自動控徑單晶爐控溫方式的研究

金寧昌

（廣州半導(dǎo)體材料研究所，廣東 廣州 510610）

目前，單晶爐生長Nd：YAG晶體都是采用銥-銥銠熱電偶測溫[1]，通過3504過程控制器自動控制中頻電源的輸出功率，從而達(dá)到控制爐溫的目的。但是多年的生產(chǎn)實踐中發(fā)生了因熱偶故障而影響產(chǎn)品質(zhì)量甚至中途被迫停爐的情況。原因有如下幾方面：

（1）熱偶測溫端松動。因為熱偶測溫端是固定在爐內(nèi)保溫材料上的，當(dāng)保溫材料發(fā)生變形、開裂等情況時，會導(dǎo)致熱偶測溫端的位移，從而產(chǎn)生虛假的溫度波動傳輸?shù)竭^程控制器，過程控制器將立即控制中頻電源使電源功率產(chǎn)生較大的調(diào)整，晶體生長因溫度波動而受到嚴(yán)重的干擾。

（2）熱偶冷端因環(huán)境溫度偶爾的較大溫差干擾同樣會觸發(fā)過程控制器對中頻電源的意外控制，后果與上述相同。

（3）熱電偶斷裂。熱電偶測溫端焊接點由于多次使用后易脆，由于保溫材料的變形收縮等導(dǎo)致熱電偶自焊接處斷裂。熱偶斷開后，失去測溫功能，只能手動降溫停爐。

基于以上原因，本文開展了晶體爐控溫方式的研究，取消了銥-銥銠熱電偶測溫裝置，采用電源功率模擬量控溫，消除了熱電偶測溫系統(tǒng)故障引起的干擾。

1 實驗準(zhǔn)備

晶體生長設(shè)備為DJL-800型全自動單晶爐，中頻電源為AtceF系列感應(yīng)加熱電源，溫控器采用3500系列可編程回路調(diào)節(jié)器。

2 實驗過程和討論

2.1 熱電偶測溫過程

我們使用的是銥-銥銠絲焊接而成的熱偶，一端從單晶爐側(cè)面預(yù)留孔穿入爐內(nèi)作為測溫端，另一端通過屏蔽線與調(diào)節(jié)器相連，為了使冷端處于溫度相對穩(wěn)定的環(huán)境中，一般將冷端放入保溫瓶中，并在保溫瓶中注滿水。如圖1所示：

圖1 熱電偶裝置

熱偶冷端通過屏蔽線與調(diào)節(jié)器的輸入端連接，盡量減少各種不利因素對測溫信號的干擾。如圖2所示（49、50端子是從熱偶過來的溫度信號）：

圖2 調(diào)節(jié)器輸入端（49，50）

當(dāng)爐內(nèi)溫度發(fā)生變化時（比如電網(wǎng)電壓波動、循環(huán)冷卻水流量及水溫波動等），熱偶測出的溫度信號進(jìn)入調(diào)節(jié)器的輸入端，這個變化值與調(diào)節(jié)器設(shè)定的電壓比較后輸出一個信號給中頻電源去控制電源的輸出功率，實現(xiàn)溫度自動控制。

如上所述，在實際的晶體生長過程中，由于熱電偶測溫端容易發(fā)生位移，不同的點對應(yīng)的溫度有較大的差別，經(jīng)常會出現(xiàn)實際爐溫并沒有變化但測出的溫度會發(fā)生較大的變化，這樣會給調(diào)節(jié)器輸入一個假的溫度信號，調(diào)節(jié)器將會自動調(diào)整電源功率，使?fàn)t溫產(chǎn)生較大的波動，這樣會造成晶體缺陷甚至晶體開裂的情況。只要外在的因素造成熱偶測溫產(chǎn)生偏差，都會造成爐溫的不正常波動。如果熱電偶在晶體生長過程中斷裂，將失去測溫作用，只能停爐處理。

取消熱電偶測溫裝置，將會消除其自身帶來的一系列不利因素對晶體生長過程的干擾，提高過程穩(wěn)定性。

2.2 功率模擬量自動控溫的實現(xiàn)

功率模擬量自動控溫的實現(xiàn)，有賴于AtceF系列感應(yīng)加熱電源設(shè)備。

圖3 中頻電源用戶接口端子表

從圖3中頻電源用戶接口端子表中我們看到，AtceF系列感應(yīng)加熱電源自帶有兩路功率模擬量輸出端子[2]，即XT.9，XT.10，只要將其中一路輸出接到溫控器的輸入端，就能將溫控器輸入端信號由測溫信號變?yōu)楣β市盘枺鐖D4所示。

圖4 中頻電源功率模擬量出端（10，11）

因為是功率控制，中頻電源的功率模擬信號輸出端（10，11）連接到溫控器輸入端后，須在溫控器輸入端并接一小電阻(因為熱電偶測溫時對應(yīng)的輸入信號是mV，而功率模擬量輸出的是mA)，如圖5所示。

取消熱電偶并接入電源模擬量輸出后，還需要對3504調(diào)節(jié)器進(jìn)行一些參數(shù)的修改，才能實現(xiàn)功率模擬量對爐溫的調(diào)節(jié)。

圖5 給溫控器輸入端并接電阻

溫控器參數(shù)[3]的修改主要有三個方面：輸入方式，輸入范圍以及PID。

（1）輸入方式修改。將PVInput目錄下的子菜單IO Type參數(shù)由40mV修改為mA.如圖6、圖7所示。

圖6 使用熱偶時IO Type參數(shù)設(shè)置

圖7 取消熱偶后的IO Type參數(shù)設(shè)置

（2）輸入范圍修改。將PVInput目錄下的Range Hi由12.6修改為20，Range Lo由0修改為4，如圖8、圖9所示

圖8 使用熱偶時Range參數(shù)修設(shè)置

圖9 取消熱偶后Range參數(shù)設(shè)置

（3）PID參數(shù)修改。將Lp1目錄下的PID參數(shù)中的PB由1200修改為9800，Ti由360修改為10，Td由80修改為1，如圖10、圖11所示。

圖10 使用熱偶時PID參數(shù)設(shè)置

對于過程顯示值，可根據(jù)每臺爐實際功率的大小，修改PVInput目錄下的Disp值。

圖11 取消熱偶后PID參數(shù)設(shè)置

至此，完成了自動控徑單晶爐控溫方式的改造，取消了熱電偶測溫裝置，溫度調(diào)節(jié)器輸入端輸入信號由熱電偶測溫信號改為中頻電源功率模擬量信號，過程變得簡單有效。溫度調(diào)節(jié)器將根據(jù)重量傳感器檢測到的晶體重量的變化進(jìn)行加熱功率的調(diào)節(jié)，排除了熱偶測溫過程中可能存在的各種不利因素的干擾。

3 結(jié)論

經(jīng)過半年多的生產(chǎn)實踐，改進(jìn)后的控溫方式能夠?qū)崿F(xiàn)程序自動升溫，控溫及時準(zhǔn)確，晶體生長過程溫場穩(wěn)定，故障率低，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，同時，由于取消了貴金屬銥-銥銠熱偶，降低了生產(chǎn)成本，取得了較好的效果。