單晶矽區熔拉伸爐控制系統的製作方法

2023-12-09 21:37:21 1

專利名稱：單晶矽區熔拉伸爐控制系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及單晶矽製備技術，具體說，是ー種單晶矽區熔拉伸爐控制系統。
背景技術：
區熔爐是ー種在惰性氣體環境中，將多晶矽棒等多晶矽材料熔化，用懸浮區熔法生長高純度無錯位單晶矽的設備。區熔爐主爐體機械部分如圖1所示，它包括一個用高頻感應線圈加熱的爐膛4，一個將多晶矽棒5緩慢送入爐膛4的送料裝置，一個將矽棒拉伸成單晶矽棒的拉伸裝置，送料裝置、爐膛4、拉伸裝置按上、中、下順序布置在爐架10上，多晶矽棒5穿越爐膛4的部分被加熱熔融，拉伸裝置拉伸多晶矽棒5的下端，使熔融部分的晶格結構變化，從而提純多晶矽、生成單晶矽。送料裝置包括一個上軸2,用於夾持多晶娃棒5的上端,一個上軸升降機構，使上軸2發生上下位移，該機構由滑座I和導向柱3組成，上軸2固定連接滑座1，滑座I由其驅傳動裝置(升降電機、蝸杆蝸輪傳動副，圖中未示出)驅動，沿導向柱3上下位移，帶動上軸2升降。ー個上軸旋轉機構(旋轉電機、蝸杆蝸輪傳動副，圖中未示出)，使上軸2旋轉。拉伸裝置包括一個下軸11，用於夾持多晶矽棒5的下端，一個下軸升降機構，使下軸機構11發生上下位移，該機構由上滑座7、下滑座8和導向柱9組成，下軸11連接上滑座7，上滑座7由其驅傳動裝置(升降電機、蝸杆蝸輪傳動副，圖中未示出)驅動，沿導向柱9上下位移，帶動下軸機構11升降。ー個下軸旋轉機構(旋轉電機、減速器，圖中未示出)，使下軸11旋轉。上滑座7與爐膛4之間用波紋套管6連接，當上滑座7升降時，波紋套管6發生彈性變形，隨上滑座7伸縮，進而增加爐膛的單晶棒長度容量，下滑座8與單晶矽棒連接，與上滑座7可以自動聯動隨 動，保證在晶棒拉伸到足夠長度的設計規格。另外，拉伸多晶矽棒5吋，上軸送料速度和下軸拉伸速度都很緩慢，故上軸滑座、下軸上滑座、下軸下滑座均配有快速升降電機及傳動副，在裝料或卸料階段使用，以提高裝料、卸料階段以及矽棒預熱階段的工作效率。在上述結構中，上、下軸旋轉的目的，是使矽棒熔融段保持圓柱狀。拉伸的目的，不僅要獲得圓柱狀單晶矽棒，而且要使單晶矽棒的直徑符合要求，該直徑與爐膛溫度、惰性氣體壓力、上軸送料速度、下軸拉伸速度、矽棒旋轉速度、原料棒自身直徑相關，需要對這些參數進行聯動控制。但是，現有的區熔爐控制系統很簡陋，只是對爐膛溫度、惰性氣體壓カ進行自動控制，上軸送料速度、下軸拉伸速度、矽棒旋轉速度則由操作員透過爐膛視窗矽棒拉伸狀況，憑經驗手動操作送料電機、拉伸電機、旋轉電機的速度控制器，上、下軸的位移速度、旋轉速度不穩定，未能實現恆速運行，拉伸時矽棒直徑是變化的，不是圓柱狀，矽棒直徑也很難達到設計要求。此外，還有如下缺陷上、下滑座的行程限位開關採用普通機械式開關，容易頂壞，導致滑座移動過頭而卡死；[0011]控制系統容易受到高頻感應電源系統幹擾，導致拉伸過程不穩定使產品合格率下降；電機與傳動副的連軸器非常容易損壞；滑座快速升降電機傳動副的蝸杆容易折斷。

