WO1999063134A1 - Device and method for growing crystals - Google Patents

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WO1999063134A1
WO1999063134A1 PCT/EP1999/003788 EP9903788W WO9963134A1 WO 1999063134 A1 WO1999063134 A1 WO 1999063134A1 EP 9903788 W EP9903788 W EP 9903788W WO 9963134 A1 WO9963134 A1 WO 9963134A1
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PCT/EP1999/003788
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Joachim Aufreiter
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Leybold Systems Gmbh
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B15/00Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/20Controlling or regulating
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B11/00Automatic controllers
    • G05B11/01Automatic controllers electric
    • G05B11/36Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential
    • G05B11/42Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential for obtaining a characteristic which is both proportional and time-dependent, e.g. P.I., P.I.D.
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B13/00Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion
    • G05B13/02Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
    • G05B13/0265Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric the criterion being a learning criterion
    • G05B13/0285Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric the criterion being a learning criterion using neural networks and fuzzy logic

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for growing crystals according to the preambles of claims 1, 6 and 16.
  • Controllers used i.e. controllers with yielding and delayed feedback. If a controller is only to be operated stably, a PI controller is sufficient. It delivers very good steady-state accuracy and, with the correct setting of its parameters, good stabilization at moderate speed. However, a PI controller is no longer sufficient if, with good stabilization, high demands are made on the speed of the control. In this case, a PID controller is used.
  • fuzzy controllers can also be used in complex systems, which include the manufacturing processes of single or polycrystals. Such controllers are used in fuzzy technology (cf. K. Goser, fuzzy technology: fuzzy controllers for complex systems, Phys. Bl. 50, 1994, No. 11, pp. 1064-1067; Preuss: fuzzy control -heuristic control using fuzzy logic ", atp- automation engineering practice, 4/92, pages 176 to 184 and 5/92, pages 239
  • Each neuron first calculates the weighted sum of the outputs of the neurons in front of it. Then it calculates the baseline by taking the weighted
  • Kohonen networks developed by T. Kohonen around 1988 Here, all neurons are linked to the inputs and all other neurons, neighboring neurons become stronger, distant neurons inhibit each other and each input pattern correlates with an active center. Compared to that of David Rummelhard u. a.
  • the generalized backpropagation algorithm with delta rule proposed around 1985 for multilayered artificial neural networks these alternatives have remained of little importance in practice.
  • a training data set is first searched for, on which the neural network is trained.
  • Such a training data record generally consists of a finite number of mutually assigned input and output vectors (series of numbers).
  • Each input vector consists e.g. B. from three numbers (three inputs!) And each output vector from one number (one output).
  • An error backpropation algorithm is then determined.
  • the average error of all outputs of the last layer of the network is calculated.
  • the weights of the individual neurons are then set in such a way that the mentioned error becomes iteratively zero.
  • the Rummelhard artificial neural network is thus a type of iteration machine which, through small, targeted changes in the weights, approaches an optimum, the error minimum.
  • the conventional PID controllers 204 to 206 which are implemented in the PLC 17, remain. They are only corrected by the signals coming from the robustness filter 203. If only controllers 204 to 206 were used, there would be no optimal control because of the multi-size problems. The individual controllers 204 to 206 would have to be corrected manually by the system operator.
  • the conventional controllers 204 to 206 are, however, already able to operate a system, although not optimally. Therefore, the fuzzy controller 201 becomes

Abstract

The invention relates to a device and method for growing crystals. According to the invention, signals which come from a neuronal network are superimposed on the control signals provided for a PID controller. Through this, single-crystals and polycrystals having a very high quality with regard to the outer shape and inner constitution are obtained.

Description

EINRICHTUNG UND VERFAHREN ZUM ZUCHTEN VON KRISTALLEN DEVICE AND METHOD FOR GROWING CRYSTALS
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zum Züchten von Kristallen nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1, 6 und 16.The invention relates to a device and a method for growing crystals according to the preambles of claims 1, 6 and 16.
In der Halbleiter-, Optoelektronik-, Mikrowellen- und anderen Technologien genügen polykristalline oder amorphe Stoffe vielfach nicht den gestellten Anforderungen. Man ist deshalb bestrebt, in einem solchen Fall Einkristalle einzusetzen, deren Herstellung allerdings aufwendig ist. Da Einkristalle in der Natur praktisch nicht vorkommen, müssen sie künstlich hergestellt werden.In semiconductor, optoelectronic, microwave and other technologies, polycrystalline or amorphous substances often do not meet the requirements. In such a case, efforts are therefore made to use single crystals, the production of which, however, is complex. Since single crystals are practically non-existent in nature, they have to be manufactured artificially.
Bekannte Verfahren zum Herstellen von Einkristallen sind das Czochralski-Verfahren, das Kyropoulos- Verfahren, der vertikale Bridgman-Prozess oder der tiegelfreie Prozess der sich vertikal ändernden Zone.Known processes for producing single crystals are the Czochralski process, the Kyropoulos process, the vertical Bridgman process or the crucible-free process of the vertically changing zone.
Beim Czochralski-Verfahren, das für die Produktion von großer Bedeutung ist, wird das Rohmaterial, z. B. Silizium, Germanium oder Gallium- Arsenid, in einen Tiegel gegeben, der sich in einem evakuierten oder mit Edelgas gefüllten Raum befindet. Nachdem das Rohmaterial geschmolzen ist, wird ein Keim-Element in die Schmelze getaucht und unter Drehung hochgezogen. An diesem Keim-Element wächst dann der gewünschte Einkristall.In the Czochralski process, which is of great importance for production, the raw material, e.g. As silicon, germanium or gallium arsenide, placed in a crucible, which is located in an evacuated or filled with inert gas. After the raw material has melted, a seed element is immersed in the melt and pulled up while rotating. The desired single crystal then grows on this seed element.
Die übrigen Verfahren beschränken sich mehr auf den Labor-Betrieb. Beim Kyropoulos- Verfahren wird, ähnlich wie beim Czochralski-Verfahren, zunächst das Rohmaterial in einem Tiegel geschmolzen. Der Keim-Kristall wird an einer wasserge- kühlten Stange gehalten, um die Kristallisationswärme zu beseitigen, und in die Schmelze eingebracht. Die Temperatur der Schmelze wird dann erniedrigt, sodass am Keim-Kristall ein Einkristall in die Schmelze hineinwächst.The other procedures are more limited to laboratory operation. In the Kyropoulos process, similar to the Czochralski process, the raw material is first melted in a crucible. The seed crystal is held on a water-cooled rod to remove the heat of crystallization and into the Melt introduced. The temperature of the melt is then lowered so that a single crystal grows into the melt on the seed crystal.
Beim Bridgman- Verfahren wird das Rohmaterial in einem Tiegel geschmolzen, des- sen unteres Ende konisch zuläuft und am unteren Ende einen Keim-Kristall aufweist.In the Bridgman process, the raw material is melted in a crucible, the lower end of which tapers and the bottom end has a seed crystal.
Indem dieser Bereich einem Temperaturgradienten ausgesetzt wird, wächst ein Einkristall vom Keim-Kristall nach oben in die Schmelze.By exposing this area to a temperature gradient, a single crystal grows upward from the seed crystal into the melt.
Mit dem Prozess der sich vertikal ändernden Zone können ohne Tiegel Einkristalle gezüchtet werden. Es sind hierbei zwei Ziehstäbe vorgesehen, von denen jeder eineWith the process of the vertically changing zone, single crystals can be grown without a crucible. There are two drawing rods, each one
Halterung aufweist. Mit der unteren Halterung wird ein Keim-Kristall verbunden, während ein polykristalliner Stab mit der oberen Halterung in Verbindung gebracht wird. Sodann wird das untere Ende des polykristallinen Stabs mittels einer hochfrequenten Induktionsspule bis zum Schmelzpunkt aufgeheizt. Hierauf wird der Keim- Kristall allmählich von unten in den Schmelzbereich eingeführt. Der obere Ziehstab und der Keim-Kristall können jetzt nach unten bewegt werden, wobei sie über eine Schmelzzone innerhalb der Induktionsspule miteinander in Verbindung stehen und sich in jeweils umgekehrter Richtung drehen.Has bracket. A seed crystal is connected to the lower holder, while a polycrystalline rod is connected to the upper holder. The lower end of the polycrystalline rod is then heated to the melting point by means of a high-frequency induction coil. The seed crystal is then gradually introduced into the melting area from below. The upper pull rod and the seed crystal can now be moved downwards, whereby they are connected to each other via a melting zone within the induction coil and rotate in the opposite direction.
Bei allen diesen Einkristall-Herstellungsverfahren kommen Regelungen zur Anwendung, welche die einzelnen Prozesse automatisch durchführen. Geregelt werden hierbei folgende geometrische Größen: Kristall-Halslänge, Kristall-Schulter-Form, Kristall-Durchmesser sowie - falls möglich - innere Festkörpergröße wie Kristallorientierung, Sauerstoffgehalt, Widerstandsgradient und Dotierung. Bei diesen Größen handelt es sich somit um die Regelgrößen. Diese Regelgrößen werden beeinflusst durch die physikalischen Größen Temperatur, Gasfluss und Gasdruck im Gehäuse, das den Tiegel umgibt, sowie gegebenenfalls durch die Rotationsgeschwindigkeit eines Gestänges, an dem der Kristall hängt, bzw. durch die Drehgeschwindigkeit eines Tiegels, in dem sich die Schmelze befindet. Diese physikalischen Größen stel- len folglich die Störgrößen des Regelkreises dar.Regulations that automatically carry out the individual processes are used in all of these single-crystal production processes. The following geometric parameters are regulated: crystal neck length, crystal shoulder shape, crystal diameter and - if possible - internal solid size such as crystal orientation, oxygen content, resistance gradient and doping. These variables are therefore the controlled variables. These control variables are influenced by the physical variables temperature, gas flow and gas pressure in the housing that surrounds the crucible, and possibly by the speed of rotation of a rod on which the crystal is hanging, or by the speed of rotation of a crucible in which the melt is located. These physical variables therefore represent the disturbance variables of the control loop.
Für die Herstellung eines einwandfreien Einkristalls ist es wichtig, dass das Schmelzbad, aus dem oder in dem der Kristall wächst, eine bestimmtes Temperaturprofil hat. Derartige Temperaturprofile können beispielsweise durch Thermokameras erfasst werden (vgl. DE 39 19 920 AI). Mittels besonderer Regeleinrichtungen ist es dann möglich, bestimmte Temperaturgradienten zu erzeugen, die für eine Kristallbildung erforderlich sind.For the production of a perfect single crystal, it is important that the melt pool from or in which the crystal grows has a certain temperature profile. Such temperature profiles can be recorded, for example, by thermal cameras (cf. DE 39 19 920 AI). It is then by means of special control devices possible to generate certain temperature gradients that are required for crystal formation.
Bei geschlossenen Regelkreisen werden sogenannte Rückführungen eingesetzt, d. h. das Ausgangssignal eines Verstärkers wird wieder auf den Eingang dieses Verstärkers zurückgeführt. Erfolgt diese Rückführung proportional, spricht man von einem P-Regler, erfolgt sie differential, spricht man von einem I-Regler. Die Kombination aus P- und I-Rückführung wird "nachgebend" genannt. Der entsprechende Regler heißt dann PI-Regler. In analoger Weise wird ein PD-Regler als verzögerter Regler bezeichnet. Bei Kristallzüchtungsprozessen werden allerdings am häufigsten PID-So-called feedback loops are used in closed control loops. H. the output signal of an amplifier is fed back to the input of this amplifier. If this feedback is proportional, one speaks of a P controller, if it is differential, one speaks of an I controller. The combination of P and I feedback is called "yielding". The corresponding controller is then called the PI controller. Analogously, a PD controller is called a delayed controller. In crystal growth processes, however, PID
Regler eingesetzt, also Regler mit nachgebenden und verzögerten Rückführungen. Soll ein Regler lediglich stabil betrieben werden, genügt ein PI-Regler. Er liefert eine sehr gute stationäre Genauigkeit und bei richtiger Einstellung seiner Parameter eine gute Stabilisierung bei mäßiger Schnelligkeit. Ein PI-Regler reicht jedoch nicht mehr aus, wenn bei guter Stabilisierung hohe Ansprüche an die Schnelligkeit der Regelung gestellt werden. In diesem Fall wird ein PID-Regler eingesetzt.Controllers used, i.e. controllers with yielding and delayed feedback. If a controller is only to be operated stably, a PI controller is sufficient. It delivers very good steady-state accuracy and, with the correct setting of its parameters, good stabilization at moderate speed. However, a PI controller is no longer sufficient if, with good stabilization, high demands are made on the speed of the control. In this case, a PID controller is used.
Mit PID-Reglern ist es möglich, Temperaturprofile schnell und genau zu regeln, um einen gleichmäßigen Kristall zu erhalten. Ob und inwieweit sich die Qualität des Kri- stalls hierbei ändert, wird bei dem PID-Regler nicht berücksichtigt. Dies bedeutet, dass ein mittels eines PID-Reglers hergestellter Einkristall zwar einen sehr gleichmäßigen äußeren Körper hat, aber seine inneren Werte, z. B. Sauerstoffgehalt und ohmscher Widerstand, ungleichmäßig verteilt sein können.With PID controllers it is possible to control temperature profiles quickly and precisely in order to obtain a uniform crystal. The PID controller does not take into account whether and to what extent the quality of the crystal changes. This means that a single crystal produced by means of a PID controller has a very uniform outer body, but its inner values, e.g. B. oxygen content and ohmic resistance, may be distributed unevenly.
Bei komplexen Systemen, zu denen die Herstellungsprozesse von Ein- oder Polykristallen zählen, können auch sogenannte unscharfe Regler eingesetzt werden. Derartige Regler kommen in der Fuzzy-Technik zur Anwendung (vgl. K. Goser, Fuzzy- Technik: Unscharfe Regler für komplexe Systeme, Phys. Bl. 50, 1994, Nr. 11, S. 1064 - 1067; Preuß: Fuzzy-Control-heuristische Regelung mittels unscharfer Logik", atp- Automatisierungstechnische Praxis, 4/92, Seiten 176 bis 184 und 5/92, Seiten 239So-called fuzzy controllers can also be used in complex systems, which include the manufacturing processes of single or polycrystals. Such controllers are used in fuzzy technology (cf. K. Goser, fuzzy technology: fuzzy controllers for complex systems, Phys. Bl. 50, 1994, No. 11, pp. 1064-1067; Preuss: fuzzy control -heuristic control using fuzzy logic ", atp- automation engineering practice, 4/92, pages 176 to 184 and 5/92, pages 239
- 244).- 244).
