T06:14:22.133Z 来源：《科学与技术》2022年第2期作者：王耀辉[导读] 机架作为大型晶体生长炉的支撑王耀辉绍兴市佳达机械制造有限公司浙江绍兴 312300摘要：机架作为大型晶体生长炉的支撑，对其质量要求也较高，而在对钢管进行定位钻孔的过程中，如果出现定位偏差、不够精准，最终会影响机架的质量，因此本文对其加工方法进行了改进，尤其是对钻孔位置定位精准，保证了机架的质量，且自动化操作，提高了工作效率。
关键词：晶体生长炉、定位、机架、钻孔1、目的晶体生长炉的体积巨大，对其进行支撑的机架规格也极大。
传统的加工方式中，机架通常由切割得到的方形钢管、钢板经过相互焊接后形成，多数钢管上需要打孔，以安装其他零部件。
现有的加工方式中打孔通常在钻床上进行，钢管通过夹具被夹紧定位在钻床上后，即由钻头对钢管进行直接钻孔；但上述方式下，对钢管的位置定位不够精准，经常会出现钻孔位置出现偏差的情况，影响最终加工出机架的质量。
2、机架加工方法(1)原料切割：通过切割机将方形钢管切割为多个短管，短管具有两个规格，其中一个规格为60cm，另一个规格为1.5m；再通过板材切割机将钢板切割为多块小板，小板同样具有两种规格，其中一种规格为长方形，另一种规格为正方形；(2)钢管打孔：通过钢管打孔机对步骤(1)中加工得到的规格为60cm的钢管进行钻孔；(3)板材去毛刺：通过去毛刺机将长方形和方形的小板表面上的毛刺分别进行去除；(4)机架成型：通过焊接机将上述步骤中加工后的短管和小板相互焊接形成机架；(5)抛丸处理：将焊接完成后的机架通过抛丸机进行抛丸处理，去除机架表面的铁锈。
钢管由切割机的进料口出穿入后由切割机进行切割，经过切割后的钢管由后部的钢管向前顶动至钻孔装置前侧，之后钻孔辅助装置将定位件装配至待钻孔的钢管上；钢管由后部的钢管向前顶动至钻孔装置下方，由钻孔装置对钢管进行钻孔，钻孔位置由定位件进行定位；钻孔完成后的钢管由后部的钢管向前顶动至钻孔装置后侧，之后钻孔辅助装置将定位件由钢管上取下，最后将钢管输送至出料装置。
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单晶炉晶体自动化生长直径控制原理浅析
1)系统组成
㈠械部分
⑴刀口盘
⑵籽晶杆、接头、籽晶
⑶称重室
㈡电气部分
⑴称重头---60001A50-1177
⑵称重放大器---AED9101B
⑶15V电源---HF20W-S-15型开关电源
⑷功控机-
2）直径控制工作原理浅析
生产过程中，随着晶体的不断生长，晶体本身的重量将不断增加。
功控机根据生产工艺设定的晶体直径、晶体密度、提拉速度、生长速率等参数向温度控制仪（欧陆818、欧陆3504）、晶升电机、晶转电机等运动执行机构发出相应控制指令，各运动执行机构根据指令执行相应运动，从而实现晶体按预定的要求生长。
功控机判断晶体的直径是通过晶体密度、设计外形、生长的实时长度和生长过程中的实时重量计算得来的。
直径控制工作的控制本质任务就是控制晶体生长的实时长度和实时重量。
实时重量信号获取的真实性对直径控制工作很关键。
3）影响直径控制的主要因数
㈠晶体生长的实时长度的控制不良。
主要因数：功控机性能不良。
㈡重量信号不稳定
主要因数：⑴称重放大器（AED9101B）工作不正常。
①称重放大器（AED9101B）本身电路工作不正常。
②称重放大器的供电电路（HF20W-S-15型开关电源）工作不正常。
⑵称重头（60001A50-1177）工作不正常。
⑶重量信号的获得通道工作异常。
①籽晶杆、接头、籽晶等不同心。
造成运动中对称重头施加非单纯由于晶体
生长形成的垂直向下的拉力，直接影响重量信号获得的真实性，重量信号
出现波动。
②刀口盘卡阻、滑动不畅。
直接影响重量信号获得的真实性，重量信号出现
波动。
③晶体生长本身的不均匀性也可能形成重量信号不稳定。
④功控机本身工作不稳定。
⑤干扰。
生产现场大量存在的中频电源电场、磁场干扰会对功控机重量信号
的获得电路产生影响，造成功控机获得的重量信号失真，影响直径控制工
作。
为了保证单晶炉晶体自动化生长直径控制的准确进行，应该努力避免上述情况在生产过程出现。
4）典型案例分析
㈠U0802、0803出现直径瞬间波动，最大偏差达14mm。
故障原因：籽晶杆与称重头（60001A50-1177）之间的连接头发生卡阻、滑动不畅，造成运动中籽晶杆、接头、籽晶等不同心，直接影响重量信号获得的真
实性，重量信号出现波动，出现直径瞬间波动。
经对该接头进行技术处
理，故障消失。
（备注：U0804在引晶阶段出现的直径波动较大，经分析
故障原因为籽晶杆负载太轻，籽晶杆在新刀口盘中旋转时产生晃动，因
此产生重量信号波动。
随着晶体的不断生长，重量增加，籽晶杆晃动现
象消失，重量信号的采集恢复正常。
）
㈡22#单晶炉于2007年12月份的生产过程中连续几炉出现直径波动大。
故障原因：经反复检查设备，最后更换了称重头（60001A50-1177），工作恢复正常。
㈢V0801、V0802出现直径瞬间波动，最大偏差达10mm。
⑥故障原因分析：晶体在生长的初期，籽晶杆出现抖动，关了转速重新起动，
籽晶杆运转恢复正常。
籽晶杆抖动故障间断性出现了几次。
随着晶体的不
断生长，重量增加，籽晶杆抖动现象消失。
但是出现直径瞬间波动的现象。
经停炉后对设备检测，综合分析故障现象，故障形成原因为刀口盘卡阻、
滑动不畅，直接影响重量信号获得的真实性，重量信号出现波动。