Пристрій для регулювання росту монокристалів

Пристрій для регулювання росту монокристалів, вміщуючий електропривод кристалотримача, датчик рівня розплаву, зв'язаний з коригуючим регулятором та блоком керування підпитуванням, який з'єднано з підпитувачем та блоком задання часових інтервалів через блок їх порівняння, датчик дискретного переміщення кристалотримача, підключений до коригуючого регулятора, обчислю 29080 часових інтервалів, операційну схему керування, блок корекції температури нагрівача. Недоліком відомого винаходу є те, що здійснюється корекція тільки швидкості витягування монокристалу. Діаметр монокристалу та рівень розплаву не контролюються. Зворотній зв'язок за швидкістю витягування, діаметру або рівню розплаву для зміни температури нагрівача відсутній. Ці недоліки не дозволяють забезпечити точне витримування діаметра, тобто і необхідну якість вирощуваних монокристалів. Є відомим пристрій для регулювання діаметра вирощуваного монокристалу (пат. Японії № 5071552, С30В13/28), який вміщує нагрівач з блоком корекції його температури (ПІ або ПІД регулятор), привод переміщення кристалотримача з регульованою швидкістю по відношенню до температури цього нагрівача, блок задання програми щодо діаметра вирощуваного монокристалу, вимірюваного телекамерою та швидкості переміщення кристалотримача, другий регулятор інтегральноінтегрального типу та суматор, виробляючий на виході як значення параметру регулювання лінійні суми вихідних си гналів блока задання програми, а також першого і другого регуляторів. Недоліком зазначеного винаходу є надмірне ускладнення системи керування при формуванні керуючих впливів на нагрівач (наявність двох регуляторів ПІД та ІІ типу), а також залежність швидкості переміщення кристалотримача та тигля по відношенню до потужності цього нагрівача. При найменших порушеннях цих співвідношень з'являються стрибкоподібні зміни рівня розплаву, виникають похибки у визначенні фокусної відстані між телевізійною камерою та розплавом. Це призводить до похибок у вимірюванні діаметра монокристалу, який виростає, тобто до збільшення коливань заданого значення цього параметру регулювання. Крім того, вирощування монокристалів великого діаметра (більше 300 мм) робить складною проблему одержання його чіткого зображення, а відсутність підпитування не дозволяє вирощувати великогабаритні монокристали. Отже, використання цього винаходу не дозволяє забезпечити необхідну якість вирощуваних монокристалів. Є відомим пристрій для регулювання росту монокристалів (пат. РФ № 1122014, С30В15/20), який вміщує електропривод кристалотримача, датчик рівня розплаву, зв'язаний з коригуючим регулятором (блок корекції температури розплаву) та блоком керування підпитуванням, котрий з'єднано з підпитувачем та блоком задання часових інтервалів через блок порівняння зазначених інтервалів, датчик дискретного переміщення кристалотримача, підключений до коригуючого регулятора, обчислювальний блок, входи якого зв'язані з датчиком переміщення кристалотримача, датчиком рівня розплаву та блоком задання часових інтервалів, а виходи підключені до електроприводу кристалотримача, блока порівняння часових інтервалів, до блока керування підпитуванням та коригуючому регулятор у, вихід якого підключено до донного нагрівача. Недоліком відомого пристрою є незадовільна якість вирощуваних монокристалів, обумовлена тим, що частота коригуючих впливів за температурою недостатня для зменшення відносних відхилень діаметра монокристалу. Цей пристрій обрано як прототип. В основу винаходу поставлено завдання розробки пристрою для регулювання росту монокристалів, яке забезпечило б покращення якості монокристалів за рахунок підвищення точності витримування діаметра монокристалу, що виростає, шляхом підвищення частоти керуючих впливів у заданому часовому циклі, а також підвищення надійності керування вирощуванням за рахунок введення елементів, контролюючих швидкість зміни рівня розплаву. Вирішення завдання забезпечується тим, що в пристрої для регулювання росту монокристалів, який вміщує електропривод кристалотримача, датчик рівня розплаву, зв'язаний з коригуючим регулятором та блоком керування підпитуванням, який з'єднано з підпитувачем та блоком задання часових інтервалів через блок їх порівняння, датчик дискретного переміщення кристалотримача, підключений до коригуючого регулятора, обчислювальний блок, входи .