Пристрій для регулювання росту монокристалів

Пристрій для регулювання росту монокристалів, вміщуючий електропривід 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 рівня розплаву та блоком задання часових інтерва A (54) ПРИСТРІЙ ДЛЯ РЕГУЛЮВАННЯ РОСТУ МОНОКРИСТАЛІВ 30878 сів, виробляючу послідовність імпульсів керування схемою збудження, блоки задання та порівняння 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 по швидкості 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 Японії 5071552, С30В13/28), вміщуючий нагрівач з блоком корекції його температури (ПІ або ПІД регулятор), привод переміщення кристалотримача з регульованою швидкістю по відношенню до температури цього нагрівача, блок завдання програми щодо діаметра вирощуваного монокристалу, вимірюваного телекамерою та швидкості переміщення кристалотримача, другий регулятор інтегральноінтегрального типу та суматор, виробляючий на виході в якості значень параметру регулювання лінійні суми вихідних сигналів блоку 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 II 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 приводить 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, С3ОВ15/20), вміщуючий електропривод кристалотримача, датчик рівня розплаву, зв'язаний з коригуючим регулятором (блок корекції температури розплаву) та блоком керування підпитуванням, який з'єднано з підпитувачем та блоком задання часових інтервалів через блок порівняння зазначених інтервалів, датчик дискретного переміщення кристалотримача, підімкнений 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, блоку порівняння часових інтервалів, до блоку керування підпитуванням та коригуючому регулятору, вихід якого підключено до донного нагрівача. Недоліком відомого пристрою є незадовільна якість вирощуваних монокристалів, обумовлена тим, що частота коригуючих впливів по температурі недостатня для зменшення відносних відхилень діаметра монокристалу. Є відомим пристрій для регулювання росту монокристалів (заява в Україні № 97126470 пр. 30.12.1997, С30В15/20), 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, обчислювальний блок, входи якого зв'язані з датчиком переміщення кристалотримача, датчиком рівня розплаву та блоком задання часових інтервалів, а виходи підключено до електроприводу кристалотримача, блоку порівняння часових інтервалів, до блоку керування підпитуванням та коригуючому регулятору, вихід якого підключено до донного нагрівача, блок задання швидкості зміни рівня розплаву та блок визначення фактичної швидкості зміни рівня розплаву, виходами підімкнуто до схеми порівняння зазначених величин, а їх входи з'єднано з виходом блоку задання часових інтервалів, вихід якого з'єднано з входом схеми порівняння заданої та фактичної швидкості зміни рівня розплаву, вихід якої через блок корекції температури бічного нагрівача зв’язано з останнім, а вихід датчика рівня розплаву підключено до входу блоку визначення фактичної швидкості зміни рівня розплаву. Величина дискретного переміщення кристалотримача, залежна від інерційності електроприводу, точності механічних з'єднань вузлів переміщення кристалотримача в данному 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 підйому монокристала. Т.я. по результатам вимірювання величин рівня розплаву до та після підйому монокристала формується керуючий сигнал для коригуючого регулятора температури донного нагрівача, то похибка у вимірюванні температури донного нагрівача збільшується, що приводить до збільшення відносних змін діаметру монокристала, знижуючи якість вирощуємих монокристалів. Даний пристрій вибрано нами за прототип. В основу винаходу поставлена задача розробки пристрою для регулювання росту монокристалів, яке забезпечуватиме поліпшення якості монокристалів, за рахунок підвищення точності підтримки діаметру зрощуваного кристала за рахунок підвищення точності контролю дискретного переміщення кристалотримача, а також підвищення надійності керування зрощуванням за рахунок введення елементів, які контролюють швидкість змінювання рівня розплаву. Рішення задачі забезпечується тим, що в пристрої регулювання ростом монокристалів, вміщуючий електропривод кристалотримача, датчик рівня, розплава, зв'язаний з коригуючим регулятором та блоком керування підпитуванням, який з'єднано 2 30878 з підпитувачем та блоком задання часових інтервалів через блок їх порівняння, датчик дискретного переміщення кристалотримача, підімкнутий до коригуючого регулятора, обчислювальний блок, входи якого зв'язані з датчиком рівня розплаву та блоком завдання часових інтервалів, а виходи підключено до блоку порівняння часових інтервалів, до блоку керування підпитуванням та коригуючому регулятору, вихід якого підключено до донного нагрівача, блок задання швидкості зміни рівня