Im Unterschied zur zufälligen Unscharfe, die mit den Hilfsmitteln der Wahrscheinlichkeitstheorie behandelt werden kann, geht es bei der Fuzzy-Theorie um die sprach- liehe Unscharfe in der Beschreibung von Eigenschaften wie schnell, groß, klein etc.In contrast to the random fuzziness that can be treated with the tools of probability theory, the fuzzy theory is about the linguistic I see fuzzy descriptions of properties such as fast, large, small, etc.
Der Begriff "Fuzzy-Logik" (fuzzy (engl.) = undeutlich, verschwommen) wird als Sammelbegriff der Fuzzy-Mengenlehre und Fuzzy-Logik verwendet. Während bei klassischen Regelverfahren etwa die Vorschrift gilt: Wenn der Druck > 3 bar, dannThe term "fuzzy logic" (fuzzy = blurry) is used as a collective term for fuzzy set theory and fuzzy logic. While the rule applies to classic control methods: If the pressure> 3 bar, then
Kühlung einschalten, gilt bei der Fuzzy-Regelung die "verschwommene" Vorschrift: Wenn Temperatur hoch, dann stark kühlen. Nach der Fuzzy-Logik nimmt die Prämisse also nicht entweder den Wert "0" oder " 1 " an, sondern Wahrheitswerte zwischen "0" und "l".When cooling is switched on, the "blurred" rule applies to fuzzy control: If the temperature is high, then cool it very strongly. According to fuzzy logic, the premise does not assume either the value "0" or "1", but truth values between "0" and "l".
Ein intelligenter Regler auf der Basis der Fuzzy-Logik weist mehrere Vorteile auf, zu denen der einfache Aufbau und der einfache Entwurf zählen. Die Tatsache, dass Fuzzy-Regler gegen ungenau gemessene Eingangskenngrößen weitestgehend unempfindlich sind, macht es möglich, bei der Gewinnung der Eingangskenngrößen mit einfachster Messsensorik zu arbeiten.An intelligent controller based on fuzzy logic has several advantages, including simple construction and simple design. The fact that fuzzy controllers are largely insensitive to inaccurately measured input parameters makes it possible to work with the simplest measurement sensors to obtain the input parameters.
Die Fuzzy-Technik ist auch im Zusammenhang mit dem Ziehen von Einkristallen aus einer Schmelze bekannt (DE 43 01 072 AI = US-PS 5 485 802). Hierbei werden die mit Hilfe von Messfühlern oder Messgeräten ermittelten Größen des Kristall-Zieh- prozesses, wie beispielsweise die Schmelzenbadhöhe und die Schmelzentemperatur, als Eingangssignale laufend einem Regler zugeführt, dem ein Fuzzy-Prozessor implementiert ist, der entlang einer empirisch ermittelte Größen berücksichtigenden Regelstruktur das Stellsignal für einen Förderer ausgibt. Hierbei wird ein empirisch ermitteltes Datenfeld verwendet, das wenigstens zwei Parameter aus einer ersten Gruppe und wenigstens einen Parameter aus einer zweiten Gruppe enthält, wobei die ersteThe fuzzy technique is also known in connection with the pulling of single crystals from a melt (DE 43 01 072 AI = US Pat. No. 5,485,802). Here, the quantities of the crystal pulling process determined with the help of sensors or measuring devices, such as the melt bath height and the melt temperature, are continuously fed as input signals to a controller, to which a fuzzy processor is implemented that follows a control structure that takes into account empirically determined quantities Outputs control signal for a conveyor. Here, an empirically determined data field is used which contains at least two parameters from a first group and at least one parameter from a second group, the first
Gruppe die Schmelztemperatur, den Schmelzpegel und den Kristalldurchmesser einschließt, während die zweite Gruppe die Materialzuführungsrate, die Ziehrate und die Heizungsleistung umfasst. Die beiden Parameter aus der ersten Gruppe werden dann gemessen, und es wird der besagte wenigstens eine Parameter aus der zweiten Grup- pe mittels eines Fuzzy-Prozessors geregelt, sodass die beiden wenigstens zwei gemessenen Parameter aus der ersten Gruppe und der besagte wenigstens eine Parameter aus der zweiten Gruppe dem empirisch ermittelten Datenfeld entsprechen.Group includes the melting temperature, the melting level and the crystal diameter, while the second group includes the material feed rate, the drawing rate and the heating power. The two parameters from the first group are then measured, and said at least one parameter from the second group is regulated by means of a fuzzy processor, so that the two at least two measured parameters from the first group and said at least one parameter the second group correspond to the empirically determined data field.
Obgleich die Fuzzy-Logik eine Reihe von Vorteilen aufweist, besitzt sie auch einige Nachteile. Wenn die Komplexität des Regelsystems zunimmt, wird es sehr schnell schwierig, den richtigen Satz von Regeln - die sog. "Experten"-Regeln, die auf Erfahrungen von Fachleuten beruhen - und Mitgliedsfunktionen zu bestimmen, um das Systemverhalten genau zu beschreiben. Zudem ist auch ein Experte nicht immer in der Lage, sein Wissen explizit zu formulieren.Although fuzzy logic has a number of advantages, it also has some disadvantages. As the complexity of the control system increases, it becomes very fast difficult to determine the correct set of rules - the so-called "expert" rules based on the experience of professionals - and member functions to accurately describe system behavior. In addition, an expert is not always able to express his knowledge explicitly.
Nimmt die Komplexität weiter zu, kann es äußerst schwierig und zeitaufwendig werden, die linguistischen Variablen und einen bestehenden Regelsatz bezüglich eines vorgegebenen Optimierungsziels zu verbessern. Manchmal versagt die Trial-and- Error-Methode zur Bestimmung der Fuzzy-Regeln und der Zugehörigkeitsfunktionen sogar ganz.If the complexity increases further, it can become extremely difficult and time-consuming to improve the linguistic variables and an existing rule set with regard to a given optimization goal. Sometimes the trial and error method for determining the fuzzy rules and the membership functions fails completely.
Weiterhin ist insbesondere bei einem "Feedforward System" keine wiederkehrende Information eingeschlossen. Anders ausgedrückt: herkömmliche Fuzzy-Logik- Regeln halten keine Informationen über frühere Ergebnisse oder Entscheidungen zu- rück. Folglich ist die Fähigkeit, ein Systemverhalten zu beschreiben, begrenzt.Furthermore, in particular in the case of a "feed forward system", no recurring information is included. In other words, conventional fuzzy logic rules do not hold back information about previous results or decisions. As a result, the ability to describe system behavior is limited.
Man hat deshalb versucht, dieses Problem mit Hilfe von lernfähigen Anordnungen zu lösen. Derartige lernfähige Anordnungen sind die künstlichen neuronalen Netze (KNN). Sie werden insbesondere dann eingesetzt, wenn kein Algorithmus zwischen einer gesuchten und einer vorhandenen Größe vorhanden ist oder nur mit großemAttempts have therefore been made to solve this problem by means of arrangements which are capable of learning. Such arrangements capable of learning are the artificial neural networks (KNN). They are used in particular when there is no algorithm between a sought and an existing size or only with a large one
Aufwand ermittelt werden kann. In solchen Fällen sind allgemeine Algorithmen notwendig, die einen Vektor - z. B. aus Druck und Temperatur - auf einen anderen Vektor - z. B. die Konzentration bestimmter Substanzen - abbilden.Effort can be determined. In such cases, general algorithms are necessary that use a vector - e.g. B. from pressure and temperature - to another vector - z. B. the concentration of certain substances - map.
Mit dem Algorithmus der neuronalen Netze kann ein Zusammenhang zwischen bestimmten Größen erlernt werden.The neural network algorithm can be used to learn a relationship between certain quantities.
Ein neuronales Netz ist die mathematische Modellierung von Nervenzellen und deren Verbindungen, wie sie etwa im menschlichen Gehirn zu finden sind. Neuronale Netze sind unter den Netzwerken durch die beiden Eigenschaften "Adaption" undA neural network is the mathematical modeling of nerve cells and their connections, such as those found in the human brain. Neural networks are among the networks by the two properties "adaptation" and
"Assoziation" gekennzeichnet. Die Adaption besteht in der Fähigkeit, Wissen zu erkennen und zu speichern. Die Assoziation befähigt ein Netzwerk, Informationen mit gespeichertem Wissen zu vergleichen, sodass Bekanntes wiedererkannt werden kann. Ein neuronales Netz ist ein Netzwerk, dessen Knoten Neuronen genannt werden und dessen Verbindungen der Neuronen Schwellenwerte, auch Gewichte genannt, tragen. Diese Neuronen können zwei Zustände annehmen, nämlich den Ruhezustand und den Erregungszustand. Ein Neuron kann außerdem mehrere Eingänge besitzen, aber nur genau einen Ausgang. Der Ausgang eines Neurons ist mit Eingängen anderer Neuronen oder mit der Außenwelt verbunden. Ein Neuron geht in den Erregungszustand über, wenn eine genügende Anzahl der Eingänge über dem jeweiligen Schwellenwert des Neurons erregt sind. Ein bekanntes neuronales Netz ist das Feedforward Netz, ein Netz, dessen Neuronen in drei Schichten (Layer) organisiert sind. Die Eingangsinformation fließt dabei von der Eingabeschicht (Input Layer) der Neuronen über die Verbindungen zur verborgenen Zwischenschicht (Hidden Layer) und von dort weiter zur Ausgabeschicht (Output Layer). Die Gewichte der Verbindungen können jeweils an den Eingängen der Neuronen angebracht werden.Marked "Association". The adaptation consists in the ability to recognize and store knowledge. The association enables a network to compare information with stored knowledge so that what is known can be recognized. A neural network is a network whose nodes are called neurons and whose connections of the neurons carry threshold values, also called weights. These neurons can assume two states, namely the state of rest and the state of excitation. A neuron can also have multiple inputs, but only one output. The output of a neuron is connected to inputs of other neurons or to the outside world. A neuron changes to the excited state when a sufficient number of inputs are excited above the respective threshold value of the neuron. A well-known neural network is the feedforward network, a network whose neurons are organized in three layers. The input information flows from the input layer of the neurons via the connections to the hidden intermediate layer and from there to the output layer. The weights of the connections can be attached to the inputs of the neurons.
Es ist bereits ein neuronales Netzwerk für die Regelung eines CVD-Prozesses zur Herstellung von Halbleiter-Wafern bekannt (US 5 649 063). Dieses neuronale Netz- werk wirkt mit einem Signal-Prozessor zusammen, und zwar in der Weise, dass eineA neural network for regulating a CVD process for the production of semiconductor wafers is already known (US Pat. No. 5,649,063). This neural network interacts with a signal processor, in such a way that one
Rückkopplungs-Regelung realisiert wird, welche die Prozessschwankungen reduziert.Feedback control is implemented, which reduces the process fluctuations.
Neuronale Netzwerke sind indessen nicht immer der effektivste Weg, einen intelli- genten Regler einzusetzen, da die Implementation eines neuronalen Netzwerks teurer als die Implementation einer Fuzzy-Logik ist. Beispielsweise ist die Fuzzy-Logik für bestimmte Anwendungsfälle effektiver und - bei geeigneter Programmierung - kann ein herkömmlicher Regler verwendet werden, um die Fuzzy-Logik einzusetzen. Die Implementierung eines neuronalen Netzwerks durch Programmierung eines her- kömmlichen eingefügten Reglers ist zwar ebenfalls möglich, doch ist es sehr viel langsamer. Außerdem ist der Einsatz von Hardware bei der Fuzzy-Logik leichter als bei der neuronalen Logik.However, neural networks are not always the most effective way to use an intelligent controller, since the implementation of a neural network is more expensive than the implementation of fuzzy logic. For example, the fuzzy logic is more effective for certain applications and - with appropriate programming - a conventional controller can be used to use the fuzzy logic. It is also possible to implement a neural network by programming a conventional inserted controller, but it is much slower. In addition, the use of hardware in fuzzy logic is easier than in neural logic.
Man ist deshalb bestrebt, die Fuzzy-Logik mit neuronalen Netzwerken zu kombinie- ren (vgl. B. Kosko: Neural Networks and Fuzzy Systems, Prentice-Hall, 1992;Efforts are therefore made to combine fuzzy logic with neural networks (cf. B. Kosko: Neural Networks and Fuzzy Systems, Prentice-Hall, 1992;
Mahyon et al.: Neural Network and Fuzzy, Models For Real Time Control of a CVD Epitacral Reactor, Proc. SPIE-Int. Soc. Opt. Eng., 1992). Unter dem Fuzzy-Aspekt werden die Gewichte des Netzwerks als Fuzzy-Mengen der linguistischen Terme gewählt, die in den Regeln des Fuzzy-Reglers stehen. Ein Neuro-Fuzzy-Regler ist somit die Realisierung eines Fuzzy-Reglers auf einem neuronalen Netz, sodass die Netz- werkfunktion durch ein Fuzzy-Inferenz-Schema bestimmt wird.Mahyon et al .: Neural Network and Fuzzy, Models For Real Time Control of a CVD Epitacral Reactor, Proc. SPIE-Int. Soc. Opt. Eng., 1992). From the fuzzy point of view, the weights of the network are selected as fuzzy sets of the linguistic terms that are in the rules of the fuzzy controller. A neuro-fuzzy controller is thus the implementation of a fuzzy controller on a neural network, so that the network work function is determined by a fuzzy inference scheme.
