全自動網(wǎng)絡單晶爐系統(tǒng)設計與應用

李潤源，何茂棟，楊 偉

(太陽能光伏核心裝備技術(shù)北京市工程實驗室，北京 100071)

單晶硅是生產(chǎn)制造PN結(jié)的主要晶體材料，而PN結(jié)則是微電子技術(shù)、數(shù)字信息技術(shù)、太陽能光伏技術(shù)的基礎。因此，自動化大規(guī)模低成本地生產(chǎn)單晶硅就成了一件值得深入持續(xù)研究的重要問題。本文提出一種以固液交界面熱場動態(tài)平衡為基礎的建立單晶爐控制系統(tǒng)變量分析模型并據(jù)此建立了以直徑控制系統(tǒng)模型，在此基礎上提出全自動網(wǎng)絡單晶爐系統(tǒng)設計方案，并通過實際實施后提出一些實踐中的體會。

1 自動控制系統(tǒng)分析

單晶爐是把多晶硅原料熔化后，控制其由液相物理結(jié)晶為固相時固液交界面熱場的動態(tài)平衡，在籽晶的晶核引導下而變?yōu)閱尉Ч璧募兇獾奈锢磉^程。

由晶體生長得知，固液交界面要控制在過冷區(qū)范圍內(nèi)方可控制結(jié)晶，硅的過冷區(qū)范圍是1 420℃～0.5℃，精度要求極高，非接觸性高精度測量與多變量控制系統(tǒng)，因而難度高，是單晶爐設計與制造的核心技術(shù)和難點。單晶爐控制系統(tǒng)應當考慮的系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 單晶爐控制系統(tǒng)圖

由圖1可見，單晶爐自動控制系統(tǒng)是由N1～N4速度控制系統(tǒng)，溫度控制系統(tǒng)H，熱場與保溫系統(tǒng)C，氣體與真空系統(tǒng)，水溫控制系統(tǒng)W，直徑控制系統(tǒng)6大系統(tǒng)組成。

直徑控制系統(tǒng)是建立在溫度、速度控制系統(tǒng)基礎之上的上位串級控制系統(tǒng)，在包括真空與氣體控制系統(tǒng)和水溫控制系統(tǒng)在內(nèi)的全部變量采取穩(wěn)定、可靠措施條件下，主要是認定只有晶升電機轉(zhuǎn)速、晶升電機給定、溫度控制器輸出信號、溫度控制器給定信號、直徑偏差信號共4個關鍵變量。

直徑控制系統(tǒng)是屬于晶體形狀控制系統(tǒng)，如果不考慮前述諸多變量及各種設備、原料、操作原因，則不能保證所拉制的單晶品質(zhì)而只能形狀合格，這是單晶爐直徑控制系統(tǒng)的難點所在。

直徑控制信號△準分別進入速度模糊PID控制器與溫度模糊PID控制器，作為速度與溫度兩組串級控制系統(tǒng)的前級控制器，再分別進入晶升速度控制系統(tǒng)與溫度控制系統(tǒng)，去通過晶升速度n1與溫度控制H而達到控制直徑的目的。

在一般的單回路控制系統(tǒng)中，在F1（s）和F2（s）擾動作用下時，如果改進系統(tǒng)的控制方式，采用如圖2的串級控制系統(tǒng)，則可以進一步提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量。圖2中Gc1（s）為系統(tǒng)主調(diào)節(jié)器，接受主變量的偏差，其輸出作為副調(diào)節(jié)器Gc2（s）的設定值；Gc2（s）為系統(tǒng)的副調(diào)節(jié)器，其輸出用于調(diào)節(jié)Gv（s）；Gm2（s）為系統(tǒng)的副測量變送器，是對副被控參數(shù)進行測量變松的環(huán)節(jié)。

圖2 串級控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)圖

串級控制系統(tǒng)與單回路控制系統(tǒng)的主要區(qū)別是，串級控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上形成兩個閉環(huán)，一個閉環(huán)在里面，稱為副環(huán)，它的輸出送往調(diào)節(jié)裝置直接控制生產(chǎn)過程。串級控制系統(tǒng)適用于容量滯后和延時較大、參數(shù)互相關聯(lián)的非線性過程。

