CN102828233A - 单晶硅区熔拉伸炉控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种单晶硅区熔拉伸炉控制系统，包括：上轴旋转速度检测装置，上轴送料速度检测装置，下轴旋转速度检测装置，下轴拉伸速度检测装置，炉膛温度检测装置，炉膛气压检测装置，数据采集模块，存储器，中央处理器，控制信号输出模块，上轴旋转速度控制器，上轴送料速度控制器，下轴旋转速度控制器，下轴拉伸速度控制器，炉膛温度控制器，炉膛气压控制器，通过联动控制上轴送料速度、下轴拉伸速度、上下轴旋转速度、炉膛温度、炉膛惰性气体充气压力，使拉伸出的单晶硅棒的直径、圆度符合设计要求。

Description

单晶硅区熔拉伸炉控制系统

技术领域

本发明涉及单晶硅制备技术，具体说，是一种单晶硅区熔拉伸炉控制系统。 

背景技术

区熔炉是一种在惰性气体环境中，将多晶硅棒等多晶硅材料熔化，用悬浮区熔法生长高纯度无错位单晶硅的设备。区熔炉主炉体机械部分如图1所示，它包括一个用高频感应线圈加热的炉膛4，一个将多晶硅棒5缓慢送入炉膛4的送料装置，一个将硅棒拉伸成单晶硅棒的拉伸装置，送料装置、炉膛4、拉伸装置按上、中、下顺序布置在炉架10上，多晶硅棒5穿越炉膛4的部分被加热熔融，拉伸装置拉伸多晶硅棒5的下端，使熔融部分的晶格结构变化，从而提纯多晶硅、生成单晶硅。 

送料装置包括一个上轴2，用于夹持多晶硅棒5的上端，一个上轴升降机构，使上轴2发生上下位移，该机构由滑座1和导向柱3组成，上轴2固定连接滑座1，滑座1由其驱传动装置（升降电机、蜗杆蜗轮传动副，图中未示出）驱动，沿导向柱3上下位移，带动上轴2升降。一个上轴旋转机构（旋转电机、蜗杆蜗轮传动副，图中未示出），使上轴2旋转。 

拉伸装置包括一个下轴11，用于夹持多晶硅棒5的下端，一个下轴升降机构，使下轴机构11发生上下位移，该机构由上滑座7、下滑座8和导向柱9组成，下轴11连接上滑座7，上滑座7由其驱传动装置（升降电机、蜗杆蜗轮传动副，图中未示出）驱动，沿导向柱9上下位移，带动下轴机构11升降。一个下轴旋转机构（旋转电机、减速器，图中未示出），使下轴11旋转。上滑座7与炉膛4之间用波纹套管6连接，当上滑座7升降时，波纹套管6发生弹性变形，随上滑座7伸缩，进而增加炉膛的单晶棒长度容量，下滑座8与单晶硅棒连接，与上滑座7可以自动联动随动，保证在晶棒拉伸到足够长度的设计规格。 

另外，拉伸多晶硅棒5时，上轴送料速度和下轴拉伸速度都很缓慢，故上轴滑座、下轴上滑座、下轴下滑座均配有快速升降电机及传动副，在装料或卸料阶段使用，以提高装料、卸料阶段以及硅棒预热阶段的工作效率。 

在上述结构中，上、下轴旋转的目的，是使硅棒熔融段保持圆柱状。 

拉伸的目的，不仅要获得圆柱状单晶硅棒，而且要使单晶硅棒的直径符合要求，该直径与炉膛温度、惰性气体压力、上轴送料速度、下轴拉伸速度、硅棒旋转速度、原料棒自身直径相关，需要对这些参数进行联动控制。 

但是，现有的区熔炉控制系统很简陋，只是对炉膛温度、惰性气体压力进行自动控制，上轴送料速度、下轴拉伸速度、硅棒旋转速度则由操作员透过炉膛视窗硅棒拉伸状况，凭经验手动操作送料电机、拉伸电机、旋转电机的速度控制器，上、下轴的位移速度、旋转速度不稳定，未能实现恒速运行，拉伸时硅棒直径是变化的，不是圆柱状，硅棒直径也很难达到设计要求。 