Es ist bereits ein Fuzzy-Logic-System bekannt, das auf einem sich wiederholenden neuronalen Netzwerk beruht (US 5 606 646). Dieses System weist Neuronen in einer Regel-Grundschicht auf, wobei jedes Neuron eine sich wiederholende Architektur mit einem Ausgang-Eingang-Rückkopplungszweig besitzt, der ein Zeitverzögerungselement und ein neurales Gewicht enthält. Weiterhin weist dieses System eine neura- le, auf einem Netzwerk basierende Fuzzy-Logik-Maschine im finiten Zustand auf, wobei das auf dem neuralen Netzwerk beruhende Fuzzy-Logik-System eine wieder- kehrende Architektur mit einem Ausgangs-Eingangs-Rückkopplungspfad aufweist, der wenigstens ein Verzögerungselement enthält. Ferner eingeschlossen ist ein wiederkehrender Fuzzy-Logik-Regel-Generator, der auf einem neuralen Netzwerk beruht, wobei ein neurales Netzwerk die Eingangsdaten empfängt und fuzzifiziert und Daten bereitstellt, die den Fuzzy-Logik-Mitgliedsfunktionen und den wiederkehren- den Fuzzy-Logik-Regeln entsprechen.A fuzzy logic system based on a repeating neural network is already known (US Pat. No. 5,606,646). This system has neurons in a regular base layer, each neuron having a repeating architecture with an output-input feedback branch that contains a time delay element and a neural weight. Furthermore, this system has a new, network-based fuzzy logic machine in the finite state, the fuzzy logic system based on the neural network having a recurring architecture with an output-input feedback path which contains at least one delay element. Also included is a recurring fuzzy logic rule generator based on a neural network, where a neural network receives and fuzzifies the input data and provides data related to the fuzzy logic membership functions and the recurring fuzzy logic rules correspond.
Weiterhin ist eine Prozessoptimierung bekannt, die ein neuronales Netzwerk verwendet (US 5 671 335). Bei diesem Prozess handelt es sich um einen komplexen Prozess mit mehreren Eingängen, beispielsweise um ein Spritzgussverfahren, der so optimiert wird, dass er aufgrund eines auf den Prozess hin trainierten neuralen Netzwerks einProcess optimization using a neural network is also known (US Pat. No. 5,671,335). This process is a complex process with multiple inputs, for example an injection molding process that is optimized so that it is integrated due to a neural network trained for the process
Target abgibt. Ein Versuchs-Eingang wird über das neurale Netzwerk nach vorne ausgebreitet und der Ausgang des Netzwerks mit dem Targetausgang verglichen. Die Differenz wird über das Netzwerk zurückübertragen, um einen Eingangsfehlerwert im Netzwerk zu bestimmen. Dieser Fehlerwert wird dazu verwendet, den Versuchs- eingang zu korrigieren. Der Korrektur-Prozess wird solange wiederholt, bis der Versuchseingang den Targetausgang innerhalb eines vorgegebenen Genauigkeitsgrades erzeugt.Target delivers. A test input is propagated forward over the neural network and the output of the network is compared to the target output. The difference is retransmitted over the network to determine an input error value in the network. This error value is used to correct the test entry. The correction process is repeated until the test input generates the target output within a predetermined degree of accuracy.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Qualität von Ein- und/oder Polykri- stallen durch den Einsatz besonderer Regler zu verbessern.The object of the invention is to improve the quality of single and / or polycrystals by using special regulators.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der Patentansprüche 1, 6 und 16 gelöst.This object is achieved according to the features of claims 1, 6 and 16.
Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, dass eine sehr hohe Qualität von Ein- und Polykristallen hinsichtlich der äußeren Form und der inneren Beschaffenheit erzielt wird, weil Prozessfehler sofort erkannt und korrigiert werden. Außerdem kann die Erfindung leicht in einen computerintegrierten Herstellungspro- zess eingebunden werden.The advantage achieved with the invention is, in particular, that a very high quality of single and poly crystals with regard to the outer shape and the inner Quality is achieved because process errors are recognized and corrected immediately. In addition, the invention can easily be integrated into a computer-integrated manufacturing process.
Weiterhin ist es möglich, die Verhältnisse bei der Herstellung von Kristallen durch mehrstufige künstliche neuronale Netze abzubilden und damit frühzeitig während des Herstellungsprozesses zu erkennen, ob der Kristall Fehlerlagen aufweist. Die entsprechende Parameterkorrektur kann dann rechtzeitig über einen Fuzzy-Regler vorgenommen werden. Außerdem ist eine Operatorschulung am kalten Modell durchführ- bar.Furthermore, it is possible to map the conditions in the manufacture of crystals by means of multi-stage artificial neural networks and thus to recognize early on during the manufacturing process whether the crystal has defects. The corresponding parameter correction can then be carried out in time using a fuzzy controller. In addition, operator training can be carried out on the cold model.
Ferner können zusätzliche Qualitätsdaten der Hilfsmittel, wie Blasenprofil des Quarztiegels, Standzeit der Heizeinrichtungsteile, Grad der Alterung, Anzahl der Dips pro Impfling, Charge und Dotiermaterial etc., als Softsensoren verwendet werden. Es ist auch möglich, virtuelle Analysatoren, z. B. für die Schmelzbadviskosität, zu bilden, um das Zeitverhalten des Regelkreises entsprechend zu korrigieren. Der Einfluss von unterschiedlich langen Sequenzen oder Zeitscheiben wie Stabilisierung, Dip, Neck, Shoulder, Body, Endcone und Shut Down auf den Folgeschritt, wie z. B. Durchmesserüberschwingen bei der Transition von Shoulder zu Body, werden in der Regel- Strategie entsprechend der Modellanalyse durch überlagerte Fuzzy-Regler und Ro- bustheitsfilter korrigiert. Bei entsprechenden Prozessdaten kann eine Vorhersage von Messwerten wie Temperatur, Durchmesser, Ziehgeschwindigkeit etc. gemacht werden. Die Prognose sagt z. B. aus: Wenn der Prozess weiter in diesem Zustand läuft, wird das Produkt einen bestimmten Gütewert erhalten.Furthermore, additional quality data of the aids, such as bubble profile of the quartz crucible, service life of the heater parts, degree of aging, number of dips per seed, batch and doping material, etc., can be used as soft sensors. It is also possible to use virtual analyzers, e.g. B. for melt pool viscosity, to correct the timing behavior of the control loop accordingly. The influence of sequences or time slices of different lengths such as stabilization, dip, neck, shoulder, body, endcone and shutdown on the subsequent step, such as B. Diameter overshoots in the transition from shoulder to body are corrected in the control strategy in accordance with the model analysis by superimposed fuzzy controllers and robustness filters. With corresponding process data, a prediction of measured values such as temperature, diameter, drawing speed etc. can be made. The forecast says e.g. B. off: If the process continues in this state, the product will receive a certain quality value.
Die Erfindung betrifft somit eine Einrichtung und ein Verfahren zum Züchten von Kristallen, bei denen den Regelsignalen für PID-Regler solche Signale überlagert werden, die aus einem neuronalen Netzwerk kommen. Hierdurch wird eine sehr hohe Qualität von Ein- und Polykristallen hinsichtlich der äußeren Form und inneren Be- schaffenheit erzielt.The invention thus relates to a device and a method for growing crystals, in which the control signals for PID controllers are superimposed on signals that come from a neural network. In this way, a very high quality of single and poly crystals is achieved with regard to the outer shape and inner properties.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:An embodiment of the invention is shown in the drawing and will be described in more detail below. Show it:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Einrichtung zum Ziehen von Einkristallen nach dem Czochralski-Verfahren mit Neuro-Fuzzy-Regelung; Fig. 2 eine Prinzipdarstellung der Verknüpfungen zwischen einem Neuro-Fuzzy-Fig. 1 is a schematic diagram of a device for pulling single crystals according to the Czochralski method with neuro-fuzzy control; 2 is a schematic diagram of the links between a neuro-fuzzy
Regler und einem PID-Regler; Fig. 3 ein künstliches neuronales Netzwerk; Fig. 4 ein Neuron mit mehreren Eingängen und einem Ausgang;Controller and a PID controller; 3 shows an artificial neural network; 4 shows a neuron with several inputs and one output;
Fig. 5 einen Fuzzy-Regler; Fig. 6 eine PID-Regler- Anordnung mit überlagerter Neuro-Fuzzy-Regelung.5 shows a fuzzy controller; Fig. 6 shows a PID controller arrangement with superimposed neuro-fuzzy control.
In der Fig. 1 ist eine Vorrichtung 1 dargestellt, mit der es möglich ist, einen Kristall 2, dessen Unterseite 3 mit der Oberfläche 4 einer Schmelze 5 in Verbindung steht, aus dieser Schmelze 5 zu ziehen. Der Kristall 2 wird hierbei im Sinne eines Pfeils 6 gedreht bzw. im Sinne eines Pfeils 6a gehoben bzw. gesenkt. Die Schmelze 5 befindet sich in einem Tiegel 7, der mittels einer Welle 8 von einem Elektromotor 9 angetrieben wird. Welle 8 und Motor 9 sind über Flansche 10, 11 miteinander verbunden. Der Tiegel 7 befindet sich in einem Gehäuse, das aus einem oberen Teil 12, einem mittleren Teil 13 und einem unteren Teil 14 besteht. Er ist im Sinne eines Pfeils 15 drehbar und im Sinne eines Pfeils 6b heb- und senkbar. Um den Tiegel 7 herum ist eine elektrische Heizeinrichtung 16 gelegt, die von einer speicheirprogrammierbaren Steuerung 17 (= SPS) gesteuert wird.1 shows a device 1 with which it is possible to pull a crystal 2, the underside 3 of which is connected to the surface 4 of a melt 5, from this melt 5. The crystal 2 is rotated in the direction of an arrow 6 or raised or lowered in the direction of an arrow 6a. The melt 5 is located in a crucible 7, which is driven by an electric motor 9 by means of a shaft 8. Shaft 8 and motor 9 are connected to one another via flanges 10, 11. The crucible 7 is located in a housing which consists of an upper part 12, a middle part 13 and a lower part 14. It can be rotated in the direction of an arrow 15 and raised and lowered in the direction of an arrow 6b. An electric heating device 16 is placed around the crucible 7 and is controlled by a programmable logic controller 17 (= PLC).
Die Drehung des Kristalls 2 erfolgt mittels einer Stange oder eines Seils 18, z. B. einer Gewindestange, die von einem Elektromotor 19 angetrieben wird. Dieser Motor 19 wird ebenfalls von der SPS 17 aus gesteuert.The rotation of the crystal 2 takes place by means of a rod or a rope 18, e.g. B. a threaded rod which is driven by an electric motor 19. This motor 19 is also controlled by the PLC 17.
Die Stange 18, deren vertikale Achse mit 22 bezeichnet ist, ist von einem Rohr 23 umgeben, welches mit dem oberen Teil 12 des Gehäuses 12, 13, 14 in Verbindung steht. Dieses Rohr 23, das mit dem Teil 12 über einen Flansch 180 verbunden ist, weist eine Gaseinlassöffnung 24 auf. Im Bodenteil 14 des Gehäuses 12, 13, 14 sind Gasauslassöffnungen 25, 26 vorgesehen sind, die von Ventilen 31, 32 abgeriegelt werden können. Die Ventile können mit Absaugpumpen kombiniert sein, sodass die im Gehäuse 12, 13, 14 befindlichen Gase nicht nur abgeriegelt, sondern auch abgesaugt werden können.The rod 18, the vertical axis of which is designated by 22, is surrounded by a tube 23 which is connected to the upper part 12 of the housing 12, 13, 14. This tube 23, which is connected to the part 12 via a flange 180, has a gas inlet opening 24. Gas outlet openings 25, 26 are provided in the bottom part 14 of the housing 12, 13, 14 and can be blocked off by valves 31, 32. The valves can be combined with suction pumps so that the gases in the housing 12, 13, 14 can not only be sealed off, but can also be extracted.
Die Stange 18 kann, wie sich aus den Pfeilen 6 und 6a ergibt, mittels des Elektromo- tors 19 nicht nur gedreht, sondern auch angehoben werden. Die Steuerung des Elek- tromotors 19 erfolgt über die SPS 17, die mit verschiedenen Betriebszustands-Infor- mationen versorgt wird. Diese Betriebszustands-Informationen werden von verschiedenen Sensoren geliefert, beispielsweise von einem Sensor 43 zur Erfassung des Pegelstands der Schmelze 5, einem Sensor 44 zur Erfassung der Temperatur über der Schmelze 5, einem Sensor 45 zur Erfassung des Gasdrucks und einem Sensor 47, beispielsweise einer Kamera, zur Erfassung der Gestalt des Kristalls 2. Ihre Daten werden der SPS 17 und von dort aus über Leitungen 60 bis 64 einer Neuro-Fuzzy-Logik 52 zugeführt, die als Software in einem Computer 50 realisiert ist.As can be seen from the arrows 6 and 6a, the rod 18 can not only be rotated by the electric motor 19, but also raised. The control of the elec- tromotors 19 takes place via the PLC 17, which is supplied with various operating status information. This operating state information is supplied by various sensors, for example a sensor 43 for detecting the level of the melt 5, a sensor 44 for detecting the temperature above the melt 5, a sensor 45 for detecting the gas pressure and a sensor 47, for example a camera to detect the shape of the crystal 2. Your data are fed to the PLC 17 and from there via lines 60 to 64 to a neuro-fuzzy logic 52 which is implemented as software in a computer 50.
Die Sensoren 43 bis 47 sind in der Fig. 1 nur schematisch dargestellt. Es versteht sich, dass weitere Sensoren, z. B. zur Erfassung des Gasflusses oder zur Erfassung der Wärme der Heizspule 16, vorgesehen werden können.The sensors 43 to 47 are only shown schematically in FIG. 1. It goes without saying that further sensors, e.g. B. for detecting the gas flow or for detecting the heat of the heating coil 16 can be provided.
Mit der SPS 17 lässt sich auch ein Ventil 27 steuern, welches zwischen einem Gas- Reservoir 28 und der Gaseinlassöffnung 24 angeordnet ist. Mit diesem Ventil 27 kann der Zustrom eines Gases in das Rohr 23 und damit in den Behälter 12, 13, 14 gesteuert werden. Die Steuerung der Pumpen bzw. Ventile 31, 32 erfolgt ebenfalls über die SPS 17.The PLC 17 can also be used to control a valve 27 which is arranged between a gas reservoir 28 and the gas inlet opening 24. With this valve 27, the inflow of a gas into the tube 23 and thus into the container 12, 13, 14 can be controlled. The pumps or valves 31, 32 are also controlled via the PLC 17.
Die SPS 17 arbeitet mit dem Computer 50, vorzugsweise einem PC, zusammen, der wiederum mit einem Monitor 51 in Verbindung steht. Zwischen PC 50 und SPS 17 erfolgt ein Datenaustausch, was durch die Datenleitung 20 angedeutet ist. Desgleichen erfolgt ein Datenaustausch zwischen der Neuro-Fuzzy-Logik 52 und der SPS 17 über die Datenleitungen 60 bis 64 bzw. 65, 66.The PLC 17 works together with the computer 50, preferably a PC, which in turn is connected to a monitor 51. A data exchange takes place between PC 50 and PLC 17, which is indicated by data line 20. Likewise, data is exchanged between the neuro-fuzzy logic 52 and the PLC 17 via the data lines 60 to 64 or 65, 66.
