CZ单晶炉单晶等径生长计算机控制系统.doc

CZ单晶炉单晶等径生长计算机控制系统本文介绍了CZ单晶炉单晶等径生长计算机控制系统，简述了计算机硬件结构和软件设计原理。一单晶棒直径控制是单晶炉控制的重点。单晶直径在生长过程中可受到温度、提拉速度与转速、坩埚跟踪速度与转速、生长物理环境、保护气体的流速与温度、冷却水流的流速与温度等因素的影响。归纳起来，无外乎是热场波动和生长速度变化两大类。因此，炉内热场设置、生长温度补偿、速度等参数选配是控制单晶外形的基本条件，炉内热场和生长速度的精确控制是单晶炉单晶等径生长控制的重点。二、控制系统构成 单晶等径生长在忽略一些干扰因素影响下，主要受温度和拉速的影响。CZ单晶炉单晶等径生长控制系统如图1所示。单晶生长等径控制系统是由拉速控径单元和温度控径单元组成，而温度控径单元又是由温度控制单元和温度校正控制单元组成。温度控制单元是为了保证单晶正常生长所需的极严格的过冷度要求(如硅单晶生长过冷度为1240 一05)，温度校正控制单元是用来进行热补偿的(晶体生长过程中结晶面释放潜热、单晶棒与周围空间的热辐射、热传导、热对流等)。由直径偏差信号调节拉速及埚转速度，由温度信号控制缘晶面温度，再由拉速控制温度校正升温速率，改变炉温达到控径的目的，同时也限制了拉速的大范围波动与变化。此外，温度校正还以极宽的曲线范围补偿因坩埚与加热器相对位置变化及单晶棒运动造成的确定性热量扰动，即以经验前馈的方式来控径。速度控径单元和温度控径单元共同构成晶体等径自动生长控制器。除温度控制单元采用了欧陆(Eurotherm)818P温度控制器(该控制器内部为一智能的PID 调节器)外，拉速控径单元和温度校正控制单元均采用PID控制器。在温度校正控制单元中，输人偏差信号是由晶升测速机(CF)测得的拉速与温校曲线的设定拉速相比较产生的。温度校正主要是用来补偿因单晶长度改变而引起固液交界面热稳态发生变化的。温度校正曲线是根据经验人为设置的一条晶体拉速经验曲线(如图2)。实践表明，这条曲线设置的好坏对晶体的外观及工艺参数是否合格有着十分重要的意义。图1 CZ单晶炉单晶等径生长控制系统框图图2 温度校正曲线三、计算机硬件结构计算机硬件系统框图见图3。在以前的计算机控制系统中，拉速控制和温度补偿控制分别采用了两台STD BUS的工控机，这样的控制系统没有良好的人机界面，程序调试烦锁，开发周期长。我们从目前工控机的工作能力、可靠性、软件发展水平、整体投资的经济性等多方面考虑，决定采用一台性能优良的台湾研华公司生产的IPC286工控机对整个系统进行控制。图3 计算机硬件框图四、软件设计在MSD0S环境下采用C语言编程，程序为模块化结构，各个任务执行采用08H 定时中断和09H 键盘中断相互嵌套式程序调用。l、定时中断程序设计(O8H 中断)(1)直径定点采样定时中断为了克服晶液表面的抖动、晶棒的不圆、晶体径向摆动而给直径测量数据带的随机干扰，直径信号需要定点采样。定点采样就是在一个控速周期内在固液交界面光环上的某一固定点处定时采得数个直径值，并将它们平均后送入拉速控制单元。(2)拉速控制周期定时中断在一定控制周期内，用直径偏差信号作为输入信号，经过PID 运算后，给出一个控制量，控制提拉速度。(3)温度控制周期定时中断在温度控制周期内，先对拉速进行采样，用拉速偏差信号作为输入信号，经过PID运算后，求得一个控制量，并计算出这一温控周期内的温校速率。(4)温校速率定时中断温校量不是一次全部送出(这样会对热场影响过大)，而是按温校速率在一个温控周期内分多次一点一点送出。(5)动态显示定时中断VGA彩显定时显示单晶速度、重量及各种拉晶有关的参数，并直观地动态显示拉晶工艺过程。(6)参数打印定时中断VGA显示器上有关的重要数据可以定时从打印机上输出。2键盘中断程序设计(09H 中断)在定时器定时中断执行各控制任务过程中，用户可以随时中断某一(或某些)任务执行，而执行其它任务，这种功能切换需要用到键盘中断方式。本系统从方便用户使用出发，采用全汉化式选单。选单上的各个功能(如拉速自动手动、温度自动手动、温校速率增减、参数设定修改、参数清零、放大显示等)全部设计成键盘中断方式。3几个定时中断与键盘中断的嵌套保护中断嵌套保护遵循两条基本原则：(1)低优先级中断可被高优先级中断所中断而形成嵌套，反之则不能；(2)某一中断一旦得到响应，与其同级的中断便不能再中断它。当同时收到几个具有相同优先级中断源提出请求时，哪一个要求得到服务，取决于内部查询顺序，也就是说，还存在着另一个辅助优先级结构。我们所用到的几个定时中断与键盘中断属于第二种情况，因此，在它们相应的中断服务程序中，都必须设计一个辅助优先级结构，形成一个可靠的中断嵌套保护。该问题如果处理得不好，整