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1 引 言

         多晶硅是單晶硅生產(chǎn)過(guò)程中必不可少的主要原料，隨著國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)對(duì)多晶硅原料的需求快速上漲，多晶硅相關(guān)產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)效率需要加強(qiáng)。硅芯是還原法生長(zhǎng)多晶硅的載體，因此生長(zhǎng)硅芯的硅芯爐設(shè)備改進(jìn)勢(shì)在必行。

       硅芯晶體直徑一般為8～10 mm，細(xì)而長(zhǎng)，一根原料棒可生長(zhǎng)6根硅芯棒，為此設(shè)計(jì)籽晶轉(zhuǎn)盤(pán)(如圖1)，用于放置生成的硅芯和籽晶，圖2為籽晶托盤(pán)結(jié)構(gòu)示意圖。轉(zhuǎn)盤(pán)上有5個(gè)工位，與拉晶位一共有6個(gè)工位。工作時(shí)，在拉晶位生長(zhǎng)好一根硅芯后，轉(zhuǎn)盤(pán)在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，轉(zhuǎn)盤(pán)的硅芯放置位旋轉(zhuǎn)至拉晶位，卸下硅芯棒，轉(zhuǎn)盤(pán)的下一個(gè)籽晶工位旋轉(zhuǎn)至拉晶位，抓取籽晶，然后開(kāi)始下一個(gè)硅芯棒的生長(zhǎng)，直至生長(zhǎng)6根硅芯棒后，開(kāi)爐取出硅芯棒，完成一爐硅芯的生長(zhǎng)過(guò)程。這樣就省去了每生長(zhǎng)一根硅芯晶體后，開(kāi)爐、抽空、準(zhǔn)備的時(shí)間。比之前的每爐次只能生長(zhǎng)一根硅芯的設(shè)備，既提高了生長(zhǎng)效率，又提高了設(shè)備的利用率。

如圖1所示：

·拉晶位，是垂直于籽晶托盤(pán)平面的特定軸線，即拉晶鋼絲繩所在位置，

·飛機(jī)頭，拉晶鋼絲繩下端所安裝置，用來(lái)徑向固定晶體。

·硅芯放置位，用來(lái)放置拉制好的硅芯棒。

·工位，用來(lái)放置攜帶籽晶的卡頭。

·與籽晶托盤(pán)配合使用的籽晶卡頭，是籽晶抓取機(jī)構(gòu)的重要部分。利用籽晶卡頭可以實(shí)現(xiàn)：當(dāng)抓取機(jī)構(gòu)在工位碰到托盤(pán)時(shí)可以拿起攜帶籽晶的卡頭，而在硅芯放置位碰到托盤(pán)時(shí)可以放下生長(zhǎng)好的多晶硅芯。這一部分功能完全依靠機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        在設(shè)備中采用了單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)來(lái)對(duì)籽晶托盤(pán)進(jìn)行定位控制。籽晶托盤(pán)控制系統(tǒng)由電源電路、步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器、托盤(pán)、單片機(jī)控制部分、角位移傳感器等構(gòu)成。單片機(jī)控制部分由工作電源、單片機(jī)Aduc812、LED及面板按鍵接口電路等組成。圖3為單片機(jī)籽晶托盤(pán)控制系統(tǒng)框圖。

      步進(jìn)電機(jī)作為一種直接將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成固定值機(jī)械角位移，并自動(dòng)產(chǎn)生定位轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)軸鎖定的機(jī)電轉(zhuǎn)換執(zhí)行裝置，具有定位準(zhǔn)確，無(wú)需反饋，可構(gòu)成開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，但其也存在缺點(diǎn)，不能像直流電機(jī)或交流電機(jī)那樣自動(dòng)平滑升降速，并且轉(zhuǎn)速不夠平穩(wěn)，步距角較大，特別在低速時(shí)，甚至?xí)霈F(xiàn)振蕩的現(xiàn)象。在設(shè)備中我們選用了四通公司的56BYG250D型二相混合式步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)自配的驅(qū)動(dòng)器為SH-20403型二相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器。采用單片機(jī)Aduc812實(shí)現(xiàn)對(duì)籽晶托盤(pán)的旋轉(zhuǎn)定位控制。