Eine etwas mehr ins Detail gehende Darstellung der hier wichtigen Regelungsvorgänge ist in der Fig. 2 gezeigt. Man erkennt bei dieser Darstellung, dass die Neuro-Fuzzy-Logik 52 einen Neuro-Teil 53 und einen Fuzzy -Teil 54 aufweist und dass beide Teile 53, 54 im Computer 50 enthalten sind. Außerdem erkennt man, dass die spei- cherprogrammierbare Steuerung 17 einen PID-Regler 55 enthält, der vom ComputerA somewhat more detailed representation of the control processes important here is shown in FIG. 2. It can be seen in this illustration that the neuro-fuzzy logic 52 has a neuro part 53 and a fuzzy part 54 and that both parts 53, 54 are contained in the computer 50. In addition, it can be seen that the programmable controller 17 contains a PID controller 55 which is generated by the computer
50 angesteuert wird. Dieser PID-Regler ist durch einfaches Umschalten in einen P- oder D- oder ID- oder PD- oder PID-Regler verwandelbar. Eine detailliertere Darstellung der Anordnung gemäß Fig. 2 findet sich in der weiter unten noch beschriebenen Fig. 6. PID-Regler werden in herkömmlichen Anlagen überwiegend eingesetzt. Sie besitzen überhaupt den höchsten Verbreitungsgrad. Dieser Tatbestand hat verschiedene Ursachen. So ist der Einsatz von PID-Reglern nicht auf eine spezielle Klasse von Regelstrecken beschränkt, sondern für nahezu alle Prozesstypen möglich. Praktisch alle klassischen Entwurfsverfahren sind für PID-Regler geeignet. Dabei zeichnen sich50 is controlled. This PID controller can be converted into a P or D or ID or PD or PID controller by simply switching over. A more detailed illustration of the arrangement according to FIG. 2 can be found in FIG. 6, which will be described further below. PID controllers are mainly used in conventional systems. They are the most widely distributed. There are various reasons for this. For example, the use of PID controllers is not restricted to a special class of controlled system, but is possible for almost all process types. Practically all classic design processes are suitable for PID controllers. Thereby stand out
PID-Regler insbesondere durch ihre Robustheit aus. Strukturell lässt sich ein PID- Regler darstellen als Parallelschaltung aus P-, I- und D- Anteil, wobei der P- Anteil für ein allgemein günstiges Regelverhalten, der I-Anteil für stationäre Genauigkeit und der D-Anteil für eine schnelle Ausregelung sorgt. Ein moderner Hardware-PID-Reg- 1er arbeitet mittels eines Operationsverstärkers, der im Rückkopplungssinn eine Rei- hen-RC-Schaltung aufweist und an dem einen Eingang einer Parallelschaltung aus Widerstand und Kondensator liegt.PID controllers are particularly characterized by their robustness. Structurally, a PID controller can be represented as a parallel connection made up of the P, I and D components, the P component ensuring generally favorable control behavior, the I component ensuring steady-state accuracy and the D component ensuring rapid regulation. A modern hardware PID controller works by means of an operational amplifier which has a series RC circuit in the feedback direction and on which there is an input of a parallel circuit comprising a resistor and a capacitor.
Immer häufiger wird der PID-Algorithmus softwaremäßig realisiert, beispielsweise auf einer speicheijjrogrammierbaren Steuerung (SPS) oder einem Digitalrechner.The PID algorithm is increasingly being implemented in software, for example on a memory-programmable controller (PLC) or a digital computer.
Diese Realisierungsform zeichnet sich insbesondere durch ihre Flexibilität aus.This form of implementation is characterized in particular by its flexibility.
In der Fig. 3 ist dargestellt, dass die von den Sensoren 43 bis 47 über die Leitungen 33 bis 37 auf die SPS 17 gegebenen Daten über die Leitungen 60 bis 64 auf den Neu- ro-Teil 53 des Computers 50 gelangen. Dieser Neuro-Teil 53 weist ein Netzwerk 70 mit Neuronen 72 bis 76, eine erste verborgene Zwischenschicht 77 (Hidden Layer) mit sechs Neuronen 78 bis 83, eine zweite verborgene Zwischenschicht 84 mit fünf Neuronen 85, 86, 87, 88, 89 und eine Ausgabeschicht 90 mit zwei Neuronen 91, 92 auf. Die Neuronen 91, 92 sind mit den Ausgangsleitungen 65, 66 verbunden.FIG. 3 shows that the data given by the sensors 43 to 47 via the lines 33 to 37 to the PLC 17 go via lines 60 to 64 to the neuro part 53 of the computer 50. This neuro part 53 has a network 70 with neurons 72 to 76, a first hidden intermediate layer 77 (hidden layer) with six neurons 78 to 83, a second hidden intermediate layer 84 with five neurons 85, 86, 87, 88, 89 and one Output layer 90 with two neurons 91, 92. The neurons 91, 92 are connected to the output lines 65, 66.
Die Fig. 3 stellt ein sogenanntes Feed-Forward-Netz dar. Neuronale Netze sind normierte Strukturen und können daher nur Werte zwischen 0 und 1 oder zwischen -1 und +1 verarbeiten. Realzahlen müssen um ,J-gtewandelt werden.3 shows a so-called feed-forward network. Neural networks are standardized structures and can therefore only process values between 0 and 1 or between -1 and +1. Need to, J are -gtewandelt real numbers.
Wie die Fig. 4 zeigt, können die Gewichte wi , w2, w3 der Verbindungen jeweils an den Eingängen xi , x2, X3 der Neuronen angebracht werden. In den Gewichten der Eingänge eines Neurons und dem Schwellenwert des Neurons selbst ist das Wissen durch Adaption abgespeichert. Die Assoziation einer Eingangsinformation zu den abgespeicherten Informationen findet durch einen Vergleichsalgorithmus im Neuron statt. Dieser Vergleichsalgorithmus zusammen mit den Gewichten definiert eine Netzwerkfunktion. Ist z. B. wj = 0, dann besteht keine Verbindung zwischen dem vorangegangenen und dem nachfolgenden Neuron. Bei wi = 0 hemmt das Neuron das Nachfolgeneuron, und bei w > 0 aktiviert das Neuron das Nachfolgeneuron. Die möglichen Arten des Lernens mittels künstlicher Neuronen sind: Entwicklung neuer Verbindungen, Löschen existierender Verbindungen, Modifikation der Stärke w vonAs shown in FIG. 4, the weights wi, w 2 , w 3 of the connections can be attached to the inputs xi, x 2 , X3 of the neurons, respectively. Knowledge is stored in the weights of the inputs of a neuron and the threshold value of the neuron itself by adaptation. The association of input information with the stored information takes place by means of a comparison algorithm in the neuron. This comparison algorithm together with the weights defines one Network function. Is z. B. w j = 0, then there is no connection between the previous and the following neuron. If wi = 0, the neuron inhibits the successor neuron, and if w> 0, the neuron activates the successor neuron. The possible types of learning using artificial neurons are: development of new connections, deletion of existing connections, modification of the strength w of
Verbindungen, Modifikation des Schwellwertes von Neuronen, Modifikation der Aktivierungs- und Ausgabefunktion, Einfügen neuer Neuronen und Löschen von Neuronen.Connections, modification of the threshold value of neurons, modification of the activation and output function, insertion of new neurons and deletion of neurons.
Die modellhafte Widerspiegelung eines natürlichen Neurons wird als Hebb'schesThe model reflection of a natural neuron is called Hebb's
Perceptron bezeichnet. Die Eingänge xj, x , X3, welche Ausgänge von vorgeschalteten Datenquellen wie Sensoren sein können, werden innerhalb des Neurons mit den sogenannten Gewichten wj, w2, W3 (z. B. 2; 0,1; 0,5) multipliziert. Die daraus resultierenden gewichteten Eingaben werden dann über eine sogenannte Transferfunktion verarbeitet und ergeben den Gesamtausgang y. Da künstliche Neuronen im Computer in Form mathematischer Gleichungssysteme simuliert werden, ist es notwendig, die kompletten Funktionen des Neurons als Gleichungen auszudrücken, deren Eingänge zu einem Ausgang umgerechnet werden.Perceptron called. The inputs x j , x, X3, which can be outputs from upstream data sources such as sensors, are multiplied within the neuron by the so-called weights w j , w 2 , W3 (e.g. 2; 0.1; 0.5) . The resulting weighted inputs are then processed via a so-called transfer function and result in the total output y. Since artificial neurons are simulated in the computer in the form of mathematical systems of equations, it is necessary to express the complete functions of the neuron as equations, the inputs of which are converted into an output.
Werden mehrere Perceptrons hinter- und nebeneinander geschaltet, wie es die Fig. 3 zeigt, kann bei entsprechender Einstellung der Gewichte wj, w , W3 und entsprechender Komplexität des Netzwerks theoretisch jede mathematische Funktion und jeder formale Zusammenhang dargestellt werden. Das ganze künstliche neuronale Netzwerk stellt sich dann als große Gleichung mit bis zu Hunderten von Koeffizien- ten (Gewichten) dar und kann - innerhalb bestimmter Wertebereiche - damit auch jede andere Gleichung abbilden.If several perceptrons are connected in series and side by side, as shown in FIG. 3, with appropriate setting of the weights w j , w, W3 and corresponding complexity of the network, any mathematical function and any formal connection can theoretically be represented. The entire artificial neural network then presents itself as a large equation with up to hundreds of coefficients (weights) and can - within certain value ranges - also map any other equation.
Eine exponentielle Transferfunktion, die das einzelne Neuron erst ab einem bestimmten Summenwert aktiv werden lässt, sorgt dafür, dass bestimmte Neuronen-Cluster jeweils bei einem bestimmten Schwellwert aktiv werden und somit auch starr nichtlineare Zusammenhänge durch ein Netz gemäß Fig. 3 abgebildet werden können.An exponential transfer function, which only allows the individual neuron to become active from a certain total value, ensures that certain neuron clusters each become active at a certain threshold value and thus rigid nonlinear relationships can also be represented by a network according to FIG. 3.
Die Gewichte des neuronalen Netzes 70 können in einem Lernvorgang trainiert - d. h. adaptiert - werden. Es gibt eine Reihe von Lernverfahren, von denen eines der be- kanntesten das Backpropagation- Verfahren ist. Durch den Lernvorgang werden die Gewichte an den Verbindungen, welche die Neuronen der aufeinanderfolgenden Schichten miteinander verbinden, entsprechend den Eingangssignalen in den Prozess und den Ausgangssignalen aus dem Prozess gesetzt. Wenn das Neuro-Netzwerk ordnungsgemäß trainiert ist, funktioniert es wie ein inverses Modell des Kristallzieh- Prozesses. Als Reaktion auf Eingangssiganle, welche Prozessausgangskalkulatoren darstellen, erzeugt das künstliche Neuro-Netzwerk mehrere Signale, die den Kristalli- sationsprozess bestimmen. Werden diese Signale in den Prozess gegeben, bewirken sie, dass eine Gruppe von Ausgangssignalen erzeugt wird, die der gewünschten Gruppe von Ausgangssignalen mehr angenähert ist.The weights of the neural network 70 can be trained - ie adapted - in one learning process. There are a number of learning methods, one of the best known of which is the back propagation method. Through the learning process, the Weights are set on the connections that connect the neurons of the successive layers to one another in accordance with the input signals in the process and the output signals from the process. When properly trained, the neuro network works like an inverse model of the crystal pulling process. In response to input signals, which represent process output calculators, the artificial neuro network generates several signals that determine the crystallization process. When these signals are added to the process, they cause a group of output signals to be generated that is closer to the desired group of output signals.
Bei Multi-Layer-Backpropagation- Verfahren strebt der mathematische Algorithmus durch Gewichtsänderung Null-Fehler an.In multi-layer back propagation methods, the mathematical algorithm aims for zero errors by changing the weight.
Jedes Neuron berechnet zunächst die gewichtete Summe der Ausgänge der vor ihm liegenden Neuronen. Dann berechnet es den Ausgangswert, indem es die gewichteteEach neuron first calculates the weighted sum of the outputs of the neurons in front of it. Then it calculates the baseline by taking the weighted
Summe über eine Transferfunktion umrechnet. Dieser Ausgangswert wird dann zum nächsten Neuron oder aber zum Ausgang weitergegeben.Converted total using a transfer function. This output value is then passed on to the next neuron or to the output.
Außer dem von Rummelhard entwickelten Backpropagation- Verfahren gibt es auch noch andere Verfahren, welche neuronale Netze verwenden, z. B. die sogenanntenIn addition to the back propagation method developed by Rummelhard, there are also other methods that use neural networks, e.g. B. the so-called
Kohonen-Netze, die um 1988 von T. Kohonen entwickelt wurden. Hierbei sind alle Neuronen mit den Eingängen und allen anderen Neuronen verknüpft, benachbarte Neuronen verstärken sich, entfernte Neuronen hemmen sich und jedes Eingabemuster korreliert mit einem aktiven Zentrum. Im Vergleich zu dem von David Rummelhard u. a. etwa um 1985 vorgeschlagenen verallgemeinerten Backpropagation- Algorithmus mit Delta-Regel bei mehrschichtigen künstlichen neuronalen Netzen sind diese Alternativen in der Praxis jedoch nur von geringer Bedeutung geblieben.Kohonen networks developed by T. Kohonen around 1988. Here, all neurons are linked to the inputs and all other neurons, neighboring neurons become stronger, distant neurons inhibit each other and each input pattern correlates with an active center. Compared to that of David Rummelhard u. a. For example, the generalized backpropagation algorithm with delta rule proposed around 1985 for multilayered artificial neural networks, these alternatives have remained of little importance in practice.
