CZ150直拉单晶炉—热场控制系统的研究

CZ150直拉单晶炉—热场控制系统的研究

姓名：刘兵申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：李世伦

20060501

学号塑ｉ！叁竺！！独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得澎鎏盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：乱奠签字日期：矽口莎年多月７日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权进姿盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文作者签名：赳轰导师签名：签字日期：力口；年６月７日签字日期：埘年‘月夕日学位论文作者毕业后去向：工作单位：电话：通讯地址：邮编：浙江大学硕士学位论文摘要本论文介绍了一种基于ＰＬＣ的模块化直拉单晶炉热场温度控制系统，它具有可扩展性强、灵活性好、易于维护等特点，只要做很少的模块扩展与软件修改工作，就可以满足各类直拉单晶炉控制系统的要求。本论文鉴于现在直拉单晶炉热场温度控制的现状，提出了模糊变系数ＰＩＤ控制算法，通过现场试验，实验曲线数据分析表明：论文给出的模糊变系数ＰＩＤ控制算法能够满足设计要求，能够达到对于直拉单晶炉热场温度控制的目的，控制精度在允许的控制范围内，误差比较合理，使作业控制更加有效和准确。论文总共分为七章：第一章介绍了论文的研究背景以及国内外在直拉单晶炉研究现状及发展，并对热场及其控制以及ＣＺｌ５０直拉单晶炉进行了介绍，并由此引出了论文的研究内容和方法。第二章主要进行的工作是研究了晶体的热动力、热传输，在此基础上对热场建模。第三章详细叙述了直拉单晶炉热场模糊变系数ＰＩＤ温度控制，首先对直拉单晶炉热场的特性进行测试研究，然后用模糊变系数ＰＩＤ控制算法进行控制，用经验知识对模糊变系数ＰＩＤ算法中的参数进行修正，达到理想的控制效果。第四章详细叙述了以基于ＰＬＣ的模块化直拉单晶炉热场温度控制系统的硬件实现，首先提出了直拉单晶炉热场对控制系统的硬件要求，然后对本系统的硬件设计进行了详细说明。第五章详细叙述了以基于ＰＬＣ的模块化直拉单晶炉热场温度控制系统的软件实现，首先对软件系统的整体框架进行了介绍，然后对软件系统的各个程序模块逐个分析。第六章介绍了论文的现场试验，给出了系统试验的曲线、数据分析和最终结论。第七章总结了本论文研究的内容，并对课题中需要进一步研究、完善的重点进行了一定的探讨、分析和展望。关键词：模块化，单晶炉，ＰＬＣ，热场温度，控制策略，模糊变系数ＰＩＤ。浙江大学硕士学位论文ＡＢＳＴＲＡＣＴＡｍｏｄｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎ－ｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｏｆＳｉｌｉｃｏｎＣｒｙｓｔａｌＦｕｍａｅｅｂａｓｅｄＰＬＣｉｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄｅｘｐａｎｓｉｂｉｌｉｔｙ，ｇｏｏｄｍｏｄｕｌａｒｓａｎｄｉｎｄｅｔａｉｌ．Ｂｅｃａｕｓｅｏｆｉｔｓｍｏｄｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎ－ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｉｔｈａｓｓｔｒｏｎｇｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙａｎｄｇｏｏｄｍａｉｎｔａｉｎａｂｉｌｉｔｙ．ｗｉｔｈｍｏｄｉｆｙｉｎｇｓｏｆｔｗａｒｅ，ｉｔｃａｎｃｈａｎｇｉｎｇａｆｅｗｈａｒｄｗａｒｅｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｍｏｓｔｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｓｏｆＳｉｌｉｃｏｎＣｒｙｓｔａｌＧｒｏｗｉｎｇＦｕｒｎａｃｅ．Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈ０ａｃｔｕａｌｉｔｙｉｎｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｆｉｅｌｄｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｏｆＣｚ—ＳｉｌｉｃｏｎＣｒｙｓｔａｌＦｕｍａｅｅ．ｔｈｅＰＩＤａｎｄｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌｉｓｒａｉｓｅｄａｎｄｒｅａｌｉｚｅｄ．Ｔｈｉｓｎｅｗｌｙｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｓｙｓｔｅｍｉｓｔｅｓｔｅｄｂｙｐｒａｃｔｉｃａｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｄｅｓｉｇｎｃａｎｏｎｉｔｓｃｏｎｔｒｏｌｅｆｆｅｃｔａｎｄｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｏｕｒｍｅｅｔｔｈｅｄｅｓｉｇｎｇｕｉｄｅｌｉｎｅａｎｄｗｏｒｋｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓｃｏｎｓｉｓｔｓｓｈｏｗｓｏｆｓｅｖｅｎｓｅｃｔｉｏｎｓ：ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈＣｈａｐｔｅｒｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ１ｏｎｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ，ａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅａｎｄｐｒｅｓｅｎｔｒｅｓｅａｒｃｈｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｔｈｅＣＺｌ５０ＳｉｌｉｃｏｎＣｒｙｓｔａｌＦｕｒｎａｃｅｆｉｎａｌｌｙｇｉｖｅｓｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｃｏｎｔｅｎｔａｎｄｔｈａｔｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｍｙｐａｐｅｒ．ｏｎＣｈａｐｔｅｒ２ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｓａｎｄｈｅａｔ－ｅｘｃｈａｎｇｅｏｆｔｈｅＣｒｙｓｔａｌ，ａｆｔｅｒｔｈｅｒｍａｌｆｉｅｌｄｍｏｄｅｌｉｓｕｐｂｕｉｌｄｅｄ．３ｄｅｔａｉｌｅｄｌｙｄｅｐｉｃｔｓｔｈｅＰＩＤａｎｄｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒ０１．ＦｉｒｓｔｌｙｉｔｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｉｓＣｈａｐｔｅｒｔｅｓｔｅｄａｎｄｓｔｕｄｉｅｄ．Ｌａｔｅｒ，ＰＩＤａｎｄｆｕｚｚｙｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｄａｔａａｒｅｃｏｎｔｒｏｌａｒｉｔｈｍｅｔｉｃａｒｅｕｓｅｄｆｏｒｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ，ａｎａｌｙｓｅｄａｎｄｓｔｕｄｉｅｄ，ｗｉｔｈｔｈａｔｔｈｅｒｅｓｕｓｔｓａｒｅＳＯｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．ＬａａｔｌｙｐｅｒｆｅｃｔｅｆｆｅｃｔｐａｒａｍｅｔｅｒｏｆｔｈｅＰＩＤａｎｄｆｕｚｚｙｉｓｃｏｎｔｒｏｌｉｓｃｏｒｒｅｃｔｅｄｓｕｂｊｅｃｔｉｖｅｌｙｔｈａｔｔｈｅａｃｈｉｅｖｅｄ．Ｃｈａｐｔｅｒ４ｄｅｔａｉｌｅｄｌｙｄｅｐｉｃｔｓｔｈｅｉｍｐｌｅｍｅｎｔｏｆｈａｒｄｗａｒｅａｂｏｕｔｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｏｆＳｉｌｉｃｏｎＣｒｙｓｔａｌＦｕｍａｃｅｗｉｔｈＰＬＣｂａｓｅｄ．Ｆｉｒｓｔｌｙｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｓｍｅｎｔｉｏｎｅｄ．Ｌａｔｅｒ，ｅａｃｈｍｏｄｕｌｅｉｎｔｅｒｆａｃｅａｎｄｆｕｎｃｔｉｏｎｉｓｉｎｎ．ｏｄｕｃｃｄ．Ｃｈａｐｔｅｒ５ｄｅｔａｉｌｅｄｌｙｄｅｐｉｃｔｓｔｈｅｉｍｐｌｅｍｅｎｔｏｆｓｏｆｔｗａｒｅａｂｏｕｔｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｏｆＳｉｌｉｃｏｎＣｒｙｓｔａｌＦｕｍａｅｅｗｉｔｈＰＬＣｂａｓｅｄ．Ｆｉｒｓｔｌｙｔｈｅｉｎｔｅｇｅｒｅｄｆｒａｍｅｏｆｓｏｆｔｗａｒｅｓｙｓｔｅｍｉｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｌａｔｅｒ，ｅａｃｈｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅｍｏｄｕｌｏｉｓａｎａｌｙｓｅｄｓｔｅｐａｎｄｓｔｅｐ．ｏｕｔｔｏｔｅｓｔｔｈｉｓｏｕｒＣｈａｐｔｅｒ６ｅｘｐｌａｉｎｓｔｈｅｓｙｓｔｅｍｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｔｈａｔａｒｅｃａｒｒｉｅｄｓｙｓｔｅｍｃａｎｄｅｓｉｇｎ．Ａｆｔｅｒｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｃ札ｉＮｅａｎｄｄａｔａａｎａｌｙｓｉｓ．ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．ｄｅｓｉｇｎｍｅｅｔｔｈｅｄｅｍａｎｄｏｆｔｈｉｓｐｒｏｊｅｃｔａｎｄｃａｎｗｏｒｋＣｈａｐｔｅｒｔｈｅｓｉｓａｒｅ７ｉｓａｓｕｍｍａｒｙｏｆｔｈｅｗｈｏｌｅｒｃｓｅｎｒｅｈｗｏｒｋ．Ｔｈｅｍａｉｎａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓｏｆｔｈｉｓｏｕｔ．ｍｅｎｔｈｉｏｎｅｄａｎｄｔｈｅ∞ｎｅｅｉｔｏｆｔｈｅｆｕｒｔｈｅｒｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｗｏｒｋｉｓｐｏｉｎｔｅｄ２浙江大学硕士学位论文Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｏｄｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎ，ＣｒｙｓｔａｌＦｕｒｌｌａｃｅ，ＰＬＣ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｆｉｅｌｄ，ｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙ，ｆｕｚｚｙｖａｒｉｅｔｙ·ｐａｒａｍｅｔｅｒＰＩＤ．奠ｊ鳓３浙江大学硕士学位论文第一章绪论摘要：综合阐述了直拉单晶炉国内外的发展历程、研究现状及其发展趋势，并介绍了直拉单晶炉的控制系统，最后指明了本论文的主要研究方向和内容。１．１直拉单晶炉的国内外研究现状及发展１．１．１硅单晶及其制备方法直拉法简介■硅单晶是由硅原子周期性彼此紧密平行排列在一起的单晶体，是一种半导体材一｜，■料，它是微电子技术的材料基石，Ｋａｙｅｘ公司生产的硅单晶如图Ｉ－Ｉ。根据硅单晶中各结晶面（或方向）不同，它分＜１００＞、＜１１０＞及＜ＩＩＩ＞三类。硅的物理化学性质在不同晶向有所差异，因此根据器件不同的要求，对材料提出不同的生长方向。多数硅结型器件（如晶体管、集成电路等），大都采用＜１１１＞晶向硅片；对于表面器件如ＭＯＳＦＥＴ，ＣＣＤ等，大都采用＜１００＞晶向，这是因为＜１００＞晶向界面密度删１Ｊ髑。图Ｉ－Ｉ硅单晶六十年代，人们发展了硅单晶半导体材料，它一登上半导体材料舞台，就显示了独特优点：电学性能和热稳定性好，能在较高和较低的温度下稳定的工作，硬度大，原材料来源丰富，地球上百分之二十五点八使硅，真是取之不尽，用之不竭。因此，硅单晶制备工艺发展非常迅速，产量成倍增加。随着我国信息产业的发展，对硅单晶质量要求越来越高，直径也越来越大。可以说硅单晶是现代信息技术、通信技术得以持续发展的材料基础，有不可替代的作用．就硅晶体生长和制备而言，有天然硅晶体和人工硅晶体。天然硅晶体的数量很少，一般硅单晶都是人工制造的。为了制备性能良好的硅单晶，在生产实践中，人们通过不断地研究、实践和探索，不断完善了硅单晶生长技术。从熔体中生长单晶６浙扛大学硕士学位论文所用的直拉法和区熔法是当前硅单晶生产的主要方法。另外，还有基座法、片状单晶生长法、蹼状单晶生长法等。尽管制备硅单晶方法有很多种，但由于直拉法生长硅单晶具有设备和工艺比较简单，容易实现自动控制，生产效率搞，易于制备大直径硅单晶１６Ｉ，并且晶体生长速度快、晶体的纯度和完整性高等优点，因而依然是制备高质量大单晶，特别是高质量的ｌＣ片硅单晶最常用和最重要的方法。下面对直拉法（ＣＺ法）简单介绍。■直拉法，也叫切克劳斯基（Ｊ．Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ）［７１法。此法早在１９１７年由切克劳斯基，吩建立的一种晶体生长方法，后来经过很多人的改进，成为现代制备硅单晶的一种主０要方法。用直拉法生长单晶的设备和工艺比较简单，容易实现自动控制，生产效率高，易于制备大直径单晶，容易控制单晶中杂质浓度，可以制备低电阻率单晶。据统计，世界上硅单晶的产量中７０％～８０％是用直拉法生产的。利用直拉式晶体生长炉生产硅单晶，主要依靠将普通硅材料进行熔化一重新结晶来完成的。根据硅单晶的结晶规律，制造一个熔化和结晶的环境：将原材料放在坩埚中加热熔化，控制温度比硅单晶的结晶温度略高，确保熔化后的硅材料在熔液表面可以结晶。结晶出来的单晶通过直拉炉的提升系统提出液面，在惰性气体的保护下冷却、成形，最后结晶成一个主体为圆柱体、尾部为圆椎体的晶体，如图ｌ硅单晶。１．１．２直拉单晶炉结构简介直拉单晶炉尽管型式不同，但总的来说，主要是由炉体、电器部分、热系统、水冷系统，真空系统和氩气装置等六大部分组成嗍’【１２１．一、炉体炉体由炉座、炉膛、炉项盖、坩埚轴（也叫下轴）、籽晶轴（也叫上轴）、光学等直径测量仪和温度监测器等部件组成。炉座一般由铸铁制成，它支撑整个炉体，炉膛装在炉座上面，坩埚轴及其相应驱动部件也装在炉座上。炉膛的样式比较多，但一般是由炉室、观察窗、炉门、测温孔、光学等直径监测孔和外接真空管道与氩气进出口等几部分。坩埚轴和籽晶轴从炉膛中心穿过并能上下运动。炉膛一般由两层４毫米一５毫米不透钢板制成夹层状，中间通水。炉顶盖样式也较多，一般由铸铁制成，主要支撑籽晶轴的提拉、旋转及其驱动★、●；部件。坩埚轴由不透钢制成，双层套管，中间通水冷却。坩埚轴通过托杆和石墨托碗支撑石英坩埚中的多晶硅，并且通过旋转、上升或下降调节热系统中坩埚内熔硅位置，以便顺利拉晶。籽晶轴也是由不透钢制成，能够旋转、上升和下降，它的结构和坩埚轴一样，但比坩埚轴要长。