一种多晶硅还原炉自动控制方法技术

本发明专利技术公开了一种多晶硅还原炉自动控制方法，通过测温装置和摄像装置采集硅棒温度和还原炉内硅棒生长图像，并上传至工业计算机进行数据记录、图像分析和逻辑运算，获得每一时间段的还原炉电流、还原炉进料量和还原炉配比，进而控制还原炉执行机构动作，实现每一时间段还原炉温度、还原炉进料量和还原炉配比的自动控制。优点在于：本发明专利技术可将还原炉控制在最优的运行状态，减少了硅棒发生裂纹或倒棒的现象，提升了多晶硅表观质量，降低了对现场人员的经验要求，减少了操作人员工作量，降低了还原炉运行电耗，节省了原料气。

【技术实现步骤摘要】
一种多晶硅还原炉自动控制方法
：本专利技术涉及多晶硅还原领域，特别是涉及一种多晶硅还原炉自动控制方法。
技术介绍
：多晶硅是电子工业与太阳能产业的基础原料，被广泛应用于半导体芯片、高性能传感器、光纤、太阳能电池板等。目前，国内外的多晶硅生产技术多采用改良西门子法，即通过高温条件下三氯氢硅和氢气在还原炉内通电的高温硅棒表面发生化学气相沉积反应进而得到高纯多晶硅，直到炉内硅棒直径逐渐增长至规定的棒径。在硅棒生长过程中，还原炉内硅棒的沉积速率是决定硅棒质量的重要因素，硅棒的沉积速率又与还原炉内硅棒的表面温度、原料气的进料量以及原料气中氢气和三氯氢硅的进料配比有关，而硅棒的表面温度又是通过加热电流来决定的。具体表现在：1、电流越大，还原炉内的温度越高，越易发生气相沉积，硅棒的疏松度越大；电流减小，还原炉内的温度降低，当温度变化过快时，硅棒容易出现裂纹或倒棒，影响生长的继续进行；2、原料气进料量偏小时，硅棒生长缓慢，生长效率低且浪费能源；原料气进料量偏大时，会出现硅棒结构疏松的现象，硅棒质量无保证；3、氢气与三氯氢硅的配比较高时，会造成还原炉电耗的增高，氢气与三氯氢硅的配比较低时，会造成较大的疏松及雾化。目前，在实际生产过程中，往往都是依靠工人多年的工作经验来大概地制定还原炉电流增加速率表及原料气进料配比表，中控人员按照制定好的表格对还原炉进行工艺控制，现场人员则对还原炉的运行情况进行观察，发现异常时告知中控人员对工艺参数进行调整。此种控制方法对现场人员经验要求较高，且在刚接班后，员工不了解前期还原炉的生产状况，易发生错误指挥的现象；此外，由于现场人员有限，不能时刻盯着还原炉内的情况，炉内情况发生变化时，不能及时调整，容易出现倒棒、雾化、疏松严重的质量问题。
技术实现思路
：本专利技术的目的在于提供一种多晶硅还原炉自动控制方法，对于节能降耗、提高生产效率、提高硅棒质量具有重要的意义。本专利技术由如下技术方案实施：一种多晶硅还原炉自动控制方法，通过测温装置和摄像装置采集硅棒温度和还原炉内硅棒的生长图像，并上传至工业计算机进行数据记录、图像分析和逻辑运算，获得每一时间段的还原炉电流、还原炉进料量和还原炉配比，进而控制还原炉执行机构动作，实现每一时间段还原炉温度、还原炉进料量和还原炉配比的自动控制。进一步的，所述还原炉温度自动控制步骤，具体为：(1)还原炉初始进料后，开始记录硅棒温度，初始第一小时，初始电流按A1平均进行升温，同时每间隔相同时间记录一次硅棒温度；(2)将上一小时内记录的硅棒温度、时间数据连接成曲线，按线性方式对曲线进行方程回归，并得出时间-硅棒温度趋势函数y＝mx+n；(3)下一小时电流理论值为Ai+1，式(1)中Ai为上一小时运行电流，n为上一小时得到的时间-硅棒温度线性拟合函数的斜率；为避免还原炉倒棒，还原炉内每小时运行电流的增加量不超过25A，即当Ai+1-Ai≥25A时，下一小时的运行电流为Ai+1＝(Ai+25)A；此外，还原炉每小时电流增加量的变化值，即|(Ai+1-Ai)-(Ai-Ai-1)|不应超过3A，当(Ai+1-Ai)-(Ai-Ai-1)≥3A时，则下一小时运行电流为Ai+1＝(2Ai+3-Ai-1)A；当(Ai+1-Ai)-(Ai-Ai-1)≤-3A时，下一小时运行电流为Ai+1＝(2Ai-3-Ai-1)A；当-3A<(Ai+1-Ai)-(Ai-Ai-1)<3A时，下一小时运行电流设定为Ai+1。