一种周期单脉冲控制单晶炉软轴提拉系统非周期摆动方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN112813491A(43)申请公布日2021.05.18(21)申请号202011586245.9(22)申请日2020.12.28(71)申请人西安理工大学地址710048陕西省西安市碑林区金花南路5号(72)发明人任海鹏周子璇李洁(74)专利代理机构西安弘理专利事务所61214代理人戴媛(51)Int.Cl.C30B15/20(2006.01)C30B29/06(2006.01)权利要求书2页说明书4页附图6页(54)发明名称一种周期单脉冲控制单晶炉软轴提拉系统非周期摆动方法(57)摘要本发明公开了一种周期单脉冲控制单晶炉软轴提拉系统非周期摆动方法，步骤包括：步骤1、构建晶体生长软轴提拉系统的动力学模型；步骤2、构建周期单脉冲控制器；外部唯一可以操作的变量是晶转速度Ω，选择脉冲控制能够减少对平均转速的影响，也就是减小对工艺参数的影响；步骤3、确定周期单脉冲控制器的参数选择范围。本发明的方法，可以抑制软轴系统在晶体生长中出现的非周期运动，使摆动处于周期状态；无需状态反馈，控制器设置简单，控制间歇加入，对转速扰动小，控制器能效高。CN112813491ACN112813491A权利要求书1/2页1.一种周期单脉冲控制单晶炉软轴提拉系统非周期摆动方法，其特征在于，按照以下步骤具体实施：步骤1、构建晶体生长软轴提拉系统的动力学模型；步骤2、构建周期单脉冲控制器，外部扰动的幅值与软轴提拉系统偏心距有关，软轴提拉系统阻尼由固液接触点决定，系统的偏心和阻尼参数都未知，也无法通过外部操作；外部唯一可以操作的变量是晶转速度Ω，选择脉冲控制能够减少对平均转速的影响，也就是减小对工艺参数的影响；步骤3、确定周期单脉冲控制器的参数选择范围。2.根据权利要求1所述的周期单脉冲控制单晶炉软轴提拉系统非周期摆动方法，其特征在于：所述的步骤1中，根据软轴提拉系统的工作原理，将引晶阶段的系统化简为一个旋转摆，假设系统满足如下条件：1)引晶阶段软轴提拉的速度非常缓慢，假设软轴的长度l不变；2)忽略软轴的质量，将籽晶和夹头简化为一个质量为m的质点；3)软轴提拉系统受到的外部扰动由本系统偏心造成，偏心距为r，该扰动的频率与本系统工作的旋转速度一致。3.根据权利要求2所述的周期单脉冲控制单晶炉软轴提拉系统非周期摆动方法，其特征在于：所述的步骤1中，具体过程是，基于假设系统满足条件，软轴提拉系统无量纲的数学模型如式(1)所示：其中，t是时间变量，x1是软轴相对于旋转中心垂线的摆动角度θ，x2是摆动角的变化速度，可知，x1和x2是软轴提拉系统的状态变量；另外，Ω是软轴提拉系统无量纲转速，无量纲化外部扰动幅值和软轴提拉系统阻尼分别为A和c，这三个量为软轴提拉系统的参数。4.根据权利要求3所述的周期单脉冲控制单晶炉软轴提拉系统非周期摆动方法，其特征在于：所述的步骤2中，具体过程是，在现有工艺设定转速的基础上增加脉冲控制，脉冲控制器数学模型如式(2)和式(3)所示：其中，脉冲控制的周期表示为T＝2π/Ω，与软轴提拉系统周期一致，2Δ为脉冲持续时间，κ是脉冲幅值，n是表示第n个周期。定义P(t)＝Ω+F(t)为被控后的转速，并定义正的脉冲幅值为增加转速，负的脉冲幅值为降低转速，基于脉冲控制的软轴提拉系统，被控系统的方程式如式(4)所示：5.根据权利要求4所述的周期单脉冲控制单晶炉软轴提拉系统非周期摆动方法，其特2CN112813491A权利要求书2/2页征在于：所述的步骤3中，具体过程是，本步骤采用Melnikov方法，得到将软轴提拉系统摆动控制到周期运动的控制参数应满足如不等式(5)所示：其中N为傅里叶级数，实际计算时取足够大，当选择满足不等式(5)的脉冲控制器的参数对(Δ,κ)，能够保证式(4)所示的软轴提拉系统为周期运动。3CN112813491A说明书1/4页一种周期单脉冲控制单晶炉软轴提拉系统非周期摆动方法技术领域[0001]本发明属于半导体制备装置控制技术领域，涉及一种周期单脉冲控制单晶炉软轴提拉系统非周期摆动方法。背景技术[0002]单晶硅是制造电子集成电路的关键性材料，在现代工业领域中占有重要地位。工业上通常采用直拉式单晶炉作为制备单晶硅的设备，其中，单晶炉软轴提拉系统控制单晶硅棒生长时的旋转运动和提升运动，是晶体生长过程控制的关键子系统。为了生产出高质量的单晶硅，要求晶体的旋转和提升运动平稳。近年来，半导体晶体直径朝着大型化的方向发展，单晶硅棒的直径从6英寸发展到12英寸，单晶炉的炉体也逐渐增高，软轴提拉系统的软轴长度随之增加，晶体生长所要求的晶转频率和软轴提拉系统的固有频率相耦合，加之由单晶炉制造装备误差导致的系统偏心，给软轴提拉系统带来了外部扰动，使晶体生长过程中单晶硅棒出现