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《CZ單晶爐單晶等徑生長計算機控制系統(tǒng)》由會員上傳分享,免費在線閱讀,更多相關內容在教育資源-天天文庫。
1、CZ單晶爐單晶等徑生長計算機控制系統(tǒng)本文介紹了CZ單晶爐單晶等徑生長計算機控制系統(tǒng),簡述了計算機硬件結構和軟件設計原理。一單晶棒直徑控制是單晶爐控制的重點。單晶直徑在生長過程中可受到溫度、提拉速度與轉速、坩堝跟蹤速度與轉速、生長物理環(huán)境、保護氣體的流速與溫度、冷卻水流的流速與溫度等因素的影響。歸納起來,無外乎是熱場波動和生長速度變化兩大類。因此,爐內熱場設置、生長溫度補償、速度等參數(shù)選配是控制單晶外形的基本條件,爐內熱場和生長速度的精確控制是單晶爐單晶等徑生長控制的重點。二、控制系統(tǒng)構成.單晶等徑生長在忽略一些干擾因素影響下,主要受溫度和拉速的影響。CZ
2、單晶爐單晶等徑生長控制系統(tǒng)如圖1所示。單晶生長等徑控制系統(tǒng)是由拉速控徑單元和溫度控徑單元組成,而溫度控徑單元又是由溫度控制單元和溫度校正控制單元組成。溫度控制單元是為了保證單晶正常生長所需的極嚴格的過冷度要求(如硅單晶生長過冷度為1240℃一0.5℃),溫度校正控制單元是用來進行熱補償?shù)?晶體生長過程中結晶面釋放潛熱、單晶棒與周圍空間的熱輻射、熱傳導、熱對流等)。由直徑偏差信號調節(jié)拉速及堝轉速度,由溫度信號控制緣晶面溫度,再由拉速控制溫度校正升溫速率,改變爐溫達到控徑的目的,同時也限制了拉速的大范圍波動與變化。此外,溫度校正還以極寬的曲線范圍補償因坩堝與
3、加熱器相對位置變化及單晶棒運動造成的確定性熱量擾動,即以經(jīng)驗前饋的方式來控徑。速度控徑單元和溫度控徑單元共同構成晶體等徑自動生長控制器。除溫度控制單元采用了歐陸(Eurotherm)818P溫度控制器(該控制器內部為一智能的PID調節(jié)器)外,拉速控徑單元和溫度校正控制單元均采用PID控制器。在溫度校正控制單元中,輸人偏差信號是由晶升測速機(CF)測得的拉速與溫校曲線的設定拉速相比較產(chǎn)生的。溫度校正主要是用來補償因單晶長度改變而引起固液交界面熱穩(wěn)態(tài)發(fā)生變化的。溫度校正曲線是根據(jù)經(jīng)驗人為設置的一條晶體拉速經(jīng)驗曲線(如圖2)。實踐表明,這條曲線設置的好壞對晶體
4、的外觀及工藝參數(shù)是否合格有著十分重要的意義。圖1CZ單晶爐單晶等徑生長控制系統(tǒng)框圖圖2溫度校正曲線三、計算機硬件結構計算機硬件系統(tǒng)框圖見圖3。在以前的計算機控制系統(tǒng)中,拉速控制和溫度補償控制分別采用了兩臺STDBUS的工控機,這樣的控制系統(tǒng)沒有良好的人機界面,程序調試煩鎖,開發(fā)周期長。我們從目前工控機的工作能力、可靠性、軟件發(fā)展水平、整體投資的經(jīng)濟性等多方面考慮,決定采用一臺性能優(yōu)良的臺灣研華公司生產(chǎn)的IPC286工控機對整個系統(tǒng)進行控制。圖3計算機硬件框圖四、軟件設計在MS—D0S環(huán)境下采用C語言編程,程序為模塊化結構,各個任務執(zhí)行采用08H定時中斷和
5、09H鍵盤中斷相互嵌套式程序調用。l、定時中斷程序設計(O8H中斷)(1)直徑定點采樣定時中斷為了克服晶液表面的抖動、晶棒的不圓、晶體徑向擺動而給直徑測量數(shù)據(jù)帶的隨機干擾,直徑信號需要定點采樣。定點采樣就是在一個控速周期內在固液交界面光環(huán)上的某一固定點處定時采得數(shù)個直徑值,并將它們平均后送入拉速控制單元。(2)拉速控制周期定時中斷在一定控制周期內,用直徑偏差信號作為輸入信號,經(jīng)過PID運算后,給出一個控制量,控制提拉速度。(3)溫度控制周期定時中斷在溫度控制周期內,先對拉速進行采樣,用拉速偏差信號作為輸入信號,經(jīng)過PID運算后,求得一個控制量,并計算出這
6、一溫控周期內的溫校速率。(4)溫校速率定時中斷溫校量不是一次全部送出(這樣會對熱場影響過大),而是按溫校速率在一個溫控周期內分多次一點一點送出。(5)動態(tài)顯示定時中斷VGA彩顯定時顯示單晶速度、重量及各種拉晶有關的參數(shù),并直觀地動態(tài)顯示拉晶工藝過程。(6)參數(shù)打印定時中斷VGA顯示器上有關的重要數(shù)據(jù)可以定時從打印機上輸出。2.鍵盤中斷程序設計(09H中斷)在定時器定時中斷執(zhí)行各控制任務過程中,用戶可以隨時中斷某一(或某些)任務執(zhí)行,而執(zhí)行其它任務,這種功能切換需要用到鍵盤中斷方式。本系統(tǒng)從方便用戶使用出發(fā),采用全漢化式選單。選單上的各個功能(如拉速自動/
7、手動、溫度自動/手動、溫校速率增/減、參數(shù)設定/修改、參數(shù)清零、放大顯示等)全部設計成鍵盤中斷方式。3.幾個定時中斷與鍵盤中斷的嵌套保護中斷嵌套保護遵循兩條基本原則:(1)低優(yōu)先級中斷可被高優(yōu)先級中斷所中斷而形成嵌套,反之則不能;(2)某一中斷一旦得到響應,與其同級的中斷便不能再中斷它。當同時收到幾個具有相同優(yōu)先級中斷源提出請求時,哪一個要求得到服務,取決于內部查詢順序,也就是說,還存在著另一個輔助優(yōu)先級結構。我們所用到的幾個定時中斷與鍵盤中斷屬于第二種情況,因此,在它們相應的中斷服務程序中,都必須設計一個輔助優(yōu)先級結構,形成一個可靠的中斷嵌套保護。該問
8、題如果處理得不好,整個系統(tǒng)將崩潰。4、軟件濾波在控制現(xiàn)場環(huán)境下,雖然模擬信號采取