CC BY
31
УДК 548.552.24
РАЗВИТИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССАМИ ПОЛУЧЕНИЯ КРУПНОГАБАРИТНЫХ МОНОКРИСТАЛЛОВ ИЗ РАСПЛАВА
СУЗДАЛЬ В.С., ЕПИФАНОВ Ю.М.,
ЗВЯГИНЦЕВ В.Н., ГЕРАСИМЧУКЛ.И., ТАВРОВСКИЙ И.И., СТРЕЛЬНИКОВ Н.И., АРТЕМЕНКО М.П._________________________
Рассматриваются основные этапы развития в НТК “Институт монокристаллов” (г .Харьков) систем управления процессами получения сцинтилляционных крупногабаритных монокристаллов из расплава за последние десять лет.
1. Введение
К системам автоматизации процессов получения крупногабаритных сцинтилляционных монокрис -таллов (КСМ) предъявляют повышенные требования. Это относится, прежде всего, к надежности систем управления (СУ) и воспроизводимости результатов их функционирования. Управляемость технологического процесса в значительной степени зависит от отсутствия существенных колебаний тепловых условий роста КСМ [1].
Разработанные различными отечественными и зарубежными фирмами СУ процессами выращивания монокристаллов из расплава методом Чохраль-ского [2-4] находят ограниченное применение при получении КСМ, что связано с особенностями управления этими технологическими системами.
Первая особенность заключается в ограниченности выбора метода контроля информативного параметра (диаметра монокристалла). Оптические преобразователи не применяют, поскольку измерение, например, телевизионным датчиком [2, 3] диаметра монокристалла более 300 мм возможно только с большими погрешностями. Дополнительные ошибки возникают в связи с продолжительным (до 10 суток) циклом выращивания из-за неизбежного загрязнения оптических элементов. Датчики веса, которые широко используют при получении полупроводниковых монокристаллов средних размеров [4], с повышением массы монокристалла применять нецелесообразно из-за существенного увеличения нестабильности механических приводов весовых преобразователей. Поэтому при выращивании КСМ используют метод косвенного контроля диаметра монокристалла—метод измерения уровня расплава, который лишен этих недостатков [5].
СУ на основе метода контроля уровня расплава разработаны в двух модификациях — непрерывное [4] и дискретно-непрерывное (с подъемом монокристалла на небольшую заданную высоту в течение короткого промежутка времени [6]) вытягивание монокристалла. Каждый способ имеет свои преимущества и недостатки, но используется для выращивания различных КСМ.
РИ, 2001, № 4
Второй особенностью технологических схем выращивания КСМ является обязательное использование подпитки расплава в процессе роста монокристалла [6].
Третья особенность связана с выбором канала управления ростом КСМ. Известно, что помимо температуры расплава, в качестве управляющего параметра при получении монокристаллов из расплава может быть использована скорость вытягивания Увт [7]. Однако теоретически обосновано, что стабилизация диаметра кристалла путем управления только Увт не обеспечивает устойчивости скорости кристаллизации, необходимой для получения кристаллов высокого качества [8], тем более при выращивании КСМ.
В настоящей работе обобщены результаты последовательного повышения качества управления ТП ПМР путем модернизации и развития СУ в НТК “Институт монокристаллов” (г.Харьков) за последнее десятилетие.
2. Постановка задачи
Принцип работы одной из первых СУ [9], учитывающих особенности процесса получения КСМ, заключается в том, что по сигналу датчика уровня расплава формируются корректирующие воздействия на температуру Тд нагревателя дна тигля и параметры подпитки расплава (рис. 1).
Рис.1. СУ процессом выращивания КСМ [9,10]:
1— ростовая печь; 2а,2б — донный и боковой нагреватели;3-тигель;4 — кристалл; 5 — КД; 6 — электропривод КД; 7 — блок подпитки;8-датчик уровня расплава;9—датчик перемещения КД;
10 — вычислительный блок; 11,13 — блоки задания и сравнения временных интерва-лов;12-блок управления подпиткой; 14,15— регуляторы температуры нагрева бока и дна; 16,17,18 — блоки задания v3, определения Уф и их сравнения
Датчик уровня расплава 8 непрерывно выдает информацию на блоки вычислений и управления подпиткой. Когда сигналы задания от блока 11 поступают к вычислителю 10, начинается отсчет времени Дф . После измерения начального уровня расплава h0 подается сигнал на перемещение кристаллодержателя (КД) вверх на величину Ahк. Уровень расплава в тигле падает. По результатам
91
сравнения в блоке 10 Ah с ДЦ за время Ah2 регулятором 15 изменяется значение Тд . По истечении периода (Д^ +ДІ2І осуществляется подпитка расплава исходным сырьем, а по достижении значения h0 в блоке 12 формируется сигнал отключения подпитки.
