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1、CZ 单晶炉单晶等径生长计算机控制系统 本文介绍了 CZ 单晶炉单晶等径生长计算机控制系统，简述了计算机硬件结构和软 件设计原理。 一 单晶棒直径控制是单晶炉控制的重点。单晶直 径在生长过程中可受到温度、提拉速度与转速、坩埚 跟踪速度与转速、生长物理环境、保护气体的流速与 温度、冷却水流的流速与温度等因素的影响。归纳起 来，无外乎是热场波动和生长速度变化两大类。因 此，炉内热场设置、生长温度补偿、速度等参数选配 是控制单晶外形的基本条件，炉内热场和生长速度 的精确控制是单晶炉单晶等径生长控制的重点。 二、控制系统构成 单晶等径生长在忽略一些干扰因素影响下，主 要受温度和拉速的影响。 CZ 单晶
2、炉单晶等径生长控制系统如图1所示。 单晶生长等径控制系统是由拉速控径单元和温度控 径单元组成，而温度控径单元又是由温度控制单元 和温度校正控制单元组成。温度控制单元是为了保 证单晶正常生长所需的极严格的过冷度要求( 如硅 单晶生长过冷度为 1240 一05)，温度校正控制 单元是用来进行热补偿的(晶体生长过程中结晶面 释放潜热、单晶棒与周围空间的热辐射、热传导、热 对流等 ) 。由直径偏差信号调节拉速及埚转速度，由 温度信号控制缘晶面温度，再由拉速控制温度校正 升温速率，改变炉温达到控径的目的，同时也限制了 拉速的大范围波动与变化。此外，温度校正还以极宽 的曲线范围补偿因坩埚与加热器相对位置变
3、化及单 晶棒运动造成的确定性热量扰动，即以经验前馈的 方式来控径。速度控径单元和温度控径单元共同构 成晶体等径自动生长控制器。 除温度控制单元采用了欧陆(Eurotherm)818P 温度控制器 ( 该控制器内部为一智能的 PID 调节 器)外，拉速控径单元和温度校正控制单元均采用 PID控制器。在温度校正控制单元中，输人偏差信号 是由晶升测速机 (CF)测得的拉速与温校曲线的设 定拉速相比较产生的。温度校正主要是用来补偿因 单晶长度改变而引起固液交界面热稳态发生变化 的。温度校正曲线是根据经验人为设置的一条晶体 拉速经验曲线 ( 如图2) 。实践表明，这条曲线设置的 好坏对晶体的外观及工艺参
4、数是否合格有着十分重 要的意义。 图1 CZ单晶炉单晶等径生长控制系统框图图2 温度校正曲线三、计算机硬件结构 计算机硬件系统框图见图3。在以前的计算机 控制系统中，拉速控制和温度补偿控制分别采用了 两台STD BUS 的工控机，这样的控制系统没有良 好的人机界面，程序调试烦锁，开发周期长。我们从 目前工控机的工作能力、可靠性、软件发展水平、整 体投资的经济性等多方面考虑，决定采用一台性能 优良的台湾研华公司生产的IPC286工控机对整个 系统进行控制。 图3 计算机硬件框图四、软件设计 在MS D0S 环境下采用 C 语言编程，程序为 模块化结构，各个任务执行采用08H 定时中断和 09H
5、键盘中断相互嵌套式程序调用。 l 、定时中断程序设计 (O8H 中断) (1) 直径定点采样定时中断 为了克服晶液表面的抖动、晶棒的不圆、晶体径 向摆动而给直径测量数据带的随机干扰，直径信号 需要定点采样。定点采样就是在一个控速周期内在 固液交界面光环上的某一固定点处定时采得数个直 径值，并将它们平均后送入拉速控制单元。 (2) 拉速控制周期定时中断 在一定控制周期内，用直径偏差信号作为输入 信号，经过 PID 运算后，给出一个控制量，控制提拉 速度。 (3) 温度控制周期定时中断 在温度控制周期内，先对拉速进行采样，用拉速 偏差信号作为输入信号，经过PID运算后，求得一 个控制量，并计算出这
6、一温控周期内的温校速率。 (4) 温校速率定时中断 温校量不是一次全部送出(这样会对热场影响 过大) ，而是按温校速率在一个温控周期内分多次一 点一点送出。 (5) 动态显示定时中断 VGA 彩显定时显示单晶速度、重量及各种拉晶 有关的参数，并直观地动态显示拉晶工艺过程。 (6) 参数打印定时中断 VGA 显示器上有关的重要数据可以定时从打 印机上输出。 2键盘中断程序设计 (09H 中断) 在定时器定时中断执行各控制任务过程中，用 户可以随时中断某一 ( 或某些 )任务执行，而执行其 它任务，这种功能切换需要用到键盘中断方式。本系 统从方便用户使用出发，采用全汉化式选单。选单上 的各个功能
7、( 如拉速自动手动、温度自动手动、温 校速率增减、参数设定修改、参数清零、放大显示 等)全部设计成键盘中断方式。 3几个定时中断与键盘中断的嵌套保护 中断嵌套保护遵循两条基本原则： (1) 低优先级中断可被高优先级中断所中断而 形成嵌套，反之则不能； (2) 某一中断一旦得到响应，与其同级的中断 便不能再中断它。当同时收到几个具有相同优先级中断源提出请求时，哪一个要求得到服务，取决于内 部查询顺序，也就是说，还存在着另一个辅助优先级 结构。 我们所用到的几个定时中断与键盘中断属于第 二种情况，因此，在它们相应的中断服务程序中，都 必须设计一个辅助优先级结构，形成一个可靠的中 断嵌套保护。该问题如果处理得不好，整个系统将崩 溃。 4、软件滤波 在控制现场环境下，虽然模拟信号采取了屏蔽、 接地和滤波措施，亦难以消除所有尖峰信号干扰。因 此，模拟信号输入采用软件滤波处理，连续采样，去 掉最大、最小值后求平均，用平均值作为实际输入。