Bei dem Backpropagation-Algorithmus wird zunächst ein Trainingsdatensatz ausge- sucht, auf den man das neuronale Netz trainiert. Ein solcher Trainingsdatensatz besteht im allgemeinen aus einer endlichen Zahl von einander zugeordneten Eingangsund Ausgangsvektoren (Zahlenreihen). Jeder Eingangsvektor besteht z. B. aus drei Zahlen (drei Eingänge!) und jeder Ausgangsvektor aus jeweils einer Zahl (ein Ausgang). Anschließend wird ein Error-Backpropation- Algorithmus ermittelt. Hierbei wird der mittlere Fehler aller Ausgänge der letzten Schicht des Netzwerks berechnet. Die Gewichte der einzelnen Neuronen werden dann in der Weise eingestellt, dass der erwähnte Fehler iterativ zu Null wird. Das künstliche neuronale Netz nach Rummel- hard ist somit eine Art Iterationsmaschine, welche sich durch kleine gezielte Veränderungen der Gewichte an ein Optimum, das Fehlerminimum, herantastet.With the back propagation algorithm, a training data set is first searched for, on which the neural network is trained. Such a training data record generally consists of a finite number of mutually assigned input and output vectors (series of numbers). Each input vector consists e.g. B. from three numbers (three inputs!) And each output vector from one number (one output). An error backpropation algorithm is then determined. Here the average error of all outputs of the last layer of the network is calculated. The weights of the individual neurons are then set in such a way that the mentioned error becomes iteratively zero. The Rummelhard artificial neural network is thus a type of iteration machine which, through small, targeted changes in the weights, approaches an optimum, the error minimum.
Rechenprogramme, welche die vorstehend geschilderten Handlungen ausführen, sind bereits bekannt und werden von verschiedenen Firmen angeboten, z. B. von den kali- fornischen Firmen Neuro DynamX (DynaMind) bzw. CSS (Brain-Maker).Computer programs that perform the above-described actions are already known and are offered by various companies, e.g. B. from the Californian companies Neuro DynamX (DynaMind) or CSS (Brain Maker).
In der Fig. 5 ist die logische Struktur eines Fuzzy-Reglers 54 mit einer Ausgangsgröße und mehreren Eingangsgrößen dargestellt. Von außen betrachtet weist dieser Regler keinerlei Unscharfe auf, d. h. sowohl Eingangs- als auch Stellgrößen sind scharfe Werte. Die Unscharfe liegt vielmehr im Innenleben des Reglers begründet. Sowohl die Eingangs- als auch die Stellgrößen sind linguistische Variablen und durch die Zugehörigkeitsfunktionen, d. h. Fuzzy-Mengen der einzelnen linguistischen Tenne, charakterisiert. Durch die Fuzzifizierungseinheiten 100, 101, 102 werden die scharfen Eingangsgrößen auf den Leitungen 65, 66 in unscharfe Größen überführt. Eine Infe- renzmaschine 103 generiert im zweiten Schritt, basierend auf einem vorgegebenen5 shows the logical structure of a fuzzy controller 54 with one output variable and several input variables. Viewed from the outside, this controller has no blurring, i. H. Both input and manipulated variables are sharp values. Rather, the blurring is due to the interior of the controller. Both the input and the manipulated variables are linguistic variables and by the membership functions, i. H. Fuzzy sets of the individual linguistic threshing floor, characterized. The sharp input variables on the lines 65, 66 are converted into fuzzy variables by the fuzzification units 100, 101, 102. In the second step, an interference machine 103 generates based on a predetermined one
Regelwert, aus diesen fuzzifizierten Eingangsgrößen eine unscharfe Stellgröße. Diese wird schließlich durch eine Defuzzifizierungseinheit 104 wieder in ein scharfes Signal zurückverwandelt.Control value, a fuzzy manipulated variable from these fuzzified input variables. This is finally converted back into a sharp signal by a defuzzification unit 104.
Bei der Fuzzifizierung werden also die Eingangsgrößen des Fuzzy-Reglers den linguistischen Variablen und linguistischen Tennen zugeordnet. Eine Temperatur wird so z. B. mit unterschiedlich hohen Zugehörigkeitsgraden den linguistischen Ter- men "hohe Temperatur", "mittlere Temperatur" und "niedrige Temperatur" zugeordnet. So kann eine Temperatur von 900 °C zu 0,26 (26 %) der Menge der "mittleren Temperatur" und gleichzeitig auch zu 0,68 der Menge der "hohen Temperatur" angehören. Diese Unsicherheit des Wissens entspricht der sprachlichen Unsicherheit.When fuzzifying, the input variables of the fuzzy controller are assigned to the linguistic variables and linguistic tennes. A temperature is so z. B. with different degrees of membership assigned the linguistic terms "high temperature", "medium temperature" and "low temperature". So a temperature of 900 ° C can belong to 0.26 (26%) of the amount of the "medium temperature" and at the same time to 0.68 of the amount of the "high temperature". This uncertainty of knowledge corresponds to linguistic uncertainty.
Zwei Regeln, welche mit den Prämissen "Wenn Temperatur hoch" und "Wenn Temperatur mittel" versehen sind, würden in diesem Fall beide auf den Prozess wir- ken, würden aber unterschiedlich stark gewichtet werden. Diese Gewichtung wird beim zweiten Schritt der Informationsverarbeitung, der sogenannten Inferenz, durchgeführt. Die Inferenzmaschine eines Fuzzy-Reglers zieht die linguistischen Variablen aus der Fuzzifizierung heran, betrachtet alle sprachlichen Regeln und bildet aus widersprüchlichen Regeln eindeutige Aussagen. Kommt z. B. eine Regel mit der Plausibilität 0,36 zu dem Schluss, dass ein Ventil geschlossen werden muss und schließt eine andere Regel mit der Plausibilität 0,65, dass ein Ventil nur halb geschlossen werden müsse, so bildet die Inferenzmaschine in dem Fuzzy- Regler nach verschiedenen möglichen Verfahren einen Kompromisswert und schließt das Ventil z. B. auf 60 % Totalöffnung.Two rules, which are provided with the premises "If temperature is high" and "If temperature is medium", would both affect the process in this case, but would be weighted differently. This weighting is carried out in the second step of information processing, the so-called inference. The inference engine of a fuzzy controller uses the linguistic variables from the fuzzification, looks at all linguistic rules and creates clear statements from contradicting rules. Comes z. For example, if a rule with the plausibility 0.36 concludes that a valve must be closed and another rule closes with the plausibility 0.65 that a valve only has to be closed half, the inference machine in the fuzzy controller forms a compromise value according to various possible methods and closes the valve z. B. 60% total opening.
Die Defuzzifizierung wird im letzten Schritt der Informationsverarbeitung des Fuzzy- Reglers 54 angewendet, um die linguistischen Aussagen wieder in physikalische (Stell-)Größen umzuwandeln und um die widersprüchlichen Folgerungen dieser Regeln nun zu einem eindeutigen Ergebnis zu führen. Man kann hierbei unscharfe Aus- sagen wie "weit öffnen", "geringe Öffnung" oder "hoher Durchfluss" wieder in physikalische Größen umwandeln und hiermit z. B. Sollwerte von PID-Reglern führen.The defuzzification is used in the last step of the information processing of the fuzzy controller 54 in order to convert the linguistic statements back into physical (manipulated) variables and to now lead to the contradictory consequences of these rules to a clear result. It is possible to convert fuzzy statements such as "wide open", "slight opening" or "high flow rate" back into physical quantities. B. Lead setpoints from PID controllers.
In der Fig. 6 ist ein Blockschaltbild dargestellt, welches das Prinzip der Neuro- Fuzzy-Regelung der Kristallziehanlagen noch einmal im Prinzip zeigt.6 shows a block diagram which shows the principle of the neuro-fuzzy control of the crystal pulling systems once again in principle.
Der Kristallziehprozess ist ein typisches Mehrgrößenproblem, da verschiedene Größen wie Kristallrotation, Tiegelrotation, Kristall- bzw. Tiegelhub- oder -senk- geschwindigkeit, Gasfluss, Gaskammerdruck, Heiztemperatur, Schmelztemperatur, Kristalldurchmesser, Schmelzbadhöhe etc. zu berücksichtigen sind. Bei solchen Pro- zessen werden im Zusammenhang mit dem künstlichen neuronalen Netzwerk modellgestützte Verfahren eingesetzt. Hierbei geht man im wesentlichen in zwei Schritten vor: Es wird zunächst das Modell gebildet und dann der Regler entworfen. Bei der Modellbildung bieten sich wiederum zwei Möglichkeiten an: die Bildung eines regelungstechnischen Beobachtermodells oder die Entwicklung eines reaktionskineti- sehen Modells. Die Bildung kinetischer Modelle zum Zwecke der Regelung ist indessen verhältnismäßig aufwendig, denn es müssen alle bekannten Stoffumwandlungen, Wärmeübergänge, Diffusionsvorgänge und Bilanzgleichungen erfasst, quantifiziert und in Form von Differentialgleichungen formuliert werden, welche dann in ihrer Gesamtheit den modellierten Prozess in seinem Verhalten abbilden. Bei der Erstel- lung der regelungstechnischen Modelle wird dagegen der betrachtete Prozess als "Black Box" angesehen, wobei aus der Analyse der Reaktionen des Prozesses auf Störungen Rückschlüsse auf das dynamische Streckenverhalten gezogen werden. Die beobachteten Reaktionen werden wiederum in Differentialgleichungen höherer Ordnung formuliert und bilden das Modell. Da die meisten Modelle nicht aus geschlosse- nen mathematischen Gleichungen bestehen, sondern z. B. partielle Differentialgleichungen beinhalten, ist eine geschlossene Reglerentwicklung selten möglich.The crystal pulling process is a typical multi-size problem, since different sizes such as crystal rotation, crucible rotation, crystal or crucible lifting or lowering speed, gas flow, gas chamber pressure, heating temperature, melting temperature, crystal diameter, melt pool height etc. have to be taken into account. In such processes, model-based methods are used in connection with the artificial neural network. This is essentially done in two steps: First the model is formed and then the controller is designed. When creating a model, there are two options: the creation of a control observer model or the development of a reaction-kinetic model. The formation of kinetic models for the purpose of regulation is, however, relatively complex, because all known material conversions, heat transfers, diffusion processes and balance equations must be recorded, quantified and formulated in the form of differential equations, which then represent the behavior of the modeled process as a whole. In contrast, when the control engineering models are created, the process considered is considered "Black Box" viewed, from which analysis of the reactions of the process to disturbances draws conclusions about the dynamic route behavior. The observed reactions are in turn formulated in higher order differential equations and form the model. Since most models do not consist of closed mathematical equations, but e.g. B. include partial differential equations, closed controller development is rarely possible.
Das Ziehen eines Kristalls nach dem Czochralski-Verfahren besteht aus mehreren Schritten. Ziel der Prozessführung ist es letztendlich, den Prozess so zu betreiben, dass bestimmte Qualitätsgrößen auf einem Niveau gehalten werden, welche eine konstante Produktqualität garantieren. Zu diesen Qualitätsgrößen zählen z. B. die Kristallorientierung, der Sauerstoffgehalt des Kristalls, der elektrische Widerstandsgradient und die Dotierung.Drawing a crystal using the Czochralski method consists of several steps. Ultimately, the aim of process control is to operate the process in such a way that certain quality parameters are kept at a level that guarantees constant product quality. These quality parameters include e.g. B. the crystal orientation, the oxygen content of the crystal, the electrical resistance gradient and the doping.
Beim Ziehen des Kristalls können sich die Probleme einer zu großen Totzeit bzw. einer ungenauen Erfassbarkeit von Größen ergeben.When pulling the crystal, the problems of excessive dead time or inaccurate measurement of sizes can arise.
Man hat verschiedentlich versucht, diese Probleme mit empirischen Regelungssystemen auf der Basis reiner Fuzzy-Regler zu lösen. Das Problem eines reinen Fuzzy- Reglers - wie auch eines klassischen Reglers - besteht im wesentlichen darin, dass dieser ebenso wie der Anlagenfahrer den oben beschriebenen Problemen durch die langen Totzeiten unterworfen ist.Various attempts have been made to solve these problems with empirical control systems based on pure fuzzy controllers. The problem of a pure fuzzy controller - as well as a classic controller - consists essentially in the fact that this, like the plant operator, is subject to the problems described above due to the long dead times.
Um einen Fuzzy-Regler an einer solchen Anlage für jede Situation richtig zu parame- trieren, muss ein sehr großer Aufwand betrieben werden, sodass ein solches System letztendlich mit einem zu hohen Wartungs- und Konfigurationsaufwand belastet ist.In order to correctly parameterize a fuzzy controller in such a system for every situation, a very large effort has to be made, so that such a system is ultimately burdened with too much maintenance and configuration effort.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden deshalb alle relevanten Daten der Kristallziehanlage 1 zyklisch erfasst und in einer Datenbank abgelegt. Neben den Tem- peraturwerten der Heizzonen 16 werden hier auch Gasfluss, Zieh-Geschwindigkeit etc. abgelegt.According to the present invention, therefore, all relevant data of the crystal pulling system 1 are recorded cyclically and stored in a database. In addition to the temperature values of the heating zones 16, gas flow, drawing speed etc. are also stored here.
Mit Hilfe des Neuromodells 202 wird nun aus diesen Daten ein neuronales Prozessmodell erzeugt, welches die Eigenschaften des Kristalls vorhersagt. Durch Eingabe bestimmter Größen in das Neuromodell 202 können verschiedene Eigenschaften des zu ziehenden Kristalls bestimmt werden.With the help of the neuromodel 202, a neuronal process model is then generated from this data, which predicts the properties of the crystal. By entering certain sizes in the neuromodel 202, various properties of the crystal to be drawn.
Das auf diese Weise fertiggestellte Neuromodell 202 wird z. B. in einem Prozessrechner, etwa in dem Rechner 50 gemäß Fig. 1, implementiert und mit dem Prozess on line verbunden. Ein überlagerten Fuzzy-Regler 201 registriert auf der Basis derThe neuromodel 202 completed in this way is used e.g. B. in a process computer, such as in the computer 50 of FIG. 1, implemented and connected to the process on line. A superimposed fuzzy controller 201 registers on the basis of the
Vorhersagen des Neuromodells 202 ständig die zu erwartende Qualität des Kristalls und wirkt somit Qualitätseinbrüchen bereits entgegen, bevor diese überhaupt messbar werden.Predictions of the neuromodel 202 constantly the expected quality of the crystal and thus counteracts quality drops even before they can be measured.
