DE2036247A1 - Temperaturregelvorrichtung fur eine elektrische Heizvorrichtung - Google Patents
Temperaturregelvorrichtung fur eine elektrische HeizvorrichtungInfo
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Description
International Business Machines Corporation, Armonk, N,Y. 10504
Temperaturregelvorrichtung für eine elektrische Heizvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Temperaturregelvorrichtung für eine
elektrische Heizvorrichtung zur Erzielung einer vorbestimmten Tem-,
peratur eines in einem von einer Hochfrequenzheizspule beheizten Quarzrohr beweglichen Objektes, mit einem ersten Regler für
die Heizleistung, dessen Meßfühler eine Induktionsspule im Induktionsbereich der Heizspule ist, mit einem zweiten von einer FUhrungsgröße
abhängigen Regler, dessen Meßfühler ein Thermoelement
außen am Quarzrohr ist und dessen Stellgröße ebenfalls die Heizleistung ist und mit einem Pyrometer zum direkten Messen der Objekt
temperatur. ;
Bei dem Objekt kann es sich zum Beispiel um ein Halbleiterelement
handeln, das epitaxisch wachsen soll. Das Halbleiterelement besteht
dann beispielsweise aus Silizium und wird durch das Quarzrohr
hindurch bewegt, in dem sich eine für das epitaxische Wachsen
reagierende Gasatmosphäre befindet. Für die angestrebte epitaxische
Wirlomg kommt es darauf an, daß das Halbleiterelement möglichst .
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genau auf einer bestimmten Temperatur gehalten wird, die eich unter
Umständen während des ganzen Vorganges in bestimmter Weis« ändern
kann. Die Temperatur des HaHbeiterelementee konstant zu halten,
würde keine großen Probleme verursachen, wenn man die Temperatur des Halbleitereleaentes einwandfrei messen könnte. Das ist aber
mit der pyrometrischen Messung nur bedingt möglich, denn diese
wird erheblich' gestört durch das Quarzrohr· Diese Störungen sind auch noch abhängig von der jeweiligen Lage des Halbleiterelementes
im Zuge des Bearbeitungavorgaages >
In manchen Stellungen des Baibleiterelementes ist eine pyrometrie
sehe Messung überhaupt nicht möglich, weil das Pyrometer nicht auf
das Halbleiterelement fokussiert werden kann. Auch unterliegt die pyromterische Messung noch weiteren Fehlerquellen. Auch die Messung
mittels eines Therao element es außen aas Röhrehen läßt nur mittelbare
Schlüsse auf die Temperatur <§e® Halbleiterelementes au. Die Folge
ist, daß bei einer bekannte» ?©iriehtung der eingangs genannten
Art, b©i der äer &neit© legier von einer Bedienungsperson nach
Maßgabe von Seit ssu Zeit vorgenommener pyroneirischer Messungen
nachgestellt wirü9 di© Temperatur äee Hai Blei terelementes nur sehr
wenig genau auf dem aagestrebtea Wert gehalt®!! werden kann. . .
Aufgabe der Erfindimg ist es daher, bei ®±n®r Vorrichtung der eingangsgenannten
Art ?ork@hrung®n m tr®ff@a9 daß die vorbestimmte
Temperatur d@s Objektes möglietat gensa eingehalten werden kann·
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß äas Pyrometer MeQ-organ
eines dritten Heglers iat, aus gase« Stellgröße.in einer
Verarbeitungseinheit die PtthrungBgr5ße' füy" &m zweiten Regler abgeleitet
wird und d®8 die. Medialteigen des* beiden T@üperaturmfßfühler
in einer Probevörrich-teig periodiscli getastet werden und
daS in der der PxobevOrriohtung' hachgeBettalteten Yerabreltungseinheit
aus den getasteten M®8n»©rten des Pyrometers in einem
ersten Yergleiöher gegenüber @in@ei äußeren Einrichtungseignal ein
erstes Pehlereignal abgeleitet nird, uad" das-In einem;- zweiten Vergleicher
der ?erarbeitung3@inh©it aus ii©aem ersten fehlersignäl
und einem Korraktursignal9 das aus der Summe des Korrektursignals
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für den voraufgegangenen Meßzyklus und des ersten Fehlersignals
für den voraufgegangenen Meßzyklus ein zweites Führungssignal abgeleitet vird und daß in einem dritten Vergleicher der Verarbeitungseinheit aus dem zveiten FUhrungssignal und den getasteten
Meßwerten des Thermoelementes ein zweites Fehlersignal abgeleitet wird, aus dem ein Stellsignal für die Heizleistung abgeleitet
wird. Die Erfindung macht eich den Umstand zunutze, daß zwischen
der äußeren Temepraturmeesung mit dem thermoelement und der pyrometrlschen Temperaturmessung Beziehungen bestthen, die eich sum
Teil theoretisch errechnen lassen, sum Tell empirisch ermitteln
laBßen. Aufgrund dieser Beziehungen kann wie reiter unten gezeigt
wird auch bei nicht kontinuierlicher eondern nur periodischer Auswertung der TemperaturmeQergebniese eine einwandfrei« gtellsignäl
zum Nachstellen der Heizung gewonnen werden, aufgrund dessen dann die gewünechte Temperaturkonatante ersielbar ist. Bemerkenswert
ist dabei, daß dies mit einer diskontinuierlichen also periodischen Auswertung der Temperaturmessung«! möglich ist. Auf diese
Welse kann dem umstand Rechnung getragen werden, daß nicht ständig eine pyrometrieche Messung durchgeführt werden kann, bedingt
durch eine besonders ungünstige Lage, die das Objekt im Zuge seiner Fortbewegung von Zeit ku Zelt einniaet. Wann diese Situationen
auftreten ist vorhersehbar und man kann deshalb die Periodic!tat
der Auswertungen darauf abstellen.
Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der
beigefügten Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine Temperaturregelvorriehtung, von der die Erfindung
ausgeht,
Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Regelfunktion der
Vorrichtung nach Flg. 1,
Flg. 4 eine Vorrichtung nach der Erfindung in Blockdarstellung,
Fig· 5 die Regelkreise aus Fig. 4 noch einmal herausgesvichnet mit weiteren Details,
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Fig« 8 eine Schaltung zum Eichen der Vorrichtung nach Fig. 4
und Fig. 5,
Fig. 13 eine Weitere Schaltung zum Eichen der Meßfühler der
Vorrichtung nach Fig. 4 und 5 und
Fig. 6,
9 - 12 und
14 -17 Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise der beteiligten Regler.
In Fig. 1 ist mit 10 eine Hochfrequenzabfühlspule bezeichnet, die
als Meßfühler an ein Vergleichselement 9 angeschlossen ist, das
unter dem Einfluß eine; auf der Leitung 20 eingespeisten Führungs-θί gnals ein StelleignsiJBum Nachstellen des Hochfrequenzgeneratore 8
erzeugt, der eine hochfrequente Hei wechselspannung für eine Heizspule 18 erzeugt, die induktiv mit der Abfühlspule 10 gekoppelt
ist. Der Regelkreis aus der Abfühlspule 10, dem Vergleichselement
9 und dem Generator 8 alt der Heizspule 18 dient dazu, Spannungsschwankungen in der Heizleistung schnell auszugleichen. Die Heizspule 18 beheist ein Reaktionsrohr 13 aus Quarz an dem außen ein
Graphitblock 12 mit einem Thermoelement 5 angeordnet ist. Das Thermoelement 5 ist über die Leitung 11 an ein Vergleichselement 17 angeschlossen, aus dessen Ausgangsepannung in der Analogschaltung 6
das FUb rungs signelffür den leistungsregler des öenerators 8 abgeleitet wird, die in das Vergleichselement 9 eingespeist wird. Innerhalb des Reaktionsrohres 13 ist als Träger ein Boot 15 aus Graphit
vorgesehen, auf den ein Halbleiterelement 14 aus Silizium angeordnet ist, das epitaacisch wachsen eoll· Das Boot wird zu diesem
Zweck während des Heizens von einem Sude des Reaktionsrohrs zum anderen bewegt. Auf das Halbleiterelement U ist als optischer Abfühl er 16 ein Pyrometer gerichtet, das die Temperatur des HaIbleltereleaentes mißt. Diese Messung kann aber nur durchgeführt werden, wenn sich das Halbleiterelement 14 In einer Stellung befindet,
in der es von dem optischen Abfühler erfaßt werden kann. Aufgrund
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der Temperaturmeßwerte des optischen Abfühlers stellt eine Badiammgsperson
7 das Vergleichselement 17 von Zeit zu Zeitnacb.
Gemäß Pig, 2 gelangt daB Pübrungssigna$uf der leitung 20 in einen
Magnetverstärker 21 und verstärkt in eine sich selbst sättigende Reaktionseinheit 22, in die das Meßsigneider Tastspule TO und
eine Eingangsleistung eingespeist werden. Die Reaktionsschaltung 22
treibt die Primärseite eines Transformators 33» dessen Sekundärseite über einen Gleichrichter 21 einen Oszillator 24 treibt, dessen
hochfrequente Ausgangsspannung die Heizspannung für die Heizspule
Zwischen der Temperatur des Graphitblocks 12, die mit dem Thermoelement 5 gemessen wird und der Temperatur des Halbleiters H, die mit
dem optischen Abfühler von Zeit zu Zeit gemessen werden kann, besteht eine Differenz, die in Pig. 3 für den in Präge stehenden Temperaturbereich aufgetragen ist und etwa 78 bis 91 Grad Celsius beträgt. Die Bedienungsperson kann
diese bekannte Temperaturdifferenzbeziehung beim Nachstellen
für das Vergleichselement»17 berücksichtigen, Die Temperaturdifferenz ist im praktischen Betrieb aber außerdem abhängig von einer
Reihe von Parametern, zum Beispiel der Umgebungstemperatur und der Lage des Halbleiters 14 innerhalb des Reaktionsröhrchens 13, wobei
zu berücksichtigen ist, daß eich die Umgebungstemperatur nach längerer Betriebszeit erheblich erhöhen kann. Aus diesem Grunde ist
auf diese Weise ein exakte Steuerung der Temperatur des Halbleiters
14 wie sie für einen epitaxischen Wachstumsprozeß wünschenswert ist,
nicht durchführbar.
In Pige 4 ist mit 141 ein. Reaktionsrohr aus Quarz bezeichnet,
in dem auf einem als Graphitblock ausgebildeten Boot 142 ein Halbleiterelement 157 angeordnet ist. Das Boot 142 wird während des
epitaxischen Wachstumsprozesses durch das Reaktionsrohr 141 hindurchbewegt
o Das Reaktionsrohr 141 ist mit einer Heizwicklung I40
umgeben, die von einem Hochfrequenzgenerator 160 mit hochfrequenter
Heizspannung beschickt wird· Außen angrenzend an das Reaktionsrohr
Hl ist ein Graphitblock 155 angeordnet, in den ein Thermoelement
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143 eingelassen ist, das über eine Meßleitung 153 an eine Probevorrichtung 149 angeschlossen Ist. Mit 156 let ein optischer Abfiihler bezeichnet, der als Pyrometer ausgebildet ist, Der Meßstrahl 144 des Pyrometers beziehungsweise optischen Abfühlers 156
1st auf das Halbleiterelement 157 gerichtet, sofern dies aufgrund
der jeweiligen Stellung des Halbleiterelementes im Zuge seiner
'Fortbewegung durch das Reaktionsrohr 141 möglich ist. Die MeQ-leitung 154 des optischen Abftthlers ist ebenfalls an die Prüfvorrichtung 149 angeschlossen. Der Prüfvorrichtung 149 ist eine Verarbeitungseinheit 148 nachgeschaltet, deren Aufbau und Funktion
weiter unten in Verbindung mit Fig. 5 näher erläutert wird. Dieser Verarbeitung einheit 158 ist eine Halteschaltung 159 nachgeschaltet, die das nioht kontinuierlich vorliegende Hehlereignal
der Verarbei lunge einheit In «in kontinuierlich vorliegendes Signal
umwandelt, das in den einen Singang «in·· !Afferent! alYeretärkers
152 eingespeist wird. An den anderen Singang des Differentlalveretärkers 1st die Meßleitung 150 einer induktiv mit der Heizspule
140 gekoppelte Abfühlspulβ angeschlossen· Der Mfferentialveretärker 152 erseugt nach Maßgabe der drei Regelkreise, die zu den drei
Meßfühlern, nämlich den Thermoelement 143f dem optischen AbfÜhler
156 und der AbfUhlspule 151 gehören, ein kombiniert®« Stellsignal
für den Generator 160, so daß diese? die Temperatur des Halbleiterelementes 142 exakt auf einem gewünschten W@rt hält. BIe Temperatur
des Halbleiterelementea 157 ist mithin mittelbar beziehungsweise
unmittelbar Stellgröße für alle drei Hegelkreise.