розплаву та блок визначення фактичної швидкості зміни рівня розплаву, виходами підімкнуто до схеми порівняння зазначених величин, а їх входи з'єднано з виходом блоку задання часових інтервалів, вихід якого з'єднано зі входом схеми порівняння заданої та фактичної швидкості змінення рівня розплаву, вихід якої через блок корегування температури бічного нагрівача зв'язаний з останнім, а вихід датчика рівня розплаву підключено до входу блока визначення фактичної швидкості змінення рівня розплаву, згідно винаходу, до нього додатково введено блок контролю величини дискретного переміщення кристалотримача, виходи якого підімкнуті до датчика дискретного переміщення кристалотримача, електроприводу кристалотримача, обчислювальному блоку, а його входи з'єднані з датчиком дискретного переміщення кристалотримача та обчислювальним блоком. Уведення блока 19 контролю величини дискретного переміщення кристалотримача з його зв'язками дозволяє більш точно задавати дискретне переміщення кристалотримача по входу датчика 8 і контролювати величину "фактичного" переміщення електроприводу 18 по виходу цього датчика, підімкнутого до блоку 19. Похибка між заданим значенням величини переміщення та фактичним обробляється в обчислю вальному блоці 10 та коригуючому регуляторі 11 при формуванні керуючих впливів на донний нагрівач 2а, забезпечуючи тим самим зниження відносних відхилень діаметра зрощуваного монокристалу, а отже, і його якість. На фігурі представлено структурну схему пристрою, для регулювання росту монокристалів. У таблиці приведено порівняльні характеристики трьох монокристалі, вирощених на пропонуємому пристрої та пристрої-прототипі. Пристрій для регулювання росту монокристалів вміщує ростову піч 1, донний 2а та боковинний 2б нагрівачі, тигель 3, кільцеву порожнину 3а тиглю 3, систему підпитування, вміщуючу 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, електропривід 18 кристалотримача 9, блок 19 контролю величини дискретного переміщення кристалотримача. Крім того, на фігурі зображено вирощуваний монокристал 20 та затравку 21, закріплену в кристалотримачеві 9, з'єднаному з електроприводом 18. Датчик 7 рівня розплаву зв'язаний через щуп з ростовою піччю 1. Перший та другий виходи датчика 7 рівня розплаву підключено до третіх виходів, відповідно, обчислювального блоку 10 та коригуючого регулятора 11, а третій та четвертий виходи - до першого входу блоку 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 блоку 19 контролю величини дискретного переміщення кристалотримача 9 та коригуючого регулятора 11, другий вхід якого з'єднано з першим виходом обчислювального блоку 10. Виходи блоку 19 відповідно підключені до другого входу датчика 8 дискретного переміщення кристалотримача 9, електроприводу 18 кристалотримача 9 та до першого входу обчислювального блока 10. Другі вхід та вихід обчислювального блоку 10 підключені відповідно до першого виходу блока 12 задання часових інтервалів та першого входу блоку 13 порівняння часових інтервалів. Третій вихід обчислювального блоку 10 підключено до другого входу блока 19. Другий вхід блоку 13 порівняння часових інтервалів підключено до другого виходу блоку 12 порівняння часових інтервалів, а перший та другий виходи - відповідно до входу блоку 12 задання часових інтервалів та до другого входу блоку 6 керування підпитуванням, до третього входу якого підключено четвертий вихід обчислювального блоку 10. Вихід блока 6 керування підпитуванням з'єднано з підпитувачем 4. Кристалотримач 9 зв'язано з першим входом блоку 8 дискретного переміщення кристалотримача 9. Вихід коригуючого регулятора 11 з'єднано з донним нагрівачем 2а. Бічний нагрівач 2б підключено до виходу блоку 17 корекції температури бічного нагрівача, вхід якого підключено до виходу схеми 16 порівння, вхід якої з'єднано з виходами блоку 14 задання швидкості зміни рівня розплаву, блоку 15 визначення фактичної швидкості зміни рівня розплаву та блоку 12 задання часових інтервалів, третій вихід якого підключено до перших входів зазначених блоків 14 і 15. У конкретному прикладі реалізації пристрою датчик 7 рівня розплаву є стандартним вузлом, що використовується на установках типу "Рост". Датчик 8 переміщення кристалотримача являє собою перетворювач "кут-код", в якому використано кодуючий диск з прорізами. Розрішаюча здібність датчика 8 становить 5°, що відповідає переміщенню кристалотримача на ~ 15 мкм. Блок 19 контролю величини дискретного переміщення кристалотримача 9 здійснено на мікропроцесорі РІС 14000. До функцій цього блоку входить: задання величини переміщення кристалотримача в мм, для датчика 8 - кількість прорізів кодуючого диску; вмикання приводу 18 кристалотримача; контроль величин фактичного переміщення кристалотримача 9 по числу імпульсів, поступаючих з датчика 