Bevor der Fuzzy-Regler 201 Änderungen auf die Sollwerte der unterlagerten Prozessregler schreibt, probiert er Änderungen z. B. an dem Temperatunegier für die Heizung 16 am Neuromodell 202 aus. Es gibt sogenannte Testsollwerte auf das Neuromodell.Before the fuzzy controller 201 writes changes to the setpoints of the subordinate process controllers, it tries changes z. B. from the temperature control for the heater 16 on the neuro model 202. There are so-called test setpoints for the neuromodel.
Das Neuromodell 202 läuft gewissermaßen neben dem Prozess her und wird über eine statistische Modellüberwachung 200 und einen Robustheitsfilter 203 korrigiert. Die Filterung des Robustheitsfilters 203, bei dem es sich um ein Tiefpassfilter handelt, ist dabei so träge wie nötig, aber so flink wie möglich. Die Signal- und Rauschanteile der Daten werden dabei getrennt. Hierfür können systemtheoretische Verfah- ren der Autokorrelationsanalyse verwendet werden, da diese Verfahren den Rauschanteil und den Signalanteil der kontinuierlich aufgezeichneten Daten identifizieren können.To a certain extent, the neuromodel 202 runs alongside the process and is corrected via a statistical model monitor 200 and a robustness filter 203. The filtering of the robustness filter 203, which is a low-pass filter, is as sluggish as necessary, but as quick as possible. The signal and noise components of the data are separated. System-theoretical methods of autocorrelation analysis can be used for this, since these methods can identify the noise component and the signal component of the continuously recorded data.
In der statistischen Modellüberwachung 200, der Material- und Analysedaten 94 zu- geführt werden, wird das KNN mit Testdaten überprüft, die nicht Bestandteil desIn the statistical model monitoring 200, to which the material and analysis data 94 are fed, the KNN is checked with test data which are not part of the
Trainingsdatenbestands waren. Jede Empfehlung des Fuzzy-Reglers 201 geht also zunächst auf das Neuromodell 202, wird vom Fuzzy-Regler wieder bewertet und erst dann über das Robustheitsfilter 203 auf den Prozess geschrieben. Das Neuromodell 202, dem Material- und Analysedaten der Kristallziehanlage (1) zugeführt werden, stellt sogenannte Qualitätsdaten (QA (t+1); QB (t+1)) zur Verfügung.Training database were. Each recommendation of the fuzzy controller 201 therefore initially goes to the neuromodel 202, is evaluated again by the fuzzy controller and only then written to the process via the robustness filter 203. The neuromodel 202, to which material and analysis data from the crystal pulling system (1) are fed, provides so-called quality data (QA (t + 1); QB (t + 1)).
Die herkömmlichen PID-Regler 204 bis 206, die in der SPS 17 realisiert sind, bleiben bestehen. Sie werden durch die vom Robustheitsfilter 203 kommenden Signale lediglich korrigiert. Würde man nur die Regler 204 bis 206 einsetzen, ergäbe sich wegen der Mehrgrößenprobleme keine optimale Regelung. Die Einzelregler 204 bis 206 müssten per Hand durch den Anlagenbetreiber korrigiert werden.The conventional PID controllers 204 to 206, which are implemented in the PLC 17, remain. They are only corrected by the signals coming from the robustness filter 203. If only controllers 204 to 206 were used, there would be no optimal control because of the multi-size problems. The individual controllers 204 to 206 would have to be corrected manually by the system operator.
Manuelle Regler sind jedoch immer mit dem Nachteil verbunden, dass neben einer geringen Reproduzierbarkeit der Operationen des Bedienpersonals immer mit Zeit- Verzug und damit wenig exakt gearbeitet wird.However, manual controllers are always associated with the disadvantage that, in addition to the reproducibility of the operations of the operating personnel being low, work is always delayed and therefore less precise.
Das Erfahrenswissen der Anlagenfahrer ist im Fuzzy-Regler 201 festgehalten.The experience of the plant operator is recorded in the fuzzy controller 201.
Die konventionellen Regler 204 bis 206 sind allerdings schon in der Lage, eine Anla- ge zu betreiben, wenn auch nicht optimal. Deshalb wird der Fuzzy-Regler 201 zurThe conventional controllers 204 to 206 are, however, already able to operate a system, although not optimally. Therefore, the fuzzy controller 201 becomes
Sollwertführung oder Parametrierung den PID-Reglern 204 bis 206 als Optimierungsregler überlagert. Kommt es zu nicht definierten Zuständen eines Reglers, ist damit sichergestellt, dass die konventionelle Regelungstechnik den Prozess wenigstens innerhalb unkritischer Grenzwerte halten kann. Mit 93 ist ein Netzwerk und mit 94 das Datenlogging für Material- und Analysedaten bezeichnet. Bei dem NetzwerkSetpoint control or parameterization is superimposed on the PID controllers 204 to 206 as an optimization controller. If undefined states of a controller occur, this ensures that conventional control technology can keep the process at least within non-critical limits. 93 is a network and 94 is the data logging for material and analysis data. With the network
93 kann es sich um ein QS-Netzwerk handeln.93 can be a QA network.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können somit Kristalle, insbesondere Einkristalle hergestellt werden, wobei einerseits Prozessgrößen wie Schmelztemperatur oder Gasfluss und andererseits Qualitätsmerkmale wie Analysedaten von RohstoffenThe method according to the invention can thus be used to produce crystals, in particular single crystals, process variables such as melting temperature or gas flow on the one hand and quality characteristics such as analysis data of raw materials on the other hand
- z. B. Reinheit oder Dotierung von Silizium -, oder Maßtoleranzen bei Tiegelwänden oder Mengen von Grund- und Dotierungsstoffen erfasst und verarbeitet werden können.- e.g. B. purity or doping of silicon, or dimensional tolerances in crucible walls or quantities of base and dopants can be detected and processed.
Die Stelleinrichtungen für Heizungen, Pumpen und dergleichen werden dabei in üblicher Weise über PID-Regler gesteuert.The control devices for heating, pumps and the like are controlled in the usual way via PID controllers.
Die aktuellen Prozessgrößen werden erfasst und als Soll- und Istwerte in der Datenbank 200 abgelegt. Anders als in der herkömmlichen Regelungstechnik sind auch die Sollwerte variabel.The current process variables are recorded and stored in the database 200 as target and actual values. In contrast to conventional control technology, the setpoints are also variable.
Die aktuellen Qualitätsmerkmale werden bis zum Prozessschritt "Chargieren", d. h. bis zum Ende der Vorbereitung zur automaischen Prozessführung, einmalig als Istwerte erfasst und mit festen optimalen Sollwerten in der Datenbank abgelegt. In der Datenbank 200 werden dann die Prozessgrößen mit SPC-Methoden aufgearbeitet. SPC-Methoden stellen in der Produktion die Qualität auf der Basis statistischer Annahmen sicher. Sie basieren auf der Annahme von Normalverteilungen in Datenreihen. Hierbei wird zur Datenanalyse ein gleitender Korridor über die Daten- sätze gefahren, und es werden Mittelwert und empirische Streuung darin ermittelt.The current quality characteristics are recorded once as actual values up to the "Charging" process step, ie until the end of the preparation for the automatic process control, and stored in the database with fixed, optimal target values. The process variables are then processed in the database 200 using SPC methods. SPC methods ensure quality in production based on statistical assumptions. They are based on the assumption of normal distributions in data series. Here, a sliding corridor is driven over the data sets for data analysis, and the mean value and empirical spread are determined therein.
Bei der Aufarbeitung von Prozessgrößen mit dem S PC- Verfahren wird eine Tabelle nach einer statistischen Validierung durch ein Fuzzy-Clusterverfahren auf typische repräsentative Daten komprimiert und für das Training des neuronalen Netzes verwendet.When processing process variables with the S PC method, a table is compressed to typical representative data after statistical validation by a fuzzy cluster method and used for training the neural network.
SE-Rules, d. h. "Standard Electric Rules" enthalten Richtlinien für die automatische Analyse von Datensätzen auf Prozessfähigkeit. Nicht verwendbar sind hiernach z. B. Datensätze, wenn ein Punkt außerhalb +1-3 Sigma liegt oder wenn zwei von drei aufeinanderfolgenden Punkten außerhalb +1-2 Sigma liegen oder wenn fünf aufeinander- folgende Punkte einen Aufwärts- oder Abwärtstrend zeigen etc.SE rules, d. H. "Standard Electric Rules" contain guidelines for the automatic analysis of data records for process capability. According to this, z. B. Records if a point is outside + 1-3 sigma or if two of three consecutive points are outside + 1-2 sigma or if five consecutive points show an upward or downward trend etc.
Aus den in der Datenbank 200 aufgearbeiteten Prozessgrößen wird in 202 ein neuronales Prozessmodell erzeugt und eine lokale Fehlereinschätzung für jede Aussage des neuronalen Netzwerks ausgegeben. Die Auswahl des Algorithmus und die Konfigu- ration des neuronalen Netzes läuft in 202 expertensystemgesteuert automatisch ab. Es wird festgestellt, welche Eingangsgrößen nicht relevant sind, worauf diese entfernt werden. Hierdurch bildet das Neuromodell nur signifikante Größen aufeinander ab. An diesen Größen wird eine Sensivitätsanalyse durchgeführt, durch welche die Stärke erkannt wird, mit der jede Eingangsgröße des Modells auf jede Ausgangsgröße wirkt, welches die Sollwerte der Prozessgrößen bzw. Qualitätsgrößen vorhersagt. Eine Tabelle zu den Qualitätsmerkmalen, den Prozessgrößen und den Qualitätsgrößen ist nachfolgend wiedergegeben. A neural process model is generated in 202 from the process variables processed in the database 200 and a local error assessment is output for each statement of the neural network. The selection of the algorithm and the configuration of the neural network is carried out automatically in 202 system-controlled systems. It is determined which input variables are not relevant, after which they are removed. As a result, the neuromodel only maps significant quantities to one another. A sensitivity analysis is carried out on these variables, by means of which the strength is recognized with which each input variable of the model acts on each output variable, which predicts the target values of the process variables or quality variables. A table on the quality characteristics, the process variables and the quality variables is given below.
Färämeteπ ualitäts- ProzessSensorik Qualitätsmerkmale größen größenFärämeteπ ualitäts- ProcessSensorik quality features sizes sizes
Rohstoffe RegelDurchmesser Bildauswer- Durchmesser kreise tung (Kamera) oder Gewichts- sensorikRaw materials, control diameter, image evaluation, diameter cir- cuit (camera) or weight sensors
(Si, AnalysedurchschnittEncoder RRG - Dopant) werte, liche Ziehradialer(Si, analysis average encoder RRG - Dopant) values, pulling radial
Menge, Typ, geschwindigWiderstandsHersteller keit gradient Heizer a) ORG - radialer Sauerstoffgradient mehrere s. Heizer a) u. a. m. Heizer b)Quantity, type, speed Resistance manufacturer gradient heater a) ORG - radial oxygen gradient several s. Heater a) u. a. m. Heater b)
Halbzeug SchulterFunktion wachstum Durchmesser/ ZeitSemi-finished shoulder function growth diameter / time
(Quarz-, Dimension, AnsatzPyrometer(Quartz, dimension, approach pyrometer
Grafit- Verglasungs temperatur tiegel) tiefe,Graphite glazing temperature crucible) depth,
Blasenzahl,Number of bubbles,
Hersteller,Manufacturer,
Typ etc.Type etc.
Vakuum/ Druckmess¬Vacuum / pressure measurement
Druck dosenPressure cans
Gasfluss FlowmeterGas flow flow meter
Funktionen Magnetfeld kalkulatorisch BadhöhenTrianulations- position Laser oder kalkulatorischFunctions magnetic field calculated bath height trianulation position laser or calculated
SchmelzWiderstandskontakt messungMelting resistance contact measurement
Tiegelrotation encoder Kristall- encoder rotationCrucible rotation encoder crystal encoder rotation
Temperatur Pyrometer (z. B.Temperature pyrometer (e.g.
Inkrement- funktion) Tiegelencoder vorschubIncrement function) Feed the crucible encoder
Kristallencoder vorschubCrystal encoder feed
VersetzungsBildauswerfreiheit/ tung oderDislocation image ejection / tung or
Strukturvisuell mit verlust manuellerStructurally visual with manual loss
Eingabe input
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In den Fuzzy-Regler 201 werden mittels einer genetischen Algorithmus-Parameter- Optimierung die durch das Prozessmodell vorhergesagten Sollwerte der Prozessgrößen in Test-Sollwerte geändert. Hierbei wird die Berechnung für eine Gütefunktion g (x, y, . . . z), einen Vektor [x, y . . . z] zu finden, für einzelne Variablensätze möglich, die eine gesuchte Extremstelle bezeichnen.In the fuzzy controller 201, the target values of the process variables predicted by the process model are changed into test target values by means of a genetic algorithm parameter optimization. The calculation for a quality function g (x, y,... Z), a vector [x, y. . . z], is possible for individual variable sets that designate a searched extreme point.
Genetische Algorithmen repräsentieren ihre Information in Form von Bitketten, die auch "Chromosomen" genannt werden. Beispielsweise kann die Bitkette 66 Bit lang sein. Dem genetischen Algorithmus wird eine Anfangspopulation vorgegeben, die etwa aus hundert "Chromosomen" besteht, deren Wert mit einem Zufallsgenerator bestimmt wird. Die Chromosomen werden dann in reelle Zahlen umgerechnet und einzeln an das trainierte Neuromodell übergeben. Dieses berechnet die Werte der Qualitätsgrößen, z. B. den Kristalldurchmesser, die sich aus der Kombination verschiedener Parameter ergeben würden. Diese Qualitätsgrößen werden in einen Gütewert, z. B. "relative Fitness", umgerechnet. Je größer der Gütewert, umso größer ist die Fitness des Chromosoms. Der genetische Algorithmus führt eine Selektion durch, wobei zwei zufällig gewählte Chromosomen gegeneinander antreten. Mit einer hohen Wahrscheinlichkeit gewinnt das bessere Chromosom und wird in die Zielpopulation übernommen, während das andere verworfen wird. In der nächsten Phase werden die selektierten Individuen gekreuzt und mutiert. Auswahl der Mutations- und Kreuzungswahrscheinlichkeit als auch die Position des "Crossing over" im Chromosom werden in einem gerichteten Zufallsgenerator ermittelt. Der Vorgang wiederholt sich so oft, bis der durchschnittliche Gütewert der Population größer als ein vorgegebener Grenzwert ist.Genetic algorithms represent their information in the form of bit strings, which are also called "chromosomes". For example, the bit string can be 66 bits long. The genetic algorithm is given an initial population consisting of approximately one hundred "chromosomes", the value of which is determined using a random generator. The chromosomes are then converted into real numbers and individually transferred to the trained neuro model. This calculates the values of the quality quantities, e.g. B. the crystal diameter, which would result from the combination of different parameters. These quality quantities are converted into a quality value, e.g. B. "relative fitness" converted. The greater the quality value, the greater the fitness of the chromosome. The genetic algorithm performs a selection, whereby two randomly chosen chromosomes compete against each other. There is a high probability that the better chromosome wins and is transferred to the target population while the other is discarded. In the next phase, the selected individuals are crossed and mutated. Selection of the mutation and crossing probability as well as the position of the "crossing over" in the chromosome are determined in a directed random generator. The process is repeated until the average quality value of the population is greater than a predetermined one Limit is.
