CN201339073Y - 一种硅芯炉籽晶卸放、抓取自动控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种硅芯炉籽晶卸放、抓取自动控制装置，包括籽晶托盘及用于籽晶头抓取的提拉抓取机构，在籽晶托盘的转轴处安装有一个增量编码器，籽晶托盘还通过减速机构与步进电机连接；在提拉抓取机构上设置有一个高度传感器，提拉抓取机构还与直流伺服电机连接，增量编码器、步进电机、高度传感器和直流伺服电机分别与逻辑控制器PLC连接，在逻辑控制器PLC中设置有软启动及软停止功能。本实用新型装置实现了硅芯炉籽晶卸放、抓取的全自动控制，提高了籽晶卸放、抓取的可靠性，避免了重复运动产生的累积误差，满足了换籽晶的工艺要求。

Description

一种硅芯炉籽晶卸放、抓取自动控制装置

技术领域

本实用新型属于半导体电子专用设备技术领域，涉及一种硅芯炉籽晶卸放、抓取自动控制装置。

背景技术

硅芯作为多晶硅的生长载体，在多晶硅生产中具有重要作用。随着当前多晶硅市场的迅猛发展，大规模生产硅芯就成为急需解决的问题，目前使用的硅芯生长设备，每炉次只生长一根硅芯，由于每炉次只能生产一根晶体，而每生产一根硅单晶产品都要经过：开炉→装料→合炉→抽真空→充入保护气体→加热→硅芯生长→冷却→开炉→取单晶产品的步骤。抽真空、充气是为了降低晶体中的氧含量和保护材料和设备不被氧化，冷却则是为了方便操作人员取出晶体，也有保护晶体产品不被氧化的作用，这三个阶段是必不可少的，但也是很费时间和资源的阶段，每拉制一根硅芯，都要经过抽气、充气、加热等一系列过程，造成生产效率低、资源损耗大的缺点。

目前国外同类技术设备中，日本设计的硅芯炉设备技术含量较高，该硅芯炉设备每炉次最多可以拉制5根硅芯，但是该设备在换取籽晶时，必须由操作工人手动操作，其自动化程度很低，由于换取籽晶的过程是一个繁琐费力的工作，工作效率低，根本满足不了现代化生产的需要。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种硅芯炉籽晶卸放、抓取自动控制装置，不仅每炉次能拉制多根硅芯，而且自动化程度高。

本实用新型所采用的技术方案是，一种硅芯炉籽晶卸放、抓取自动控制装置，包括籽晶托盘及用于籽晶头抓取的提拉抓取机构，在籽晶托盘的转轴处安装有一个增量编码器，籽晶托盘还通过减速机构与步进电机连接；在提拉抓取机构上设置有一个高度传感器，提拉抓取机构还与直流伺服电机连接，增量编码器、步进电机、高度传感器和直流伺服电机分别与逻辑控制器PLC连接，在逻辑控制器PLC中设置有软启动及软停止功能。

本实用新型的硅芯炉籽晶卸放、抓取自动控制装置，不仅每炉次能拉制多根硅芯，而且实现了硅芯炉籽晶卸放、抓取自动控制，具有低成本、高精度、高可靠性以及自动化程度高的优点。

附图说明

图1是本实用新型控制装置的结构示意图；

图2是本实用新型装置控制过程中的信号隔离传输原理框图；

图3是本实用新型装置控制过程中的上电初始化单元程序框图；

图4是本实用新型装置控制过程中的连续采集角度数据的程序框图；

图5是本实用新型装置控制过程中的连续采集高度数据的程序框图；

图6是本实用新型装置控制过程中的籽晶托盘结构示意图；

图7是本实用新型装置控制过程中的工位数据标定的软件框图；

图8是本实用新型装置控制过程中的运动定位控制的软件原理框图；

图9是本实用新型装置控制过程中的相邻两根硅芯的中心距尺寸图；

图10是本实用新型装置控制过程中的匀速旋转时受力分析图；

图11是本实用新型装置控制过程中的软件原理框图。

图中，1.籽晶托盘，2.提拉抓取机构，3.增量编码器，4.减速机构，5.步进电机，6.高度传感器，7.直流伺服电机，8.逻辑控制器PLC。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