此外，还有如下缺陷： 

上、下滑座的行程限位开关采用普通机械式开关，容易顶坏，导致滑座移动过头而卡死；

控制系统容易受到高频感应电源系统干扰，导致拉伸过程不稳定使产品合格率下降；

电机与传动副的连轴器非常容易损坏；

滑座快速升降电机传动副的蜗杆容易折断。

发明内容

本发明的目的，是克服现有单晶硅区熔拉伸炉控制系统的上述缺陷，提供一种功能完善、性能可靠的单晶硅区熔拉伸炉控制系统，以保证单晶硅棒的质量，并提高生产效率。 

实现上述目的的技术方案是： 

一种单晶硅区熔拉伸炉控制系统，包括：

上轴旋转速度检测装置，用于检测上轴旋转速度；

上轴送料速度检测装置，用于检测上轴位移速度；

下轴旋转速度检测装置，用于检测下轴旋转速度；

下轴拉伸速度检测装置，用于检测下轴位移速度；

炉膛温度检测装置，用于检测炉膛温度；

炉膛气压检测装置，用于检测炉膛惰性气体充气压力；

数据采集模块，用于将上述检测装置获得的信号转换成数字信号；

存储器，用于存储信号数据、控制参数设定值及信号处理计算模型；

中央处理器，用于处理上述检测信号，输出控制信号；

控制信号输出模块，用于输出控制信号，将数字控制信号转换成模拟信号；

上轴旋转速度控制器，用于控制上轴旋转电机的速度；

上轴送料速度控制器，用于控制上轴送料电机的速度；

下轴旋转速度控制器，用于控制下轴旋转电机的速度；

下轴拉伸速度控制器，用于控制下轴拉伸电机的速度；

炉膛温度控制器，用于控制感应加热器的功率；

炉膛气压控制器，用于控制惰性气体的充气压力；

所述中央处理器将上轴旋转速度信号数据与其设定值进行比较，向上轴旋转速度控制器输出控制信号，控制上轴旋转电机的速度；将上轴送料速度信号数据与其设定值进行比较，向上轴送料速度控制器输出控制信号，控制上轴送料电机的速度；将下轴旋转速度信号数据与其设定值进行比较，向下轴旋转速度控制器输出控制信号，控制下轴旋转电机的速度；将下轴拉伸速度信号数据与其设定值进行比较，向下轴拉伸速度控制器输出控制信号，控制下轴拉伸电机的速度；将炉膛温度信号数据与其设定值进行比较，向炉膛温度控制器输出控制信号，控制感应加热器的功率；将炉膛气压信号数据与其设定值进行比较，向炉膛气压控制器输出控制信号，控制惰性气体充气阀的开度。

该系统还包括下轴滑座行程检测装置、下轴滑座行程控制器，所述中央处理器将下轴滑座行程信号数据与其设定值进行比较，向下轴滑座行程控制器输出控制信号，控制下轴快速电机的启、停；所述下轴滑座行程检测装置采用磁电感应检测元件。 

所述上轴也配有快速升降电机及其蜗轮蜗杆传动副。 

所述各电机与其驱动对象之间配有蜗轮蜗杆传动副，电机输出轴通过联轴器与蜗杆联接，该联轴器采用柔性联轴器。 

该系统的各种信号线路均采用屏蔽电缆；所述屏蔽电缆的两端配有磁环。 

该系统还配有触摸屏，用于控制参数设定值、计算模型录入操作及显示操作界面。 

该系统还配有手动开关，用于故障时紧急停机。 

本发明的有益效果： 

实现了单晶硅区熔拉伸炉全数字化控制和监视，各个运行机构定速运行，在单晶拉伸进入等径工序后投入数字式恒速运行，不受高频感应电源系统干扰，确保单晶成晶直径精确，误差在±0.3mm之内，质量有聊保证。