якого зв'язані з датчиком переміщення кристалотримача, датчиком рівня розплаву та блоком задання часових інтервалів, а виходи підключено до електроприводу кристалотримача, блока порівняння часових інтервалів, до блока керування підпитуванням та коригуючому регулятору, ви хід якого підключено до донного нагрівача, згідно з винаходом, до нього додатково введено блок задання швидкості зміни рівня розплаву та блок визначення фактичної швидкості зміни рівня розплаву, причому блоки заданої та фактичної швидкості зміни рівня розплаву ви ходами підключено до схеми порівняння зазначених величин, а їх входи з'єднано з третім виходом блока задання часових інтервалів, четвертий вихід якого з'єднано з третім входом схеми порівняння заданої та фактичної швидкості зміни рівня розплаву, ви хід якої через блок корекції температури бічного нагрівачає звязано з останнім, а четвертий вихід датчика рівня розплаву підключено до другого входу блока визначення фактичної швидкості зміни рівня розплаву. Введення блоків 14 и 15 заданої (vз) і фактичної (vф ) швидкостей зміни рівня (h) розплаву та схеми 16 порівняння значень цих швидкостей з їх зв'язками дозволяє шляхом диференціювання значень h, які вимірюються датчиком рівня не тільки в період часу, впродовж котрого здійснюється вимірювання й порівняння рівнів розплаву та дається корекція на зміну температури донного нагрівача (Dt2) як у прототипі, але впродовж всього циклу (Dt0) використовувати різницевий сигнал Dv для керуючих впливів на процес вирощування, включаючи час витримування після підпитування (Dt4), протягом якого здійснюється зростання монокристалу (фіг. 2), забезпечуючи тим самим зниження відносних відхилень діаметра монокристалу, що виростає, а, о тже, і його якість. Введення блока 17 корекції температури дозволяє прецизійно регулювати температуру бічного нагрівача, тобто і температур у розплаву на межі розділу фаз. В свою чергу, це призводить до зменшення відносних змін діаметра монокристалу, а, 2 29080 отже, до поліпшення якості вирощуваних монокристалів. На фіг. 1 представлено структурну схему пристрою, який пропонується для регулювання росту монокристалів. На фіг. 2 приведено часову залежність фактичної зміни рівня розплаву та формування коригуючих впливів в процесі вирощування монокристалів. В таблиці приведено порівняльні характеристики трьох монокристалів, вирощених на запропонованому пристрої та пристрої-прототипі. Пристрій для регулювання росту монокристалів (фіг. 1) вміщує ростову піч 1, донний 2а та боковинний 2б нагрівачі, тигель 3, кільцеву порожнину 3а тиглю 3, систему підпитування, яка вміщує підпитувач 4 з транспортною трубкою 5, блок 6 керування підпитуванням, датчик 7 рівня розплаву, датчик 8 дискретного переміщення кристалотримача 9, обчислювальний блок 10, коригуючий регулятор 11, блок 12 задання часових інтервалів, блок 13 порівняння інтервалів, блок 14 задання швидкості зміни рівня розплаву, блок 15 визначення фактичної швидкості зміни рівня розплаву, схему 16 порівняння, блок 17 корекції температури бічного нагрівача, електропривод 18 кристалотримача 9. Крім того, на фіг. 1 зображено вирощуваний монокристал 19 та затравку 20, укріплену в кристалотримачі 9, з'єднаному з електроприводом 18. Датчик 7 рівня розплаву зв'язаний через щуп з ростовою піччю 1. Перший та другий виходи датчика 1 рівня розплаву підключено до третіх ви ходів, відповідно, обчислювального блока 10 та коригуючого регулятора 11, а третій та четвертий виходи - до першого входу блока 6 керування підпитуванням і до другого входу блока 15 визначення фактичної швидкості зміни рівня розплаву. Виходи датчика 8 