.Dem Differential verstärker Vorgeschaltet ist ein Gleichrichter
für dia Maßspannung auf der Meßleitung 150.
Die Probevorrichtung I49 tastet die Meßwerte der beiden !temperaturfühler 143, 156 diskontinuierlich unter Zugrundelegung eines vorbestimmten Zeittaktes, so daS bei jeder lastung des Pyrometers
am Pyrometer auch tateäobliob eine Messung der Temperatur des
_, Halbleiterelementes 42 stattfindet, figur 5 *eigt dos Ausführungso beispiel nach flg. 4 aussctmittsveles alt Details der Verarbel*-
tungselnhelt. .
Bei Betrieb wird zunächst als erste fObxiaagagru0e filsr den dritten
^ Regelkreis, an den der optische AbfUbier 156 als MeSfübler ang·-
to schlossen ist, eine Spannung K1 von anteil als eretea ftUtcungaaig-κ, nal in die Verarbeitungselnbelt 156 eingeipelftt, dl» dowv an
den Verglelotaer 163 gelangt· Aa
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den Vergleicher 163 gelangt auch dieMeß spannung; e.-j aus dem dritten
Regelkreis· Der Vergleicher 163 bildet die Differenzepannung zwischen der Spannung R1 und der Spannung O1 und gibt diese ale erstes
Fehlersignal B| ab. Aus den ersten Fehlersignal E1 wird ein zweites
PUhrungasignal R2 für den zweiten Regelkreis, dem das Thermoelement 143 eis Meßfühler zugeordnet ist, abgeleitet.
Zu diesem Zweck wird zunächst ein Faktor &. errechnet, und zwar als
Summe des Faktors λ aus de« vorauf gegangenen Probezyklus und dem
ersten Fehlersignal E1 ebenfalls aus dem voraufgegangenen Probezyklus. Dies erfolgt in dea zweiten Vergleicher 161« Zu Beginn,
also zur Zeit t ■ 0, wird der Faktor & mit dem Wert θ2/ also der
Meßspannung des zweiten Regelkreises angesetzt* In einem dritten
Vergleicher 162 wird aüe der Differenz zwischen demzweiten Führundgeeignal Rg 1^ dtr Meeepannung θ2 des zweiten Regelkreises die
Differenz gebildet, die als «weites Fehlenignal B2 an die Halteschaltung 159 gelangt·
Die MeSβpennung θ2 entspricht der Temperatur des Graphitblocke 135,
die in dem Thermoelement 143 gtmessen wurde. Diese Temperatur ist
weitgehendstabil und hängt im wesentlichen nur τοη der magnetischen Feldstärke d«r E^lsepttlv 140 ab, steht aber nioht in
einem exakten Zueaeoienhe»« su der Temperatur dee Halbleiters 157.
Die Meß spannung O1 entspricht der pyrometrie ch tatsächlich und
direkt gemessenen Temperatur des Halbleiters 157. Da Jedoch das Halbleiterelement 157 seine !sage -rerändert,und dabei auch Lagen
einnimmt« auf die der pyxoaetriache Abtaststrahl 144 nicht fokussiert werden kann, kann man keine kontinuierliche pyroeetrische
Temperaturmessung durchführen. In der Proberorriohtung 149 stehen
also die Meßwerte des optischen Abfühlers 156 mit niedrigerer Folgefrequenz als die des Ihexaoelementes 143 zur Verfügung.
Die optisch gemessenen Temperaturwerte werden, wie weiter unten
noch näher erläutert unter Kugrundelegung vorbekannter Siissionsw er te korrigiert·
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Die am Graphitblock 155 und am Halbleiterelement 157 gemessenen
Temperaturen unterscheiden sich. Um nun aus dem ersten Fehlersignal E- eine exakte Führungsgröße für den zweiten Regelkreis mit
dem Thermoelement ale Meßfühler ableiten zu können, muß man die
Beziehungen zwischen diesen beiden Temperaturen kennen. Biese Beziehungen hängen von einer Reihe von Umständen ab, die zum Teil
bekannt und zum Teil unbekannt sind, wie zum Beispiel die Geschwindigkeit mit der das am epitaxischen Wachsen beteiligte reagierende
Gas das Reaktionsrohr Ht durchströmt, die Geschwindigkeit, mit der dale Boot 142 weiterbewegt wird und die Geschwindigkeit, mit
der das Reaktionsrohr 141 aufgeheizt wird. Dies erfolgt durch Einführen des Faktors K nach der Gleichung:
Die Verhältnisse lassen sich am besten anhand eines praktischen
Beispiels Übersehen. Unter Bezugnahme auf Fig. 5 wird von folgenden Größen ausgegangen:
R1 . | w C | 20° | 1200° - | 1180° » 20° C |
zur | « 20° | |||
C | + 1098° | -.1118° C | ||
e2. | C | C | ||
(t0) -^1C | ||||
• 12 00 | gesetzt. | |||
Zeit t0 | + k(t0) = | |||
« 1180° | -92(t0) | |||
■ 1098° | ||||
b0) « R1 | ||||
k wird zunäohst ©2 | ||||
R2 s | ||||
E2, | ||||
■ B1Ct0) | ||||
- R2Ct0) |
Wie erwartet ist ein Temperaturabfall, der am ersten Regelkreis
kenntlich wird, auch am zweiten Regelkreis kenntlich. Zur Zeit
t0 * T ergeben sich folgende Werte: .
