主要功能及控制原理解析

主要功能控制原理包括直径控制器原理、温校控制器原理。

1.直径控制器 在晶体生长过程中，晶体的直径主要受晶升速度和熔体温度的变化而变化的。当晶升速度增大时，晶体直径变小；当晶升速度减小时，晶体直径变大。当熔体温度升高时，晶体直径变小；当熔体温度降低时，晶体直径变大。因此，晶体直径的控制是通过控制晶体升速和加热器温度而实现的。

（1）直径控制器原理。图6-31示出直径控制器原理。当晶体直径变化时，直径控制器会自动调节晶升速度，使晶体直径保持不变：当晶体直径变大时，直径信号d₁↑→控速输出OP↑→晶升速度SL↑→晶体直径减小。当晶体直径变小时，直径信号d₁↓→控速输出OP↓→晶升速度SL↓→晶体直径减小。

图6-31 直径控制器原理

（2）直径控制器参数说明。直径控制器参数分为两部分：输入/输出参数，控制器内部参数。

1）输入/输出参数有直径信号d₁、直径设定SP、控速输出OP。

① 直径信号d₁参数是一个相对直径测量参数，其数值的大小与实际直径参数无关。它是通过测量晶体生长进程中的固液交界面的“光环”信号的变化，而间接测量晶体的直径变化。当晶体直径变大或变小时，直径信号d₁也随之变大或变小。

② 直径设定SP，当晶体等径生长时，在直径控制器投入自动时的一瞬间，自动取这一瞬间的直径信号d₁作为直径设定值。

③ 控速输出OP参数为一双极性输出参数，其数值正负变化，量纲为mm/min，与实际晶升速度计量单位一致。

2）直径控制器内部参数有六个：比例增益P_n、积分常数I_n、微分增益D_n、控制周期t、控径参数E₁及微分斜率E₂。一般情况下各参数选择：比例增益P_n=0.4～1.0，积分常数I_n=30，微分增益D_n=0.5～1.0，控制周期t=1.0，控径参数E₁=1.00，微分斜率E₂=80。各参数定义如下：

① 比例增益P_n（0～1.99）为

其中 直径信号偏差=d₁-SP

P_n越大表明比例作用越强；P_n越小表明比例作用越小；P_n=0，比例作用无效。例如：当P_n=1.0时，表明直径信号偏离设定值10个字时，拉速输出OP值也变化10个字，即0.1mm/min。

② 积分常数I_n（1～199）每个控制周期对直径信号偏差进行累加，当累加数值绝对值﹥I_n×100时，拉速输出值OP变化0.01mm/min。

I_n越大，表明积分作用越小；I_n越小，表明积分作用越大；I_n﹥199时，积分作用无效。

③微分增益D_n（0～9.9）为

例如：当D_n=1.0时，表明在一个调节周期内，直径信号变化10个字时，拉速输出OP值最大变化量10个字，即0.1mm/min。随后微分作用随时间变化而衰退。

④控制周期t（0.1～99.9）：直径控制器每隔一个控制周期，对控制输出进行一次调整。(www.xing528.com)

⑤控径参数E₁（0～3.0）：根据晶体直径变化对晶升速度进行控制。

⑥微分斜率E₂（0～99）指微分作用的衰减化。当E₂=80时，如果本次微分作用的最大为0.20mm/min；则当直径信号不再变化时，下个控制点上微分的作用为0.20×80%=0.16mm/min。

2.温校控制器

（1）温校控制器原理。温校控制器的作用是在晶体生长过程中，控制加热器温度，使晶升速度按拉速设定曲线SL ramp的设置而变化。当晶升速度偏离设定值时，温校控制改变控温输出OP值的大小，使晶体直径发生变化，这时，直径控制系统控制晶升速度系统，使晶升速度SL接近拉速设定值SP。图6-32示出温校控制器原理。

（2）温校控制器参数说明。温校控制器参数分两部分，输入/输出参数，温校控制器内部参数。

1）输入/输出参数 有四个：晶升速度SL，控温输出OP，温校速率t_r，设定拉速SP，即拉速设定曲线SL ramp。

图6-32 温校控制器原理

① 晶升速度SL为0～9.99mm/min。

② 控温输出OP为一输出数字参数0～4095，对应输出电压为0～20mV，可调。

③ 温校速率t_r为-99.9～99.9μV/min，指每分钟控温输出OP的变化量。t_r<0为降温状态，t_r＞0为升温状态，t_r=0为恒温状态。

④设定拉速SP（SL ramp）。当温校控制器投入自动前，应将晶升拉速SL调整到接近设定拉速SP，然后再投自动。因为控制器会将该时刻的晶升速度SL作为设定拉速SP，如果相差太大，就会延长拉速的调整过程，温度波动也会较大，对等径控制不利。以后的拉速就会按照设定的晶升拉速曲线SL ramp而变化。

2）温校控制器内部参数　有三个：比例增益P_n、积分常数I_n、控制周期t。一般情况下各参数选择如下：比例增益P_n=0.3，积分常数I_n=20，控制周期t=30.0左右。各参数定义如下。

①比例增益P_n（P_n=0～5.00）为

P_n越大表明比例作用越强；P_n越小表明比例作用越小；P_n=0比例作用无效。例如：当P_n=1.0时，表明本周期拉速偏差与上周期拉速偏差值为0.1mm/min，即10个字时；此时温校速率变化量也为10个字，即1.0μV/min。

②积分常数I_n（I_n=0～500）。当I_n=100时，拉速偏差值为0.1mm/min，即10个字时，在一个控制周期内，积分作用使温校速率t_r变化0.1μV/min，I_n越大积分作用越强，I_n越小积分作用越弱。

③控制周期t（t=0.1～99.9s）表示每隔时间t，对温校速率t_r进行一次调整。

温校速率t_r是根据晶体生长过程中的温度变化趋势，预先设置一条温校速率曲线；然后温校控制器根据晶体生长过程中的拉速变化，对温校速率t_r进行修正，以实现自动温度补偿。当P_n=0、I_n=0时，温校闭环控制无效。