通过专用人机界面显示各操作机构的运行状态、自由设定运行速度，根据单晶的生产工艺选择合适的运行方式，实现参数修改、实时运行曲线、历史数据查询等功能。系统增加急停功能，如果出现高频故障、火盘打火、断气断水、流晶等紧急情况，能够实现执行机构和高频感应电源系统紧急一键急停。系统设计的非接触式行程限位开关，采用电磁技术、侧位安装，即保护了动作设备的安全限位，又避免了限位机构的撞击情况，保证限位开关长期无故障运行。波纹管式弹性联轴器，缓冲了电机快速起停的冲击力，延长了个驱动轴的使用寿命。 

附图说明

图1是单晶硅区熔拉伸炉结构示意图； 

图2是本单晶硅区熔拉伸炉控制系统的拓扑结构图；

图3是本单晶硅区熔拉伸炉控制系统的工作流程图。

具体实施方式

本发明的目的在于推进国内单晶区熔炉的整体技术水平，提供一种功能齐全、适用性强、稳定可靠的控制装置。其数字调速、定速闭环调节系统能够控制单晶棒成晶直径变化在±0.3mm之内，提高单晶成品率。 

参见图2，本单晶硅区熔拉伸炉控制系统包括信号检测装置、主控器、控制对象及其执行器部分，其中： 

信号检测装置包括上轴旋转速度检测装置1，上轴送料速度检测装置2，下轴旋转速度检测装置4，下轴拉伸速度检测装置3，炉膛温度检测装置6，炉膛气压检测装置5，下轴滑座行程检测装置7。

主控器包括信号数据采集模块8，触摸屏9，中央处理器10，存储器11，控制信号输出模块12。 

控制对象及其执行器包括：上轴旋转电机20及其上轴旋转速度控制器13，上轴送料电机21及其上轴送料速度控制器14，下轴拉伸电机22及其下轴拉伸速度控制器15，下轴旋转电机23及其下轴旋转速度控制器16，氩气调节阀24及其开度控制器（即炉膛气压控制器）17，感应加热器25及其功率控制器（即炉膛温度控制器）18，下轴快速升降电机（即下轴滑座快速电机）26及其速度控制器（下轴滑座行程控制器）19。 

该系统的工作原理是，中央处理器10将上轴旋转速度信号数据与其设定值进行比较，向上轴旋转速度控制器13输出控制信号，控制上轴旋转电机20的速度；将上轴送料速度信号数据与其设定值进行比较，向上轴送料速度控制器14输出控制信号，控制上轴送料电机21的速度；将下轴旋转速度信号数据与其设定值进行比较，向下轴旋转速度控制器16输出控制信号，控制下轴旋转电机23的速度；将下轴拉伸速度信号数据与其设定值进行比较，向下轴拉伸速度控制器15输出控制信号，控制下轴拉伸电机22的速度；将炉膛温度信号数据与其设定值进行比较，向炉膛温度控制器18输出控制信号，控制感应加热器25的功率；将炉膛气压信号数据与其设定值进行比较，向炉膛气压控制器17输出控制信号，控制惰性气体充气阀（氩气调节阀）24的开度，将下轴滑座行程信号数据与其设定值进行比较，向下轴滑座行程控制器19输出控制信号，控制下轴快速升降电机26的启、停。 

上述系统有如下特点： 

所述下轴滑座行程检测装置7采用磁电感应检测元件。

所述各电机与其驱动对象之间配有蜗轮蜗杆传动副，电机输出轴通过联轴器与蜗杆联接，该联轴器采用柔性联轴器。 

该系统的各种信号线路均采用屏蔽电缆；所述屏蔽电缆的两端配有磁环。 

该系统还配有触摸屏，用于控制参数设定值、计算模型录入操作及显示操作界面。 

所述上轴也配有快速升降电机及其蜗轮蜗杆传动副，该电机配有手动开关。 

另外，该系统还配有手动开关，用于故障时紧急停机。 

本系统是全数字多媒体人机交互式控制系统及恒速运行控制、数字通讯和急停保护逻辑，确保系统性能长期稳定，紧急情况下快速安全停炉，交直流伺服电机控制执行部件旋转和移动，弹性联轴器作为电机与执行设备的连接机构，电磁非接触式位置检测开关。控制系统包括人机界面、机柜、执行和检测设备。 