图1为本实用新型的籽晶卸放、抓取自动控制装置的连接示意图，包括现有的六工位的籽晶托盘1及相应的用于籽晶头抓取的提拉抓取机构2，在籽晶托盘1的转轴处安装有一个分辨率为2000线的增量编码器3，来测量籽晶托盘1的转动角度；籽晶托盘1还通过一个蜗轮蜗杆型减速机构4与步进电机5连接，该步进电机5作为水平旋转运动的执行机构，其角度可细分且最小步距角为1.8°，能确保电机不承受轴向力并可靠工作，调节步进电机5的细分数，能保证步进电机5的运动分辨率满足定位要求，同时能正反向工作；在提拉抓取机构2上设置有一个分辨率为1mm的高度传感器6，提拉抓取机构2还和一个直流伺服电机7连接，籽晶托盘1相对提拉抓取机构2的垂直升降运动通过直流伺服电机7对上轴高度的调整实现，上轴高度由该高度传感器6检测；增量编码器3、步进电机5、高度传感器6和直流伺服电机7分别与逻辑控制器PLC8连接，在逻辑控制器PLC8中设置有软启动及软停止功能。籽晶托盘1的水平旋转及提拉抓取机构2的上轴升降运行由可编程的逻辑控制器PLC8统一协调，结合可编程逻辑控制器PLC8的软启动及软停止，通过控制步进电机5和直流伺服电机7的精确动作，来完成硅芯炉籽晶卸放、抓取全自动控制过程。

由于增量编码器3与逻辑控制器PLC8的传输距离将近10米，该增量编码器3的信号传输方式采用线驱动方式，电源为+5V，该信号不能直接送入逻辑控制器PLC8中，必须经过转换，转换时还要进行电隔离，用以提高抗干扰性能。信号隔离传输原理框图见图2，首先增量编码器3输出的脉冲信号以线驱动方式，经过10米左右的远距离传送后，进行光电隔离转换，最后送入逻辑控制器PLC8中进行处理。

逻辑控制器PLC8采集到增量编码器3信号，将增量脉冲信号转换为绝对角度信号。原理如图3和图4所示，从图3看出，在上电初始化时首先读取角度计数器保存区的数据，以此值作为起始的计数器数据，然后启动籽晶托盘1角度计数器。由图4看出，在运行过程中系统采集角度计数器数据作为籽晶托盘1的角度数据，(也可以通过计数器清零操作对籽晶托盘1角度数据进行清零)，然后将新的籽晶托盘1角度数据存入角度计数器保存区，以备下次上电初始化时使用。

籽晶托盘1相对提拉抓取机构2的垂直升降运动是通过对上轴高度的调整来实现，相应程序软件将高度的增量脉冲信号转换为绝对高度信号，原理框图见图3和图5。从图3可知，在上电初始化时首先读取高度计数器保存区的数据，以此值作为起始的计数器数据，然后启动上轴高度计数器，从图5可知，在运行过程中系统采集上轴高度计数器数据作为上轴高度数据，(也可以通过上轴高度数据清零操作对上轴高度数据进行清零)，然后将新的上轴高度数据存入上轴高度计数器保存区，以备下次上电初始化时使用。

籽晶托盘1角度数据就是转换得到的绝对值角度信号；籽晶提拉抓取机构2高度数据就是转换得到的绝对值高度信号。清零操作可以在系统初始化时确保籽晶托盘1绝对角度数据和籽晶提拉抓取机构2绝对高度数据被清零。

对籽晶托盘1上各个工位角度进行设定，如表1所示。

表1.各个工位相对工位1的角度增量

图6为本实用新型中籽晶托盘1的平面示意图，从上向下看，11个工位按顺时针方向按由小到大的顺序，并以工位6和回转轴的连线对称按一定角度排列。工位1至工位5在左边，为放硅芯位；工位6为拉晶位；工位7至工位11在右边，为放籽晶位。籽晶托盘1按顺时针方向，由放硅芯位的工位1开始，按图示顺序标记各个工位序号。根据籽晶托盘1的各工位测量结果，标记各个工位相对工位1的角度增量θ°_n-1(n为2～11的整数)，并将该增量值转换为增量编码器3输出的角度增量值l_n-1，转换公式见式1：

l_n-1＝2000×θ_n-1÷360；         (式1)

