Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Общая характеристика процессов выращивания кристаллов из расплава и современные тенденции в проектировании и изготовлении термического оборудования 13
1.1. Тепловые процессы при выращивании кристаллов 13
1.2. Факторы, влияющие на процесс направленной кристаллизации 15
1.3. Методы направленной кристаллизации, их преимущества и недостатки 20
1.3.1. Метод Бриджмена 20
1.3.2. Метод зонной плавки 21
1.3.3. Метод Чохральского 23
1.4. Некоторые особенности выращивания монокристаллов разлагающихся соединений 24
1.5. Особенности существующих реализаций термических установок для выращивания кристаллов 26
1.6. Особенности существующих реализаций модульных структур термических установок для выращивания кристаллов 31
1.7. Постановка задачи 33
Выводы 35
Глава 2. Разработка модели многозонной термической установки 36
2.1. Описание объекта моделирования 36
2.1.1. Конструктивные особенности объекта моделирования 36
2.1.2. Температурное поле в рабочем объеме многозонной термической установки 42
2.2. Общие модельные представления о тепловых процессах при выращивании кристаллов и особенности подходов к расчету температурных полей в оборудовании для кристаллизации по Бриджмену 43
2.3. Разработка математической модели нагревательного модуля многозонной термической установки 60
2.4. Модель многозонной термической установки и формулировка математической задачи для ее численного анализа 68
2.5. Методика моделирования термических установок в пакете прикладных программ Comsol Multiphysics 72
2.6. Настройка параметров математической модели 80
Выводы 86
Глава 3. Разработка алгоритмов настройки и исследования тепловых процессов при выращивании кристаллов методом Бриджмена в многозонной термической установке численными методами 88
3.1. Основные этапы технологического процесса выращивания кристаллов в вертикальном варианте метода Бриджмена в многозонной термической установке 88
3.1.1. Процесс калибровки многозонной термической установки 88
3.1.2. Режимы технологического процесса выращивания кристаллов 90
3.2. Экспериментальные исследования по выращиванию монокристаллов ZnGeP2 в инновационной многозонной термической установке 93
3.3. Вычислительный эксперимент. Расчет скоростей роста, положения и формы фронта кристаллизации 95
3.3.1. Условия проведения вычислительного эксперимента 95
3.4. Исследование влияния конструкционных параметров термической установки и технологических параметров процесса выращивания кристаллов на факторы, определяющие качество растущего кристалла 102
3.4.1. Исследование влияния теплопроводности подставки ростового контейнера на осевые скорости роста кристалла и форму фронта кристаллизации 103
3.4.2. Исследование влияния теплопроводности теплопроводящих дисков нагревательных модулей на осевые скорости роста кристалла и форму фронта кристаллизации 105
3.4.3. Исследование влияния неоднородности распределения температуры боковой поверхности рабочего объема установки на осевые скорости роста кристалла и форму фронта кристаллизации 108
3.4.4. Влияние осевого распределения температуры в рабочем объеме на осевые скорости роста кристалла и форму фронта кристаллизации 111
3.4.5. Исследование влияния отношения коэффициентов теплопроводности кристалла и расплава на осевые скорости роста кристалла и форму фронта кристаллизации 113
3.4.6. Исследование влияния теплопроводности кристалла на осевые скорости роста кристалла, положение и форму фронта кристаллизации 115
3.5. Алгоритм оценки тепловых мощностей нагревательных элементов 118
Выводы 123
Глава 4. Разработка программно-алгоритмических средств управления многозонной термической установкой для выращивания кристаллов 125
4.1. Особенности управления многозонной термической установкой 125
4.2. Система управления многозонной термической установкой на основе программы термических режимов технологического процесса 128
4.3. Сопровождение процесса выращивания кристаллов с помощью пакета калибровочных моделей 142
4.4. Разработка системы управления многозонной термической установкой на основе математической модели в режиме советчика 149
Выводы 154
Заключение 155
Литература 158
Приложение 1. Теплофизические свойства веществ 170
Приложение 2. Акты внедрения результатов диссертационной работы 173
- Особенности существующих реализаций термических установок для выращивания кристаллов
- Разработка математической модели нагревательного модуля многозонной термической установки
- Условия проведения вычислительного эксперимента
- Система управления многозонной термической установкой на основе программы термических режимов технологического процесса
Особенности существующих реализаций термических установок для выращивания кристаллов
В простейшем случае термические условия для направленного выращивания кристаллов можно создать с помощью одного нагревателя. Рассматривая спиралеобразный нагревательный элемент, помещенный в теплоизолирующую трубу, можно с уверенностью утверждать, что вдоль оси нагревателя в его средней части будет создаваться наиболее горячая зона большей или меньшей протяженности (в зависимости от соотношения между длиной нагревателя и его диаметром), а на краях нагревателя должно происходить плавное (по параболическому закону) снижение температуры (рис 1.1). На краю нагревателя можно выбрать участок ab, на котором осевое распределение температуры почти линейное и его можно использовать для направленного роста [11]. Часто практикуемое расширение высокотемпературного плато можно достигнуть путем применения многозонных установок, в которых кроме центральной, имеются торцевые, отдельно регулируемые зоны. Показано [12], что при достаточной длине торцевой зоны, можно обеспечить компенсацию краевых эффектов и стабилизировать температуру по всей длине центральной зоны.
