基于PLC的熱交換法藍(lán)寶石自動(dòng)生長(zhǎng)控制的實(shí)現(xiàn)

汪海波

（上海昀豐光電技術(shù)有限公司，上海201100）

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)外藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)方法主要有泡生法、提拉法、溫梯法、坩堝下降法以及熱交換法[1]等。熱交換法是利用石墨熱場(chǎng)取代原有泡生法[2]使用的鎢鉬熱場(chǎng)，保留了傳統(tǒng)泡生法質(zhì)量高、成本低的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了原有的工藝復(fù)雜、穩(wěn)定性及重復(fù)性差、能耗高等缺點(diǎn)的一種高效的藍(lán)寶石生長(zhǎng)方法，該方法能以較低的成本，穩(wěn)定、高效地生長(zhǎng)出高質(zhì)量的藍(lán)寶石晶體，以此滿足市場(chǎng)對(duì)于藍(lán)寶石晶體低成本、大尺寸和高質(zhì)量的要求。

熱交換法不需要手動(dòng)引晶，只要將籽晶埋在坩堝底部，在底部熱交換管中通入一定量的氦氣，通過(guò)改變IGBT電源功率來(lái)改變爐內(nèi)溫度，從而將籽晶熔化到原始高度的2/3左右。籽晶熔化完成后，逐步加大熱交換管中的氦氣流量，同時(shí)配合爐內(nèi)溫度緩慢下降，晶體將在籽晶上慢慢生長(zhǎng)，最后整個(gè)熔體長(zhǎng)成較大的單晶晶體。

用換熱法來(lái)控制藍(lán)寶石大尺寸晶體生長(zhǎng)的技術(shù)，在國(guó)內(nèi)還處于剛剛起步的階段，技術(shù)難度較大。國(guó)內(nèi)廠家目前長(zhǎng)晶的換熱法設(shè)備主要依靠從國(guó)外進(jìn)口，極大地限制了規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的進(jìn)程。

項(xiàng)目的難點(diǎn)如下：高溫爐體的設(shè)計(jì)和制造、石墨熱場(chǎng)的設(shè)計(jì)、自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、高精度電源的設(shè)計(jì)和制造等。自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括：長(zhǎng)晶速度控制系統(tǒng)、爐內(nèi)溫度控制系統(tǒng)、爐內(nèi)壓力控制系統(tǒng)、晶體高度測(cè)量系統(tǒng)等，這些都是本文需要探討的問(wèn)題。

1 設(shè)計(jì)要求

要求整個(gè)晶體生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行全自動(dòng)控制，通過(guò)各種儀器儀表來(lái)判斷晶體生長(zhǎng)狀態(tài)，并對(duì)其進(jìn)行控制，避免人工參與。

技術(shù)參數(shù)及性能指標(biāo)：

（1）溫度控制精度：溫度偏差≤±0.5℃；

（2）爐內(nèi)壓力控制精度：壓力偏差≤±50 Pa；

（3）晶體生長(zhǎng)高度檢測(cè)精度：高度偏差≤±0.5 mm；

（4）底部氦氣流量控制精度：流量偏差≤±0.01 L/min。

1.1 晶體高度檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)

籽晶熔化和晶體生長(zhǎng)速度的有效控制，是長(zhǎng)出好晶體的必要條件；在整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中，籽晶或新晶體始終浸泡在高溫熔液中，無(wú)法用傳統(tǒng)的手段來(lái)測(cè)量。設(shè)計(jì)出一組測(cè)量部件來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，整個(gè)測(cè)量部件包括電機(jī)、導(dǎo)軌、絲桿、真空波紋管、鉬制探針等結(jié)構(gòu)。

1.2 晶體生長(zhǎng)速度控制功能

晶體生長(zhǎng)速度控制包括爐內(nèi)溫度和底部熱交換管氦氣流量的聯(lián)合控制，其中氦氣流量控制是主要調(diào)節(jié)手段。通過(guò)CGsim軟件[1]進(jìn)行熱場(chǎng)建模、分析，確定晶體生長(zhǎng)的溫度曲線；然后通過(guò)其仿真功能，模擬出氦氣流量控制和溫度變化兩條曲線，進(jìn)而算出每個(gè)階段兩種控制參數(shù)的比例分配情況，輸入到工藝配方中，作為晶體生長(zhǎng)速度控制的基礎(chǔ)值；并通過(guò)多爐的試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際長(zhǎng)出晶體每個(gè)部位的質(zhì)量情況，來(lái)微量修改、優(yōu)化對(duì)應(yīng)的比例關(guān)系。

1.2.1 溫度控制

籽晶熔化或晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，增減電源的功率，來(lái)達(dá)到控制溫度的目的[3]。參與溫度控制的有高精度IGBT電源、紅外測(cè)溫儀、RS-485模塊以及PLC控制器。

