汪海波

（上海昀豐光電技術(shù)有限公司，上海201100）

0 引言

目前，國內(nèi)外藍(lán)寶石晶體生長方法主要有泡生法、提拉法、溫梯法、坩堝下降法以及熱交換法[1]等。熱交換法是利用石墨熱場取代原有泡生法[2]使用的鎢鉬熱場，保留了傳統(tǒng)泡生法質(zhì)量高、成本低的優(yōu)點，同時克服了原有的工藝復(fù)雜、穩(wěn)定性及重復(fù)性差、能耗高等缺點的一種高效的藍(lán)寶石生長方法，該方法能以較低的成本，穩(wěn)定、高效地生長出高質(zhì)量的藍(lán)寶石晶體，以此滿足市場對于藍(lán)寶石晶體低成本、大尺寸和高質(zhì)量的要求。

熱交換法不需要手動引晶，只要將籽晶埋在坩堝底部，在底部熱交換管中通入一定量的氦氣，通過改變IGBT電源功率來改變爐內(nèi)溫度，從而將籽晶熔化到原始高度的2/3左右。籽晶熔化完成后，逐步加大熱交換管中的氦氣流量，同時配合爐內(nèi)溫度緩慢下降，晶體將在籽晶上慢慢生長，最后整個熔體長成較大的單晶晶體。

用換熱法來控制藍(lán)寶石大尺寸晶體生長的技術(shù)，在國內(nèi)還處于剛剛起步的階段，技術(shù)難度較大。國內(nèi)廠家目前長晶的換熱法設(shè)備主要依靠從國外進(jìn)口，極大地限制了規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化發(fā)展的進(jìn)程。

項目的難點如下：高溫爐體的設(shè)計和制造、石墨熱場的設(shè)計、自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計、高精度電源的設(shè)計和制造等。自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計主要包括：長晶速度控制系統(tǒng)、爐內(nèi)溫度控制系統(tǒng)、爐內(nèi)壓力控制系統(tǒng)、晶體高度測量系統(tǒng)等，這些都是本文需要探討的問題。

1 設(shè)計要求

要求整個晶體生長過程進(jìn)行全自動控制，通過各種儀器儀表來判斷晶體生長狀態(tài)，并對其進(jìn)行控制，避免人工參與。

技術(shù)參數(shù)及性能指標(biāo)：

（1）溫度控制精度：溫度偏差≤±0.5℃；

（2）爐內(nèi)壓力控制精度：壓力偏差≤±50 Pa；

（3）晶體生長高度檢測精度：高度偏差≤±0.5 mm；

（4）底部氦氣流量控制精度：流量偏差≤±0.01 L/min。

1.1 晶體高度檢測的實現(xiàn)

籽晶熔化和晶體生長速度的有效控制，是長出好晶體的必要條件；在整個生長過程中，籽晶或新晶體始終浸泡在高溫熔液中，無法用傳統(tǒng)的手段來測量。設(shè)計出一組測量部件來解決這個問題，整個測量部件包括電機(jī)、導(dǎo)軌、絲桿、真空波紋管、鉬制探針等結(jié)構(gòu)。

1.2 晶體生長速度控制功能

晶體生長速度控制包括爐內(nèi)溫度和底部熱交換管氦氣流量的聯(lián)合控制，其中氦氣流量控制是主要調(diào)節(jié)手段。通過CGsim軟件[1]進(jìn)行熱場建模、分析，確定晶體生長的溫度曲線；然后通過其仿真功能，模擬出氦氣流量控制和溫度變化兩條曲線，進(jìn)而算出每個階段兩種控制參數(shù)的比例分配情況，輸入到工藝配方中，作為晶體生長速度控制的基礎(chǔ)值；并通過多爐的試驗，根據(jù)實際長出晶體每個部位的質(zhì)量情況，來微量修改、優(yōu)化對應(yīng)的比例關(guān)系。

1.2.1 溫度控制

籽晶熔化或晶體生長過程中，增減電源的功率，來達(dá)到控制溫度的目的[3]。參與溫度控制的有高精度IGBT電源、紅外測溫儀、RS-485模塊以及PLC控制器。

1.2.2 熱交換管氦氣流量控制

晶體生長過程中，增減熱交換管內(nèi)氦氣的流量，來達(dá)到控制導(dǎo)出熱量多少的目的。參與流量控制的有質(zhì)量流量計、RS-485模塊、控制閥門、PLC控制器等。