發明內容本實用新型的目的，是克服現有單晶矽區熔拉伸爐控制系統的上述缺陷，提供一種功能完善、性能可靠的單晶矽區熔拉伸爐控制系統，以保證單晶矽棒的質量，並提高生產效率。實現上述目的的技術方案是ー種單晶矽區熔拉伸爐控制系統，包括上軸旋轉速度檢測裝置，用於檢測上軸旋轉速度；上軸送料速度檢測裝置，用於檢測上軸位移速度；下軸旋轉速度檢測裝置，用於檢測下軸旋轉速度；下軸拉伸速度檢測裝置，用於檢測下軸位移速度；爐膛溫度檢測裝置，用於檢測爐膛溫度；爐膛氣壓檢測裝置，用於檢測爐膛惰性氣體充氣壓カ；數據採集模塊，用於將上述檢測裝置獲得的信號轉換成數位訊號；存儲器，用於存儲信號數據、控制參數設定值及信號處理計算模型；中央處理器，用於處理上述檢測信號，輸出控制信號；控制信號輸出模塊，用於輸出控制信號，將數字控制信號轉換成模擬信號；上軸旋轉速度控制器，用於控制上軸旋轉電機的速度；上軸送料速度控制器，用於控制上軸送料電機的速度；下軸旋轉速度控制器，用於控制下軸旋轉電機的速度；下軸拉伸速度控制器，用於控制下軸拉伸電機的速度；爐膛溫度控制器，用於控制感應加熱器的功率；爐膛氣壓控制器，用於控制惰性氣體的充氣壓力；所述中央處理器將上軸旋轉速度信號數據與其設定值進行比較，向上軸旋轉速度控制器輸出控制信號，控制上軸旋轉電機的速度；將上軸送料速度信號數據與其設定值進行比較，向上軸送料速度控制器輸出控制信號，控制上軸送料電機的速度；將下軸旋轉速度信號數據與其設定值進行比較，向下軸旋轉速度控制器輸出控制信號，控制下軸旋轉電機的速度；將下軸拉伸速度信號數據與其設定值進行比較，向下軸拉伸速度控制器輸出控制信號，控制下軸拉伸電機的速度；將爐膛溫度信號數據與其設定值進行比較，向爐膛溫度控制器輸出控制信號，控制感應加熱器的功率；將爐膛氣壓信號數據與其設定值進行比較，向爐膛氣壓控制器輸出控制信號，控制惰性氣體充氣閥的開度。該系統還包括下軸滑座行程檢測裝置、下軸滑座行程控制器，所述中央處理器將下軸滑座行程信號數據與其設定值進行比較，向下軸滑座行程控制器輸出控制信號，控制下軸快速電機的啟、停；所述下軸滑座行程檢測裝置採用磁電感應檢測元件。所述上軸也配有快速升降電機及其蝸輪蝸杆傳動副。[0036]所述各電機與其驅動對象之間配有蝸輪蝸杆傳動副，電機輸出軸通過聯軸器與蝸杆聯接，該聯軸器採用柔性聯軸器。該系統的各種信號線路均採用屏蔽電纜；所述屏蔽電纜的兩端配有磁環。該系統還配有觸控螢幕，用於控制參數設定值、計算模型錄入操作及顯示操作界面。該系統還配有手動開關，用於故障時緊急停機。本實用新型的有益效果實現了單晶矽區熔拉伸爐全數位化控制和監視，各個運行機構定速運行，在單晶拉伸進入等徑エ序後投入數字式恆速運行，不受高頻感應電源系統幹擾，確保單晶成晶直徑精確，誤差在±0. 3mm之內，質量有聊保證。通過專用人機界面顯示各操作機構的運行狀態、自由設定運行速度，根據單晶的生產エ藝選擇合適的運行方式，實現參數修改、實時運行曲線、歷史數據查詢等功能。系統増加急停功能，如果出現高頻故障、火盤打火、斷氣斷水、流晶等緊急情況，能夠實現執行機構和高頻感應電源系統緊急ー鍵急停。系統設計的非接觸式行程限位開關，採用電磁技木、側位安裝，即保護了動作設備的安全限位，又避免了限位機構的撞擊情況，保證限位開關長期無故障運行。波紋管式弾性聯軸器，緩衝了電機快速起停的衝擊力，延長了個驅動軸的使用壽命。

圖1是單晶矽區熔拉伸爐結構示意圖圖2是本單晶矽區熔拉伸爐控制系統的拓撲結構圖圖3是本單晶矽區熔拉伸爐控制系統的工作流程圖
具體實施方式