在給定信號X1（s）作用下的串級控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

在二次擾動F2（s）作用下，輸出Y1（s）相對于F2（s）的傳遞函數(shù)為：

與單回路控制系統(tǒng)相比較可見：

串級控制系統(tǒng)可以減少二次擾動對主被控對象的影響，實現(xiàn)副回路對擾動的粗調(diào)作用。

由于串級控制系統(tǒng)副回路的存在，能迅速克服進入副回路的二次干擾，從而大大減小了二次干擾對主參數(shù)的影響。此外，由于副回路的存在，控制作用的總放大系數(shù)，因而抗干擾能力和控制性能都比單回路控制系統(tǒng)有了明顯提高。

生產(chǎn)過程往往包含一些非線性因素，晶體生長就有明顯的非線性特點：開始生長時，多晶熔體較多，熱容量大；隨著生長的進行，熔體越來越少，熱容量也就越來越小。在一定的負荷下，即在確定的工作點情況，按一定控制質(zhì)量指標整定的調(diào)節(jié)參數(shù)只適應于工作點附近的一個小范圍。如果負荷變化過大，超出這個范圍，控制質(zhì)量就會下降。

2 直徑形狀控制變量的工藝性制約因素

2.1 直徑的形狀變化測量

傳統(tǒng)的測量采用IRCON光學高溫計，其基本原理是采樣固液交界面潛熱光環(huán)的光電元件單位面積的光通量變化而實現(xiàn)，是一種直徑的點位式測量。優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，在20世紀80年代至2006年長達近30年時間里獲得廣泛應用。其缺點是：一，當光環(huán)突破光電元件光學取光圓環(huán)臨界點時，負反饋系統(tǒng)會轉(zhuǎn)變成正反饋系統(tǒng)，從而造成系統(tǒng)失控；二，只見樹木不見森林，點采樣代替直徑變化整體，因而測量精度差，控制精度不高，自動化程度低。

現(xiàn)代廣泛采用CCD面采樣光電元件，從而克服了上述缺點，其信號處理歸屬于數(shù)字圖像信號處理范疇。

2.2 控制信號輸出的幅值限制

直徑控制器中的模糊PID速度控制器輸出信號為n1，晶升速度輸出變化幅度不得大于30%，因晶升速度直接作用于直徑變化之上，延遲時間很短，是直徑控制的第一控制力，但當變化幅度大于30%時，極易破壞從液體多晶結(jié)構(gòu)向固體單晶結(jié)構(gòu)的生長條件。

直徑控制器中的模糊PID溫度控制器輸出信號為H，其溫度輸出變化幅度不得大于2‰，且慣性時間很長，一般都在600 s以上，否則容易引起純滯后大慣性直徑系統(tǒng)震蕩，造成控制精度差。同樣也是破壞了固液交界面熱場的動態(tài)平衡。

2.3 速度控制信號與溫度控制信號在直徑控制器中的變量解耦

由于速度控制直徑會對溫度造成擾動，溫度控制直徑會對速度造成擾動，作為n1-a4與Hc-4這兩個過程是在信號處理與變量解耦內(nèi)完成的。另外，直徑控制系統(tǒng)是建立在全部控制系統(tǒng)共計63個變量中，另外58個變量需在獨立穩(wěn)定控制基礎上，選出5個關鍵變量而建立的控制系統(tǒng)，需特別注意。

3 全自動單晶爐自動控制系統(tǒng)方案

3.1 化料準備階段的全自動控制系統(tǒng)程序設計

該階段的核心技術(shù)的關鍵在與化料速度控制，化料速度太慢會造成生產(chǎn)周期長、成本高；化料速度太快易造成硅溶液熱容量熱慣性太大，會造成噴硅事故。具體化料速度則因坩堝尺寸不一、裝料量不同而不同。

控制程序設計則是一個簡單的程序控制信號發(fā)生器，信號迭加到溫度控制器的給定單元即可。

3.2 引晶階段的全自動控制系統(tǒng)程序設計

該階段的技術(shù)難點有三：其一是如何判定液面引晶溫度達到1 420℃（～0.5℃）的過冷區(qū)內(nèi)，包括堝位的選擇，尤其是熱場系數(shù)的變化影響；其二是如何判定籽晶溶入硅液后形成單晶結(jié)構(gòu)；其三是如何實現(xiàn)規(guī)范的縮徑工藝以排除籽晶位錯。

