Пристрій для регулювання росту монокристалів

Пристрій для регулювання росту монокристалів, який містить електропривід кристалотримача, датчик рівня розплаву, зв'язаний з коригуючим регулятором температури донного нагрівача та блоком управління підживлюванням, який з'єднано з підживлювачем та блоком задання часових інтервалів через блок їх зрівняння, датчик дискретного переміщення кристалотримача, який підключено до коригуючого регулятора температури донного нагрівача, обчислювальний блок, входи якого зв'язано з датчиком рівня розплаву та блоком задання часових інтервалів, а виходи підключено до блока зрівняння часових інтервалів, до блока управління підживленням та до коригуючого регулятора температури донного нагрівача, вихід якого підключено до донного нагрівача, блок задання швидкості змінення рівня розплаву та блок визначення фак A (54) ПРИСТРІЙ ДЛЯ РЕГУЛЮВАННЯ РОСТУ МОНОКРИСТАЛІВ 43077 коливань завданого значення цього параметра регулювання. Окрім того, вирощування монокристалів великого діаметра (більш 300 мм) робить складною проблему отримання його чіткого зображення, а відсутність підживлення не дозволяє вирощувати великогабаритні монокристали. Є відомим також пристрій для регулювання росту монокристалів (пат. України № 29080А, кл. С30В15/20), який вміщує електропривод кристалотримача, датчик рівня розплаву, зв'язаний з коригуючим регулятором температури донного нагрівача та блоком управління підживленням, який з'єднано з підживлювачем та блоком задання часових інтервалів через блок їх зрівняння, датчик дискретного переміщення кристалотримача, підключений до коригуючого регулятора температури донного нагрівача, обчислювальний блок, входи якого зв'язано з датчиком переміщення кристалотримача, датчиком рівня розплаву та блоком задання: часових інтервалів, а виходи підключено до електроприводу кристалотримача, блока зрівняння часових інтервалів, до блока управління підживленням і коригуючого регулятора температури, вихід якого підключено до донного нагрівача, блок задання швидкості змінення рівня розплаву та блок визначення фактичної швидкості змінення рівня розплаву виходами підключено до схеми зрівняння зазначених величин, а їх входи з'єднано з виходом блока задання часових інтервалів, вихід якого з’єднано з входом схеми зрівняння заданої та фактичної швидкості змінення рівня розплаву, вихід якої через коригуючий регулятор температури бічного нагрівача зв'язано з останнім, а вихід датчика рівня розплаву підключено до входу блока визначення фактичної швидкості змінення рівня розплаву. Величина дискретного переміщення кристалотримача, залежна від інерційності електроприводу, точності механічних з'єднань вузлів переміщення кристалотримача в даному пристрої не контролюється. В результаті фактична величина дискретного переміщення кристалотримача відрізняється від заданої величини на одному з входів блока дискретного переміщення кристалотримача, що приводить до похибки визначення рівня розплаву після кожного підіймання монокристала. Так як за результатами вимірювання величин рівня розплаву до та після підіймання монокристала формується управляючий сигнал для коригуючого регулятора температури донного нагрівача, то похибка при вимірюванні температури донного нагрівача збільшується, що приводить до збільшення відносних змін діаметра монокристала, знижуючи якість вирощуваних монокристалів. Найбільш близьким за технічною суттю та вибраним прототипом є пристрій для регулювання росту монокристалів (заява № 98063101 України, пр. 16.06.1998, кл. С30В15/20, ріш. про вид. пат. 21.12.1998.). Пристрій вміщує електропривод кристалотримача, датчик рівня розплаву, зв'язаний з коригуючим регулятором температури донного нагрівача та блоком управління підживленням, який з'єднано з підживлювачем та блоком задання