109809713 ti
-Sf-
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%Λ = 1205° C
= 1119° C
-5°
) « 1118° C R2C\+Τ) = B1C to+T) + ^*ο+Τ) * -5°■ 0 ♦ 1118° «1113° C
B2 * R2Ct0+1) - WT)a ~6° C
2 20 W
Biese Fehlerkorrektur aetet »ich fort bia B1 * 0 , woraufhin dann
konstant bleibt.
Das zweite Feblersignal Bg gelangt in die Haltevorrichtung 159»die
daraufbin ein Bauersignal der Größe des Fehleraignals E2 abgibt,bis
ein neues Peblersignal Eg von der Verarbeitungseinbeit 158 an die
Haltevorrichtung gelangt, das diese dann als Bauersignal abgibt
und ao fort. FUr die Benessung der Probetakt·» alt der die Probevorrichtung 149 arbeitet, nuß saudie Totsalt der Regelkreise in Betracht ziehen. Insbesondere auch unter den Gesichtspunkt, daß keine
Regelschwingungen entstehen. Wenn die Probevorricbtung 149 neue
Meßwerte G1 und O2 ergibt, dann wird daraus ein xweitea Fehlersignal E2 abgeleitet, das nun in der Halteschaltung 159 gehalten wird
und als kontinuierliches Peblersignal in den Bifferentialverstärker 152 eingespeist wird, wo es gemeinsam alt der Meßgröße des ersten Reglerkreises, zu dem die Abfühlspule 151 gehört, sub Stellsignal für den Generator 160 verarbeitet wird. Bret wenn nach Ablauf einer bestimmten^Zeit die Probevorrichtung 149 neue Proben
vornimmt und neue Meßwerte O1 und O2 abgibt, wird ein neues zweites
Feblersignäl E2 ermittelt, das dann statt des voraufgehenden in
der Halteschaltung 159 bis zum näohsten Probezyklus gehalten wird.
Es sei angenommen, daß der Regelkreis mit der Abfühlspule 151 zehnmal schneller anspricht als die Regelkreise Bit den Temperaturfühlern. Diese Gescbwindigkeitsverbältniese erkennt aan durch Vergleich
der Regeldiagramme der betroffenen Regelkreise. Ba die Messung des
dritten Regelkreises, das ist die pyrometrisobe temperaturmessung,
nicht immer durchführbar let, Im Gegensatz zur Temperaturmessung
mit dem Thermoelement 143 folgen die Proben für die Meßgröße des
ersten Regelkreises mit größerem Abstand aufeinander, als die
für die Meßgröße dee zweiten Regelkreises. Die Größe C, bleibt
' 1ÖÖ8ÖÖ/1382 BAD ORIGINAL
am Ausgang der Probevorrichtung jeweils bis zur nächsten Probe der
alte Wert,
Aus den Regeldiagrammen gemäß Pig. 14 und 15 ergeben sich die folgenden
Regelfunktionen:
G(s)
(s + 0,0095) (s + 0,095)
A = 24,4
(ju + 0,0095) (je* + 0,095)^, ^
-3
= 2,62 3t 10
Daraus errechnet dich
Gleichung 2
Gleichung 3
- e-8t)
(s + 0,0095) (β + 0,095)'
Gleichung 4
die umgewandelt warden kann ins
θ
U
(1-e"et)
[30,7 38, 8 (b+0,
3 7,29 0,325
+ ■ —
+ ■— : Λ
0095) (β+0,095) (e+0,095)_
Gleichung 5
Will man digital arbeiten, dann ou3 man die Meßwerte digitalisieren und dann buS man die Periodizität für die Proben anpassen.
Me dieser Digitalisierung zugrunde liegende Theorie lieferte die Erkenntnis, daß man ein Signal auf einem begrenzten Band theoretisch vollständig aus der digitalisierten Fora wiedergewinnen kann,
wenn die Bandbreite die BHIfte der Probefrequenz ist. Praktische
INSPECTED-
- tr- λλ
ρ 15 913
Überlegungen führten dazu, daß es zweckmäßig ist, die Probefrequenz
mindestens fünf mal so hoch nie die Bandbreite zu wählen.
Aufgrund der aus Fig. 14 ersichtlichen MeSergebnisse wird die Probefolgefrequenz auf einen Probezyklus pro Sekunde entsprechend einer
Probeperiode in einer Sekunde festgelegt.
θ -■ 30,7 38,3 7,29
- (ζ) = (1-b"1) +
(ζ) (b) \Τ
U 1-B; 1~0,99055b \ 1-0,9093z
■:■■■■ 0,293b""1
(1-O,9O93b"1)2 Gleichung
die vereinfacht werden kann zu:
ν ■■■'■■ - - . -
θ 0,31 (-1+1,9U"1 -0,4323b"2 -8,04b"3
- (β) · g(b) - ·-·—---'-.-T"———■-g-
Gleichung
Multipliziert aan den Zähler durch, dann ergibt sieht
r 0,31 <U1,475b·1) ( -U3,385b·1- 5,432 b"2)
(1-O,99O55b·1) ( 1-O.9O93·"1)2
7a
Die Übertragungefunktion enthält eine lull auQerhalb des SLnheitekreises bei -1,475 und Pole bei +0,99055 und 0,9093, wob«! der i
letztere ein Doppelpol iet. fHr den »ohwinguneefreien GrenBfall ruß
die Funktion Ktβ) die Nulleteile von ß(e) enthalten. Also gilt:
1 - KCb) - (1 - β"1) ( 1 Vb1B"^ Gleicshung
mit folgenden Beziehungen!
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Gleichung 10 1,47Sa1 = bT
βλ = 0,404
b-, =0,596 ■■■"..,,
Κ( ζ) = 0,404z"1 + 0,596z""2 Gleichung 11
Die Zeitverhältnisse, nach dem das !©glersystem für den schrittweisen Eingang arbeitet, sind in Fig. 6 im Diagramm dargestellt.
