自動控徑單晶爐控溫方式的研究

金寧昌

（廣州半導體材料研究所，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，從而達到控制爐溫的目的。但是多年的生產實踐中發生了因熱偶故障而影響產品質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保溫材料上的，當保溫材料發生變形、開裂等情況時，會導致熱偶測溫端的位移，從而產生虛假的溫度波動傳輸到過程控制器，過程控制器將立即控制中頻電源使電源功率產生較大的調整，晶體生長因溫度波動而受到嚴重的干擾。

（2）熱偶冷端因環境溫度偶爾的較大溫差干擾同樣會觸發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故障引起的干擾。

1 實驗準備

晶體生長設備為DJL-800型全自動單晶爐，中頻電源為AtceF系列感應加熱電源，溫控器采用3500系列可編程回路調節器。

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，一端從單晶爐側面預留孔穿入爐內作為測溫端，另一端通過屏蔽線與調節器相連，為了使冷端處于溫度相對穩定的環境中，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節器的輸入端連接，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 調節器輸入端（49，50）

當爐內溫度發生變化時（比如電網電壓波動、循環冷卻水流量及水溫波動等），熱偶測出的溫度信號進入調節器的輸入端，這個變化值與調節器設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生位移，不同的點對應的溫度有較大的差別，經常會出現實際爐溫并沒有變化但測出的溫度會發生較大的變化，這樣會給調節器輸入一個假的溫度信號，調節器將會自動調整電源功率，使爐溫產生較大的波動，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，提高過程穩定性。

2.2 功率模擬量自動控溫的實現

功率模擬量自動控溫的實現，有賴于AtceF系列感應加熱電源設備。

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為功率信號，如圖4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調節器進行一些參數的修改，才能實現功率模擬量對爐溫的調節。

圖5 給溫控器輸入端并接電阻

溫控器參數[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參數由40mV修改為mA.如圖6、圖7所示。

圖6 使用熱偶時IO Type參數設置

圖7 取消熱偶后的IO Type參數設置

（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參數修設置

圖9 取消熱偶后Range參數設置

（3）PID參數修改。將Lp1目錄下的PID參數中的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參數設置

對于過程顯示值，可根據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參數設置

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，溫度調節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。溫度調節器將根據重量傳感器檢測到的晶體重量的變化進行加熱功率的調節，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 結論

經過半年多的生產實踐，改進后的控溫方式能夠實現程序自動升溫，控溫及時準確，晶體生長過程溫場穩定，故障率低，提高了生產效率和產品質量，同時，由于取消了貴金屬銥-銥銠熱偶，降低了生產成本，取得了較好的效果。