[發明專利]鍺單晶直拉生長法的自動等徑控制方法

無效

• 申請號: 201210253266.8
• 申請日: 2012-07-20
• 公開（公告）號: CN102758250A
• 公開（公告）日: 2012-10-31
• 發明（設計）人: 張紅勇;姚婕
• 申請（專利權）人: 西安理工晶體科技有限公司
• 主分類號: C30B15/22
• 分類號: C30B15/22
• 代理公司: 西安弘理專利事務所 61214
• 代理人: 羅笛

技術領域

本發明屬于半導體電子技術領域，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

鍺晶體具有良好的透紅外性能、高的折射指數、低色散、不潮解、機械強度高和化學穩定性好等優點，是8-12μm波段熱成像儀光學系統的首選材料。用于紅外光學系統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，高精度的紅外系統仍然選用單晶鍺，這類鍺單晶統稱紅外鍺單晶。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、定向結晶法、斯捷潘諾夫法、旋轉晶片法等。

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領域發揮重要作用，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/轉肩、等徑生長、收尾結束四個階段，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控晶體生長的情況，如果發現晶體長粗，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，以保證晶體轉肩以后盡可能等直徑。人工控制直徑長出的鍺晶體，外形凸凹不平，導致后續加工拋光、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，如果操作人員發現不及時，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。

發明內容

本發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。

本發明所采用的技術方案是，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：

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、溫度控制環a及溫度控制環b，其中，

建立速度控制環的實施步驟為：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1）中設定的鍺晶體的直徑偏差e1，然后根據算法：算出晶升電機提拉速度調節值OP，將晶升電機提拉速度調節值OP與步驟1的晶升電機提拉速度設定值SL疊加，不斷調整晶升電機提拉速度，從而使晶體直徑發生改變，

其中，

k為速度控制環比例調節器的比例系數，

Ti為速度控制環積分調節器的積分時間系數，

Td為速度控制環微分調節器的微分時間系數，

t為速度控制環的控制周期；

建立溫度控制環a的實施步驟為：根據直徑偏差e1，通過算法：

算出溫度校正斜率tr1，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值SP，使加熱器溫度改變，從而使晶體直徑發生改變，

其中，

k1為溫度控制環a比例調節器的比例系數，

Ti1為溫度控制環a積分調節器的積分時間系數，

t1為溫度控制環a的控制周期；

建立溫度控制環b的實施步驟為：

經速度控制環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b根據晶升電機拉速偏差e2，通過算法：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，進而使晶體直徑發生變化，

其中，k2為溫度控制環b比例調節器的比例系數，

Ti2為溫度控制環b積分調節器的積分時間系數，

t2為溫度控制環b的控制周期；

3）根據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，結合溫度控制，即單獨使用速度控制環進行控制，或使用速度控制環與溫度控制環a協同控制，或以速度控制環為主，結合溫度控制環b進行控制；