Die Impulsübertragungsfunktion errechnet sich zus
D(z) = *|gJ · Gleichung 12
^z) i£(z)
0,404z"1 - 0,539z"2 - 0,61z"3 +1,246s"4■- 0,493z"5
■-0,31+0,716z" -0-, 188ζ~ίί-2,79z"^+1,08z"4+1,49z*"'
Gleichung 13
Diese Antwort gewinnt man, indem man die letzten fünf Messungen
des Auegange speichert.
Praktisch verwirklicht wird das Ergebnis dieser Rechnung, indem
das zweite Fehlersignal als Eingang in Sie Probevorrichtung 149
eingespeist wird, die dann mit einer.F-zobenpexlodendauer voneiner
Sekunde arbeitet. Bis Ausgangswerte gelangen nach Bearbeitung
in die Haltevorrichtung 159 und von da als Eingang in den
Differentialveretärker 152 und achließlich als Stellgröße an den
Generator 160»
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Die Temperaturmessung durch pyrometrische Strahlungsmessung kann
in an sich bekannter Weise erfolgen. Sie bietet eine Reihe von
Vorzügen, nämlich
1.es ist unmittelbarer mechanischer Kontakt mit der zu messenden
Oberfläche nicht erforderlich,
2.ist diese Methode auch bei stark aggressiver Umgebung des Halbleiterelementes anwendbar,
3»liefert diese Methode sehr genaue Meßergebnisse und
4»ist diese Messung verhältnismäßigschnell durchführbar.
Grundsätzlich kommen in Verbindung mit der pyrometrischen Temperaturmessung >des" Halbleiters 157 zwei verschiedene Pyrometer in
Frage, nämlich optische Pyrometer und Strahlungspyrometer.
Die Temperaturmessung in Verbindung mit optischen Pyrometern beruht auf der Tatsache, daß die Strahlungsintensität eines glühenden Körpers eine Punktion der Temperatur ist. Wenn der Körper
schwarz ist, gilt für die Strahlungstemperatur die Plancksehe
Strahlungsgleichung
1^ /λ
Dabei 1st N^ die Strahlungsintensität bei der Wellenlänge X
eines schwarzenKörpers, dessen thermodynamisehe Teeperatür T
beträgt und die Größen G1UHd C2 sind Strahlungskonetante. Wenn
Nj3^ oder ein anderer Parameter aus Gleichung I4 bekannt lot, 1st
es möglich, die Temperatur zu errechnen. Absolute Strahlungsmessungen sind jedoch sehr schwierig. Aue diesem Gründe wird N^
in der Hegel relativ gegenüber einer Standardstrahlung gemesaen.
Diese Messung wird an eine-imaginären Strahlungsquelle durchgeführt, nämlich dem Glühfaden der Pyrometerlampe, Die Strahlungsintensität dea Glühfadens wird dabei so lange variiert, bis der
Glühfaden sich vor dem als Hintergrund dienenden glühenden schwarzen Körper nicht mehr abhebt· Die dazu erforderliche Vergleichsbeobachtung "wird mit dem Auge oder automatisch mittel« einer
fotovorvielfacherröhre durchgeführt. Die Wellenlänge, mit der die
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pyrometrie ehe Messung durchgeführt wird, ist konstant Über den
betrachteten Temperaturbereich. Da die Wellenlänge der abgestrahlten Strahlung mit der Temperatur ansteigt, liegen die Strahlungen
bei über 1000 Grad Celsius im sichtbaren Spektralbereich,
Optische Pyrometer gestatten sehr genaue Messungen und werden oft
dazu verwendet, andere ThexmomeSgerate zueichen.
Sin optisches Pyrometer wird auch bei der Siebung der Temperaturmessung in Verbindung mit der Erfindung verwendet.
Bei einem Strahlungspyrometer wird die thermische Strahlung eines
zu vermessenden Ziels empfangen und deren Energie in elektrische .
Signale umgesetzt. Bei einem Strahlungspyrometer, das vorzugsweise
P in Verbindung mit der Erfindung angewendet wixü, ist eine SiIiziumzelle vorgesehen, die bei Bestrahlung la Spektral bereich nahe
dem Infrarotbereich ein elektrisches Signal aligibt· Eine solche Silizium-Solarzelle 1st in Fig. 7 dargestellt* Mit 40 1st eine
dünne p-typische Slllzlumschicht bezeichnet, die auf einer dickeren
n-typischen Slliziuasohioht angeordnet ist. Mit 42 ist ein negativer Kontakt bezeichnet, der auf der Httckseite der Schicht 41 angesohlossen 1st, während auf der Vorderseite entlang der einen
Kante ein metallischer Streifen als positiver AnsehluBkontakt angebracht 1st·
Schaltet Ban einen elektrischen Widerstand sfftechen die beiden
Kontakte, dann fließt bei Bestrahlung geaäS den eingeselohneten
fe Pfeilen durch diesen Widerstand ein elektrischer Strom, der proportional der einfallenden Strahlung und dealt der Teaperatur dieser Strahlungsquelle ist·
Bei optischen Pyrometern und StrnhlunggpyjDgatara wird also aus
der Strahlungsenergie auf die temperatur der SifcraMsußgaquelle geschlossen* Pea liegt das Planeksehe Strafeli>ingsgee«*ts augrunde, das
jedooh korrekt nur für den Fall de» schvgirseii K8r£eye gilt. Bei
den meisten Körpern handelt es sich aber oiekt an eehwarse Körper
und man buS für die SeapeTAtsmiessuns^^ ai0liteiil*(iaMf^ lörper einen
Korrekturfaktor einführtn, dex· miseheE JNH rnsii eis» liegt, Die
:■;.'■■ /
P 15 913
Temperaturanzeige bei einem realen Körper let niedriger ale die
tatsächliche Temperatur, wenn man die Plancksehe Strahlungsformel
allein zugrunde legt. Der Korrekturfaktor hängt von der Beschaffenheit des Oberflächenmaterials, der gemessenen Temperatur und
der Wellenlänge ab. Aus diesem Gründe muß man bei derpyrometrlschen Temperaturmessung zunächst eine Eichung aufgrund bekannter
Temperaturwerte für den in Frage stehenden zu vermessenden Körper
durchführen. Dies erfolgt am einfachsten empirische Bei Vorrichtungen nach der Erfindung empfiehlt sich ebenfalls eine empirische
Eichung der pyrometrischen Messung. Zu diesem Zweck stellt man
die unter bestimmten Bedingungen gegebene Temperaturdifferenz zwischen dem Graphitkörper 155 und dem Halbleiter 157 fest. Diese
Messungen erfolgen unter den verschiedensten Bedingungen, wie sie im praktischen Betrieb-auftreten können, damit man den Verlauf
dieser Differenz während des praktischen Betriebes kennt.