本實用新型的目的在於推進國內單晶區熔爐的整體技術水平，提供ー種功能齊全、適用性強、穩定可靠的控制裝置。其數字調速、定速閉環調節系統能夠控制單晶棒成晶直徑變化在±0. 3_之內，提高單晶成品率。參見圖2，本單晶矽區熔拉伸爐控制系統包括信號檢測裝置、主控器、控制對象及其執行器部分，其中信號檢測裝置包括上軸旋轉速度檢測裝置1，上軸送料速度檢測裝置2，下軸旋轉速度檢測裝置4，下軸拉伸速度檢測裝置3，爐膛溫度檢測裝置6，爐膛氣壓檢測裝置5，下軸滑座行程檢測裝置I。主控器包括信號數據採集模塊8，觸控螢幕9，中央處理器10，存儲器11，控制信號輸出模塊12。控制對象及其執行器包括上軸旋轉電機20及其上軸旋轉速度控制器13，上軸送料電機21及其上軸送料速度控制器14，下軸拉伸電機22及其下軸拉伸速度控制器15，下軸旋轉電機23及其下軸旋轉速度控制器16，氬氣調節閥24及其開度控制器(即爐膛氣壓控制器)17，感應加熱器25及其功率控制器(即爐膛溫度控制器)18，下軸快速升降電機(即下軸滑座快速電機)26及其速度控制器(下軸滑座行程控制器)19。該系統的工作原理是，中央處理器10將上軸旋轉速度信號數據與其設定值進行比較，向上軸旋轉速度控制器13輸出控制信號，控制上軸旋轉電機20的速度；將上軸送料速度信號數據與其設定值進行比較，向上軸送料速度控制器14輸出控制信號，控制上軸送料電機21的速度；將下軸旋轉速度信號數據與其設定值進行比較，向下軸旋轉速度控制器16輸出控制信號，控制下軸旋轉電機23的速度；將下軸拉伸速度信號數據與其設定值進行比較，向下軸拉伸速度控制器15輸出控制信號,控制下軸拉伸電機22的速度；將爐膛溫度信號數據與其設定值進行比較，向爐膛溫度控制器18輸出控制信號，控制感應加熱器25的功率；將爐膛氣壓信號數據與其設定值進行比較，向爐膛氣壓控制器17輸出控制信號，控制惰性氣體充氣閥(氬氣調節閥)24的開度，將下軸滑座行程信號數據與其設定值進行比較，向下軸滑座行程控制器19輸出控制信號，控制下軸快速升降電機26的啟、停。上述系統有如下特點所述下軸滑座行程檢測裝置7採用磁電感應檢測元件。所述各電機與其驅動對象之間配有蝸輪蝸杆傳動副，電機輸出軸通過聯軸器與蝸杆聯接，該聯軸器採用柔性聯軸器。該系統的各種信號線路均採用屏蔽電纜；所述屏蔽電纜的兩端配有磁環。該系統還配有觸控螢幕，用於控制參數設定值、計算模型錄入操作及顯示操作界面。所述上軸也配有快速升降電機及其蝸輪蝸杆傳動副，該電機配有手動開關。另外，該系統還配有手動開關，用於故障時緊急停機。本系統是全數字多媒體人機互動式控制系統及恆速運行控制、數字通訊和急停保護邏輯，確保系統性能長期穩定，緊急情況下快速安全停爐，交直流伺服電機控制執行部件旋轉和移動，弾性聯軸器作為電機與執行設備的連接機構，電磁非接觸式位置檢測開關。控制系統包括人機界面、機櫃、執行和檢測設備。所述全數字多媒體人機互動式控制系統主要包括以下設計主控制系統為主控制器、主控制機櫃、人機界面等。主控制器由CPU模塊(模塊中包含的微存儲卡中集成了負荷分配系統的邏輯程序，完成對數據的綜合邏輯處理)、I/o模塊(用於現場信號的接收和前端處理)組成。主控制機櫃內部包括兩套電源裝置、主控制器、交直流電機伺服控制器、繼電器、端子、門碰開關、日光燈及風扇，其中電源裝置，為整個系統內部的用電設備提供可靠工作電源，包括數據採集単元，數據處理単元，繼電器，15寸液晶觸摸平板電腦，電磁離合器提供直流電源，為機櫃內部的交流伺服控制器、直流伺服控制器、日光燈、風扇等用電設備提供交流電源，且具備電源指示功能。