Способ контроля функционирования температурного режима кристаллизационной установки
Владельцы патента RU 2765556:
Федеральное государственное учреждение "Федеральный научно-исследовательский центр "Кристаллография и фотоника" Российской академии наук" (RU)
Изобретение относится к установкам для выращивания монокристаллов тугоплавких оксидов, в которых применяются цифровые следящие системы с управляющими ЭВМ в замкнутом контуре, и может быть использовано для автоматического управления электрической мощностью нагревателей в данных установках. Способ контроля функционирования температурного режима кристаллизационной установки, содержащей внутри корпуса 1 электрический нагреватель 2, заключается в том, что замеряют электрическое сопротивление внутреннего объема камеры между нагревателем 2 и корпусом 1 установки, для чего на нагреватель 2 подают электромагнитные сигналы в диапазоне частот 100 ± 10 кГц с амплитудой 4-5 В, регистрируют поступающие на корпус 1 установки электромагнитные сигналы, которые модулируют по амплитуде в зависимости от электрического сопротивления внутреннего объема камеры между корпусом 1 и нагревателем 2, являющиеся управляющими сигналами, а затем на основании зависимости сопротивления между нагревателем 2 и корпусом 1 установки и величиной амплитуды управляющего сигнала, прошедшего внутри тепловой камеры от нагревателя 2 до корпуса 1, определяют режим работы кристаллизационной установки, согласно которому: сопротивление между корпусом 1 установки и нагревателем 2 более 1 кОм означает нормальную работу установки, уменьшение сопротивления с 1 кОм до 10 Ом означает образование электропроводящей пленки на внутренней поверхности корпуса 1 установки, и на блок управления установкой подают предупредительный сигнал, при дальнейшем снижении сопротивления менее 10 Ом на блок управления установкой подают сигнал аварийного отключения нагревателя 2, причем зависимость между величиной амплитуды управляющего сигнала, прошедшего через внутренний объем установки, и сопротивлением между корпусом 1 установки и нагревателем 2 устанавливают путем предварительного построения тарировочного графика. Электромагнитные сигналы на нагреватель 2 подают по токоведущей шине 6 нагревателя 2, а управляющий сигнал снимают с корпуса 1 кристаллизационной установки и подают на блок управления, содержащий контактный провод 7, подключенный непосредственно к корпусу 1, и связанный электрически через конденсатор 8, полосовой фильтр 9 и детектор 10 с компараторами 11 и 12, которые подключены, соответственно, к индикаторам 13 и 14. Технический результат заключается в предотвращении разрушения установки в результате возникновения аварийного температурного режима. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к установкам для выращивания монокристаллов тугоплавких оксидов, в которых применяются цифровые следящие системы с управляющими ЭВМ в замкнутом контуре. В частности изобретение может быть использовано для автоматического управления электрической мощностью нагревателей в установках выращивания тугоплавких оксидных монокристаллов.
Во время технологического процесса при выращивании монокристаллов часто возникают технические проблемы внутри тепловой камеры. Из таких проблем можно выделить следующие:
а) Рост монокристаллов происходит в тепловой камере при температуре порядка (2000-2200) градусов Цельсия. Нагревателями являются вольфрамовые резистивные нагреватели. В тепловой камере создается вакуум. При такой высокой температуре в вакууме происходит сублимация атомов вольфрама с поверхности вольфрамовых нагревателей. (Сублимация - испарение с поверхности твердого тела минуя жидкую фазу вещества.) Атомы вольфрама, находясь в вакуумном пространстве тепловой камеры, конденсируются на относительно холодных поверхностях корпуса тепловой камеры и диэлектрических изоляторах, поддерживающих нагреватели внутри тепловой камеры. Т.о. создается тонкая напыленная пленка вольфрама на внутренних поверхностях тепловой камеры. Эта пленка является токопроводящей пленкой. Она создает паразитные токи утечек с нагревателей на корпус тепловой камеры. Происходит перераспределение мощности нагревателя, изменяется форма теплового поля внутри тепловой камеры, и как следствие - неправильный рост монокристалла.
б) При температуре порядка (2000-2200) градусов Цельсия вольфрамовые нагреватели теряют свою твердость и становятся пластичными. Под действием своего веса они провисают на несколько миллиметров. Но значительно больше они деформируются в разные стороны под действием силовых магнитных полей, создаваемых постоянными токами, проходящими через нагреватели. Величина токов через нагреватели - порядка (3000-4000) ампер. Деформация нагревателей в этом случае достигает (10-15) мм. Такая величина деформации приводит к тому, что возникает возможность касания (контакта) нагревателя с тепловой защитой внутри тепловой камеры. Тепловая защита выполнена из молибденовых экранов. При касании нагревателя тепловой защиты в двух точках, происходит короткое замыкание части нагревателя. Возникают сверхтоки через нагреватель. При этом может выйти из строя силовая часть установки и сам нагреватель.
Очевидно, что для безаварийного функционирования кристаллизационной установки необходим контроль физического состояния тепловой камеры.