它的主要作用是通过耔晶夹头卡住籽晶，并且一边旋转一边向上７浙江大学硕士学位论文缓慢运动，完成拉晶动作。随着单晶炉的大型化，单晶长度增加很快，提拉行程增长，现在一般是用钢丝式铰链做籽晶轴，即所谓的“软轴”．光学等直径测量仪装在炉膛上，它似照相机，一组光学镜头对准坩埚中心，通过镜头将硅单晶横断面直径的变化影象反射到毛玻璃屏幕上，屏幕上有一组光敏二极管，单晶直径影像的变化作用在光敏二极管上，产生电信号，经过放大与分压或分流处理，控制拉晶速度和加热功率，保证硅单晶等直径生长，调节光敏二极管的位置可以决定生长硅单晶直径的大小。红外测温仪装在炉膛的测温孔上，正对加热器中部。为了便于测量与测量的灵敏度高和测量准确，一般要现场调试安装的位置，使得到的热信号强度达到最大，将热信号的变化经放大输入给温度功率控制部分，可自动恒温控制。单晶炉的机械传动部分包括籽晶轴、坩埚轴和驱动它们旋转与上升或下降的电机。籽晶轴和坩埚轴的旋转有直流电机分别经过皮带（或齿轮变速后）带动抱轮使其旋转。籽晶轴和坩埚轴的上升或下降通过两个直流电机驱动螺纹旋转，使丝杠上升或下降来完成。这四个运动各自独立，互不干扰。不同的是坩埚轴比籽晶轴有更慢的上升或下降速度。二、电器智力单晶炉电器由配电盘，控制柜和变压器三大部分组成．配电盘是整个直拉单晶炉的总电源，通过它把电流输送给控制柜，控制柜控制整个直拉单晶炉安全正常运转和加热功率的变化，控制真空系统运行。加热电源通过控制柜后进入变压器，把２２０伏（或３８０伏）电压变成Ｏ一５０伏，输给直拉单晶炉紫铜电极。三、热系统智力单晶炉热系统由加热器、保温罩、石墨电极、石墨托碗、石墨托杆组成。保温罩一般用高纯石墨制成。强大的电流通过加热器产生高温，由保温罩保温，形成热场。四、水冷系统用直拉单晶炉拉制硅单晶是在高温下进行的，因此，炉膛、观察窗、籽晶轴、坩埚轴、紫铜电极必须进行水冷。直拉单晶炉都装有庞大的水冷系统，它由进水管、水阀、水压继电器、分水箱、回水箱和排水箱组成各冷气部分水网。１Ｊ五、直拉单晶炉真空系统直拉单晶炉的真空系统使直拉单晶炉膛获得真空度高低，主要包括真空机组，真空测量仪表（真空计）。真空机组由机械泵、真空阀门、充气阀门和真空管道组成。六、氩气净化装置直拉法拉制硅单晶时，一般用高纯氩气做保护气体．１．１．３直拉单晶炉的发展概述１９１７年，切克劳斯基（Ｊ．Ｃｚｏｅｈｒａｌｓｋｉ）发表了用直拉法从熔体中生长单晶体的论８浙江大学硕士学位论文文，为用直拉法生长硅单晶奠定了理论基础，从此，直拉单晶设备一直拉单晶炉飞速发展。最初的直拉单晶炉用高频加热，这种形式的单晶炉称为外热式直拉单晶炉。最初的外热式单晶炉粗糙简单，以后在发展过程中不断改进，增加了坩埚的旋转和一些附属件，终于使外热式单晶炉初具规模。但是，这种形成的直拉单晶炉对进一步扩大硅单晶生产阻碍较大，因此，在发展中出现了内热式直拉单晶炉。内热式单晶炉用高纯石墨作发热体，发热体用保温材料保温，放在密封水冷的不锈钢炉腔内，发热体通过大电流产生高温使多晶硅熔化。同时直拉硅单晶生长技术的发展也促进了直拉硅单晶生长设备发展。最初的直拉单晶炉装料量只有一百多克多晶硅，石英坩埚的直径４０毫米至６０毫米，拉制的硅单晶长度只有几厘米到十几厘米，现在，直拉单晶炉一般可装多晶硅４５公斤，最多的国外达到３００公斤，石英坩埚直径达３５０毫米，单晶直径达１５０毫米，长度近２米“”１“１。直拉单晶炉籽晶轴由硬构件发展成软构件，由手工操作发展成自动操作，并进一步发展成计算机操作。直拉单晶炉几乎每三年更新一次。随着硅单晶在高技术应用领域的不断推广，对单晶体的需求量在不断增加，对硅单晶质量的要求越来越高，市场需要的单晶硅芯片直径越来越大。为满足迅速发展的信息技术对硅单晶的需求，国内外晶体生长厂家纷纷投巨资扩大硅单晶的产量，对直拉式硅晶体生长炉的需求量近年来也迅速增加。特别是近年来国家对信息产业（含硅单晶片）的优惠政策使国内硅片生产厂商纷纷扩大生产规模，新的厂家投巨资进入硅单晶片生产领域，成为国内的一个投资热点．目前，人工晶体材料不断向大直径、高质量、产业化方向发展，这就要求与之相适应的人工晶体生长设备（包括直拉式单晶生长炉）向大型化方向发展，具备稳定性好、质量高、自动化程度高、操作使用方便等优点。１．１．４国内外研究现状目前，人工晶体材料不断向大直径、高质量、产业化方向发展，这就要求与之相适应的人工晶体生长设备向大型化方向发展，具备稳定性好、质量高、自动化程度高、操作使用方便等优点。尽管制备晶体的方法有很多种，但由于全自动控制熔体提拉法生长具有生长速度快、晶体的纯度和完整性高等优点，因而依然是国内外制备高质量大单晶，特别是高质量的ＩＣ片硅单晶最常用和最重要的方法。在晶体生长过程中，为了最大限度地免除人为因素对生长过程的干扰，必须最大限度地提高生长设备的稳定性、精确性和自动化程度。在这方面，国内外生产厂家都作了大量的技术改进和提高。目前国内外晶体生长设备的现状如下：９浙江大学硕士学位论文１．国外的以美国ＫＡＹＥＸ公司为代表，生产全自动硅单晶体生长炉。ＫＡＹＥＸ公司是目前世界上最大，最先进的硅单晶体生长炉制造商之一，它是专业生产直拉单晶炉的厂商，隶属于美国通用信号集团。该公司拥有４０多年的历史，在单晶炉制造业中一直处于领先地位，是世界上第一个拉出８”单晶硅的公司，其产品行销世界各地。ＫＡＹＥＸ的产品早在８０年代初就进入中国市场，为众多半导体材料生产厂家所广泛采用。ＨＥＭＣＯ－－ＫＡＹＥＸ已成为中国半导体行业使用最多的品牌，深得用户好评．ＫＡＹＥＸ公司一直致力于开发新技术以更好地服务于用户。其研制成功的半连续加料系统和带磁场、大容量、大直径单晶炉已经被证实是卓有成效的。该公司生长的硅晶体生长炉从抽真空一检漏一熔料一引晶一放肩一等径一收尾到关机的全过程由计算机实行全自动控制。晶体产品的完整性与均匀性相当好，等径生长时直径偏差在单晶全长内仅±ｌｍｍ。主要产品有ＣＧ３０００、ＣＧ６０００、ｌ（１；ＹＩⅨ１５０、Ｖｉｓｉｏｎ３００型，投料量分别为３０ｋｇ、６０ｋｇ、１５０ｋｇ、３００ｋｇ。（详细信息见表１）北京有色金属总院、浙大海纳公司、洛阳麦斯克硅材料厂、上海硅材料厂、浙江硅峰公司、浙江湖州新元泰微电子有限公司等硅单晶生产厂商都采用ＫＡＹＥＸ的０８万美元左炉子。但其价格相当昂贵。以＆掀ＣＧ６０００型为例，每台售价在３０右（折合人民币约２５０－－３１０万元左右）。表１ＫＡＹＥＸ主要产品最大投料量Ｖｉｓｉｏｎ３００Ｋｘ２６０Ｋｘ５０Ｆｋｌ２０ＣＧ６０００ＣＧ３０００３００ｋｇ２６０ｋｇ１５０ｋｇ１２０ｋｇ６０ｋｇ３０ｋｇ坩埚最大直径３６”２８”２４”２２”１８”１４”硅单晶直径．１２“１２“８”８”６”４。‘ＫＡＹＥＸＣＧ３０００、ＫＡＹＥＸＣＧ６０００型系统如图１．２、图１－３：１０浙江大学硕士学位论文图１－２ＫＡＹＥＸＣＧ３０００型图卜３ＫＡＹＥＸＫＸｌ５０型２．国内以西安理工大学的晶体生长设备研究所为代表。自６１年起开始生产晶体生长设备。主要产品有ＴＤＲ一６２Ｂ、ＴＤＲ－７０Ｂ、ＴＤＲ．８０，投料量分别为３０ｋｇ、４５ｋｇ、６０ｋｇ。开封太阳能电池厂、秦皇岛太阳能电池厂、云南半导体材料厂、宁波太阳能电池厂等太阳能电池生产厂商都采用西安理工大学的炉子。但其产品属于普及型。目前产品大部分用于太阳能电池市场。国内晶体生长炉的自动化程度远远不及国外的产品，不能满足现在我国市场上大直径、自动化程度高的要求。西安理工大学生产的ＴＤＲ一７０、ＴＤＲ－－８０单晶炉如图１—４、ｌ一５图１．４ＴＤＲ－７０型单晶炉图１－５ＴＤＲ－８０型单晶炉３．浙江大学机械厂与美国ＫＡＹＥＸ公司合作（美方控股）成立中美ＫＡＹＥＸ－浙１１浙江大学硕士学位论文大机电有限公司，利用引进ＫＡＹＥＸ公司的ＣＧ３０００、ＣＧ６０００硅单晶生长设备制造技术，生产全自动硅单晶生长设备４０余台。产品主要销往台湾、香港、美国等地。但由于美国ＫＡＹＥＸ公司在技术方面的保密要求，中方只能进行设备机械部分制造、装配与调试，所有设备的材料都需要从美国引进，连一个螺钉螺母都不例外，全自动控制软件全由美方控制。从技术层面上讲，与引进设备是一致的，属同一水准。国产晶体生长炉和进口晶体生长炉相比存在的差距主要表现在晶体产品的完整性与均匀性、元器件的稳定可靠性和设备的控制水平、自动化程度等几个方面。例如ＫＡＹＥＸＣＧ６０００型单晶炉和ＫＡＹＥＸｌ５０型单晶炉可以实现从抽真空一检漏一熔料一引晶一放肩一转肩一等径一收尾直到关机全过程的自动化控制，而国产单晶炉仅能实现等径一收尾过程的自动化控制。另外，由于东南亚的金融危机及国外半导体硅材料生产厂家的升级换代，使得原有的设备廉价出售，趁此时机国内半导体硅材料生产厂家竞相购买，国产单晶炉相对于进口单晶炉的价格优势不复存在。１．２直拉单晶炉控制系统概述晶体产品的完整性与均匀性是晶体生长炉最关键的技术指标，要求在长达３０－．４０个小时的成晶过程中确保晶体的无错位生长，同时尽可能避免晶体的内应力与微缺陷；因此需要让硅单晶按要求进行有规律地生长，这就对晶体的圆柱直径、生长速度的均匀性提出了很高的要求。另外，在整个过程中，渗杂剂在轴向以及径向分布的均匀性、氧含量的均匀性也都直接影响了产品的质量。要达到上述的技术要求，除了对单晶炉的机械本体的加工、安装精度有较高的要求之外，作为单晶炉核心的自动控制系统部分显得尤为至关重要。国外的直拉单晶炉的自动控制技术比较成熟，比如美国ＫＡＹＥＸ公司的直拉单晶炉能够实现从抽真空一检漏一熔料一引晶一放肩一转肩一等径一收尾１１６】。０７１Ｎ关机的全过程由计算机实行全自动控制，并且晶体产品的完整性与均匀性相当好，等径生长时直径偏差在单晶全长内仅－，－ｌｍｍ。国产晶体生长炉只能实现等径一收尾的自动控制，而且用国产晶体生长炉生产晶体产品，其完整性与均匀性都远远低于进口晶体生长炉或合资企业生产的晶体生长炉，还很难达到电路级的要求，产品大部分只能用于太阳能市场，而不能进入Ｉｃ行业的芯片市场。晶体生长炉自动控制系统是整套晶体生长炉的核心，包括硬件与控制策略两大部分。硬件部分包括加热电源功率控制系统、坩埚旋转与升降系统、籽晶旋转与升降系统、硅单晶直径测量与控制四大主系统，以及氩气保护系统、系统冷却及故障自保护系统、液压油源等辅助系统．控制策略又是整个晶体生长炉自动控制系统的重中之重．要提高晶体产品的完整性与均匀性，关键就在于自动控制系统如何对坩埚内熔液的温度、加热器功率、坩埚与籽晶旋转速度特别是籽晶提升速度等多个参数的协调控制，即等径阶段的自动控制策略。整个晶体生长炉是一套集晶体生长理论，热流体场理论、机械、电子、传感、浙江大学硕士学位论文液压、真空、自动控制等于一体的复杂设备，需要通过自动控制系统完成抽真空一熔料一引晶一放肩一转肩一等径一收尾的全过程，并确保最终晶体产品的完整性与均匀性。在晶体生长过程中，为了最大限度地免除人为因素对生长过程的干扰，必须最大限度地提高生长设备的稳定性、精确性和自动化程度。在这方面，国内外生产厂家都作了大量的技术改进和提高。１．３直拉单晶炉热场、影响因素１－３．１直拉单晶炉热系统和热场直拉单晶炉热系统由加热器、保温系统、支持机构、托杆、托碗等组成，加热器是热系统的主体，用高纯石墨制成。保温系统用石墨制成，也有用碳素纤维、碳毡、高纯石英、钼片和高纯石墨其中几种材料混合组成ｆ１８】。热系统的大小、高矮、厚薄不同，温度的变化不同，常用温度梯度从数量上描Ｊ个述热系统的温度分布情况。所谓温度梯度，指温度在某方向的变化率，用竿表示，ｄｒ指某点的温度Ｔ在，方向的变化率。在一定距离内，某方向的温度相差越大，单位距离内温度变化也越大，温度梯度也越大。反之，温度相差越小，温度梯度也越小。于是，仿照力学上的力场，电学上磁场的描述，称这种热力学上的温度分布为“温度场”，通常称为“热场”。单晶炉内的热场在整个拉晶过程中是变化的，因此，上面所说的热场，包括静态热场和动态热场两种形态。静态热场指多晶硅熔化后，引晶时候的温度分布状况，由加热器、保温系统、坩埚位置及周围环境决定。动态热场指拉晶时候的热场。拉晶时，由于晶体生长放出结晶潜热，影响温度分布，熔体液面下降，使温度分布发生变化，而晶体生长的表面积增加，散热面积增加，温度分布也发生变化，这样温度梯度不断变化的热场称为动态热场。动态热场是晶体生长时的实际热场，它时在静态热场的基础上补充变化而来的。硅单晶是在单晶炉热场中进行生长的，热场的优劣对硅单晶的生长和质量有很大影响。硅单晶生长过程中，好的热场，不但单晶生长顺利，而且能生长出高质量的单晶。不好的热场，不但根本生长不出单晶，即便生长出单晶，也容易发生晶变，变成多晶或有大量的结构缺陷。因此，寻找较好的热场条件，配置最佳热场，是直拉硅单晶生长工艺非常重要的技术。浙江大学硕士学位论文ｆ＼／、Ｏ温度Ｔ＃０加热器纵冉温度分布示意囝加热器径向温度分布示意图图１—６加热器纵向和径向温度分布示意图热场主要受热系统影响，热系统变化，热场一定要变化。加热器是热系统的主体，是热场的关键部件，因此，了解加热器内温度分布状况对配置热场是非常重要的，如上图１－６。从图１－６加热器纵向和径向温度分布示意图看出：加热器纵向温度分布，以中心为基准，中心温度最高，向上和向下温度逐渐降低，它的温度变化率称为纵向温度梯度，用坚表示。加热器的径向温度分布，中心温度最低，越靠近加热器边缘，缈温度逐渐增高，成抛物线状，它的温度变化率称为径向温度梯度，用坚表示。ｄｘ硅单晶生长时，热场中存在着晶体（固体）和熔体两种形态。因此，温度梯度也有两种。晶体中的纵向温度梯度用（婴）ｓ表示，径向温度梯度用（孕）。表示。戤掣熔体中的纵向温度梯度用（譬）。表示，径向温度梯度用（孕）。表示。这是两种积卿完全不同的温度梯度。但是，最能影响熔体结晶状态体是第三种温度梯度，即生长界面的温度梯度，用（婴）札和（鍪）礼表示。它是晶体结晶、熔体状态和环境三积缈者的传热、放热与散热综合影响的结果，在一定程度上决定着生长的硅单晶质量。晶体生长时，硅单晶的温度梯度粗略讲，离结晶界面越远，温度越低，即纵向温度梯度大于零，如图１．７。浙江大学硕士学位论文ｔ，图ｌ－７晶体纵向温度梯度示意图晶体的纵向温度梯度足够大时，才能使硅单晶生长时产生的结晶潜热和熔体传给单晶的热量及时传走，保持结晶界面温度的稳定。若晶体的纵向温度梯度较小，晶体生长放出的结晶潜热和熔体传给的热量不能及时传走，硅单晶的温度会升高，结晶界面的温度也会升高，熔体表面的过冷度减小甚至温度超过熔点，硅单晶的正常生长就会受到影响甚至产生回熔。如果晶体的纵向温度梯度过大，熔体传给晶体的热量和结晶放出的潜热虽然及时导走了，但是由于晶体散热快，熔体表面的一部分热量也被散掉，使结晶界面温度降低。熔体表面过冷度赠答，可能产生新的不规则晶核，使晶体变成多晶，同时，熔体表面过冷度增大，单晶可能产生大量的结构缺陷。总之，晶体的纵向温度梯度要足够大，但不能过大。Ｊ个晶体正常生长时，熔体温度分布概略地说，即（竺｝）Ｌ大于零。如图１．８。Ｔｔ●ｙｒ图ｌ－８熔体各种不同纵向温度梯度及晶体生长状况熔体的纵向温度梯度较大时，如图中（ａ），离开液面远，即越深入导熔体内部温浙江大学硕十学位论文度越高，即使熔体温度波动有少量温度降低，因为生长界面以下熔体温度高于结晶温度，不会使晶体局部有较快的生长，结晶界面较平坦，晶体生长是稳定的。熔体的纵向温度梯度较小时，如图中（ｂ），结晶界面以下的熔体温度与结晶温度相差很小，熔体温度波动时，温度降低可能生成新的晶核凝结在硅单晶表面，使硅单晶发生晶变，晶体生长不稳定。当熔体表面较厚的一层处于实际结晶温度时（低于熔点温度），硅单晶生长更不稳定。特殊情况下，熔体温度梯度为负值，即离结晶界面越远，温度越低。熔体内部的温度低于结晶温度，硅单晶会不规则地长入熔体，无法得到单晶，如图（ｃ）。热场的径向温度梯度，包括晶体的径向温度梯度，熔体的径向温度梯度核生长界面的径向温度梯度。由于熔体周围由加热器供热，一般说来，熔体的径向温度梯度总是正值，但是，硅单晶整个生长过程中生长界面的变化表明，结晶界面的径向温度梯度由大于零变到等于零和小于零，如图１－９。