Введение к работе
Актуальность работы. Металлургия полупроводников является в
современном мире одной из наиболее быстроразвивающихся отраслей
промышленности. Основными полупроводниковыми материалами,
обеспечивающими опережающие темпы роста электронной промышленности, являются кремний, германий и арсенид галлия. Выращивание монокристаллов кремния и германия из тигля с расплавом в последние годы получило широкое распространение. Повышение требований к свойствам кристаллов вызывает необходимость полного исключения воздействия оператора на процесс выращивания за счет его полной автоматизации на базе ЭВМ. Автоматизация поддержания таких параметров процесса выращивания монокристаллов, как скорости выращивания, скорости вращения кристалла, скорости вращения тигля и температуры нагревателя осуществляется достаточно несложно, измерение же и управление заданной величиной площади (диаметром) выращиваемого кристалла является сложной задачей. Методы вытягивания кристаллов из расплава берут начало от работ Накена, Чохральского и Киропулоса, которые были продолжены в области автоматизации процесса выращивания такими учеными, как Лейбович, Шмидт, Возка. Большой вклад в автоматизацию выращивания германия и кремния внесли работы ученых института ФГУП «Гиредмет» (г. Москва), а так же разработки и патенты таких ведущих фирм США, как International Business Machines, Nan Santo, Royal Radar Establishment.
Получение высококачественных монокристаллов германия
(кристаллографического направления «100», диаметром больше 100 мм, с дислокациями менее 1 000 шт./см , без мало-угловых границ) невозможно без обеспечения стабильной площади (диаметра) кристалла, с колебанием не более ± 0,5%, что связано с обеспечением плоского фронта кристаллизации кристалла и формированием минимальных напряжений в кристалле в процессе роста и последующего охлаждения. Для германия (с температурой плавления 936С) сложным оказалось применение оптических систем контроля и управления диаметром кристалла. Это связано со слабой светимостью ореола мениска растущего кристалла германия и необходимостью применения для многих марок процесса выращивания в закрытой тепловой оснастке, обеспечивающей необходимые низко-градиентные тепловые условия роста и закрывающей оптический обзор кристалла. При внедрении весового способа измерения и регулирования диаметра выращиваемого кристалла германия пришлось столкнуться с трудностью решения технической проблемы точного взвешивания самого кристалла в процессе роста или взвешивания убывающего расплава во вращающемся тигле. Исходя из вышеизложенного, была сформулирована цель диссертационной работы.
Цель диссертационной работы. Разработка методов управления процессом выращивания монокристаллов германия совершенной структуры в
закрытой тепловой оснастке и создание на этой основе систем автоматического управления.
Объектом исследования диссертационной работы являются: методы и средства управления процессом выращивания монокристаллов германия при выращивании в условиях низких температурных градиентов.
Предметом исследования диссертационной работы являются: системы автоматического управления выращиванием монокристаллов германия на основе контактного метода измерения площади выращиваемого кристалла.
Задачами исследований являются: математическое обоснование сигнала управления текущей площадью кристалла на основе широтной модуляции сигнала датчика уровня; математическое обоснование закона формирования заданной скорости выращивания кристалла; математическое обоснование закона формирования температуры выращивания кристалла; анализ динамических свойств системы управления; математическое обоснование и разработка алгоритмов управления микропроцессорной системой управления выращиванием монокристаллов германия.
Методы исследований. Результаты и выводы, представленные в диссертационной работе, обоснованы математически с использованием аппарата теории функций, теории автоматического управления, дифференциальных уравнений, моделированием на ЭВМ, а также экспериментальными исследованиями на рабочих установках по выращиванию монокристаллов германия, разработанных на основе контактного метода измерения.
Достоверность научных результатов подтверждена корректным обоснованием и анализом методов решения поставленных задач, результатами моделирования на ЭВМ, а также экспериментальными исследованиями, выполненными при различных параметрах технологического процесса на работающих микропроцессорных установках по выращиванию монокристаллов германия.
Основные результаты :
получена математическая модель датчика уровня расплава, позволяющая определять сигнал управления как функцию отклонения текущей площади кристалла от заданной, на основе широтной модуляции сигнала датчика уровня, с точностью оценки площади кристалла 0,5 %;
получен алгоритм управления температурой боковой поверхности нагревателя по всей длине кристалла;
получен алгоритм управления скоростью выращивания кристалла по всей длине кристалла;
получена методика динамического анализа системы управления, позволяющая определять коэффициенты регулирования по скорости и температуре, обеспечивающие минимум
колебательности в системе управления при воздействии возмущающих факторов;
разработано программное управление скоростью вращения кристалла для проявления формы фронта кристаллизации монокристаллов германия кристаллографического направления «100»;
разработана структурная, функциональная и принципиальная схема микропроцессорной системы управления выращиванием монокристаллов германия, разработаны алгоритмы работы микропроцессорной системы управления выращиванием монокристаллов германия.