СУ работает циклически с задаваемым временем цикла Ato (табл.1).
Таблица 1 Характеристики ТП и СУ
Наименование Рабочее значение
Время подъема КСМ на Дй к At1 2 с
Время формирования сигнала коррекции Тд At2 10 с
Время подпитки расплава At3 5-7 мин
Время формирования сигнала коррекции Тб At4 7 мин
Общее время цикла (At1 + At2 + At3 + At4) At0 15 мин.
Изменение уровня расплава за время подъема КСМ (заданное и фактическое) Aho , Дй 1У2 мм
Шаг перемещения КД Ah к 0,5 мм
Средняя скорость роста КСМ при дискретном подъеме КД V 4 мм/час
Средняя скорость роста КСМ при падении уровня расплава (факт и задание) Хф, V р2 3 мм/час
Время измерения Хф Ax 3 мин
3. Разработка новых элементов СУ
Частота корректирующих воздействий на температуру в СУ [9] недостаточна для уменьшения относительных отклонений диаметра монокристалла в процессе его выращивания. Улучшить ситуацию удалось в СУ [10], измеряя, помимо уровня расплава, скорость Хф его изменения и дополнительно корректируя температуру Тб бокового нагревателя. Информация от датчика 8 (см. рис. 1) с началом интервала At4 непрерывно поступает на блок 18 для расчета с шагом Дт значений:
Shi
^ =^
Хф2 --
Sh1
Дт
Хфы -
ShN
Дт ,
(1)
где Sh! - hi2 -h1i;Sh2 - hl3 -hl2;-;ShN - h1(N+1) _h1N .
Эти значения в блоке 17 сравниваются c v р2, после
чего температуру Тб изменяют регулятором 14. Воздействие на боковой нагреватель позволяет осуществить прецизионное управление температурой расплава по изменению величин 5h1 ^ ShN, т.е. по разности заданной и фактической скоростей 92
изменения уровня расплава. Дополнительная коррекция Тб в течение At4 составляет ±(0,5^1,0)°С, а воздействия на расплав не превышают ±(0,25^0,5)°С.
В СУ [10] не учитывается зависимость величины дискретного перемещения КД от таких факторов, как инерционность электропривода, точность механических элементов и узлов. В результате фактическое перемещение отличается от задаваемой величины, что приводит к появлению дополнительной погрешности определения Ah после каждого подъема монокристалла. Для устранения этого недостатка в СУ [11] используется блок контроля величины дискретного перемещения КД (рис.2,а, где блок СУ 1 включает в себя все элементы схемы рис.1, кроме блоков 6, 9,10 и 15).
Рассогласование между заданным и фактическим значениями величины перемещения обрабатывается в вычислителе 10 и учитывается при формировании управляющих воздействий на донный нагреватель.
а
б
Рис.2. СУ с добавлением контуров: а — перемещения КД [11] (19 — блок задания и контроля величины перемещения КД); б — “быстрого реагирования” [12] (20,21 — датчики мощности; 22,23—усилители-сумматоры; 24,25 — усилители мощности с ПИД-контроллера-ми); в — управления ростом на стадии подпит-ки[14] (26 - блок логики; 27— блок определения прогнозного значения сигнала ошибки;
28,29 - элементы “НЕ” и “2И-ИЛИ-НЕ”)
РИ, 2001, № 4
От блока 19 на электропривод 6 поступает сигнал перемещения кристалла на Ah к и в блоке 10 определяется фактическое перемещение КД AhK. Значение | Ahк - AhK | после обработки в вычислителе 10 учитывается при окончательной коррекции разности уровней расплава: h2 = h2 - q-1 Ahк -AhK |, где q -эмпирически заданная константа.
На результаты функционирования СУ [10, 11] оказывают влияние быстроменяющиеся возмущения (например, нестабильности напряжения сети питания). Такие помехи снижают качество прецизионного регулирования относительно медленно меняющихся температур нагревателей и увеличивают отклонения диаметра КСМ.
Эти недостатки устраняет СУ [ 12], которая обеспечивает повышенные точность поддержания диаметра КСМ и надежность управления ТП. В ней используются датчики мощности 20, 21, усилители-сумматоры 22, 23 и цифровые усилители мощности 24, 25 с ПИД-контроллерами (рис.2, б, где все элементы схемы рис.2, а, помимо регуляторов 14 и 15, объединены в один блок СУ2). Возмущения фиксируются малоинерционными датчиками мощности и подаются на инверсные входы усилителей-сумматоров. На прямые входы этих элементов поступают выходные сигналы корректирующих регуляторов 14 и 15, а разностные сигналы усилителей-сумматоров - на ПИД-контроллеры усилителей мощности. Коэффициентами Кпі, К„2 пропорциональности и постоянными времени Тдф1, Тдф2, Тд1, Тд2, Ти1, Ти2 оптимизируют контуры быстрого регулирования для компенсации возмущений в периоды, сравнимые с периодом колебаний переменного тока (20 мс). ПИД-контроллеры с передаточными функциями [13]:
Wu(p)
xвых12 (р) 2
Х ВХі,2(Р) ТДі,2 Р + 1
(1 + ТДі,2 Р +
Т
1
)
1,2
(2)
позволяют произвести настройку каждого из взаимосвязанных контуров регулирования параметров донного и бокового нагревателей с оптимальными для компенсации возмущений коэффициентами (хвых 2 , хвх — изображения выходного и входного сигналов, в долях от номинального диапазона их изменения, р — оператор Лапласа).
