劉棋奇， 倪 屹， 劉銀法， 萬(wàn)海松

(江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇無(wú)錫214122)

在晶體生長(zhǎng)中，溫度的控制至關(guān)重要，影響晶體的透明度、完整性、顏色等重要質(zhì)量指標(biāo)。目前，晶體生長(zhǎng)爐根據(jù)工藝的不同，一般采用電加熱爐和石墨電阻加熱器進(jìn)行加熱。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外基本采用PID控制器通過(guò)溫度測(cè)量數(shù)據(jù)的反饋對(duì)加熱器的輸出電流進(jìn)行控制達(dá)到溫控目的，溫度的測(cè)量多采用熱電偶與紅外測(cè)溫儀［1］。晶體生長(zhǎng)的整個(gè)工藝流程中，溫度的穩(wěn)定性對(duì)晶體的內(nèi)在質(zhì)量起著決定性作用［2］。

隨著晶體生長(zhǎng)的尺寸需求越來(lái)越大，新的工藝對(duì)溫度穩(wěn)定性和精確性要求越來(lái)越高［3］。隨著尺寸的增大，生長(zhǎng)周期的加長(zhǎng)，熱電偶的損毀率高，造成的影響無(wú)法忽視，而選用高精度紅外測(cè)溫儀測(cè)溫范圍有限，不可避免地在非測(cè)量量程段必須使用其他控溫方式［4］。選用紅外測(cè)溫儀為提高測(cè)溫精度，只能縮小測(cè)溫范圍，不可避免地在非測(cè)量量程段必須使用其他控溫方式。并且紅外測(cè)溫作為非接觸式測(cè)溫方式，需通過(guò)石英視窗監(jiān)控生長(zhǎng)溫度，易被突發(fā)狀況干擾測(cè)量。通過(guò)研究現(xiàn)有的溫度測(cè)量控制系統(tǒng)，文中提出一種基于直流可編程電子負(fù)載控制加熱功率的方法來(lái)補(bǔ)充現(xiàn)有溫度控制方式的不足。

1 直流電子負(fù)載溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1．1 直流可編程電子負(fù)載

電子負(fù)載的原理是控制內(nèi)部功率MOSFET或晶體管的導(dǎo)通量(量占空比大小)，靠功率管的耗散功率消耗電能的設(shè)備，它能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)出負(fù)載電壓，精確調(diào)整負(fù)載電流，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)模擬負(fù)載短路。模擬負(fù)載是感性阻性和容性，容性負(fù)載電流上升時(shí)間［5］。

直流可編程電子負(fù)載作為常用測(cè)試設(shè)備基本功能包含通過(guò)鍵盤(pán)輸入設(shè)定輸入/輸出電流、電壓、電阻等參數(shù)，并設(shè)定它們的數(shù)值上升斜率。

1．2 工作原理

晶體生長(zhǎng)需要經(jīng)過(guò)升溫化料和降溫結(jié)晶、退火再降溫至室溫，整個(gè)過(guò)程都需要依賴加熱功率的輸出進(jìn)行控制［6］，其過(guò)程如圖1所示。

圖1 晶體生長(zhǎng)工藝流程Fig．1 Crystal growth process

晶體生長(zhǎng)需要升溫與降溫兩大階段，因此系統(tǒng)也需要設(shè)計(jì)能控制溫度上升和下降兩大功能。電子負(fù)載溫控系統(tǒng)通過(guò)設(shè)定的工作速率變換負(fù)載電流，再通過(guò)簡(jiǎn)單的電路組合達(dá)到精確控制晶體生長(zhǎng)爐加熱電源的輸出電壓，從而控制晶體生長(zhǎng)爐溫度。系統(tǒng)示意如圖2所示。

圖2 電子負(fù)載溫控系統(tǒng)Fig．2 Electronic load temperature control system

直流電流設(shè)置固定電壓UD，直流可編程電子負(fù)載采用定電流動(dòng)態(tài)模式調(diào)節(jié)的負(fù)載電流為IS，電子負(fù)載電流上升端電壓為U上=10·IS，下降端電壓U下=UD－10·IS。