8; формування сигналу похибки в обчислювальний блок 10, для керування коригуючим регулятором 11 донного нагрівача 2а. 3 30878 Крім того, задавали: Dhk - величину переміщення кристалотримача в блоці 19 дискретного переміщення кристалотримача 9; у конкретному прикладі Dhk=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 блоку 10, перший вхід блоку 6 керування підпитуванням, третій вхід коригуючого регулятора 11 і другий вхід блоку 15 визначення фактичної швидкості рівня розплаву. Після включення в роботу обчислювального блоку 10 та блоку 12 задання часових інтервалів, з першого виходу якого сигнали задання надходять до другого входу обчислювального блоку 10, починається відрахунок часу Dt0, по спливанні якого подається сигнал на блок 19 контролю величини дискретного переміщення кристалотримача, а потім на електропривід 18 для переміщення кристалотримача 9 вгору на величину Dhk та водночас з першого виходу обчислювального блоку 10 на другий 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. Одночасно з третього вихода обчислювального блока 10 подається сигнал на другий вхід блока 19 контролю величини дискретного переміщення кристалотримача 9. З першого та другого виходів блока 19 на другий вхід датчика 8 та на електропривід 18 відповідно, надходить команда на підйом кристалотримача 9, а значить, й переміщення монокристалу 20 на величину Dhk=1 мм за час Dt1=2 с. Після підйому кристалотримача 9 на перший вхід блока 19 поступає цифрова інформація про фактичне переміщення Dhk кристалотримача 9. Різниця між заданим значенням величини переміщення Dh’k кристалотримача та Dh’k відрізняється від Dh’k із-за інерційності електропривода 18 переміщення кристалотримача, точності механікних з'єднань вузлів переміщення кристалотримача, поступає з третього виходу блока 19 на перший вхід обчислювального блоку 10. Ця величина [Dh’k-Dh’k], після обробки в обчислювальному блоці 10, з другого вихода цього блоку поступає на другий вхід коригуючого регулятора 11, в якому здійснюється порівняння різниці між рівнем розплаву до витягування (h1) та реальним (h2) з сигналом задання (Dh0). Сигнал про початок зрівняння різниці рівней розплава поступає з другого виходу датчика 8 дискретного переміщення кристалотримача після вмикання переміщення електроприводу 18 кристалотримача 9. У коригуючому регуляторі 11 виконується кінцева корекція різниці рівней розплаву з рахунком похибки по переміщенню кристалотримача 9, яка у визначенні реального рівня h2 розплаву після витягування монокристала 20 становлює h’2=h2-[DhkDh’2]. Тоді при Dhk-Dh’2Dh0 - підвищується. Через час Dt1+Dt2(2 с+2 хв. 58 с) з першого виходу обчислювального блоку 10 на другий вхід коригуючого регулятора 11 видається сигнал на припинення порівння, а по ланцюгу: четвертий вихід обчислювального блоку 10 - третій вхід блоку 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 підпитування може відрізнятись від його заданого значення Dt3. Тому з другого виходу обчислювального блоку 10 на перший вхід блоку 13 порівння часових інтервалів видається сигнал для порівняння часових інтервалів фактичних значень Dt’3 з заданими Dt3. У випадку Dt’3>Dt3 з першого виходу блоку 13 порівняння часових інтервалів на другий вхід блоку 6 керування підпитуванням надходить сигнал інтенсифікації підпитування, а з другого виходу блоку 13 на вхід блоку 12 задання часових інтервалів надходить сигнал корекції часу Dt4. При цьому з першого виходу блоку 12 задання часових інтервалів на другий вхід обчислювального блоку 10 надходить сигнал для збереження загального часу циклу Dt0. За досягненням заданого (на четвертий вхід блоку 6 керування підпитуванням) рівня h3 розплаву в тиглі 3, з третього виходу-датчика 7 рівня розплаву на перший вхід блоку 6 керування підпитуванням надходить сигнал на відключення підпитування. В цей же час з першого виходу датчика 7 рівня розплаву на третій вхід обчислювального блоку 10 надходить сигнал на включення відрахунку часу Dt4. З моменту початка відрахунку часу Dt4 па другий вхід блоку 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 блоку 14 задання швидкості зміни рівня розплаву та блоку 15 визначення фактичної швидкості зміни рівня розплаву, в якому й визначається фактична швидкість зміни рівня розплаву: Таблиця 1 1,0 2 0,9 3 0,8 Пристрій, що пропонується 1 2 3 0,6 0,5 0,5 80 85 90 96 97 96 6,5 6,3 6,2 6,1 6,2 6,2 2,5 2,6 2,7 2,9 2,9 2,9 Прототип Характеристики монокристалів Відносне відхилення діаметра монокристалу, Dd/d, % Товарний вихід буль, придатних для виготовлення виробів, % Власне розділення, Rс, % Характеристики детектоСвітловий вихід, С, рів, вирізаних з буль У.Е.С.В. 5 30878 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 35 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 6