Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Методы управления диаметром слитка, выращиваемого по способу «Чохральского» 8
1.1 Оптические способы управления диаметром 8
1.2 Весовой способ управления диаметром 14
1.3 Косвенные способы управления диаметром 17
Глава 2 Общая математическая модель «контактного метода» определения площади выращиваемых слитков 21
2.1 Описание «контактного метода» замера текущей площади, выращиваемых слитков 21
2.2 Статическая математическая модель «контактного метода» 23
2.3 Анализ влияния аналогового привода подъема тигля в «контактном методе» 32 CLASS Глава 3 Определение точностных характеристик «контактного метода» 34 CLASS
3.1 Определение основной ошибки в сигнале управления 34
3.2 Задание периода оценки сигнала управления 35
3.3 Определение рабочих параметров настройки «контактного метода» 36
3.4 Анализ ошибки в сигнале управления на конусной части слитка 38
3.5 Анализ ошибки в сигнале управления, за счет изменения высоты столбика мениска над расплавом 40
Глава 4 Система автоматического управления выращиванием монокристаллов германия на базе «контактного метода» с полной остановкой подъема тигля в моменты замыкания контактного датчика 44
4.1 Описание системы управления, с полной остановкой подъема тигля, в моменты замыкания контактного датчика 44
4.2 Алгоритмы и графики работы системы управления, с полной остановкой подъема тигля, в моменты замыкания контактного датчика 51
4.3 Техническая реализация контактного метода 65
Глава 5 Высокоточная система автоматического управления выращиванием монокристаллов германия на базе «улучшенного контактного метода» 73
5.1 Описание высокоточной системы управления 73
5.2 Описание технологических циклов работы высокоточной системы управления 78
5.3 Совмещение высокоточной системы управления и одновременного вытягивания монокристалла из фильеры, по способу Степанова 92
5.4 Особенности конструирования датчиков положения уровня расплава, для германия 94
Глава 6 Анализ динамических свойств системы автоматического управления выращиванием слитков на базе «контактного метода» 97
6.1 Зависимость диаметра вытягиваемого кристалла от скорости вытягивания и температуры 97
6.2 Выражение сигнала управления и ошибки 99
6.3 Математическая модель контура управления по скорости 100
6.4 Математическая модель контура управления по температуре 101
6.5 Анализ системы управления 102
6.6 Программное управление динамикой выращивания прямого и обратного конуса слитка 108
Основные результаты и выводы 112
Список литературы 113
- Оптические способы управления диаметром
- Статическая математическая модель «контактного метода»
- Анализ ошибки в сигнале управления на конусной части слитка
- Описание системы управления, с полной остановкой подъема тигля, в моменты замыкания контактного датчика
Введение к работе
Металлургия полупроводников является в современном мире одной из наиболее быстро развивающихся отраслей промышленности. Основными полупроводниковыми материалами, обеспечивающими опережающие темпы роста электронной промышленности, являются кремний, германий и арсенид галлия.
Метод Чохральского является основным методом выращивания монокристаллов кремния и германия и в последние годы получил широкое распространение в технологии монокристаллов, благодаря существенным преимуществам, а именно: а) отсутствия контакта между фронтом кристаллизации и контейнером; б) возможности получения монокристаллов заданной кристаллографической ориентации, с малыми отклонениями оси роста от этого направления; в) наличия высоких температурных градиентов в расплаве у фронта кристаллизации, обеспечивающих условия устойчивости гладкого фронта кристаллизации; г) достаточная простота получения монокристаллов больших размеров и пр. Повышение требований к свойствам кристаллов, выращиваемых по способу Чохральского, вызывает необходимость полного исключения воздействия оператора на процесс выращивания монокристаллов, за счет его полной автоматизации на базе ЭВМ.
Если автоматизация поддержания таких параметров процесса выращивания монокристаллов, как скорости вытягивания и вращения затравки, скорости вращения тигля и температуры нагревателя осуществляется достаточно просто, то стабилизация заданной величины диаметра (площади) растущего кристалла является сложной задачей.