Ｚ图１－９晶体生长过程中径向温度梯度和界面情况示意图从图中可以看出：硅单晶最初等直径生长时，生长界面凸向熔体，界面的径向温度梯度是正值，随单晶不断的增长，结晶界面由凸向熔体逐渐变平，界面的径向温度梯度逐渐趋近于零。一般说来，硅单晶中部结晶机诶马平坦，界面的径向温度梯度等于零．单晶逐渐生长到尾部，平坦的生长界面逐渐凹向熔体，越接近单晶尾部，生长界面越凹。这说明，单晶生长界面的径向温度由等于零变为负值，而且负值越来越小。坩埚里整个熔硅表面，由于熔硅的传热与硅单晶结晶放出结晶潜热，还有晶体散热三个因素影响，单晶最初生长可以近似认为熔硅表面径向温度梯度大于零，单晶生长到中部时，可近似地认为熔硅表面径向温度梯度等于零，硅单晶生长到尾部时，熔硅表面的径向温度梯度由小于零到大于零，温度梯度变化成倒人字形．综上所述，一个热系统，合理的热场温度分布应该是：（１）面的纵向温度梯度尽可能大，这样，才能使单晶生长有足够的动力。但是，能过大，单晶既能良好生长，又不产生结构缺陷和产生晶变，应尽量使温度梯度变浙江大学硕士学位论文化平滑，不产生温度突变，不使单晶生长受到较大的热冲击。（２）生长界面的径向温度梯度尽量接近零或等于零，保证结晶界面平坦。１．３．２影响热场温度梯度的因素生长高质量的单晶，一个重要的条件就是有一个合适的热场ｆ１８ｌ。ｆ捌。好的热场不但拉晶过程顺利，拉出的单晶的电阻率均匀性也好，结构缺陷少，质量高。不好的热场不但拉晶操作复杂，拉出的单晶电阻率均匀性也差，结构缺陷多，质量较差。为了提高单晶质量，需要单晶生长界面平坦，要求有等于零或稍小于零的径向温度梯度。而温度梯度的大小很大程度上决定与热系统的结构，包括加热方式，加热器、坩埚大小、保温罩，托碗的形状和尺寸，决定于它们之间的相对位置。界面附近的空间纵向温度梯度大，意味着晶体散热快，因此，增大纵向温度梯度可以适当提高坩埚位置或者提高熔体液面位置（多装料），也可以适当降低保温罩的高度，加快单晶散热速度也可以提高热场纵向温度梯度。单晶的散热速度和晶体所处的环境密切相关，设法增大熔体和上部空间的温差，就能增大热场纵向温度梯度，增大熔体中心部分和周围环境温差就能增大径向温度梯度。向单晶炉内通入氩气，改变单晶炉内气体流动路线，均可增大晶体散热，加大热场纵向温度梯度。单晶炉内热场随着单晶生长不断变化，随着单晶长度增加，单晶的表面增大了，散热快了，因此，纵向温度梯度有增大的趋势，然而，随着熔体液面的降低，单晶进入坩埚底部，使纵向温度梯度有减小的趋势，因此，当单晶生长到一定长度之后，纵向温度梯度反而减小。由热系统组成的热场是一个有机的整体，调整热场的纵向温度梯度时，径向温度梯度也会变化。同样的热场，在不同的拉晶条件下，纵向温度梯度也不相同。在真空条件下，纵向温度梯度较小的热场，在有气氛条件下纵向温度梯度可能很大，在流动氩气下梯度更大，减压拉晶时可能合适。总之，热场温度梯度大小不但决定于热系统本身影响，还决定于拉晶条件。对某种电学参数的单晶，合适的热场条件只能根据单晶参数的要求作出初步判断，较佳热场的具体条件只有通过试验才能最后确定。１．４直拉单晶炉热场控制系统１．４．１直拉单晶炉热场控制系统及测试平台直拉单晶炉热场温度控制系统包括热场系统和电气温度控制系统。其中热场系统包括石墨加热器、石墨坩埚、石墨支座、石墨一碳毡保温罩、石墨保温罩和石墨电极，其中加热器是热场的主体．电气温度控制系统包括电气控制柜，可控硅整流，温度传感器等。硅晶体产品的完整性与均匀性是晶体生长炉最关键的技术指标，要求在长达３０－４０个小时的成晶过程中确保晶体的无错位生长，同时尽可能避免晶体的内应力浙江大学硕士学位论文与微缺陷；因此需要让硅单晶按要求进行有规律地生长，这就要求有一个精确的、稳定的热场温度控制晶体生长环境。为此我们开发了一套基于ＰＬＣ的模块化直拉单晶炉热场温度控制器，以此为控制控制和测试平台，其中可编程终端ＰＴ触摸屏良好的人机界面可以方便的进行手动、自动切换，以及完成存储数据和绘制温度控制曲线等功能。通过以上这个温度控制和测试平台，我们用各种控制算法来对直拉单晶炉热场温度进行控制，比较其控制性能。由于控制系统采样ＰＬＣ为核心，因此我们可以将比较复杂的控制算法直接移植到直拉单晶炉热场现场温度控制中，在不提高直拉单晶炉热场温度控制系统价格的前提下，提高直拉单晶炉热场温度控制的控制效果。直拉单晶炉热场温度控制系统以及测试系统组成如图３—１所示（模块化直拉单晶炉热场温控系统、ＰＴ触摸屏、温度信号采集系统、加热控制输出系统）１２６Ｊ～３ｑ。人控制指令机界面实时数据、、Ｊ模块化控制系统＼１系统ｒ、ｒ一———卜Ｊ加热控制输出Ｌ———Ｊ、直拉蓖晶—叫系统ｒ－—叫炉热场图３—１直拉单晶炉热场温度控制系统及测试系统１．４．２直拉单晶炉热场控制方式直拉单晶炉热场温度控制系统一般以控制功率反馈与温度反馈相结合，控制方式一般采用三相可控硅控制系统，输出功率的稳定度要求达到Ｏ．１％～０．５％，调节精细。在保温罩侧面上有一个圆形开孔，开孔位置与炉膛上的一个测温窗口对应，炉外有一个红外测温仪，可监测保温罩内侧的的石墨圆筒壁的温度，从而达到控制拉制硅单晶温度的目的。在操作上，温度的控制一般有三种方式【３２ｌ‘［４３１。（ａ）手动调节加热功率，使用电位器调节加热器的电压，从而使加热器达到一定的加热功率。（ｂ）通过监测保温罩石墨内筒的温度，对温度进行自动设定和调节，保温罩石墨圆筒的亮度与加热器的温度有关，炉外的温度传感器（红９ｔ＇灏１温仪）将这个光信号转换成电信号，并给出一个读数，这个读数与设定的读数相比较，来控制加热功率。这个读数只是一个相对读数，并不代表实际温度，传感器保温圆筒的对准程度，保温罩与加热器之间的距离都会显著改变这个读数，严格的说，每一炉这个数值都会发生变化，但在条件改变不大的情况下，上一炉的数值可作下一炉拉制硅单晶的参考。１８浙江大学硕士学位论文（ｃ）通过设定拉速实现温度的自动控制，速度可随时手动调节，也可按工艺要求预先设定工艺，即按拉晶的长度设定拉速，控制系统根据某一时段内实际平均拉速和设定拉速的差来控制温度，当实际拉速大于设定拉速时，增大加热功率，当实际拉速小于设定拉速时，降低加热功率，差值的大小控制加热功率的变化量。１．４．３热场温度控制算法根据直拉单晶炉拉晶工艺，要求各生产工艺阶段温度不同，应用可控硅加热来保证热场具有要求的温度分布和温控精度，同时应具有足够快的温升速度，以满足拉晶工艺，保证制品质量，提高生产力的要求。由于加温系统存在大惯性，所以加热系统是一个纯滞后，大惯性多边量的非线性时变系统１４４１’１６１１。直拉单晶炉热场温度控制系统的控制算法一般有：一、位置式ＰＩＤ控制算法由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此，微分项和积分项不能准确的计算出，只能用数值计算方法逼近。位置式的ＰＩＤ控制算法为：．Ｌ％一七【弓＋Ｔ／Ｔ，＞：Ｐ，＋乃／Ｔ（弓一·轧１）】（１．１）衙还可得到增量式ＰＩＤ控制算法：．Ａ吩－ｕｊ—ｑ．１－七【岛一岛－１＋ｒ／霉巳＋瓦／ｒ（岛一２巳．１＋ｅｆ－２）】（１．２）计算机控制系统采用恒定的采样周期Ｔ，故在确定了ｋ，Ｔｓ，Ｔｄ后，根据前后三次的测量偏差就可以求出控制增量。实际上，位置式与增量式控制对整个闭环系统并无本质差别，只是将原来全部由计算机承担的算式，分出一部分由其他的部件完成。二、积分分离ＰＩＤ控制算法在一般的ＰＩＤ控制系统中，当开工、停工或大幅度下降给定值时，由于短时间内产生很大偏差，加上系统有滞后，常会产生严重的积分饱和现象，这往往造成很大的超调和长时间的振荡。特别对于温度、液面等变化缓慢的过程，这一现象更为严重。为了克服这个缺点，可以采样积分分离手段，即在被控量开始跟踪时，取消积分作用，而当被控量接近新的给定值时才将积分作用投入。采取这一措施后，可以充分发挥积分作用在消除静差、提高精度方面的优点，避免由于加强积分作用而带来的系统稳定性交化和最大偏差增大的缺点。有人做过统计，工业控制策略９５％采用ＰＩＤ控制，目前大部分直拉单晶炉热场温控系统采用的是上述两种ＰＩＤ控制算法，控制精度不是很理想，超调不超过３℃。ＰＩＤ参数由人工现场输入，调试很费时间。另一方面，由于环境不同，ＰＩＤ参数不一样，即使同一用户，ＰＩＤ参数也要随环境变化作相应的修改，但ＰＩＤ参数调整起来对于操作者来说比较困难且非常费时，因为一般的现场操作者并不具备这样的技能，所以有必要采用一种算法，能适应这些工况的变化．模糊变系数ＰＩＤ控制可以达到浙江大学硕士学位论文这样的效果，这是第三章研究的重点。１．５ＣＺｌ５０单晶炉简介北京有色金属研究院是国内唯一拥有１５０ｋｇ投料量的大型单晶炉企业。其中ＣＺｌ５０单晶炉是１９９７年从美Ｉ垂ｌＦｅｒｒｏｆｌｕｉｄｉｃｓ公司购买的１５０ｋｇ投料的直拉单晶炉，可以生产直径１２”的单晶。ＣＺｌ５０单晶炉及其控制柜如图１．１０所示。图１．１０Ｃｚｌ５０单晶炉及其控制柜ｃｚｌ５０９晶炉的主要技术规范如表２所示。表２ＣＺｌ５０单晶炉的主要技术规范晶体直径８”（２００ｍｍ）熔料量１５０ｋｇ晶体长度７５”（１９００ｍｍ）晶体拉速·Ｏ．１．１０．０ｒａｍ／ｒａｉｎ晶体快速（一般）２４ｉｎ／ｍｉｎ（６１０ｍｍ／ｍｉｎ）籽晶有效行程２５００ｍｍ坩埚有效行程５５０ｒａｍ坩埚升速·０．０１—７．０”／ｈｒ（ｏ．０５－３．０ｍｍ／ｍ询晶体转速‘（可逆）１－２５ｒｐｍ坩埚转速’（可逆）１－２５ｒｐｍ真空泵主泵２２１ｅｌｍ（６２６０Ｉ／ｒａｉｎ）（推荐）副泵６０曲Ⅱ（１７００ｌ／ｍｉｎ）浙江大学硕士学位论文电源３８０／４６０ＶＡＣ，５０／６０Ｈｚ，６００ＡＭＰ流速：４５４Ｌｉｔｅｒｓ／Ｍｉｎ冷却水最小压力：３．３ｋｇ／ｃｍｚ（４５．５ｐｓｉ）入口最高温度：３０。Ｃ最高压力：５．６ｋｇ／ｃｍ＇（６０ｐｓｉ）氩气流量２００ｓｌｐｍ注：表２中有符号“木”的表明该性能是有软件控制的，ｃｆｍ：立方英寸／分ＣＺｌ５０单晶炉可适用坩埚指标如表３所示：表３ＣＺｌ５０单晶炉可适用的坩埚坩埚直径１８．Ｏ”２２．０”２４．０”坩埚高度１３．５”１５．１２”１４．９６”装料量６０ｋｇ１００ｋｇ１５０ｋｇＣｚｌ５０的自动控制部分是用ＰＩ．．Ｃ来实现的，可靠性比较高。自动完成从抽真空一检漏一熔料一引晶一放肩一转肩一等径（包括等径直径控制和等径磁场控制）一收尾直到关机全过程的生长硅单晶的自动化控制设备。在ＣＺＩＳＯ单晶炉上生长的硅单晶的完整性与均匀性均比较好。由于软件控制操作系统比较复杂，而且是在ＤＯＳ环境下操作的，这对于现在熟悉Ｗｉｎｄｏｗｓ的工人来说不是一件好事情，ＣＺｌ５０单晶炉一直使用不理想，成品率不高。由于由国外公司对该控制系统进行改造，成本很高，因此该设备一直没有使用起来。１．６本论文的研究内容和方法１．６．１课题来源随着硅单晶在高技术应用领域的不断推广，对单晶体的需求量在不断增加，直拉单晶炉控制系统的需求量越来越大，另一方面，旧的直拉单晶炉控制系统也亟待更新改造，课题来源是改造北京有色金属研究院ＣＺｌ５０直拉式晶体生长炉项目。热场控制系统的技术要求：１．０炉温设定范围：Ｏ～１７００℃２．Ｏ炉温测定范围：０～１６００℃３．０控制精度：±Ｏ．５℃～±１℃４．０工艺参数设定：ＳＯＰ输入浙江大学硕士学位论文５．０具有超差及事故的声光报警功能。１．６．２研究内容和方法本论文讨论了基于欧姆龙ＰＬＣ为核心的直拉单晶炉控制系统中热场温度控制器的软硬件设计方案，并对其控制策略进行了研究，主要是模糊交系数ＰＩＤ控制算法。本论文的内容如下：第一研究晶体的热动力、热传输，在此基础上对热场建模。第二对热场进行测试，然后应用模糊变系数ＰＩＤ控制算法对热场系统进行控制。第三对基于ＰＬＣ的模块化直拉单晶炉热场温度控制系统的硬件实现作了研究。第四对基于ＰＬＣ的模块化直拉单晶炉热场温度控制系统的软件实现作了研究。第五热场温度控制各影响因素的试验以及在生产现场的拉单晶试验。第六总结和展望。Ｆｅｒｒｏｆｌｕｉｄｉｃｓ公司的ＣＺｌ５０单晶炉是目前国内生长硅单晶最大的炉子，国内此规格的单晶炉都是进口的，价格非常昂贵。改造ＣＺｌ５０单晶炉控制系统，可以促进我国大直径、高质量的单晶炉设备生产，通过对坩埚内熔液的温度、加热器功率、坩埚与籽晶旋转速度特别是籽晶提升速度与热场温度等多个参数的协调控制，提高大直径国产生长炉晶体产品的完整性与均匀性，使之达到电路级的要求，自动控制系统的整体水平达到目前国际先进水平，为我国单晶炉设备生产技术的提高打下坚实的基础。该晶体生长炉自动控制系统所涉及的主要技术指标可达目前国际先进水平。浙江大学硕士学位论文第二章直拉单晶炉热场建模摘要：主要研究了直拉单晶炉熔体的生长过程中结晶的驱动力、晶体的热运输，在此基础上进行直拉单晶炉热场的建模。２．１熔体中生长单晶的特点晶体的温度高于熔点时，固体就熔化为熔体，熔体的温度低于凝固点时，熔体就凝固成固体。晶体生长过程只是由液相到固相的相变过程。熔体在受控制下定向凝固，原子（或分子）的空间点陈由无序排列到有序排列，由多晶变为单晶，这种原子从无序结构到有序结构的转变不是一个整体效应，而是通过固一一液界面的移动逐渐完成的。熔体生长的目的是为了得到高质量的单晶体，为此，首先要在熔体中形成一个单晶核（加入籽晶，或自发成核），然后，在晶核和熔体交界面上不断地进行原子或分子的重新排列而形成单晶体。只有晶核附近的熔体温度低于凝固点，晶核才能不断长大，因此，生长界面必须处于过冷状态，同时，为了避免出现新的晶核和避免生长界面不稳定，过冷区必须集中于界面附件狭小的范围之内，熔体的其余部分处于熔点或过热状态。结晶过程中释放出来的潜热不可能通过熔体来导走，而通过生长着的晶体导走。通常，生长晶体处于较冷的环境中，通过传导和表面辐射导走热量。随着晶体长大，界面随着熔体减少向前推进，界面附件的过冷度逐渐减小，过冷度最终趋于零。为了始终保持熔体一定的过冷度，必须加快散热，晶体生长才能继续进行。另一方面，熔体的温度通常高于单晶炉膛内温度，为了使熔体保持适当的温度，加热器必须不断地供给热量。上述的热传输过程在晶体生长系统中形成一个温度场（或者说形成一系列的等温面），它决定着固液界面的形状。因此，在熔体中生长晶体，热量的传输问题将起着支配作用，决定晶体好坏。掺杂量打的或份量不相宜的化合物，生长单晶时，生长界面会出现溶质析出，溶质析出由界面附件溶质的浓度变化支配，而溶质浓度取决于熔体中溶质的扩散和对流过程，溶质扩散和对流也是从熔体中生长单晶的重要问题。从熔体中生长晶体，一般有两种类型：（ａ）晶体与熔体具有相同的成分。纯元素和同成分熔化的化合物（具有最高熔点）属于这一类，这类材料是单元体系。在生长过程中，晶体和熔体的成分均保持恒定，熔点不变，有较高的生长速度，容易制得高质量的晶体，如Ｓｉ、Ｇｅ等单晶。（ｂ）生长的晶体与熔体成分不同，有掺杂的元素或化合物单晶属于这一类。这类材料实际上是二元或多元体系．如直拉硅单晶中掺Ｐ、掺Ｂ和砷化稼单晶。这类晶体生长时，晶体和熔体的成分不断变化，凝固点随着熔体成变化而变化，凝固点是不确定值。此外，熔体生长过程中不仅存在着固一一液平衡问题，还存在着固一一气平衡浙江大学硕士学位论文和液一一气平衡问题。蒸气压或离解压较高的材料（如ＧａＡｓ）在高温下某种组分的蒸发使熔体偏离需要的成分，过剩的其它组分将成为有害的杂质。这一类单晶生长技术比较困难。晶体生长完毕后，必须由高温降至室温，有些材料在此温度范围由固态相变（包括脱溶沉淀和共析反应），给晶体正常生长带来很打的困难。２．２结晶过程的驱动力结晶固体区别于其熔体的主要标志是前者具有结构对称性。一种或多种原予的规则排列，构成了晶体点陈，点陈的对称性决定了各个原子的平均位置，原子对之间的结合力使晶体成为刚性的固体。要使结晶固体转变为熔体，需要提供能量来削弱这种结合力，使原子脱离点陈所决定的平均位置而随即分布，通常采用加热的办法使固体在其熔点温度完成这一转变，所施加的热量就是熔化潜热（Ｌ）。当熔体凝固时，这部分潜热又被释放出来，以降低系统的自由能，只有自由能减小时，晶体才能生长。