Автоматизированная система управления компоновкой загрузок при выращивании монокристаллов кремния для солнечных ФЭП Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

1. Представлен инновационный подход динамической инициализации структуры объектов данных. 2. Разработана гибкая система асинхронного взаимодействия с источниками данных. 3. Разработан гибкий и расширяемый подход к взаимодействию слоев доменной логики и пользовательского интерфейса.

Практическая значимость предложенного проекта заключается в повышении надежности и скорости реализации программных продуктов за счет введения единообразного подхода к взаимодействию с большими источниками данных.

Список литературы: 1.Gamma, Helm, Johnson, Vlissides. Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software. Addison Wesley, 1995. 2. Martin Fauler. Patterns of Enterprise Application Architecture. Addison Wesley, 2002. 3. Arthur H. Lee, Joseph L. Zachary. Reflections on Metaprogramming. IEEE Transactions on Software Engineering, Vol. 21, №11, November 1995. 4. Manuel Clavel. Reflection in Rewriting Logic: Metalogical Foundations and Metaprogramming Applications. Cambridge University Press, 2000.

Поступила в редколлегию 22.02.2008

Михтонюк Сергей Владимирович, студент 3-го курса ХНУРЭ, специальность - специализированные компьютерные системы, разработчик программного обеспечения компании ИП «Интспеи-Украина». Научные интересы: параллельное программирование, высокопроизводительные вычисления, компьютерная 3D графика. Адрес: Украина, 61166, Харьков, пр. Ленина, 14, тел. 7021326. E-mail: mikhtonyuk@gmail.com.

Хван Роман Сергеевич, студент 4-курса ХНУРЭ, специальность - системное программирование, разработчик программного обеспечения компании ИП «Интспеи-Украина». Научные интересы: проектирование и разработка программного обеспечения, трехмерная графика. Адрес: Украина, 61166, Харьков, пр. Ленина, 14, тел. 7021326. E-mail: hwang.roman@gmail.com.

Обризан Владимир Игоревич, аспират кафедры АПВТ ХНУРЭ, менеджер проектов компании ИП ««Интспеи-Украина». Научные интересы: параллельное программирование, высокопроизводительные вычисления, проектирование цифровых систем на кристалле. Адрес: Украина, 61166, Харьков, пр. Ленина, 14, тел. 7021326. E-mail: obrizan@intspei.com.

УДК 004.421: 548.55

А.П. ОКСАНИЧ, В.Р. ПЕТРЕНКО

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ КОМПОНОВКОЙ ЗАГРУЗОК ПРИ ВЫРАЩИВАНИИ МОНОКРИСТАЛЛОВ КРЕМНИЯ ДЛЯ СОЛНЕЧНЫХ ФЭП

Рассматривается функциональная структура и алгоритмы решения задач автоматизированной системы управления компоновкой загрузок при выращивании монокристаллов кремния для солнечных ФЭП. Приводится формализованное описание алгоритма управления процессом формирования смешанных загрузок (оборотный материал + поликристаллический кремний), оптимизирующего использование оборотного материала.

1. Введение

Высокочистый монокристаллический кремний является основным полупроводниковым материалом, используемым в современной электронной промышленности. Мировое производство полупроводникового кремния постоянно увеличивается. Ежегодный прирост объемов производства составляет более 2 тысяч тонн. Это является следствием уникальности свойств этого материала, неограниченности природных запасов исходного сырья, коммерческой доступности, технологичности процессов изготовления электронных приборов на основе полупроводникового кремния.

Дополнительный интерес к монокристаллическому кремнию появился в связи с решением проблем альтернативных источников энергии. Научные разработки возобновляемых источников энергии в последние десятилетия достигли практической реализации и стали активно внедряться в мировую экономику. Среди таких разработок особое место принадлежит солнечной энергетике, базирующейся на использовании полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей (ФЭП).

Производство электроэнергии солнечными станциями на основе кремниевых ФЭП за период с 2002 по 2005 год возросло в 6,3 раза и составило в 2005 году 1,818 Гвт суммарной мощности [1].