часових інтервалів через блок їх зрівняння, датчик дискретного переміщення кристалотримача, підключений до коригуючого регулятора температури донного нагрівача, обчислювальний блок, входи якого пов'язано з датчиком рівня розплаву та блоком задання часових інтервалів, а виходи підключено до блока зрівняння часових інтервалів, до блока управління підживленням та коригуючому регулятору температури, вихід якого підключено до донного нагрівача, блок задання швидкості змінення рівня розплаву та блок визначення фактичної швидкості змінення рівня розплаву, виходами підключено до схеми зрівняння зазначених величин, а їх входи з'єднано з третім виходом блока задання часових інтервалів, вихід якого з'єднано з входом схеми зрівняння заданої та фактичної швидкості змінення рівня розплаву, вихід якої з'єднано з коригуючим регулятором температури бічного нагрівача, а вихід датчика рівня розплаву підключено до входу блока визначення фактичної швидкості змінення рівня розплаву, блок контролю величини дискретного переміщення кристалотримача, виходи якого підключено до датчика дискретного переміщення кристалотримача, обчислювальному блоку та до електроприводу кристалотримача, а його входи з'єднано з датчиком дискретного переміщення кристалотримача та обчислювальним блоком. Різні швидкозмінювані збурення, такі, наприклад, як нестабільність напруги електричної мережі, виявлятимуться на роботі існуючого пристрою при формуванні управляючих сигналів для коригуючих регуляторів, які призначені для прецизійного автоматичного регулювання відносно повільного змінення температури донного та бічного нагрівачів. Температура нагрівачів при дії збурень змінюватиметься стрибкоподібно, що приводить до збільшення відносних змінень діаметра монокристала. При цьому якість вирощених монокристалів помітно знижується. За основу винаходу поставлена задача розробити пристрій для регулювання росту монокристалів, який забезпечив би поліпшення їх якості завдяки підвищенню точності підтримання діаметра вирощуваного монокристала, а також підвищення надійності управління процесом вирощування. Вирішення задачі забезпечується тим, що в пристрої для регулювання росту монокристалів, який вміщує електропривод кристалотримача, датчик рівня розплаву, зв’язаний з коригуючим регулятором температури донного нагрівача та блоком управління підживлюванням, який з'єднано з підживлювачем та блоком задання часових інтервалів через блок їх зрівняння, датчик дискретного переміщення кристалотримача, який підключено до коригуючого регулятора температури донного нагрівача, обчислювальний блок, входи якого зв'язано з датчиком рівня розплаву та блоком задання часових інтервалів, а виходи підключено до блока зрівняння часових інтервалів, до блока управління підживленням та до коригуючого регулятора температури донного нагрівача, вихід якого підключено до донного нагрівача, блок задання швидкості змінення рівня розплаву та блок визначення фактичної швидкості змінення рівня розплаву, які виходами підключено до схеми зрівняння зазначених величин, а їх входи з'єднано з виходом блока задання часових інтервалів, вихід якого з'єднано з входом схеми зрівняння заданої та фактичної 2 43077 швидкості змінення рівня розплаву, вихід якої з'єднано з коригуючим регулятором температури бічного нагрівача, а вихід датчика рівня розплаву підключено до входу блока визначення фактичної швидкості змінення рівня розплаву, блок контролю величини дискретного переміщення кристалотримача, виходи якого підключено до датчика дискретного переміщення кристалотримача, до обчислювального блока та до електроприводу кристалотримача, а входи з'єднано з датчиком дискретного переміщення кристалотримача та обчислювальним блоком, згідно з винаходом, що в нього додатково введені два датчики потужності, два