1.2.2 熱交換管氦氣流量控制

晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，增減熱交換管內(nèi)氦氣的流量，來(lái)達(dá)到控制導(dǎo)出熱量多少的目的。參與流量控制的有質(zhì)量流量計(jì)、RS-485模塊、控制閥門、PLC控制器等。

1.3 晶體生長(zhǎng)壓力控制功能

晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，通過(guò)質(zhì)量流量計(jì)，向爐內(nèi)沖入氦氣，調(diào)整碟型控制閥的角度，使壓力保持在一個(gè)恒定的數(shù)值狀態(tài)下，滿足晶體的生長(zhǎng)需求。參與壓力控制的有碟型控制閥、質(zhì)量流量計(jì)、RS-485模塊、開關(guān)控制閥門、真空泵以及PLC控制器等。

1.4 高精度IGBT直流電源的運(yùn)用

傳統(tǒng)的晶體生長(zhǎng)爐使用可控硅工頻交流電源，存在控制精度較低，體積笨重，輸入功率因數(shù)低，對(duì)電網(wǎng)電磁干擾大等缺陷；而藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)溫度高，能耗大，對(duì)溫度控制精度的要求高，在藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)設(shè)備中應(yīng)用高效高精度IGBT電源新技術(shù)，具有控溫功率精度高，節(jié)能顯著，諧波少，穩(wěn)定性、可靠性好等明顯優(yōu)勢(shì)。

2 控制方案

2.1 控制系統(tǒng)原理圖

熱交換藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)爐控制系統(tǒng)包括三菱PLC與擴(kuò)展模塊、界面監(jiān)控工業(yè)電腦、爐內(nèi)壓力控制、長(zhǎng)晶速度控制、晶體高度檢測(cè)等（圖1）。三菱PLC與擴(kuò)展模塊包括PLC控制器、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、RS-485通信模塊[4]。

2.2 晶體生長(zhǎng)速度控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 系統(tǒng)介紹

在坩堝的底部固定一個(gè)圓柱型的籽晶，隨著四周石墨發(fā)熱體溫度的上升，坩堝底部的籽晶開始融化。通過(guò)對(duì)坩堝底部外側(cè)正下方冷卻管道內(nèi)的氦氣流量的控制，保證原料充分熔化而籽晶部分熔化；然后逐步加大氦氣的流量，并配合溫度的下降，使坩堝底部的溫度逐步降低，熔液沿著籽晶方向逐步單向結(jié)晶固化，得到一個(gè)藍(lán)寶石單晶晶體。

圖1 控制系統(tǒng)原理圖

2.2.2 硬件組成

晶體生長(zhǎng)速度控制包括溫度控制系統(tǒng)（詳見1.2.1）、熱交換管氦氣流量控制系統(tǒng)（詳見1.2.2）、晶體高度測(cè)量單元（詳見1.1）。

2.2.3 晶體高度自動(dòng)檢測(cè)設(shè)計(jì)

在真空環(huán)境下，連接在伺服電機(jī)和絲桿上的鉬制探針，以極快的速度進(jìn)入高溫熔液，當(dāng)探針接近預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)時(shí)，減速并慢慢接近晶體表面，當(dāng)電機(jī)的扭矩超過(guò)設(shè)定數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)判斷探針已經(jīng)與籽晶表面充分接觸，記下位置數(shù)據(jù)，并且反轉(zhuǎn)回收探針。每次檢測(cè)的時(shí)間間隔一般為0.5 h，通過(guò)兩次檢測(cè)的位置數(shù)據(jù)，計(jì)算出熔化或長(zhǎng)晶速度（圖2）。

圖2 自動(dòng)測(cè)量控制流程圖

2.2.4 兩路雙閉環(huán)控制器

兩路雙閉環(huán)控制器包括內(nèi)環(huán)控制和外環(huán)控制，外環(huán)為熔化或長(zhǎng)晶速度控制環(huán)。內(nèi)環(huán)包括溫度控制環(huán)和流量控制環(huán)；外環(huán)通過(guò)比例分配器，施加對(duì)內(nèi)環(huán)的兩路控制器的給定（圖3）。

比例分配器是通過(guò)CGsim模擬軟件得到熱場(chǎng)溫度梯度數(shù)據(jù)，并加上工藝人員的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到的一組數(shù)據(jù)，n:m的比值是隨著熱場(chǎng)特性和時(shí)間變化而變化的。

2.2.5 雙路閉環(huán)控制器的優(yōu)點(diǎn)

通過(guò)CGsim軟件進(jìn)行熱場(chǎng)建模、分析、仿真、計(jì)算、分配，確定兩種控制參數(shù)的比例分配情況，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)處理大量數(shù)據(jù)的能力，縮短了設(shè)備的開發(fā)周期；通過(guò)多爐的試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)實(shí)際長(zhǎng)出晶體品質(zhì)分布情況，作出微量修改、優(yōu)化，讓工藝人員擁有實(shí)時(shí)、充分的調(diào)節(jié)手段，晶體質(zhì)量能得到進(jìn)一步的提升。