所述全数字多媒体人机交互式控制系统主要包括以下设计：主控制系统为主控制器、主控制机柜、人机界面等。 

主控制器由CPU模块（模块中包含的微存储卡中集成了负荷分配系统的逻辑程序，完成对数据的综合逻辑处理）、I/O模块（用于现场信号的接收和前端处理）组成。 

主控制机柜内部包括两套电源装置、主控制器、交直流电机伺服控制器、继电器、端子、门碰开关、日光灯及风扇，其中： 

电源装置，为整个系统内部的用电设备提供可靠工作电源，包括数据采集单元，数据处理单元，继电器，15寸液晶触摸平板电脑，电磁离合器提供直流电源，为机柜内部的交流伺服控制器、直流伺服控制器、日光灯、风扇等用电设备提供交流电源，且具备电源指示功能。

人机界面包括15寸液晶触摸平板电脑，速度给定旋钮，灯丝和阳极控制按钮，功率给定旋钮，电压变送器。配合液晶触摸平板电脑和系统程序可实现当前区熔炉的运行方式设定，当单晶生产过程中出现异常情况后，可通过重新设定系统运行速度来消除异常情况。人机界面可浏览前8小时内的所有运行参数和报价操作情况，便于异常情况的分析和总结，逐步提高单晶生产工艺技术。设备运行过程中，液晶触摸平板电脑可以单独退出整个系统，短时间内不影响单晶生产。 

各系统之间采用全数字式信息交互方式，抗高频感应电源干扰的能力高。 

恒速运行控制、数字通讯和急停保护逻辑的特殊控制方式，彻底打破了原系统的传统操作运行方式，以数字输入的方式调整各动作机构速度，代替电位器设定速度，保证系统在正常运行中不受干扰。操作人员通过人机界面中触摸平板电脑的速度设定窗口，直接输入需要控制的各执行器速度，平板电脑将设定数据通过通讯方式发到主控制器，通过逻辑判断、数据采集和计算输出对应的控制指令到伺服电机控制系统，伺服电机控制系统按照主控制器提供的速度指令，直接控制伺服电机转速，并采集转速反馈信号，快速准确的调整电机转速，使之达到恒速运行的目的。系统设计的急停保护逻辑是工业控制中紧急保护人员和设备的一个重要手段，当系统处于紧急情况下，按下紧急停止按钮，所有的电机、高频感应电源系统、真空和水系统都将快速动作并关闭，保证整个炉体运行处于安全状态。 

交流伺服电机为进口的高性能伺服电机控制系统，该系统伺服电机和伺服控制器成套配置，伺服电机与伺服控制器之间为全数字接口，伺服控制器对电机输出数字驱动信号，并通过安装在伺服电机上的数字编码器对电机转速进行实时反馈，电机转速控制精度高于千分之一。交流伺服电机用于控制单晶区熔炉的上下轴旋转和慢速移动，为单晶生产工艺过程中的主要生产步骤提供高精度速度控制。 

直流伺服电机为进口直流高性能伺服电机控制系统，该系统伺服电机和伺服控制器成套配置，伺服电机与伺服控制器之间为全数字接口，伺服控制器配置刹车系统，对伺服电机输出步进控制信号，对电机的启动和停止动作快速响应控制，电机动作速度可以无极调速，便于现场快速装炉和拆炉，更精确的控制引晶工艺过程，大幅度提高单晶生产成品率。 

电磁非接触式位置检测开关属于一种磁电感应检测元件，其设备自带交流电磁场发射装置，并感应附近金属导体，当金属导体靠近位置检测开关时，位置检测开关发出开关信号送入主控制系统，快速反映炉体动作机构的位置。由于非接触的检测方式和侧面检测的安装设计，炉体动作机构即使动作超限也不会撞坏位置检测开关，从而提高了位置检测开关的使用寿命。 