В металлургической промышленности получение высококачественных монокристаллов германия (направления "100", диаметр больше 100 мм, с дислокациями менее 1000 шт./см , без мало-угловых границ) невозможно без обеспечения стабильного диаметра слитка (с колебанием не более ±0,5 мм), что одновременно связано с обеспечением плоского фронта кристаллизации кристалла во время его роста и формированию минимальных напряжений в кристалле в процессе его последующего охлаждения.
До сих пор в России и за рубежом не были созданы достаточно надежные системы регулирования диаметра выращиваемых слитков (САРД) по способу Чохральского для материалов с температурой плавления меньше 1000 градусов Цельсия, обладающих низкой светимостью яркостного ореола вокруг мениска расплава, что затрудняет простое использование наиболее распространенных оптических способов контроля диаметра.
К таким материалам, в частности, относится такой полупроводниковый материал, как германий, с температурой плавления 936 С. Для германия сложным оказалось и применение весовых способов регулирования диаметра растущего слитка, в связи со сложностью точного взвешивания самого слитка в процессе роста или взвешивания убывающего расплава в тигле.
Цель данной работы
Целью работы является создание принципиально новых системы автоматического управления и контроля диаметра кристаллов, выращиваемых по способу Чохральского, позволяющих значительно улучшить качество кристаллов, для материалов с низкой температурой плавления, на основе нового "контактного" и "улучшенного контактного метода" определения площади слитка [33, 34].
Методы исследований
Результаты и выводы, представленные в диссертационной работе, обоснованы математически, с использованием аппарата теории функций, дифференциальных уравнений, экспериментальными исследованиями и моделированием на ЭВМ.
6 Научная новизна работы состоит в следующем: предложен и теоретически обоснован принципиально новый контактный метод определения текущей площади выращиваемых слитков, по способу Чохральского; разработана математическая модель контактного метода, позволяющая анализировать его характеристики; разработаны алгоритмы работы и структура систем управления, на базе контактного метода.
Практическая ценность и реализация работы: - разработана методология и созданы оригинальные образцы систем управления выращиванием монокристаллов германия по контактному методу; разработаны алгоритмы и программное обеспечение систем управления выращиванием монокристаллов германия по контактному методу; разработана методика настройки контуров управления; - внедрено в производство ФГУП «Германий» восемь промышленных установок для управления выращиванием монокристаллов германия на базе контактного метода.
На защиту автором выносятся следующие основные положения:
Теоретическая разработка контактного метода управления процессом выращивания монокристаллов.
Математическая модель контактного метода замера текущей площади выращиваемых слитков.
3) Результаты испытаний и внедрения в производство систем автоматического управления выращиванием слитков, на базе контактного метода.
Результаты работы обсуждались на научно-технических конференциях и семинарах:
Научно-техническая конференция «Решетневские чтения» (май, 1996 г., Красноярск, САА);
4-ая Всероссийская научно-техническая конференция «Перспективные материалы, технологии, конструкции» (28-29 мая, 1997 г., Красноярск);
6-ая Всероссийская научно-техническая конференция «Перспективные материалы, технологии, конструкции, экономика», (25-27 мая, 2000 г., Красноярск);
Научно-техническая конференция «Решетневские чтения» (11-14 ноября, 2002 г., Красноярск, СибГАУ);
Региональная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Техника. Инновации» (5-8 декабря, 2002 г., Новосибирск.).
Содержание диссертации опубликовано в работах [33-39].
Оптические способы управления диаметром
Одним из самых распространенных способов контроля диаметра растущего кристалла, является метод контроля яркостного пятна, окружающего кристалл, с помощью оптического пирометра.
Предложенная американской фирмой IBM [104] система автоматического контроля диаметра кристалла этим методом имела чувствительный индикатор, воспринимающий излучение расплава. Полученный сигнал использовали для регулирования условий выращивания: скорости вытягивания кристалла, подъема тигля и скорости вращения тигля.
Оптимальное регулирование достигалось при таком положении индикатора, когда его объектив направлен на поверхность расплава, примыкающего к выращиваемому кристаллу.
Детальное исследование этого метода показало, что появление яркостного кольца у мениска обусловлено отражением мениском расплава, у растущего кристалла, более нагретых участков камеры выращивания.
