基于PLC的熱交換法藍寶石自動生長控制的實現

汪海波

（上海昀豐光電技術有限公司，上海201100）

0 引言

目前，國內外藍寶石晶體生長方法主要有泡生法、提拉法、溫梯法、坩堝下降法以及熱交換法[1]等。熱交換法是利用石墨熱場取代原有泡生法[2]使用的鎢鉬熱場，保留了傳統泡生法質量高、成本低的優點，同時克服了原有的工藝復雜、穩定性及重復性差、能耗高等缺點的一種高效的藍寶石生長方法，該方法能以較低的成本，穩定、高效地生長出高質量的藍寶石晶體，以此滿足市場對于藍寶石晶體低成本、大尺寸和高質量的要求。

熱交換法不需要手動引晶，只要將籽晶埋在坩堝底部，在底部熱交換管中通入一定量的氦氣，通過改變IGBT電源功率來改變爐內溫度，從而將籽晶熔化到原始高度的2/3左右。籽晶熔化完成后，逐步加大熱交換管中的氦氣流量，同時配合爐內溫度緩慢下降，晶體將在籽晶上慢慢生長，最后整個熔體長成較大的單晶晶體。

用換熱法來控制藍寶石大尺寸晶體生長的技術，在國內還處于剛剛起步的階段，技術難度較大。國內廠家目前長晶的換熱法設備主要依靠從國外進口，極大地限制了規?；?、產業化發展的進程。

項目的難點如下：高溫爐體的設計和制造、石墨熱場的設計、自動化控制系統的設計、高精度電源的設計和制造等。自動化控制系統的設計主要包括：長晶速度控制系統、爐內溫度控制系統、爐內壓力控制系統、晶體高度測量系統等，這些都是本文需要探討的問題。

1 設計要求

要求整個晶體生長過程進行全自動控制，通過各種儀器儀表來判斷晶體生長狀態，并對其進行控制，避免人工參與。

技術參數及性能指標：

（1）溫度控制精度：溫度偏差≤±0.5℃；

（2）爐內壓力控制精度：壓力偏差≤±50 Pa；

（3）晶體生長高度檢測精度：高度偏差≤±0.5 mm；

（4）底部氦氣流量控制精度：流量偏差≤±0.01 L/min。

1.1 晶體高度檢測的實現

籽晶熔化和晶體生長速度的有效控制，是長出好晶體的必要條件；在整個生長過程中，籽晶或新晶體始終浸泡在高溫熔液中，無法用傳統的手段來測量。設計出一組測量部件來解決這個問題，整個測量部件包括電機、導軌、絲桿、真空波紋管、鉬制探針等結構。

1.2 晶體生長速度控制功能

晶體生長速度控制包括爐內溫度和底部熱交換管氦氣流量的聯合控制，其中氦氣流量控制是主要調節手段。通過CGsim軟件[1]進行熱場建模、分析，確定晶體生長的溫度曲線；然后通過其仿真功能，模擬出氦氣流量控制和溫度變化兩條曲線，進而算出每個階段兩種控制參數的比例分配情況，輸入到工藝配方中，作為晶體生長速度控制的基礎值；并通過多爐的試驗，根據實際長出晶體每個部位的質量情況，來微量修改、優化對應的比例關系。

1.2.1 溫度控制

籽晶熔化或晶體生長過程中，增減電源的功率，來達到控制溫度的目的[3]。參與溫度控制的有高精度IGBT電源、紅外測溫儀、RS-485模塊以及PLC控制器。

1.2.2 熱交換管氦氣流量控制

晶體生長過程中，增減熱交換管內氦氣的流量，來達到控制導出熱量多少的目的。參與流量控制的有質量流量計、RS-485模塊、控制閥門、PLC控制器等。

1.3 晶體生長壓力控制功能

晶體生長過程中，通過質量流量計，向爐內沖入氦氣，調整碟型控制閥的角度，使壓力保持在一個恒定的數值狀態下，滿足晶體的生長需求。參與壓力控制的有碟型控制閥、質量流量計、RS-485模塊、開關控制閥門、真空泵以及PLC控制器等。

1.4 高精度IGBT直流電源的運用

傳統的晶體生長爐使用可控硅工頻交流電源，存在控制精度較低，體積笨重，輸入功率因數低，對電網電磁干擾大等缺陷；而藍寶石晶體生長溫度高，能耗大，對溫度控制精度的要求高，在藍寶石晶體生長設備中應用高效高精度IGBT電源新技術，具有控溫功率精度高，節能顯著，諧波少，穩定性、可靠性好等明顯優勢。

2 控制方案

2.1 控制系統原理圖

熱交換藍寶石晶體生長爐控制系統包括三菱PLC與擴展模塊、界面監控工業電腦、爐內壓力控制、長晶速度控制、晶體高度檢測等（圖1）。三菱PLC與擴展模塊包括PLC控制器、數字量輸入模塊、數字量輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、RS-485通信模塊[4]。

2.2 晶體生長速度控制子系統設計

2.2.1 系統介紹

在坩堝的底部固定一個圓柱型的籽晶，隨著四周石墨發熱體溫度的上升，坩堝底部的籽晶開始融化。通過對坩堝底部外側正下方冷卻管道內的氦氣流量的控制，保證原料充分熔化而籽晶部分熔化；然后逐步加大氦氣的流量，并配合溫度的下降，使坩堝底部的溫度逐步降低，熔液沿著籽晶方向逐步單向結晶固化，得到一個藍寶石單晶晶體。