各个工位相对工位1的角度增量如表1所示。

在籽晶托盘1工作以前，必须进行各个工位的角度数据的初始化工作，这个过程由人工操作。首先必须将提拉钢丝绳对准工位1的中心，然后先按一次清零按钮，再按一下采样按钮，给当前角度值和工位1输入一个确定的数据，并按表2中字数据表的方式在数据存储区按一定顺序存储各工位数据。adN(N为1～11的整数)为存储地址，在该地址中存储相应工位的位置数据，l_2-1，l_3-1，l_4-1，l_5-1，l_6-1，l_7-1，l_8-1，l_9-1，l_10-1，l_11-1为固定值，与籽晶托盘1机构紧密相关。这样只要定下l₁，其他数据就自然确定。程序软件框图如图7，首先清除早期的工位数据，再采集工位1的角度数据，最后根据其他各个工位与工位1的实际差值，计算确定其他各个工位数据。

表2.按照存储地址连续存放各个工位数据

籽晶托盘1旋转控制，是将目标角度位置数据与测量角度位置数据进行比较，形成转角位置闭环控制。将目标角度位置数据与测量角度位置数据相减取一差值，若该差值为0，认为是旋转到位；大于0，改为逆时针转；小于0，改为顺时针转(旋转方向，在籽晶托盘1的上部观察)。

对籽晶提拉抓取机构2的升降控制，是将目标高度位置数据与测量高度位置数据进行比较，形成高度位置闭环控制，同时将目标高度位置数据与测量高度位置数据相减取一差值。若该差值为0，认为是升降到位；大于0，改为上升；小于0，改为下降。

由以上水平旋转和垂直升降的实时控制，通过籽晶提拉抓取机构2相对籽晶托盘1上各个工位的三维运动，实现了提拉抓取机构2对籽晶托盘1上各个工位的空间位置变化，实现了高质量的籽晶卸放、抓取控制。软件原理框图见图8，取目标位置数据减去实际位置数据的差值，根据该差值调整上轴升降或籽晶托盘1旋转运动速度。若该差值大于0，则上升或逆转；若该差值小于0，则下降或顺转；若该差值等于0，则停止正进行的运动，并且根据该差值的绝对值大小调整速度的绝对值大小。

对籽晶托盘1水平旋转运动控制，其目标值为相应运动的工位值，通过比较目标值和当前位置反馈检测值的差值，调整步进电机5的走步脉冲的数量和频率，实现旋转方向的快速、精准定位。对籽晶提拉抓取机构2的垂直升降运动控制，其目标值为相应运动的高度值，通过比较目标高度值和当前高度位置反馈检测值的差值，调整直流伺服电机7的速度大小，实现旋转方向的快速、精准定位。

在速度启动时，如果有拉制好的硅芯悬挂于籽晶托盘1上，此时籽晶托盘1速度由静止状态瞬时增加到最大。由于硅芯长度有3000mm左右，旋转运动时会有一定的摆幅，而且速度越大幅度越大，同时由于上部动，而下部由于惯性力的作用处于静止状态，这样在异常时可能出现两个问题，一个是籽晶托盘1上的籽晶卡头很可能移位，影响下次的抓取工作，一个是拉制好的硅芯会碰撞断裂。而在到达目标工位时，突然停止托盘的旋转，也会导致以上情况的发生。如果在启动籽晶托盘1旋转时，以某一合适的加速度使速度由零增加到最大，然后向目标工位快速匀速运动。在接近目标位置时，根据接近的情况逐步降低速度，然后以某一个合适的最低速度直至到达目标工位，这样就保证了籽晶托盘1快速、安全的旋转到达目标工位。因此在启动籽晶托盘1旋转时，使用软启动功能，在接近目标位置时，使用软停止功能。

