7. Управление технологическим процессом выращивания монокристаллического кремния методом Чохральского.

Для получения качественных монокристаллов необходимо точно поддерживать технологические режимы с помощью совершенных устройств контроля и управления. В настоящее время наибольшие успехи в области контроля и управления технологиче­скими процессами с целью создания систем автоматического управ­ления достигнуты для методов выращивания кристаллов из распла­ва. Независимо от метода получения монокристаллов выделяют методы контроля параметров технологического процесса и системы кристалл - расплав.

Центральной частью САУ является программно-аппаратный комплекс, реализованный на персональном компьютере и промышленном исполнении, дополнительно оснащённый модулями ввода – вывода аналоговых сигналов (АЦП, ЦАП) и ввода – вывода дискретных сигналов, картой захвата изображения с видеокамеры, дисплеем и специализированной клавиатурой. Эта часть САУ смонтирована в пульте, где находятся модули нормализации сигналов с датчиков печного агрегата, блок управления регулятором давления и расхода газа, низковольтные источники питания, сервоусилители электроприводов, блоки частного управления асинхронными двигателями, пускорегулирующая аппаратура, автоматические выключатели, элементы индикации и ручного управления.

АСУ обеспечивает расчёт и индикацию следующих параметров:

• Мощность на нагревателе;

• Сопротивление нагревателя;

• Длина кристалла;

• Среднее отклонение диаметра кристалла от заданного;

• Производную отклонения диаметра кристалла;

• Масса кристалла;

• Масса расплава в тигле;

• Программные скорости перемещения и вращения затравки;

• Программную скорость вращения тигля;

• Скорость перемещения тигля, необходимую для поддержания уровня расплава;

• Номер и дату плавки.

АСУ обеспечивает:

• Поддержание уровня расплава расчётом скорости перемещения тигля или регулированием скорости перемещения тигля по датчику диаметра (видеокамере);

• Возможность просмотра графиков технологических параметров процесса в режиме «история» на любой стадии процесса;

• Архивацию информации по процессам и хранение её в течение одного месяца;

• Возможность снятия информации по процессам на внешний носитель;

• Возможность перехода на любую стадию процесса для просмотра информации;

• Возможность проведения имитации процесса с включённым нагревателем;

• Сигнализацию потери диаметра, зависания компьютера, аварии источника питания компьютера;

• Возможность снятия информации через USB-порт.

АСУ осуществляет автоматизированный процесс выращивания кристалла путём выдачи управляющих воздействий в следующие контуры регулирования:

• Температура нагревателя;

• Скорость перемещения затравки;

• Скорость перемещения тигля;

• Скорость вращения тигля;

• Скорость вращения затравки.

Управление по каналу температуры нагревателя производится непосредственно от компьютера с программной реализацией ПИД-регулятора температуры и обратной связью от датчика ТЕРА-50 путём выдачи управляющего сигнала на ПТД (без промежуточного аналогового регулятора), с возможностью поддержания тока нагревателя в ручном режиме.

В АСУ предусмотрено аварийное отключение нагревателя при падении давления воды на входе системы водяного охлаждения, при срабатывании взрывного клапана и при открывании нижней камеры.

Параметрами технологического процесса являются скорости вращения кристалла и тигля, скорость вытягивания кристалла и прохода расплавленной зоны, температуры нагревателей и окружаю­щей среды (внутренний объем кристалли­зационной камеры), скорость протока и давление воды, охлаждающей затравку и стенки камеры, и т.д.

К параметрам си­стемы кристалл-расплав относятся тем­пература и ее градиенты в расплаве и кристалле, поле скоростей в расплаве, создаваемое конвективными течениями, форма и высота мениска или форма и высота расплавленной зоны, форма фронта кристаллизации, диаметр растущего кристалла и т.п.

С точки зрения управления качеством растущего кристалла основное значение имеет контроль параметров системы кристалл - расплав, так как именно в ней формируются электрофизические и структурные свойства монокристаллов.

На Подольском химико-металлургическом заводе для измерения диаметра расту­щего кристалла используется телекамера. Изображение кристалла передается на телеэкран, а отсчет диаметра осуществляется специальным сканирующим устройством по дли­тельности импульса, соответствующего диаметру кристалла на фронте кристаллизации. Расположить телекамеру строго перпендикулярно оси роста не удается (<90°) из-за затенения фронта крис­таллизации стенками тигля даже при использовании подпитки рас­плава. Это дает погрешность при определении диаметра. Точность измерения диа­метра телевизионным способом составляет 0,3 %. Она зависит от линейности развертки и точности измерения видеосигнала.

Наиболее перспективными для создания АСУ ТП являются те способы контроля диаметра кристалла, при которых регистрируются параметры мениска, так как их изменения предшествуют изменению диаметра кристалла.