全自动网络单晶炉系统设计与应用

李润源，何茂栋，杨 伟

(太阳能光伏核心装备技术北京市工程实验室，北京 100071)

单晶硅是生产制造PN结的主要晶体材料，而PN结则是微电子技术、数字信息技术、太阳能光伏技术的基础。因此，自动化大规模低成本地生产单晶硅就成了一件值得深入持续研究的重要问题。本文提出一种以固液交界面热场动态平衡为基础的建立单晶炉控制系统变量分析模型并据此建立了以直径控制系统模型，在此基础上提出全自动网络单晶炉系统设计方案，并通过实际实施后提出一些实践中的体会。

1 自动控制系统分析

单晶炉是把多晶硅原料熔化后，控制其由液相物理结晶为固相时固液交界面热场的动态平衡，在籽晶的晶核引导下而变为单晶硅的纯粹的物理过程。

由晶体生长得知，固液交界面要控制在过冷区范围内方可控制结晶，硅的过冷区范围是1 420℃～0.5℃，精度要求极高，非接触性高精度测量与多变量控制系统，因而难度高，是单晶炉设计与制造的核心技术和难点。单晶炉控制系统应当考虑的系统如图1所示。

图1 单晶炉控制系统图

由图1可见，单晶炉自动控制系统是由N1～N4速度控制系统，温度控制系统H，热场与保温系统C，气体与真空系统，水温控制系统W，直径控制系统6大系统组成。

直径控制系统是建立在温度、速度控制系统基础之上的上位串级控制系统，在包括真空与气体控制系统和水温控制系统在内的全部变量采取稳定、可靠措施条件下，主要是认定只有晶升电机转速、晶升电机给定、温度控制器输出信号、温度控制器给定信号、直径偏差信号共4个关键变量。

直径控制系统是属于晶体形状控制系统，如果不考虑前述诸多变量及各种设备、原料、操作原因，则不能保证所拉制的单晶品质而只能形状合格，这是单晶炉直径控制系统的难点所在。

直径控制信号△准分别进入速度模糊PID控制器与温度模糊PID控制器，作为速度与温度两组串级控制系统的前级控制器，再分别进入晶升速度控制系统与温度控制系统，去通过晶升速度n1与温度控制H而达到控制直径的目的。

在一般的单回路控制系统中，在F1（s）和F2（s）扰动作用下时，如果改进系统的控制方式，采用如图2的串级控制系统，则可以进一步提高系统的控制质量。图2中Gc1（s）为系统主调节器，接受主变量的偏差，其输出作为副调节器Gc2（s）的设定值；Gc2（s）为系统的副调节器，其输出用于调节Gv（s）；Gm2（s）为系统的副测量变送器，是对副被控参数进行测量变松的环节。

图2 串级控制系统传递函数图

串级控制系统与单回路控制系统的主要区别是，串级控制系统在结构上形成两个闭环，一个闭环在里面，称为副环，它的输出送往调节装置直接控制生产过程。串级控制系统适用于容量滞后和延时较大、参数互相关联的非线性过程。

在给定信号X1（s）作用下的串级控制系统的传递函数为：

在二次扰动F2（s）作用下，输出Y1（s）相对于F2（s）的传递函数为：

与单回路控制系统相比较可见：

串级控制系统可以减少二次扰动对主被控对象的影响，实现副回路对扰动的粗调作用。

由于串级控制系统副回路的存在，能迅速克服进入副回路的二次干扰，从而大大减小了二次干扰对主参数的影响。此外，由于副回路的存在，控制作用的总放大系数，因而抗干扰能力和控制性能都比单回路控制系统有了明显提高。

生产过程往往包含一些非线性因素，晶体生长就有明显的非线性特点：开始生长时，多晶熔体较多，热容量大；随着生长的进行，熔体越来越少，热容量也就越来越小。在一定的负荷下，即在确定的工作点情况，按一定控制质量指标整定的调节参数只适应于工作点附近的一个小范围。如果负荷变化过大，超出这个范围，控制质量就会下降。

2 直径形状控制变量的工艺性制约因素

2.1 直径的形状变化测量

传统的测量采用IRCON光学高温计，其基本原理是采样固液交界面潜热光环的光电元件单位面积的光通量变化而实现，是一种直径的点位式测量。优点是结构简单，在20世纪80年代至2006年长达近30年时间里获得广泛应用。其缺点是：一，当光环突破光电元件光学取光圆环临界点时，负反馈系统会转变成正反馈系统，从而造成系统失控；二，只见树木不见森林，点采样代替直径变化整体，因而测量精度差，控制精度不高，自动化程度低。

现代广泛采用CCD面采样光电元件，从而克服了上述缺点，其信号处理归属于数字图像信号处理范畴。

2.2 控制信号输出的幅值限制

直径控制器中的模糊PID速度控制器输出信号为n1，晶升速度输出变化幅度不得大于30%，因晶升速度直接作用于直径变化之上，延迟时间很短，是直径控制的第一控制力，但当变化幅度大于30%时，极易破坏从液体多晶结构向固体单晶结构的生长条件。