Автоматическое регулирование диаметра кристалла этим методом основано на оптической чувствительности к яркостному кольцу, а не к чувствительности к выделению тепла на границе раздела кристалл-расплав. В связи с визированием оптических систем на яркостное кольцо, данный метод требует косвенной (по соотношению диаметр тигля - диаметр слитка) стабилизации уровня расплава или его стабилизацию с помощью дублирующих систем управления (лазерных измерителей уровня расплава и пр.). Особо следует отметить метод [85, 96], использующий лазерный пучок и позволяющий поддерживать диаметр выращиваемого кристалла в пределах 1%. на эффекте искривления свободной поверхности жидкого расплава вблизи кристалла в результате действия сил поверхностного натяжения. Наклон жидкого столбика под кристаллом (кривизна мениска), в фиксированной точке на поверхности расплава, вблизи кристалла, является функцией диаметра кристалла. Наклон увеличивается с увеличением диаметра кристалла. Величина наклона определяется с помощью гелий неонового лазера в фиксированной точке. Отраженный луч проектируется через полупрозрачное зеркало к двум фотодиодам, расположенными за серыми фильтрами. При этом величина фототока пропорциональна углу отражения. Для устранения влияния засветки от фона (в первую очередь от расплава) лазерный пучок пропускался через 1 кГц модулятор. Разностный сигнал, с частотой 1 кГц от двух диодов, контролирующих скорость вытягивания и температуру расплава, автоматически поддерживает наклон жидкости вблизи кристалла постоянным. В результате происходит рост монокристалла с постоянным диаметром. Фирма Nansanto (США) предложила оптическую систему с замкнутым контуром для прецизионного регулирования диаметра [107]. Электрооптическая система действует независимо от внешних возмущений в установке, в которой производиться вытягивание и обеспечивается контроль и регулирование диаметра кристалла, на протяжении всего процесса вытягивания. Специальные фотоприемники и особая геометрия электрооптической системы позволяет одновременно генерировать сигналы о положении уровня расплава и мениска, независимо один от другого. В разработанном устройстве [65] автоматического регулирования диаметра кристалла, сигнал, пропорциональный диаметру, основан на проецировании светового кольца вокруг кристалла на чувствительный фотоприемник оптического блока, при условии поддержания системой постоянного уровня расплава в тигле. Постоянство уровня расплава в данной системе управления достигается посредством управления регулятором перемещения тигля, с выхода вычислителя (ЭВМ), на входы которого поступают сигналы, пропорциональные скорости вытягивания кристалла, заданному диаметру и внутреннему диаметру тигля, чем обеспечивается косвенная стабилизация уровня расплава в тигле (за счет вычисления необходимой скорости подъема тигля в процессе выращивания заданного диаметра кристалла). Для полупроводников с высокой температурой плавления ( 1500 С) предложен метод изображения растущего монокристалла в рентгеновских лучах [105]. Точечный источник рентгеновских лучей используют для создания теневого изображения растущего кристалла и верхней части расплава на сцинтилляционном экране. Фирмой Philips (Нидерланды) метод наблюдения в рентгеновских лучах был применен для автоматического управления процессом выращивания монокристаллов GaP [88]. При визировании под углом ф оптической системой на яркостный ореол слитка (Рис. 1.1-1.2) сигнал управления А, в зависимости от отклонения радиуса слитка Аг и высоты расплава Ah, можно представить в виде.
Статическая математическая модель «контактного метода»
Новый контактный метод замера текущей площади слитков, выращиваемых по способу "Чохральского" [33, 34], схематично показанный на Рис. 2.1 и Рис. 2.2., заключается в следующем:
Во вращающемся вокруг своей оси с угловой скоростью WT тигле с внутренним диаметром D находится жидкий расплавленный металл. Слиток диаметром d вытягивается из расплава со скоростью вытягивания затравки Уз и скоростью вращения W3 затравки.
Весь процесс проводиться в камере с инертным газом или в вакууме. Температура расплава поддерживается за счет управления мощностью нагревателя печи с использованием показаний датчика температуры Тз боковой точки нагревателя стандартным управляемым регулятором температуры. На поверхности расплава плавает электропроводный экран, относительно которого замыкается и размыкается контактный датчик, дающий в систему управления сигнал CD об изменении уровня расплава в процессе выращивания слитка.
