Способ управления процессом выращивания монокристаллов под защитной жидкостью методом чохральского и устройство для его осуществления

 

Использование1 изобретение относится к области автоматического выращивания монокристаллов в установках с весовым методом контроля. Сущность: способ состоит в регулировании диаметра выращиваемого Изобретение относится к выращиванию монокристаллов под защитной жидкостью способом Чохральского и может быть использовано для управления процессом кристаллизации на ростовых установках с весовым методом контроля Известны способы, а также устройства управления процессом выращивания монокристаллов под защитной жидкостью методом Чохральского Целью изобретения является улучшение качества выращиваемых монокристалмонокристалла посредством управления температурой расплава и скоростью вытягивания монокристалла по отклонению скорости изменения веса кристалла от заданной величины - на участке разращивания монокристалла , и по состоянию - на участке стабилизации диаметра монокристаллов, для чего используют восстановление переменных состояния с помощью модели процесса кристаллизации и вырабатываемых управляющих воздействий. Кроме того, в ходе всего процесса производится коррекция влияния защитной жидкости на весовой сигнал . Устройство, осуществляющее способ управления, обеспечивает восстановление переменных состояния - радиуса монокристалла и высоты менисча расплава, в наблюдателе Люенборгера, коррекцию влияния защитной жидкости с помощью блока стековой памяти и блока определения задержки, и управление температурой расплава и скоростью вытягивания монокристалла с помощью параметрических регуляторов и регуляторов состояния. 2 с.п. и 1 з.п. ф-лы, 5 ил, лов за счет повышения точности регулирования диаметра. На фиг. 1 представлена схема, поясняющая особенности процесса выращивания монокристаллов под защитной жидкостью методом Чохральского в режиме формирования конуса; на фиг. 2 - то же, в режиме стабилизации диаметра; на фиг. 3 - управляющее устройство, на фиг. 4 - устройство для двухканального управления по температуре и по скорости вытягивания кристалла; на фиг. 5 - функциональная схема блока наблюдателя. 2 СП XI 00 О

союз советских, СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4605989/26 (22) 17.11.88 (46) 07.07.92. Бюл. М 25 (71) Институт проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов АН

СССР (72) Г,А.Сатункин, А.Г,Леонов, В.М.Рыбинцов и В.А,Антонов (53) 66,012.52(088.8) (56) Riedling К. Autoromous liquid

encapsulated Czochralski (LEG} growth of

single cristal GaAs by "intelligent" digital

control. — I. Cristal Growth, 1988, 89, р. 435..

Патент США N- 4397813, кл, С 30 В

15/28, 1983; (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ

В Ы РАЩИ ВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ

ЗАЩИТНОЙ >KM/,KOCTbl0 ME ТОДОМ ЧОХРАЛЬСКОГО И УСТРОЙСТВО

ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Использование: изобретение относится к области автоматического выращивания монокристаллов в установках с весовым методом контроля. Сущность: способ состоит в регулировании диаметра выращиваемого

Изобретение относится к выращиванию монокристаллов под защитной жидкостью способом Чохральского и может быть использовано для управления процессом кристаллизации на ростовых установках с весовым методом контроля.

Известны способы, а также устройства управления процессом выращивания монокристаллов под защитной жидкостью методом Чохральского.

Целью изобретения является улучшение качества выращиваемых монокристал„„5U„„1745780 А1 (н)э С 30 В 15/28, G 05 D 27/00 монокристалла посредством управления температурой расплава и скоростью вытягивания монокристалла по отклонению скоро- сти изменения веса кристалла от заданной величины — на участке разращивания монокристалла, и по состоянию — на участке стабилизации диаметра монокристаллов, для чего используют восстэновление переменных состояния с помощью модели процесса кристаллизации и вырабатываемых управляющих воздействий, Кроме того, в ходе всего процесса производится коррекция влияния защитной жидкости на весовой сигнал. Устройство,. осуществляющее способ управления, обеспечивает восстановление переменных состояния — радиуса монокристалла и высоты менис <а расплава, в наблюдателе Люенбпргера, коррекцию влияния защитной жидкости с помощью блока стековой памяти и блока определения задержки, и управление температурой расплава и скоростью вытягивания монокристалла с помощью параметрических регуляторов и регуляторов состояния. 2 с,п. и 1 з.п. ф-лы, 5 ил. лов за счет повышения точности регулирования диаметра.

На фиг. 1 представлена схема, поясняющая особенности процесса выращивания монокристаллов под защитной жидкостью методом Чохральского в режиме формирования конуса; на фиг. 2 — то же, в режиме стабилизации диаметра; на фиг. 3 — управляющее устройство, на фиг. 4 — устройство для двухканального управления по температуре и по скорости вытягивания кристалла; на фиг. 5 — функциональная схема блока наблюдателя.

1745780

На фиг. 1-2 приняты следующие обозначения; r(t) — текущий радиус кристалла, го— заданный диаметр цилиндрического кристалла, R — радиус тигля, гз — радиус затравки, Va — скорость вытягивания кристалла, М(с), m(t), и (t) — массы расплава в тигле плотностью р, кристалла плотностью Р и мениска плотностью р соответственно в момент измерения, М вЂ” постоянная масса флюса плотностью рг, Hf(t) — переменная толщина флюса, отсчитываемая от фронта кристаллизации до верхней границы флюса, h(t) — текущая высота мениска, йо — стационарная высота мениска, соответствующая цилиндрическому кристаллу диаметром 2го, Н(с) — высота расплава в тигле от дна тигля до основания мениска, P(t), а(с) — углы наклона боковой поверхности и мениска относительно вертикалй, о —. постоянный угол роста, сз (с) — переменное время запаздывания, характеризующее время образования сечения кристалла, выходящего из-под слоя флюса в момент измерения, г(с) — текущая длина вытягиваемого кристалла.