      Aduc812是全集成的12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它在單個(gè)芯片內(nèi)含了高性能的自校準(zhǔn)多通道ADC(8通道12位高精度)、2個(gè)12位DAC以及可編程的8位：MCU(與8051兼容)。Aduc812片內(nèi)有8kb的閃速/電擦除程序存儲(chǔ)器、640B的閃速/電擦除數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及256b的數(shù)據(jù)SRAM。另外，MC[J支持的功能包括看門(mén)狗定時(shí)器、電源監(jiān)視器以及ADC DMA功能。

        托盤(pán)控制系統(tǒng)中采用的角位移傳感器是一種將角位移量轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的電氣元件，它與籽晶托盤(pán)同軸運(yùn)動(dòng)。其兩端輸出0～10 V的連續(xù)電壓信號(hào)，并經(jīng)過(guò)外部電路輸送給單片機(jī)ADC通道0～2．5 v的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換將該信號(hào)數(shù)字化，為單片機(jī)的處理單元提供數(shù)字量信號(hào)。

3 生長(zhǎng)控制

3．1 運(yùn)動(dòng)控制

      在生產(chǎn)過(guò)程中，由于每一爐次可以生成6根晶體，因而需要多次往復(fù)運(yùn)動(dòng)，如何控制步進(jìn)電機(jī)準(zhǔn)確尋找工位，在進(jìn)行抓取籽晶、放置硅芯或者生長(zhǎng)硅芯的過(guò)程中穩(wěn)定且快速運(yùn)行，是電氣方面應(yīng)重點(diǎn)解決的問(wèn)題。

      根據(jù)籽晶托盤(pán)的機(jī)械結(jié)構(gòu)可知，各個(gè)孔到籽晶托盤(pán)回轉(zhuǎn)中心的距離為r=100 mm。若要保證定位誤差≤±0．5 mm(。即ι≤0．5 mm)，則需保證每個(gè)脈沖在托盤(pán)上的旋轉(zhuǎn)角度為θ：

則： p≤360°ι/(2πr) (1)

在式(1)中θ為每個(gè)脈沖的最大允許轉(zhuǎn)角(單位為度)，ι為最大定位誤差0．5 mm，r為孔心的回轉(zhuǎn)半徑。

得： θ≤0．2866° (2)

同時(shí)參考每個(gè)操作的旋轉(zhuǎn)角度φ，最大轉(zhuǎn)角允許的最長(zhǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間Tmax=60 s，確定脈平均周期Tmax：

        籽晶托盤(pán)控制系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)蝸輪蝸桿減速器帶動(dòng)籽晶托盤(pán)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于電機(jī)軸端轉(zhuǎn)角θ通過(guò)i=10：1的衰減，故籽晶托盤(pán)的轉(zhuǎn)角：

φ2=φ1/10 (4)

相當(dāng)于把步進(jìn)電機(jī)的輸出步距角再次細(xì)分10倍。

      系統(tǒng)硬件機(jī)構(gòu)確定后，即可得每個(gè)脈沖在步進(jìn)電機(jī)軸端的旋轉(zhuǎn)角度θ1≤2．866°。由于所選步進(jìn)電機(jī)的最小步距角為1．8°，可以看出步進(jìn)電機(jī)不經(jīng)步距細(xì)分就能滿足要求，但為了防止電機(jī)振動(dòng)就將電機(jī)的細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)定為4，則電機(jī)每步轉(zhuǎn)1．8/4°，折算到籽晶托盤(pán)上后，托盤(pán)每步旋轉(zhuǎn)θ2=0．045°，可得：

ι=2πrθ2/360 (5)

即：ι=0．0785 mm

       每個(gè)步進(jìn)脈沖使得籽晶托盤(pán)的工位孔沿圓周移動(dòng)0．0785 mm，可知系統(tǒng)的定位誤差很小，完全可以保證誤差≤±0．5 mm。