При использовании одного нагревателя уверенно и надежно можно управлять только одним параметром - температурой перегрева расплава относительно точки кристаллизации. Всеми другими параметрами для текущего управления средств нет, даже при возможности их контроля. Поэтому такой вариант применяется очень редко и только на самых ранних этапах исследований, когда о кристаллизуемом материале практически ничего неизвестно.
Чтобы появились возможности управления термическими условиями при росте кристаллов, необходимо использовать установку, состоящую, как минимум, из трех зон. Одна из этих зон (высокотемпературная) должна нагреваться до температуры, превышающей точку плавления рабочего вещества. Вторая зона (низкотемпературная) должна поддерживаться при температурах ниже точки плавления. Третья, переходная зона (иногда ее называют «градиентной») реализуется в промежутке между высокотемпературной и низкотемпературной зонами. Сначала ростовой контейнер с рабочим веществом помещают в высокотемпературную зону и материал расплавляют. Затем его медленно перемещают в низкотемпературную зону. Расплав, перемещаясь вместе с тиглем, достигает точки плавления, расположенной в градиентной зоне, и кристаллизуется. После прохождения градиентной зоны закристаллизованный материал оказывается в низкотемпературной зоне и вместе с ней охлаждается.
Трехзонный вариант установок для направленной кристаллизации в течение нескольких десятилетий удовлетворял требованиям практики и довольно часто используется в настоящее время. Однако усложнение состава кристаллизуемых веществ, задачи получения твердых растворов и требования повышения качества и технологического выхода кристаллических материалов для технических приложений заставили искать пути совершенствования установок.
Конструирование и исследование термических установок для выращивания монокристаллов с прецизионным регулированием температурных полей сложной структуры относится к одной из основных проблем современной технологии получения полупроводниковых материалов и приборов [13]. Проведенный анализ научно-технической и патентной информации по данной тематике показал [14-16], что современные термические ростовые установки должны удовлетворять следующим требованиям.
1. Обеспечивать получение в рабочем объеме установки одного или нескольких плато с заданной температурой, контролируемой с высокой точностью (±0,1 С).
2. Обеспечивать прецизионный контроль температуры не только на заданных температурных плато, но и на всех градиентных участках осевого распределения температуры установки.
3. Обеспечивать высокую точность и воспроизводимость температурного поля в рабочем объеме при рутинной эксплуатации найденных технологических режимов.
4. Обеспечивать получение, прецизионный контроль и управление заранее заданной последовательностью осевых распределений температуры в рабочем объеме, как в пространстве, так и во времени.
5. Обеспечивать максимально возможное снижение энергопотребления при реализации требуемых режимов работы.