Способ реализован на автоматизированной ростовой, установке, оснащенной датчиком веса, задатчиками и регуляторами мощности нагрева и скорости вытягивания, ЭВМ совместно с интерфейсным модулем.

Регулирование диаметра кристалла согласно способу проводят посредством управления температурой нагрева и скоростью вытягивания монокристалла по отклонению скорости изменения измеряемого веса монокристалла и связанного с ним мениска от известной заданной величины в ходе раэращивания. По окончании формирования начального конуса стабилизацию диаметра выращиваемого монокристалла осуществляют регулятором состояния, использующим восстановление с помощью наблюдателя величины переменных состояния — отклонения радиуса кристалла и высоты мениска от известных стационарных значений, В тигель ростовой установки помещают исходную шихту, например арсенида галлия и порошок оксида бора, После расплавления и образования слоя защитной жидкости из оксида бора вручную осуществляют затравливание и включают автоматический режим регулирования диаметра выращиваемого монокристалла, В любой момент времени датчиком фиксируется вес р (t) = g(m(t) +,и (t) — F,(t))+ const (1) где g — гравитационная постоянная; константа, характеризует постоянный вес оснастки кристаллодержателя.

Выталкивающая сила Архимеда определяется выражением

Р, (с) - g (mf (t) + и (с)), (2) где g =ргlр =рс = const;

5 пц(с) — масса кристалла, находящегося под слоем флюса к моменту времени t.

Если m(t) - mf(t), другими словами, кристалл не вышел иэ-под флюса, то иэ (1) и (2) следует

10 Р(с) =-g(1 — yy) М (t), (3) где М (t) = гпту (с) +,и (t) в соответствии с законом сохранения масс, Если m(t) больше

mgt), т.е. кристалл выходит иэ-под флюса, иэ (1) следует

15 Р(с) = g(m (t) +,и (t) — q (m< (t) +,и (t))j =

= -g (1 — эу) M (t) + g rg m (t — тз) (4) где М(с)= m(t)+ и(с); пц (t) = m (t) — m (t — сэ).

Уравнения (3), (4) характеризуют структуру реального сигнала P(t) весового датчика, используемого для сравнения с программным заданием, дифференцируемого, а также запоминаемого на время сз.

При весовом методе KoHTpollA текущего состояния динамической системы как наблюдаемой величиной, так и программным значением служит производная веса. Таким образом, программное задание должно рассчитываться как

Зо (с) „(1 „) М (с)

Р(с) = -g (1 — g) М (t) + g g m(t — ts(t)j (6)

Здесь и далее знаком обозначаются программные значения, Формула (5) верна до выхода конуса иэпод флюса, а (6) — в более общем случае до окончательного выхода конуса из-под флюса.

Вытягивание с постоянной скоростью кристалла любой формы, отличной от пря40 мого кругового цилиндра, приводит к нелинейному во времени изменению его радиуса

r(t) и веса. При расчета программного задания можно непосредственно воспользоваться результатами, основанными на использовании подходящей функции угла разращивания P (r), Конечные формулы для переменной скорости кристаллизации Vñ(t) и скорости изменения уровня расплава в тигле H(t), входящих в выражения m(t)50 = #рай Р (t)Vc (t) и 6 (t) = - др R2H (t), ра ч. о " - к - ((,,, ).(. ф Р

H(t) - V î V о(h + h Pã ) Vñtg Р. (8)

Алгоритм программного задания при переходе к дискретному времени Т можно представить следующим рекуррентным расчетом.

1745780

На первом шаге принимаем rt = гз, I = 1, k = 1 (определение счетчика k дается ниже), на l-том шаге по заданной зависимости /3 (г) находим Pi = j3 (rj), по известным формулам (4,5) рассчитывают текущую высоту мениска: hi(ri, Pi ), вычисляют текущую скорость кристаллизации, Чд = Vс(ri, Pj), вычисляют очередной радиус кристалла: тв1- ГЗ+ To $ Vcitg Pl, гг длину выросшего кристалла Il = То „Vcj, 1 текущую массовую скорость кристаллизации 6i =-лр R ь общий„прирост взвешигН ааемои массы IOt = To $ M;. текущую массу мениска,й1 =7Epj г hi (rl,pj) +%pl à cos. (e +Pj) вычисляют и запоминают на тз массу выросшего кристалла: Qj = IVlj -Д.

Поскольку в данном способе кристаллизации принципиально важным является определение времени запаздывания тз (t), зависящего от переменной высоты флюса

Hr(t) с известной начальной загрузкой М/, прежде чем закончить описание расчета программного задания дадим, формулы расчета времени запаздывания.