Известен способ контроля процесса выращивания монокристаллов из расплава методом направленной кристаллизации путем использования непрерывного контроля зависимости гидродинамического сопротивления колебательного движения вблизи границы раздела фаз кристалл-расплав (Авторское свидетельство СССР №552750 «Способ контроля процесса выращивания монокристаллов из расплава», МПК С30В 15/24, G05D 27/00, опубл. 30.03.1982). Недостатком данного способа является его ненадежность, обусловленная необходимостью использования металлического элемента, погружаемого в высокотемпературный расплав.
Известно также беспроводное устройство для измерения температуры в установках выращивания тугоплавких оксидных монокристаллов, содержащих внутри корпуса электрический нагреватель. В устройстве реализуется, передача управляющего сигнала из полости корпуса к блоку управления (Патент RU 2.690.719, «Беспроводное устройство для измерения температуры», МПК G01K 7/02, С30В 35/00, опубл. 01.10.2018)
Недостатком данного технического решения является недостаточная точность и ненадежность измерения температуры с помощью термопары.
Технической задачей изобретения является разработка надежного способа контроля функционирования температурного режима кристаллизационной установки, определяющего физическое состояние тепловой камкры.
Техническим результатом является предотвращение разрушения установки в результате возникновения аварийного температурного режима.
Указанные технический результат достигается в результате того, что в способе контроля функционирования температурного режима кристаллизационной установки, содержащей внутри корпуса электрический нагреватель, замеряют электрическое сопротивление внутреннего объема камеры между нагревателем и корпусом установки для чего на нагреватель подают электромагнитные сигналы в диапазоне частот 100 кГц + 10 кГц с амплитудой 4-5 В, регистрируют поступающие на корпус установки электромагнитные сигналы, которые модулируют по амплитуде в зависимости от электрического сопротивления внутреннего объема камеры между корпусом и нагревателем и являющиеся управляющими сигналами, а затем на основании зависимости сопротивления между нагревателем и корпусом установки и величиной амплитуды управляющего сигнала, прошедшего внутри тепловой камеры от нагревателя до корпуса, определяют режим работы кристаллизационной установки, согласно которому: сопротивление между корпусом установки и нагревателем более 1 кОм означает нормальную работу установки, уменьшение сопротивления с 1 кОм до 10 Ом означает образование электропроводящей пленки на внутренней поверхности корпуса установки, и на блок управления установкой подают предупредительный сигнал, при дальнейшем снижении сопротивления менее 10 Ом на блок управления установкой подают сигнал аварийного отключения нагревателя. Зависимость между величиной амплитуды управляющего сигнала, прошедшего через внутренний объем установки, и сопротивлением между корпусом установки и нагревателем устанавливают путем предварительного построения тарировочного графика. Электромагнитные сигналы на нагреватель подают по токоведущей шине нагревателя, а управляющий сигнал снимают с корпуса кристаллизационной установки и подают на блок управления.
Таким образом, в предлагаемом способе реализуется измерение электрического сопротивления внутреннего объема тепловой камеры (непосредственно во время выполнения технологического процесса) с использованием радиотехнических методов контроля прохождения электромагнитных волн в высокотемпературной среде внутри тепловой камеры.
Существо изобретения поясняется на фигурах.
Фиг. 1 Структурная схема устройства определения электрического сопротивления между нагревателем и корпусом тепловой камеры.
Фиг. 2 График зависимости напряжения на выходе детектора от величины эталонных резисторов сопротивления между силовым проводом шины питания нагревателя и корпусом тепловой камеры.
Фиг. 3 Таблица. Зависимость напряжения "U" на выходе детектора от величины эталонных резисторов "R" между силовым проводом шины питания нагревателя и корпусом тепловой камеры.
Устройство содержит тепловую камеру с корпусом 1, внутри которой размещен нагреватель 2. Блок передачи сигнала содержит генератор 3, подключенный через усилитель 4 и конденсатор 5 к силовому проводу 6 шины питания нагревателя 2. Блок управления содержит контактный провод 7, подключенный непосредственно к корпусу 1 тепловой камеры установки и связанный электрически через конденсатор 8, полосовой фильтр 9 и детектор 10 с компараторами 11 и 12. Последние подключены соответственно к индикаторам 13 и 14.
В предлагаемом способе, структурная схема которого приведена на ,. 1, реализовано измерение электрического сопротивления внутреннего объема тепловой камеры (непосредственно во время выполнения технологического процесса) с использованием радиотехнических методов контроля прохождения электромагнитных волн в высокотемпературной среде внутри тепловой камеры.
Устройство, в котором реализуется предлагаемый способ, функционирует следующим образом.