Стабилизация уровня расплава в тигле происходит за счет управления скоростью подъема тигля вверх на основе сигнала с контактного датчика уровня. Система управления на базе ЭВМ определяет разностный сигнал управления Ау как функцию отклонения текущей площади ST слитка от заданной площади S3 на основе вычисленных перемещений затравки Хзц и тигля Хтц вверх за время Тц - цикла оценки сигнала управления Ау. Стабилизация уровня расплава в тигле осуществляется специальным образом с точностью 1-2 мкм на основе сигнала с контактного датчика CD, при этом в моменты разомкнутого состояния датчика скорость подъема тигля вверх устанавливается равной величиной VTM большей, чем возможная максимальная скорость убывания расплава в тигле V при максимальном допустимом диаметре dmax выращиваемого слитка, а в момент замкнутого состояния датчика величиной VTM/M меньшей, чем возможная скорость убывания расплава V в тигле с минимально допустимым диаметром dmin выращиваемого слитка.
Данное управление обеспечивает периодическое размыкание и замыкание контактного датчика с вычислением сигнала управления Ау, как функции отклонения текущей площади ST слитка от заданной площади S3 с последующим вводом данного сигнала для коррекции текущей площади ST слитка по всем четырем каналам управления: скорости вытягивания затравки Уз, скорости вращения затравки W3, скорости вращения тигля WT, температуры боковой точки нагревателя Тз.
Для упрощения математических выражений слиток можно принять за условно круглый и вместо площадей оперировать текущим d и заданным d3 диаметрами слитка. Процесс подъема тигля вверх со скоростью VTM (РИС. 2) большей на величину опережения "С" чем скорость убывания расплава в тигле V, в момент разомкнутого (Р) состояния датчика (D) и подъем (или останов при М = со), с меньшей в "М" раз скоростью равной VTM/M, чем скорость убывания расплава в тигле в моменты замкнутого (3) состояния датчика (D), можно представить в виде схемы периодического замыкания и размыкания датчика относительно плавающего экрана (Э), двигающегося со скоростью убывания расплава V, которая представлена на Рис. 2.2. Градиенты температур в расплаве существенно зависят от относительной скорости вращения кристалла - суммы числа оборотов его и тигля. Увеличение относительной скорости вращения кристалла способствует перемешиванию расплава, вследствие чего осевые и радиальные градиенты температуры в нем уменьшаются. Это приводит к увеличению переохлажденной области в расплаве под кристаллом, понижению температуры в ней и уменьшению высоты столбика расплава под кристаллом. В результате монокристалл разращивается, диаметр его увеличивается. Наоборот уменьшение относительной скорости вращения кристалла приводит к уменьшению его диаметра - монокристалл "подрезается". Высота столбика расплава чувствительна так же к нарушению баланса тепла на фронте кристаллизации. Так увеличение скорости кристаллизации (вытягивания кристалла) приводит к возрастанию количества тепла (скрытой теплоты плавления), выделяющейся на фронте кристаллизации. Оно не будет успевать рассеиваться, уходить через кристалл, а будет скапливаться в столбике расплава. В результате температура в нем повыситься, что повлечет за собой рассмотренные процессы, приводящие к уменьшению диаметра выращиваемого монокристалла. На Рис. 3. показан переход из стационарного роста кристалла (Рис. З.б), с углом разращивания 62=0, к подрезанию слитка (Рис. З.с), с углом разращивания 93 < 0 или его разращиванию (Рис. З.а), с углом разращивания 91>0. Приближенные аналитические выражения для формы мениска довольно сложны и приведены в работах [61, 62, 86], поэтому ввод данной ошибки в виде математической зависимости на этапах резкого перехода (разращивания или подрезания) слитка сложен. Очевидно, что на цилиндрической части слитка, при постоянно растущем диаметре высота столбика мениска постоянна и погрешности в сигнале управления за счет изменения высоты подъема мениска нет. Данная погрешность вносит значительные изменения при формировании переходных частей слитка (формирование плеч слитка, при переходе с прямого конуса на цилиндр или при переходе с цилиндрической части слитка на обратный конус), основными факторами, влияющими на изменение высоты столбика мениска, являются изменение тепловых условий в зоне фронта кристаллизации, превалирующим из которых является изменение температуры нагревателя, и скорости вытягивания (выращивания) при формировании переходных участков слитка. На полупроводниковом материале германий изменение на переходных участках слитка высоты мениска на 0,5 мм за 1 час, при цикле оценки сигнала управления Тц=60 сек и диаметре слитка d=100 мм, дает погрешность по высоте затравки за цикл замера порядка 8 мкм, что составляет ошибку величиной порядка 2-3 мм в большую сторону при переходе с прямого конуса на цилиндр. Аналогичные рассуждения можно сделать, анализируя еще более сложные зависимости в изменении формы фронта кристаллизации при изменении тепловых условий в процессе роста. Эти изменения сильно сказываются только на переходных участках слитка, а на цилиндрической части слитка фронт кристаллизации можно считать условно плоским.