Для нахождения Н (отсчитывается от фронта кристаллизации) рассмотрим общий объем в тигле известного радиуса R под флюсом (фиг. 1). Поскольку до выхода эатравочного кристалла из-под флюса верно соотношение

7т и (Hr(t)+ h (t)) = И/у„(t) + W f(t}+

+ Wro+ 1/ /зу (9) где W> =,й (t}/р — объем мениека:

Wmf = й4 + —. объем кристалла, выросt шего на величину l(t) = f Vo(t) dt; .-о

Wfp = Mf Pf = coAst — объем флюса;

О/з = л гз (Н вЂ” l(t)) — объем затравки радиуса гз, находящихся под флюсом, уравнение (9) с учетом условия баланса масс дает с,Йж (, -а), к(В гэ ) +Wfp rs 1(t)J —,, (10) 2 1 R2h

Р— гз

B момент выхода вершины конуса в газовую фазу l(t) = Н/() и Р/з = О, откуда

A a

Н j)= — + - т (1- ) +

ЛВ2 р Р р

+ Hfo — h (t), где Hfo = Mf/лR pf. г

С выходом части кристалла из-под флюса (фиг. 1) в (6) необходимо учитывать запомненные ранее рассчитанные значения

mr(t — тз):

5 1 1M — rrjf t t— t

1 2 (pe 0

1-1 — ) + Н вЂ” h (t). рJ fo (12)

Таким образом, приняв за начало отсче0 та момент затравливания, необходимо вычислять и запоминать длину l(t) и массу л растущего кристалла Й = f m (t) dt. Если на о очередном шаге вычислений выполняется условие 1(т) > Н (с), другими словами кри. сталл начинает выходить из-под флюса, необходимого по запомненным значениям и уравнению (12) восстановить тэ (t). Условием правильности определения тз в программном задании (6) является l(t) — l(t — тз) =

= Hf (t).

Продолжим алгоритм рекуррентного расчета программного задания, 25 Вычисляем толщину флюса Нн;

3 — Д/1Я г-1л >1; по формуле; 10

Hfj = 8 — для Hfi = 1 по формуле; 11

t3 — для Hfi < li по формуле 12

Программное задание до момета выполнения условия, другими словами до выхода конуса из-под флюса, вычисляется по формуле л

35 Pl = g (1 — фМ при„выполненииусловия в — по формуле

P; = g (1 - ту} Mi + g f/ m>j.р, (13) где k - =тз!Т, Здесь счетчиком k дискретных отсчетов

40 времени То определяется длина запоминаемого массива данных, Если найденное значение тз не равно целому числу тактов дискретизации То, то в нашем запомненном массиве не нейдется значения m(t — тз ), со45 ответствующего расчитанному времени задержки. Поэтому необходимо найти два ближайших запомненых значения массы кристалла. соответствующих целой части времени запаздывания (тз; ) и (тз; )+ 1 и далее

50 найти некоторое среднее значение между

m (t-(тз )) и m (t-(тз )-1), Способ нахождения среднего в общем случае может быть различен, но в приближении линейного изменения m(t) между соседними тактами дискретизации искомое значение опроделится как mi (t- тэ) =(1 — я) m(t-(täj ))+ е гп (t (тэ) )1), где е= Ili Hfi i/VoTo определяет весовые коэффициенты при вычислении среднего значения гп; (t -тз;).

1745780

20 (20) Уравнение (1) определяет структуру реального сигнала весового датчика. Соответственно рассчитанное с помощью приведенных зависимостей нелинейное программное задание (13) должно совпадать с реальным весовым сигналом для мометов времени t = ITo. При вычитании иэ реального сигнала весового датчика программного нелинейного сигнала (13) и последующего дифференцирования получают сигнал выходного отклонения, используемый для регулирования текущего диаметра кристалла, с помощью параметрически оптимизируемого PID-регулятора в ходе разращивания до выхода на заданный диаметр кристалла.

Выбор оптимальной структуры и настройки PID-регулятора (в общем случае двухканального) определяется по модели динамики кристаллизации и модели наблюдения при весовом контроле. Математическая модель малой размерности для способа Чохральского с жидкостной герметизацией основана на использовании трех законов сохранения: i) — баланса тепла на фронте кристаллизации, 11) — сохранения массы кристаллизуемого вещества и Ш)— сохранения угла роста;

4 Gi (t) -i4 G, (с) = р LV, (t);

M(t)+ m(t) +yc (t) = О; (14)

r(t) = V, (с) басф(с), где 4, 5 — теплопроводности расплава и кристалла;

61, Gs — градиенты температуры в мениске и кристалле вблизи грачицы раздела фаз; р, — плотность твердой фазы;

L — теплота фазового перехода;

Ч,(с) = Vo - Й(с) — h(t) — скорость кристаллизации;

M(t), m (t), è (t) — скорости изменения масс кристалла, связанного с ним мениска расплава и основной части расплава в тигле .соответственно, г(с) — скорость изменения радиуса кристалла;

P = а — е — угол наклона изотропной боковой поверхности кристалла с вертикалью; я — угол роста (фиг. 1).

Линеаризация этих трех законов сохранения (14) с учетом переменного угла наклона боковой поверхности кристалла 1о (г) Ф 0 (фиг. 1) позволяет описать динамику нестационарной кристаллизации системой неавтономных дифференциальных уравнений:

50 д г (t) = A, (с)д г (t) + Ан, (с)д h (t)+

+ A„i (t) д h t + А1 и (с) д Н (t) + A,„(t) д V,; д h (с ) = А„ t д r (t) + Аы, (t) д h (t)— — д H(t) +д, (с) +А т (с) д Т(т); д Н (t) = Анг (t) д г (t) + Анг (t) д г (t) +

+ Анб (t) д " (t) + Ан1 (t) д Vo (t).

В качестве естественных переменных состояния рассматриваются вариации (отклонения) радиуса кристалла д r(t), высоты мениска д h (t) и уровня расплава в тигле д H(t) относительно известных программных значений. Только две переменных состояния x1 = дг и х1 = oh могут быть выбраны в качестве независимых, а д Т =

= в1 и д v1 = со2 — в качестве компонентов входного вектора возмущений Q(t), так что в матричной записи модель процесса кристаллизации имеет вид

1 11 12 1 + 1 12 1 (16) или более компактно

X(t) = Лъ(с) X (t) + (В (t) 0(с). (17)

Влияние управления на динамику переходных процессов учитывается добавлением в {17) вектора управления 0 = (01,02) т имеющего своими компонентами искомые управления 01 = Л T(t) и 02 = Й4 (с) B т- и

\/-каналах обратной связи.