圖3 兩路雙閉環(huán)控制器結(jié)構(gòu)

2.3 爐內(nèi)壓力控制子系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

2.3.1 進(jìn)口壓力控制

固定出口蝶閥的導(dǎo)通角度，通過(guò)調(diào)節(jié)質(zhì)量流量計(jì)的流量大小來(lái)控制爐內(nèi)壓力。

2.3.2 出口壓力控制

固定進(jìn)口質(zhì)量流量計(jì)的流量大小，通過(guò)調(diào)節(jié)出口蝶閥的導(dǎo)通角度來(lái)控制爐內(nèi)壓力。

2.3.3 進(jìn)/出口控制的應(yīng)用

化料階段，熱場(chǎng)和原料內(nèi)的雜質(zhì)較多，需要通過(guò)真空系統(tǒng)將雜質(zhì)排除，這時(shí)就選擇進(jìn)口控制，將蝶閥的導(dǎo)通角度開到50%以上，通過(guò)氦氣的進(jìn)入，排除大量雜質(zhì)。

晶體生長(zhǎng)階段，如果還有較多的氦氣進(jìn)入爐內(nèi)，將帶走大量熱量，熱場(chǎng)無(wú)法穩(wěn)定，不利于晶體的生長(zhǎng)，此時(shí)需要切換到出口控制模式。將質(zhì)量流量計(jì)的流量固定在0.3 L/min左右，通過(guò)出口蝶閥的調(diào)節(jié)來(lái)控制爐內(nèi)壓力。

2.4 系統(tǒng)程序的模塊化設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)程序采用模塊化設(shè)計(jì)，使用三菱GX-WORKS2軟件編寫而成，包括AD（模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量）、ALARM（報(bào)警輸出）、AUTO（配方自動(dòng)運(yùn)行）、AVERAGE（模擬量的平滑處理）、DA（數(shù)字量轉(zhuǎn)化成模擬量）、GAIN（模擬量的偏差處理）、MAIN（系統(tǒng)運(yùn)行模式處理）、OUTPUT（各類部件的輸出）、PC（組態(tài)界面和系統(tǒng)的接口）、PID（溫度、壓力PID控制）、POWER（RS-485通信）等子程序。

3 友好的人機(jī)界面

主機(jī)使用研華UNO-2473G工控機(jī)，通過(guò)網(wǎng)線與PLC相連，監(jiān)控軟件使用海得公司的組態(tài)軟件[5]NetSCADA，它是一款集成式、組件化的人機(jī)接口產(chǎn)品，運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)之上，可通過(guò)串口、現(xiàn)場(chǎng)總線和以太網(wǎng)等方式監(jiān)視和控制工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備和整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，也可通過(guò)Internet異地監(jiān)控分布在各地的自動(dòng)化設(shè)備和工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程。NetSCADA有二次開發(fā)功能，用戶可根據(jù)工藝要求組態(tài)、開發(fā)適合的應(yīng)用系統(tǒng)，可以開發(fā)配方、顯示配方、修改配方，也可顯示圖形、報(bào)表、數(shù)據(jù)庫(kù)、通信等。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)有系統(tǒng)狀態(tài)、工序配方、I/O監(jiān)控、設(shè)備檢測(cè)、參數(shù)設(shè)置、報(bào)警顯示、趨勢(shì)圖等（圖4），可以方便使用者很好地操作，及時(shí)了解系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，包括系統(tǒng)的實(shí)時(shí)壓力、實(shí)時(shí)溫度、實(shí)時(shí)流量，并能方便、及時(shí)地修改壓力、溫度等參數(shù)，滿足長(zhǎng)晶工藝的要求。

圖4 監(jiān)控畫面

4 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目旨在設(shè)計(jì)一種適用于藍(lán)寶石熱交換法長(zhǎng)晶工藝的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，通過(guò)將系統(tǒng)分為長(zhǎng)晶速度控制和爐內(nèi)壓力控制兩個(gè)子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)長(zhǎng)晶過(guò)程的全自動(dòng)控制；通過(guò)組態(tài)軟件，提供友好的互動(dòng)界面，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)操作過(guò)程；采用兩路雙閉環(huán)長(zhǎng)晶速度控制，用n:m參數(shù)直觀地揭示了溫度控制和底部氦氣流量控制之間的相互關(guān)系，為工藝改進(jìn)提供了一個(gè)實(shí)時(shí)的窗口。

[1]汪傳勇.泡生法藍(lán)寶石單晶生長(zhǎng)的熱場(chǎng)分析與數(shù)值模擬研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2011：5-11.

[2]袁長(zhǎng)路，李杰，于旭東，等.DRF-B80型藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)爐的研制[J].人工晶體學(xué)報(bào)，2012，41（5）：1463-1467.

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[5]張勇.基于CC-Link總線與組態(tài)軟件的風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)改造[J].煤礦機(jī)械，2014，35（5）：168-169.