Длительность цикла измерения в контурах быстрого регулирования на порядок меньше, чем в обычных контурах коррекции температуры нагревателей. Воздействие на расплав при оптимальной настройке ПИД-контроллеров осуществляется с точностью ±0,2оС. Таким образом, за счет компенсации возмущений в СУ относительные отклонения диаметра КСМ уменьшаются, чем обеспечивается повышение его качества.
В СУ [10-12] корректирующие воздействия по температуре осуществляются только на стадии роста КСМ (т.е. не более чем в течение половины полного цикла выращивания монокристалла). Задача управления ТП не только на стадии роста КСМ, но и на стадии подпитки расплава решена в
СУ [14] (рис .2,в, где блок СУ3 включает в себя все элементы рис.2,б, кроме блоков 14, 17 и 18). СУ содержит блоки логики 26 и определения прогнозного значения сигнала ошибки 27, логические элементы “НЕ” 28 и “2И - ИЛИ - НЕ” 29. В блоке
26 формируются значения индикатора %(t) стадии
5h;
процесса выращивания КСМ: %(t) = 1 при —— ^ 0
Ат
5h;
(рост монокристалла), %(t) = 0 при > 0 (подпитка расплава).
Через интервалы At сигналы ошибки = Уф; - Vp2 (i= 1.. .N) поступают на вход логического элемента 29 и на блок 27. При %(t) = 1 через элемент 29 сигнал ошибки поступает на вход регулятора 14. За время роста КСМ на этот регулятор подается несколько управляющих воздействий. При x(t) = 0 на блок 29 через элемент “НЕ” поступает логическая “1”, а через блок 27 — прогнозное значение сигнала
ошибки Єрасч . Вычисление Єрасч осуществляется на М тактов вперед относительно текущего значения un =є; (оценки линейно меняющегося входного сигнала zn, искаженного помехой) по формулам [15]:
єрасч.М _ un+M _ un ^M' un , (3)
где
n
1-1
^ k0(1,m) • zn _m;k0(1,m)
m=0
2 • (2l-1 + 3m)
ЩЛ) ,
l-1
^ k1(l,m) • zn _m;k1(l,m) m=0
6 • (l-1 - 2m)
(l - 1)l(l +1) ,
l и M — количество измеренных (предшествующих n-му) значений входного сигнала и шаг прогноза, хранящиеся в памяти блока 28.
Для фиксированного числа точек в каждом цикле
(1=5):
а) при M=1
un+m
8zn +5zn-1+2zn-2 zn-3 4zn-4 ;
10 ’
б) при M=2
(4)
un+m
5zn ^3zn—1 ^zn-2 zn-3 3zn-4 5
(5)
С выхода элемента 29 на вход регулятора 14 поступает сигнал ошибки Sk . За время подпитки (~6 мин) в СУ [14] на протяжении более 40% времени общего цикла At0 обеспечивается два-три управляющих воздействия, которых не было в СУ [10-12].
Таким образом, корректирующее воздействие дополнительно на боковой нагреватель позволяет
РИ, 2001, № 4
93
осуществить прецизионное управление температурой расплава по изменению величин 5hj + 5hn и
соответственно, по разности заданной Vp2 и фактической v ф скоростей изменения уровня расплава на
протяжении всего цикла выращивания КСМ. Дополнительная коррекция температуры бокового нагревателя находится в пределах ±(0,2ё0,4)°С.
В СУ процессами выращивания КСМ в качестве корректирующих регуляторов температуры бокового и донного нагревателей использованы цифровые программные регуляторы типа РПМ [16].
4. Оценка эффективности СУ
В таблице 2 сопоставлены характеристики, позволяющие судить о положительном эффекте применения разработанных СУ при выращивании КСМ в НТК. Сравнивались параметры крупногабаритных (с размерами 032Ох6ОО мм) сцинтилляцион-ных монокристаллов CsJ(Na), выращенных с использованием различных СУ, а также изготовленных из них детекторов.
Как следует из табл .2, поэтапная модернизация СУ позволила последовательно решать задачи получения КСМ все более высокого качества.