X(t) = A(t) Х (t) + 5 (t) {Q(t) — 0(с)) (18)

Неавтономная модель малой размерности, определяемая уравнениями (18), характеризует динамику переходных процессов при малых отклонениях от исходного состояния при нестационарной кристаллизации, например при росте начального или конечного "конусов". Режим формирования требуемой геометрии кристалла в этом случае можно назвать режимом слежения за нелинейным программным заданием.

Автономная модель процесса кристаллизации с постоянными коэффициентами ац возникает при исследовании задачи стабилизации диаметра цилиндрического кристалла с исходным круговым сечением радиуса ro. В этом случае наклон боковой поверхности Р (с) = 0 и стационарная скорость кристаллизации равна Vco = Vo — Но(с), где H(t) = - rp Vp/(ð R2-р, г,2); R — радиус тигля. Линейная автономная модель для режима стабилизации запишется х2 а12 а22 х2 + b21b22 аа (19) или более компактно в виде

X(t) = АХ (t) + В в {с).

1745700 л

Выходное отклонение Y(t) = P(t) — P(t) может быть представлено в стандартном матричном виде с использованием переменных состояния

Y(t) = Y1(t)+ Y2(t тз) = С1Х()+ D1Q(t)+ 5

+ C2X(t — ТЗ) + 02 Q(t — ТЗ) (21)

Это уравнение является моделью наблюдения при весовом контроле.

Параметрически оптимизируемые P IDрегуляторы используют информацию толь- 1О ко об отклонениях выходного сигнала датчика от программного задания. Простота введения интегральных составляющих закона регулирования позволяет обеспечить с помощью подобных регуляторов нужную 15 степень астатизма, запас устойчивости замкнутой системы в обычном способе Чохральского, Повышение степени астатиэма в первую очередь требуется для обеспечения точного отслеживания нелинейного про- 20 граммного задания в режиме формирова-. ния конусов. Очевидно. что задача синтеза управления для обычного способа Чохральского практически совпадает для способа

Чохральского с жидкостной герметизацией. 25 если формирование конуса происходит полностью под флюсом. В этом случае уравнение наблюдения (21) упрощается и определяется в виде

Y(t) = Yq(t) = II:a(t)X(t) + tD> (t) Q(t). (22) ЗО

В уравнениях (21) и (22) в отличие от обычного способа Чохральского появляется известный заранее множитель (1 —, wg), При анализе замкнутого состояния вектор входных воздействий Я () необходимо заме- "5 нить на вектор Q (t) — U(t). где 0(т)— определенный выше вектор управления.

Вследствие медленного изменения параметров модели (16), (22) при анализе динамики кристаллизации. применимо прибли- 40 жение замороженных коэффициентов, позволяющее считать постоянными компоненты матриц за достаточно длительные времена формирования переходных участков кристалла. Переходя к изображениям

Лапласа в управлении модели (16) и в уравнении наблюдения (22), получим матричные передаточные функции объекта в замкнутом состоянии;

Х(з) = (sI-A) B(Q(s) — U(s))+ (sI A) X(p) 50 (з) = (С(зЫ) В+ D) (Q(s) U(s))+

+ C(s1-А) X(0), (23) где 1 — единичная матрица (2 2), Ненулевые начальные условия X(0) W О, а также Q A О могут рассматриваться как начальные отклонения (возмущения) и входные возмущения объекта. Как и ранее, тепловую инерционность отклика объекта на управляемые изменения мощности нагрева

AN(t) (инерционность температурного T-канала управления) учтем введением дополнительной передаточной функции

01(з) = WT(s) Л N(s) (24)

Например, для типичного температурного отклика объекта на ступенчатое изменение мощности Л N(t) = Л No1(t), аппроксимируемого функцией AT(t) = ku Л No (1—

-ехр(-at)), где а — декремент затухания, имеет

Р/т(з) = aku/(s+a). Далее под управлением о1(т) необходимо рассматривать функцию, задаваемую уравнением (24).

Коррекция тепловой инерционности сводится к введению коротких форсирующих воздействий по мощности нагрева тигля в пределах одного такта управления, При двухканальном управлении регулирование диаметра выращиваемого монокристалла в ходе разращивания осуществляют посредством управления температурой расплава и скоростью вытягивания монокристалла, причем управляющее воздействие по скорости вытягивания как на стадии разращивания, так и на стадии стабилизации диаметра вырабатывают пропорционально отклонению скорости изменения веса вытягиваемого монокристалла от заданной, не используя в законе регулирования отклонения по весу и второй производной этого измеряемого отклонения по весу, Оптимально настроенный параметрический регулятор позволяет точно воспроизводить заданную геометрию конусной части кристалла и осуществлять безударный переход к управлению по состоянию в режиме стабилизации диаметра кристалла.

До окончательного выхода сформированного конуса из-под флюса управление проводится по-прежнему с помощью параметрического регулятора, при этом текущим вариациям геометрии кристалла, характеризуемым величинам д m (t) и дус (й), однозначно связанными с введенными переменными состояния, будут соответствовать известные величины управлений U(t).

Возможность запоминания этих величин, исключение ошибки неточного определения программного задания с началом выхода цилиндра иэ-под флюса, а также постоянство параметров обьекта управления позволяют определять его текущее состояние, используемое для расчета управления по этому состоянию.