Научная новизна работы состоит в следующем:
разработана новая методология управления процессом выращивания монокристаллов германия в закрытой тепловой оснастке на основе контроля и управления параметрами процесса выращивания кристалла (текущей площадью кристалла, величиной длины прямого конуса, цилиндрической части и обратного конуса кристалла);
разработана математическая модель датчика уровня расплава, позволяющая контролировать отклонение текущей площади кристалла от заданной, на основе широтной модуляции сигнала датчика уровня, с точностью оценки площади кристалла 0,5 %;
разработан алгоритм управления температурой боковой поверхности нагревателя по всей длине кристалла;
разработан алгоритм управления скоростью выращивания кристалла по всей длине кристалла;
разработана методика динамического анализа системы управления, позволяющая определять коэффициенты регулирования по температуре и скорости выращивания кристалла.
Значение для теории имеют: математическая модель для вычисления сигнала управления с широтной модуляцией сигнала датчика уровня; алгоритм управления температурой боковой поверхности нагревателя на всех участках выращивания кристалла; алгоритм управления скоростью выращивания кристалла на всех участках выращивания кристалла; методика динамического анализа системы управления.
Практическая ценность и реализация работы:
разработана функциональная, структурная, принципиальная
схема, алгоритмы и программное обеспечение систем управления
выращиванием монокристаллов германия, на основе контактного
метода измерения текущей площади кристалла;
изготовлены и внедрены в производство ФГУП «Германий» (г. Красноярск) микропроцессорные системы управления выращиванием монокристаллов германия на основе контактного метода измерения текущей площади;
разработана методика настройки динамических контуров системы управления выращиванием монокристаллов германия.
Рекомендации по использованию результатов исследований. Результаты диссертационной работы могут быть использованы при расчете и проектировании систем управления ростовым оборудованием выращивания кристаллов германия, алюминия и меди.
На защиту автором выносятся следующие основные положения:
методология управления процессом выращивания монокристаллов германия в закрытой тепловой оснастке на основе контроля и управления параметрами процесса выращивания кристалла (текущей площадью кристалла, величиной длины прямого конуса, цилиндрической части и обратного конуса кристалла);
математическая модель датчика уровня расплава, позволяющая контролировать отклонение текущей площади кристалла от заданной, на основе широтной модуляции сигнала датчика уровня, с точностью оценки площади кристалла 0,5%;
алгоритм управления температурой боковой поверхности нагревателя по всей длине кристалла;
алгоритм управления скоростью выращивания кристалла по всей длине кристалла;
методика динамического анализа системы управления, позволяющая определять коэффициенты регулирования по температуре и скорости выращивания кристалла.
Работа выполнена в Сибирском государственном аэрокосмическом университете имени академика М. Ф. Решетнева.
Апробация результатов работы.
Результаты работы обсуждались на научно-технических конференциях и семинарах:
Научно-техническая конференция «Решетневские чтения» (май, 1996 г., Красноярск, СибГАУ);
4-я Всероссийская научно-техническая конференция «Перспективные материалы, технологии, конструкции» (28-29 мая 1997 г., Красноярск);
6-я 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 «Наука. Техника. Инновации» (5-8 декабря 2002 г., Новосибирск);
9-я международная научно-техническая конференция «Кибернетика и высокие технологии 21 века» (13-15 мая 2008 г, Воронеж);
4-я международная научно-техническая конференция «Прогрессивные технологии в современном машиностроении» (10 июня 2008 г., Пенза).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 27 научных работ, из которых 16 по списку ВАК, 1 монография, получено 2 патента РФ.
Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и приложений. Общий объем диссертации без приложений 220 с, в т. ч. диссертация содержит 2 таблицы, 152 рисунка и список литературы из 206 наименований. В приложения вынесены: 23 графика по моделированию режимов выращивания монокристаллов германия крупногабаритной ИК-оптики; копии двух актов внедрения микропроцессорных системы управления в производство ФГУП «Германий».
Автор считает своим долгом выразить глубокую благодарность за обсуждения, критические замечания и ценные советы по работе на этапах ее выполнения научному консультанту д. т. н., проф. В. Д. Лаптенку, д. т. н., доц. А. В. Мурыгину, д. т. н., проф. А. В. Медведеву.