Основным сдерживающим фактором сохранения высоких темпов освоения данного сектора энергетики является высокая стоимость исходного кремния полупроводниковой чистоты (сырца) [2].

Наиболее распространённой для получения монокристаллических слитков кремния больших диаметров является технология, реализующая метод Чохральского [3] . Высокосовершенные кристаллы кремния для производства сверхбольших и сверхсложных интегральных схем получают сегодня исключительно данным методом [4]. Производство монокристаллических слитков по методу Чохральского состоит из следующих основных этапов:

- входной контроль качества сырья, материалов и оснастки;

- подготовка шихты и компоновка загрузок для плавки в установках выращивания;

- выращивание монокристаллических слитков;

- предварительная обработка слитков;

- контроль параметров слитков согласно требованиям спецификаций;

- доводка слитков и оформление готовой продукции.

Одним из направлений удешевления производства монокристаллов кремния, выращиваемых из расплава методом Чохральского, является глубокая переработка исходного сырца, а также отходов кремния в виде конусов, немарочной части, тигельных остатков и т. п., которые образуются после каждого процесса выращивания и первичной механической обработки кристаллов. Эти отходы называют оборотным кремнием. Обороты, по сравнению с сырцом, содержат повышенную концентрацию разных легирующих примесей, поэтому их сортируют по типу и концентрации легирующего элемента (бора, фосфора, сурьмы и т.д.).

Подготовленный к загрузке в тигель материал, состоящий, как правило, из некоторой части чистого кремния-сырца, легированных оборотов определенного типа и некоторого количества лигатуры (сильно легированного монокристаллического кремния), будем называть загрузкой, а процедуру определения ее состава - процедурой компоновки.

От процедуры компоновки существенно зависит выход монокристалла в годную продукцию. Например, ошибка в расчете навески лигатуры может привести к забраковке значительной части кристалла по удельному электросопротивлению.

Наиболее рациональным путём повышения эффективности процесса компоновки является применение автоматизированной системы, базирующейся на использовании математических моделей, алгоритмов и средств вычислительной техники.

Цель данной работы - синтез функциональной структуры и алгоритмического обеспечения автоматизированной системы управления процессом компоновки загрузок, являющейся одной из подсистем организационно-технологической системы управления производством монокристаллического кремния [5]. Использование автоматизированной системы позволит существенно уменьшить влияние «человеческого фактора» на эффективность процесса компоновки, а также оптимизировать его по заданному критерию.

2. Постановка задачи

Синтезируемая система управления процессом компоновки загрузок должна автоматизировать решение следующей основной задачи: на основании имеющихся заявок на компоновку загрузок и информации об имеющихся в наличии поликристаллического кремния, оборотного материала и лигатуры сформировать заявленные загрузки таким образом, чтобы при этом в максимально возможной степени был использован оборотный материал. Для минимизации трудозатрат могут быть наложены ограничения на возможность изменения количества единиц (кусков) оборотного материала в процессе решения задачи.

3. Предметная область и функциональная структура системы

Рассматриваемая автоматизированная система предназначена для автоматизации процесса компоновки. На участке компоновки выполняются следующие основные работы:

- подготовка кремния-сырца и оборотного материала , заключающаяся в их сортировке по ряду внешних признаков (размер, чистота, наличие колец роста и др.);

- кислотное травление кремния-сырца и оборотного материала (если в этом есть необходимость);

- сортировка оборотного материала по типу электропроводности и удельному электросопротивлению;

- подготовка кварцевых тиглей;

- приготовление шихты из смеси кремния-сырца и оборотного материала;

- приготовление навесок лигатуры;

- транспортировка компоновки (тигель, шихта, лигатура) на участок выращивания. Технологическая схема участка компоновки представлена на рис.1. Наиболее важными

технологическими операциями являются операции приготовления шихты и навесок лигатуры. От качества выполнения этих операций зависит качество выращенного кристалла, и именно на этих операциях в наибольшей степени проявляется влияние „человеческого фактора".

Рис. 1.