本系统包括以主控制器和伺服控制器为主的主控制柜；交直流伺服电机为执行设备的控制对象；液晶触摸平板电脑为操作和显示的人机界面。各设备之间采用功率匹配的软芯铜线、专用电缆进行信号和电源连接。 

本系统由三级控制层面组成，第一层是人机界面，主要设备是液晶触摸平板电脑，为设备主系统提供控制数据，显示主系统收集的现场数据信息，存储系统历史数据，提供系统报警显示，记录运行人员操作记录。第二层是主控制和驱动层，主要设备是控制柜，控制柜中的主系统为整个系统的控制、检测和处理中心，高频感应电源为区熔炉提供加热电源，交、直流伺服控制器接收并驱动现场电机。第三层是现场执行和检测设备，主要是伺服电机，除两台电磁离合器之外，其它执行设备均由伺服电机驱动，设备的运行数据由伺服电机上的编码器和行程开关反馈回控制柜。 

各设备之间采用了各种联络方式，包括：232通讯、开关信号、脉冲信号、模拟量信号。其中，系统的主要控制回路、采集和计算回路、执行回路、位置检测回路均采用抗干扰能力很强的数字传输方式（232通讯、开关信号、脉冲信号），绝无干扰漂移等现象。高频感应电源的电流和电压采用模拟量信号检测，对设备控制无影响。控制设备的产品为提纯多晶硅和单晶硅，上轴主要控制多晶硅棒的给料量和旋转速度，主要由上轴快、慢速升降电机，上轴旋转电机控制。高频感应电源控制多晶的熔化速度，控制高频感应电源功率就控制了提纯多晶和单晶的直径。下轴主要控制提纯多晶或单晶的拉伸速度，主要由下轴快、慢速升降电机，下轴旋转电机控制。提纯多晶或单晶的整个工艺和质量控制，需要协调控制上轴、电源功率、下轴各设备，全数字式控制和定速逻辑控制的设计原理能够让各运行环节无干扰独立运行，确保单晶硅产品生产质量。 

本系统的工作流程： 

参见图3，系统上电后先进行系统初始化，包括端口初始化、定时器初始化、串口初始化等，然后循环执行主程序：通讯口通讯数据、参数设定处理，判断各滑座是否运行超限，否则，输出报警，并限制系统向超限方向运行；判断是否有紧急停机手动输入，是则限制所有系统操作，仅对现场数据进行采集和显示；否则，根据采集值进行逻辑判断、控制滑座正常运行，进行个滑座速度闭环采集运算和调节，显示控制速度、系统运行数据，自动生成实时曲线和历史曲线，提供图形化数据分析的条件并进行数据存储，记录所有系统操作痕迹。

本发明着重考虑了系统的抗干扰能力。由于单晶区熔炉配置了高频感应电源，各系统之间的所有信号接线均采用屏蔽电缆，屏蔽线统一接到系统的接地铜牌上。每条屏蔽电缆两端均配置磁环，增强电缆的抗高频干扰的能力。人机界面的机箱壳体、控制柜体和炉体采用大截面装用接地电缆统一连接，并通过炉体基座接到大地，由于外壳和信号电缆的接地分开，壳体起到了很好的空间屏蔽作用。为了进一步提高系统的抗干扰能力，所有控制和检测回路采用开关量、脉冲量、通讯等数字信号手段，避免模拟回路感应信号漂移等现象。 

本发明优点总结如下：实现单晶硅区熔拉伸炉全数字化控制和监视。通过专用人机界面显示各操作机构的运行状态、自由设定运行速度，根据单晶的生产工艺选择合适的运行方式，实现参数修改、实时运行曲线、历史数据查询等功能。各个运行机构定速运行，在单晶拉伸进入等径工序后投入数字式恒速运行，不受高频感应电源系统干扰，确保单晶成晶直径精确，单晶棒质量稳定。系统增加急停功能，如果出现高频故障、火盘打火、断气断水、流晶等紧急情况，能够实现执行机构和高频感应电源系统紧急一键急停。系统设计的非接触式行程限位开关，采用电磁技术、侧位安装，即保护了动作设备的安全限位，又避免了限位机构的撞击情况，保证限位开关长期无故障运行。波纹管式弹性联轴器，缓冲了电机快速起停的冲击力，延长了个驱动轴的使用寿命。 