переміщення кристалотримача 9 підключено до перших входів обчислювального блока 10 та коригуючого регулятора 11, другий вхід якого з'єднано з першим виходом обчислювального блока 10. Другі вхід та ви хід обчислювального блока 10 підключено, відповідно, до першого виходу блока 12 задання часових інтервалів та першого входу блока 13 порівняння часових інтервалів. Другий вхід блока 13 порівняння часових інтервалів підключено до другого виходу блока 12 порівняння часових інтервалів, а перший та другий виходи – відповідно, до входу блока 12 задання часових інтервалів та до другого входу блока 6 керування підпитуванням, до третього входу якого підключено четвертий вихід обчислювального блока 10. Вихід блока 6 керування підпитуванням з'єднано з підпитувачем 4. Третій вихід обчислювального блока 10 з'єднано з електроприводом 18 кристалотримача 9, який зв'язано з входом блока 8 дискретного переміщення кристалотримача 9. Вихід коригуючого регулятора 11 з'єднано з донним нагрівачем 2а. Бічний нагрівач 26 підключено до виходу блока 17 корекції температури бічного нагрівача, вхід якого підключено до виходу схеми 16 порівняння, вхід якої з'єднано з виходами блока 14 задання швидкості зміни рівня розплаву, блока 15 визна чення фактичної швидкості зміни рівня розплаву та блока 12 задання часових інтервалів, третій вихід якого підключено до перших входів зазначених блоків 14 і 15. В конкретному прикладі реалізації пристрою датчик 7 рівня розплаву є стандартним вузлом, що використовується на установках типу "Рост". Діаметр циліндричного тигля 3-400 мм, висота - 100 мм. Коаксіально верхній частині тигля 3 розташовано кільцеву порожнину 3а, яка має з тиглем 3 спільну стінку з отворами (а. с. СРСР № 374902, В01J17/18). Висота кільцевої порожнини 3а - 70 мм, внутрішній діаметр - 400 мм та зовнішній діаметр - 450 мм. Потужності донного 2а та боковинного 2б нагрівачів складають по 6 кВт. Розміри ростової камери 1: Ø 950x1300 мм. Для вирощування в цьому пристрої монокристалів натрію іодистого, активованого талієм, діаметром 320 мм та висотою 600 мм у ростову камеру 1 встановлювали тигель 3, в який завантажували 27 кг натрію іодистого, а у підпитувач 4 завантажували посушену сіль натрію іодистого в кількості 160 кг з рівномірним перемішуванням іодистим талієм у кількості 1,6 кг. Далі вакуум ували об'єм ростової камери 1 та висушували сировину при відкачці з нагріванням до 500°С протягом 24 годин. Потім підвищували температуру донного нагрівача 2а до 850°С та боковинного нагрівача 2б до 820°С і розплавляли сировину в тиглі 3. Після розплавлювання сировини в тиглі дотикали затравку 20 до розплаву, оплавлювали її та підбирали рівноважну температуру донного нагрівача 2а, при якій плавлення затравки 20 припинялось (700°С). Витримували затравку 20 в контакті з розплавом при цій температурі протягом однієї години. Потім шляхом зниження температури із швидкістю до 2°С/год радіально розрощували монокристал 19 до заданого діаметра 320 мм протягом 28 год. По досягненні заданого діаметра монокристалу 19 торкали щуп датчика 7 рівня розплаву поверхні розплаву; висота стовпа розплаву в тиглі 3 складала при цьому 80 мм. Потім вмикали всю систему автоматизованого керування ростом монокристалу 19. При цьому в блоці 12 задання часових інтервалів задавали такі параметри: Dt1 - час дискретного витягування монокристалу 19 на величину Dhк ; у конкретному прикладі Dt1=2с; Dt2 - час, протягом якого здійснюється вимірювання й порівняння рівнів розплаву та дається корекція на зміну температури донного нагрівача 2а; в конкретному прикладі Dt2=2 хв 58 с; Dt3 - час підпитування; в конкретному прикладі Dt3=5 хв; Dt4 - час витримування підпитування, протягом якого з частотою 1/Dt здійснюється вимірювання фактичної швидкості (vф ) зміни рівня розплаву, порівняння з заданою швидкістю (vp2) та дається корекція на зміну температури боковинного нагрівача 2б; в конкретному прикладі Dt4=7 хв; Dt - інтервали часу вимірювання фактичної швидкості (vф ) зміни рівня розплаву