直径控制器中的模糊PID温度控制器输出信号为H，其温度输出变化幅度不得大于2‰，且惯性时间很长，一般都在600 s以上，否则容易引起纯滞后大惯性直径系统震荡，造成控制精度差。同样也是破坏了固液交界面热场的动态平衡。

2.3 速度控制信号与温度控制信号在直径控制器中的变量解耦

由于速度控制直径会对温度造成扰动，温度控制直径会对速度造成扰动，作为n1-a4与Hc-4这两个过程是在信号处理与变量解耦内完成的。另外，直径控制系统是建立在全部控制系统共计63个变量中，另外58个变量需在独立稳定控制基础上，选出5个关键变量而建立的控制系统，需特别注意。

3 全自动单晶炉自动控制系统方案

3.1 化料准备阶段的全自动控制系统程序设计

该阶段的核心技术的关键在与化料速度控制，化料速度太慢会造成生产周期长、成本高；化料速度太快易造成硅溶液热容量热惯性太大，会造成喷硅事故。具体化料速度则因坩埚尺寸不一、装料量不同而不同。

控制程序设计则是一个简单的程序控制信号发生器，信号迭加到温度控制器的给定单元即可。

3.2 引晶阶段的全自动控制系统程序设计

该阶段的技术难点有三：其一是如何判定液面引晶温度达到1 420℃（～0.5℃）的过冷区内，包括埚位的选择，尤其是热场系数的变化影响；其二是如何判定籽晶溶入硅液后形成单晶结构；其三是如何实现规范的缩径工艺以排除籽晶位错。

由于以上三点原因，建议该阶段以人工操作为主，自动控制为辅，否则单晶炉的结构会非常复杂，从而造成代价高昂，不适应于大规模低成本生产单晶硅的市场要求。

3.3 晶体生长全阶段全自动控制程序设计

自缩径后的放肩—转肩—自动等径—转尾—收尾的过程。放肩主要是通过程序式给定降低温度信号迭加在温度控制器的给定环节；收尾正好相反。

难点在于转肩与转尾两个步骤，通过同时变化拉速给定信号与温度给定信号而达到，建议感兴趣的朋友亲自手动操作这两个过程后即可编出控制程序，当然技巧还在于直径控制器何时进入或脱离控制。

4 单晶炉的网络化方案设计

当单晶在生产过程中，大量的生产过程与工艺参数需要如实记录，一般是由操作技师完成。

当单晶硅炉大量应用于太阳能光伏产业时，这种手工方式记录就无法应对了，尤其是把工艺过程与生产成本及实时生产报表结合起来，采用人工方式基本陷入无法应对之困扰。把计算机信息网络技术引入，辅之以数据处理与报表系统，则问题迎刃而解。每台单晶炉上的工业控制计算机都有数据输出口，可以把80%以上所需数据采集过来。每台单晶炉上的气流与真空测量系统均有数据口，可以将其采集过来。每台单晶炉上的电源系统均有数据输出口，可将其采集过来。对每个拉晶车间的进电、进水出水口（含泵、发电机）、进气与排气口进行智能化数据采集改造。

采用工业以太网技术，每个车间设立一台数据通信交换机，即可全部连成生产系统物流网，传至上位机予以实时显示及数据记录与处理，辅之以车间统计时手工输入原料数、成品数据，即可形成网络单晶炉。

5 结 论

(1)依据固液交界面热场的动态平衡理论是设计单晶炉自动控制系统的应用基础，否则极易陷入单晶形状单一控制的单一自动控制学科而无法摆脱实用苦恼。这是笔者从事该项目研究近三十年所获得的深刻体会。

(2)基于固液交界面热场的动态平衡理论而深入细致地分析复杂非线性多变量，是设计单晶炉自动控制系统的成功保证，控制方案是建立在63个相关变量基础之上，5个关键变量是建立在其它58个相关变量被分别稳定控制基础之上的，尤其注意热场变量是非线性时变变量，必须下大工夫研究方可深入掌握。

(3)在以上条件下，单晶炉的全自动控制以及网络化实现不难解决。实际控制效果在150～200 mm（6～8英寸）±1 mm重复实现，同时保证单晶称重成品率在80%以上。

[1] 李润源.单晶炉等径控制系统设计[J].陕西机械学院第二届科技技术报告会，1985(2)：1-4.

[2] 李润源.单晶炉等径控制系统设计应用[J].LSI制造与测试，1986（5）:8-11.

[3] 李润源.走向90年代的直拉法单晶生长技术[J].LSI制造与测试，198712-15.

[4] 刘曙光，李润源.单晶炉等径生长计算机控制系统[J].机电工程，1999（2）:14-16.

[5] 何茂栋.太阳能光伏单晶硅炉晶体生长的模糊PID控制系统研究[D].北京航空航天大学工程硕士论文.2009（10）：16-18.