Fig. 8 zeigt im BlookdiagraiBffi eine Vorrichtung zur Eichung der
Temperaturmessung,
Gemäß Fig. 8 ist mit 50 ein Reaktionsrohr bezeichnet, in dem epitaxie eher Wachevorgang atatt finden kann. Aufgeheizt wird diesea
Röhrchen über eine Heizspirale, die an einen Hochfrequenzgenerator
angeschlossen ist, der voa einem Analogregler 51 gesteuert wird.
Mit 53 ist die Meßleitung-eines Thermoelemente« 49 bezeichnet, das
in einem Kohleboot 58 angeordnet ist. Mit 54 ist ein Strahlungspyrometer, mit 55 ein optisches Pyrometer und mit 56 ein Prisma
bezeichnet, das diese beiden Pyrometer wal das aus Kohle bestehende Boot 58 richtet·
Die Kalibrierung erfolgt unter Zuhilfenahme dieses Kohlebootes 58,
das als schwarrz er Körper angesehen wird· Das Kohleboot 1st ho hl. Das
Thermoelement 48 befindet sich innerhalb dieses Bootes. Auf dem
Kohleboot 58 1st ein Halbleiterblättehen 59 angeordnet und zwar so,
daß es sehr intensivem Wäraeauetsuechkontakt mit dem Kohleboot
ausgesetzt ist. ,
109809/138a
2038247
/16
ρ 15
Die- δtrahlungeemission des Blättchens 59 für eine bestimmte Tem
peratur errechnet sich frie folgt:
Gleichung 15 L" 1T TB J
£ » normale spektrale Eaissionsintensität
λ. « die effektive Wellenlänge, bei der gemessen wird
* 0,6450 Mikron für das optische Pyrometer » 0,9 Mikron für das Strahlungspyrometer
TT * die thermodynamische Temperatur
Tjj » die im Pyrometer gemessene Temperatur
C * eine Konstante, nämlich 14 380,0 Mikron 0K
In diesem Fall beeinflußt neben der Emissionsintensität ein anderer
Faktor die gemessene Temperatur Tg. Die Messung erfolgt durch den
Mantel der Quarzröhre hindurch und dabei erfolgt Energieverlüat·
Desgleichen findet Energieverlust in dem Prisma 56 statt. Zur Korrektur wird dieser Verlust berechnet und zwar anhand von
zwei Messungen!
Zunächst werden die Pyrometer auf das Halbleiterblättchen 59 gerichtet, dabei wird die Temperatur pyrometrisoh und mittels Thermoelement gemessen· Dann werden die Pyrometer auf eine Ausnehmung im
Kohleboot 58 gerichtet, deren Boden ganz dicht neben der tastenden
Spitz· des Thermoelementes 49 Hegt· Nun werden wieder pyrometrische Messungen durchgeführt und eine Vergleichsmessung mit Hilfe
des Thermoelementes 49· Aus diesen MeBergebniseen kann man eine
KorrefcturgröSe für den Strahlungsintensitätsverlust an der Quarz*
röhrchenwandung und am Prisma 56 errechnen.
Die Me θ Bungen werden Über einen Temperaturbereich von 165 Grad Celsius in Abständen von 10 Grad Celsius vorgenommen. Die Temperatur
wird verstellt, indem man die Fünrungegröße für den Analogregler
entsprechend verstellt. Der Meßfühler des Analogreglers 51 1st ein
Thermoelement 48, das Über eine MeBleitung 52 angeschlossen ist«
BAD O
.- Vh- P 15 913
Die Meßwerte der beiden Pyrometer 54 und 55 und die über eine Bezugsschaltung umgewandelten Meßwerte des Thermoelementes 49 werden
in einem Rechner 57 verarbeitet. Die Messungen erfolgen immer erst wenn eine Temperaturstabilität von ,+ 1/2 Grad erreicht ist.
In Fig. 9-11 sind Diagramme dargestellt, die die unkompensierte
und die kompensierte Temperaturmeseungen nach dieser Eichung zeigen. ■■■ : ■■■- ..-■;■ ■■,-.. '. ■ ■
Fig. 9 und 10 zeigen die unkompensierte Temperaturmessung und zwar
in Fig. 9 für ein optisches Pyrometer und in Fig. 10 für ein Strahlungspyrometer. Fig. 11 zeigt diese beiden Temperaturmessungen
kompensiert hinsichtlich des Strahlungsverlustes im Prisma und in
der Wandung des Quarzrohres.
Fig. 11 läßt erkennen, daß die Werte für das Strahlungspyrometer
im ganzen Meßbereich niedriger liegen, als die für das optische
Pyrometer. Das gilt auch für die Werte aus Fig. 9 und 10 und wird
kenntlich, wenn man die dort unterschiedlichen Strahlen gleich macht. Diese Unterschiede beruhen darauf, daß beim optischen Pyrometer Strahlungsverluste im Prisma und in der Quarzwandung auftre·*
ten, beim Strahlungspyrometer dagegen nur in der Quarzwandung und
nicht im Prisma.
Anhand der Gleichung 15 wurden, linearen Verlauf unterstellt, folgende Werte errechnet:
£ = 0,30 11-40'2.'T-- 1280° C
6= 0,38 114Oi T S 1280° C
Die gemessenen und errechneten Korrefctürfaktoren werden bei der
Regeleteuerung der Vorrichtung nach Fig. 4 und 5 berücksichtigt.
Fig. 12 zeigt die Abhängigkeit zwischen der am Thermoelement 48
gemessenen sogenannten Ersatzlastte»peratür und der am Thermoelement 49 gemessenen Boottemperatür.
