Modellbasert styring av Czochralski silisium krystalltrekkeprosessen

Czokralski metoden for fremstilling av supperrene krystaller går ut på å trekke en sylindrisk krystall opp fra et bad av smeltet silisium eller et annet materiale. Slike superrene krystaller benyttes for framstilling av solceller og som basis for elektronikk-komponenter. Prosjektets hovedmål er å utvikle en forbedret metode for styring av denne prosessen. Det er vanskelig å styre denne prosessen slik at resultatet blir best mulig. Ved framstilling av solcellemateriale er det også viktig at framstlil lingen er effektiv. Dvs at det produseres mest mulig pr tidsenhet med god kvalitet. Prosjektet fokuserer på å benytte regnemodeller som beskriver denne framstillingsprosessen for å styre trekkehastighet og temperaturforhold på en best mulig måte. I dag benyttes i stor grad erfaringsbaserte metoder uten å benytte slike modeller aktivt under styring. En slik metode forventes å kunne effektivisere produksjonen og å forbedre kvaliteten på de produserte krystallene, og dermed øke effektutbytte for de res ulterende solcellene.

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.