в блоці 15 за сигналом з датчика 7; 3 29080 Dt0 - загальний час циклу (Dt 0=Dt 1+Dt 2+Dt3+Dt4), який визначає середню швидкість росту монокристалу vp1=Dhк /Dt0 за рахунок дискретного його витягування на висоту Dhк . В конкретному прикладі vр1=4 мм/год, тобто дискретне витягування монокристалу на висоту Dhк =1 мм здійснюється через кожні 15 хв. А також задавали (див. фіг. 2): Dh0 - різницю між значенням (h1) рівня розплаву до підйому монокристалу та після підйому (h2) в блоці 11 коригуючого регулятора; h3 - рівень розплаву в тиглі в блоці 6 керування підпитуванням. Крім того, задавали: Dhк - величину переміщення кристалотримача в датчику 8 дискретного переміщення кристалотримача 9; в конкретному прикладі Dhк =1 мм; vp2 - величину середньої швидкості росту монокристалу за рахунок падіння рівня розплаву в блоці 14 задання швидкості зміни рівня розплаву. Датчик 7 рівня розплаву неперервно видає інформацію про положення рівня розплаву на третій вхід обчислювального блока 10, перший вхід блока 6 керування підпитуванням, третій вхід коригуючого регулятора 11 і другий вхід блока 15 визначення фактичної швидкості рівня розплаву. Після включення в роботу обчислювального блока 10 і блока 12 задання часових інтервалів, з першого виходу якого сигнали задання надходять до другого входу обчислювального блока 10, починається відрахунок часу Dt0, по спливанні якого з третього виходу обчислювального блока 10 подається сигнал на електропривод 18 для переміщення кристалотримача 9 вгору на величину Dhк та водночас з першого виходу обчислювального блока 10 на другій вхід коригуючого регулятора 11 надходить сигнал для запам'ятовування реального значення рівня h1, вимірювана величина якого надходить з другого виходу датчика 7 рівня розплаву на третій вхід коригуючого регулятора 11, тобто значення положення рівня розплаву до підйому кристалотримача 9. Підйом кристалотримача 9, отже, і переміщення монокристалу 19 на величину Dhк =1 мм за час Dt1=2 с здійснюється по ланцюгу: перший вихід датчика 8 дискретного переміщення - перший вхід обчислювального блока 10 - третій вихід обчислювального блока 10 - вхід електроприводу 18 кристалотримача 9. Водночас з другого ви ходу да тчика 8 дискретного переміщення кристалотримача на перший вхід коригуючого регулятора 11 надходить сигнал, який дозволяє порівняння різниці між запам'ятованим рівнем розплаву до витягування (h1) та реальним рівнем розплаву після витягування (h2), який надійшов з другого виходу датчика 7 рівня розплаву на третій вхід коригуючого регулятора 11, з сигналом задання (Dh0) на четвертому вході коригуючого регулятора 11. За результатами порівняння з виходу коригуючого регулятора 11 видається сигнал на зміну температури донного нагрівача 2а (фіг. 2). При Dh=h1-h2Dh0 - підвищується. Через час Dt1+Dt 2 (2 с+2 хв 58 с) з першого виходу обчислювального блока 10 на другий вхід ко ригуючого регулятора 11 видається сигнал на припинення порівняння, а по ланцюгу: че твертий ви хід обчислювального блока 10 - третій вхід блока 6 керування підпитуванням видається сигнал на підпитувач 4 і здійснюється підпитування розплаву вихідною сировиною, яка з підпитувача 4 по транспортній трубці 5 надходить у кільцеву порожнину 3а тигля 3, розплавлюється тут за рахунок зміни потужності бічного нагрівача 2б і далі стікає у тигель 3. Фактичний час Dt'3 (І і ІІ штрихові лінії на фіг. 2) підпитування може відрізнятись від його заданого значення Dt3. Тому з другого ви ходу обчислювального блока 10 на перший вхід блока 13 порівняння часових інтервалів видається сигнал для порівняння часових інтервалів фактичних значень Dt'3 з заданими Dt3. У випадку Dt' 3>Dt 3 з першого виходу блока 13 порівняння часових інтервалів на другий вхід блока 6 керування підпитуванням надходить сигнал інтенсифікації підпитування, а з другого виходу блока 13 на вхід блока 12 задання часових інтервалів надходить сигнал корекції часу Dt 4. При цьому з першого виходу блока 12 задання часових інтервалів на другий вхід обчислювального