Высокочастотные электромагнитные сигналы, вырабатываемые генератором 3, поступают на усилитель 4, и через разделительный конденсатор 5 подаются к силовому проводу 6 шины питания нагревателя 2. Нагреватель 2 функционирует в качестве «передающей антенны», а корпус тепловой камеры в качестве - «приемной антенны». Электромагнитные сигналы, проходя через высокотемпературную атмосферу внутри тепловой камеры, модулируются по амплитуде переменным электрическим сопротивлением двух видов:
- сопротивлением от 1 кОм до 10 Ом - это электрическое сопротивление, создаваемое электропроводящей пленкой, возникающей при "выгорании" нагревателя, и образующейся на поверхности диэлектрических конструкционных материалов поддерживающих нагреватели;
- сопротивлением от 10 Ом до 0 Ом в точках касания нагревателей с технологической оснасткой или корпусом тепловой камеры.
Сигналы с контактного провода 7 через разделительный конденсатор 8 и полосовой фильтр 9 поступают на вход амплитудного детектора 10. С выхода амплитудного детектора 10 выпрямленные сигналы положительной полярности поступают на входы компараторов 11 и 12. Компаратор 11 настроен на уровень сигналов соответствующий сопротивлению от 1 кОм до 10 Ом. Компаратор 12 настроен на уровень сигналов соответствующий сопротивлению от 10 Ом до 0 Ом.
Выходы компараторов 11, 12 соединены с индикаторами 13 и 14 соответственно. В качестве индикаторов 13 и 14 используются светодиоды.
Сигнал с индикатора 13 является предупредительным сигналом. Его появление свидетельствует о том, что часть электрической мощности, подаваемой на нагреватель 2, начинает выделяться на паразитном сопротивлении утечек внутри тепловой камеры, и нагреватель не обеспечивает заданную тепловую мощность нагрева.
Сигнал с индикатора 14 является аварийным сигналом. Его появление сообщает о возникновении сверхтоков (токов короткого замыкания) в силовых цепях, подающих электрическую мощность на нагреватель, которые могут вывести из строя как силовые цепи, подающие питающее напряжение на нагреватель, так и сам нагреватель.
В процессе работы установки оператор наблюдает за прохождением техпроцесса один раз в 30 минут и записывает в рабочий журнал необходимые для контроля показания приборов. Это происходит при нормальном режиме работы: при сопротивлении более 1 кОм.
При загорании индикатора 13, что означает снижение сопротивления в диапазоне от 1,0 кОм до 10 Ом и, следовательно, возникновение предаварийного режима работы, оператор ведет непрерывное наблюдение за прохождением техпроцесса и готовится при загорании индикатора 14 оперативно обесточить силовую цепь питания нагревателя. В предлагаемом в заявке способе, в зависимости от величины омического сопротивления между нагревателем и корпусом тепловой камеры изменяется амплитуда выходного сигнала детектора.
Для правильной настройки работы компараторов необходимо произвести калибровку устройства, т.е. определить зависимость величины выходного сигнала с детектора от величины сопротивления подключаемого к силовому проводу 6 шины питания нагревателя 2 и контактному проводу 7.
В качестве эталонных резисторов были выбраны резисторы номиналами 10 Ом, 120 Ом, 1 кОм, 10 кОм, 100 кОм и 1 мОм. Точность измерения резисторов +5%.
Результаты измерений (калибровки) сведены в таблицу на фиг. 3
На фиг. 2 приведен график зависимости напряжения на выходе детектора от величины эталонных резисторов сопротивления, подключаемых между между силовым проводом шины питания нагревателя и корпусом тепловой камеры.
На графике фигуры 2 также показаны зоны штатной работы, предаварийной работы и аварийной работы тепловой камеры.
Результаты проведенных испытаний показали промышленную применимость способа.
1. Способ контроля функционирования температурного режима кристаллизационной установки, содержащей внутри корпуса электрический нагреватель, отличающийся тем, что замеряют электрическое сопротивление внутреннего объема камеры между нагревателем и корпусом установки, для чего на нагреватель подают электромагнитные сигналы в диапазоне частот 100 ± 10 кГц с амплитудой 4-5 В, регистрируют поступающие на корпус установки электромагнитные сигналы, которые модулируют по амплитуде в зависимости от электрического сопротивления внутреннего объема камеры между корпусом и нагревателем, являющиеся управляющими сигналами, а затем на основании зависимости сопротивления между нагревателем и корпусом установки и величиной амплитуды управляющего сигнала, прошедшего внутри тепловой камеры от нагревателя до корпуса, определяют режим работы кристаллизационной установки, согласно которому: сопротивление между корпусом установки и нагревателем более 1 кОм означает нормальную работу установки, уменьшение сопротивления с 1 кОм до 10 Ом означает образование электропроводящей пленки на внутренней поверхности корпуса установки, и на блок управления установкой подают предупредительный сигнал, при дальнейшем снижении сопротивления менее 10 Ом на блок управления установкой подают сигнал аварийного отключения нагревателя, причем зависимость между величиной амплитуды управляющего сигнала, прошедшего через внутренний объем установки, и сопротивлением между корпусом установки и нагревателем устанавливают путем предварительного построения тарировочного графика.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что электромагнитные сигналы на нагреватель подают по токоведущей шине нагревателя, а управляющий сигнал снимают с корпуса кристаллизационной установки и подают на блок управления.
