全自動網絡單晶爐系統設計與應用

李潤源，何茂棟，楊 偉

(太陽能光伏核心裝備技術北京市工程實驗室，北京 100071)

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

1 自動控制系統分析

單晶爐是把多晶硅原料熔化后，控制其由液相物理結晶為固相時固液交界面熱場的動態平衡，在籽晶的晶核引導下而變為單晶硅的純粹的物理過程。

由晶體生長得知，固液交界面要控制在過冷區范圍內方可控制結晶，硅的過冷區范圍是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，因而難度高，是單晶爐設計與制造的核心技術和難點。單晶爐控制系統應當考慮的系統如圖1所示。

圖1 單晶爐控制系統圖

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

直徑控制系統是建立在溫度、速度控制系統基礎之上的上位串級控制系統，在包括真空與氣體控制系統和水溫控制系統在內的全部變量采取穩定、可靠措施條件下，主要是認定只有晶升電機轉速、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。

直徑控制系統是屬于晶體形狀控制系統，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而只能形狀合格，這是單晶爐直徑控制系統的難點所在。

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的前級控制器，再分別進入晶升速度控制系統與溫度控制系統，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中，在F1（s）和F2（s）擾動作用下時，如果改進系統的控制方式，采用如圖2的串級控制系統，則可以進一步提高系統的控制質量。圖2中Gc1（s）為系統主調節器，接受主變量的偏差，其輸出作為副調節器Gc2（s）的設定值；Gc2（s）為系統的副調節器，其輸出用于調節Gv（s）；Gm2（s）為系統的副測量變送器，是對副被控參數進行測量變松的環節。

圖2 串級控制系統傳遞函數圖

串級控制系統與單回路控制系統的主要區別是，串級控制系統在結構上形成兩個閉環，一個閉環在里面，稱為副環，它的輸出送往調節裝置直接控制生產過程。串級控制系統適用于容量滯后和延時較大、參數互相關聯的非線性過程。

在給定信號X1（s）作用下的串級控制系統的傳遞函數為：

在二次擾動F2（s）作用下，輸出Y1（s）相對于F2（s）的傳遞函數為：

與單回路控制系統相比較可見：

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

由于串級控制系統副回路的存在，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的影響。此外，由于副回路的存在，控制作用的總放大系數，因而抗干擾能力和控制性能都比單回路控制系統有了明顯提高。

生產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，按一定控制質量指標整定的調節參數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的光電元件單位面積的光通量變化而實現，是一種直徑的點位式測量。優點是結構簡單，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，當光環突破光電元件光學取光圓環臨界點時，負反饋系統會轉變成正反饋系統，從而造成系統失控；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構向固體單晶結構的生長條件。

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完成的。另外，直徑控制系統是建立在全部控制系統共計63個變量中，另外58個變量需在獨立穩定控制基礎上，選出5個關鍵變量而建立的控制系統，需特別注意。

3 全自動單晶爐自動控制系統方案

3.1 化料準備階段的全自動控制系統程序設計

該階段的核心技術的關鍵在與化料速度控制，化料速度太慢會造成生產周期長、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程序設計

該階段的技術難點有三：其一是如何判定液面引晶溫度達到1 420℃（～0.5℃）的過冷區內，包括堝位的選擇，尤其是熱場系數的變化影響；其二是如何判定籽晶溶入硅液后形成單晶結構；其三是如何實現規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，否則單晶爐的結構會非常復雜，從而造成代價高昂，不適應于大規模低成本生產單晶硅的市場要求。

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—轉肩—自動等徑—轉尾—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節；收尾正好相反。

難點在于轉肩與轉尾兩個步驟，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 單晶爐的網絡化方案設計

當單晶在生產過程中，大量的生產過程與工藝參數需要如實記錄，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業時，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成本及實時生產報表結合起來，采用人工方式基本陷入無法應對之困擾。把計算機信息網絡技術引入，輔之以數據處理與報表系統，則問題迎刃而解。每臺單晶爐上的工業控制計算機都有數據輸出口，可以把80%以上所需數據采集過來。每臺單晶爐上的氣流與真空測量系統均有數據口，可以將其采集過來。每臺單晶爐上的電源系統均有數據輸出口，可將其采集過來。對每個拉晶車間的進電、進水出水口（含泵、發電機）、進氣與排氣口進行智能化數據采集改造。

采用工業以太網技術，每個車間設立一臺數據通信交換機，即可全部連成生產系統物流網，傳至上位機予以實時顯示及數據記錄與處理，輔之以車間統計時手工輸入原料數、成品數據，即可形成網絡單晶爐。

5 結 論

(1)依據固液交界面熱場的動態平衡理論是設計單晶爐自動控制系統的應用基礎，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絡化實現不難解決。實際控制效果在150～200 mm（6～8英寸）±1 mm重復實現，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設計[J].陜西機械學院第二屆科技技術報告會，1985(2)：1-4.

[2] 李潤源.單晶爐等徑控制系統設計應用[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[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[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控制系統研究[D].北京航空航天大學工程碩士論文.2009（10）：16-18.