300 mm单晶硅生长过程中直径的功率控制方法

摘要

直拉法硅单晶生长过程微缺陷的形成和长大遵循Voronkov提出的V/G(V是晶体生长速度,G是晶体生长界面的轴向温度梯度)理论。在G由热场设计和液面位置决定的前提下,单晶硅生长过程中晶体提升速度的精确控制是生长无空洞型原生微缺陷大尺寸单晶硅的关键。为控制晶体的提升速度处于无原生微缺陷单晶硅生长所需的范围内,同时获得±1 mm的直径控制效果,需要解决复杂的热传递过程导致晶体直径变化相对于功率调节大滞后性的问题。研究了通过调节加热功率控制晶体直径的时滞系统理论模型,提出了模糊比例、积分、微分(PID)控制结合Smith预估控制器的控制策略。结果表明,Smith预估控制器能有效消除系统迟滞对控制器的影响,大幅提高系统的稳定性。同时结合Smith预估控制器,普通PID控制策略和模糊PID控制策略均有较好的控制效果,且模糊PID响应更为快速,系统鲁棒性和抗干扰能力更强。在30 mm·h^(-1)晶体提升速度的条件下,降低晶体内流动图形缺陷(FPD)密度,并实现了直径300 mm单晶硅晶体直径的精确控制,精度达到±1 mm。