Следует отметить, что требования 1 и 2 к высокоточному контролю температуры были выполнены к 80-м годам прошлого столетия, после промышленного освоения производства прецизионных преобразователей сигналов термопар [17]. Необходимая воспроизводимость режимов и прецизионное управление ими (требования 3 и 4) стали возможными после внедрения систем силовых электроприводов, обеспечивающих регулирование тепловой мощности с точностью 0,1 %. Что касается динамики процесса и улучшения энергопотребления, то задачи обеспечения этих требований нужно отнести на счет программного обеспечения и систем управления, специально разрабатываемых для каждого материала с учетом особенностей применяемого оборудования.
Безусловно, создать термические установки со сложной структурой осевого распределения температуры (например, несколько плато различной длины) невозможно без применения хорошего теплоизолирующего слоя между нагревателями, чтобы устранить их взаимное тепловое влияние. Менее очевидная специфика температурного поля проявляется, когда в промежутках между температурными плато требуется создать участки распределения температуры (градиентные зоны) с различной регулируемой крутизной. В таких случаях, для получения заданных градиентов осевого распределения температуры между нагревателями, формирующими температурное плато, и нагревателями переходных зон вводят двухслойные сэндвич-конструкции, один из слоев которых обладает теплоизолирующими свойствами, а другой является выраженным теплопроводником, способным обеспечить необходимый теплоотвод. Конструкция теплопроводников может быть различной: в виде колец [18], плит или стержней, термически связанных с внешней системой охлаждения [19, 20].
Основные тенденции
Анализ патентной документации показывает, что все разработки в области создания и развития термических установок для выращивания кристаллов в соответствии с поставленными в них целями, а также их конструктивному решению можно условно разделить на четыре группы.
1. Патенты, предметом изобретения которых является разработка установок с постоянным температурным плато в рабочем объеме.
Достигается это с помощью различных конструктивных решений:
а) использование переменного шага обмотки спирали нагревателя;
б) использование системы из нескольких самостоятельно регулируемых нагревателей [21];
в) создание нескольких зон нагрева [22, 23];
г) уменьшение потерь тепла в рабочем объеме с помощью системы разного рода экранов, установленных над нагревателем.
Разработка математической модели нагревательного модуля многозонной термической установки
Специфика процессов выращивания кристаллов (большая продолжительность, высокая точность поддержания температурных режимов функционирования и воспроизводимости температурных полей) налагает на элементы и блоки термического оборудования целый ряд жестких требований к их функциям и конструкции:
- изоляция рабочего объема от окружающей среды;
- оперативность передачи тепловой энергии от нагревателя в рабочий объем установки;
- однородность радиального и продольного распределения температуры на поверхности рабочего объема;
- ограничение температуры внешней поверхности нагревательного модуля.
Применение математического моделирования при проектировании элементов термических установок дает возможность оценить соответствие термического оборудования выдвигаемым требованиям. А также позволяет на основании сравнения мощностных показателей различных вариантов проектировать и изготавливать термическое технологическое оборудование с рациональными эксплуатационными и экономическими показателями.
Тепловой баланс для нагревательного модуля выглядит следующим образом: тепловая энергия, вырабатываемая в нагревательных элементах, расходуется на нагрев и поддержание температурного поля и рассеивается в окружающую среду с внешней боковой поверхности модуля. Т. к. в рабочем режиме функционирования модуль сверху и снизу ограничен соседними нагревательными модулями, которые имеют температурное поле, близкое к полю рассматриваемого модуля, то теплообменом с торцевых поверхностей можно пренебречь. Теплопередача внутрь рабочего объема осуществляется за счет теплопроводности, так как там находится только воздух с температурой, близкой к температуре боковой поверхности рабочего объема.
Тепловая энергия, вырабатываемая в нагревателях, передается в элементы нагревательного модуля за счет теплопроводности. Температурное поле во всех областях непрерывно. Предполагается, что элементы конструкции являются идеальными диэлектриками, это позволяет не учитывать утечек электрической энергии из нагревательных элементов.
Для решения задачи (2.1) с граничными условиями (2.2—2.6) и начальным условием (2.7) использовался метод конечных элементов. Составлена расчетная схема (рис. 2.6), максимально отражающая конструктивные особенности нагревательного модуля. Заданы граничные условия, источники тепловыделения и теплофизические свойства 30 г. см материалов. Расчетная область дискретизировалась тетраэдральной сеткой конечных элементов (рис. 2.7). см
Исследование температурного поля нагревательного модуля
Генерация тепловой энергии в нагревательных элементах происходит за счет Джоулевого тепловыделения при прохождении по ним электрического тока. С целью снижения энергопотребления для получения того же уровня температур используются зигзагообразные формы нагревателей (рис. 2.6, а), которые позволяют с одной стороны повысить выделение тепла за счет увеличения длины нагревателя, а с другой расширить эффективную зону действия нагревателя.