人機界面包括15寸液晶觸摸平板電腦，速度給定旋鈕，燈絲和陽極控制按鈕，功率給定旋鈕，電壓變送器。配合液晶觸摸平板電腦和系統程序可實現當前區熔爐的運行方式設定，當單晶生產過程中出現異常情況後，可通過重新設定系統運行速度來消除異常情況。人機界面可瀏覽前8小時內的所有運行參數和報價操作情況，便於異常情況的分析和總結，逐步提高單晶生產エ藝技木。設備運行過程中，液晶觸摸平板電腦可以單獨退出整個系統，短時間內不影響單晶生產。各系統之間採用全數字式信息交互方式，抗高頻感應電源幹擾的能力高。恆速運行控制、 數字通訊和急停保護邏輯的特殊控制方式，徹底打破了原系統的傳統操作運行方式，以數字輸入的方式調整各動作機構速度，代替電位器設定速度，保證系統在正常運行中不受幹擾。操作人員通過人機界面中觸摸平板電腦的速度設定窗ロ，直接輸入需要控制的各執行器速度，平板電腦將設定數據通過通訊方式發到主控制器，通過邏輯判斷、數據採集和計算輸出對應的控制指令到伺服電機控制系統，伺服電機控制系統按照主控制器提供的速度指令，直接控制伺服電機轉速，並採集轉速反饋信號，快速準確的調整電機轉速，使之達到恆速運行的目的。系統設計的急停保護邏輯是エ業控制中緊急保護人員和設備的ー個重要手段，當系統處於緊急情況下，按下緊急停止按鈕，所有的電機、高頻感應電源系統、真空和水系統都將快速動作並關閉，保證整個爐體運行處於安全狀態。交流伺服電機為進ロ的高性能伺服電機控制系統，該系統伺服電機和伺服控制器成套配置，伺服電機與伺服控制器之間為全數字接ロ，伺服控制器對電機輸出數字驅動信號，並通過安裝在伺服電機上的數字編碼器對電機轉速進行實時反饋，電機轉速控制精度高於千分之一。交流伺服電機用於控制單晶區熔爐的上下軸旋轉和慢速移動，為單晶生產エ藝過程中的主要生產步驟提供高精度速度控制。直流伺服電機為進ロ直流高性能伺服電機控制系統，該系統伺服電機和伺服控制器成套配置，伺服電機與伺服控制器之間為全數字接ロ，伺服控制器配置剎車系統，對伺服電機輸出步進控制信號，對電機的啟動和停止動作快速響應控制，電機動作速度可以無極調速，便於現場快速裝爐和拆爐，更精確的控制引晶エ藝過程，大幅度提高單晶生產成品率。電磁非接觸式位置檢測開關屬於ー種磁電感應檢測元件，其設備自帶交流電磁場發射裝置，並感應附近金屬導體，當金屬導體靠近位置檢測開關時，位置檢測開關發出開關信號送入主控制系統，快速反映爐體動作機構的位置。由於非接觸的檢測方式和側面檢測的安裝設計，爐體動作機構即使動作超限也不會撞壞位置檢測開關，從而提高了位置檢測開關的使用壽命。
本系統包括以主控制器和伺服控制器為主的主控制櫃；交直流伺服電機為執行設備的控制對象；液晶觸摸平板電腦為操作和顯示的人機界面。各設備之間採用功率匹配的軟芯銅線、專用電纜進行信號和電源連接。本系統由三級控制層面組成，第一層是人機界面，主要設備是液晶觸摸平板電腦，為設備主系統提供控制數據，顯示主系統收集的現場數據信息，存儲系統歷史數據，提供系統報警顯示，記錄運行人員操作記錄。第二層是主控制和驅動層，主要設備是控制拒，控制櫃中的主系統為整個系統的控制、檢測和處理中心，高頻感應電源為區熔爐提供加熱電源，交、直流伺服控制器接收並驅動現場電機。