因此，被释放的自由能，即固、液两相之间自由能的差值ＡＧ是结晶的驱动力。吉布斯自由能可表示为Ｇ＝Ｈ－－ＴＳ，式中Ｈ是焓，Ｓ是熵而Ｔ是绝对温度。在固一液平衡温度￡，两相之间自由能的差值为零，即ＡＧ一（只一Ｚ￡）一（月ｊ－ｒ，咒）一０（２．１）于是乏瓴－ｓ，）·（巩一只）即ＡＳ。坐（２．２）ｔ下表Ｓ和Ｌ分别表示固相和液相，△ｓ是熔化时熵的变化（即熔化熵），ＡＨ是熔化时焓的变化（即熔化潜热）。当温度不是平衡温度时（即系统的实际温度Ｔ不等于￡）ＡＧ一△日一Ｚ△Ｓ（２．３）将（２．２）式代入（２．３）式即得到ＡＧ．—Ａｎ（ｒ，—－ｒ）（２．４）互熔体凝固时定压比热ｑ有变化，从而改变了相变焓，于是自由能变化的精确表示式为：协（Ａｎ一扣ＡＴ）等（２．５）浙江大学硕士学位论文式中△Ｃ。是固、液两相比热的差值，△ｒ＝￡一Ｔ是过冷度。在一般情况下，一个晶体一熔体系统，究竟是熔化还是凝固，这取决有一定的条件。我们知道一种材料若能以两种相存在时，则ｆｌ由能较小的一个相是稳定相，也就是说系统总是向着自由能减小的方向发展，于是ＡＧ应该是一个负值。对于熔化过程来说，Ｍ－／为正值（系统吸收热量）而￡总是正值（Ｔ为绝对温度），于是，根据（２．４）式，只有当￡一Ｔ为负值时，才能使ＡＧ＜０，即Ｔ＞Ｔｃ是熔化的必要条件。同样，对于凝固过程，△日为负值（系统释放能量），因此，只有当Ｚ—Ｔ为正值时，才能使ＡＧ＜Ｏ，Ｔ＜Ｔｃ是从熔体种生长晶体的必要条件，如图２—１对上述问题作了直观的说明。图２－１固一液系统的Ｇ—Ｔ关系结晶过程中释放出来的潜热，也必须由界面导走，如果这部分热量不能全部导走，界面附近的温度将会升高，于是Ａ丁减小，从而减小了结晶驱动力。当Ｔ＝Ｔｃ时，ＡＧ＝Ｏ，这时晶体停止生长。２．３熔体的热传递根据流体力学分析，用直拉法生长单晶时，石英坩埚中的熔硅中有两种液流，一是由温度差异在重力场中产生的自然对流，另一种是由于晶体和坩埚的旋转产生的强迫对流。不管那种对流都会影响熔体热量和质量的输送，热量的输送影响着生长界面的形状，质量的输送支配着界面溶质浓度的分布，它们对固一液界面的形状，杂质在晶体上的分布和晶体的完整性都有影响。一、自然对流１１９１在直拉炉的熔体中，存在着温度的差异。坩埚底部和边缘的熔体，受热后膨胀密度变小，在重力场中，它们受到浮力的作用。如果产生的浮力克服了熔体本身的粘滞力时，就会产生自然对流。自然对流受容器的几何形状，重力场方向，熟源等的影响。在直拉炉的坩埚中，液流由底部、埚边上升到熔体表面，变冷后再由坩埚浙江大学硕士学位论文中心下降，形成辐条状循环对流。影响熔体自然对流的因素很多：如石英坩埚的几何形状，石英坩埚在加热器中的相对位置，熔体上部空间的状况（真空、气氛），以及加在熔体上的电磁场，外力场（转动）等。它们都影响熔体自然对流的流线。为了描述坩埚中熔体自然对流状态，通常应用流体力学中无量纲瑞利数表示Ｒｏ－ａ讹ｇｌｆｆｄ出Ｔ兰≥为熔体的纵向温度梯度，Ｌ为容器的几何参数（坩埚高度），ｇ为重力加速度，口为熔体的热膨胀系统，ｋ为熔体的热导率，ｖ为熔体的运动粘滞系数。Ｒａ是具有不稳定倾向的浮力与具有稳定倾向的粘滞力的比值。Ｒａ增大时，自然对流加强。熔体中的浮力与粘滞力相等时，熔体的稳定性处于被破坏的临界状态，此时的瑞利数Ｒ的值称为临界瑞利数。熔体的瑞利数＆超过临界值时，熔体产生不稳定的对流——湍流。湍流会引起熔体的温度振荡，干扰生长界面的稳定，使晶体产生生长条纹，影响单晶质量。一般采用以下方法减少自然对流。Ｃａ）调整热场或调整坩埚位置，尽量减小熔体中纵向温度梯度。（ｂ）尽量选用几何形状理想的坩埚。坩埚的几何尺寸对自然对流有很大影响。瑞利数凡正比与Ｌ４，高度合适的坩埚，即直径大高度小的坩埚，对于减弱熔体自然对流是非常有利的。（ｃ）在熔体外加恒磁场，硅熔体的动力粘滞系数增大，使瑞利数Ｒａ减小，对于减弱熔体自然对流效果非常显著。（ｄ）无论采取什么措施，自然对流是不可避免的。生产中一般用强迫对流即晶体和坩埚旋转产生的熔体强迫流动控制自然对流，利用靠近界面处的稳定强迫对流抑制或减弱不稳定的自然对流。只要拉晶时选择合适的晶体转速和坩埚转速，就能够达到减少自然对流目的。二、强迫对流为了加速热量和溶质在熔体内部的传输，常常人为地对熔体进行搅拌。在直拉法中，它是通过晶体和坩埚的旋转来完成的。这种液流流动叫强迫对流。晶体旋转和坩埚旋转所得的强迫流动是不同的，晶体旋转会使熔体由埚底“吸起”呈螺旋状上升，到晶体中心后受离心力作用再沿晶体径向抛出，坩埚旋转产生的强迫流动与自然对流相似，但上升是螺旋状的。强迫对流的状态，可用流体力学的雷诺数表示Ｒ—ｘ＿２ｔｏｄ，ｖ。１∞为晶体转速，ｄ为晶体直径，ｔ，为熔体的运动粘滞系数。一定的热场中，晶体转速速度达到一定值时，强迫对流会使自然对流抑制到较小程度，使单晶生长界面浙江大学硕士学位论文平坦，生长稳定，生长的单晶质量高，这时的雷诺数＆称为该条件的最佳值。晶体转速不断增加，在离心力作用下，熔体沿晶体半径方向不断流出，坩埚底部的熔体不断地沿坩埚中心上升，转速达到某值，＆达到临界值，熔体流动变为湍流。湍流是熔体无规则的相互混杂的流动方式。在湍流中，物质和能量进行着激烈的交换，熔化微区有较大的温度起伏，对均匀熔体中杂质浓度有利，但是，对晶体生长界面的稳定性不利。２．４熔体生长系统的热传输、热场建模２．４．１晶体生长界面处的热输运方程如前所述，晶体生长时所释放的潜热必须从界面附近导走，晶体才能保持稳态生长。如果潜热由熔体导走，这就意味着距离界面愈远，熔体的温度愈低。在这样的条件下，即使是纯材料的生长，界面也会变的很不稳定，即出现枝蔓生长。这种情况在生长单晶时必须避免。通常应该是熔体的温度高于界面温度，而且是距界面愈远，熔体的温度愈高。于是热量就由熔体通过界面而导入晶体，再通过晶体与环境界面导入环境中。如图２—２为在直拉硅单晶炉中生长晶体的热传递示意图。拉晶用的材料多图２—２直拉法生长晶体的热传递晶硅盛于坩埚内受热熔化，由于熔化温度很高，它可通过表面和坩埚壁向外辐射，其热量分别为ＱＲＬ和Ｑ赂，因为从加热炉来的热量是由埚低和埚壁传入熔体中的，它在熔体内形成流向固一液界面的热流ＱＬ。另外，晶体生长时，固一液界面上发生相变，放出结晶潜热ＱＦｏ这些热流，通过晶体热传导和表面热辐射导走，其热量分别为Ｑ’。和Ｑ髂。令Ｑｓ＝Ｑ’。＋Ｑ赂（２．６）在稳态时有ＱＬ＋ＯＦ＝Ｏｓ（２．７）设晶体截面积为Ａ，生长速度为ｆ，潜热为Ｈ，晶体的密度为ｄ，则有浙江大学硕士学位论文ＱＦ—ｆ．Ｈ．Ａ．ｄ（２．８）幺一吒白。叫ｇ—ｋ（万ｄＴ）ｓ“（２．９）（２．１０）Ｋｂｌ【ｓ分别为熔体和固体的导热系数；（西ｄＴｋ，（云ｄＴ％分别为熔体和固体中的温度梯Ｕ白¨山度。把他们代入式（２．７）得矾（》ｄＴ＋∥·删－以（参表达式（２．１１）式（２．１１）称为界面热流连续方程，它是熔体生长晶体的基本方程，可以用来分析许多实际问题。如晶体生长速率的估算，由式（２．１１）可直接得出晶体生长速率的（２．１２）由式（２．１２）可知，决定晶体生长速率主要是熔体和固体的温度梯度，如要提高晶体生长速率，固体的温度梯度应越大越好，熔体的温度梯度越小越好。然而考虑到晶体的完整性，这两者都是有限制的。如固体温度梯度过大，结晶面会发生弯曲产生大的热应力，从而是位错增加。熔体中温度梯度太小，固一液界面会不平坦，甚至在结晶千里现蜂窝或枝蔓结构，影响晶体质量。理论上当（等）。－－０时，晶体生长速率最大，－鲁勃２．４．２晶体中的热场建模（２．１３）合适的晶体生长条件主要是要保持一个合适的相变驱动力场。对于熔体生长系统，相变驱动力场即温度场，简称为温场，实际生产中也往往称为热场。生长系统中的温度一般地说是空间位置和时间的函数；对于相对比较稳定的温度场可以近似地认为与时间无关，称为稳态温度场。晶体中的热场是指晶体中轴向和径向的温度分布．在熔体生长系统中，其各个部分的温度是不同的，熔体和晶体中的温度分布，特别是两者之间的界面形状是熔体生长中的一个重要问题，它直接影响着晶体的内部质量，对晶体生长行为有着直接的影响。生长系统中的温度分布取决于系统中的热传输过程，它涉及传导、对流和辐射三种传输机制以及它们之间的相互作用．如果考虑到熔体生长中，各种可能２８浙江大学硕士学位论文的影响因素（包括非稳态效应），那么这个问题将是十分复杂的，为了方便起见，做了如下几点简化：１．忽略了籽晶导热；２．无放肩部分；３．晶体各向同性；４．单晶炉热场为圆柱对称，并与晶体旋转轴同轴。研究晶体中的热场所采用的数学模型如图２．３所示。晶体的半径为ｒＩ，长度为ｌ，密度为ｄ，比热为ｃ，热传导系数Ｋ皆为常数；同时假设晶体中的热场为稳态温场（在运动坐标系中原点固定在固一液界面的０点上）。根据热传输方程，．Ｌ＿ｒ＋ｖ堕。七ｖ７，可得到稳态温度场中晶体的热传导方程为珊钇Ｖ２Ｔ。０（２．１４）ｏ环境温度图２－－３晶体和熔体的热流采用圆柱坐标系可得到罢４－一１—０Ｔ＋１坚＋粤．ｏａｒ２，ａｒ。ｒａ舻２。ａｚ２”近似地认为直拉法单晶炉中的热场具有圆柱对称性，其对称轴是晶体的旋转轴ｚ，故Ｔ只是ｆ，Ｚ的函数而与妒无关，故有０Ｔａ－７４－一１—０Ｔ＋坚。０７石＋矛。（２．１５）忆’为便于求解上述方程（２．１５），引入相对温度函数Ｏ（ｒ，ｚ）代替Ｔ（ｒ，ｚ），仍不失去普遍性。为此，令浙江大学顽士学位论文Ｏ（ｒ，ｚ）一Ｔ（ｒ，ｚ）－ｒ．Ｔｏ为环境气氛温度。代入（２．１５），则有：粤＋三塑＋宴。ｏａｒ。ｒａｒａｚ２（２．１６）上式的边界条件为当Ｚ－－０时，０一吒一瓦一Ｔｏ当Ｚ＝ｌＩｔ，ｌ，一／Ｃ当ｆ２ｒａ时，一Ｋｏｊ７０。￡。ｐ４－ｅＲｐ．卵ｏ．ｏ．￡。一＋￡Ｒ口。￡ｐ其中‘是平衡温度，即凝固点，￡称为热交换系数，是对流热交换系数‰和辐射交换系数％之和。令詈－ｈ，当ｈ十分小，满足边界条件的微分方程（２．１６）式的近似解为．舢吒鬻唧降偿．ｚ】眨忉（１一圭＾‘）【‘Ｊ由式（２．１７）可导出晶体中温度梯度矢量沿轴向和径向的分量为等。咆争胆望言！襄孑唧［－争“·ｚ】警～吒煮云卟争ｚ】面＃２０～２‘ｈ是ｈ＜＜１（锄）．１．从式（２．１７）至（２．２０）可以得出ｃ２邶，晓伪ｅｘｐ。［审彪·ｚ】旺２。，式中Ｊ｜ｌ。云为晶体与环境的热交换系数乎与晶体本身的热传导系数Ｋ之比值，一般（１）相对温度一与妒无关，只要Ｚ和ｒ相同，温度一（ｚ，ｒ）就一样。即在晶体同～高度水平面上（ｅＰｚ＝常数），以ｒ为半径的圆周上（ｒ为常数）的任意点的温度都相同。可见，Ｚ轴是温场的对称轴。浙扛大学硕士学位论文（２）通常ｈ＜＜１（ｃＩｎ）一，若ｒＩ的量级为１～２ｃｍ，故不管ｈ的正负，式中（２．１７）１分母（１一去忱）＞，由（２．１７）可知，如果ｒ为常数，则口＝（常数）·ｅｘｐ卜（常数）．ｚ１。二即晶体中的温度分布是随ｚ的增加按指数关系降低。（３）由式（２．１７）还可看出，当ｚ为常数时，即在同一高度的水平面上，有萨＝（常数）．（１＿ｈｒ２／２ｒ．）。当ｈ为正值时，（即环境气氛冷却晶体时），晶体中的温度０将随ｒ增大而降低。即晶体中的等温面凹向熔体，如图２—３（ａ）所示；如果晶体生长时在某些条件下，晶体中的热量不能通过晶体表面耗散到环境中去，反而周围环境热量流向晶体，就是说此时是ｈ＜Ｏ的情况，则口表达式可知，晶体中在同一高度水平面上的温度０将随ｒ的增大而升高，则此时的等温面凸向熔体如图（ｂ）所示。硅晶体硅晶体、、’’—．一一嘲，，＋—、、嘲．＿，，。１’＿、９４３∞０、，－—一一一８５０ｇ铂（ａ）（ｂ）图２－３硅晶体中的温场（４）由式（２．１８）、（２．１９）可知：晶体中温度梯度的轴向和径向分量都随ｚ的增加而按指数律减小。当ｚ为常数，即在同一高度的平面内，由式（２．１８）有罟稚数）．ａ＿盈ｈｒ）可以看出，当ｈ＞Ｏ时（即晶体中的热量主要是通过晶体表面向环境耗散时），在同一水平面上，轴向温度梯度等随ｒ的增加而减小，即晶体边缘的轴向温度梯度小于中心轴向温度梯度。或者说：中心轴处的等温面密集程度大；而当ｈ＜Ｏ时（即周围热量流向晶体时），塑将随ｒ的增加而增加，即晶体边缘处的轴向温度梯度大于晶体中心处轴向温度梯，－ｑ度７。或者说：晶体边缘处的等温面密集程度大．由式（２．１９）可得掣．一（常数）．ｒ。可看出：在同一高度水平面上，径向温度梯度掣随ｒ线性地变化。当ｈ＞Ｏ时，罂随ｒ的增大而减小，晶体侧面边缘处温度ｄｒｄｒ浙江大学硕士学位论文梯度减小；而当ｈ＜Ｏ时，娑随ｒ的增大而增加，即晶体侧面边缘处的温度梯度比中心轴处的大。由式（２．１８）和（２．１９）可看出：在同一等温面上，轴向温度梯度筹可近似写ａ二成塑．一（２ｈ）１，２口ａＺｒＩ恒为常数；而在同一等温面上，径向温度梯度旦旦可近似写成一ｏｏ．一三ｐ８ｒｒ．Ｏ一冬）由此可见：径向温度梯度娑不仅是ｒ的函数，而且与ｈ有关。因而等温面的分布主要是决定于塑。Ｏｒ２．５本章小结本章首先对熔体中单晶的生长特点、晶体生长热动力、热传递进行了探讨，在此基础上对直拉单晶炉热场进行建模。具体工作如下：１、对熔体中单晶的生长特点、熔体中结晶的驱动力进行研究学习。２、结合工作现场对硅单晶的热传输、热传递进行研究。３、在此基础上进行直拉单晶炉热场建模工作。浙江大学硕七学位论文第三章直拉单晶炉热场模糊变系数ＰＩＤ温度控制算法研究摘要：首先对直拉单晶炉热场的特性进行测试研究，然后模糊变系数ＰＩＤ算法进行控制，通过对试验数据的分析研究，最后用经验知识对模糊变系数ＰＩＤ算法中的参数进行修正，达到理想的控制效果。３．１直拉单晶炉热场温度特性测试直拉单晶炉热场温度特性测试的目的在于全面认识、把握热场对象，并深入了解该系统的性能，以便能设计一个合理的控制方案，并确定系统的控制参数。建立一个合理、准确、适用的模型是比较重要的。这里，采用阶跃响应法建立直拉单晶炉热场温度的数学模型，即通过对热场施加控制信号。测出热场温度的阶跃响应，模型降阶处理直拉单晶炉热场温度加热系统可表示为一阶响应特性（带纯滞后），忽略耦合经辨识得到直拉单晶炉热场温度数学模型。图３—１为功率变化为从８０．８（ｋｗ）变化到５０．４（ｋｗ）的阶跃响应。图３－－２为功率变化为从５０．４（ｋｗ）变化到８０．８（ｋｗ）的阶跃响应。图３—３为功率变化为从８０．１（ｋｗ）变化到７０．２（ｋｗ）的阶跃响应。将直拉单晶炉热场简化为一阶带滞后，结合图３—１、３—２、３－－３，利用经典的阶跃响应辨识法得到直拉单晶炉热场温度数学模型如下：Ｉ参数Ｉ数据Ｋ（＂Ｃ／％Ｐ）１５Ｄ（Ｓ）９７Ｔ（Ｓ）４８５５表３．２．１其中模型表达式：Ｇ。）一丢击ｅ一☆』Ｓ＋上Ｋ为放大倍数，定义为输出温度与输入功率的百分比；Ｄ为滞后；Ｔ为惯性时间常数。浙江大学硕士学位论文图３－－１功率变化为从８０．８（ｋｗ）变化到５０．４（ｋｗ）的阶跃响应。图３—２功率变化为从５０．４（ｋｗ）变化到８０．８（ｋｗ）的阶跃响应。浙江大学硕士学位论文图３—３功率变化为从８０．１（ｋｗ）变化到７０．２（ｋｗ）的阶跃响应。３．２直拉单晶炉热场模糊变系数ＰＩＤ温度控制ＰＩＤ控制是一种线性控制，将设定值Ｗ与实际输出Ｙ进行比较构成偏差ｅ＝ｗ—Ｙ，并按其比例，积分、微分通过线性组合构成控制量。在实际应用中，根据对象的特性和控制要求，也可灵活地改变其结构，取其中一部分环节构成控制规律。考虑到直拉单晶炉热场是一个受埚位、埚转、氩气流量、冷却水流量等因素影响，控制方法采用模糊变系数ＰＩＤ控制，模糊变系数ＰＩＤ控制算法弥补了普通ＰＩＤ算法参数调整困难的缺陷，对现场操作者技能的要求降低，有利于实际的应用推广。３．２．１模糊控制原理一个操作人员对一个工业过程的控制，首先凭借眼睛，耳朵等感觉器官或借助于传感器得到有关输出量和输出量变化率的信息，这是一个精确量。但这些量反映到人的脑子中时己不是一个精确量，而是一个模糊量。如温度较高，温度降低，压力较大，压力较小等。从客观存在地精确量通过感觉器官到达人的大脑，这一过程实际上是一个精确量的模糊化过程。然后，人们根据己获得的信息对照自己已有的经验来分析判断，从而判定应该对输入量进行何种控制。