Синтез управления на стадии стабилизации диаметра основан на использовании эквивалентного наблюдателя типа Люенбергера, восстанавливащего текущие переменные состояния при одновременном

1745780

12 использовании памяти конечной длины, требуемой для запоминания и последующего использования восстановленных переменных состояния, а также известных управляющих воздействий. Решение задачи синтеза оптимального регулятора по состоянию может быть найдено при соблюдении следующих условий: 1) — автономная модель, определяемая уравнениями (19). (21), адекватно описывает реальный объект в режиме стабилизации диаметра, И)— имеется точная информация о величине управления, совпадающего на входе в реальный объект и наблюдатель. Второе условие иожет быть удовлетворено по результатам анализа и коррекции тепловой инерционности объекта, описанных выше, Рассмотрим также осуществление способа в дискретном времени, реализуемом в управляющей ЭВМ. Для времени дискретизации Т в пренебрежении задержкой на съем и обработку информации в ЭВМ дискретная модель процесса представляется в виде

X k+1) =ФХ(И+ f(<(k) — U(k)), V k) =CX(ay+a(n(V)-Î(k))+ (25)

+ 1X(k — и)+ Di (Qk-n) — Щ<-П)), где n = rg(t)/To;

Ф(То) = exp(ATp) = g (ATp} / v; V=O

f(To) = (Ф вЂ” 1) А — известные числовые значения для выбранного объекта управления, включающего параметры режимов выращивания и известные константы материала;

1 — единичная матрица соответствующей размерности.

Отклонения системы от заданных стационарных условий роста интерпретируются наблюдателем как отклонения начальных условий X(0) 0 в очередной такт съема информации. При настройке регулятора эти начальные возмущения представляются в классе детерминированных возмущений, аппроксимируемых ступенчатыми функциями Х(0) = X(k) = Const npu kTo t V(k+1)To, k 1,„„oo.

Эквивалентный наблюдатель представляется следующей системой уравнений:

У(й =Ck(k) +PJ(k)+G X(k-mj+ D U(k-m (26) где 5((k), т(к) — восстановленные значения переменных состояния и наблюдаемой величины;

Н вЂ” матрица связи объекта с наблюдателем, Время запаздывания в наблюдателе m не совпадает с реальным временем задержки и и превращается в подстроенный параметр. Учитывая этот факт, ошибку восстановления переменных состояния Ы

° (k+1) = X(k+1) — R(k+1) следует определять как

И (k+1) =(Ф- НС) Лх() НС1(х(и)—

10 — k(k-m)) + Н 0 1(0(1-n) — U(k-m)) (27), Ошибка восстановления (27) определяется от скорости сходимости наблюдателя без учета задержки в выходном сигнале lim (Фk +00

15- НС) Л X(k) = 0 и от,погрешности, связанной с выбором дискретного времени запаздывания m относительно действительного значения дискретного времени п,.Скорость сходимости наблюдателя определяется вы20 бором корней характеристического уравнения

det(zl — Ф+ НС)= О. (28)

По теореме разделения динамика замкнутого состояния определяется набором полюсов характеристического уравнения системы det(zl -Ф+ fK) det{zl — Ф+ НС) =О.

25 причем искомые матрицы наблюдателя H u регулятора состояния U(k) = -Kk(k) могут быть найдены раздельно, Числовые эначения матрицы коэффициентов Н находятся

30 заранее из решения уравнения (28). Аналогично оцениваются значения матрицы К, уточняемые далее в процессе эксплуатации регулятора, Восстановленные значения переменных состояния рассчитываются по известным входному U(k) и выходному Y(k) сигналам объекта управления согласно фор35 муле

1 (+1) = (Ф- НС) 1 () + (f HO) U (k)

40 — HCtX(k-m) — Н010{И) + HY(k). (29)

Анализ ошибки измерения Л е (k) =

=Лe>(k) + Aez(k-m) указывает на необходимость минимизации ее составляющей

Л ez(k-m) путем выбора иэ памяти запомнен45 ных значений X(k-m) и U(k-m), причем глубина поиска в массивах X u U может быть различной.

Рассмотрим подробнее определение времени запаздывания m применительно к

50 режиму стабилизации диаметра кристалла.

В ходе стабилизации диаметра монокристалла, вследствие возникающих возмущений кристаллизационного процесса.его форма может изменяться случайным обра 55 зом и не может быть предсказана заранее, в отличие от режима раэращивания, в котором его форма и время запаздывания рас считываются в соответствии с программным заданием. В предлагаемом способе время

1745780 запаздывания тз и, соответственно, связанную с ним запаздывающую составляющую в измеряемом весовом сигнале удается учесть путем использования наблюдателя реального процесса и запоминенных восстановленных переменных состояния.

B первом приближении время запаздывания после перехода к управлению по состоянию, т.е, после полного выхода конуса из-под флюса, можно оценить по формуле т30 = Hfp/Vpo, ГДЕ Hfo — тОЛЩИНа фЛЮСа ПРИ стационарной кристаллизации строго цилиндрического кристалла диаметром 2ro.

Расчетная стационарная высота флюса массой IVIf = const, полученная из решения системы двУх УРавнений Hfo = Н/о+ ho u Pf М/ =

-1

2 2 2

=лй HF — л гд Ьо+ла rpcos Я вЂ” zf;rpHfp равна

Hfp = Mf/XPf (R — го ) — э го cos F/(R — rp ) — ho .. (30)

В общем случае, с учетом вариаций толщины флюса Hf (фиг, 1,2), отсчитываемой от трехфазной линии до его верхнего уровня д Н/, вызываемых возмущениями объемов мениска д Wju и кристалла д Wp, а также скорости кристаллизации д Чо величина времени т3(t) =тзо+дтз (t). Вариации высоты флюса д н/ и времени запаздывания д гз в текущей момент времени можно определить, рассматривая суммарный объем, заключенный между границами расплава и флюса:

W= Ч(/,„+ Wmf+ W«, (31) где И /„=,иlр(— текущий объем мениска;

Wmf = пи!Р, — объем кРисталла под флюсом;

Wfp = М Pf — постоЯнный физический объем флюса.