第三層是現場執行和檢測設備，主要是伺服電機，除兩臺電磁離合器之外，其它執行設備均由伺服電機驅動，設備的運行數據由伺服電機上的編碼器和行程開關反饋回控制拒。各設備之間採用了各種聯絡方式，包括232通訊、開關信號、脈衝信號、模擬量信號。其中，系統的主要控制迴路、採集和計算迴路、執行迴路、位置檢測迴路均採用抗幹擾能力很強的數字傳輸方式(232通訊、開關信號、脈衝信號)，絕無幹擾漂移等現象。高頻感應電源的電流和電壓採用模擬量信號檢測，對設備控制無影響。控制設備的產品為提純多晶矽和單晶矽，上軸主要控制多晶矽棒的給料量和旋轉速度，主要由上軸快、慢速升降電機，上軸旋轉電機控制。高頻感應電源控制多晶的熔化速度，控制高頻感應電源功率就控制了提純多晶和單晶的直徑。下軸主要控制提純多晶或單晶的拉伸速度，主要由下軸快、慢速升降電機，下軸旋轉電機控制。提純多晶或單晶的整個エ藝和質量控制，需要協調控制上軸、電源功率、下軸各設備，全數字式控制和定速邏輯控制的設計原理能夠讓各運行環節無幹擾獨立運行，確保單晶矽產品生產質量。本系統的工作流程參見圖3，系統上電後先進行系統初始化，包括端ロ初始化、定時器初始化、串ロ初始化等，然後循環執行主程序通訊ロ通訊數據、參數設定處理，判斷各滑座是否運行超限，否則，輸出報警，並限制系統向超限方向運行；判斷是否有緊急停機手動輸入，是則限制所有系統操作，僅對現場數據進行採集和顯示；否則，根據採集值進行邏輯判斷、控制滑座正常運行，進行個滑座速度閉環採集運算和調節，顯示控制速度、系統運行數據，自動生成實時曲線和歷史曲線，提供圖形化數據分析的條件並進行數據存儲，記錄所有系統操作痕跡。本實用新型著重考慮了系統的抗幹擾能力。由於單晶區熔爐配置了高頻感應電源，各系統之間的所有信號接線均採用屏蔽電纜，屏蔽線統ー接到系統的接地銅牌上。每條屏蔽電纜兩端均配置磁環，增強電纜的抗高頻幹擾的能力。人機界面的機箱殼體、控制櫃體和爐體採用大截面裝用接地電纜統ー連接，並通過爐體基座接到大地，由於外殼和信號電纜的接地分開，殼體起到了很好的空間屏蔽作用。為了進一步提高系統的抗幹擾能力，所有控制和檢測迴路採用開關量、脈衝量、通訊等數位訊號手段，避免模擬迴路感應信號漂移等現象。 本實用新型優點總結如下實現單晶矽區熔拉伸爐全數位化控制和監視。通過專用人機界面顯示各操作機構的運行狀態、自由設定運行速度，根據單晶的生產エ藝選擇合適的運行方式，實現參數修改、實時運行曲線、歷史數據查詢等功能。各個運行機構定速運行，在單晶拉伸進入等徑エ序後投入數字式恆速運行，不受高頻感應電源系統幹擾，確保單晶成晶直徑精確，單晶棒質量穩定。系統增加急停功能，如果出現高頻故障、火盤打火、斷氣斷水、流晶等緊急情況，能夠實現執行機構和高頻感應電源系統緊急ー鍵急停。系統設計的非接觸式行程限位開關，採用電磁技術、側位安裝，即保護了動作設備的安全限位，又避免了限位機構的撞擊情況，保證限位開關長期無故障運行。波紋管式弾性聯軸器，緩衝了電機快速起停的衝擊カ，延長了個驅動軸的使用壽命。