我们可将操作人员的经验总结成若干条规则，存放到微机中，这些规则成为模糊控制规则。仿造人脑的模糊推理过程，确定推理法则，并做出模糊判浙江大学硕士学位论文决，最后，根据已决定的模糊决策去执行具体的动作。尽管人脑所作出的是模糊的决策，而执行的却是一个精确量。比如，脑子里想把阀门开大一些，实际上拧过阀门后，阀门的旋转角度又是客观存在地精确量。因此，这一过程又是：：模糊量转化为精确量的过程。将上述各过程用框图表示出来，就是一个模糊控制器的工作原理图。｝ｌ：一图３—４模糊控制器基本结构图模糊控制系统的基本结构如图３—４所示。具体地说，模糊控制器主要由输入模糊化接口、数据库、规则库、模糊推理机和输出解模糊接口五个部分组成，其中数据库和规则库合起来构成整个模糊控制系统的知识库。一，输入模糊化接口：这部分的作用是将输入的精确量转换成模糊量，它首先对输入量进行尺度变换，将它们从原来的物理量论域转换到模糊控制器所要求的论域内，然后对变换后的输入量进行模糊处理，使其从精确量（ＣｒｉｓｐＶａｌｕｅ）变为模糊量（ＦｕｚｚｙＶａｌｕｅ），并用相应的模糊集合来表示。在这一部分中也包括了对输入量的预处理，如进行滤波以减小噪声的影响，提取输入量的特征值或关键信息以简化模糊控制器结构和减轻模糊控制器计算负担等。二、数据库和规则库：这两部分合起来构成的知识库包含了该模糊控制器在具体应用领域中的知识和所要求的控制目标。数据库主要包括各语言变量的隶属度函数，输入输出的尺度交换因子以及对输入输出空间所进行的模糊划分的级数等；规则库包括用语言变量所描述的一整套模糊控制规则，由于控制规则一般来源于专家知识，所以规则库反映了此具体应用领域内的控制经验和知识。知识库是模糊控制系统必不可缺的基础。三、模糊推理机：模糊推理机是模糊控制系统的核心，它具有模拟人的基于模糊概念的推理能力．模糊推理机运用知识库内的模糊规则，按照模糊逻辑中的蕴涵关系以及各种模糊推理方法进行模糊推理。所以，模糊系统中的知识浙江大学硕士学位论文库和推理机是紧密结合的。四、输出解模糊接口：由于在实际应用中，最后用于控制的输出都是确定的精确量，所以模糊推理所得的模糊量并不能直接参与控制，而需要进行一定的变换，输出解模糊接口的功能就是这样。首先，它将输出的模糊量按照一定的规则变换成在同一论域内的一个精确量，然后对这个精确量进行尺度变换，成为实际控制量论域内的值。３．２．２模糊控制器各部分实现方法在模糊控制中的模糊化方法主要有两种：单点模糊化和连续隶属度函数模糊化方法，前者方法简单，应用得最广泛，它只是形式上将精确量转变成模糊量，主要是对于在模糊控制中所得到的测量数据可以认为是准确的时候；后者考虑到输入量存在随机测量噪声，这时候模糊化运算相当于将随机量变换成图３—５三种典型隶属度函数模糊量的形式，它的隶属度函数一般取作三角型的隶属度函数心ｏ（ａ）单点模糊集合的隶属度函数（ｂ）三角型模糊集合（ｃ）高斯型模糊集合图３—５三种典型隶属度函数模糊量的形式Ｏ＇Ａ泓Ｐ≯ｖ盯强Ｌ舻Ｘ０－以Ｏ，舻Ｘｏ＂ｌ－口ａｓＪ或高斯型沁Ｏｃ）＝ｅ－（Ｘ－Ｘｅ）ｚ／∥），这里隶属度函数的中心‰为随机数的数学期望，盯为随机数的均方差。在模糊控制系统的数据库内存储了输入输出论域与模糊系统内部论域之间变换的尺度因子、模糊推理规则前提和结论部分中模糊集合的隶属度函数的参数和个数。其中隶属度函数的个数即输入输出空间的模糊分割，它决定了模糊控制精细化的程度以及最大可能的模糊规则数目．由此可见，这里存在一对矛盾：模糊分割数越多，则所需要的控制规则数也越多，不但给控制规则的确定增加了难度，而且也加重了模糊推理的计算负担，使模糊控制的快速性和方便性得不到体现；反之，若模糊分浙江大学硕士学位论文割数太少将导致控制太粗略，精度不高，而且也难以对控制性能作精细的调整。模糊规则库内的模糊控制规则主要来源于（ａ）专家控制经验；∽所建立的过程模型以及据此所做的实验；（ｃ）控制系统的自学习过程。模糊规则同时也应满足一定的约束，否则它的控制性能将得不到保证，如模糊规则的完备性（对于任意的输入至少应有一条可用的规则，且其规则强度应大于Ｏ．５）、模糊规则的一致性（所用的模糊规则应在粗糙的控制经验上进行整理，排除规则之间相互制约、相互矛盾的情况）等等。模糊推理机根据模糊化后的输入和知识库中的知识，按照各种模糊推理方法，如马丹尼极小运算法、拉森乘积运算法等，得出以模糊集合形式表示的输出。输出解模糊接口再将这一模糊集合转换成能参与实际控制的精确量。解模糊的方法也有好几种，应用得比较多的有：最大隶属度法，取输出模糊集合中最大隶属度所对应的值为输出的精确值：中位数法，取将隶属度函数划分为面积相等的两部分的那一点为输出；重心法，又称加权平均法，取值为输出模糊集合的重心。即，％一仁心．０），以．０）。在离散论域中为％。善磊心ｔ瓴）７善以·瓴），这里的ｓ为此离散论域内的元素总数·３．２．３模糊控制器的设计模糊控制器的设计一般要遵循一下几个步骤和原则：一、模糊控制器结构的选择：所谓模糊控制器结构的选择，就是确定模糊控制器的输入输出变量。模糊控制器的结构对整个系统的性能有较大的影响，必须根据被控对象的具体情况，合理选择。模糊控制器的结构有单输入单输出（ＳＩＳＯ）、多输入单输出（ＭＩｓＯ），多输入多输出（ＭＩＭＯ）几种。模糊控制器的输入输出维维数越多，模糊控制规则的建立越复杂，控制算法亦趋于复杂，因此，多维模糊控制器在控制系统中并不常用。ＭＩＳＯ和ＭＩＭＯ系统可以分解成多个ＳＩＳＯ系统或者分解成多个维数较低的模糊控制器来代替。二、模糊规则的选取和模糊推理：模糊规则的选择是设计模糊控制器的核心。由于模糊规则一般需要由设计者提取，因而在模糊控制规则的取舍上往往体现了设计本身的主观倾向，应认真分析，反复测试，尽量减少人为影响。在选择模糊规则时，要注意规则的完整性、相容性和干涉性等。模糊规则的选择过程可简单分成三个部分，即选择适当的模糊语言变量，确定各语言变量的隶属函数，最后建立模糊控制规则。（１）模糊语言的确定：模糊规则是由若干语言变量构成的模糊条件语句，它们反映了人类的某种思维方式。根据模糊语言的定义，它由语法规则、语言值，语义规则（语法规则）和论域等几部分构成。浙江大学硕士学位论文Ｉ因此，模糊语言变量的确定，包含了根据语法规则生成适当的模糊语言值，根据语义规则确定语言值的隶属函数以及确定语言变量的论域等。在确定模糊变量时，首先要确定其基本语言值。一般来说，一个语言变量的语言值越多，对事物的描述就越准确，可能得到的控制效果就越好。当然，过细的划分反而有可能使控制规则变得复杂。因此，应根据具体情况而定，但是一定要保证所有语言值形成得模糊子集应构成该模糊变量的一个模糊划分。（２）确定语言值的隶属函数：模糊语言值实际上是一个模糊子集，而语言值最终是通过隶属函数来描述的。语言值的隶属函数主要有上述的三种，可以根据需要选择。一般说来，隶属函数的形状越陡，分辨率就越高，控制灵敏度也较高；相反，若隶属函数的变化很缓慢，则控制特性也较平缓，系统的稳定性好。因此，在选择语言值的隶属函数时，一般在误差为零的附近区域，采用分辨率较高的隶属函数，而在误差较大的区域，为使系统具有良好的鲁棒性，常可采用分辨率较低的隶属函数。（３）模糊控制规则的建立：模糊规则的建立有经验归纳法和推理合成法两种方法。所谓经验归纳法，就是根据人的控制经验和知觉推理，经整理、加工和提炼后构成模糊规则系统的方法，它实际上是从感性上升认识到理性认识的一个飞跃过程。推理合成法是建立模糊规则的另一种较为常用的方法。其主要思想是根据已有的输入输出数据对，通过模糊推理合成求取被控系统的模糊控制规则。在建立模糊控制时，可根据实际情况选用一种方法或者将两者相结合使用。模糊规则确定后，可以按马丹尼极小算法、拉森乘积运算法等模糊推理方法进行。（４）模糊推理，对相应模糊输入得到模糊输出量。三、解模糊：解模糊的目的是根据模糊推理的结果，求得最能反映控制量得真实分布，一般有最大隶属度法、中位数法和加权平均法。研究表明，加权平均法比中位数法具有更佳的性能，而中位数法的动态性能要优于加权平均法，静态性能则略逊于加权平均法。一般情况下，这两种方法都优于最大隶属度法，但最大隶属度法的实现最简单。四、模糊控制器论域及比例因子的确定：模糊语言变量的论域范围应根据其代表的物理量的信号范围而定。一般说来，论域的量化等级越细，控制精度越高，但过细的量化等级将使算法复杂化，而且也没有必要。各比例因子应根据系统的动、静态性能要求通过实验等确定。模糊控制器总结起来具有以下特点：一，模糊控制器是一种语言控制器，不需要被控对象的数学模型。二、模糊控制表是模糊控制器的核心，它是将操作者的经验总结成若干条模糊控制规则，在经模糊推理后获得的输入输出的关系表。由于模糊量化的作用使得该控制器对系统某些参数变化不敏感而具有较强的鲁棒性，适用于对非线性，时交，有纯滞后的复杂系统的控制。三、模糊控制表一般是离线获得，实时控制时只需查询该表即可获得模糊控制－浙江大学硕士学位论文器的输出控制量，运算量小，适合于微机和单片机使用。四、由于一般模糊控制器没有积分作用且模糊量化过程有一定的量化误差，会造成系统有一定的静差。３．２．４模糊变系数ＰＩＤ原理模糊控制器有一个很好的优点，就是有较强的鲁棒性，而ＰＩ调节器是可以消除静差的，因此将它们结合起来，就构成了模糊变系数ＰＩＤ控制算法。采用模糊变系数ＰＩＤ控制算法直拉单晶炉热场温度控制系统框图如图３—６。图３—６模糊变系数ＰＩＤ控制器结构图令ｅ（ｋ）－玩＠）一肋（七）ｅｃ（ｋ）－ｅ（ｋ）－ｅ（ｋ一１）其中Ｘｏ（ｋ）为温度测量值）（ｇ（ｋ）为温度给定值同时，设Ｅ（ｋ），ＡＥ（ｋ）分别为ｅ＠），∞＠）经模糊量化后的值，则模糊变系数ＰＩＤ控制算法的ＰＩＤ参数整定如下；悴（七）一巧（ｏ）＋％陋他），丝＠）］·ｇ｛蔚＠）。厨（ｏ）＋瓦陋（七），△Ｅ＠）】．ＱＩ％＠）一％（０）＋％陋仲）＇址（七）】．幺其中，Ｋ（七），厨仲），杨＠）分别为模糊变系数ＰＩＤ控制算法当前ＰＩＤ参数值；４０浙江大学硕士学位论文Ｋ（ｏ），Ｋｉ（Ｏ），玛（∞是ＰＩＤ的初值；％【Ｅ（七），丝＠）］，瓦［Ｅ＠），ＡＥ＠）】，死陋（七），△Ｅ（七）］分别为巧，Ｋ／，蜀模糊控制表中对应于Ｅ（ｋ），△Ｅ（ｋ）的值；Ｑ。，Ｑ，Ｑ为比例因子。３．２．５模糊变系数ＰＩＤ参数整定思想ＰＩＤ参数自整定的实现思想是先找出ＰＩＤ三个参数与偏差ｅ和偏差ｅｃ之间的模糊关系，在运行中通过不断检测ｅ和ｃｃ，再根据模糊控制原理来对３个参数进行在线修改，以满足不同ｅ和ｃｃ时对控制器的不同要求，从而使被控对象有良好的动、静态性能，而且计算量小，易于ＰＬｃ实现；从系统的稳定性，响应速度、超调量和稳态精度等各方面特性来考虑，巧。Ｋ和髟参数的作用如下：比例系数Ｋｐ的作用在于加快系统的响应速度，提高系统调节精度。Ｋ越大，系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，也就是对偏差的分辨率（重视程度）越高，但将产生超调，甚至导致系统不稳定，Ｋ。取值过小，则会降低调节精度，尤其是使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态，动态特性变坏。积分作用系数Ｋ作用在于消除系统的稳态误差。Ｋ越大，系统静态误差消除越快，但Ｋ过大，在响应的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调。若Ｋ过小，将使系统静差难以消除，影响系统的调节精度。微分作用系数杨的作用在于改善系统的动态特性。因为ＰＩＤ控制器的微分作用环节是响应系统偏差变化率ｃｃ的，其作用主要是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报。但蜀过大，则会使响应过程过分提前制动，从而延长调节时间，而且系统的抗干扰性能较差．ＰＩＤ参数的整定必须考虑到在不同时刻三个参数的作用以及相互之间的互联关系。根据参数《，瓜，局对系统输出特性的影响情况，可归纳出在一般情况下，在不同的Ｈ和ｌ卵Ｉ时，被控对象对参数巧，厨，蜀的自整定要求为：浙江大学硕士学位论文０Ｚ．图３—７响应曲线一、当ｌｅＩ较大时，即系统响应处于图３—７所示输出响应曲线的第１段时，为了加快系统的响应速度，并避免因开始时偏差ｅ的瞬间变大，可能引起微分过大，而使控制作用超出许可范围，应取较大的Ｋｐ和较小的％，同时为了防止积分饱和，避免系统较大的超调，此时应取消积分作用，取殿＝０二、当Ｈ和Ｉ即ｌ为中等大小，即系统处于图４．４．５曲线的第二段，为使系统的超调减小，巧，彪和妫都不能取大，取较小的巧，殿和畅的大小要适中，以保证系统的响应速度。三、当Ｈｅ较大时，即系统响应处于图４．４．５所示输出响应曲线的第１ＩＩ段时，为使系统具有良好的稳态精度，应髟，殷，同时为避免系统在设定值附近出现振荡，并考虑系统的抗干扰性能，应适当地选取踢，原则是：当ｋＩ较小时，蟛可取大一些，通常取为中等大小；当ｋＩ较大时，％应取小值。３．２．６模糊变系数ＰＩＤ控制算法设计的具体实现模糊变系数ＰＩＤ控制算法的设计，以吃，厢和％为控制输出，依照一般模糊控制器的设计来进行，现简述如下：一、确定各量的模糊集合嗡△Ｅ∞，Ｋ，厨和局的模糊集合均取为以下七种，即：ＮＢ一负大；ＮＭ一负中：ＮＳ一负小：Ｏ一零：浙江大学硕七学位论文Ｐｓ一正小；ＰＭ一正中；ＰＢ一正大。：、确定各量的模糊化方法将Ｅ（ｋ），ＡＥ（ｋ）分为１３档，一６～６，非线性分档；Ｅ啦）的分档为；６＋ｓｉｇｎ（ｅ＠））ｋ＠）ｌ＞８００５‘ｓｉｇｎ０＠））４００＜ｐ＠）ｌ＜８００４‘ｓｉｇｎ（ｅ＠））１００《ｌｅ＠）Ｉ《４００Ｅ＠）－３。ｓｉｇｎ（ｅ＠））５０量ｌｅ＠）ｌ＜１００２’ｓｉｇｎ（ｅ＠））１０＜ｋＯ）Ｉ＜５０ｓｉｇｎ（ｅ（ｋ））５‘ｆｅ＠）ｆ＜１０Ｏｐ＠）ｌ《５△Ｅ（ｋ）的分档为：６＋咖ｅ＠））ｆｅ（ｋ）ｌ＞５０５。ｓｉｇｎ（ｅ（七））１５－ｌｅ（ｋ）ｌ＜ｓｏ４。ｓｉｇｎ（ｅ（七））ｌｏ．＝ｌｅ（ｋ）ｌ＜１５舡＠）－３。ｓｉｇｎ（ｅ＠））５＂ｃｌｅ（ｋ）ｌ＜ｌＯ２‘ｓ／ｇｎ０＠））３＂ｃｌｅ（ｋ）ｌ＜５ｓｉｇｎ（ｅ＠））１‘ｌｅ＠）Ｉｃ３。Ｏ忙＠）ｌｔｌ将墨，船和局分为１５档，线性分档。三、确定隶属度表Ｅ（Ｏ，丛他）的隶属度表如表３．４．１Ｋ，蔚和局的隶属度表如表３．４．２四、定控制规则根据调整ＰＩＤ控制器的经验，得出调整配，厢和％控制规则表分别如表３．４．３，表３．４．４，表３．４．５。五、求取控制表依照Ｍｉｎ－－Ｍａｘ推理规则，每一条控制规则均可得到一个模糊关系，在对各关系进行合成，经加权模糊判决法，可获得各参数的调整表如表３．４．６～３．４．８所示。至此，模糊交系数ＰＩＤ控制算法的设计已基本完成，在实时控制时，只要获得当前误差和误差率，经模糊量化得Ｅ＠），缸＠），再查离线算得的参数控制表得参数调整值，求得当前的ＰＩＤ参数值，以ＰＩＤ控制算法就能求得控制量，整个控制过程浙江大学硕七学位论文运算量小，实时性强。．６ＰＢＯ０ＯＯ０Ｏ．２１．Ｏ－５ＯＯＯＯＯＯ．８Ｏ．８＿４０ＯＯ０Ｏ．２１．Ｏ０．２．３Ｏ００００．８Ｏ．８Ｏ．２ＯＯＯＯ．２１．０Ｏ．２Ｏ－１ＯＯ０Ｏ．８０．８ＯＯＯ０ＯＯ．２１．０Ｏ．２ＯＯ１Ｏ００．８Ｏ．８ＯＯ０２Ｏ０．２１．ＯＯ．２ＯＯ０３ＯＯ．８０．８００ＯＯ４０．２１．Ｏ０．２ＯＯ０Ｏ５Ｏ．８Ｏ．８０Ｏ０００６１．ＯＯ．２ＰＭＰＳＯＮＳＯＯ０００ＮＭＮＢ表３．４．ＸＥ（ｋ），△Ｅ∞的隶属度表－７ＰＢＯＯ０ＯＯＯＯ．２．６００Ｏ０ＯＯＯ．８－５Ｏ０００ＯＯ．２１．Ｏ－４０Ｏ００ＯＯ．８Ｏ．８．３Ｏ００ＯＯ．２１．ＯＯ．２．２ＯＯ００Ｏ．８Ｏ．８０．１ＯＯ０Ｏ．２１．０Ｏ．２Ｏ０００ＯＯ．８Ｏ．８０Ｏ１０ＯＯ．２１．ＯＯ．２０Ｏ２Ｏ０Ｏ．８０．８０ＯＯ３ＯＯ．２１．ＯＯ．２Ｏ００４ＯＯ．８Ｏ．８０Ｏ０Ｏ５０．２１．Ｏ０．２ＯＯＯ０６Ｏ．８０．８ＯＯＯＯＯ７１．００．２ＯＯＯＯＯＰＭＰＳＯＮＳＮＭＮＢ表３．