С точки зрения составления расчетной схемы геометрия нагревательного модуля с нагревателями в форме зигзагообразной дуги сложна. Упрощение нагревательного элемента в форме гладкой дуги (рис. 2.8) позволяет снизить сложность задачи, а в случае осевой симметрии температурного поля нагревательного модуля использовать двухмерную геометрию для моделирования тепловых процессов в термической установке (системе нагревательных модулей).
Целью исследования является определение особенностей температурного поля нагревательного модуля и мощностных параметров нагревательных элементов различного исполнения: в форме гладкой дуги (модуль первого типа) и в форме зигзагообразной дуги (модуль второго типа).
Расчеты проведены для материалов с теплофизическими свойствами, приведенными в Приложении 1. Значения мощностных характеристик нагревательных модулей определялись следующим образом: источник питания нагревателя HI отключается, с помощью нагревателя Н2 модуль нагревается до достижения 900 С в контрольной точке (ТПЗ). Полученное значение тепловой мощности считается базовым для Н2 и фиксируется. Затем с помощью изменения мощности HI модуль нагревается до 1000 С в контрольной точке.
Температурные кривые при условии достижения 1000 С в контрольной точке для модулей первого и второго типа представлены на рис. 2.9. Значения силы тока в нагревательных элементах, требуемые для реализации данных распределений температуры, приведены в таблице 2.2.
Модуль второго типа позволяет реализовывать требуемое температурное поле при меньших значениях силы тока, при этом тепловые мощности нагревателей приблизительно равны (табл. 2.2).
Анализ температурных кривых показывает, что в нагревательных модулях обоих типов наблюдается плато с максимальной температурой -1000 С по радиусу до г-0,05м. На внешней поверхности по сечениям р=0 и (р=л наблюдается повышенная температура -300 С, в то время как для сечения р=ті/2 температура внешней поверхности составляет 150 С. Такая неравномерность температуры по угловой координате связана с дополнительным тепловыделением в токовыводах и их высокой теплопроводностью.
Градиенты температуры в нагревательных модулях с нагревателями различной формы отличаются незначительно (табл. 2.3). Полученные данные позволяют оценить уровень термических напряжений и определить требования к используемым материалам.
На рис. 2.10 изображены распределения температуры на поверхности рабочего объема. Нагревательный модуль второго типа имеет меньшую неоднородность распределения температуры, -5,5 С.
В результате математического моделирования тепловых процессов в нагревательном модуле термической установки оценены мощностные характеристики нагревательных элементов. Получено, что для нормального функционирования модуля первого типа необходимо 13,7 и 92,3 Вт для HI и Н2, соответственно, а для функционирования модуля второго типа - 12,5 и 87,8 Вт, соответственно. Установлено, что температура внешней поверхности модулей в рабочем режиме не превышает 150 С, в то время как температура токовывода вблизи внешней поверхности составляет -330 С. Получено, что градиенты температуры в элементах модуля не превышают предельно допустимых значений для данных материалов. Показано, что формы температурных полей модулей первого и второго типов близки.
Применение нагревательных элементов в форме зигзагообразной дуги позволяет формировать более однородное температурное поле, чем для нагревательных элементов в форме гладкой дуги, за счет снижения влияния токовыводов. Также использование нагревательных модулей второго типа позволяет получать требуемые температурные поля при более низких значениях электрического тока, что должно привести к снижению энергопотребления.
Условия проведения вычислительного эксперимента
Т. к. пространственная однородность (качество) растущего кристалла определяется вариациями осевой скорости роста кристалла и формой фронта кристаллизации, то целевое назначение вычислительных экспериментов состояло в исследовании поведения этих характеристик процесса выращивания кристаллов в зависимости от положения ростового контейнера в установке.