Шихта формируется из некоторой части кремния-сырца и оборотного материала таким образом, чтобы их общая масса равнялась заданной массе загрузки, а среднее удельное электросопротивление с учетом эффективного коэффициента распределения легирующей примеси не было меньше верхнего допустимого значения удельного сопротивления, соответствующего марке кремния, для которой компонуется загрузка. По известным значениям удельного электросопротивления частей шихты и их массы, а также по заданной марке кремния осуществляется расчет навески лигатуры и затем выполняется ее приготовление.

Перечислим основные функции проектируемой системы:

- загрузка справочника марок продукции из системы вышестоящего уровня;

- оперативный учет наличия кремния-сырца, кварцевых тиглей и лигатуры;

- полуавтоматическое взвешивание кремния-сырца и единиц (кусков) оборотного материала с помощью электронных весов;

- регистрация единиц оборотного материала с обеспечением возможности последующей их идентификации;

- регистрация заявок на компоновку загрузок и контроль их выполнения;

- определение оптимального состава шихты загрузок;

- расчет навесок лигатуры для загрузок;

- сервисные функции для работы с локальной базой данных системы;

- формирование отчетов о работе участка. Функциональная структура системы приведена на рис.2.

Рис. 2.

4. Формализация и алгоритмизация решения задачи компоновки загрузок

Формализуем основные допущения и ограничения, используемые при компоновке загрузок:

- загрузка для конкретной марки продукции может содержать обороты, полученные при выращивании только определенных марок продукции. Это ограничение может быть формализовано с помощью матрицы применимости оборотов А = {а^ } размерности м х М , где М - количество марок выпускаемой продукции; а^ = 1, если оборот, полученный при выращивании монокристалла _)-й марки, может быть использован в загрузке для 1-й марки и а^ = 0 - в противном случае;

- множество имеющихся в наличии единиц (кусков) оборотного материала перед началом выполнения п - го задания на компоновку обозначим через О(п) = {ок : к = 1, К (п)}. Каждый кусок о к характеризуется тройкой < _)к, р ¡кр,тк > , где _)к - индекс марки моно-

к

кристалла, при выращивании которого он был получен; рср - среднее удельное электросопротивление куска; т 0 - масса куска;

- множество заданий на компоновку обозначим через О = (ю п : п = 1, N . Каждое задание юп характеризуется тройкой < 1п,Ртах,тп > , где 1п - индекс марки монокремния, Ртах - удельное электросопротивление, которое по расчету должно быть на верхнем торце выращенного слитка, тп - масса загрузки;

- в загрузке обязательно должен присутствовать поликристаллический кремний в количестве не менее тро1;

- масса кусков оборотного материала не должна изменяться в процессе компоновки;

- при компоновке загрузок нужно стремиться к минимизации расхода поликристаллического кремния.

Предлагается следующий алгоритм процедуры компоновки.

1. Случайным образом из множества О выбирается очередное задание на компоновку

2. Находится такое множество кусков оборотов О Юп с О(п), элементы которого удовлетворяют следующим условиям:

* п к

ОЮп = а^тп (тз - ^ то)

п О№п СО(п) ок^п ; (1)

2 тк < тп-тро1. (2)

0кеОЮп ^ ; (2)

£ а;п;к =b, Где ь=|ОЮп|

°кбОюп 1 J ;

(3)

к к / к п

2 то • Рср / 2 то ^ Ртах (4)

океОюп / °кеО Юп

3. Определяется необходимая масса кремния-сырца:

п п к

тро1 = тз - 2 * то

океОюп

4. Определяется необходимая масса монокристаллической лигатуры:

(5)

п

п тз • иЛИГ • РЛИГ

тлиг =---, (6)

к• икр •Ар ^

где илиг,икр - подвижность носителей заряда в лигатуре и кристалле соответственно;

Р лиг - удельное сопротивление лигатуры; Ар - разность между левой и правой частями соотношения (4); к - эффективный коэффициент распределения легирующей примеси.

5. Корректируется множество кусков оборотного материала О(п +1) = О(п)\ ОЮ , выполненное задание на компоновку исключается из множества О .