４－２巧，Ｋｉ和Ｋ，的隶属度表焖Ｅ（１【卜＼ＰＢＰＢＰＭＰＳＯＮＳＮＭＮＢＰＢＰＢＰＢＰＢＰＳＰＳＰＳＰＢＰＢＰＢＰＢＰＢＰＢＰＳＰＳＰＳＰＢＰＢＰＢＰＢＰＭＰＳＯＮＳＰＭＮＳＰＭＮＳＰＭＮＳＰＭＮＳＰＭＰＳＰＭＮＳＰＭＮＳＰＭＮＳＰＭＮＳＰＭＰＢＰＢＮＭＮＢＰＭＰＢＰＭＰＢＰＭＰＢＰＭＰＢ表３．４．３‘的参数调整规则表浙江大学硕士学位论文Ⅻｋ）Ｅｏ【卜＼ＰＢＰＢＰＭＰＳＯＮＳＮＭＮＢＮＢＮＢＮＢＮＢＮＳＮＢＮＢＯＮＢＮＢＮＢＮＢＮＢＮＢＮＢＮＢＮＢＮＢＮＢＮＢＮＢＮＢＮＢＮＢＮＢＮＢＮＢＮＢＮＢＮＢＮＢＮＢＮＢＮＢＮＢＮＢＰＭＰＳＯＮＳＮＭＯＰＭＮＭＮＢＮＢＰＭＮＭＮＢＮＢＮＭＮＢＮＢＮＭＮＢ表３．４．４Ｋｄ的参数调整规则表鹚Ｅ（ｋ卜＼ＰＢＰＢＰＭＰＳＯＮＳＮＭＮＢＮＢＮＢＰＳＮＢＮＢＯＮＳＰＳＰＳＮＢＮＢＰＳＰＳＰＳＰＳＰＳＰＳＰＳＰＳＰＳＰＳＰＳＰＳＰＭＰＭＰＳＮＳＰＢＰＢＰＢＰＭＰＳＯＮＳＰＭＰＭＮＳｏＮＢＮＢＰＭＮＭＰＳＮＢＮＢＮＭＰＳＮＳＮＢＮＢＮＭＮＢＰＭＰＭＰＭ表３．４．５杨的参数调整规则表＼巧．６．５６．５６．２５．４４．２３．Ｏ４．２５．４４．２３．０４．２５．４－５６．５６．２５．３４．２３．１４．２５．３４．２３．１４．２５．３－４６．５６．２５．３４．２３．１４．２５．３４．２３．１４．２５．３－３．２６．５６．５５．６５．０４．４４．４４．４４．４４．４５．０５．６．１６．７６．７６．１５．４５．２５．２４．７５．２５．２５．４６．１０６．７６．７６．２６．Ｏ５．７５．２４．７５．２５．７６．Ｏ６．２１６．７６．７６．１５．４５．２５．２４．７５．２２６．５６．５５．６５．０４．４４．４４．４４．４４．４５．Ｏ５．６３６．５６．２５．５４．５３．６４．３５．Ｏ４．３３．６４．５５．５４６．５６．２５．３４．２３．１４．２５．３４．２３．１４．２５．３５６．５６．２５．３４．２３．１４．２５．３４．２３．１４．２５．３６６．５６．２５．４４．２３．Ｏ４．２５．４４．２３．Ｏ４．２５．４６．５６．２５．５４．５３．６４．３５．Ｏ４．３３．６４．５５．５４－３．２．１Ｏ１２３４５．２５．４６．１浙江大学硕士学位论文Ｉ５６．２６．５６．２６．５６．２６．５６．２６．５６．５６．５６．７６．７６．７６．７６．７６．７６．５６．５６．２６．５６．２６．５６．２６．５６．２６．５ｌ６表３．４．６Ｋ的控制表＼．６．６－５－４．３．２．１Ｏ１２３４５６１．０１．０１．０１．０１．Ｏ１．０１．Ｏ１．Ｏ１．０１．Ｏ１．Ｏ１．Ｏ１．Ｏ－５１．Ｏ１．Ｏ１．Ｏ１．０１．０１．Ｏ１．Ｏ１．０１．０１．０１．０１．０１．０－４１．Ｏ１．０１．Ｏ１．Ｏ１．Ｏ１．０１．Ｏ１．０１．Ｏ１．Ｏ１．Ｏ１．Ｏ１．Ｏ－３１．Ｏ１．Ｏ１．０１．Ｏ１．Ｏ１．Ｏ１．０１．Ｏ１．０１．Ｏ１．０１．Ｏ１．Ｏ．２１．Ｏ１＿Ｏ１．０１．０１．０１．Ｏ１＿０１．０１．０１．Ｏ１．０１．０１．０－１１．０１．Ｏ１．Ｏ１．Ｏ１．０１．０１．０１．Ｏ１．Ｏ１．０１．０１．０１．０Ｏ１．Ｏ１．０２．１２．２９．２ｌ１．０１．０２．１４．１９．２１８．２２１．３２１．３１６．５１３．７６．２１．Ｏ１．Ｏ２１．Ｏ１．０２．１４．１１０．４２１．３２９．３２６．２２１．３１３．７６．２１．Ｏ１．０３１．０１．Ｏ２．１４．１１１．３２１．３２９．３２４．８１９．７１３．７６．２１．０１．Ｏ４１．０１．Ｏ２．１４．１１２．５２１．３２９．３２４．６１７．２１０．４６．２１．０１．Ｏ５１．Ｏ１．Ｏ２．１４．１１２．５２１．３２６．７１９．４１３．６９．６５．２１．Ｏ１．０６１．０１．０２．１４．１１２．５１５．７２１．２１５．６１２．５６．２４．５１．０１．０１０．４１１．１１２．１１１．１６．２５．３１．Ｏ１．Ｏ表３．４．７Ｋ／的控制表＼．６．６－５８．３１０．Ｏ２３．６４５．３５２．８４４．３２６．６４４．３５２．８４５．３２３．６１０．Ｏ８．３－５１０．Ｏ１０．Ｏ２９．６４８．５５２．３４４．３２８．０４４．３５２．３４８．５２９．６１０．Ｏ１０．Ｏ－４．３１０．Ｏ１０．０２０．９３７．６４４．５４６．３３９．１４６．３４４．５３７．６２０．９１０．ｏ１０．０．２１２．４１１．３２０．１３７．７４３．０４３．３４０．２４３．３４３．０３７．７２０．１１１．３１２．４．１１３．４１２．６２０．１３０．７４３．０４６．３５１．６４６．３４３．０３０．７２０．１１２．６１３．４Ｏ１２．４１２．６２２．８３２．６５０．８４５．２５２．４４５．２５０．８３２．６２２．８１２．６１２．４１１３．４１２．６２０．１３０．７４３．０４６．３５５．６４６．３４３．Ｏ３０．７２０．１１２．６１３．４２１２．４１．３２０．１３７．７４３．０４３．３５７。２４３．３４３．０３７．７２０．１１．３１２．４３１０．Ｏ１０．０２０．９３７．７４４．５４６．３５１．６４６．３４４．５３７．７２０．９１０．Ｏ１０．Ｏ４８．３１０．Ｏ２４．８４５．３５０．４４５．３３８．Ｏ４５．３５１０．０１０．０２９．６４８．５５２３４４．３２８．０４４．３５２－３４８．５２９．６１０．０１０．０６８．３１０．０２３．６４５．３５２．８４４．３２６．６４４．３５２．８４５．３２３．６１０．０８．３８．３１０．Ｏ２４．８４５．３５０．４４５．３３８．０４５．３５０．４４５．３２４．８１０．Ｏ８．３４．３．２．１Ｏ１２３４５６５０．４４５．３２４．８１０．Ｏ８．３表３．４．８％的控制表浙江大学硕七学位论文３．２．７控制结果经过反复调整模糊规则表，利用生成的控制表对直拉单晶炉热场进行加热控制，热场设定从从１４６３（ｓＰ）变化到１４０３（ＳＰ）的控制结果如图３—８。图３—８热场设定值从１４６３到１４０３模糊变系数ＰＩＤ控制结果模糊交系数ＰＩＤ控制结果各项性能参数由图３—９可得。Ｉ参数ｌｌ数值超调Ｍｐ（℃）１－１峰值时间Ｔｐ（Ｓ）１０５上升时间Ｔｒ（Ｓ）９０调整时间＂Ｉｓ（Ｓ）１０９２稳态误差（℃）－０．５～＋０．５表３．４．９从表３。４．９可以看出，虽然模糊变系数ＰＩＤ的计算量比较大，但是模糊变系数ＰＩＤ控制算法的模糊推理过程采用离线计算，这样可以减少很大一部分计算量，其实时性没有受到太大影响。本算法的控制精度－０．５～＋Ｏ．５（℃）能够达到技术要求的控制精度．１～＋１（℃）。３．３试验中有关ＰＩＤ控制参数整定的一些规则参数的设定与调整是ＰＩＤ控制中最困难的部分，编程时只设定他们的大概数值，浙江大学硕七学位论文然后通过反复的调试才能得到相对比较理想的参数值。下面是在调试时的一些规则。１．加温很迅速就达到目标值，但是温度过冲很大：ａ）比例系数太大，致使在未达到设定温度前加温比例过高；ｂ）微分系数过小，致使对对象反应不敏感。２．加温经常达不到目标值，小于目标值的时问较多：ａ）比例系数过小，加温比例不够；ｂ）积分系数过小，对恒偏差补偿不足。３．基本上能够在控制目标上，但是上下偏差过大，经常波动：ａ）微分系数过小，对即时变化反应不够快，反应措施不力；ｂ）积分系数过大，使微分反应被淹没钝化；ｃ）设定的基本定时周期过短，加热没有来得及传到测温点。４．受工作环境影响较大，在稍有变动时就会引起温度的波动：ａ）微分系数过小，对即时变化反应不够快，不能及时反映；ｂ）设定的基本定时周期过长，不能及时得到修正。选择一个合适的时间常数很重要，要根据我们的输出单元采用什么器件来确定，如果是采用可控硅的，则可设定时间常数的范围就很自由，如果采用继电器的则过于频繁的开关会影响继电器的使用寿命，所以就不太适合采用较短周期。一般的周期设定范围为１～１０分钟较为合适。为了调试方便，起码在调试阶段必须要编制一个可以对参数进行随时修改和记忆的接口，否则你会很辛苦，老是在现场与办公室之间来回跑。３．４本章小结本章首先对直拉单晶炉热场的特性进行测试，然后模糊变系数ＰＩＤ算法对直拉单晶炉温度进行了控制，具体工作如下；１、对直拉单晶炉热场以及热场温度的控制方式进行了简单的介绍。２、用模糊变系数ＰＩＤ算法对直拉单晶炉热场温度进行控制，通过反复调整模糊规则来使其控制效果达到最佳。考虑到直拉单晶炉热场温度控制系统必须具备很强的抗干扰能力和自动恢复能力，因此采用模糊变系数ＰＩＤ算法进行控制是比较理想的，它既具备了ＰＩＤ算法的稳定性，又具备了模糊控制的强适应性。４８浙江大学硕十学位论文第四章基于ＰＬＣ直拉单晶炉热场控制系统硬件实现炉对热场控制系统的功能及硬件要求，然后对本系统的模块化方案进行了详细说明。摘要：本章详细叙述了基于ＰＬＣ的真拉单晶炉热场控制系统的硬件实现，首先提出了直拉单晶４．１热场控制系统主要功能及硬件要求４．１．１热场控制系统主要功能精确的、稳定的热场温度控制是获得高质量硅单晶的一个十分重要的条件。本热场温度控制系统的主要功能包括以下几方面（１）炉温设定范围：０～１７００℃：（２）测温元件：北京波谱华光科技有限公司生产的ＮＣＩＲ系列红外测温仪；（３）测定范围：０～１６００℃；（４）控制精度：≤±０．５＇１２～±１℃；（５）工艺参数设定：以系统操作参数ＳＯＰ导入直拉单晶炉自动控制系统主控程序（自动控制模式）或者以手动模式由控制柜触摸屏上输入；（６）控制方式：ＰＩＤ控制；（７）输出方式：．可控硅触发；以曲线方式显示；（９）报警手段：具有超温事故的声光报警。（８）显示方式：欧姆龙可编程终端阿触摸屏方式，既可以显示数据，也可以４．１．２热场控制系统的硬件要求直拉单晶炉热场控制系统一般以控制功率反馈与温度反馈相结合。温度或功率控制的基本原理是用热电偶、拾波线圈或硅光电池检测温度或功率信号，与要求的信号值进行比较，差值经放大后输送给执行机构，以调节加热器的功率，使差值为零。温度波动至少应当小于±１℃，这就需要对其热场温度进行精确控制。所以，直拉单晶炉对热场控制系统的硬件要求可以综述如下：一、开关量输入输出开关量输出用于控制各开关液压阀、加热器线圈、冷却水阀等，开关量输入用于各个行程开关、急停信号的输入。开关量的多少直接体现出机器的复杂程度，对我们控制系统来说，其扩展开关量的难易程度体现出控制器的运用范围。二、模拟量输入随着对直拉单晶炉热场温度控制要求的提高，控制系统需要有多种模拟量输入，浙江大学硕士学位论文如液面温度、热场温度、加热器的电压电流信号等。控制系统模拟量输入不仅要考虑点数，而且要满足不同输入信号的类型和精度要求。三、模拟量输出模拟量输出主要是加热器的功率给定。一般不会超出两套加热系统，所以只需要两路模拟量输出即可。四、热场温度控制熟场温度控制是直拉单晶炉必要的环节，其控制性能的好坏直接影响产品的质量，以及硅单晶的拉制成功与否。它包括两个方面：即温度的检测与加热器的控制。不同的单晶炉所要求的控制点数不相同。温度控制系统的不仅要考虑温控点数，而且要考虑到温度控制的精度和响应速度。五、运算能力直拉单晶炉热场温度控制系统是一个集开关、模拟控制相混合的系统，其所选用的ＰＬＣ的运算能力就决定了其实时性与控制精度。如果温控系统要求的精度和实时性都很高，那么势必将采用复杂的温控算法，这是ＰＬＣ的运算能力要求将更高。４．２热场控制系统的硬件设计４．２．１热场控制系统设计原理．直拉单晶炉热场控制系统主要由加热器、绝缘材料、功率调节器和温度传感器（红外测温仪）元件等组成，其热场控制系统如图４—１。设定值图４—１热场控制系统通过调节双向可控硅的通断来调节加热器的输出功率，由温度检测元件红外测温仪将采集到的热场温度信号通过模数转换，变成数字量传给ＰＬＣ。用编制好的程序对其进行计算，得到实际温度值，再与给定的温度值相比较，得到的偏差值经过浙江大学硕士学位论文ＰＩＤ运算后，输出的数字量经过数模转换，再由输出模块送给硬件中的模拟电路，继而把功率信号送给可控硅电压调整器，产生可控硅脉冲触发信号，该信号触发可控硅电路，最终由该电路驱动加热器的两个电极。通过调整可控硅触发信号（即调节供电电压每个周期的导通角），即可控制直拉单晶炉加热器电压的通断及大小，进而达到控制炉温的目的。４．２．２加热器接口加热和冷却系统包括一个定制的加热控制单元包括１套加热系统；面板上的加热器开启按钮（带灯）和关闭按钮；面板上的１组电流表和电压表用来指示加热系统当前的功率、电流和电压；红外测温仪作为高温计用来检测加热器的温度，并将信号返回给ＰＬＣ的Ａ／Ｄ模块；应急面板上的１个功率值输入器用于在应急状态下输入加热器的功率值；合盖行程开关用于互锁加热器开启信号；冷却水流量足够传感器在冷却水量不足时报警和互锁加热器开启信号并将信号返回给ＰＬＣ；八个分布在各冷却节点处的超温传感器，用于在炉筒内超温时向ＰＩ．．Ｃ发出报警；两行程开关信号均返回给ＰＬＣ。加热控制单元有两路输入：加热器开（开关量）和功率给定值（模拟量），其中加热器开信号由面板上的开、关按钮控制，并经过冷却功率管水流量足够、合盖行程开关到位２路信号互锁后送到控制单元的输入，同时加热状态信号送到ＰＬＣ输入端；功率给定值由ＰＬＣ的Ｄ／Ａ输出后，与应急面板上功率值输入器经ＰＬＣ控制，应急控制选择后送到控制单元的输入。控制单元有２路模拟量输出，分别接面板上的电流表和电压表，同时分别接到ＰＬＣ的Ａ／Ｄ模块。加热控制单元还有五路报警信号（均为无电压节点的开关量）输出到ＰＬＣ的输入端：加热器功率管过温、加热器流量低、热交换器水流量低、加热器右电极故障（短路）和加热器左电极故障（短路）。４．２．３直拉单晶炉热场控制系统功能模块热场温度控制系统的硬件结构分为主控模块和功能子模块两大部分，功能子模块分为输入输出驱动模块、温度采样模块、温度报警模块、传感器温度控制模块等，模块化硬件结构图如图４—２。浙江大学硕士学位论文ＰＬＣ主模块｛ＩＰＬＣＩＤ、ＯＣ、Ａ／Ｄ、Ｄ，Ａ』土加热器功率控制Ｔｒ红外信号放大传感器控制温度模块１厂：：７一ｉ［１过可！输入输出警模块控硅整流～晶曲热场图４—２模块化硬件结构图一，ＰＬＣ主控模块ＰＬＣ主控模块是该控制器的核心模块，基于以上直拉单晶炉热场温度控制系统的硬件功能要求，采用日本欧姆龙公司ＯＭＲＯＮＳＹＳＤＭＡＣＣＪＩＷ型号的ＰＬＣ，如图乒３，ＰＬＣ配置见表４—１。图４－３ＰＩＣ主控模块浙江大学硕士学位论文ＣＪｌＷ－ＯＣ２１１ＣＪｌ输出单元２５０ＶＡＣ／２４ＶＤＣ１６点继电器输出ＣＪＩＷ－ＩＤ２１１ＣＪｌ输入单元２４ＶＤＣ１６点输入ＣＪｌＷ－ＡＤ０８１ＣＪｌ模拟量输入单元８点输入分辨率１／４０００ＣＪＩＷ－ＤＡ０４１ＣＪｌ模拟量输出单元４点输出分辨率１／４０００表４—１ＰＬＣ配置：数字输入９１路温度报警；１路系统水流量报警；１路液面温度仪故障报警；５路加热器故障信号；１路加热器开信号ｉ数字输出１１路加热器开：１路液面温度（４－－２０ｍＡ）１路热场温度（４－－２０ｍＡ）２路加热器的电压电流（４－－２０ｍＡ）模拟输入４模拟量输出二，输入输出驱动模块加热器功率给定（４－－２０ｍＡ）９点开关量输入原理框图如图４—４，１点开关量输出原理框图如图４—５。图４—４９点开关量输入原理框图浙江大学硕士学位论文Ｍ开光关Ｏ电Ｓ量ＩＰ１＿１２一ｏＣ２ｎ｝≥隔＾、／管ｈ＼输离驱／出动端予图４—５１点开关量输出原理框图输入输出模块总共为１６点输出和１６点输入，与ＰＬＣ开关量模块配套使用。其中光电隔离器件选用ＴＬＰ５２１，ＭＯＳ管选用ＩＲＦＺ４４，该驱动管具有很小的内阻，发热量小，因此无需散热片，可以减小了电路板的大小．三、温度报警模块红外测温仪作为高温计用来检测加热器的温度，并将信号返回给ＰＬＣ的Ａ／Ｄ模块；冷却水流量足够传感器在冷却水量不足时报警和互锁加热器开启信号并将信号返回给ＰＬＣｔ八个分布在各冷却节点处的超温传感器，用于在炉筒内超温时向ＰＬＣ发出报警；加热控制单元还有五路报警信号（均为无电压节点的开关量）输出到ＰＬＣ的输入端：加热器功率管过温、加热器流量低、热交换器水流量低、加热器右电极故障（短路）和加热器左电极故障（短路）。温度报警模块原理图如图４—６。传Ｐ模感Ｌ拟器Ｃ超＼报温／Ａ＞警Ｄ电信模路号块图４—６温度超温报警模块原理框图四、传感器温度控制模块浙江大学硕士学位论文传感器温度控制模块原理框图如图４－－７。