氧化物晶體生長過程自動控制系統(tǒng)

1、一. 概述    氧化物晶體生長過程自動化控制系統(tǒng)(以下簡稱自控系統(tǒng),是采用稱重法生長氧化物單晶的專用自動化設(shè)備,與自控系統(tǒng)配套、構(gòu)成一個完整的拉單晶系統(tǒng)的其它設(shè)備還有:高精度全數(shù)字中頻中源(用于拉晶過程感應(yīng)加熱、單晶爐體(用于單晶體的旋轉(zhuǎn)和提拉、電子稱(用于檢測晶體重量以及實現(xiàn)自動控制系統(tǒng)必不可少的檢測元件-溫度傳感器和稱重傳感器。    在拉晶系統(tǒng)中，自動控制系統(tǒng)是核心。該系統(tǒng)具有以下特點：    1已性能優(yōu)異功能強(qiáng)大的計算機(jī)為核心，構(gòu)成氧化物晶體生長計算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)。在系統(tǒng)中建立了晶體生長不同階段

2、的數(shù)學(xué)模型，并采用智能控制算法設(shè)計數(shù)字控制器，使自控系統(tǒng)具有良好的性能。    2根據(jù)實際工藝設(shè)計的多階段控制策略，使自動拉晶過程的每個階段均能達(dá)到理想的控制。    3工藝參數(shù)設(shè)置簡便直觀。運(yùn)行參數(shù)和時鐘實施數(shù)顯及自動打印以供操作者隨時檢查運(yùn)行狀況。    4自控系統(tǒng)和微機(jī)控制中頻電源匹配合適，連接簡便。自控系統(tǒng)具有良好的預(yù)警措施，并有自動手動/無擾動切換功能，使系統(tǒng)運(yùn)行更加可靠。    二. 基本工作原理    1. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 &

3、#160;  自控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如下圖所示:      2. 控制系統(tǒng)    自控系統(tǒng)將全部拉晶過程劃分成五個階段:熔料    引頸    放肩     拉身    降溫。每個階段均有狀態(tài)指示，并根據(jù)每個階段的實際工況，采用不同的控制策略。    熔料階段    在熔料階段，控制目標(biāo)是加熱坩堝中的晶體原料，使其從常溫狀態(tài)自動勻速的

4、升高到全熔狀態(tài)。所以，這一階段自控系統(tǒng)采用溫度閉環(huán)控制策略。溫度的給定只有自控系統(tǒng)確定，自控系統(tǒng)自動調(diào)整中頻電源的輸出功率，實際升溫過程跟隨溫度給定值。為使升溫控制性能更佳，把這一階段分為兩個升溫周期，兩個周期采用不同的升溫速率。第一升溫周期按設(shè)定速率升溫。設(shè)定速率由面板上的升溫周期I和熔料溫度決定，并可實時修正這兩個參數(shù)，從而選擇要求的升溫速率。一般來講，設(shè)定的熔料溫度應(yīng)比實際熔料溫度略小一點，以便留給第二周期升溫。按照第一周期的升溫速率自動升溫到設(shè)定的熔料溫度和第一周期時間已到，自控系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)入第二升溫周期運(yùn)行。在第二升溫周期內(nèi)，自控系統(tǒng)從第一周期結(jié)束時的溫度開始，按每次上升1oC的速率逼

5、近實際熔料溫度。由于接近熔料溫度時，熔料過程的溫度慣性較大，所以逼近升溫不是等速率。當(dāng)給定溫度上升1oC，實際溫度也上升1oC時，給定溫度才再上升1oC。這樣可以保證在接近全熔狀態(tài)時有較慢的升溫速率，從而避免了燒堝事故發(fā)生。當(dāng)升溫到實際熔料溫度后，坩堝溫度不再上升，系統(tǒng)處在保溫狀態(tài)。當(dāng)?shù)诙芷谠O(shè)定的時間到后，自控系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)入二階段。    引頸階段      引頸階段包括了選溫、下種、引頸、縮頸等過程。由于該階段的人為因素較多，故采用人機(jī)交互方式。自控系統(tǒng)雖然仍采取溫度閉環(huán)控制，但中頻輸出功率的調(diào)溫范圍比熔料階段大為減小，以

6、滿足本階段的工藝要求。使用者可通過操作面板上的步進(jìn)升溫和步進(jìn)降溫來選擇合適的下種溫度和縮頸溫度。下種成功后，操作者可按面板上的狀態(tài)結(jié)束鍵，使自控系統(tǒng)轉(zhuǎn)入下一階段。    放肩階段  在放肩階段，自控系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為晶體生長量閉環(huán)控制系統(tǒng)，溫度值僅作為參考量。實際的晶體晶體生長量由稱量傳感器檢測得到。經(jīng)分析，放肩理論模型為：Mt（k）=/4·D/H2·h··K2    式中：Mt（k）為放肩階段K時刻要求的生長量；      

7、0;   D為等徑后的晶體直徑；          H為總的放肩高度；         h為考慮了液面下降時拉身階段的拉伸速度；         為晶體比重系數(shù)；         K為放肩的時間節(jié)拍；    根據(jù)上式可以

8、看出，隨著放肩時間的增加，要求的晶體生長量也增加。改變這些參數(shù)，可以改變放肩的形狀。在本階段，自控系統(tǒng)采用智能化控制算法，使放肩過程按照理論模型的要求進(jìn)行。當(dāng)放肩過程中晶體生長速度達(dá)到等徑階段的晶體生長速度時，自動轉(zhuǎn)入拉身階段。    拉身階段    自控系統(tǒng)在拉身階段仍采用晶體生長量閉環(huán)控制系統(tǒng)，把溫度值作為系統(tǒng)參考量。本階段要求的晶體生長速度為一恒定值，并由面板上的生長速度參數(shù)確定。自控系統(tǒng)的目標(biāo)是控制晶體按等徑要求生長。當(dāng)拉身階段運(yùn)行時間到達(dá)面板上設(shè)定的拉身時間后，自動轉(zhuǎn)入降溫階段。由于采用下秤法拉晶，受稱重傳感器和電子稱精度的限制，為此，在自控系統(tǒng)中專門設(shè)計了更換量程控制策略。    降溫階段    在降溫階段，工藝要求將坩堝的溫度從拉晶溫度勻速的降低到規(guī)定溫度以下，以保證晶體不開裂。所以，自控系統(tǒng)采用溫度閉環(huán)控制策略。給定的降溫速率根據(jù)面板上的降溫周期和降溫溫度兩個參數(shù)設(shè)定，自控系統(tǒng)控制中頻