Modellbasert styring av Czochralski silisium krystalltrekkeprosessen

The Czokralski method for production of ultrapurity crystals is based on slowly pulling a cylindrical crystal from aheated silicon melt or some other melted material. This type of ultrapure crystals are used for solar cell production and for general electronic component production such as microprocessors. The goal of the project is to develop an improved method for controlling this production process. It is challenging to control this process to obtain a good result. When producing crystals for solar cell production, the production efficiency is very important. That is: to produce sufficiently good quality crystals with minimum time use. The project is focused on using mathematical models to describe quantitatively the dynamics of the production process for use in optimal control of crystal pull rate and melt temperature. Today, the control methods are based on adaptation again based on cut and try and from experiments. A model based control method will potentially increase production efficiency, as well as stabilize and optimize product quality, and thus increase the resulting solar cell efficiency.

Prosjektet omhandler utviklingen av metodikk for styrings- og overvåkning av monokrystall silisiumproduksjon basert på Czochralski (Cz) krystalltrekkere. Slike monokrystaller sages opp i tynne wafere og prosesseres videre til solceller for produksjon av e lektrisk energi fra sollys. Optimal operasjon av Cz prosesstrinnet er avgjørende (høy produksjonshastighet til spesifisert kvalitet), og danner basis for resulterende kvalitet og ytelse langs hele verdikjeden i monokrystallinsk solcelleproduksjon. Styr ingen av en Cz krystalltrekker er utfordrende fordi prosessens dynamikk er komplisert og multivariabel, og fordi varierende råvareparametre og endringer over tid av prosessutstyret påvirker krystalliseringsforhold og produsert kvalitet. Prosjektet skal u tforske muligheten for å realisere en to-nivå styringsmetodikk for Cz prosessen. Nivå 1 skal baseres på ulineær modellbasert prediktiv styring (NMPC). For dette formålet skal det utvikles matematiske modeller for prosessens dynamikk med en kompleksitets grad som er tilpasset styreformål. Det skal også gjennomføres teoretiske såvel som simuleringsbaserte analyser av hvordan sentrale tilstander og parametre kan estimeres on-line for bruk i den modellbaserte styringen. Nivå 2 omfatter Run til Run adapsjon av styrereseptene (parameterbaner) basert på statistiske- og fysikalsk baserte modeller, samt etterfølgende labanalyser for kontinuerlig optimalisering og kompensasjon for drift i prosessparametre. Resultatene fra forskningsprosjektet skal realiseres i l abformat, og testes ut mot en Cz prosess ved Metallurgisk institutt ved NTNU/Sintef i Trondheim.