6. Если О Ф ф , то перейти к пункту 1, иначе закончить работу. Выводы

1. Обоснована целесообразность разработки автоматизированной системы управления процессом компоновки загрузок при выращивании слитков монокристаллического кремния для солнечных ФЕП.

2. Синтезирована функциональная структура автоматизированной системы управления процессом компоновки загрузок.

3. Впервые на основе использования теоретико-множественного подхода выполнена формализация задачи оптимальной компоновки загрузок.

юп.

4. Предложен алгоритм решения задачи оптимальной компоновки загрузок при соблюдении ограничения на возможность изменения массы единиц (кусков) оборотного материала в процессе компоновки.

5. Дальнейшие работы следует посвятить всестороннему исследованию предложенного алгоритма, а также разработке алгоритма решения упомянутой выше задачи при отсутствии ограничения, указанного в п.4.

Список литературы: 1. Hirshman W.P., SchmelaM. Silicon Shortage - so what! Photon International, 3, 2006. P. 100-125. 2. 3rd Solar Silicon Conference, April 3, 2006; Munich, Germany. 3. Шашков Ю.М. Выращивание монокристаллов методом вытягивания. М.: Металлургия, 1982. 312 с. 4. Эйдензон А.М., Пузанов Н.И. Выращивание совершенных монокристаллов кремния методом Чохральского // Неорганические материалы. 1997. Т. 33. .№3. С. 272-279. 5. ПетренкоВ.Р. Концептуальная модель организационно-технологической системы управления производством монокристаллического кремния // Новi технологи. 2006. №>1(11). С. 89-100.

Поступила в редколлегию 10.03.2008 Оксанич Анатолий Петрович, д-р техн. наук, профессор, ректор, заведующий кафедрой компьютеризированных систем автоматики Кременчугского университета экономики, информационных технологий и управления. Научные интересы: методы и аппаратура контроля структурно-совершенных полупроводниковых монокристаллов. Адрес: Украина, 39600, Кременчуг, ул. Пролетарская, 24/37, тел.: (05366) 3-11-44, e-mail: oksanich@ient.net Петренко Василий Радиславович, канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой информатики Кременчугского университета экономики, информационных технологий и управления. Научные интересы: автоматизация процессов управления производством полупроводниковых материалов. Адрес: Украина, 39600, Кременчуг, ул. Пролетарская, 24/37, тел.: (05366) 3-11-44, E-mail: pvr@ient.net

УДК 681.7.069.24

В.С. ТЮРИН, Ю.П. МАЧЕХИН

МОДЕЛЬ ИМПУЛЬСНОГО ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРНОГО ДАЛЬНОМЕРА

Описываются результаты моделирования структуры импульсного полупроводникового лазерного дальномера. Моделирование было проведено в среде MATLAB с помощью прикладного пакета программ SIMULINK.

Введение

Одной из актуальных задач современной лазерной дальнометрии является создание компактных мобильных измерительных устройств, способных с прецизионной точностью определять профиль поверхности и пространственное положение движущихся объектов в условиях изменяющегося фона. С этой целью разрабатываются лазерные дальномеры, которые осуществляют высокоточные измерения расстояний до каждой точки поверхности объекта с учетом изменения освещенности и флуктуаций параметров отраженных сигналов [1]. Процесс создания таких устройств представляет собой сложную научно-техническую задачу и требует от разработчиков использования нестандартных подходов и эффективных методов исследования получаемых результатов.

Традиционный подход к проектированию подобных систем обычно заключается в создании прототипа, за которым следует всестороннее тестирование и внесение соответствующих изменений. Этот подход требует больших временных и финансовых затрат. Эффективной альтернативой является имитационное моделирование с помощью прикладного пакета программ SIMULINK. Благодаря тесной интеграции с MATLAB, SIMULINK имеет непосредственный доступ к широкому диапазону средств проектирования и анализа. Он обеспечивает быстрое построение и тестирование виртуальных прототипов и дает доступ к любому уровню детализации проекта с минимальными усилиями [2]. Использование SIMULINK-модели для итеративного исправления проекта до построения прототипа позволяет разработчику быстро оптимизировать характеристики устройства и гораздо эффективнее выполнить проект.