进一步的，所述还原炉进料量自动控制步骤，具体为：(1)按常规方法确定还原炉初始进料量为Q1，初始硅棒棒径为D1＝8，初始硅棒温度为T1；(2)下一小时还原炉进料量理论值为Qi+1，式(2)中，R为气体常数，其值为8.314J·mol-1K-1，上一小时沉积结束时硅棒直径为Di；上一小时沉积结束时硅棒温度为Ti，E为活化能，其为常数；受设备条件限制，还原炉存在一最大进料量Qmax，当Qi+1＞Qmax时，则下一小时还原炉按Qmax进料；同时，过快的提料量易造成硅棒的倒棒，因此，当Qi+M＜Qi+1＜Qmax时，Qi为上一小时还原炉进料量，则下一小时还原炉按Qi+M进料；当Qi+1＜Qi+M时，则下一小时还原炉按Qi+1进料。进一步的，所述还原炉配比自动控制步骤，具体为：(1)选择1h作为硅棒沉积速率的度量单位，理想的沉积速率为H参照，式(3)中，A为指前因子；E为活化能，其为常数；R为气体常数，其值为8.314J·mol-1K-1；B是将化学反应速率常数转化成沉积厚度的比例常数；W为将还原沉积速率转化为理想还原沉积速率的比例常数，即为平衡最佳表观及生产成本的还原沉积速率的比例常数；式(3)中包含A、B、W为未知的比例常数；E和R为已知的比例常数；a、b为最优还原沉积过程中，硅棒温度随时间变化的线性拟合直线的斜率b及截距a；(2)选取三组最优沉积过程中测得的沉积速率和对应该沉积速率的沉积时间，以及在该沉积过程中，测得的硅棒温度随时间变化的线性拟合直线的斜率b及截距a；将三组数值分别带入式(3)中，得到关于A、B、W的方程组，解方程组即可得到最优还原沉积过程中对应的A、B、W的数值；将解得的A、B、W值，以及斜率b、截距a、活化能E、气体常数R，代入式(3)中，得到H参照随时间t的变化方程H参照＝f(t)；(3)测得的上一小时沉积结束时的沉积速率H实际，与通过方程H参照＝f(t)在该时间点计算得到的沉积速率H参照进行对比；检测到硅棒或还原炉内未发生异常情况下，按如下条件确定还原炉配比：当H实际＞H参照时，提高下一小时氢气的物质的量与三氯氢硅物质的量之比；当H实际＜H参照时，降低下一小时氢气的物质的量与三氯氢硅物质的量之比；配比每次降低或升高0.1，但配比高于允许最大值或低于允许最小值时，按照最大值或最小值操作；检测到硅棒或还原炉内发生异常情况下，按如下条件确定还原炉配比：当检测到硅棒疏松程度超过5mm时，则氢气的物质的量与三氯氢硅物质的量之比按上一小时配比增加0.1，但配比高于允许最大值或低于允许最小值时，按照最大值或最小值操作；当检测到硅棒疏松程度超过10mm时，则氢气的物质的量与三氯氢硅物质的量之比按上一小时配比增加0.3，但配比高于允许最大值或低于允许最小值时，按照最大值或最小值操作；当检测到硅棒疏松程度超过30mm时，则氢气的物质的量与三氯氢硅物质的量之比按上一小时配比增加0.5，但配比高于允许最大值或低于允许最小值时，按照最大值或最小值操作；当图像分析检测到还原炉内存在粉状颗粒，则判定还原炉内发生雾化,立即将配比控制在4.5并向中控人员报警，由现场人员进行确认，当雾化较严重时，则进行停炉操作，当雾化轻微暂停自动控制系统的使用，手动进行调整，运行正常后再次启动自动控制系统。进一步的，硅棒温度通过设置于还原炉炉壁的石英视镜前方的红外测温仪监测得到。进一步的，所述硅棒直径通过如下方法获得：(1)还原炉内放置硅棒棒芯；(2)摄像装置采集数据；(3)工业计算机数据分析；其中，(1)还原炉内放置硅棒棒芯：以石英视镜所在直径为对称轴，将硅棒棒芯均匀对称排布在对称轴的两侧；(2)摄像装置采集数据：选取对称轴两侧相邻一对硅棒棒芯为检测硅棒，调整摄像装置使得摄像装置聚焦于检测硅棒，开始连续拍本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多晶硅还原炉自动控制方法，其特征在于，通过测温装置和摄像装置采集硅棒温度和还原炉内硅棒的生长图像，并上传至工业计算机进行数据记录、图像分析和逻辑运算，获得每一时间段的还原炉电流、还原炉进料量和还原炉配比，进而控制还原炉执行机构动作，实现每一时间段还原炉温度、还原炉进料量和还原炉配比的自动控制。

【技术特征摘要】