由于以上三點原因，建議該階段以人工操作為主，自動控制為輔，否則單晶爐的結(jié)構(gòu)會非常復雜，從而造成代價高昂，不適應于大規(guī)模低成本生產(chǎn)單晶硅的市場要求。

3.3 晶體生長全階段全自動控制程序設計

自縮徑后的放肩—轉(zhuǎn)肩—自動等徑—轉(zhuǎn)尾—收尾的過程。放肩主要是通過程序式給定降低溫度信號迭加在溫度控制器的給定環(huán)節(jié)；收尾正好相反。

難點在于轉(zhuǎn)肩與轉(zhuǎn)尾兩個步驟，通過同時變化拉速給定信號與溫度給定信號而達到，建議感興趣的朋友親自手動操作這兩個過程后即可編出控制程序，當然技巧還在于直徑控制器何時進入或脫離控制。

4 單晶爐的網(wǎng)絡化方案設計

當單晶在生產(chǎn)過程中，大量的生產(chǎn)過程與工藝參數(shù)需要如實記錄，一般是由操作技師完成。

當單晶硅爐大量應用于太陽能光伏產(chǎn)業(yè)時，這種手工方式記錄就無法應對了，尤其是把工藝過程與生產(chǎn)成本及實時生產(chǎn)報表結(jié)合起來，采用人工方式基本陷入無法應對之困擾。把計算機信息網(wǎng)絡技術(shù)引入，輔之以數(shù)據(jù)處理與報表系統(tǒng)，則問題迎刃而解。每臺單晶爐上的工業(yè)控制計算機都有數(shù)據(jù)輸出口，可以把80%以上所需數(shù)據(jù)采集過來。每臺單晶爐上的氣流與真空測量系統(tǒng)均有數(shù)據(jù)口，可以將其采集過來。每臺單晶爐上的電源系統(tǒng)均有數(shù)據(jù)輸出口，可將其采集過來。對每個拉晶車間的進電、進水出水口（含泵、發(fā)電機）、進氣與排氣口進行智能化數(shù)據(jù)采集改造。

采用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，每個車間設立一臺數(shù)據(jù)通信交換機，即可全部連成生產(chǎn)系統(tǒng)物流網(wǎng)，傳至上位機予以實時顯示及數(shù)據(jù)記錄與處理，輔之以車間統(tǒng)計時手工輸入原料數(shù)、成品數(shù)據(jù)，即可形成網(wǎng)絡單晶爐。

5 結(jié) 論

(1)依據(jù)固液交界面熱場的動態(tài)平衡理論是設計單晶爐自動控制系統(tǒng)的應用基礎，否則極易陷入單晶形狀單一控制的單一自動控制學科而無法擺脫實用苦惱。這是筆者從事該項目研究近三十年所獲得的深刻體會。

(2)基于固液交界面熱場的動態(tài)平衡理論而深入細致地分析復雜非線性多變量，是設計單晶爐自動控制系統(tǒng)的成功保證，控制方案是建立在63個相關變量基礎之上，5個關鍵變量是建立在其它58個相關變量被分別穩(wěn)定控制基礎之上的，尤其注意熱場變量是非線性時變變量，必須下大工夫研究方可深入掌握。

(3)在以上條件下，單晶爐的全自動控制以及網(wǎng)絡化實現(xiàn)不難解決。實際控制效果在150～200 mm（6～8英寸）±1 mm重復實現(xiàn)，同時保證單晶稱重成品率在80%以上。

[1] 李潤源.單晶爐等徑控制系統(tǒng)設計[J].陜西機械學院第二屆科技技術(shù)報告會，1985(2)：1-4.

[2] 李潤源.單晶爐等徑控制系統(tǒng)設計應用[J].LSI制造與測試，1986（5）:8-11.

[3] 李潤源.走向90年代的直拉法單晶生長技術(shù)[J].LSI制造與測試，198712-15.

[4] 劉曙光，李潤源.單晶爐等徑生長計算機控制系統(tǒng)[J].機電工程，1999（2）:14-16.

[5] 何茂棟.太陽能光伏單晶硅爐晶體生長的模糊PID控制系統(tǒng)研究[D].北京航空航天大學工程碩士論文.2009（10）：16-18.