Анализ ошибки в сигнале управления на конусной части слитка
Разрабатываемые в последние года большегрузные установки по вытягиванию такого полупроводникового металла, как германий, с весом загрузки более 20 кг, представляют собой сложный металлургический агрегат, со значительным числом параметров, требующих полной автоматизации.
Необходимость повышения выхода в готовую продукцию хорошо калиброванных слитков определяет целесообразность создания сложных систем управления процессом, что особенно характерно для ведущих зарубежных фирм [95, 99].
Основные задачи, которые должна решать система автоматического управления (САУ) процессом, следующие: обеспечить оптимальное управление технологическим процессом в условиях получения кристаллов с отклонением от диаметра не больше 1%; сократить численность операторов, сведя до минимума их участия в процессе выращивания, за счет его полной автоматизации.
Решение задачи равномерного распределения примеси в кристаллах, отечественных САУ, обычно решается за счет программного регулирования (по заранее рассчитанной программе) скорости вытягивания кристалла и вращения затравки.
Иногда наоборот, для некоторых марок полупроводников (особенно на германии), для обеспечения необходимых условий роста и формы фронта кристаллизации слитка, близко к плоскому, скорость вытягивания слитка программируется исходя из данных условий, а не условий равномерного легирования вдоль длинны слитка. Скорость вращения тигля, на таких кристаллах, как кремний и германий обычно задается постоянной, хотя, обычно, для расширения технологических возможностей, канал вращения тигля, так же делается программируемым.
Во многих САУ монокристаллов, уровень расплава в тигле стабилизируется или за счет косвенного управления подъемом тигля вверх (на основе вычисления скорости подъема тигля вверх по внутреннему диаметру тигля, скорости вытягивания кристалла и заданному диаметру кристалла), или за счет контуров измерения и стабилизации уровня расплава в тигле (например, при применении лазерных измерителей уровня расплава). Стабильный уровень расплава в тигле [66, 15] позволяет удерживать область зарождения кристалла в зоне нагревателя с неизменными температурными градиентами, что способствует получению совершенной структуры.