Для проведения вычислительных экспериментов использована модель термической установки и ее математическое описание, рассмотренные в главе 2. В рабочем объеме реализовано осевое распределение температуры, номинально обеспечивающее условия роста ZnGeP2 (рис. 3.2). Начальное положение ростового контейнера - нижний край ампулы установлен на высоте 46,1 см от нижнего края установки. Положение точки кристаллизации (Тт—\ 027 С) на оси симметрии (г=0) определяется координатой z=52 см.
В связи с тем, что скорость перемещения ростового контейнера мала, то процесс выращивания кристалла можно считать квазистационарным, а оценку динамики изменения температурного поля установки можно получить путем нахождения последовательности стационарных распределений температур при различных положениях ростового контейнера.
Анализ полученных распределений (рис. 3.2) показывает [78] следующее:
— краевые эффекты, как и ожидалось, вызывают резкое понижение осевой температуры в нижней и верхней частях рабочего объема установки;
— на боковой поверхности рабочего объема распределение температуры имеет волнообразный характер. Такое поведение связано с дискретным расположением нагревательных модулей М1-М23 (рис. 2.3, а), разделенных теплоизолирующими прокладками (10) и наличием теплопроводящих дисков (8) у модулей М18-М22. Амплитуда отклонений температуры относительно средневзвешенных по координате значений в низкотемпературной и высокотемпературной зонах составляет около 7,5 С, а в градиентной зоне не превышает 1 С;
— на оси установки реализуется сглаженное распределение температуры — амплитуда отклонений температуры от средних значений составляет около 0,8 и 0,4 С в высокотемпературной и низкотемпературной тепловой зонах, соответственно.
Распределения уставок регуляторов мощности и тепловых мощностей нагревателей термической установки в начальном состоянии приведены в таблице 3.1. Для определенных выше условий проведено две серии вычислительных экспериментов, целью которых является исследование поведения нормированной (к номинально заданной) скорости роста кристалла (v) в процессе выращивания.
В первой серии фиксировались тепловые мощности нагревательных элементов. Во второй серии — уставки регуляторов мощности нагревательных элементов. Затем выполнялись численные расчеты температурного поля установки для различных положений ростового контейнера (А/г). Результаты оценки нормированной осевой скорости роста кристалла приведены на рис. 3.6, 3.7. Скорость движения ростового контейнера во всех случаях полагалась равной одной условной единице.
Как показывают численные расчеты (рис. 3.6), зависимость скорости роста кристалла от положения ростового контейнера имеет волнообразный характер. При фиксации мощностных параметров нагревателей (серия 1) перемещение ростового контейнера вдоль оси рабочего пространства вниз вызывает смещение точек кристаллизации на оси и на боковой поверхности растущего кристалла от своих начальных положений с разными скоростями, следовательно, кривизна фронта постоянно изменяется (табл. 3.2). В начале процесса выращивания кристалла изотерма кристаллизации имеет форму, выпуклую в сторону затравочного кристалла, которая в ходе процесса несколько раз инвертируется. На первых этапах, когда форма фронта кристаллизации выпуклая в сторону кристалла, пониженная скорость роста кристалла по сравнению со скоростью движения ростового контейнера представляет собой благоприятный фактор для разращивания затравочных кристаллов, т. к. при этом уменьшаются отклонения от равновесного состояния. Однако уже к моменту выхода кристалла на стационарный диаметр скорость роста кристалла превышает скорость перемещения ростового контейнера. Повышенная скорость роста кристалла может приводить к нарушению монокристалличности.