1.3 晶體生長壓力控制功能

晶體生長過程中，通過質(zhì)量流量計，向爐內(nèi)沖入氦氣，調(diào)整碟型控制閥的角度，使壓力保持在一個恒定的數(shù)值狀態(tài)下，滿足晶體的生長需求。參與壓力控制的有碟型控制閥、質(zhì)量流量計、RS-485模塊、開關(guān)控制閥門、真空泵以及PLC控制器等。

1.4 高精度IGBT直流電源的運用

傳統(tǒng)的晶體生長爐使用可控硅工頻交流電源，存在控制精度較低，體積笨重，輸入功率因數(shù)低，對電網(wǎng)電磁干擾大等缺陷；而藍(lán)寶石晶體生長溫度高，能耗大，對溫度控制精度的要求高，在藍(lán)寶石晶體生長設(shè)備中應(yīng)用高效高精度IGBT電源新技術(shù)，具有控溫功率精度高，節(jié)能顯著，諧波少，穩(wěn)定性、可靠性好等明顯優(yōu)勢。

2 控制方案

2.1 控制系統(tǒng)原理圖

熱交換藍(lán)寶石晶體生長爐控制系統(tǒng)包括三菱PLC與擴(kuò)展模塊、界面監(jiān)控工業(yè)電腦、爐內(nèi)壓力控制、長晶速度控制、晶體高度檢測等（圖1）。三菱PLC與擴(kuò)展模塊包括PLC控制器、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、RS-485通信模塊[4]。

2.2 晶體生長速度控制子系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 系統(tǒng)介紹

在坩堝的底部固定一個圓柱型的籽晶，隨著四周石墨發(fā)熱體溫度的上升，坩堝底部的籽晶開始融化。通過對坩堝底部外側(cè)正下方冷卻管道內(nèi)的氦氣流量的控制，保證原料充分熔化而籽晶部分熔化；然后逐步加大氦氣的流量，并配合溫度的下降，使坩堝底部的溫度逐步降低，熔液沿著籽晶方向逐步單向結(jié)晶固化，得到一個藍(lán)寶石單晶晶體。

圖1 控制系統(tǒng)原理圖

2.2.2 硬件組成

晶體生長速度控制包括溫度控制系統(tǒng)（詳見1.2.1）、熱交換管氦氣流量控制系統(tǒng)（詳見1.2.2）、晶體高度測量單元（詳見1.1）。

2.2.3 晶體高度自動檢測設(shè)計

在真空環(huán)境下，連接在伺服電機(jī)和絲桿上的鉬制探針，以極快的速度進(jìn)入高溫熔液，當(dāng)探針接近預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)時，減速并慢慢接近晶體表面，當(dāng)電機(jī)的扭矩超過設(shè)定數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)判斷探針已經(jīng)與籽晶表面充分接觸，記下位置數(shù)據(jù)，并且反轉(zhuǎn)回收探針。每次檢測的時間間隔一般為0.5 h，通過兩次檢測的位置數(shù)據(jù)，計算出熔化或長晶速度（圖2）。

圖2 自動測量控制流程圖

2.2.4 兩路雙閉環(huán)控制器

兩路雙閉環(huán)控制器包括內(nèi)環(huán)控制和外環(huán)控制，外環(huán)為熔化或長晶速度控制環(huán)。內(nèi)環(huán)包括溫度控制環(huán)和流量控制環(huán)；外環(huán)通過比例分配器，施加對內(nèi)環(huán)的兩路控制器的給定（圖3）。

比例分配器是通過CGsim模擬軟件得到熱場溫度梯度數(shù)據(jù)，并加上工藝人員的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，得到的一組數(shù)據(jù)，n:m的比值是隨著熱場特性和時間變化而變化的。

2.2.5 雙路閉環(huán)控制器的優(yōu)點

通過CGsim軟件進(jìn)行熱場建模、分析、仿真、計算、分配，確定兩種控制參數(shù)的比例分配情況，充分發(fā)揮計算機(jī)處理大量數(shù)據(jù)的能力，縮短了設(shè)備的開發(fā)周期；通過多爐的試驗，根據(jù)試驗實際長出晶體品質(zhì)分布情況，作出微量修改、優(yōu)化，讓工藝人員擁有實時、充分的調(diào)節(jié)手段，晶體質(zhì)量能得到進(jìn)一步的提升。

圖3 兩路雙閉環(huán)控制器結(jié)構(gòu)