підсилювачі-суматори та два ПІД-контролера, при цьому перший датчик потужності з'єднано входом з донним нагрівачем, а виходом з інверсним входом першого підсилювача-суматора, прямий вхід якого з'єднано з коригуючим регулятором температури донного нагрівача, а вихід через перший ПІДконтролер підключено до донного нагрівача, другий датчик потужності входом з'єднано з бічним нагрівачем, а виходом з інверсним входом другого підсилювача-суматора, прямий вхід якого підключено до коригуючого регулятора температури бічного нагрівача, а вихід - через другий ПІДконтролер підключено до бічного нагрівача. Введення датчиків потужності донного та бічного нагрівачів дозволяє контролювати збурення, які швидко змінюються за напругою живлення в контурах швидкого регулювання, які мають час циклу вимірювання на ступінь менший, ніж у відносно повільно діючих контурах корекції температури нагрівачів. Введення підсилювачів-суматорів дозволяє здійснити оперативний вплив на режим роботи усієї системи при наявності збурень. Введення ПІД-контролерів з функціями передачі (Техническое описание и инструкция по эксплуатации прибора регулирующего аналогового Р133, с. 23): ö x ВИХ 1,2 (р) К П1,2 æ ç1 + Т р+ 1 ÷ , W1,2 (p) = Д1,2 x ВХ 1,2 (р) Т ДФ1,2 р+ 1 ç Т И1,2 р ÷ ø è де Хвих1,2(р), Xвх1,2(р) - зображення по Лапласу відповідно до вихідного та вхідного сигналів модулів, відображених у долях від номінального діапазону їх змінення (р - оператор Лапласу); Тдф1,2 Ти1,2, Тд1,2 - постійні часу, відповідно, демпфірування, інтегрування та диференціювання, відображені в секундах; Кп1,2 - коефіцієнт пропорційності, - дозволяє провести наладку кожного з взаємозв'язаних контурів регулювання параметрів донного та бічного нагрівачів з оптимальними для компенсації збуджень коефіцієнтами. Таким чином, введення нових елементів з їх зв'язками дозволяє забезпечити компенсацію збурень у системі управління, такої, наприклад, як нестабільність напруги мережі живлення. Це приводить до підвищення точності підтримування діаметра монокристала, який вирощується та забезпечує поліпшення якості за рахунок високої точності стабілізації температурного режиму вирощування. На кресленні (фіг.) приведено структурну схему пристрою, який пропонується, для регулювання росту монокристалів. Пристрій для регулювання росту монокристалів вміщує ростову піч 1, донний 2 та бічний 3 на грівачі, тигель 4, кільцеву порожнину 5 тиглю 4, систему підживлення, яка вміщує підживлювач 6 з транспортною трубкою 7, блок 8 управління підживленням, датчик 9 рівня розплаву, щуп 10, датчик 11 дискретного переміщення кристалотримача 12, обчислювальний блок 13, коригуючий регулятор 14 температури донного нагрівача 2, блок 15 задання часових інтервалів, блок 16 зрівняння часових інтервалів, блок 17 задання швидкості змінення рівня розплаву, блок 18 визначення фактичної швидкості змінення рівня розплаву, схему 19 зрівняння, коригуючий регулятор 20 температури бічного нагрівача З, електропривод 21 кристалотримача 12, блок 22 контролю величини дискретного переміщення кристалотримача 12. Окрім того, пристрій вміщує монокристал 23, який росте, та затравку 24, закріплену в кристалотримачі 12, який з'єднано з електроприводом 21. Пристрій також вміщує два датчики 25, 26 потужності, два підсилювачі-суматори 27, 28 та два ПІД-контролера 29, 30. Датчик 9 рівня розплаву зв'язано за допомогою щупа 10 з ростовою піччю 1. Перший та другий виходи датчика 9 рівня розплаву підключено до третіх входів, відповідно, обчислювального блока 13 та коригуючого регулятора 14, а третій і четвертий виходи - до першого входу блока 8 управління підживленням та другому входу блока 18 визначення фактичної швидкості змінення рівня розплаву. Виходи датчика 11 переміщення кристалотримача 12 підключено до перших входів блока 