Поскольку

W = Wo+ д В/(то) = В/о+

+ 6h(to);

ЧЧ,= /Ч + д Wp,(to) + W + p (/dr дr(lo) +

+ р д Ь(то)); (32)

1, о

W P (eld(и ч i +р J 9 (elder î (3 о-(3 то

".„+f9,(tj-(н„,3н,(.l- J 8ч,(ЯЖ)Ч. ., a=+3 (33) где to — текущий момент времени измереНИя, ПРИЧЕМ tp >73(то);

Чс = Чоо + д Чо переменная скорость кристаллизации.

Из совместного решения (31), (32) нетрудно получить окончательное выражение для поправки к фиксированному для данных условий кристаллизации времени запаздывания t3O ((""3М= а(1>p(

RR J ч (л((j, 10 (34) где Лг =1/Л Чсо(R — Ip ).

2 2

Уравнение (34) можно переписать, используя переменные состояния х1 = д г, xz =

= д h и управление по скорости вытягивания.

15 uz =6 Vо. ("3(о1 92cf Х (4о- 3)+% С Х ($p-(,Ц1о

20 (((J (((л((л о "3 (35)

ГДЕ C1= P ",иг г

25 с2 = pl (ffh — г R — известные численные значения, Таким образом, вариация времени за- паздывания определяется величинами запоминаемых предыдущих переменных

30 состОЯния Х(то — t3) и УпРавлениЯ U) в слУчае использования скоростного канала, причем используются восстановленные значения переменных состояния.

Переходя к дискретному времени t=!То, 35 где To — вРемЯ дискРетизации, использУемое в цифровой системе управления, можно представить алгоритм вычисления текущего значения t3 (i) следующим образом.

Предполагая, что к i-тому моменту вре40 мени известны m=i-k значений переменных состояния и управлений, где 1=1, ..., (i-1), необходимо вычислить для некоторого значения k величины д z3 (i) = 2 с1 1 (m) + 2 с2 Х2 (m) г тгй То 02 (36)

1 и целую часть от расчетного времени запаздывания

n (k) = (t-3o + 0 t3 (I))/Т. (37)

B общем случае поиск no k продолжается до тех пор, пока не выполнится условие

n < m < (и+ 1). Очевидно, что этот поиск необходимо осуществлять вблизи значе55 ний k = =I — mp, где mp - газо/То. Уточненные значения переменных состояния в(36) необходимо рассчитывать по формуле х(Нс) = (1 — e) х(m)+ ех(m-1) (38) где г — вещественный остаток, вычисляемый по формуле (37).

1745780

После нахождения очередного значения к необходимость дальнейшего хранения использованных значений переменных состояний и управлений отпадает. Необходимо отметить также, что в случае использования одноканального управления по температуре управляемые вариации скорости вытягивания u > = 0 и формула (36) упрощаются.

Управляющее устройство содержит последовательно соединенные датчик 1 веса кристалла, дифференциатор 2, блок 3 сравнения, переключатель 4 режимов, параметрический регулятор 5, корректор 6 тепловой инерционности, эадатчик 7 мощности нагрева. нагреватель 8, задатчик 9 веса кристалла, подключенный к второму входу блока сравнения, регулятор 10 состояния, подключенный к второму выходу переключателя режимов параллельно параметрическому регулятору, цепь последовательно соединенных наблюдателя 11, блока 12 стековой памяти, блока 13 определения задержки, причем входы наблюдателя подключены к выходам блока сравнения и регуляторов 5 и 10. а выход дополнительно соединен с вторым входом переключателя 4 режимов и с вторым входом блока определения задержки, выход которого, в свою очередь, подключен к первому входу наблюдателя 11, Кроме того, устройство может содержать дополнительные регулятор 14 состояния параметрический регулятор 15, включенные параллельно регуляторам 5, 10. и последовательно с ними соединенные задатчик 16 скорости с управляемым приводом 17 вытягивания, причем выходы регуляторов 14, 15 также связаны с входом наблюдателя 11.

Устройство работает следующим образом.

В процессе выращивания датчик 1 веса фиксирует вес кристалла и связаннОго с ним мениска расплава, находящегося вместе с частью кристалла в слое защитной жидкости. Производная сигнала датчика 1 веса, определяемая в дифференциаторе 2, поступает в блок 3 сравнения одновремненно с заданием, формируемым задатчиком 9 веса.

Вырабатываемый блоком 3 сравнения сигнал отклонения проходит в наблюдатель 11 и переключатель 4 режимов. По сигналу отклонения и текущемиу управлению, поступающему с выходов регуляторов 5 или 10, наблюдатель 11 восстанавливает текущие значения переменных состояния. В блоке

11 наблюдателя. Bêëþ÷ýþùåм сумматоры, известные матричные элементы А, В, С, D, С1, 01, Н, масштабирующие входные и выходные сигналы, а также линию 18 эадерж10

55 ветствующий реальному переходному процессу в ростовой установке. Сигналы, определяемые величинами восстановленных переменных состояния, совместно с сигналом управления, промасштабированным коэффициентами матрицы 01, поступают на вход блока 12 стековой памяти, где сохраняются необходимое время, определяемое количеством разрядов регистров этого блока и тактовой частотой управления.