０～１Ｏ～１图４—７传感器温度控制模块原理框图一旦此环路打开和温度设定点输入，信号送到加热器温度控制器，此信号被解释和另一个信号被送到电源供应，命令它增加或减小传到加热器的功率。由加热器产生的红外信号因它加热或冷却而改变。此信号由红外测温仪检测到依次发送信号到控制器比较此信号与热场ＳＰ设定点值。经过模糊变系数ＰＩＤ控制后电源供应然后告诉增加或减小它的功率输出以获得正确温度。‘温度红外信号放大电路原理框图如图４—８。ｌ前级差中级差动放大后级放号输出差动信号输入动放大大）图４－－８温度红外信号放大电路原理框图红外测温仪检测到的温度信号是很微小的电势信号，需要经过高精度低温漂的放大电路进行放大，放大成ＰＬＣ能够直接处理的温度范围。此部分的设计是整个传感器温度控制器设计的关键。温度列量放大电路主要由３部分组成。第一部分为前级差动放大部分，放大倍数为１２倍，输出的信号为差分信号；第二部分为中级差动放大电路，放大倍数为１倍，输出的信号为单端信号；第三部分放大电路放大倍数为１２倍，输出的信号范围浙江大学硕上学位论文为０～１０Ｖ，将这三部分组合后可获得理想的差动放大、共模抑制的效果。五、模拟量输出模块０～１０Ｖ模拟量输出电路原理框图如图４—９。此电路中功率放大管选用ＴＩＰｌ２７，颤振信号频率为２００赫兹，放大管导通频率为２Ｋ赫兹，放大电路通过调节可变电位器来调节放大倍数和零位。此模拟量输出电路可以控制加热器功率。图４—９Ｏ～１０模拟量输出电路原理框图六、模拟量输入模块模拟量输入电路原理框图如图４—１０。热场温度控制系统总共有４路模拟量输入到ＰＬＣ。分别是１路液面温度（０～１０Ｖ），１路热场温度（０～１０Ｖ），２路加热器的电压电流（０～１０Ｖ，４－－２０ｍＡ）。浙江大学硕士学位论文图４—１０模拟量输入电路原理框图４．４本章小结．本章详细介绍了模块化直拉单晶炉热场温度控制系统的硬件结构设计，主要涉及到以下几个方面工作：１、对系统的整体结构进行了分析，将整体系统划分为六个功能模块，完成了每个功能模块的硬件实现。２、完成了各个模块的ＰＣＢ板制作，并且在实验室中调试成功，并且最后在实际生产中得到应用。浙江大学硕士学位论文第五章基于ＰＬＣ直拉单晶炉热场控制系统软件实现摘要：本章详细叙述了基于ＰＬＣ的直拉单晶炉热场温度控制系统的软件实现，首先对软件系统的整体框架进行了介绍，然后对软件系统的各个程序模块逐个分析实现。５．１热场控制系统的软件要求根据直拉单晶炉热场控制系统的要求，为了获得良好的控制性能，对控制系统软件方面的要求可概括如下：一、通讯模块本课题研究对象一直拉单晶炉热场控制系统一般都采用主从式结构，因此它们之间以串口通讯的方式实时传递数据。通讯模块的合理性和实时性直接影响到控制系统对生产工艺流程的控制，同时友好的人机界面对系统的可靠性影响也很大。二、热场温度控制模块热场温度控制模块程序分为实时采样计算模块、ＰＩＤ调节模块及加热控制输出模块。根据直拉单晶炉生产对硅单晶产品性能的要求，采用一定的采样周期和控制算法来编写热场温度控制模块程序。三、流程控制模块流程控制模块主要根据直拉单晶炉的实际工艺流程来控制系统中各个执行器的动作。流程控制模块程序必须具有很好的可修改性和移植性，并且编程时一定要严格遵循一定的编程规则，增加程序的可读性。四、时间控制模块系统工艺流程的控制、加热器控制、液压系统控制等均需要有精确的时间控制，这由时间控制模块来满足要求。时间控制模块包括两个方面，一方面是整个控制系统的时基，另一个方面是各个工艺流程中的软件定时器。五、系统操作参数ＳＯＰ程序的编写直拉单晶炉控制系统操作参数ＳＯＰ程序（包括热场温度控制系统）的有效编写，也是对系统能够顺利执行的一个很关键的地方。５８。；飞，浙江大学硕士学位论文５．２热场控制软件系统的总体框架本直拉单晶炉热场控制的软件采用模块化分级设计思想，直拉单晶炉热场控制软件系统的总体框架如图５－－１。图５－－１软件系统的总体框架５．３热场控制软件系统功能模块５．３．１通讯模块主从机采用ＲＳ－－２３２电缆上位链接系统（也叫“Ｈｏｓｔ－－Ｌｉｎｋ”系统）的串口通讯方式，以事先约定的通讯协议完成数据直接的传输。Ｈｏｓｔ－－Ｌｉｎｋ网是ＯＭＲＯＮ较早推出使用较多的一种网，上位机使用ＨＯＳＴ通信协议与各台ＰＬＣ通信，可以对网中的各台ＰＬＣ进行管理和监控，是适用于集中管理、分散控制的工业自动化网络。浙江大学硕士学位论文一、通讯模块总体框图通讯模块包括ＰＬＣ与触摸屏上位机的通讯和ＰＬＣ与ＰＣ的通讯。都是用ＲＳ一２３２电缆上位链接系统的串口通讯方式。通讯模块总体框图如图５－－２。图５－－２通讯模块总体框架６０浙江大学硕士学位论文二、通讯模块功能函数流程框图１．接收和发送中断程序，框图如图５－－３。图５—３接收和发送中断程序框图浙江大学硕士学位论文２、数据接收处理函数，框图如图５—４．图５—４数据接收处理函数框图３、数据发送处理函数，程序框图如图５－－５。图５－－５数据发送处理函数浙江大学硕士学位论文５．３．２时间模块时间模块包括系统时基及定时刷新和软件定时器两部分，本控制系统采用ｌｒｎｓ时基，通过中断方式实现，并且具有５个相互独立的软件定时器，可以精确的满足系统工艺流程控制、加热器控制等对时间的要求。一、系统时基及定时刷新系统时基及定时刷新模块框图如图５—６。定时中断入口上各种计数器计数０输入输出口刷新上温度采样选通上定时中断出口图５—６系统时基及定时刷新模块框图二、软件定时器在流程控制当中，需要时间控制时，首先调用软件定时器启动程序启动某个软件定时器，然后在流程控制当中实时扫描该定时器数值，定时器时间达到设定值后，关闭响应的软件定时器。本软件具有５个具有以上功能的软件定时器。软件定时器使用框图如图５—７。图５—７软件定时器使用框图浙江大学硕士学位论文５．３．３系统操作参数ＳＯＰ程序的编写系统操作参数ＳＯＰ程序主要是用来编写直拉单晶炉生产时候自动控制系统中生产的工艺参数，以便主程序能够根据设定好的工艺流程运作。程序编写方案流程图如图５－８，主程序框架如图５—９，采用ＶＢ编写１６５１‘［ＴＳｌ。图５—８程序编写方案流程图图５—９主程序框图浙江大学硕士学位论文５．３．４控制模块一、Ａ／Ｄ转换模块完成对各模拟量的Ａ／Ｄ转换及数字滤波，主要为红外测温仪得到的温度信号进行转换，Ａ／Ｄ转换模块如图５—１０。ＡＤ中断入口葵取现通道的采样值软件滤波变换通道，启动ＡＤ采样ＡＤ中断出口图５—１０～Ｄ转换模块浙江大学硕士学位论文二、温度控制模块温度控制模块框图如图５一１１。图５—１１温度控制模块框图浙江大学硕七学位论文三、模拟量运算模块在直拉单晶炉热场温度控制中，需要调节加热器功率，系统将经过计算得出需要输出的模拟量大小，模拟量运算模块框图如图５—１２。指令信号输入ｌ线性插值算法ｌ模拟量最终输出图５—１２模拟量运算模块框图５．３．５主程序主程序主要完成ＰＬＣ的初始化、各个软件模块中相应变量的初始化和系统中断和时基的初始化，在程序运行过程中按要求调用各个软件功能子模块，并且协调各个功能子模块的运行，管理各个中断。５．４本章小结本章详细介绍了模块化直拉单晶炉热场温度控制系统的具体软件实现，具体实现了以下几个方面的内容：ｌ、对系统的总体结构进行了分析，划分系统的软件功能模块；２、完成了各个模块软件编写；３、完成软件系统的现场调试。浙江大学硕士学位论文第六章直拉单晶炉热场温度控制的试验摘要：本章主要讲述了直拉单晶炉热场温度控制的有关试验。并且对各个试验作了数据分析。直拉单晶炉热场温度主要是加热器功率来控制调节的，但是直拉单晶炉热场是一个受多种因素影响的复杂系统，需要考虑的问题比较多。影响热场温度控制的主要有坩埚内熔液剩余量、氯气流量、坩埚位置、坩埚转速、坩埚升速、水流量等。下面是对热场控制系统做的一些相关试验。一、加热器功率的一些阶跃响应试验本试验的目的是验证直拉单晶炉热场温度系统是一个非线性、大惯性、大滞后的系统。在加热器功率的变化下，热场温度ｓＰ值也随着朝着相应的方向变化。１、试验条件如下：埚位５９．８（蛐）功率从８０．８（ｋｗ）变化到５０．４（１ｃｗ）氩气６１．２（ｓｌｐｍ）埚转２（ｒｐｍ）的试验曲线如图６—１所示。图６—１功率从８０．８（ｋｗ）变化到５０．４（ｋｗ）时其试验曲线２、试验条件如下：埚位１００．１（ｍｍ）功率从５０．４（ｋｗ）变化到８０．８（ｋｗ）氨气６１．２（ｓｌｐｍ）埚６８浙江大学硕士学位论文转２（ｒｐｍ），在该条件下的试验曲线如图６—２所示。图６—２功率从５０．４（ｋｗ）变化到８０．８（ｋｗ）时试验曲线从图６—１可以看出功率变化从８０．８（ｋｗ）变化到５０．４（ｋｗ）时，热场ＳＰ值达到平稳大约化了９８分钟，６—２可以看出功率从５０．４（ｋｗ）变化到８０．８（ｋｗ）时热场ｓＰ值稳定时也大约化了９９分钟，由此看来直拉单晶炉热场是一个非线性、大惯性、大滞后的多变量系统。试验表明在加热器功率变化时，热场ＳＰ值在本控制系统中能够稳定的达到预期的热场温度，并保持在一定稳态误差。二、氩气流量改变试验本试验的目的是验证氩气流量改变条件下，看其对热场温度的影响，验证本控制算法此条件下的性能。试验条件如下：氧气流量从４１．３（ｓｌｐｍ）变化到１０１．１（ｓｌｐｍ），开始炉内压力为９．９（Ｔｏｒｒ），加热器功率输出为８０．０（ｋｗ），加热器功率测量值为８０．１（ｋｗ），热场ｓＰ设定值为１４２３．ｏ’热场ｓＰ值为１４２３．９，坩埚位置为０（衄），坩埚转速为２（ｒｐｍ）。该条件下的试验曲线如图６—３所示．浙江大学硕士学位论文图６－－３氩气流量从４１．３（ｓｌｐｍ）变化到１０１．１（ｓｌｐｍ）时试验曲线从图６—３可以看出，当氩气流量从４１．３（ｓｌｐｍ）变化到１０１．１（ｓｌｐｍ）时，炉内压力改变到２７．０（Ｔｏｒｒ），热场ｓＰ值很快从１４２３．９上升到１４２７．５，这时加热器功率测量值也跟着很快从８０．１（ｋｗ）下降到７７．９，随后大约１．５分钟热场ＳＰ值达到最低值１４２０．９，随后热场ＳＰ值有缓慢上升，同时加热器功率也缓慢上升到８０．８（ｋｗ），从试验可以看出当热场ＳＰ值重新定位到热场ＳＰ设定值１４２３．０时，大约经过了５５分钟。氩气的主要是起保护拉晶环境的作用，帮助控制蒸发带来的损失。但同时带走了热量，引起熔体的强迫对流，会给热场温度分布带来一定的影响，从试验曲线可以看出经过大约５５分钟后热场ｓＰ值能够很好的跟踪热场ＳＰ设定值。三、坩埚位置的改变试验本试验的目的是验证坩埚位置改变条件下，看其对热场温度的影响，验证本控制算法此条件下的性能．试验条件如下：坩埚位置从０（蛐）变化到１００（哪），开始炉内压力为２７．０（Ｔｏｒｔ），加热器浙江大学硕士学位论文功率测量值为８０．８（ｋｗ），热场ＳＰ设定值为１４２３．０，热场ＳＰ值为１４２３．１，坩埚转速为２（ｒｐｍ）。该条件下的试验曲线如图６－－４所示。图６—４坩埚位置从０（ｒａｍ）变化到１００（ｍｍ）的试验曲线从图６—４可以看出，当坩埚位置从０（ｍｍ）变化到１００（衄）时，热场ＳＰ值很快从１４２３．１上升到１４２５．４，同时加热器功率测量值也跟着很快从８０．８（ｋｗ）下降到７７．５，随后大约２分钟后热场ＳＰ值很快下降到１４１３．８，而后缓慢上升到１４２４．５之后热场ＳＰ缓慢的向热场ｓＰ设定值１４２３．０跟定，同时加热器功率也缓慢上升到８５．０（ｋｗ）而后又缓慢下降到８０．９（ｋｗ），从试验可以看出当热场ｓＰ值重新定位到热场ＳＰ设定值１４２３．０时，大约经过了７５分钟。由曲线可知坩埚在热场中的位置对热场温度的影响是比较大的，位置的高低会对热场ＳＰ值。位置升高的同时热场ＳＰ值会相应的减少，这时由于控制系统的作用加热器功率增大，让热场ＳＰ值能够相对比较快的跟踪热场ＳＰ设定值，由图可知在大约７５分钟后其温度稳态偏差小于０．５℃，满足控制精度±Ｏ．５＂０～±１＇１２的要求三、坩埚转速的改变试验本试验的目的是验证坩埚转速改变条件下，看其对热场温度的影响，验证本控制算法此条件下的性能。浙江大学硕士学位论丈试验条件如下：坩埚转速从２（ｒｐｍ）变化到１５（ｒｐｍ），开始炉内压力为２７．０（Ｔｏｎ），加热器功率测量值为８０．９（ｋｗ），热场ｓＰ设定值为１４２３．０，热场ＳＰ值为１４２３．１，坩埚位置为１００（咖）．该条件下的试验曲线如图６—５所示。ｆ图６－－５坩埚转速从２（ｒｐｍ）变化到１５（ｒｐｍ）的试验曲线从图６—５可以看出，当坩埚转速从２（ｒｐｍ）变化到１５（ｒｐｍ）时，热场ＳＰ值从１４２３．５上升到１４２３．９，影响很小，加热器功率测量值从８０．９（ｋｗ）上升到８１．０（ｋｗ），温度稳态误差小于０．５℃，满足控制精度±０．５＂Ｃ～－４－１℃的要求。四、氩气流量、坩埚位置、坩埚转速同时改变的试验本试验的目的是验证氩气流量、坩埚位置、坩埚转速同时改变条件下，看其对热场温度的影响，验证本控制算法此条件下的性能。试验条件如下：氨气流量从１００（ｓｌｐｍ）变化到４０（ｓｌｐｍ），坩埚位置从１００（蚴）变化５０（舢）坩埚转速从１５（ｒｐｍ）变化到２（ｒｐｍ），开始炉内压力为２７．０（Ｔｏｎ），加热器功率测量值为８０．９（ｋｗ），热场ＳＰ设定值为１４２３．Ｏ，热场ＳＰ值为１４２３．１。该条件下的试验曲线如图６—６所示。浙江大学硕士学位论文图６—６氢气流量、坩埚位置、坩埚转速同时改变的试验曲线从图６—６可以看出，当氩气流量从１００（ｓｌｐｍ）变化到４０（ｓｌｐｍ），坩埚位置从１００（ｍｍ）变化５０（ｍｍ）坩埚转速从１５（ｒｐｍ）变化到２（ｒｐｍ）时，大约１分钟热场ＳＰ值很快从１４２３．１上升到１４０４．３，同时加热器功率测量值也跟着很快从８０．９（ｋｗ）上升到８７．７（ｋｗ），随后大约６分钟内热场ＳＰ值上升到最高值１４２８．１而后热场ＳＰ值缓慢跟踪热场ＳＰ设定值１４２３．０，同时加热器功率也缓慢从最高点８７．７（ｋ’】ｌ，）下降到８０．０（ｋｗ），从试验可以看出当热场ＳＰ值重新定位到热场ＳＰ设定值１４２３．０时，大约经过了４４分钟。由试验曲线氩气流量、坩埚位景、坩埚转速同时改变的条件下，经过本控制系统的控制，在大约经过４４分钟后热场ＳＰ值能够很好的跟踪热场ＳＰ设定值，其稳态误差小于０．５℃，满足控制精度±Ｏ．５℃～±１℃的要求。五、熟场ＳＰ设定值改变的一些跟踪试验曲线本试验的目的是验证热场ｓＰ值改变条件下，看热场ｓＰ值能否很好的跟踪热场ＳＰ设定值，以此验证本控制算法的性能。１、热场ＳＰ设定值改变从１４２３．０变化到１３８３．０的试验试验条件如下：浙江大学硕士学位论文氩气流量从４０．１（ｓｌｐｍ），炉内压力１０．０Ｔｏｒｒ，加热器功率测量值为８０．１（ｋｗ），坩埚位置５０（衄）坩埚转速２（ｒｐｍ），热场ＳＰ设定值从１４２３．０变化到１３８３．０，开始时热场ＳＰ值为１４２３．０。该条件下的试验曲线如图６—７所示。，图６－－７热场ＳＰ设定值改变从１４２３．０变化到１３８３．０的试验曲线从图６—７可以看出，当热场ＳＰ设定值从１４２３．０变化到１３８３．０时，热场ＳＰ值也随之从开始的１４２３．０缓慢跟踪热场ＳＰ设定值到１３８３．０，加热器功率测量值从８０．１（ｋｗ）先下降到６８．１（ｋｗ）而后缓慢升高到７８．８（ｋｗ）。从试验可以看出当热场ＳＰ值重新定位到热场ＳＰ设定值１３８３．０时，大约经过了２０分钟，热场稳态误差小于０．５℃，满足控制精度±Ｏ．５℃～４－Ｉ＇Ｃ的要求。２、热场ＳＰ设定值改变从１３８３．０变化到１４６３．０的试验试验条件如下；氩气流量从４１．３（ｓｌｐｍ），炉内压力１０．０Ｔｏｒｔ，加热器功率测量值为７９．４（ｋｗ），坩埚位置５０（ｎｕｎ）坩埚转速２（ｒｐｍ），热场ＳＰ设定值从１３８３．０变化到１４６３．０，开始时热场ＳＰ值为１３８２．６。该条件下的试验曲线如图６—８所示。浙江大学硕士学位论文图６—８热场ＳＰ设定值改变从１３８３．０变化到１４６３．０的试验曲线从图６—８可以看出，当热场ＳＰ设定值从１３８３．０变化到１４６３．０时，大约２分钟内热场ＳＰ值开始的１３８２．６上升到１４６５．０，而后又下降到１４６０．