金寧昌

（廣州半導(dǎo)體材料研究所，廣東 廣州 510610）

目前，單晶爐生長(zhǎng)Nd：YAG晶體都是采用銥-銥銠熱電偶測(cè)溫[1]，通過(guò)3504過(guò)程控制器自動(dòng)控制中頻電源的輸出功率，從而達(dá)到控制爐溫的目的。但是多年的生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)生了因熱偶故障而影響產(chǎn)品質(zhì)量甚至中途被迫停爐的情況。原因有如下幾方面：

（1）熱偶測(cè)溫端松動(dòng)。因?yàn)闊崤紲y(cè)溫端是固定在爐內(nèi)保溫材料上的，當(dāng)保溫材料發(fā)生變形、開(kāi)裂等情況時(shí)，會(huì)導(dǎo)致熱偶測(cè)溫端的位移，從而產(chǎn)生虛假的溫度波動(dòng)傳輸?shù)竭^(guò)程控制器，過(guò)程控制器將立即控制中頻電源使電源功率產(chǎn)生較大的調(diào)整，晶體生長(zhǎng)因溫度波動(dòng)而受到嚴(yán)重的干擾。

（2）熱偶冷端因環(huán)境溫度偶爾的較大溫差干擾同樣會(huì)觸發(fā)過(guò)程控制器對(duì)中頻電源的意外控制，后果與上述相同。

（3）熱電偶斷裂。熱電偶測(cè)溫端焊接點(diǎn)由于多次使用后易脆，由于保溫材料的變形收縮等導(dǎo)致熱電偶自焊接處斷裂。熱偶斷開(kāi)后，失去測(cè)溫功能，只能手動(dòng)降溫停爐。

基于以上原因，本文開(kāi)展了晶體爐控溫方式的研究，取消了銥-銥銠熱電偶測(cè)溫裝置，采用電源功率模擬量控溫，消除了熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)故障引起的干擾。

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

晶體生長(zhǎng)設(shè)備為DJL-800型全自動(dòng)單晶爐，中頻電源為AtceF系列感應(yīng)加熱電源，溫控器采用3500系列可編程回路調(diào)節(jié)器。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程和討論

2.1 熱電偶測(cè)溫過(guò)程

我們使用的是銥-銥銠絲焊接而成的熱偶，一端從單晶爐側(cè)面預(yù)留孔穿入爐內(nèi)作為測(cè)溫端，另一端通過(guò)屏蔽線(xiàn)與調(diào)節(jié)器相連，為了使冷端處于溫度相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境中，一般將冷端放入保溫瓶中，并在保溫瓶中注滿(mǎn)水。如圖1所示：

圖1 熱電偶裝置

熱偶冷端通過(guò)屏蔽線(xiàn)與調(diào)節(jié)器的輸入端連接，盡量減少各種不利因素對(duì)測(cè)溫信號(hào)的干擾。如圖2所示（49、50端子是從熱偶過(guò)來(lái)的溫度信號(hào)）：

圖2 調(diào)節(jié)器輸入端（49，50）

當(dāng)爐內(nèi)溫度發(fā)生變化時(shí)（比如電網(wǎng)電壓波動(dòng)、循環(huán)冷卻水流量及水溫波動(dòng)等），熱偶測(cè)出的溫度信號(hào)進(jìn)入調(diào)節(jié)器的輸入端，這個(gè)變化值與調(diào)節(jié)器設(shè)定的電壓比較后輸出一個(gè)信號(hào)給中頻電源去控制電源的輸出功率，實(shí)現(xiàn)溫度自動(dòng)控制。

如上所述，在實(shí)際的晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，由于熱電偶測(cè)溫端容易發(fā)生位移，不同的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度有較大的差別，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)實(shí)際爐溫并沒(méi)有變化但測(cè)出的溫度會(huì)發(fā)生較大的變化，這樣會(huì)給調(diào)節(jié)器輸入一個(gè)假的溫度信號(hào)，調(diào)節(jié)器將會(huì)自動(dòng)調(diào)整電源功率，使?fàn)t溫產(chǎn)生較大的波動(dòng)，這樣會(huì)造成晶體缺陷甚至晶體開(kāi)裂的情況。只要外在的因素造成熱偶測(cè)溫產(chǎn)生偏差，都會(huì)造成爐溫的不正常波動(dòng)。如果熱電偶在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中斷裂，將失去測(cè)溫作用，只能停爐處理。