Обеспечение стабильности температурного поля установки, достигаемой за счет управления тепловыми мощностями нагревателей, позволяет снизить амплитуду изменения осевой координаты точки кристаллизации в процессе перемещения ростового контейнера (табл. 3.2). Как и в предыдущем случае (серия 1), на первых этапах процесса выращивания кристалла, скорость роста кристалла меньше скорости движения ростового контейнера. После выхода фронта кристаллизации в коническую часть ампулы диаметр растущего кристалла начинает увеличиваться, и проблема паразитного зародышеобразования (образования дополнительных центров кристаллизации) становится актуальной. В рассмотренном случае эта проблема блокируется тем, что скорость изотермы кристаллизации на оси в начальной стадии процесса оказывается выше по сравнению с периферийной и на участке вблизи ЛЛ 2 см кривизна фронта кристаллизации меняет знак, а, следовательно, выпуклый в сторону затравочного кристалла фронт кристаллизации трансформируется в выпуклый в сторону расплава, что должно способствовать подавлению паразитного зародышеобразования. Только после выхода на стационарный диаметр (участок ДА от 4 см), форма изотермы кристаллизации снова становится выпуклой в сторону затравочного кристалла, но кристалл уже сформирован и проблема появления паразитных центров кристаллизации теряет актуальность. Скорость роста кристалла при этом остается стабильной и по величине лишь немного превышает скорость перемещения ростового контейнера (примерно в 1,35 раза). Как правило, повышение скорости роста кристалла является неблагоприятным фактором для качества, но технолог, имея оценки скорости роста, может изменить параметры технологического режима. Положение фронта кристаллизации в начале процесса роста немного опускается, затем, после выхода растущего кристалла на стационарный диаметр, непрерывно поднимается вверх (рис. 3.8, а, в). Видно, что стабилизация температурного поля установки (серия 2) позволяет эффективно ( в 1,5 раза) снизить амплитуду отклонений положения фронта кристаллизации относительно начального (табл. 3.2).
Результаты моделирования температурного поля в рабочем объеме термической установки для роста кристаллов по методу Бриджмена с учетом перемещения ростового контейнера показывают, что:
- в процессе продольно-осевого перемещения ростового контейнера возможны инверсии формы фронта кристаллизации, что может вызвать срыв монокристаллического роста и снизить качество кристалла;
- фактическая скорость роста кристалла отклоняется от скорости перемещения контейнера в ту или другую стороны, причем при фиксации мощностей отношение скоростей может достигать двух раз, а при стабилизации температурного поля установки не превышает 30 % на участке Л/г от 5 до 9 см, затем величина отклонения возрастает до 1,6 раз;
— положение фронта кристаллизации в начале процесса выращивания опускается вниз, затем после выхода растущего кристалла на стационарный диаметр непрерывно поднимается вверх.
Таким образом, численные исследования показали, что в ходе технологического процесса выращивания температурное поле в рабочем объеме установки изменяется, что приводит к изменениям осевой скорости роста кристалла. Необходимо найти условия для снижения отклонений скорости перемещения фронта кристаллизации от скорости ростового контейнера и для реализации выпуклой в сторону расплава или плоской формы фронта кристаллизации. Для поддержания постоянной скорости роста кристалла требуется вносить непрерывную коррекцию либо для скорости перемещения ростового контейнера, либо для температурного поля в рабочем объеме.
Система управления многозонной термической установкой на основе программы термических режимов технологического процесса
Основная задача системы управления термической установкой состоит в обеспечении заданного термического режима функционирования. Многочисленными экспериментальными работами по выращиванию монокристаллов методом Бриджмена, проведенными в нашей стране [94] и за рубежом [95], показано, что хорошее качество кристаллов достигается, если в технологическом процессе выполняются следующие условия:
- скорость изменения температуры не превышает 1 С/мин для обеспечения допустимого уровня термомеханических напряжений элементов установки и рабочего объема;
- точность регулирования и поддержания заданных термических режимов не хуже 0,1 С для достижения однородности структурных свойств выращиваемого кристалла.
Для реализации вышеперечисленных требований нами разработана система программного управления многозонной термической установкой в виде управляющего вычислительного комплекса (УВК) (рис. 4.1), включающего информационно-измерительную и управляющую системы [96-98].
Информационно-измерительная система установки выполняет функции представления максимально возможной информации оператору-технологу, а именно:
- показания термопар для контроля и организации управления термическими режимами, Мштук;
- показания термопар для контроля распределения температуры в рабочем объеме, S штук;
- выделяемая мощность нагревателей {Qt, i = \,N), N — количество нагревательных элементов;
- положение ростового контейнера h{i).