2.3 爐內(nèi)壓力控制子系統(tǒng)程序設(shè)計

2.3.1 進(jìn)口壓力控制

固定出口蝶閥的導(dǎo)通角度，通過調(diào)節(jié)質(zhì)量流量計的流量大小來控制爐內(nèi)壓力。

2.3.2 出口壓力控制

固定進(jìn)口質(zhì)量流量計的流量大小，通過調(diào)節(jié)出口蝶閥的導(dǎo)通角度來控制爐內(nèi)壓力。

2.3.3 進(jìn)/出口控制的應(yīng)用

化料階段，熱場和原料內(nèi)的雜質(zhì)較多，需要通過真空系統(tǒng)將雜質(zhì)排除，這時就選擇進(jìn)口控制，將蝶閥的導(dǎo)通角度開到50%以上，通過氦氣的進(jìn)入，排除大量雜質(zhì)。

晶體生長階段，如果還有較多的氦氣進(jìn)入爐內(nèi)，將帶走大量熱量，熱場無法穩(wěn)定，不利于晶體的生長，此時需要切換到出口控制模式。將質(zhì)量流量計的流量固定在0.3 L/min左右，通過出口蝶閥的調(diào)節(jié)來控制爐內(nèi)壓力。

2.4 系統(tǒng)程序的模塊化設(shè)計

整個系統(tǒng)程序采用模塊化設(shè)計，使用三菱GX-WORKS2軟件編寫而成，包括AD（模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量）、ALARM（報警輸出）、AUTO（配方自動運行）、AVERAGE（模擬量的平滑處理）、DA（數(shù)字量轉(zhuǎn)化成模擬量）、GAIN（模擬量的偏差處理）、MAIN（系統(tǒng)運行模式處理）、OUTPUT（各類部件的輸出）、PC（組態(tài)界面和系統(tǒng)的接口）、PID（溫度、壓力PID控制）、POWER（RS-485通信）等子程序。

3 友好的人機(jī)界面

主機(jī)使用研華UNO-2473G工控機(jī)，通過網(wǎng)線與PLC相連，監(jiān)控軟件使用海得公司的組態(tài)軟件[5]NetSCADA，它是一款集成式、組件化的人機(jī)接口產(chǎn)品，運行于Windows操作系統(tǒng)之上，可通過串口、現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)等方式監(jiān)視和控制工業(yè)自動化設(shè)備和整個工業(yè)生產(chǎn)過程，也可通過Internet異地監(jiān)控分布在各地的自動化設(shè)備和工業(yè)生產(chǎn)過程。NetSCADA有二次開發(fā)功能，用戶可根據(jù)工藝要求組態(tài)、開發(fā)適合的應(yīng)用系統(tǒng)，可以開發(fā)配方、顯示配方、修改配方，也可顯示圖形、報表、數(shù)據(jù)庫、通信等。

本系統(tǒng)設(shè)計有系統(tǒng)狀態(tài)、工序配方、I/O監(jiān)控、設(shè)備檢測、參數(shù)設(shè)置、報警顯示、趨勢圖等（圖4），可以方便使用者很好地操作，及時了解系統(tǒng)的運行狀況，包括系統(tǒng)的實時壓力、實時溫度、實時流量，并能方便、及時地修改壓力、溫度等參數(shù)，滿足長晶工藝的要求。

圖4 監(jiān)控畫面

4 結(jié)語

本項目旨在設(shè)計一種適用于藍(lán)寶石熱交換法長晶工藝的自動化控制系統(tǒng)，通過將系統(tǒng)分為長晶速度控制和爐內(nèi)壓力控制兩個子系統(tǒng)，實現(xiàn)整個長晶過程的全自動控制；通過組態(tài)軟件，提供友好的互動界面，簡化了系統(tǒng)操作過程；采用兩路雙閉環(huán)長晶速度控制，用n:m參數(shù)直觀地揭示了溫度控制和底部氦氣流量控制之間的相互關(guān)系，為工藝改進(jìn)提供了一個實時的窗口。

[1]汪傳勇.泡生法藍(lán)寶石單晶生長的熱場分析與數(shù)值模擬研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2011：5-11.

[2]袁長路，李杰，于旭東，等.DRF-B80型藍(lán)寶石晶體生長爐的研制[J].人工晶體學(xué)報，2012，41（5）：1463-1467.

[3]劉銀法，倪屹.基于藍(lán)寶石加熱爐的溫度控制系統(tǒng)[J].江南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，14（2）：178-181.

[4]張鳳，孫曉冬，馬青玉.RS-485總線控制下的藍(lán)寶石晶體智能生長系統(tǒng)[J].自動化儀表，2013，34（8）：37-41.

[5]張勇.基于CC-Link總線與組態(tài)軟件的風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)改造[J].煤礦機(jī)械，2014，35（5）：168-169.