22 контролю величини дискретного переміщення кристалотримача 12 та коригуючого регулятора 14, другий вхід якого приєднано до першого виходу обчислювального блока 13. Виходи блока 22, відповідно, підключено до другого входу датчика 11 дискретного переміщення кристалотримача 12 та до першого входу обчислювального блока 13. Другі вхід та вихід обчислювального блока 13 підключено, відповідно, до першого виходу блока 15 задання часових інтервалів та першому входу блока 16 зрівняння часових інтервалів. Третій вихід обчислювального блока 13 підключено до другого входу блока 22. Другий вхід блока 16 зрівняння часових інтервалів підключено до другого виходу блока 15 задання часових інтервалів, а перший та другий виходи блока 16, відповідно, до входу блока 15 задання часових інтервалів та другому входу блока 8 управління підживленням, до третього входу якого підключено четвертий вихід обчислювального блока 13. Вихід блока 8 управління підживленням з'єднано через підживлювач 6 з транспортною трубкою 7. Кристалотримач 12 зв'язано з першим входом блока 11 дискретного переміщення кристалотримача 12. Вхід коригуючого регулятора 20 температури бічного нагрівача 3 підключено до виходу схеми 19 зрівняння, входи якої з'єднано з виходами блока 17 задання швидкості змінення рівня розплаву, блока 18 визначення швидкості змінення рівня розплаву та блока 15 задання часових інтервалів, третій вихід якого підключено до перших входів зазначених блоків 17 та 18. 3 43077 Входи першого та другого датчиків 25, 26 потужності з'єднано з донним та бічним нагрівачами 2, 3, а їх виходи - з інверсними входами першого та другого підсилювачів-суматорів 27, 28. Прямі входи підсилювачів-суматорів 27, 28 з'єднано з коригуючими регуляторами 14, 20 температури донного та бічного нагрівачів 2, 3. Виходи підсилювачів-суматорів 27, 28 через перший та другий ПІД-контролери 29, 30 підключено до донного та бічного нагрівачів 2, 3. У конкретному прикладі реалізації пристрою датчик 9 рівня розплаву є стандартним вузлом, який застосовується на установках типу "Рост". Датчик 11 переміщення кристалотримача являє собою перетворювач "кут-код", у якому використано кодуючий диск з прорізами. Розрішаюча здатність датчика 11 становить 5°, що відповідає переміщенню кристалотримача 12 на ~ 15 мкм. Блок 22 контролю величини дискретного переміщення кристалотримача 12 виконано на мікропроцесорі типу РІС 14000. У функції цього блока входить: завдання величини переміщення кристалотримача в мм, для датчика 11 - кількість прорізів кодуючого диска; вмикання приводу 21 кристалотримача; контроль величини фактичного переміщення кристалотримача 12 за кількістю імпульсів, які поступають з датчика 11; формування сигналу похибки в обчислювальний блок 13 для управління коригуючим регулятором 14 температури донного нагрівача 2. Датчики 25, 26 потужності виконано на елементах типу ТВБ (термоперетворювач вакуумний балонний). Підсилювачі-суматори 27, 28 виконано на мікросхемах К-140. ПІД-контролери 29, 30 побудовані на основі процесорів типу AT90S8535 з можливістю підключення дисплею та клавіатури для інтерфейсу з користувачем. За допомогою клавіатури та дисплею настроюються коефіцієнти Кп1, Кп2 - пропорційності та постійних часу Ті1, Ті2 - інтегрування, Тд1, Тд2 диференціювання, Тдф1, Тдф2 - демпфірування кожного з контурів швидкого регулювання параметрів донного та бічного нагрівачів 2, 3. У якості коригуючих регуляторів 14, 20 температури донного та бічного нагрівачів 2, 3 використано цифрові програмні регулятори (И.И. Тавровский, В.С. Суздаль, Ю.М. Епифанов, Н.И. Стрельников, Л.И. Герасимчук. Цифровой программный регулятор. - Вестник ХГПУ, вып. 80, Харьков, 2000 г. - с. 7). Діаметр циліндричного тиглю 4-400 мм, висота - 100 мм. Коаксіально верхній частині тиглю 4 розташована кільцева порожнина 5, яка має з тиглем 4 спільну стінку з отворами (а.