当细分数为4，经减速装置i＝1∶10减速后，在籽晶托盘1上的步距角为：

θ＝1.8°÷4÷10＝0.045°      (式2)

式2中1.8°为步进电机5未经细分时的单步角度。

则籽晶托盘1旋转角速度为：

$\mathrm{\ω}=f\·\mathrm{\θ}\·\mathrm{\π}/180=\frac{1}{4000}\mathrm{f\π}\left(s^{-1}\right)$

                  (式3)

式3中f为步进电机5脉冲频率。

作匀速运动时，要求硅芯棒不能受切向力、扭力作用。由于放置于籽晶托盘1上的硅芯作圆周运动，长度有3000mm左右，旋转速度过大时会有一定摆幅。相邻两根硅芯的中心距尺寸见图9，A、B两点为两硅芯的孔中心位置，C点为A、B的连线中点，工艺设计时必须保证硅芯下部的摆幅不超过距离AC即可。对于长度为3000mm的均匀棒体其质心在L＝1500mm处，该点的摆幅l最大取距离AC的一半，

$l=\frac{1}{2}R\·\sin \left(\mathrm{\α}\right)$

                        (式4)

L＝1500mm

                       (式5)

计算得：l＝11.67mm             (式6)

匀速旋转时受力分析图见图10，图中F为离心力，F＝m·ω²r，则硅芯棒达到最大倾角β_MAX，此时满足

l＝L·sin(β_MAX)               (式7)

由上式可得：sin(β_MAX)＝l/L    (式8)

将l＝11.67mm和L＝1500mm代入上式得：

β_MAX＝0.446°                 (式9)

根据力的关系可得：

$\mathrm{tg}\left({\mathrm{\β}}_{\mathrm{MAX}}\right)=\frac{F}{m\·g}=\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{MAX}}^2(R+l)}{g}$ (式10)

g＝9.8m/s²，由于在式6中l为棒体其质心在L＝1500mm处的摆幅，可以认为l是图9的由点A到点C的摆动，也可以是图10偏离圆心的摆动。将式6和式9代入上式可得：

ω_MAX＝0.809(s^-1)，ω_MAX就是此时的最大旋转角速度，代入式3中可得： $f_{\mathrm{MAX}}=\frac{4000}{\mathrm{\π}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{MAX}}=1031\left(\mathrm{Hz}\right).$ 考虑到所选步进电机5的频率与扭矩的关系情况，取安全的最高工作频率为f_MX＝500(Hz)。

由f_MX＝500(Hz)可得： $\mathrm{tg}\left({\mathrm{\β}}_{\mathrm{MX}}\right)=\frac{{(f_{\mathrm{MX}}\mathrm{\π}/4000)}^2(R+l)}{g}=0.00176$

可得β_MX＝0.10°

可得l_MX＝L·sin(β_MX)＝2.6(mm)；

作加速、减速运动时，要求硅芯棒不能受切向力、扭力作用。由于惯性的作用导致摆幅可能会很大，所以不能猛然加速，只能分步启动。在实施时，加速时可以采取分4步变速到最高速度，然后保持匀速运行速度，减速时采取分4步降速到最低速度，匀速运行直至到位停下的方案。

根据前面分析结果，从静止开始运动时，初始脉冲延时周期T₀＝100ms，则f＝10Hz，T₁＝T₀-2；从运动开始到停下静止时，初始脉冲延时周期T₀＝2ms，则f＝500Hz，T₁＝T₀+2；

当需要匀加速时，f必须匀速增加，先设定Δf其为一个不为0的固定值，根据f＝1000/T的关系，可得式：

f＝1000/T

ΔT＝T₂-T₁

T₂＝T₁+ΔT，(ΔT＝T₂-T₁)；

Δf＝f₂-f₁；

Δf＝1000/T₂-1000/T₁＝1000(T₁-T₂)/T₂T₁；

由于T₁为已知量，而T₂为未知量，则由上式可得：

T₂＝1/(Δf/1000+1/T₁)；       (式11)