блока 10 надходить сигнал для збереження загального часу циклу Dt0 . За досягненням заданого (на четвертий вхід блока 6 керування підпитуванням) рівня h3 розплаву в тиглі 3, з третього ви ходу датчика 7 рівня розплаву на перший вхід блока 6 керування підпитуванням надходить сигнал на відключення підпитування. В цей же час з першого виходу датчика 1 рівня розплаву на третій вхід обчислювального блока 10 надходить сигнал на включення відрахунку часу Dt 4. З моменту початку відрахунку часу Dt4 на др угий вхід блока 15 визначення фактичної швидкості зміни рівня розплаву неперервно надходить інформація про положення рівня розплаву в процесі росту монокристалу з четвертого виходу датчика 7 рівня розплаву. Через інтервали часу Dt, які задаються в блоці 12 задання часових інтервалів, сигнали з його третього виходу надходять на перші входи блока 14 задання швидкості зміни рівня розплаву та блока 15 визначення фактичної швидкості зміни рівня розплаву, в якому й визначається фактична швидкість зміни рівня розплаву: v'ф =dh1/Dt, v"ф =dh2 /Dt, … , vnф =dhn /Dt, де dh1=h12-h11 , dh2=h13-h12, ..., dh n=h1(n+1)-h1n (фіг. 2). Вимірювані значення фактичної швидкості зміни рівня розплаву в блоці 15 порівнюються з заданою vp2 (позначена крапками на фіг. 2) в блоці 14 по першому та другому входах схеми 16 порівняння. Через проміжки часу Dt, що задаються, на третій вхід схеми 16 порівняння з четвертого виходу блока 12 задання часових інтервалів надходять сигнали, які дозволяють включення блока 17 корекції температури бічного нагрівача 2б (фіг. 2). При цьому, якщо vp2-vф 0 - знижується. У випадку vp2-vф »0 додатковий коригуючий вплив відсутній. 4 29080 Коригуючий вплив за температурою в період Dt0 (загального циклу) тільки на донний нагрівач 2а (як у прототипі) складає, як правило, ±(1¸2°С). Вплив на розплав же за рахунок інерційності об'єкту в 1,5-2 рази менший, тобто складає лише 0,5¸1,0°C, що визначає слабко затухаючий характер зміни регульованої величини (фіг. 2, штрихпунктирна лінія). Коригуючий вплив додатково на бічний нагрівач 2б дозволяє здійснити прецизійне керування температурою розплаву за зміни величин dh1¸dhn, та, відповідно, різниці між заданою vp2 та фактичною vф швидкостями зміни рівня розплаву (фіг. 2, пунктирна лінія). Оскільки після кожного керуючого впливу величина dhn зменшується, величина наступного (n+1)-го керуючого впливу також зменшується, чим забезпечується впродовж періоду Dt4 пропорційне керування: Загальною умовою є те, що додаткова корекція температури бічного нагрівача 2б у проміжках часу Dt 4 буде знаходитись в межах ±(0,5¸1,0°С), а впливу на розплав з причини інерційності об'єкту регулювання буде складати ±(0,25¸0,5°С). Таким чином, у винаході, що пропонується, відносне відхилення діаметра монокристалів зменшується, чим забезпечується підвищення їх якості. Через час Dt4 включається витягування кристалу і цикл повторюється. В таблиці наведено характеристики великогабаритних сцинтиляційних монокристалів CsJ(Na) з розмірами булі Æ 320x600 мм, вирощених з використанням пристроїв прототипу та запропонованого, а також характеристики виготовлених з них детекторів. Як видно з таблиці, винахід, що пропонується, у порівнянні з прототипом дозволяє одержати монокристали високої якості завдяки можливості здійснення більш якісного контролю їх росту. Vупр=K×dhn, де К - коефіцієнт пропорційності (К=0,1¸1,0) визначено експериментально). Таблиця Характеристики монокристалів Відносне відхилення діаметра монокристалу, Dd/d, % Товарний вихід буль, придатних для виготовлення виробів, % Характеристики Власне розділення, Rc, % детекторів, виріСвітловий вихід, С, У.Е.С.В. зані з буль 1 Прототип 2 3 1,0 0,9 0,8 0,7 0,5 0,6 80 85 90 92 95 93 6,5 6,3 6,2 5,9 6,0 6,0 2,5 2,6 2,7 2,8 2,8 2,8 Фіг. 1 5 Пристрій, що пропонується 1 2 3 29080 Фіг. 2 __________________________________________________________ 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 34 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 6