с. СРСР № 374902, кл. В01J17/18). Висота кільцевої порожнини 5-70 мм, внутрішній діаметр - 400 мм та зовнішній діаметр - 450 мм. Потужність донного 2 та бічного 3 нагрівачів відповідно складує 10 кВт та 6 кВт. Розміри ростової камери 1 Ø950х1300 мм. Зазначений пристрій працює таким чином. Для вирощування в цьому пристрої монокристалів CsI(Na) діаметром 320 мм та висотою 600 мм в ростову камеру 1 встановлюють тигель 4, у який завантажують підсушену сировину. Далі вакуумірують обсяг ростової камери 1 та сушать сировину при відкачці з нагрівом до 500°С за 24 години. Потім підвищують температуру донного нагрівача 2 до 850°С та бічного нагрівача 3 до 820°С і розплавляють сировину в тиглі 4. Після розплавлювання сировини у тиглі 4 дотикають затравку 24 до розплаву, оплавляють її та підбирають рівноважну температуру донного нагрівача 2, при якій плавлення затравки 24 припиняється (~750°З). Витримують затравку 24 у контакті з розплавом при цій температурі за одну годину. Потім шляхом зниження температури зі швидкістю до 2°С/год радіально розрощують монокристал 23 до заданого діаметра 320 мм за 28 годин. По досягненні заданого діаметра монокристала дотикають щуп 10 датчика 9 рівня розплаву з поверхнею розплаву. Потім вмикають систему управління ростом монокристала 23. При цьому система управляє підживленням розплаву через транспортну трубку 7, переміщенням кристалотримача 12, вимірюванням рівня розплаву за допомогою щупа 10 датчика 9 рівня, корекцією теплових режимів нагрівачів 2, 3 через коригуючі регулятори 14, 20 температури. У момент корекції температур донного 2 та бічного З нагрівачів можливі різноманітні збурення, які швидко змінюються, у тому разі і нестабільності напруги живлення. Ці збурення фіксуються малоінерційними датчиками 25, 26 потужності та подаються на інверсні входи підсилювачів-суматорів 27, 28. На прямі входи цих же елементів подаються вихідні сигнали коригуючих регуляторів 14, 20 температури. Різністні сигнали підсилювачів-суматорів 27, 28 подаються на ПІД-контролери 29, 30. Коефіцієнтами Кп1, Кп2 пропорційності та постійними часу Тдф1, Тдф2, Тд1, Тд2, Ті2, Ті2 оптимізують контури швидкого регулювання для компенсації збурень у періоди, які зрівнюються з періодом коливань змінного току (Т=20 мс). Загальною умовою для даних контурів є те, що вплив на розплав при оптимальній настройці ПІДконтролерів 29, 30 та об'єкта регулювання у цілому становитиме ±0,2°С. Таким чином, у зазначеному винаході за рахунок компенсації збурень відносне відхилення діаметра монокристалів зменшується, чим забезпечується підвищення їх якості. У таблиці приведені характеристики зрівняння великогабаритних сцинтиляційних монокристалів CsI(Na) з розмірами буль Ø320х600 мм, які вирощені з використанням пристроїв прототипу та зазначеного, а також характеристики виготовлених з них детекторів. Виходячи з таблиці, зазначений пристрій у зрівнянні з прототипом, дозволяє одержати монокристали високої якості, завдяки можливості здійснення більш якісного контролю їх росту та підвищенню надійності управління процесом вирощування. 4 43077 Таблиця 1 0,7 90 2 0,7 90 3 0,6 92 Зазначений пристрій 1 2 3 0,6 0,5 0,5 93 93 93 6,3 6,3 6,2 6,1 6,2 6,2 2,8 2,7 2,7 2,9 2,9 2,9 Прототип Характеристики монокристалів Відносний відхил діаметра монокристала, Δd/d, % Товарний вихід буль, здатних для виготовлення виробів, % Власне енергетичне розрішення, Характеристики детекторів, Rс, % вирізаних з буль Світловий вихід, С, У.Е.С.В. Фіг. __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2002 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ __________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 __________________________________________________________ 5