Claims (9)

1.一种单晶硅区熔拉伸炉控制系统，包括：

上轴旋转速度检测装置，用于检测上轴旋转速度；

上轴送料速度检测装置，用于检测上轴位移速度；

下轴旋转速度检测装置，用于检测下轴旋转速度；

下轴拉伸速度检测装置，用于检测下轴位移速度；

炉膛温度检测装置，用于检测炉膛温度；

炉膛气压检测装置，用于检测炉膛惰性气体充气压力；

数据采集模块，用于将上述检测装置获得的信号转换成数字信号；

存储器，用于存储信号数据、控制参数设定值及信号处理计算模型；

中央处理器，用于处理上述检测信号，输出控制信号；

控制信号输出模块，用于输出控制信号，将数字控制信号转换成模拟信号；

上轴旋转速度控制器，用于控制上轴旋转电机的速度；

上轴送料速度控制器，用于控制上轴送料电机的速度；

下轴旋转速度控制器，用于控制下轴旋转电机的速度；

下轴拉伸速度控制器，用于控制下轴拉伸电机的速度；

炉膛温度控制器，用于控制感应加热器的功率；

炉膛气压控制器，用于控制惰性气体的充气压力；

所述中央处理器将上轴旋转速度信号数据与其设定值进行比较，向上轴旋转速度控制器输出控制信号，控制上轴旋转电机的速度；将上轴送料速度信号数据与其设定值进行比较，向上轴送料速度控制器输出控制信号，控制上轴送料电机的速度；将下轴旋转速度信号数据与其设定值进行比较，向下轴旋转速度控制器输出控制信号，控制下轴旋转电机的速度；将下轴拉伸速度信号数据与其设定值进行比较，向下轴拉伸速度控制器输出控制信号，控制下轴拉伸电机的速度；将炉膛温度信号数据与其设定值进行比较，向炉膛温度控制器输出控制信号，控制感应加热器的功率；将炉膛气压信号数据与其设定值进行比较，向炉膛气压控制器输出控制信号，控制惰性气体充气阀的开度。

2.如权利要求1所述的单晶硅区熔拉伸炉控制系统，其特征在于，该系统还包括下轴滑座行程检测装置、下轴滑座行程控制器，所述中央处理器将下轴滑座行程信号数据与其设定值进行比较，向下轴滑座行程控制器输出控制信号，控制下轴快速升降电机的启、停。

3.如权利要求2所述的单晶硅区熔拉伸炉控制系统，其特征在于，所述下轴滑座行程检测装置采用磁电感应检测元件。

4.如权利要求1所述的单晶硅区熔拉伸炉控制系统，其特征在于，所述各电机与其驱动对象之间配有蜗轮蜗杆传动副，电机输出轴通过联轴器与蜗杆联接，该联轴器采用柔性联轴器。

5.如权利要求1所述的单晶硅区熔拉伸炉控制系统，其特征在于，所述上轴配有快速升降电机及其蜗轮蜗杆传动副。

6.如权利要求1所述的单晶硅区熔拉伸炉控制系统，其特征在于，该系统的各种信号线路均采用屏蔽电缆。

7.如权利要求6所述的单晶硅区熔拉伸炉控制系统，其特征在于，所述屏蔽电缆的两端配有磁环。

8.如权利要求1所述的单晶硅区熔拉伸炉控制系统，其特征在于，该系统还配有触摸屏，用于控制参数设定值、计算模型录入操作及显示操作界面。

9.如权利要求1所述的单晶硅区熔拉伸炉控制系统，其特征在于，该系统还配有手动开关，用于故障时紧急停机。

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