圖1 控制系統原理圖

2.2.2 硬件組成

晶體生長速度控制包括溫度控制系統（詳見1.2.1）、熱交換管氦氣流量控制系統（詳見1.2.2）、晶體高度測量單元（詳見1.1）。

2.2.3 晶體高度自動檢測設計

在真空環境下，連接在伺服電機和絲桿上的鉬制探針，以極快的速度進入高溫熔液，當探針接近預先設定的數據時，減速并慢慢接近晶體表面，當電機的扭矩超過設定數據時，系統判斷探針已經與籽晶表面充分接觸，記下位置數據，并且反轉回收探針。每次檢測的時間間隔一般為0.5 h，通過兩次檢測的位置數據，計算出熔化或長晶速度（圖2）。

圖2 自動測量控制流程圖

2.2.4 兩路雙閉環控制器

兩路雙閉環控制器包括內環控制和外環控制，外環為熔化或長晶速度控制環。內環包括溫度控制環和流量控制環；外環通過比例分配器，施加對內環的兩路控制器的給定（圖3）。

比例分配器是通過CGsim模擬軟件得到熱場溫度梯度數據，并加上工藝人員的經驗數據，得到的一組數據，n:m的比值是隨著熱場特性和時間變化而變化的。

2.2.5 雙路閉環控制器的優點

通過CGsim軟件進行熱場建模、分析、仿真、計算、分配，確定兩種控制參數的比例分配情況，充分發揮計算機處理大量數據的能力，縮短了設備的開發周期；通過多爐的試驗，根據試驗實際長出晶體品質分布情況，作出微量修改、優化，讓工藝人員擁有實時、充分的調節手段，晶體質量能得到進一步的提升。

圖3 兩路雙閉環控制器結構

2.3 爐內壓力控制子系統程序設計

2.3.1 進口壓力控制

固定出口蝶閥的導通角度，通過調節質量流量計的流量大小來控制爐內壓力。

2.3.2 出口壓力控制

固定進口質量流量計的流量大小，通過調節出口蝶閥的導通角度來控制爐內壓力。

2.3.3 進/出口控制的應用

化料階段，熱場和原料內的雜質較多，需要通過真空系統將雜質排除，這時就選擇進口控制，將蝶閥的導通角度開到50%以上，通過氦氣的進入，排除大量雜質。

晶體生長階段，如果還有較多的氦氣進入爐內，將帶走大量熱量，熱場無法穩定，不利于晶體的生長，此時需要切換到出口控制模式。將質量流量計的流量固定在0.3 L/min左右，通過出口蝶閥的調節來控制爐內壓力。

2.4 系統程序的模塊化設計

整個系統程序采用模塊化設計，使用三菱GX-WORKS2軟件編寫而成，包括AD（模擬量轉化成數字量）、ALARM（報警輸出）、AUTO（配方自動運行）、AVERAGE（模擬量的平滑處理）、DA（數字量轉化成模擬量）、GAIN（模擬量的偏差處理）、MAIN（系統運行模式處理）、OUTPUT（各類部件的輸出）、PC（組態界面和系統的接口）、PID（溫度、壓力PID控制）、POWER（RS-485通信）等子程序。

3 友好的人機界面

主機使用研華UNO-2473G工控機，通過網線與PLC相連，監控軟件使用海得公司的組態軟件[5]NetSCADA，它是一款集成式、組件化的人機接口產品，運行于Windows操作系統之上，可通過串口、現場總線和以太網等方式監視和控制工業自動化設備和整個工業生產過程，也可通過Internet異地監控分布在各地的自動化設備和工業生產過程。NetSCADA有二次開發功能，用戶可根據工藝要求組態、開發適合的應用系統，可以開發配方、顯示配方、修改配方，也可顯示圖形、報表、數據庫、通信等。

本系統設計有系統狀態、工序配方、I/O監控、設備檢測、參數設置、報警顯示、趨勢圖等（圖4），可以方便使用者很好地操作，及時了解系統的運行狀況，包括系統的實時壓力、實時溫度、實時流量，并能方便、及時地修改壓力、溫度等參數，滿足長晶工藝的要求。

圖4 監控畫面

4 結語

本項目旨在設計一種適用于藍寶石熱交換法長晶工藝的自動化控制系統，通過將系統分為長晶速度控制和爐內壓力控制兩個子系統，實現整個長晶過程的全自動控制；通過組態軟件，提供友好的互動界面，簡化了系統操作過程；采用兩路雙閉環長晶速度控制，用n:m參數直觀地揭示了溫度控制和底部氦氣流量控制之間的相互關系，為工藝改進提供了一個實時的窗口。

[1]汪傳勇.泡生法藍寶石單晶生長的熱場分析與數值模擬研究[D].鎮江：江蘇大學，2011：5-11.

[2]袁長路，李杰，于旭東，等.DRF-B80型藍寶石晶體生長爐的研制[J].人工晶體學報，2012，41（5）：1463-1467.

[3]劉銀法，倪屹.基于藍寶石加熱爐的溫度控制系統[J].江南大學學報（自然科學版），2015，14（2）：178-181.

[4]張鳳，孫曉冬，馬青玉.RS-485總線控制下的藍寶石晶體智能生長系統[J].自動化儀表，2013，34（8）：37-41.

[5]張勇.基于CC-Link總線與組態軟件的風機控制系統改造[J].煤礦機械，2014，35（5）：168-169.