Сигналы с выхода наблюдателя 11 поступают и в блок 13 определения задержки, где формируются сигналы, пропорциональные длине выросшего монокристалла и текущей толщине защитной жидкости. В результате их сравнения определяется разряд регистров блока 12 стековой памяти, в котором содержатся задержан н ые (запомненные) предыдущие значения переменных состояния и управления, необходимые в данное время для коррекции влияния защитной жидкости. Пропорциональный им сигнал с выхода блоку 13 совместно с текущим выходным сигналом блока 3 поступает на первый вход наблюдателя 11. Скорректированные таким образом сигналы, соответствующие текущим значениям переменных состояния, поступают на второй вход переключателя 4 режимов, Переключатель 4 режимов передает поступающие на него сигналы отклонения или сигналы, соответствующие текущим переменным состояния. либо на параметрический регулятор 5 либо, по достижении кристаллом заданного диаметра, на регулятор 10 состояния соответственно, Формируемое на выходах регуляторов 5 или 10 управление поступает в наблюдатель 11 для последующего цикла восстановления и в корректор 6 тепловой инерционности, После корректора 6 управление проходит в эадатчик 7 мощности нагрева, который соответственно управляющему сигналу изменяет температуру нагревателя 8. В ответ на изменение температуры диаметр монокристалла меняется в нужную сторону.

Аналогично осуществляется изменение скорости вытягивания кристалла в устройстве, содержащем дополнительные регуляторы 14, 15, задатчик 16 скорости и управляемый привод 17 вытягивания.

Формула изобретения .

1. Способ управления процессом выращивания монокристаллов под защитной ки, на один такт основного времени дискретизации съема выходной информации с ростовой установки (аналог интегратора в непрерывном времени в случае аналогового

5 исполнения наблюдателя) воспроизводится динамический переходной процесс, соот17

1745780

18 жидкостью методом Чохральского, включающий регулирование диаметра . монокристэлла посредством управления температурой расплава по величине скорости изменения веса выращиваемого моно- 5 кристалла от заданной с одновременной коррекцией по тепловой инерционности отклика температуры расплава и стабилизации диаметра монокристалла, коррекцию веса кристалла от влияния защитной жидко- 10 сти в ходе разращивания и стабилизации монокристалла, отличающийся тем, что, с целью повышения качества выращиваемых монокристаллов за счет повышения точности регулирования, дополнительно в 15 ходе разращивания и стабилизации диаметра рассчитывают текущие значения диаметра монокристалла и высоты мениска на фронте кристаллизации, определяют их отклонения от заданных значений, формируют по ним 20 управляющие, воздействия, запоминают значения отклонений и управляющих воздействий, корректируют влияние защитной жидкости на вес монокристалла пропорцио/ нально полученным отклонениям и значениям 25 управляющих воздействий и отклонений запомненных на предыдущих шагах, 2, Способ по и. 2, отл и ч а ю щи и с я тем, что корректируют диаметр монокристалла на стадиях разращивания и стабили- 30 зации путем изменения температуры расплава и скорости вытягивания пропорционально скорости изменения веса монокристалла от ее заданного значения.

3. Устройство управления процессом выращивания монокристэллов под защитной жидкостью методом Чохральского, содержащее последовательно соединенные датчик веса кристалла, дифференциатор, блок сравнения, параметрический регулятор, а также последовательно соединенные корректор тепловой инерционности, задатчик и регулятор мощности нагрева, задатчик веса кристалла, подключенный к второму входу блока сравнения, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повышения качества выращиваемых монокристэллов за счет повышения точности регулирования, дополнительно введены регулятор состояния, блок восстановления переменных(наблюдатель), блок определения времени запаздывания. блок стековой памяти и переключатель режимов, при этом входы блока восстановления переменных связаны с выходами блока сравнения и регуляторов, выходы блока восстановления переменных связаны со входами блока стековой памяти, блока определения времени запаздывания и первым входом переключателя режимов, который также связан с выходом блока определения задержки, второй вход которого связан с выходом блока стековой памяти, выход блока сравнения связан с вторым входом перекл.ючателя режимов, первый и второй выходы которого через регулятор состояния и параметрический регулятор. соответственно, связаны с входом корректора тепловой инерционности.

SPADO

6Plo

tv.

Фйг. 2 —,.

1

1

I

1!

1!

К

; а

Л

m(t) =mg

6P=0

,< с (4 1.+т

ЛЫ > +П г т,-и(4-r,) 1745780

-. p.ñòñ ýé ста.ю яи к р стооой стеиооке

Фиг. 5

Составитель Г.Сатункин

Техред М.Моргентал Корректор О.Кундрик

Редактор Н.Гунько

Заказ 2366 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101

Способ управления процессом выращивания монокристаллов под защитной жидкостью методом чохральского и устройство для его осуществления Способ управления процессом выращивания монокристаллов под защитной жидкостью методом чохральского и устройство для его осуществления Способ управления процессом выращивания монокристаллов под защитной жидкостью методом чохральского и устройство для его осуществления Способ управления процессом выращивания монокристаллов под защитной жидкостью методом чохральского и устройство для его осуществления Способ управления процессом выращивания монокристаллов под защитной жидкостью методом чохральского и устройство для его осуществления Способ управления процессом выращивания монокристаллов под защитной жидкостью методом чохральского и устройство для его осуществления Способ управления процессом выращивания монокристаллов под защитной жидкостью методом чохральского и устройство для его осуществления Способ управления процессом выращивания монокристаллов под защитной жидкостью методом чохральского и устройство для его осуществления Способ управления процессом выращивания монокристаллов под защитной жидкостью методом чохральского и устройство для его осуществления Способ управления процессом выращивания монокристаллов под защитной жидкостью методом чохральского и устройство для его осуществления Способ управления процессом выращивания монокристаллов под защитной жидкостью методом чохральского и устройство для его осуществления 