1.一种多晶硅还原炉自动控制方法，其特征在于，通过测温装置和摄像装置采集硅棒温度和还原炉内硅棒的生长图像，并上传至工业计算机进行数据记录、图像分析和逻辑运算，获得每一时间段的还原炉电流、还原炉进料量和还原炉配比，进而控制还原炉执行机构动作，实现每一时间段还原炉温度、还原炉进料量和还原炉配比的自动控制。2.根据权利要求1所述的一种多晶硅还原炉自动控制方法，其特征在于，所述还原炉温度自动控制步骤，具体为：(1)还原炉初始进料后，开始记录硅棒温度，初始第一小时，初始电流按A1平均进行升温，同时每间隔相同时间记录一次硅棒温度；(2)将上一小时内记录的硅棒温度、时间数据连接成曲线，按线性方式对曲线进行方程回归，并得出时间-硅棒温度趋势函数y＝mx+n；(3)下一小时电流理论值为Ai+1，式(1)中Ai为上一小时运行电流，n为上一小时得到的时间-硅棒温度线性拟合函数的斜率；为避免还原炉倒棒，还原炉内每小时运行电流的增加量不超过25A，即当Ai+1-Ai≥25A时，下一小时的运行电流为Ai+1＝(Ai+25)A；此外，还原炉每小时电流增加量的变化值，即|(Ai+1-Ai)-(Ai-Ai-1)|不应超过3A，当(Ai+1-Ai)-(Ai-Ai-1)≥3A时，则下一小时运行电流为Ai+1＝(2Ai+3-Ai-1)A；当(Ai+1-Ai)-(Ai-Ai-1)≤-3A时，下一小时运行电流为Ai+1＝(2Ai-3-Ai-1)A；当-3A<(Ai+1-Ai)-(Ai-Ai-1)<3A时，下一小时运行电流设定为Ai+1。3.根据权利要求1所述的一种多晶硅还原炉自动控制方法，其特征在于，所述还原炉进料量自动控制步骤，具体为：(1)按常规方法确定还原炉初始进料量为Q1，初始硅棒棒径为D1＝8，初始硅棒温度为T1；(2)下一小时还原炉进料量理论值为Qi+1，式(2)中，R为气体常数，其值为8.314J·mol-1K-1，上一小时沉积结束时硅棒直径为Di；上一小时沉积结束时硅棒温度为Ti，E为活化能，其为常数；受设备条件限制，还原炉存在一最大进料量Qmax，当Qi+1＞Qmax时，则下一小时还原炉按Qmax进料；同时，过快的提料量易造成硅棒的倒棒，因此，当Qi+M＜Qi+1＜Qmax时，Qi为上一小时还原炉进料量，则下一小时还原炉按Qi+M进料；当Qi+1＜Qi+M时，则下一小时还原炉按Qi+1进料。4.根据权利要求1所述的一种多晶硅还原炉自动控制方法，其特征在于，所述还原炉配比自动控制步骤，具体为：(1)选择1h作为硅棒沉积速率的度量单位，理想的沉积速率为H参照，式(3)中，A为指前因子；E为活化能，其为常数；R为气体常数，其值为8.314J·mol-1K-1；B是将化学反应速率常数转化成沉积厚度的比例常数；W为将还原沉积速率转化为理想还原沉积速率的比例常数，即为平衡最佳表观及生产成本的还原沉积速率的比例常数；式(3)中包含A、B、W为未知的比例常数；E和R为已知的比例常数；a、b为最优还原沉积过程中，硅棒温度随时间变化的线性拟合直线的斜率b及截距a；(2)选取三组最优沉积过程中测得的沉积速率和对应该沉积速率的沉积时间，以及在该沉积过程中，测得的硅棒温度随时间变化的线性拟合直线的斜率b及截距a；将三组数值分别带入式(3)中，得到关于A、B、W的方程组，解方程组即可得到最优还原沉积过程中对应的A、B、W的数值；将解得的A、B、W值，以及斜率b、截距a、活化能E、气体常数R，代入式(3)中，得到H参照随时间t的变化方程H参照＝f(t)；(3)测得的上一小时沉积结束时的沉积速率H实际，与通过方程H参照＝f(t)在该时间点计算得到的沉积速率H参照进行对比；检测到硅棒或还原炉内未发生异常情况下，按如下条件确定还原炉配比：当H实际＞H参照时，提高下一小时氢气的物质的量与三氯氢硅物质的量之比；当H实际＜H参照时，降低下一小时氢气的物质的量与三氯氢硅物质的量之比；配比每次降低或升高0.1，但配...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜海明，吴锋，杨媛丽，曹忠，陈晓军，
申请(专利权)人：内蒙古神舟硅业有限责任公司，
类型：发明
国别省市：内蒙古,15