８，随后缓慢跟踪热场ＳＰ设定值到１４６３．９，加热器功率测量值从７９．４（ｋｗ）先上升到１０９．７（ｋｗ）而后下降到８０．２（ｋｗ），最后缓慢到达８０．８（ｋｗ）。从试验可以看出当热场ＳＰ值重新定位到热场ＳＰ设定值１４６３．０时，大约经过了２５分钟，其稳态误差小于０．５＂Ｃ，满足控制精度±Ｏ．５＂Ｃ～±１＂Ｃ的要求。≥ｌ‘３、热场ＳＰ设定值改变从１４６３．０变化到１４０３．０的试验试验条件如下：氩气流量从６１．２（ｓｌｐｍ），炉内压力１４．９Ｔｏｒｔ，加热器功率测量值为８１．７（ｋｗ），ＩＪ坩埚位置６０（衄）坩埚转速１２（ｒｐｍ），热场ｓＰ设定值从１４６３．０变化到１４０３．０，开始时热场ＳＰ值为１４６２．６。该条件下的试验曲线如图６－－９所示。ｋ浙江大学硕士学位论文图６—９热场ｓＰ设定值改变从１４６３．Ｏ变化到１４０３．０的试验曲线从图６－－９可以看出，当热场ＳＰ设定值从１４６３．０变化到１４０３．０时，大约２分钟内热场ＳＰ值开始的１４６２．６下降到１４０１．５而又上升跟踪热场ｓＰ设定值１４０３．０到１４０２．８，同时加热器功率测量值从８１．７（ｋｗ）先下降到５８．３（ｋｗ）而后上升到最高点８０．５（ｋｗ），最后缓慢到达７９．８（ｋｗ）。从试验可以看出当热场ｓＰ值重新定位到热场ｓＰ设定值１４０３．０时，大约经过了１７分钟，其稳态误差小于０．５’Ｃ，满足控制精度±Ｏ－５℃～±１℃的要求。从图６—７、６—８、６－－９试验曲线可以看出在模糊变系数ＰＩＤ控制下本直拉单晶ｊ炉热场温度控制的控制精度都小于Ｏ．５℃，满足控制精度±０．５℃～±１１２的要求，而且反应比较快。，；ｋ浙江大学硕士学位论文六、拉晶时的跟踪曲线生产工作现场拉晶等径时段的热场温度跟踪曲线如图６—１０所示，由现场拉晶可以看出直拉单晶炉热场模糊变系数ＰＩＤ温度控制能够达到研究的技术要求。●｛Ｉ／图６—１０现场拉晶等径时段的热场温度跟踪曲线综合以上的一系列氩气流量、坩埚位置、坩埚转速、热场ｓＰ跟踪试验曲线以及现场拉晶生产可以看出本直拉单晶炉热场温度控制系统能够很好的达到其控制精度要求：热场温度要求控制在±Ｏ．５＂Ｃ～±ｌ℃这个范围之内。，７浙江大学硕士学位论文第七章总结与展望随着硅单晶在高技术应用领域的不断推广，对单晶体的需求量在不断增加，对硅单晶质量的要求越来越高，市场需要的单晶硅芯片直径越来越大。这对直拉单晶炉热场温度控制的设计、开发以及投入市场的整个周期的长短也提出了更高的要求。基于以上市场行情的考虑，本论文推出了一款基于ＰＬＣ的模块化直拉单晶炉热场温度控制系统。本课题前半部分围绕着这个主题做了以下几方面的研究工作：●Ｉ１．对直拉单晶炉的过去、现在和未来发展趋势做了详细的调研，并且牢牢把握市场的动向。２．对模块化直拉单晶炉热场温度控制系统的总体方案进行分析，确定了基于ＰＬＣ的方案。ｌ，３．基于满足直拉单晶炉热场对控制系统的硬件要求，完成了模块化直拉单晶炉热场控制系统的硬件设计和应用。４．基于满足直拉单晶炉热场对控制系统的软件要求，完成了模块化直拉单晶炉热场控制系统的软件设计和应用。直拉单晶炉热场温度控制性能的好坏对直拉单晶炉生产出的产品质量有很大的影响，随着市场对硅单晶的要求越来越高，这对温度控制的要求也越来越高，而直拉单晶炉的热场作为一个控制对象而言，具有惯性大、非线性强以及热场内耦合性强的特点，并且它还受到各种外部的干扰，如氩气流量、水流量、坩埚位置，坩埚转速、熔体剩余量、电源电压的波动等，所以直拉单晶炉热场的温度控制一向是个难题。本课题后半部分就直拉单晶炉热场温度控制作了以下几个方面的研究工作：１．对直拉单晶炉热场的特性进行测试研究，得出了它的数学模型和阶跃响应特性曲线。２．用模糊变系数ＰＩＤ算法对热场温度进行了控制。３．在生产现场对本直拉单晶炉热场控制系统进行了试验。本设计的创新点有：１．提出了基于ＰＬＣ的直拉单晶炉热场模糊变系数ＰＩＤ控制算法，确保单晶生长●－，●●环境热场温度的精确控制。２．用户只要做很少的模块扩展与软件修改工作，就可以适应不同工作环境和工作条件的需要．３．编写系统操作参数ＳＯＰ程序时采用线性插值法来避免由于用户使用时粗心而导致的参数漏写的情况．浙江大学硕士学位论文有关本课题需要进一步研究的重点可以总结为以下几点：１．模块化直拉单晶炉热场控制系统的稳定性方面还有待在实践中进行长时间的考验，通过从用户那里反馈回来的相关信息，然后再对控制系统进行改进完善。２．本直拉单晶炉热场控制系统是在没有磁场的情况下设计改造的，今后要研究熟场中加入磁场的控制系统。３．在模块化直拉单晶炉热场控制系统中，温度采样是采用北京公司的红外测温萱’仪，不过价钱比较昂贵，可以考虑自己研究生产温度传感器。。ｌ以上几点在我看来是以后在本课题方向上需要进一步研究的内容。只有在不断的研究和反馈的基础上，我们才能更好的把握市场契机，使产品在自己的领域中立于不败之地。！。≯＇ｋｉ｛浙江大学硕士学位论文参考文献［１］许扬．提高单晶炉真空密闭性能的探讨［Ｊ］．人工晶体学报，２００３，５：５２８—５３９［２］俞尚知。焊接工艺人员手册［Ｍｊ。上海：上海科学技术出版社，１９９１［３］达道安，李旺奎．真空设计手册［Ｍ］。北京：国防ｔ业出版社，１９９１［４］李占国，毛桂盛。硅单晶生长工艺学［伽。北京：中国有色金属工业总公司，１９８６［５］任丙彦，郝秋艳，刘彩池，王海云，张颖怀。大直径ＣＺ￥ｉ单晶中微缺陷与间隙氧之间的关系√ｆ半导体技术，２００２，（３）：２１～２４［６］ｓ．Ｔａｋａｓｕ，Ｗａｆｅｒ，ｉｎＭｉｃｒｏｄｅｖｉｅｓｓ，８８，ＭｃＧｒａｗ．Ｈｉｌｌ，１９８３［７］Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ，Ｚ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．９２：２１９，１９８３［８］张克丛，张乐滤。晶体生长。北京：科学出版社，１９８１［９］［英］Ｂ．Ｒ潘普林主编；刘如水，沈德中，张红武，戚立昌译．晶体生长．中国建筑工业出版社，１９８１，３８１～３９３【１０］Ｒ．ＥＤｏｏｌｉｔｔｌｅ．ＤｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇＨａｅｍｏｓｔａｓｉｓＶｏｌｕｍｅｔｈｅｃｒｙｓｔａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｆｉｂｄｎｏｇｅｎ．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＴｈｒｏｍｂｏｓｉｓａｎｄ２００４ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚｅｄｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅｏｆｐｅｏｐｌｅｗｉｔｈ２，Ｉｓｓｕｅ５，Ｐａｇｅ６８３－６８９，Ｍａｙ【１１１Ｂ．Ｆａｃｏｎ，Ｔ．Ｆａｃｏｎ－Ｂｏｌｌｅｎｇｉｎｒ．Ｃｈｒｏｎｏｌｏｇｉｃａｌａｇｅａｎｄｉｎｔｅｌｌｅｃｔｕａｌｄｉｓａｂｉｌｉｔ）ｒＪｏｕｒｎａｌｏｆＩｎｔｅｌｌｅｃｔｕａｌＤｉｓａｂｉｌｉｔｙＲｅｓｅａｒｃｈＶｏｌｕｍｅ４３，Ｉｓｓｕｅ６，Ｐａｇｅ４８９４９６，Ｄｅｃ１９９９【１２］ＨｅｘｉｏｎｇＹａｎｇ，ＪｕｒｇｃｎＫｏｎｚｅｔｔ．Ｃｒｙｓｔａｌｃｈｅｍｉｓｔｒｙｏｆａｈｉｇｈ－ｐｒｅｓｓｕｒｅＣ２／ｃｃｌｉｎｏｐｙｒｏｘｅｎｅｗｉｔｈｓｉｘ－ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｄｓｉｌｉｃｏｎ．ＴｈｅＡｍｅｒ／ｃａｎＭｉｎｅｒａｌｏｇｉｓｔ．Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ：Ｊｕｌ２００５．Ｖ０１．９０，Ｉｓｓ．７；ｐ．１２２３【１３１Ｒ．ＥＤｏｏｌｉｔｔｌｅ．ＤｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇｔｈｅｃｒｙｓｔａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｆｌｂｒｉｎｏｇｅｎＪｏｕｍａｌｏｆＴｈｒｏｍｂｏｓｉｓａｎｄＨａｏｍｏｓｔａｓｉｓＶｏｌｕｍｅ２，Ｉｓｓｕｅ５，Ｐａｇｅ【１４］Ｇｒｅｇｏｒｙ６８３－６８９，Ｍａｙ２００４Ｓ．Ｒｏｈｍｒ，Ｃ．ＬａｎｅＲｏｈｒｏｒ，Ｗｉｌｌｉａｍｗ．Ｍｕｌｌｉｎｓ．ＣｏａｒｓｅｎｉｎｇｏｆＦａｃｅｔｅｄＣｒｙｓｔａｌｓ．ＪｏｕｍａｌｏｆｔｈｅＡｍｅｒ／ｃａｎＣｅｒａｍｉｃＳｏｃｉｅｔｙ．Ｖｏｌｕｍｅ８５，Ｉｓｓｕｅ３，ＰａｇｅＯｌｌ６７５－６８２，Ｍａｒ２００２【１５］ＭａｈｕａＧｈｏｓｈ，ＳｉｂｄａｓＢａｎｄｙｏｐａｄｈｙａｙ．ＳｔｕｄｉｅｓｔｈｅＣｒｙｓｔａｌＧｒｏｗｔｈｏｆＲｉｃｅＢｒａｎＷａｘｉｎａＨｅｘａｎｅＭｅｄｉｕｍ．ＪＡＯＣＳ，ＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＡｍｅｒｉｃａｎＯｉｌＣｈｅｍｉｓｔｓ。Ｓｏｃｉｅｔｙ．Ｃｈａｍｐａｉｇｎ：Ａｉｒ２００５．Ｖ０１．８２．１ｓｓ．４；Ｐ．２２９（３ｐａｇｅｓ）［１６１Ｐ．１￡ｅ．ＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎＥｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆＫＬＡ－ｉｎｅｏｒｅＳ３０ＥｂｅａｍｌｎｓｐｅｃｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍＬｑ·Ｐｒｅｓｅｎｔｅｄａｔ；７Ｐ７气＾ＳＥＭＩＣＯＮＷｅｓｔＹｉｅｌｄＭａｎａｇｅｍｅｎｔＳｅｍｉｎａｒ，ＳａｎＦｒａｎｃｉｓｃｏ，ＣＡ，２００３，Ｊｕｌｙ，１５【１７］ＮａｔｉｏｎａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ．ＬＡＢＶＩＥＷ３２０９９９Ｅ一０１ＵｓｅｒＭａｎｕａｌ．Ａｐｒｉｌ２００３Ｅｄｉｔｉｏｎ．ＰａｒｔＮｕｍｂｅｒｆｆ［１８］阙端麟主编，陈修治副主编．硅材料科学与技术．浙江大学出版社，２０００【１９］仲维卓。华素坤著．晶体生长形态学．科学出版社，１９９９，１２０～１２６［２０］常国威，王建中著。金属凝固过程中的晶体生长与控制．冶金工业出版社，２００２［２１］姚连增主编。晶体生长基础．中国科学大学出版社，１９９５［２２】杨树人，王宗昌，王兢编著．半导体材料（第２版）。北京：科学出版社，２００４：５８－－６０８０浙江大学硕士学位论文【２３］ＦｏｏＫＳ，ＢａｎｋｓＷＭ．ＩｎｔｅｒｆａｃｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆａｎＳｉＣｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ／６０６１ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｃｏｍｐｏｓｉｔｅ［Ｊ】．Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，１９９４，２５∽：６７７～６８２［２４１Ｒｏｈａｔｇｉ５５～５ＰＫ．Ｌｏｗ－ｃｏｓｔ，ｆｌｙ·ａｓｈ－ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇａｌｕｍｉｎｕｍ－ｍａｔｒｉｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓＥＪ］．ＪＯＭ，１９９４，４６（１１）：［２５］ＮａｔｉｏｎａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓＣｏｑｘ＇ｒａｔｉｏｎ·ＬＡＢＶＩＥＷ３２０９９９Ｃ－－０１ＵｓｅｒＭａｎｕａｌＪｕｌｙ２０００Ｅｄｉｔｉｏｎ．ＰａｒｔＮｕｍｂｅｒ［２６］ＭａｇｉｎＣＧＥ．ＴｓａａｃｓＪＡ，ＣｌａｒｋＪＰ．ＭＭＣｓｆｏｒａｕｔｏｍｏｔｉｖｅｅｎｇｉｎｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ４８（２）：４９～５１【２７］ＭａｃｈｉｄａＯｎＥＪ］．ＪＯＭ，１９９６，Ｎｏｆｉｈｉｓａ，ＳｕｚｕｋｉＹｏｕｊｉ·ｅｔａ１．ＴｈｅＥｆｆｅｃｔｓｏｆＡｒｇｏｎＧａｓＨｏｗＲａｔｅａｎｄＦｕｒｎａｃｅＰｒｅｓｓｕｒｅＯｘｙｇｅｎＣｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｉｎＣｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ－－ｇｒｏｗｎＳｉｌｉｃｏｎＣｒｙｓｔａｔｓｐ］．Ｊ．ＣｒｙｓｔａｌＧｒｏｗｔｈ·１９９８，１８６：３６Ｈ６８［２８］Ｋａｎｄａｌｓａｏ，ＳｕｚｕｋｉＴａｋｅｆｕｍｉ，ｅｔａｌ．ＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆＣｒｕ－－－ｃｉｂｌｅａｎｄＣｒｙｓｔａｌＲｏｔａｔｉｏｎｉｎＯｘｙｇｅｎ－－－ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎＤｉｓ．ｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎＬａＩ弩ｒ＿ｄｉａｍｅｔｅｒＳｉｌｉｃｏｎＳｉｎｇｌｅＣｒｙｓｔａｌＦＪ］．Ｊ．ＣｒｙｓｔａｌＧｒｏｗｔｈ，１９９６，１６６：６１５９—１６７＿４【２９１Ｒ．Ｎｕｒａｎｉ，ｅｔａｌ．１ｎｌｉｎｅＦｒａｍｅｗｏｒｋｍ．ＤｅｆｅｃｔＳａｍｐｌｉｎｇＭｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙｉｎＹｉｅｌｄＭａｎａｇｅｍｅｎｔ：ＡｎＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓＯｎＳｅｍｉｅｏｎｄｕｅｔｏｒＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，１９９６·Ｎｏｖｅｍｂｅｒ，㈣【３０］Ｎａｋａｊｉｍａ，Ｋａｚｕｏ．ＳｈａｐｅｄｓＩｕｃＯＮ．ｃＲＹｓｌ．札ｗａｆｅ培ｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｐｌａｓｔｉｃｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｉｒ·ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｏＳＩＬＩＣＯＮ－ＣＲＹＳＴＡＬｌｅｎｓｅｓ．ＮａｔｕｒｅＭａｔｅｒｉａｌｓＩＳＳＮ：１４７６－１１２２，Ｐａｇｅ４７—５００ｃｔ，２００５［３１］卢文祥，杜润生编著。‘机械工程测试·信息·信号分析》（第二版）．武汉：华中科技大学出版社．１９９９年８月［３２］清源计算机工作室编著。（Ｐｒｏｔｅｌ９９仿真与ＰＬＤ设计》．ｊＢ京：机械工业出版社．２０００年８月［３３］张智星。｛ＭＡＴＬＡＢ程序设计与应用》。北京：清华大学出版社．２００２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作者：

学位授予单位：

刘兵浙江大学

本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y999624.aspx

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