 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способам определения оптимальной дозы реагента для процесса очистки сточных вод коагуляцией, Целью способа является повышение точности

Изобретение относится к транспортным средствам, использующим пневмосистемы сжатого воздуха

Изобретение относится к способам автоматического управления процессом выпаривани я

Изобретение относится к способу управления процессом твердофазного синтеза биополимеров на Нежестких полимерных носителях и может быть использовано в производстве биологически активных веществ

Изобретение относится к автоматическому регулированию и может использоваться в химической и других отраслях промышленности , в частности при управлении термической обработкой сточных вод производства капролактама

Изобретение относится к способам автоматического управления процессом азеотропной осушки толуола в производстве изопренового каучука, может быть использовано в производствах полимеров в химической и нефтеперерабатывающей промышленности и позволяет повысить точность стабилизации концентрации влаги в толуоле и снизить затраты на получение тонны каучука

Изобретение относится к способам автоматического регулирования процесса конверсии углеводородного газа переменного состава с водяным паром

Изобретение относится к выращиванию монокристаллов вытягиванием из расплава, в частности по методу Чохральского, с регулированием путем использования изменения веса монокристалла и промышленно применимо при синтезе оксидных монокристаллов

Изобретение относится к технологии высокотемпературной кристаллизации диэлектрических материалов из расплава, например лейкосапфира

Изобретение относится к области автоматического выращивания высокотемпературных монокристаллов и может быть использовано для управления процессом выращивания в ростовых установках с весовым методом контроля

Изобретение относится к области автоматизированного выращивания полупроводниковых монокристаллов группы A3B5 способом Чохральского с использование защитной жидкости (флюса) на поверхности расплава и может быть также использовано при автоматизированном выращивании кристаллов обычным способом Чохральского на ростовых установках с весовым методом контроля процесса

Изобретение относится к автоматизации в химической и полупроводниковой промышленности. Площадь поперечного сечения кристалла регулируют в процессе его выращивания вытягиванием из расплава с помощью механизма вытягивания с управляемым приводом в ростовых установках, имеющих датчик веса кристалла или тигля с расплавом. Для измерения площади поперечного сечения растущего кристалла равномерное движение, сообщаемое механизмом вытягивания затравкодержателю, модулируют непрерывными или импульсными ступенчатыми измерительными возвратно-поступательными перемещениями. Затем регистрируют величины перемещений затравкодержателя и величины выделенных модулированных откликов датчика веса. Вычисляют в заданном количестве точек величины площади поперечного сечения растущего кристалла , находят среднюю величину площади поперечного сечения и сравнивают её с задаваемым значением площади поперечного сечения. По сигналу рассогласования между измеренной величиной площади поперечного сечения и требуемой формируют необходимое изменение температуры нагревателя. Повышается качество выращенного кристалла. 7 ил.

Изобретение относится к электронной промышленности, а конкретно к производству кристаллов сапфира, применяемых в электронике и оптической промышленности. Установка содержит вакуумную кристаллизационную камеру 17, нагреватель, тигель с расплавом, теплоизоляцию нагревателя, вращаемый водоохлаждаемый шток 8 с затравочным кристаллом, шток 8 имеет фланец, соединенный с длинноходным сильфоном 16, нижний конец которого соединен герметично с кристаллизационной камерой 17, а также датчик веса 5 кристалла, при этом водоохлаждаемый шток 8 подвешен непосредственно к датчику веса 5, укрепленному вне камеры кристаллизации 17, и герметично отделен от него компенсационным сильфоном 9 и вакуумным вводом вращения 15, проходит через полый вал вакуумного ввода вращения 15 без контакта с внутренними стенками полого вала, водоохлаждаемый шток 8 приводится во вращение вместе с датчиком веса 5, охлаждающая вода поступает в шток 8 от ротационного соединения 1 протока воды, содержит токосъемник 2 в цепи электрического подключения датчика веса. Для подачи воды от ротационного соединения 1 в водоохлаждаемый шток 8 используют мягкие водяные шланги 6. Техническим результатом является повышение точности измерения веса кристалла и массовой скорости кристаллизации слитка. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области автоматизации управления технологическими процессами при выращивании кристаллов сапфира из расплава методом Киропулоса. Способ включает динамическое измерение веса выращиваемого кристалла и автоматическое регулирование мощности нагревателя, при этом вычисляют производную по времени измеренного веса, вычисляют ее рассогласование с опорным значением производной веса, задаваемым согласно функции от времени на основе данных, полученных экспериментально, или модели массопереноса процесса роста, входящими данными которой являются линейная скорость кристаллизации, форма фронта кристаллизации, геометрические размеры тигля, масса загрузки тигля шихтой, диаметр затравочного кристалла, плотности кристалла и расплава, коэффициент поверхностного натяжения расплава, угол роста кристалла, а выходными данными - форма выращиваемого кристалла и соответствующее ей опорное значение, формируют основной сигнал управления по каналу мощности нагревателя с применением регулятора с зоной нечувствительности, а дополнительное управление по каналу скорости вытягивания осуществляют при условии превышения рассогласования заранее установленного порогового значения. Техническим результатом изобретения является значительное улучшение качества монокристалла и увеличение количества годных изделий. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.
Наверх