100000/1162
P 15 913 j>i ~
Die Parameter für die Rückkopplungen nach Fig. 5 werden nach folgenden Gesichtspunkten ermittelt und fest gelegt. Um die übertragungsfunktion zu ermitteln kann man eine Treibfunktion an den Eingang
geben und die Ausgangswerte messen und so die dynamische Ckarakte- ■
rjLStik eines linearen zeitunabhängigen Syteme gewinnen. Wenn man
die Anfangsbedingungen außer acht läßt, dann gilt für die Übertragungsfunktion folgende Beziehung:
Ausgangsfunktion Übertragungsfunktion =
Am einfachsten ist es, eine sinusförmige Treibfunktion einzugeben,
die konstante Frequenz hat und Amplitude und Phasenlage am Ausgang zu beobachten. Diese Messungen kann man dann für verschiedene Frequenzen wiederholen. Es genügt in der Regel auf diese Weise zwei
Frequenzdekaden mit den Meßwerten zu überdecken,» Die Eingangs- und
die Ausgangewerte werden dann gleichzeitig aufgezeichnet. Jede einzelne Messung wird dabei erst durchgeführt, wenn sich ein stationärer Zustand eingestellt hat. Das erfordert in der Regel, daß man
einige volle Sinusschwingungen abwartet.
Ss sei nun angenommen, daS die Vernaltungew·!·· des Systems durch
eine lineare Differentialgleichung n-t«r Ordnung mit konstanten Koeffizienten beschrieb·» werden kann. Bezeichnet man jr(t) als Eingangsfunktion oder al· unabhängige Variable und y( t) als Ausgangsfunktion oder abhängige Variable und nimmt aan für x(t) und y(t)
als Anfangswerte lull, dann ergeben sich die ersten (n-1) und (m-1)
Ableitungen wie folgt:
dy(t) <T
1 ' * l2
dt dt2 ■ at*
•1 η *_ m
Gleichung 16
Jt(O) = x'. (0)
=
P 15 913
Gleichung 17 Gleichung 18
x(t) = aelnüt Gleichung 19
und für y(t) auerechnen· Die Gleichung 16 kann man umschreiben in
■ak
dky(t)
dt1
dkx(t)
Gleichung 20
dt*
Wendet man die Laplace-Transformation auf Gleichung 8 an, dann ergibt sich
Setet man
JCb)
Gleichung 21
■(■)
B(e)
Y(B) «"
G(b)
1Γ(β)
β2+ω2
Gleichung22 Gleichung 23
Gleichung 24 Gleichung 25
103609/1382
- 29--
P 15 913
Ee sei angenommen, daß der reale Teil der Pole von G(s) negativ
ist, so daß für G(e) keine isolierten imaginären Pole hat. Aus diesem Grunde tragen nur die Pole der Treibfunktion zu der
stationären Antwort bei.
Die stationäre Antwortfunktion des Systems lautet alsos
Αω e
st
A co e
st
es
y = Y^ Rest von G(s) es £
für β=;)ω
2.,.2
8 *
A ω
.Bt
G(e)
Gleichung 26
Drückt man G( ju> ) ale Produkt der Amplitude und Phase aus, dann
ergibt sich
,30(CO)
,-3β(ω->
sin u>t -
Gleichung 27 Gleichung 28 Gleichung 29
Die Antwortdaten für den stationären Zustand werden gewöhnlich nach
Bode mit einem Therm für das Amplitudenverhältnis und einem Therm für den Phasenwinkel angegeben. Theoretisch ist es nicht nötig, eine
sinusförmige Treibfunktion anzusetzen. Man kann die gleichen Informationen auch erhalten, wenn man eine willkürliche Impulsfunktion
als Treibfunktion ansetzt. Bei einem linearen System wendet
man bei einer willkürlichen Eingangstreibfunktion x(t)
die Fouriertransformation auf die unabhängigen und abhängigen
Variablen an.
10980 9/13 82
ta
P 15 913
Die Übertragungsfunktion ergibt sich dann, indem man die abhängigen.
Variablen der Fouriertransformation durch die unabhängigen Variablen dividiert, wie folgt:
dt Y(jco
-^t dt (j) (j
Gleichung 30
Da x(t),und y(t) im betrachteten Fall Impulsfunktionen sind, die
die Null-Linie schneiden, sind sie fourier-transfοrmabel und die
Integrale können für jeden Wert von Q ausgerechnet werden. Das erfolgt mittels numerischer Integration.
Fig» 13 zeigt eine Schaltung zur Durchführung der eben erörterten
Messungen. Gemäß Fig. 13 ist mit 100 ein Strahlungspyrometer bezeichnet, mit 101 die Meßleitung eines Thermoelementes 99» mit 102
eine Abfühlspüle, mit 103 eine Gleichspannungsquelle, mit 104 ein Signalgenerator, mit 105 ein Magnetverstärker, mit 109 ein Oszillator,
mit 98 ein Tiefpaßfilter und mit 106 ein Hochfrequenzgenera·* tor, der die Heizwechselspannung für die Heizspule 97 liefert«
Bei Betrieb wird eine Sinuswechselspannung an die Steuerelektrode des Magnetverstärkers 105 gegeben, so daß der Betrieb sinusförmig
schwankt» Sie Antworten der drei Eingangsvariablen auf diese sinusförmige Treibfunktion werden geprüft. Bei diesen Variablen handelt
es sich um die Temperatur des Halbleiters 107, der auf einem Graphitblock 96 in Innern eines Quarzrohres 95 angeordnet ist, die
Temperatur des Graphitblocks 108, der seitlich außen an dem Quarzrohr
95 angeordnet ist und die an der Abfühlspule 102 induzierte
Spannung der Heizspule 97.
Die Steuerspannung wird mittels des Signalgenerators 104 variiert»
Die Messung wird im Temperaturbereich von etwa1150 Grad Celsius
des Quarzrohres 95 durchgeführt. Zunächst wird abgewartet, bis das Sytem sich hinsichtlich der Temperatur stabilisiert hat. Die
10S80Ö/1382
Sinuswelle ist in diesem Pall einer 18-VoIt Gleichspannung Uber-4 ,..,,
lagert. Die Sinusamplitude beträgt zunächst 2 Volt. Bei höheren 7 t
Frequenzen wird die Amplitude der Sinusspannung bis auf 8 Volt
angehoben. Bei jeder Messung wird abgewartet, bis das System sich
stabilisert hat. Die verschiedenen Variablen werden in einem vlelkanaligen
Oszillografen 109 unter Zwischenschaltung des Tiefpaßfilters
98 angezeigt. Die οszillografische Anzeige erfolgt verzögerungsfrei.