由式9计算，当Δf＝200时，T为加速度启动的脉冲延时值。当Δf＝-200时，T为减速度至f＝10的最低速度的脉冲延时值，同时修正T为2的倍数，并且增加对应该速度的运动脉冲数，可得表3中的脉冲延时数据表。具体实施时，加速时T值按表3中由左到右从大到小变化输出对应脉冲数，减速时T值按表3中由右到左从小到大变化输出对应脉冲数(这是按运动最远距离为12000个脉冲，最近距离为3000个脉冲所考虑的)。

表3.当Δf＝100时加速度启动的脉冲延时数据表

一次定位运动流程为：取距离差值→加速→匀速→减速→停止→退出。软件原理框图见图11，首先确定该流程目标，用目标数据值减去检测位置数据值作为差值。若差值不为0，则调整方向，并启动加速程序，运行加速程序，加速完成后，启动匀速程序，运行匀速程序。若差值达到某一设定值时，则启动减速程序，运行减速程序到不为0的最低速，然后匀速运行，直至差值为0时结束该流程，同时启动下一流程。

本实用新型的籽晶卸放、抓取自动控制装置，其工艺流程是：

第一步，在籽晶托盘1的籽晶位上，即工位7到工位11上放置好预装有籽晶的5个籽晶卡头，同时在提拉抓取机构2，即提拉头下方也安装一个预装有籽晶的籽晶卡头。

第二步，将提拉抓取机构2升到籽晶托盘1上，进行复位操作，即将籽晶托盘1旋转至拉晶位。

第三步，逻辑控制器PLC8控制提拉抓取机构2的上轴下降，进行第一根硅芯的拉制过程，当拉制结束后，按下换籽晶。系统将按照以下顺序运动：上轴系统上升运动到达一定高度→籽晶托盘1顺时针旋转到工位1→上轴下降到一定高度→籽晶托盘1逆时针旋转到工位7，同时将硅芯放于工位1上→上轴上升到一定高度，同时抓取一个籽晶卡头→籽晶托盘1顺时针旋转到工位6(即回到拉晶位)→上轴下降到一定高度，准备进行第二根硅芯的拉制过程。对于前5根硅芯拉制结束后，都是通过换籽晶操作来开始的，只是放硅芯的位置是由工位1到工位5变换，取籽晶的位置是由工位7到工位11变换；第6根硅芯，也即最后一根硅芯拉制完成后，直接开炉门取出即可。

本实用新型的籽晶卸放、抓取自动控制装置，首先以数据表的方式在数据存储区按一定顺序存储各工位数据，然后对籽晶托盘的旋转角度增量及提拉抓取机构的高度增量进行采集，转换成绝对值，再将目标位置与之进行比较，采用闭环控制原理进行高精度定位控制，设置了软启动、软停止功能，根据离目标的距离进行适当的调速控制，保证了成品硅芯的安全移动，大大地提高了硅芯炉设备的生产效率并降低了能耗，提高了籽晶卸放、抓取的可靠性，避免了重复运动产生的累积误差，满足了换籽晶的工艺要求。

Claims (4)

1、一种硅芯炉籽晶卸放、抓取自动控制装置，包括籽晶托盘(1)及用于籽晶头抓取的提拉抓取机构(2)，其特点在于：

在籽晶托盘(1)的转轴处安装有一个增量编码器(3)，籽晶托盘(1)还通过减速机构(4)与步进电机(5)连接；在提拉抓取机构(2)上设置有一个高度传感器(6)，提拉抓取机构(2)还与直流伺服电机(7)连接，增量编码器(3)、步进电机(5)、高度传感器(6)和直流伺服电机(7)分别与逻辑控制器PLC(8)连接，在逻辑控制器PLC(8)中设置有软启动及软停止功能。

2、根据权利要求1所述的硅芯炉籽晶卸放、抓取自动控制装置，其特点在于：所述增量编码器(3)的分辨率为2000线、其角度可细分且最小步距角为1.8°。

3、根据权利要求1所述的硅芯炉籽晶卸放、抓取自动控制装置，其特点在于：所述减速机构(4)采用蜗轮蜗杆结构，减速比为1∶10。

4、根据权利要求1所述的硅芯炉籽晶卸放、抓取自动控制装置，其特点在于：所述高度传感器(6)的分辨率为1mm。

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