對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)間的分析：

將θ2=0．045°，Tmax=60 s，最大旋轉(zhuǎn)角度φ=208°代入式(3)可得最大脈沖平均周期：

取Tmax=0．010 s，將其帶入式(3)可得最大的旋轉(zhuǎn)工作時(shí)間為：

當(dāng)脈沖平均周期為0．0l s時(shí)，籽晶托盤(pán)系統(tǒng)的每個(gè)操作時(shí)間不到50 s滿足系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行時(shí)間的要求。

        根據(jù)設(shè)計(jì)要求，抓取籽晶和放置硅芯時(shí)要求定位精度高和自動(dòng)化程度高。根據(jù)以上分析可知，用步進(jìn)電機(jī)可以滿足定位精度高的要求，而對(duì)于自動(dòng)化程度高的要求，利用角位移傳感器形成閉環(huán)控制定位實(shí)現(xiàn)。

       在進(jìn)行硅芯生長(zhǎng)前，需進(jìn)行一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，即采樣11個(gè)工作位置。由于每一位置對(duì)應(yīng)著0～4096中唯一的一個(gè)數(shù)值，故用采集到的數(shù)據(jù)可準(zhǔn)確地反映出其位置。首先手動(dòng)旋轉(zhuǎn)托盤(pán)，定位11個(gè)工位的準(zhǔn)確位置，利用Aduc812集成的A/D功能，將角位移傳感器輸出電壓數(shù)字化，并存入EEP-ROM，作為以后硅芯自動(dòng)生長(zhǎng)中各目標(biāo)位置的給定信號(hào)。圖4所示為工位定位控制框圖。

       在生長(zhǎng)過(guò)程中，角位移傳感器隨托盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出連續(xù)變化的電壓信號(hào)經(jīng)由A/D通道形成反饋的數(shù)字量信號(hào)，該反饋信號(hào)與給定信號(hào)進(jìn)行比較，待差值小于某定值時(shí)步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)，從而形成閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)快速、可靠的自動(dòng)定位系統(tǒng)。圖5為主程序模塊邏輯流程圖。

2．2 升降速控制

根據(jù)步進(jìn)電機(jī)脈沖周期T與頻率f關(guān)系：f=1/T,可得：df=dT/T·T

則：dT=－T·T·df

         定義兩個(gè)常量值：步進(jìn)電機(jī)延遲時(shí)間最小值(STEPPER_TIM_MIN)和步進(jìn)電機(jī)延遲時(shí)間最大值(STEPPER_TIM_MAX)，分別對(duì)應(yīng)步進(jìn)電機(jī)輸入脈沖數(shù)的最大值和最小值。在對(duì)快速性要求不高的情況下，可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)輸出頻率進(jìn)行緩慢增加，使電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸加快，在加、減速時(shí)給定一個(gè)較小頻率變化值，通過(guò)運(yùn)算得到步進(jìn)電機(jī)脈沖周期的變化量，改變延遲時(shí)間實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)速度的升降控制。由此，既滿足了系統(tǒng)調(diào)速要求的時(shí)間指標(biāo)，又保證了系統(tǒng)過(guò)渡階段的平穩(wěn)性。

3 結(jié)論

        目前，具有籽晶托盤(pán)控制系統(tǒng)的硅芯爐已有二十余臺(tái)在生產(chǎn)中使用，并能很好運(yùn)轉(zhuǎn)。與原先的每爐次僅能生產(chǎn)一根硅芯的設(shè)備相比，不僅解決了生產(chǎn)效率問(wèn)題，可以每爐生長(zhǎng)4～6根硅芯；同時(shí)提高了抓取籽晶、放置長(zhǎng)成晶棒的動(dòng)作的自動(dòng)化水平。為國(guó)內(nèi)多晶原料生產(chǎn)行業(yè)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為太陽(yáng)能及電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了有力的支持。