В состав информационно-измерительной системы входят:
— (M+S) двойных термопар платиновой группы с градуировкой llll(S);
— (M+S) термостатов для обеспечения постоянной температуры холодных спаев термопар. Температура термостатирования - 60 С. Точность регулирования температуры термостата составляет ± 0,01 С;
- (M+S) каналов ввода аналоговых сигналов со встроенными 16-и разрядными АЦП.
С целью исключения внесения искажений в электрическую сеть, для управления тепловой мощностью нагревателей используется фазовый принцип, сущность которого сводится к следующему. При сигнале управления Uy,{f) = J7max, симисторы полностью открыты, и управляющему напряжению С/тах соответствует максимальная тепловая мощность. При 0 Uy,{t) Umax в цепь нагревателя пропускается только часть напряжения питания сети. При Uyi(t) = 0 симисторы закрыты, и электрический ток в цепи нагревателей отсутствует.
Положение ростового контейнера h(i) в рабочем объеме термической установки определяется из выражения /2(7) = h0 - V(t - го), где h0 - начальное положение ростового контейнера, м; V — скорость перемещения ростового контейнера, м/с.
Алгоритмы управления отработаны на макете длинного теплопроводящего стержня [90, 91]. Регулирование мощности каждого из нагревательных элементов осуществляется независимо, с помощью управляющего воздействия на соответствующий ему источник питания. Выбор регулятора и его настроек состоит из следующих этапов [99]:
- выбор закона регулирования, а, следовательно, и типа регулятора на основании динамических характеристик объекта, заданной точности регулирования и характера возмущающих и управляющих воздействий;
- определение числовых значений параметров регуляторов, при которых обеспечивается наиболее приемлемый переходный процесс в системе;
- поверочный анализ качества работы системы при найденных параметрах и при входных воздействиях заранее заданного вида.
Анализ литературы, проведенный в разделе 1.5, показал, что при управлении прецизионными установками для выращивания кристаллов широко используются регуляторы с ПИД-законом управления. Настройки регулятора можно рассчитать, используя методику Циглера—Николсона и правила для эмпирической оптимизации параметров регуляторов [100, 101].
Структурная схема управления тепловой мощностью /-го нагревательного элемента приведена на рис. 4.2.
Блок "Силовой привод" осуществляет преобразование управляющих сигналов Uy-, в тепловые мощности нагревательных элементов / ,-. Блок "Фильтр" выполняет фильтрацию данных, измеряемых датчиками температуры объекта, а именно сравнивает текущее значение сигнала с предыдущим. Если разница температур превышает критическую величину, то текущему значению температуры присваивается предыдущее значение. Структурная схема ПИД-регулятора изображена на рис. 4.3.
Управляющая система выполняет следующие функции:
- поддержание необходимого температурного поля термической установки;
- перемещение ростового контейнера с заданной скоростью относительно термической установки.
В состав управляющей системы входят:
- программируемый логический контроллер серии LinCon [103] (рис. 4.4);
- выходные четырехканальные модули, оснащенные 14-и разрядными ЦАП (рис. 4.4);
- силовые преобразователи на симисторах с соответствующими схемами управления (рис. 4.4);
- система управления механизмом перемещения ростового контейнера на основе шагового двигателя и редуктора;
- ПЭВМ.
ПЭВМ и ПЛК содержат программно-алгоритмическое обеспечение для управления технологическим процессом на основе программы термических режимов, его сопровождения с непрерывной коррекцией термических режимов и управления с интегрированной математической моделью термической установки в качестве советчика.
Программное обеспечение управляющего вычислительного комплекса термической установки состоит из двух частей. Первая часть - программное обеспечение ПЛК, вторая - программное обеспечение ПЭВМ. В качестве средства разработки программного обеспечения ПЭВМ выбран язык программирования Object Pascal и интегрированная среда программирования Borland Delphi. Для разработки программного обеспечения ПЛК использован язык программирования С и комплект средств разработки LinCon-8000 SDK [103].
Программное обеспечение ПЭВМ предназначено для организации интерфейса взаимодействия оператора-технолога с управляющим вычислительным комплексом термической установки. Интерфейс программы делится на 5 зон: «Мнемосхема системы», «Настройка ПИД-регуляторов», «Программа регулирования», «Аварийные ситуации», «Архивная информация».