取消熱電偶測(cè)溫裝置，將會(huì)消除其自身帶來(lái)的一系列不利因素對(duì)晶體生長(zhǎng)過(guò)程的干擾，提高過(guò)程穩(wěn)定性。

2.2 功率模擬量自動(dòng)控溫的實(shí)現(xiàn)

功率模擬量自動(dòng)控溫的實(shí)現(xiàn)，有賴(lài)于AtceF系列感應(yīng)加熱電源設(shè)備。

圖3 中頻電源用戶(hù)接口端子表

從圖3中頻電源用戶(hù)接口端子表中我們看到，AtceF系列感應(yīng)加熱電源自帶有兩路功率模擬量輸出端子[2]，即XT.9，XT.10，只要將其中一路輸出接到溫控器的輸入端，就能將溫控器輸入端信號(hào)由測(cè)溫信號(hào)變?yōu)楣β市盘?hào)，如圖4所示。

圖4 中頻電源功率模擬量出端（10，11）

因?yàn)槭枪β士刂疲蓄l電源的功率模擬信號(hào)輸出端（10，11）連接到溫控器輸入端后，須在溫控器輸入端并接一小電阻(因?yàn)闊犭娕紲y(cè)溫時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)是mV，而功率模擬量輸出的是mA)，如圖5所示。

取消熱電偶并接入電源模擬量輸出后，還需要對(duì)3504調(diào)節(jié)器進(jìn)行一些參數(shù)的修改，才能實(shí)現(xiàn)功率模擬量對(duì)爐溫的調(diào)節(jié)。

圖5 給溫控器輸入端并接電阻

溫控器參數(shù)[3]的修改主要有三個(gè)方面：輸入方式，輸入范圍以及PID。

（1）輸入方式修改。將PVInput目錄下的子菜單IO Type參數(shù)由40mV修改為mA.如圖6、圖7所示。

圖6 使用熱偶時(shí)IO Type參數(shù)設(shè)置

圖7 取消熱偶后的IO Type參數(shù)設(shè)置

（2）輸入范圍修改。將PVInput目錄下的Range Hi由12.6修改為20，Range Lo由0修改為4，如圖8、圖9所示

圖8 使用熱偶時(shí)Range參數(shù)修設(shè)置

圖9 取消熱偶后Range參數(shù)設(shè)置

（3）PID參數(shù)修改。將Lp1目錄下的PID參數(shù)中的PB由1200修改為9800，Ti由360修改為10，Td由80修改為1，如圖10、圖11所示。

圖10 使用熱偶時(shí)PID參數(shù)設(shè)置

對(duì)于過(guò)程顯示值，可根據(jù)每臺(tái)爐實(shí)際功率的大小，修改PVInput目錄下的Disp值。

圖11 取消熱偶后PID參數(shù)設(shè)置

至此，完成了自動(dòng)控徑單晶爐控溫方式的改造，取消了熱電偶測(cè)溫裝置，溫度調(diào)節(jié)器輸入端輸入信號(hào)由熱電偶測(cè)溫信號(hào)改為中頻電源功率模擬量信號(hào)，過(guò)程變得簡(jiǎn)單有效。溫度調(diào)節(jié)器將根據(jù)重量傳感器檢測(cè)到的晶體重量的變化進(jìn)行加熱功率的調(diào)節(jié)，排除了熱偶測(cè)溫過(guò)程中可能存在的各種不利因素的干擾。

3 結(jié)論

經(jīng)過(guò)半年多的生產(chǎn)實(shí)踐，改進(jìn)后的控溫方式能夠?qū)崿F(xiàn)程序自動(dòng)升溫，控溫及時(shí)準(zhǔn)確，晶體生長(zhǎng)過(guò)程溫場(chǎng)穩(wěn)定，故障率低，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)，由于取消了貴金屬銥-銥銠熱偶，降低了生產(chǎn)成本，取得了較好的效果。