Die Meßergebnisse sind graphisch in den Figuren 14 bis 16 dargestellt, wobei das Bode»Diagramm zugrunde gelegt ist.
Die Frequenzabhängigkeit der Antwortfunktion der drei Ausgangsvariablen
ist aus den Figuren ersichtlich. Fig. 4 zeigt das logarithmische Amplitudenverhältnis der Meßwerte des Thermoelemente
49· Die Übertragungsfunktion ist in dritter Ordnung angenähert
mit einem eingulären Punkt bei O90095 Zyklen pro Sekunde und einem
Doppelpol bei 0,095 Zyklen pro Sekunde. Me theoretische und die experimentelle Übertragungsfunktion stimmea unterhalb von 0,12
Zyklen pro Sekunde gut überein. Im höheren Frequenzbereich muß
man hohe Amplituden der Treibfunktion ansetzen und das System arbeitet
dann vermutlich nicht mehr linear«, Bas Phasendiagramm für
die Meßwerte dee Thermoelementes 99 und des Pyrometers 100 ist
in Fig. 15 dargestellt.
Das logarithmische Amplitudenverhältnie für die Temperatur des
Halbleiters 107 ißt in Fig. 16 dargestellt. Die dargestellte Kurve ist weitgehend identisch zu der entsprechenden aus Fig. 15.
Die Amplitudendiagramme stimmen, wie erwartet, gut miteinander
iiberein mit der Ausnahme einer Verschiebung, die zu erwarten ist,
weil auch die unkompensierten Meßwerte der Halbleitertemperatur
niedriger waren, als die der Temperatur d@s Graphitblocke 108.
Fig. 17 zeigt logarithmisch das Amplitudenverhältnis und den Phasenwinkel für die Heizspannung. Der Bandpaß liegt dabei ungefähr
zehnmal so hoch wie der für die Temperatur.
- «β.- Ρ 15 913
Eine weitere Störquelle in der Praxis liegt darin, daß die beteiligten
Induktivitäten aus dem angeschlossenen Rechner, aus
dem Oszillografen 109, &ue der Abfühlspule 102 und dergleichen,
sich gegenseitig beeinflussen können, «as zu Fehlfunktionen führen
kann. Solche gegenseitige Beeinflussungen muß man deshalb ausschalten.
Wenn man die Abfühlspule 102 in ein Aluminiumgehäuse
unterbringt und daurch elektrostatisch abschirmt, kann man einige
solche schädliche gegenseitige Einflüsse vermeiden. Dem gleichen Zweck dient auch das Tiefpaßfilter 98» das Störspannungen höherer
Frequenzen zurückhält.
10980 9/1
Claims (3)
- ,13.7- 70 P 15 913ANSPRÜCHETemperaturregelvorrichtung für eine elektrische Heizvorrichtung zur Erzielung einer vorbestimmten Temperatur eines in einem von einer Hochfrequenzheizspule beheizten Quarzrohr beweglichen,Objektes, mit einem ersten Regler für die Heizleistung, dessen Meßfühler eine Induktionsspule im Induktionsbereich der Heizspule ist, mit einem zveiten von einer Führungsgröße abhängigen Regler, dessen Meßfühler ein Thermoelement außen am Quarzrohr ist und dessen Stellgröße ebenfalls die Heizleistung ist und mit einem Pyrometer zum direkten Messen der Objekttemperatur, dadurch gekennzeichnet, daß das Pyrometer (156) Meßorgan eines dritten Reglers ist, aus dessen Stellgröße in einer Verarbeitungseinheit (158) die Führungsgröße für den zveiten Regler abgeleitet wird und daß die Meßleitungen (153,154) der beiden Temperaturraeßfühler (143,156) in einer Probevorrichtung (149) periodisch getastet verden und daß in der der Probevorrichtung nachgeschalteten Verarbeitungseinheit (158) aus den getasteten Meßverten des Pyrometers (156) in einem ersten Vergleicher (163) gegenüber einem äußeren Führungssignal (R1) ein erstes Fehlersignal (E1) abgeleitet vird, und daß in einem zweiten1 09809/.1 3 82:■-/-■p 15 913Vergleicher der Verarbeitungseinheit (158) aus diesem ersten Fehlersignal (E1) und einem Korrektursignal (K), das aus der Summe des Korrektursignals für den voraufgegangenen Meßzyklus und des ersten Fehlersignals für den voraufgegangenen Meßzyklus ein zweites Führungssignal (Rg) abgeleitet wird und daß in einem dritten Vergleicher (162) der Verarbeitungseinheit(158) aus dem Einrichtungssignal (Rg) und den getasteten Meßwerten des Thermoelementes (143) ein zweites Fehlersignal (E2) abgeleitet wird, aus dem ein Stellsignal für die Heizleistung abgeleitet wird*
- 2. Temperaturregelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verarbeitungseinheit (148) eine Halteschaltung(159) nachgeschaltet ist, die ein Stellsignal erzeugt, dessen Wert dem Wert des zweiten Fehlersignals (Eg) bis zur jeweils nächsten Meßperiode der Probevorrichtung (149) entspricht.
- 3. Temperaturregelvorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halteschaltung (159) ein Differentialverstärker (152) nachgeschaltet ist, in dessen einen Eingang das kontinuierliche Stellsignal der Halteschaltung eingespeist wird und in dessen anderen Eingang das gleichgerichtete MeS-signal der Induktionsspule (i51) des ersten Seglers eingespeist wird und dessen Ausgangssignal als Stellsignal zum Verstellen i der Heizleistung in einen Hochfrequenzgenerator (160) zur Erzeugung der Heizleistung eingespeist wird.TOS0O9/13Ö2L e e r s e 11 e
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