[發明專利]集成式可編程晶體生長控制系統

無效

• 申請號: 200710017150.3
• 申請日: 2007-09-18
• 公開（公告）號: CN101220503A
• 公開（公告）日: 2008-07-16
• 發明（設計）人: 張曉陽;黃柏標;秦曉燕;段愛東
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: C30B15/20
• 分類號: C30B15/20;C30B15/30
• 代理公司: 濟南圣達專利商標事務所
• 代理人: 王書剛

技術領域

本發明涉及一種集成式可編成晶體生長控制系統，屬于晶體生長技術領域。

背景技術

現在傳統的晶體生長控制系統，一般采用通用控溫系統來控制晶體生長溫度，通用控溫系統控制溫度量程大，相對精度小。以通用的FP23為例，當控制量程為0~100℃時，控制精度為0.01℃，這對于每天降溫0.1℃左右的晶體生長控溫要求，要達到均衡的降溫，其控溫精度顯然不足。

晶體的生長過程除需精確控溫外，還要控制晶體按一定規律轉動，對于某些高溫生長晶體，還要按一定的速度往上提拉。現在對于晶體的轉動一般采用交流可逆電機驅動，電機不可調速，如果晶體生長只需不間斷單向旋轉，就直接接到交流電源上，如晶體生長過程要切換轉動方向，則需要增加一套反向器，由于低速可逆電機為齒輪減速電機，長期運行時電機本身產生的高溫可能使電機的齒輪間隙發生變化，造成齒輪卡住、電機停轉故障，雖然發生這種情況的概率不大，但發生這種情況沒有及時發現很可能造成晶體生長失敗。晶體生長的周期長達數月，所以驅動晶體轉動電機的可靠性極其重要，對于要提拉生長的晶體，還要增加一套由步進電機驅動的機械提拉裝置及相應的驅動控制組件。

對于高溫熱熔性晶體的生長，籽晶固定到籽晶桿上放入生長爐后，就無法直接觀察到晶體的生長情況，對于晶體是否正常生長、生長的速率是否正常均無法知道，導致發生出爐時晶體重量小、甚至因籽晶早期脫落沒有晶體的情況。

發明內容

本發明針對現有晶體生長過程中溫度、速度等控制技術的不足，提供一種集溫度及其升降速率控制，電機轉向、轉速及轉動時間控制并能夠確認晶體生長情況的集成式可編程晶體生長控制系統。該控制系統集可編程控制升、降溫速率的溫度PID調整控制和步進電機驅動控制于一體，籽晶桿步進電機的轉向、轉速、轉動時間及提拉步進電機的轉速均可通過編程控制，并提供稱量傳感器輸入接口，在籽晶桿步進電機停轉時讀出稱量傳感器的稱重值，以確認晶體生長情況。

本發明的集成式可編程晶體生長控制系統包括溫度傳感器、雙路信號切換開關、A/D轉換器、微處理器、加熱器、籽晶桿轉動步進電機驅動器、晶體提拉步進電機驅動器、稱重傳感器和稱重傳感器放大電路；溫度傳感器通過前置放大器和雙路信號切換開關與A/D轉換器連接；稱重傳感器通過稱重傳感器放大電路和雙路信號切換開關也與A/D轉換器連接；A/D轉換器與微處理器連接；至少有兩路加熱器，每路都是通過晶閘管開關和晶閘管觸發驅動器與微處理器連接；籽晶桿轉動步進電機通過斬波恒流步進電機細分驅動器與微處理器連接，晶體提拉步進電機的驅動器直接與微處理器連接。

溫度傳感器和加熱器安裝在晶體生長裝置中，稱重傳感器安裝在籽晶桿上，晶體生長越大，籽晶桿就會越重。溫度傳感器的測量信號經前置放大器放大后，通過雙路信號切換開關輸入到A/D轉換器，轉化為數字信號后輸入到微處理器中，微處理器根據輸入的溫度信號，對加熱器的加熱功率進行數值比例積分微分(PID)控制調節。前置放大器的測量范圍限制為晶體生長過程溫度調整的最大變化范圍，以最大限度提高測溫分辨率，從而提高控溫精度。溫度控制的加熱輸出至少分為二路，可分別控制二個或二個以上的加熱器，各路加熱可分別編程控制最大輸出比例(相當于調整各路加熱的輸出功率)。加熱輸出功率的調整采用改變晶閘管觸發角的方法，在交流過零后延時觸發大功率晶閘管開關，延時時間根據PID(數值比例積分微分)控制法計算得出。

本控制系統通過鍵盤輸入編程，通過顯示器顯示設定溫度、實際溫度、籽晶桿總重量、加熱輸出狀態、電機轉動狀態等工作狀態信號。根據晶體生長溫度變化速率低的特點，溫度控制編程時，最大時間輸入設為9999小時，解決通用可編程控制器時間輸入范圍小、同樣降溫速率需要重復輸入的問題，減少編程步驟，簡化控制器的操作。對于提拉步進電機，可編程電機的運行時間和運行速度。對籽晶桿轉動步進電機，編程項目包括電機的轉動轉速、轉動方向、加速時間、運行時間、減速時間、停轉時間，能適合各種類型的晶體生長需要。

本發明集溫度控制、電機速度控制于一體，通過編程能夠精確地控制溫度升降速率、電機轉向、轉速及轉動時間，并能夠通過稱量晶體重量確認晶體生長情況，可實時對晶體生長過程中的溫度、速度和轉向進行控制，保證了晶體生長質量。

附圖說明

附圖是本發明的控制原理示意圖。