В настоящее время кристаллы, выращиваемые в промышленном масштабе, имеют жесткий допуск по диаметру, который не превышает 0,2-1мм [61]. Поскольку тепловые условия у фронта кристаллизации, в обычном методе Чохральского, непрерывно меняются во время выращивания [61], необходимо для сохранения постоянства диаметра кристалла (на основе сигналов с системы регулирования диаметра) непрерывно изменять температуру на нагревателе, помогая при необходимости, дополнительно удерживать заданный диаметр, изменением скорости его вытягивания. Контур изменения мощности, подаваемой на нагреватель, является одним из основных контуров программного регулирования, обеспечивающего заданную форму слитка. При чем, в качестве датчика обратной связи по температуре берут обычно фиксированную точку нагревателя или температуру фиксированной точки тигля. Анализу стабильности процесса роста кристалла по методу Чохральского и необходимости введения, для стабилизации диаметра кристалла сигналов, с систем регулирования диаметра (САРД) посвящен ряд работ [61, 111, 50], в них показано, что наряду с жесткой стабилизацией температуры расплава (0,1-0,2 С) и стабилизации скоростей выращивания (порядка 1%), необходима корректировка нарушений, вызванных случайными изменениями условий роста, что практически невозможно сделать без эффективных систем регулирования диаметра (САРД). Исходя из вышеизложенного, принципы автоматического управления современной системой автоматического выращивания монокристаллов по методу Чохральского можно свести к следующим основным циклам: 1. Автоматическое вакуумирование установки, расплавление, выдержка в расплавленном состоянии и снижение температуры до температуры затравления. 2. Автоматизированное или с участием оператора затравление и вытягивание шейки кристалла определенной длины. 3. Автоматизированное вытягивание прямого конуса слитка. 4. Автоматизированное вытягивание цилиндрической части слитка. 5. Автоматизированное вытягивание обратного конуса слитка. 6. Автоматический отжиг слитка в камере по программе с завершением процесса вытягивания. Системы управления реализуются, как правило, на базе современных ЭВМ, при этом программно задаются базовые (систематические - по графику) изменения всех параметров вытягивания: Т з —температуры расплава; Уз —скорости вытягивания; W3—скорости вращения затравки; WT—скорости вращения тигля. Сигнал с системы регулирования диаметра (САРД) воздействует (со своими подобранными законами регулирования) на скорость вытягивания и температуру на участках 3-5, выше перечисленных циклов вытягивания слитка. В системе управления на германии регулирующее воздействие по диаметру вводиться на все четыре каналы управления одновременно.
Ниже приводиться описание рабочей микропроцессорной системы управления, которая внедрена с 1997 года на более чем 8-ми установках в ФГУП "Германий" с использованием принципа контактного метода, с полной остановкой подъема тигля в момент замыкания контактного датчика [33].
Предлагаемая система управления (Рис. 4.1) представляет собой микропроцессорную систему управления по выращиванию монокристаллических слитков германия по методу "Чохральского" на базе микро-ЭВМ, под управлением которой в камере производится выращивание монокристаллического слитка (диаметром d), со скоростями вытягивания Уз и вращения W3 кристалла, при этом расплавленный металл, находящийся в тигле (с внутренним диаметром D) вращается с угловой скоростью WT (ПО мере убывания расплава в тигле) при условии размыкания контактного датчика относительно плавающего на поверхности металла экрана.
Сигнал с контактного датчика подается через сглаживающую цепочку C1,R1,R2 и блок согласования в ЭВМ для принятия решения об управлении подъемом тигля вверх, которое осуществляется через блок управления шаговым двигателем на каждый шаг двигателя (при условии разомкнутого состояния датчика), в результате чего, кроме скорости подъема тигля вверх VT, в системе формируется информация о перемещении тигля X" с (дискретностью Дт) и информация х" о перемещении кристалла вверх (с дискретностью Дз), снимаемая в ЭВМ с датчика.
Описание системы управления, с полной остановкой подъема тигля, в моменты замыкания контактного датчика
Степанов предложил формировать мениск при помощи специальных формообразователей, помещенных в раствор так, чтобы мениск расплава приподнимался над отверстием в поплавке, лежащем на поверхности расплава в тигле и изготовленном из материала, не смачиваемого расплавом [1, 43-49] т.е., способ Степанова основан на кристаллизации расплава, подаваемого в щель формообразователя под давлением 5-6 г/см . Такое давление создается, либо погружением (за счет веса) формообразователя на глубину 8-9 мм в расплав, либо воздействием на расплав гидравлическим или газовым давлением. Способ Степанова позволяет поддерживать скорость вытягивания и температуру в зоне преобразователя с более грубой точностью по сравнению со способом Чохральского, в частности, температуру в зоне фронта кристаллизации можно поддерживать в 5 раз грубее, в диапазоне ±0,5 градуса, что не приводит к нарушению монороста или обрыву роста слитка.
Формообразователь выравнивает тепловое поле вблизи столба расплава, экранирует тепловое поле расплава в тигле от теплового поля в столбике расплава и в растущем кристалле, уменьшая тем самым колебания температуры вблизи фронта кристаллизации, обеспечивает симметрию теплового поля, влияет на распределение дислокаций и примесей в кристалле, обеспечивает на германии точность стабилизации растущего диаметра порядка 0,5 мм.