Таблица 2
Характеристики монокристаллов (М) и вырезанных из них детекторов (Д) Типы СУ
1 2 3 4
М Относительное отклонение диаметра образца, % 1,0 0,7 0,6 0,5
Товарный выход образцов, пригодных для изготовления изделий, % 91 92 93 95
Д Собственное энергетическое разрешение, Rc, % 6,2 6,1 6,1 6,0
Световой выход, С, У.Е.С.В. 2,8 2,9 2,9 2,9
Таким образом, необходимость удовлетворить возрастающие требования потребителей сцинтилляци-онных монокристаллов больших размеров явилась стимулом разработки в НТК целой серии устройств и СУ, существенно повысивших показатели качества готовой продукции.
Литература: 1. Суздаль В. С., Герасимчук Л.И., Епифанов Ю.М. и др. Комплекс технических средств для управления тепловым режимом //Тез. докл. IX Нац. конф. по росту кристаллов (НКрК-2000). М,:ИК РАН, 2000. С.213. 2. Пат. Японии N 5059876, С30В 15/26. 3. Пат.
Японии N 5071552, С30В 13/28. 4. Бурачас С.Ф., Стад-ник П.Е., Тиман Б.Л. Автоматизация процессов роста кристаллов//ВНИИ монокристаллов (Хим. пром. Монокристаллы и особо чистые в-ва. Обз. инф.). М.:НИ-ИТЭХИМ. 1984. 69 С. 5. Стадник ПЕ, Суздаль В.С, Заславский Б.Г. Об автоматизации процессов получения кристаллов больших размеров//Получение и свойства кристаллов. Харьков: ВНИИ монокристаллов, 1986. №17. С.91-105. 6. Горилецкий В.И, Радкевич А.В.,Эй-дельман Л.Г. Принципы управляемого вытягивания монокристаллов из расплава (Хим. пром. Монокристаллы и особо чистые в-ва. Обз. Инф.). М.: НИИТЭ-ХИМ. 1977, 54 С. 7. Пат. Японии N 6015435, С30В 15/20. 8. Nalbandyan H.G. Possibility of programming and optimal control of growth in the Czochralski technique// J.Cryst. Growth, 1984. 67, №1. Р.115-118. 9. Пат. РФ №1122014, С30В 15/20. 10. Пат. Украины 29081А. 11. Пол. решение по заявке № 98063101 на патент. 12. Заявка № 2001020889 на патент. 13. Техническое описание и инструкция по эксплуатации прибора регулирующего аналогового Р133, С.23. 14. Коршунов Ю.М. Математические основы кибернетики. М:Энергоато-миздат. 1987. C.431. 15. Тавровский И.И., Суздаль В.С., Епифанов Ю.М. и др. Цифровой программный регуля-тор//Вестник ХГПУ. 2000. Вып.80. С.7.
Поступила в редколлегию 15.06.2001
Рецензент: д-р техн. наук, проф. Тевяшев А.Д.
Суздаль Виктор Семенович, канд. техн. наук, зав. отделом, НТК “Институт монокристаллов”. Научные интересы: автоматизация технологических процессов. Адрес: Украина, 61001, Харьков, пр.Ленина, 60, НИО ЩГК, отд.9.
Епифанов Юрий Михайлович, канд. техн. наук, ст. научный сотрудник, НТК “Институт монокристаллов”. Научные интересы: автоматизация технологических процессов. Адрес: Украина, 61001, Харьков, пр.Ленина, 60, НИО ЩГК, отд.9.
Звягинцев Владимир Николаевич, канд. техн. наук, ст. научный сотрудник, НТК “Институт монокристаллов”. Научные интересы: автоматизация технологических процессов. Адрес: Украина, 61001, Харьков, пр.Ленина, 60, НИО ЩГК, отд.9.
Герасимчук Лариса Ивановна, канд. техн. наук, ст. научный сотрудник, НТК “Институт монокристаллов”. Научные интересы: автоматизация технологических процессов. Адрес: Украина, 61001, Харьков, пр.Ленина, 60, НИО ЩГК, отд.9.
Тавровский Игорь Игоревич, аспирант, НТК “Институт монокристаллов”. Научные интересы: автоматизация технологических процессов. Адрес: Украина, 61001, Харьков, пр.Ленина, 60, НИО ЩГК, отд.9.
Стрельников Николай Иванович, вед. инженер, НТК “Институт монокристаллов”. Научные интересы: автоматизация технологических процессов. Адрес: Украина, 61001, Харьков, пр.Ленина, 60, НИО ЩГК, отд.9.
Артеменко Максим Петрович, инженер, НТК “Институт монокристаллов”. Научные интересы: автоматизация технологических процессов. Адрес: Украина, 61001, Харьков, пр.Ленина, 60, НИО ЩГК, отд.9.
94
РИ, 2001, № 4