Nachdem in dem Fuzzy-Regler mittels der genetischen Algorithmus-Parameter-Optimierung die vorhergesagten Sollwerte der Prozessgrößen in Test-Sollwerte geändert wurden, wird aus den Test-Sollwerten erneut ein Prozessmodell in 200 erzeugt, das die Sollwerte der Prozessgrößen festlegt. Die durch das neuronale Prozessmodell festgelegten Sollwert-Prozessgrößen werden in der Datenbank einer Schätzfehlerkorrektur unterworfen. Es handelt sich dabei um eine kumulierte Fehlerkorrektur, bei der die Gewichte nach jeder Epoche mit kumulierten Gewichtsänderungen korrigiert werden.After the predicted target values of the process variables have been changed to test target values in the fuzzy controller by means of the genetic algorithm parameter optimization, a process model is again generated from the test target values in 200, which defines the target values of the process variables. The setpoint process variables determined by the neural process model are subjected to an estimation error correction in the database. It is a cumulative error correction in which the weights are corrected with cumulative weight changes after each epoch.
Die durch die Datenbank-Schätzfehlerkorrektur geänderten Prozessdaten-Sollwerte werden jetzt auf das Robustheitsfilter 203 gegeben, in dem die geänderten Prozessgrößen-Sollwerte tiefpassgefiltert werden. Das Robustheitsfilter 203 beaufschlagt sei- nerseits die PID-Regler 204 bis 206 mit jeweils zugeordneten Sollwerten der Prozessgrößen. The process data target values changed by the database estimation error correction are now passed to the robustness filter 203, in which the changed process variable target values are low-pass filtered. The robustness filter 203 in turn acts upon the PID controllers 204 to 206 with respectively assigned setpoints of the process variables.

Claims

Patentansprüche claims
1. Einrichtung zum Züchten von Kristallen, insbesondere von Einkristallen, bei der die Prozess-Daten, z. B. Schmelztemperatur, Gasdruck, Schmelzpegel, Gasfluss und dergleichen, erfasst und verarbeitet und Stelleinrichtungen, z. B. Heizungen, Pumpen und dergleichen, über PID-Regler gesteuert werden, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die einem PID-Regler (55; 204 bis 206) eine Regelung mit einem künstlichen neuronalen Netz (53, 202) überlagert.1. Device for growing crystals, in particular single crystals, in which the process data, for. B. melting temperature, gas pressure, melting level, gas flow and the like, detected and processed and adjusting devices, for. B. heaters, pumps and the like can be controlled via PID controllers, characterized by a device which overlays a PID controller (55; 204 to 206) with an artificial neural network (53, 202).
2. Einrichtung zum Züchten von Kristallen nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch a) mehrere Sensoren (43 bis 47), welche die Ist-Werte von Prozessdaten, beispielsweise der Schmelztemperatur, des Gasdrucks, des Schmelzpegels, des Gasflusses und dergleichen während des Kristall-Züchtungsprozesses erfassen; b) eine speiche rogrammierbare Steuerung (17), der die von den Sensoren (43 bis 47) erfassten Ist-Werte zugeführt werden; c) eine Neuro-Fuzzy-Logik (52), die über Datenleitungen (60 - 64 bzw. 65, 66) mit der programmierbaren Steuerung (17) in Verbindung steht, d) mehrere einstellbare Vorrichtungen (9, 16, 19, 31, 32), z. B. Heizungen, Pumpen, Zieheinrichtungen, Drehmotoren, Ventile und dergleichen, die über PID-Regler (55, 204 bis 206) gesteuert werden, wobei die Sollwertführung der PID-Regler durch die2. Device for growing crystals according to claim 1, characterized by a) a plurality of sensors (43 to 47), which the actual values of process data, for example the melting temperature, the gas pressure, the melting level, the gas flow and the like during the crystal growth process to capture; b) a programmable controller (17) to which the actual values detected by the sensors (43 to 47) are supplied; c) a neuro-fuzzy logic (52) which is connected to the programmable controller (17) via data lines (60 - 64 or 65, 66), d) a plurality of adjustable devices (9, 16, 19, 31, 32), e.g. B. heaters, pumps, drawing devices, rotary motors, valves and the like, which are controlled by PID controllers (55, 204 to 206), the setpoint control of the PID controller by the
Neuro-Fuzzy-Logik erfolgt.Neuro-fuzzy logic takes place.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem PID-Regler (55, 204 bis 206) ein Robustheitsfilter (203) vorgeschaltet ist.3. Device according to claim 1, characterized in that the PID controller (55, 204 to 206) is preceded by a robustness filter (203).
4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der PID-Regler ein P-, PI-, PD- etc. Regler ist.4. Device according to claim 1, characterized in that the PID controller is a P, PI, PD, etc. controller.
5. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Neuro-Fuzzy- Logik (52) durch die Software eines Computers (50) realisiert ist.5. Device according to claim 2, characterized in that the neuro-fuzzy logic (52) is realized by the software of a computer (50).
6. Verfahren zum Züchten von Kristallen, insbesondere von Einkristallen, bei dem die Prozess-Daten, z. B. Schmelztemperatur, Gasdruck, Schmelzpegel, Gasfluss und dergleichen, erfasst und verarbeitet und Stelleinrichtungen, z. B. Heizungen, Pumpen und dergleichen, über PID-Regler gesteuert werden, gekennzeichnet durch eine Ein- richtung, die einem PID-Regler (55; 204 bis 206) eine Regelung mit einem künstlichen neuronalen Netz (53, 202) überlagert.6. A method for growing crystals, in particular single crystals, in which the process data, for. B. melting temperature, gas pressure, melting level, gas flow and the like, detected and processed and adjusting devices, for. B. heaters, pumps and the like can be controlled via PID controller, characterized by an input direction, the PID controller (55; 204 to 206) superimposed a control with an artificial neural network (53, 202).
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelung des PID-Reglers (55, 204 bis 206) eine Regelung des Fuzzy-Reglers (54, 201) überlagert wird.7. The method according to claim 6, characterized in that the control of the PID controller (55, 204 to 206) is superimposed on a control of the fuzzy controller (54, 201).
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die aus einer Kristallziehanlage (1) kommenden Prozessdaten über Leitungen (33 bis 37) einem Neuro- modell (202) zugeführt werden, welches aus diesen Daten ein neuronales Modell eines Kristalltyps erzeugt.8. The method according to claim 6, characterized in that the process data coming from a crystal pulling system (1) are fed via lines (33 to 37) to a neuromodel (202) which generates a neuronal model of a crystal type from these data.
9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Modellbildung durch Trainieren optimiert wird.9. The method according to claim 6, characterized in that the model formation is optimized by training.
10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Fuzzy-Regler10. The method according to claim 6, characterized in that the fuzzy controller
(201) auf der Basis der Vorhersagen des Neuromodells (202) ständig auf die zu erwartende Qualität des Kristalls einwirkt.(201) constantly acts on the expected quality of the crystal on the basis of the predictions of the neuromodel (202).
11. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine statistische Modellüberwachung (202) vorgesehen ist, welche das künstliche neuronale Netz (202) mit Testdaten überprüft.11. The method according to claim 6, characterized in that a statistical model monitoring (202) is provided which checks the artificial neural network (202) with test data.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Material- und Analysedaten (94) der statistischen Modellüberwachung (202) zugeführt werden.12. The method according to claim 11, characterized in that the material and analysis data (94) of the statistical model monitoring (202) are supplied.
13. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Neuromodell13. The method according to claim 6, characterized in that the neuromodel
(202) Qualitätsdaten (QA (t+1); QB (t+1)) abgibt, die dem Regelungsprozess zur Verfügung gestellt werden.(202) provides quality data (QA (t + 1); QB (t + 1)) that are made available to the control process.
14. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfluss der unterschiedlich langen Sequenzen wie Stabilisierung, Dip, Neck, Shoulder, Body, End- cone und Shut Down auf den Folgeschritt, wie z. B. Durchmesserüberschwingen bei der Transition von Shoulder zu Body, entsprechend der Modellanalyse durch überge- lagerte Fuzzy-Regler und Robustheitsfilter korrigiert wird. 14. The method according to claim 6, characterized in that the influence of the sequences of different lengths such as stabilization, dip, neck, shoulder, body, end cone and shut down on the subsequent step, such as. B. Diameter overshoot during the transition from shoulder to body is corrected according to the model analysis by superimposed fuzzy controllers and robustness filters.
15. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die überlagerte Fuzzy-Regelung eine Korrektur des Modells des Kristalltyps eingeleitet wird, wenn eine SPS (17) und/oder eine statistische Modellüberwachung (200) über einen Robustheitsfilter in die Regelung eingreifen.15. The method according to one or more of the preceding claims, characterized in that a correction of the model of the crystal type is initiated by the superimposed fuzzy control when a PLC (17) and / or a statistical model monitoring (200) via a robustness filter in the Intervene regulation.
16. Verfahren zum Herstellen von Kristallen, insbesondere von Einkristallen, bei dem Prozessgrößen, z. B. Schmelztemperatur oder Gasfluss, sowie Qualitätsmerkmale, z. B. Rohstoffreinheit, Abmessungen einer Tiegelwand etc., erfasst und verarbeitet und Heizungen, Pumpen und dergleichen über PID-Regler gesteuert werden, gekenn- zeichnet durch folgende Schritte: a) die Prozessgrößen werden zyklisch erfasst und als Istwerte und variable Sollwerte in einer Datenbank (200) abgelegt; b) die Qualitätsmerkmale werden bis zum Übergang auf eine automatische Prozesssteuerung einmalig als Istwerte erfasst und mit festen Sollwerten in der Daten- bank (200) abgelegt; c) in der Datenbank (200) werden die Prozessgrößen aufgearbeitet; d) aus den in der Datenbank (200) aufgearbeiteten Prozessgrößen wird (in 202) ein neuronales Prozessmodell erzeugt; e) in einem Fuzzy-Regler (201) werden mittels einer genetischen Algorithmus- Parameter-Optimierung die durch das Prozessmodell vorhergesagten Sollwerte der Prozessgrößen in Test-Sollwerte geändert; f) aus den vom Fuzzy-Regler (201) erzeugten Test-Sollwerten der Prozessgrößen wird erneut ein Prozessmodell (in 200) erzeugt, welches die Sollwerte der Prozessgrößen festlegt; g) die durch das neuronale Prozessmodell festgelegten Sollwert-Prozessgrößen werden in der Datenbank (200) einer Schätzfehlerkorrektur unterworfen; h) die durch die Datenbank-Schätzfehlerkonektur geänderten Prozessgrößen werden auf ein Robustheitsfilter (203) gegeben, in welchem die geänderten16. A method for producing crystals, in particular single crystals, in which process variables, for. B. melting temperature or gas flow, as well as quality features, e.g. B. raw material purity, dimensions of a crucible wall, etc., recorded and processed and heaters, pumps and the like are controlled via PID controllers, characterized by the following steps: a) the process variables are recorded cyclically and as actual values and variable setpoints in a database ( 200) filed; b) the quality features are recorded once as actual values until the transition to automatic process control and are stored in the database (200) with fixed target values; c) the process variables are processed in the database (200); d) a neural process model is generated (in 202) from the process variables processed in the database (200); e) in a fuzzy controller (201), the target values of the process variables predicted by the process model are changed to test target values by means of a genetic algorithm parameter optimization; f) from the test setpoints of the process variables generated by the fuzzy controller (201), a process model is again generated (in 200) which defines the setpoints of the process variables; g) the setpoint process variables determined by the neural process model are subjected to an estimation error correction in the database (200); h) the process variables changed by the database estimation error architecture are placed on a robustness filter (203) in which the changed
Prozessgrößen-Sollwerte tiefpassgefiltert werden; i) das Robustheitsfilter (203) beaufschlagt PID-Regler (204 bis 206) mit jeweils zugeordneten Sollwerten der Prozessgrößen.Process variable setpoints are low-pass filtered; i) the robustness filter (203) acts upon PID controllers (204 to 206) with respectively assigned setpoints of the process variables.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessgrößen in der Dateibank mit SPC-Methode aufgearbeitet werden, wobei eine Tabelle nach einer algorithmischen und statistischen Validierung durch ein Fuzzy-Clusterverfahren auf typische repräsentative Datensätze komprimiert und für das Training des neuronalen Netzes verwendet wird.17. The method according to claim 16, characterized in that the process variables in the database are processed using the SPC method, with a table after an algorithmic and statistical validation by a fuzzy cluster method compressed to typical representative data sets and used for training the neural network.
18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Aussage, die das Neuromodell abgibt, eine lokale Fehlereinschätzung erfolgt.18. The method according to claim 16, characterized in that a local error assessment is carried out for each statement made by the neuromodel.
19. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahl des Algorithmus und die Konfiguration des neuronalen Prozessmodells (in 202) exper- tensystemgesteuert automatisch abläuft.19. The method according to claim 16, characterized in that the selection of the algorithm and the configuration of the neural process model (in 202) is carried out automatically, controlled by an expert system.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass festgestellt wird, welche Eingangsgrößen nicht relevant sind und dass diese Eingangsgrößen entfernt werden, sodass das neuronale Prozessmodell nur signifikante Größen aufeinander abbildet.20. The method according to claim 19, characterized in that it is determined which input variables are not relevant and that these input variables are removed, so that the neural process model only maps significant variables to one another.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass an den signifikanten Größen eine Sensivitätsanalyse durchgeführt wird, wodurch die Stärke erkannt wird, mit der jede Eingangsgröße des Modells auf jede Ausgangsgröße wirkt, welche die Sollwerte der Prozessgrößen bzw. Qualitätsgrößen vorhersagt.21. The method according to claim 20, characterized in that a sensitivity analysis is carried out on the significant variables, whereby the strength is recognized with which each input variable of the model acts on each output variable that predicts the target values of the process variables or quality variables.
22. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Änderung der Sollwerte der Prozessgrößen in Test-Sollwerte die Berechnung für eine Gütefunktion g (x, y, z . . .) für einzelne Variablensätze möglich ist, die eine gesuchte Extremstelle bezeichnen. 22. The method according to claim 16, characterized in that when changing the setpoints of the process variables in test setpoints, the calculation for a quality function g (x, y, z...) Is possible for individual sets of variables that designate a sought extreme point.
GEÄNDERTE ANSPRÜCHECHANGED REQUIREMENTS
[beim Internationalen Büro am 16. November 1999 (16.11.99) eingegangen; ursprüngliche Ansprüche 1-22 durch geänderte Ansprüche 1-21 ersetzt (4 Seiten)][Received at the International Office on November 16, 1999 (November 16, 1999); original claims 1-22 replaced by amended claims 1-21 (4 pages)]
1. Einrichtung zum Züchten von Kristallen, insbesondere von Einkristallen, bei der die Prozess-Daten, z. B. Schmelztemperatur, Gasdruck, Schmelzpegel, Gasfluss und dergleichen, erfasst und verarbeitet und Stelleinrichtungen, z. B. Heizungen, Pumpen und dergleichen, über PID-Regler gesteuert werden, gekennzeichnet durch eine Neuro-Fuzzy-Logik (52; 201, 202), durch welche die Sollwertführung der PID-Regler (55; 204 bis 206) erfolgt.1. Device for growing crystals, in particular single crystals, in which the process data, for. B. melting temperature, gas pressure, melting level, gas flow and the like, detected and processed and adjusting devices, for. B. heaters, pumps and the like can be controlled via PID controllers, characterized by neuro-fuzzy logic (52; 201, 202), through which the setpoint control of the PID controller (55; 204 to 206) takes place.
2. Einrichtung zum Züchten von Kristallen, insbesondere von Einkristallen, bei der die Prozess-Daten, z. B. Schmelztemperatur, Gasdruck, Schmelzpegel, Gasfluss und dergleichen, erfasst und verarbeitet und Stelleinrichtungen, z. B. Heizungen, Pumpen und dergleichen, über PID-Regler gesteuert werden, gekennzeichnet durch a) mehrere Sensoren (43 bis 47), welche die Ist-Werte von Prozessdaten, beispiels- weise der Schmelztemperatur, des Gasdrucks, des Schmelzpegels, des Gasflusses und dergleichen während des Kristall-Züchtungsprozesses erfassen; b) eine speicherprogrammierbare Steuerung (17), der die von den Sensoren (43 bis 47) erfassten Ist-Werte zugeführt werden; c) eine Neuro-Fuzzy-Logik (52; 201, 202), die über Datenleitungen (60 - 64 bzw. 65, 66) mit der programmierbaren Steuerung (17) in Verbindung steht, d) mehrere einstellbare Vorrichtungen (9, 16, 19, 31, 32), z. B. Heizungen, Pumpen, Zieheinrichtungen, Drehmotoren, Ventile und dergleichen, die über PID-Regler (55, 204 bis 206) gesteuert werden, wobei die Sollwertführung der PID-Regler (55; 204 bis 206) durch die Neuro-Fuzzy-Logik (52; 201, 202) erfolgt.2. Device for growing crystals, in particular single crystals, in which the process data, for. B. melting temperature, gas pressure, melting level, gas flow and the like, detected and processed and adjusting devices, for. B. heaters, pumps and the like can be controlled via PID controllers, characterized by a) a plurality of sensors (43 to 47) which record the actual values of process data, for example the melting temperature, the gas pressure, the melting level, the gas flow and detect the like during the crystal growth process; b) a programmable logic controller (17) to which the actual values detected by the sensors (43 to 47) are supplied; c) a neuro-fuzzy logic (52; 201, 202) which is connected to the programmable controller (17) via data lines (60-64 or 65, 66), d) a plurality of adjustable devices (9, 16, 19, 31, 32), e.g. B. heaters, pumps, drawing devices, rotary motors, valves and the like, which are controlled via PID controllers (55, 204 to 206), the setpoint control of the PID controllers (55; 204 to 206) by the neuro-fuzzy logic (52; 201, 202).
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass den PID-Reglern (55, 204 bis 206) ein Robustheitsfilter (203) vorgeschaltet ist.3. Device according to claim 1 or claim 2, characterized in that a robustness filter (203) is connected upstream of the PID controllers (55, 204 to 206).
4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die PID-Regler (55; 204 bis 206)P-, PI-, PD- etc. Regler sind.4. Device according to claim 1 or claim 2, characterized in that the PID controller (55; 204 to 206) are P, PI, PD etc. controllers.
5. Einrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Neuro-Fuzzy-Logik (52; 201, 202) durch die Software eines Computers (50) realisiert ist. 5. Device according to claim 1 or claim 2, characterized in that the neuro-fuzzy logic (52; 201, 202) is realized by the software of a computer (50).
6. Verfahren zum Züchten von Kristallen, insbesondere von Einkristallen, bei dem die Prozess-Daten, z. B. Schmelztemperatur, Gasdruck, Schmelzpegel, Gasfluss und dergleichen, erfasst und verarbeitet und Stelleinrichtungen, z. B. Heizungen, Pumpen und dergleichen, über PID-Regler gesteuert werden, gekennzeichnet durch eine Neuro-Fuzzy-Logik (52; 201, 202), durch welche die Sollwertführung der PID-Regler (55; 204 bis 206) erfolgt.6. A method for growing crystals, in particular single crystals, in which the process data, for. B. melting temperature, gas pressure, melting level, gas flow and the like, detected and processed and adjusting devices, for. B. heaters, pumps and the like can be controlled via PID controllers, characterized by neuro-fuzzy logic (52; 201, 202), through which the setpoint control of the PID controller (55; 204 to 206) takes place.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die aus einer Kristallziehanlage (1) kommenden Prozessdaten über Leitungen (33 bis 37) einem künst- liehen neuronalen Netz (202) zugeführt werden, welches aus diesen Daten ein neuronales Modell eines Kristalltyps erzeugt.7. The method according to claim 6, characterized in that the process data coming from a crystal pulling system (1) are fed via lines (33 to 37) to an artificial neural network (202) which generates a neuronal model of a crystal type from these data.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung des neuronalen Modells des Kristalltyps durch Trainieren optimiert wird.8. The method according to claim 7, characterized in that the generation of the neural model of the crystal type is optimized by training.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fuzzy-Regler9. The method according to claim 7, characterized in that a fuzzy controller
(201) auf der Basis der Vorhersagen des Neuromodells (202) ständig auf die zu erwartende Qualität des Kristalls einwirkt.(201) constantly acts on the expected quality of the crystal on the basis of the predictions of the neuromodel (202).
10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine statistische Modellüberwachung (200) vorgesehen ist, welche das künstliche neuronale Netz (202) mit Testdaten überprüft.10. The method according to claim 6, characterized in that a statistical model monitoring (200) is provided, which checks the artificial neural network (202) with test data.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der statistischen Modellüberwachung (200) Material- und Analysedaten (94) zugeführt werden.11. The method according to claim 10, characterized in that the statistical model monitoring (200) material and analysis data (94) are supplied.
12. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das neuronale Netz12. The method according to claim 7, characterized in that the neural network
(202) Qualitätsdaten (QA (t+1); QB (t+1)) abgibt, die einem Fuzzy-Regler (201) zugeführt werden.(202) outputs quality data (QA (t + 1); QB (t + 1)), which are fed to a fuzzy controller (201).
13. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfluss der unterschiedlich langen Sequenzen wie Stabilisierung, Dip, Neck, Shoulder, Body, End- cone und Shut Down auf den Folgeschritt, wie z. B. Durchmesserüberschwingen bei der Transition von Shoulder zu Body, entsprechend der Modellanalyse durch überge- lagerte Fuzzy-Regler (201) und Robustheitsfilter (203) korrigiert wird. 13. The method according to claim 6, characterized in that the influence of the sequences of different lengths such as stabilization, dip, neck, shoulder, body, end cone and shut down on the subsequent step, such as. B. Diameter overshoot during the transition from shoulder to body is corrected according to the model analysis by superimposed fuzzy controllers (201) and robustness filters (203).
14. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Fuzzy-Regler (201) eine Korrektur des Modells des Kristall typs eingeleitet wird, wenn eine SPS (17) und/oder eine statistische Modellüberwachung (200) über einen Robustheitsfilter (203) in die Regelung eingreifen.14. The method according to one or more of the preceding claims, characterized in that a correction of the model of the crystal type is initiated by the fuzzy controller (201) when a PLC (17) and / or a statistical model monitoring (200) via a Intervene in the robustness filter (203) in the control.
15. Verfahren zum Herstellen von Kristallen, insbesondere von Einkristallen, bei dem Prozessgrößen, z. B. Schmelztemperatur oder Gasfluss, sowie Qualitätsmerkmale, z. B. Rohstoffreinheit, Abmessungen einer Tiegelwand etc., erfasst und verarbeitet und Heizungen, Pumpen und dergleichen über PID-Regler gesteuert werden, gekenn- zeichnet durch folgende Schritte: a) die Prozessgrößen werden zyklisch erfasst und als Istwerte und variable Sollwerte in einer Datenbank (200) abgelegt; b) die Qualitätsmerkmale werden bis zum Übergang auf eine automatische Prozesssteuerung einmalig als Istwerte erfasst und mit festen Sollwerten in der Daten- bank (200) abgelegt; c) in der Datenbank (200) werden die Prozessgrößen aufgearbeitet; d) aus den in der Datenbank (200) aufgearbeiteten Prozessgrößen wird (in 202) ein neuronales Prozessmodell erzeugt; e) in einem Fuzzy-Regler (201) werden mittels einer genetischen Algorithmus- Parameter-Optimierung die durch das Prozessmodell vorhergesagten Sollwerte der Prozessgrößen in Test-Sollwerte geändert; f) aus den vom Fuzzy-Regler (201) erzeugten Test-Sollwerten der Prozessgrößen wird erneut ein Prozessmodell (in 200) erzeugt, welches die Sollwerte der Prozessgrößen festlegt; g) die durch das neuronale Prozessmodell festgelegten Sollwert-Prozessgrößen werden in der Datenbank (200) einer Schätzfehlerkorrektur unterworfen; h) die durch die Datenbank-Schätzfehlerkorrektur geänderten Prozessgrößen werden auf ein Robustheitsfilter (203) gegeben, in welchem die geänderten15. A method for producing crystals, in particular single crystals, in which process variables, for. B. melting temperature or gas flow, as well as quality features, e.g. B. raw material purity, dimensions of a crucible wall, etc., recorded and processed and heaters, pumps and the like are controlled via PID controllers, characterized by the following steps: a) the process variables are recorded cyclically and as actual values and variable setpoints in a database ( 200) filed; b) the quality features are recorded once as actual values until the transition to automatic process control and are stored in the database (200) with fixed target values; c) the process variables are processed in the database (200); d) a neural process model is generated (in 202) from the process variables processed in the database (200); e) in a fuzzy controller (201), the target values of the process variables predicted by the process model are changed to test target values by means of a genetic algorithm parameter optimization; f) from the test setpoints of the process variables generated by the fuzzy controller (201), a process model is again generated (in 200) which defines the setpoints of the process variables; g) the setpoint process variables determined by the neural process model are subjected to an estimation error correction in the database (200); h) the process variables changed by the database estimation error correction are placed on a robustness filter (203) in which the changed
Prozessgrößen-Sollwerte tiefpassgefiltert werden; i) das Robustheitsfilter (203) beaufschlagt PID-Regler (204 bis 206) mit jeweils zugeordneten Sollwerten der Prozessgrößen.Process variable setpoints are low-pass filtered; i) the robustness filter (203) acts upon PID controllers (204 to 206) with respectively assigned setpoints of the process variables.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessgrößen in der Datenbank (200) mit SPC-Methode aufgearbeitet werden, wobei eine Tabelle nach einer algorithmischen und statistischen Validierung durch ein Fuzzy-Clusterver- fahren auf typische repräsentative Datensätze komprimiert und für das Training des neuronalen Netzes verwendet wird.16. The method according to claim 15, characterized in that the process variables in the database (200) are processed using the SPC method, with a table after an algorithmic and statistical validation by a fuzzy clustering method. drive compressed to typical representative data sets and used for training the neural network.
17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Aussage, die das Neuromodell abgibt, eine lokale Fehlereinschätzung erfolgt.17. The method according to claim 15, characterized in that a local error assessment is carried out for each statement made by the neuromodel.
18. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahl des Algorithmus und die Konfiguration des neuronalen Prozessmodells (in 202) exper- tensystemgesteuert automatisch abläuft.18. The method according to claim 15, characterized in that the selection of the algorithm and the configuration of the neural process model (in 202) is carried out automatically, controlled by an expert system.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass festgestellt wird, welche Eingangsgrößen nicht relevant sind und dass diese Eingangsgrößen entfernt werden, sodass das neuronale Prozessmodell nur signifikante Größen aufeinander abbildet.19. The method according to claim 18, characterized in that it is determined which input variables are not relevant and that these input variables are removed, so that the neural process model only maps significant variables to one another.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass an den signifikanten Größen eine Sensivitätsanalyse durchgeführt wird, wodurch die Stärke erkannt wird, mit der jede Eingangsgröße des Modells auf jede Ausgangsgröße wirkt, welche die Sollwerte der Prozessgrößen bzw. Qualitätsgrößen vorhersagt.20. The method according to claim 19, characterized in that a sensitivity analysis is carried out on the significant variables, whereby the strength is recognized with which each input variable of the model acts on each output variable that predicts the target values of the process variables or quality variables.
21. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Änderung der Sollwerte der Prozessgrößen in Test-Sollwerte die Berechnung für eine Gütefunk- tion g (x, y, z . . .) für einzelne Variablensätze möglich ist, die eine gesuchte Extremstelle bezeichnen. 21. The method according to claim 15, characterized in that when changing the setpoints of the process variables in test setpoints, the calculation for a quality function g (x, y, z...) Is possible for individual variable sets, which is a sought extreme point describe.
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