因此負(fù)載電流只要按既定程序上升，通過(guò)轉(zhuǎn)接盒切換上升端與下降端的接入，可以做到系統(tǒng)提供控制電流的升降。

系統(tǒng)使用的電子負(fù)載電流分辨率可達(dá)到0．1 mA，控制電流為0～1 A，此系統(tǒng)提供的控制精度遠(yuǎn)高于晶體生長(zhǎng)的所用加熱系統(tǒng)的電源調(diào)節(jié)精度。因此，控制的精度完全滿足晶體生長(zhǎng)溫控系統(tǒng)應(yīng)用。

2 系統(tǒng)應(yīng)用

2．1 藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)采用藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)爐、PID控制儀表、移相全橋電源、石墨電阻加熱器和紅外測(cè)溫儀組成的系統(tǒng)進(jìn)行藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)。系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 晶體生長(zhǎng)爐溫控系統(tǒng)Fig．3 Crystal growth furnace temperature control system

藍(lán)寶石晶體(α－Al2O3)熔點(diǎn)2050℃，生長(zhǎng)所需測(cè)量溫度上限需超過(guò)2200℃，在重要結(jié)晶段測(cè)量精度需達(dá)到0．1℃。為保證結(jié)晶段(2 000～2 100℃)的測(cè)量精度選用的測(cè)量波段0．8～1．1μm的紅外測(cè)溫儀，量程為800～2500℃，低于量程下限800℃時(shí)測(cè)溫儀無(wú)數(shù)據(jù)輸出。

2．2 系統(tǒng)校準(zhǔn)

基于石墨加熱器工作于低電壓大電流的工作原理，實(shí)驗(yàn)所用移相全橋電源設(shè)計(jì)為0～30V，0～3000A可調(diào)電源，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電流波形的移相角來(lái)控制輸出功率的大小，可自由切換PID遠(yuǎn)程控制與本機(jī)控制。石墨加熱器為主體的工作電路電阻幾乎不變，總電阻在0．020～0．021Ω之間隨溫度微小變動(dòng)，因此控制輸出電壓即做到控制輸出功率的目的，進(jìn)而控制溫度變化。設(shè)計(jì)的直流電子負(fù)載溫控系統(tǒng)直接作用于電源的本機(jī)控制狀態(tài)。測(cè)得電子負(fù)載溫控系統(tǒng)接上升端與下降端時(shí)負(fù)載電流與對(duì)應(yīng)的加熱直流電流電壓如表1所示。

在2 V以上電子負(fù)載的電流與移相全橋電源輸出電壓為線性關(guān)系，因此只要讀取PID-紅外控溫系統(tǒng)所需的輸出電壓，就能夠通過(guò)簡(jiǎn)單線性計(jì)算得到電子負(fù)載所需的目標(biāo)值。通過(guò)設(shè)定電子負(fù)載的初始和結(jié)束電流，并通過(guò)電源的本機(jī)-遠(yuǎn)程切換，可以做到與PID-紅外控制系統(tǒng)0電壓差無(wú)縫切換。

表1 電子負(fù)載電流對(duì)應(yīng)加熱輸出電壓Tab．1 Heating output voltage corresponding to the current of electronic load

3 電子負(fù)載溫控系統(tǒng)控溫效果

3．1 系統(tǒng)工作于升溫段

晶體生長(zhǎng)中升溫階段對(duì)晶體生長(zhǎng)質(zhì)量影響較小，僅需保證升溫速率在一個(gè)可控的范圍且溫度不大幅波動(dòng)。實(shí)驗(yàn)中升溫階段，由于工藝采用石墨加熱器，設(shè)計(jì)的溫控系統(tǒng)目標(biāo)是平穩(wěn)的升溫到1 400～1 700℃(下文中溫度均指籽晶處溫度)，切換成PID-紅外控溫方式，且在此溫度段向真空的爐體內(nèi)充入氬氣作為保護(hù)氣，以升溫速度不超過(guò)150℃/h為基準(zhǔn)。以5 V為啟動(dòng)電壓，輸出電流電壓升高速率不同情況下的升溫至此溫度段的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 不同電壓速率的升溫用時(shí)Tab．2 Used time of different voltage rate

在多次實(shí)驗(yàn)中，均以電壓升至20～21 V達(dá)到預(yù)計(jì)溫度段，具有良好的穩(wěn)定性和可操作性。以1．43 V/h速率為例，升溫階段具體溫度變化如圖4所示。

