氧化物晶体生长过程自动控制系统

一 概述 氧化物晶体生长过程自动化控制系统 以下简称自控系统 是采用称重法生长氧化物单 晶的专用自动化设备 与自控系统配套 构成一个完整的拉单晶系统的其它设备还有 高精 度全数字中频中源 用于拉晶过程感应加热 单晶炉体 用于单晶体的旋转和提拉 电子 称 用于检测晶体重量 以及实现自动控制系统必不可少的检测元件 温度传感器和称重传 感器 在拉晶系统中 自动控制系统是核心 该系统具有以下特点 1 已性能优异功能强大的计算机为核心 构成氧化物晶体生长计算机数字控制系统 在系统中建立了晶体生长不同阶段的数学模型 并采用智能控制算法设计数字控制器 使 自控系统具有良好的性能 2 根据实际工艺设计的多阶段控制策略 使自动拉晶过程的每个阶段均能达到理想的 控制 3 工艺参数设置简便直观 运行参数和时钟实施数显及自动打印以供操作者随时检查 运行状况 4 自控系统和微机控制中频电源匹配合适 连接简便 自控系统具有良好的预警措施 并有自动手动 无扰动切换功能 使系统运行更加可靠 二 基本工作原理 1 系统结构图 自控系统的结构图如下图所示 2 控制系统 自控系统将全部拉晶过程划分成五个阶段 熔料 引颈 放肩 拉身 降温 每个阶段均有状态指示 并根据每个阶段的实际工况 采用不同的控制策略 熔料阶段 在熔料阶段 控制目标是加热坩埚中的晶体原料 使其从常温状态自动匀速的升高到 全熔状态 所以 这一阶段自控系统采用温度闭环控制策略 温度的给定只有自控系统确 定 自控系统自动调整中频电源的输出功率 实际升温过程跟随温度给定值 为使升温控 制性能更佳 把这一阶段分为两个升温周期 两个周期采用不同的升温速率 第一升温周 期按设定速率升温 设定速率由面板上的升温周期 I 和熔料温度决定 并可实时修正这两 个参数 从而选择要求的升温速率 一般来讲 设定的熔料温度应比实际熔料温度略小一 点 以便留给第二周期升温 按照第一周期的升温速率自动升温到设定的熔料温度和第一 周期时间已到 自控系统自动转入第二升温周期运行 在第二升温周期内 自控系统从第 一周期结束时的温度开始 按每次上升 1oC 的速率逼近实际熔料温度 由于接近熔料温度 时 熔料过程的温度惯性较大 所以逼近升温不是等速率 当给定温度上升 1oC 实际温 度也上升 1oC 时 给定温度才再上升 1oC 这样可以保证在接近全熔状态时有较慢的升温 速率 从而避免了烧埚事故发生 当升温到实际熔料温度后 坩埚温度不再上升 系统处 在保温状态 当第二周期设定的时间到后 自控系统自动转入二阶段 引颈阶段 引颈阶段包括了选温 下种 引颈 缩颈等过程 由于该阶段的人为因素较多 故采 用人机交互方式 自控系统虽然仍采取温度闭环控制 但中频输出功率的调温范围比熔料 阶段大为减小 以满足本阶段的工艺要求 使用者可通过操作面板上的步进升温和步进降 温来选择合适的下种温度和缩颈温度 下种成功后 操作者可按面板上的状态结束键 使 自控系统转入下一阶段 放肩阶段 在放肩阶段 自控系统转换为晶体生长量闭环控制系统 温度值仅作为参考量 实际的 晶体晶体生长量由称量传感器检测得到 经分析 放肩理论模型为 Mt k 4 D H2 h K2 式中 Mt k 为放肩阶段 K 时刻要求的生长量 D 为等径后的晶体直径 H 为总的放肩高度 h 为考虑了液面下降时拉身阶段的拉伸速度 为晶体比重系数 K 为放肩的时间节拍 根据上式可以看出 随着放肩时间的增加 要求的晶体生长量也增加 改变这些参数 可以改变放肩的形状 在本阶段 自控系统采用智能化控制算法 使放肩过程按照理论模 型的要求进行 当放肩过程中晶体生长速度达到等径阶段的晶体生长速度时 自动转入拉 身阶段 拉身阶段 自控系统在拉身阶段仍采用晶体生长量闭环控制系统 把温度值作为系统参考量 本 阶段要求的晶体生长速度为一恒定值 并由面板上的生长速度参数确定 自控系统的目标 是控制晶体按等径要求生长 当拉身阶段运行时间到达面板上设定的拉身时间后 自动转 入降温阶段 由于采用下秤法拉晶 受称重传感器和电子称精度的限制 为此 在自控系 统中专门设计了更换量程控制策略 降温阶段 在降温阶段 工艺要求将坩埚的温度从拉晶温度匀速的降低到规定温度以下 以保证 晶体不开裂 所以 自控系统采用温度闭环控制策略 给定的降温速率根据面板上的降温 周期和降温温度两个参数设定 自控系统控制中频电源的输出功率 使坩埚温度按照给定 的速率下降 在降温阶段 自控系统设定有两