權利要求1.一種單晶矽區熔拉伸爐控制系統，包括 上軸旋轉速度檢測裝置，用於檢測上軸旋轉速度； 上軸送料速度檢測裝置，用於檢測上軸位移速度； 下軸旋轉速度檢測裝置，用於檢測下軸旋轉速度； 下軸拉伸速度檢測裝置，用於檢測下軸位移速度； 爐膛溫度檢測裝置，用於檢測爐膛溫度； 爐膛氣壓檢測裝置，用於檢測爐膛惰性氣體充氣壓力； 數據採集模塊，用於將上述檢測裝置獲得的信號轉換成數位訊號； 存儲器，用於存儲信號數據、控制參數設定值及信號處理計算模型； 中央處理器，用於處理上述檢測信號，輸出控制信號； 控制信號輸出模塊，用於輸出控制信號，將數字控制信號轉換成模擬信號； 上軸旋轉速度控制器，用於控制上軸旋轉電機的速度； 上軸送料速度控制器，用於控制上軸送料電機的速度； 下軸旋轉速度控制器，用於控制下軸旋轉電機的速度； 下軸拉伸速度控制器，用於控制下軸拉伸電機的速度； 爐膛溫度控制器，用於控制感應加熱器的功率； 爐膛氣壓控制器，用於控制惰性氣體的充氣壓力； 所述中央處理器將上軸旋轉速度信號數據與其設定值進行比較，向上軸旋轉速度控制器輸出控制信號，控制上軸旋轉電機的速度；將上軸送料速度信號數據與其設定值進行比較，向上軸送料速度控制器輸出控制信號，控制上軸送料電機的速度；將下軸旋轉速度信號數據與其設定值進行比較，向下軸旋轉速度控制器輸出控制信號，控制下軸旋轉電機的速度；將下軸拉伸速度信號數據與其設定值進行比較，向下軸拉伸速度控制器輸出控制信號，控制下軸拉伸電機的速度；將爐膛溫度信號數據與其設定值進行比較，向爐膛溫度控制器輸出控制信號，控制感應加熱器的功率；將爐膛氣壓信號數據與其設定值進行比較，向爐膛氣壓控制器輸出控制信號，控制惰性氣體充氣閥的開度。
2.如權利要求1所述的單晶矽區熔拉伸爐控制系統，其特徵在於，該系統還包括下軸滑座行程檢測裝置、下軸滑座行程控制器，所述中央處理器將下軸滑座行程信號數據與其設定值進行比較，向下軸滑座行程控制器輸出控制信號，控制下軸快速升降電機的啟、停。
3.如權利要求2所述的單晶矽區熔拉伸爐控制系統，其特徵在於，所述下軸滑座行程檢測裝置採用磁電感應檢測元件。
4.如權利要求1所述的單晶矽區熔拉伸爐控制系統，其特徵在於，所述各電機與其驅動對象之間配有蝸輪蝸杆傳動副，電機輸出軸通過聯軸器與蝸杆聯接，該聯軸器採用柔性聯軸器。
5.如權利要求1所述的單晶矽區熔拉伸爐控制系統，其特徵在於，所述上軸配有快速升降電機及其蝸輪蝸杆傳動副。
6.如權利要求1所述的單晶矽區熔拉伸爐控制系統，其特徵在於，該系統的各種信號線路均採用屏蔽電纜。
7.如權利要求6所述的單晶矽區熔拉伸爐控制系統，其特徵在於，所述屏蔽電纜的兩端配有磁環。
8.如權利要求1所述的單晶矽區熔拉伸爐控制系統，其特徵在於，該系統還配有觸控螢幕，用於控制參數設定值、計算模型錄入操作及顯示操作界面。
9.如權利要求1所述的單晶矽區熔拉伸爐控制系統，其特徵在於，該系統還配有手動開關，用於故障時緊急停機。
專利摘要本實用新型公開一種單晶矽區熔拉伸爐控制系統，包括上軸旋轉速度檢測裝置，上軸送料速度檢測裝置，下軸旋轉速度檢測裝置，下軸拉伸速度檢測裝置，爐膛溫度檢測裝置，爐膛氣壓檢測裝置，數據採集模塊，存儲器，中央處理器，控制信號輸出模塊，上軸旋轉速度控制器，上軸送料速度控制器，下軸旋轉速度控制器，下軸拉伸速度控制器，爐膛溫度控制器，爐膛氣壓控制器，通過聯動控制上軸送料速度、下軸拉伸速度、上下軸旋轉速度、爐膛溫度、爐膛惰性氣體充氣壓力，使拉伸出的單晶矽棒的直徑、圓度符合設計要求。
文檔編號C30B13/28GK202865389SQ20122040720
公開日2013年4月10日 申請日期2012年8月17日 優先權日2012年8月17日
發明者李 傑, 陸曉陽 申請人:德陽瑞能電力科技有限公司