3．2 系統(tǒng)工作于降溫段

晶體生長(zhǎng)完成后的降溫階段即結(jié)晶、退火之后的降溫階段(藍(lán)寶石晶體為1 900℃ 以下)對(duì)溫度控制的精確性要求不高，但對(duì)穩(wěn)定性要求很高，必須避免因溫度波動(dòng)容易引起晶體開(kāi)裂［7］。PID儀表的控制需要依賴PID參數(shù)的設(shè)定，每當(dāng)控制的范圍發(fā)生變化時(shí)需要不同的PID參數(shù)調(diào)節(jié)。無(wú)論是手動(dòng)調(diào)節(jié)還是儀表的自動(dòng)調(diào)節(jié)都會(huì)有一個(gè)明顯被控溫度的振蕩期，顯然對(duì)晶體的完好性不利［8］。實(shí)驗(yàn)使用設(shè)計(jì)的溫控系統(tǒng)降溫時(shí)的溫度曲線與輸出功率曲線如圖5所示。

圖4 升溫段溫度變化Fig．4 Temperature changes in heating period

圖5 降溫段溫度、功率變化Fig．5 Temperature and power changes in cooling period

3．3 系統(tǒng)工作于突發(fā)狀況

PID控溫方式控制功率輸出都是以測(cè)量溫度的反饋為基準(zhǔn)進(jìn)行控制的，晶體生長(zhǎng)周期長(zhǎng)達(dá)1周以上，突發(fā)狀況的發(fā)生不可避免。如接觸式測(cè)溫方式(如熱電偶、熱電阻等)容易燒毀;原料中的雜質(zhì)或者石墨加熱器、保溫罩的揮發(fā)導(dǎo)致非接觸式測(cè)溫方式(紅外測(cè)溫儀)的觀測(cè)窗口被遮擋;甚至坩堝內(nèi)熔體滲漏使熱屏、保溫罩融化和揮發(fā)，能致使熱電偶和紅外測(cè)溫同時(shí)失效。

在緊急降溫情況下，要保全爐體內(nèi)保溫罩、坩堝、加熱器等部件，降溫速度需控制在300℃/h以內(nèi)。高溫段自然降溫速度過(guò)快，手動(dòng)控制穩(wěn)定性太低。使用電子負(fù)載控溫系統(tǒng)能避免這些缺陷，緊急情況下僅需設(shè)置起始電壓對(duì)應(yīng)的參數(shù)電流和降溫時(shí)間，1 min內(nèi)能完成設(shè)置并開(kāi)始工作。實(shí)驗(yàn)中遇到突發(fā)狀況后利用溫控系統(tǒng)緊急降溫后爐體內(nèi)各個(gè)部件和坩堝內(nèi)籽晶均保存完好。

3．4 結(jié)果分析

升溫階段系統(tǒng)起始值恒定，晶體爐從室溫狀態(tài)升溫，溫度變化受溫控系統(tǒng)控制程度高，穩(wěn)定性略強(qiáng)于降溫階段。無(wú)論升溫還是降溫階段，電子負(fù)載溫控系統(tǒng)提供的功率變化速率穩(wěn)定，溫度均達(dá)到設(shè)想的平穩(wěn)升降。實(shí)驗(yàn)中溫度的升降受到功率控制，并未出現(xiàn)溫度波動(dòng)問(wèn)題。面對(duì)突發(fā)狀況能及時(shí)應(yīng)急工作，控制范圍可覆蓋至電源的最大輸出功率。

4 結(jié)語(yǔ)

晶體生長(zhǎng)工藝實(shí)現(xiàn)中最重要的工作就是對(duì)溫度的控制，利用基于直流可編程電子負(fù)載構(gòu)成的簡(jiǎn)易溫控系統(tǒng)具有成本低、精度高、穩(wěn)定性好、易控制等特點(diǎn)。不需要改裝現(xiàn)有的工藝生長(zhǎng)爐，避免了安裝熱電偶、熱電阻等溫度傳感器對(duì)真空度的影響;能應(yīng)急工作，并能做到與PID-紅外控溫方式的無(wú)縫對(duì)接;電子負(fù)載技術(shù)成熟，功能多樣，該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單調(diào)試可適用于多種工作環(huán)境和不同工藝;保證了輸出功率的單向變化，不會(huì)引起溫度波動(dòng)，與PLC控制相比有較大的成本優(yōu)勢(shì)。在藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)以室溫啟動(dòng)至1 600℃和以800～1 900℃區(qū)間內(nèi)溫度啟動(dòng)降溫至室溫均能按設(shè)定目標(biāo)穩(wěn)定運(yùn)行。

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