На Рис. 5.2 показан схематично принцип совмещения высокоточной системы управления с вытягиванием монокристалла германия через фильеру, заключающийся в следующем: во вращающемся вокруг своей оси, с угловой скоростью WT тигле, с внутренним диаметром D, находится жидкий расплавленный металл, при этом кристалл диаметром йф вытягивается из фильеры со скоростью вытягивания затравки Уз и скоростью вращения \Уз затравки.
Весь процесс проводиться в камере с инертным газом или в вакууме. Температура расплава поддерживается за счет управления мощностью нагревателя печи, на основе показаний датчика температуры Тз боковой точки нагревателя, стандартным управляемым регулятором температуры. На поверхности расплава плавает электропроводная фильера, относительно которой замыкается и размыкается контактный датчик, дающий в систему управления сигнал CD об изменении уровня расплава в процессе выращивания кристалла.
Стабилизация уровня расплава в тигле происходит за счет управления скоростью подъема тигля вверх на основе сигнала с контактного датчика.
В случае использования алгоритмов работы высокоточной системы управления с ценой непосредственно оцениваемых дискрет по перемещению затравки и тигля не менее 0,1 мкм и, учитывая ту особенность, что чувствительность работы данной системы управления будет не хуже 0,1 мм в зоне ±0,5 мм, что и будет соответствовать зоне работы фильеры.
Данная чувствительность позволяет при вытягивании слитка из фильеры по способу Степанова корректировать высокоточной системой управления по сигналу разбаланса температуру нагревателя и скорость вытягивания, улучшая тем самым условия вытягивания и отсутствия моносрывов, что особенно характерно, когда через фильеру выращиваются большие слитки германия (диаметром больше 100 мм).
Другие системы (весовые, оптические) на сегодня у нас в стране и за рубежом не имеют такой возможности корректировки тепловых условий, при вытягивании способом Степанова. Конструктивно данный датчик состоит из графитового изолированного стержня, с которого снимается сигнал CD о замыкании, сам стержень в свою очередь помещен в изолированную кварцевую трубку. На конец стержня навинчивается графитовый конус с легким вставным графитовым стержнем, который замыкается относительно плавающего на поверхности расплава графитового экрана. Легкий графитовый стержень обеспечивает минимальный нажим, при микрозамыканиях и свободное вращение плавающего графитового экрана, без остановки в момент замыкания, что особенно важно для точностых характеристик. Само замыкание датчика оценивается как замыкание на корпус графитового стержня через графитовый плавающий экран. Необходимо отметить, что сам расплав германия имеет в жидком состоянии невысокое сопротивление с корпусом или через сам графитовый тигель (Рис. 5.2), или через вращающийся слиток и затравкодержатель, что подтверждено на промышленных установках по выращиванию германия. На Рис. 5.4 показана схематично конструкция высокоточного датчика уровня, работающего относительно поверхности расплава германия. Конструктивно данный датчик состоит из вольфрам-рениевой проволоки, с которой снимается сигнал CD о замыкании, сама проволока в свою очередь помещена в изолятор. На конце проволоки укреплен графитовый стержень, который замыкается относительно жидкого расплава германия. Для условия отсутствия намерзания расплава на стержень через проволоку прпускается небольшой постоянный ток (менее 0,5 А) для подогрева стержня выше температуры кристаллизации расплава германия (936 С). Анализ динамических свойств системы автоматического управления выращиванием слитков на базе «контактного метода» Система управления в динамическом режиме рассматривается как линейная аналоговая система управления по каналам скорости вытягивания V и температуры расплава Т, с нелинейностью в виде зависимости диаметра вытягиваемого кристалла d от скорости вытягивания V и температуры Т. Для анализа системы управления использованы математические зависимости: - зависимость диаметра вытягиваемого кристалла d от скорости вытягивания V и температуры Т; - выражение сигнала управления и ошибки; - математическая модель контура управления по скорости; - математическая модель контура управления по температуре. На основе данных выражений получены и анализируются структурные схемы системы управления.
