專利名稱：區(qū)熔硅單晶爐電氣控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于生產(chǎn)區(qū)熔硅單晶的大型設(shè)備，特別涉及一種用于生產(chǎn)氣相摻雜區(qū)熔硅單晶的區(qū)熔硅單晶爐電氣控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近幾年來，由于電子行業(yè)的飛速發(fā)展，產(chǎn)品需求的多元化，用于生產(chǎn)區(qū)熔硅單晶的設(shè)備其傳統(tǒng)的功能已經(jīng)不能滿足多元化產(chǎn)品的工藝要求，尤其是區(qū)熔硅單晶爐的電氣控制部分主要采用繼電器的控制方法，該控制方法采用的是固定接線方式，一旦生產(chǎn)過程中有所變動，就得重新設(shè)計線路連接安裝，因此如果在原設(shè)備的基礎(chǔ)進行改造相當(dāng)困難，而且它不能隨著產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中對工藝的改變而改變，它的電機控制部分的控制精度和可靠性差，不能滿足工藝要求。此外，為了拉制氣相摻雜區(qū)熔硅單晶必須添加摻雜氣體控制部分，因此，研制滿足多元化產(chǎn)品工藝要求的區(qū)熔單晶爐的電氣控制部分勢在必行。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于為了滿足多元化產(chǎn)品的工藝要求，提高設(shè)備的精度和可靠性，以實現(xiàn)自動化控制，特提供一種區(qū)熔硅單晶爐電氣控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有操作方便、控制精度及可靠性高等優(yōu)點，從而滿足多元化產(chǎn)品的工藝要求。
本發(fā)明采取的技術(shù)方案是一種區(qū)熔硅單晶爐電氣控制系統(tǒng)，其特征在于包括中心控制部分、電機控制部分、控制面板及摻雜氣體控制部分；所述的中心控制部分包括有通訊模塊器且與輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊相連的可編程邏輯控制器；所述的電機控制部分包括數(shù)字運動控制器、互連模塊、手動調(diào)速編碼器、伺服驅(qū)動器及伺服電機；所述的摻雜氣體控制部分包括氣體保護部分使用的氬氣、氮氣的氣體質(zhì)量流量計及摻雜箱部分；所述的控制面板為觸摸屏式控制面板，其中，觸摸屏控制面板與可編程邏輯控制器的通訊模塊連接；可編程邏輯控制器通過串口與數(shù)字運動控制器連接；可編程邏輯控制器的輸入輸出模塊通過輔助繼電器分別與兩塊互連模塊及所述的摻雜控制部分的氬氣、氮氣的氣體質(zhì)量流量計、摻雜箱部分連接；所述的手動調(diào)速編碼器與數(shù)字運動控制器的X-E軸插口連接；兩塊互連模塊分別與數(shù)字運動控制器的X-W軸和E-H軸插口連接，所述的伺服電機包括上轉(zhuǎn)電機、下轉(zhuǎn)電機、上速電機、下速電機及線圈移動電機且分別連接伺服驅(qū)動器，并通過伺服驅(qū)動器與兩塊互連模塊的上轉(zhuǎn)、下轉(zhuǎn)、上速、下速及線圈插口連接。
觸摸屏作為這臺設(shè)備操作控制部分，起到了很關(guān)鍵的作用。其內(nèi)部功能強大，可以在同一個屏幕下顯示多個控制界面，根據(jù)事先設(shè)計好的程序完成操作者所操作的動作。區(qū)熔硅單晶爐的觸摸屏分為4個界面1、主畫面。包括上下速的控制和顯示部分；電壓、電流、功率的轉(zhuǎn)化開關(guān)及顯示；線圈移動的開關(guān)和顯示部分；液壓套筒上下移動開關(guān)；定時器的開關(guān)和顯示等等；2、設(shè)置。包括上下速的快速移動；定時器的時間設(shè)置；以及線圈的快速移動等等。3、氣體真空。包括真空泵開關(guān)及真空度的顯示；氬氣快速和慢速的充氣開關(guān)及氬氣慢速充氣流量的設(shè)定和顯示上下排氣閥的開關(guān)等等。4、氣體摻雜摻雜氣流量設(shè)定；氬氣流量設(shè)定；入爐流量設(shè)定；摻雜氣系統(tǒng)壓力設(shè)定及各個電磁閥的開啟、關(guān)閉。而且觸摸屏可以和可編程邏輯控制器配合使用，所以大大的省去了因為自鎖或者互鎖時所需要的繼電器以及排線，而且節(jié)省了很大的空間。
可編程邏輯控制器作為這臺設(shè)備的中心控制部分，起到了承上啟下的作用。當(dāng)操作者在觸摸屏上發(fā)出給定信號并傳輸?shù)娇删幊踢壿嬁刂破髦?，可編程邏輯控制器按照已編好的程序控制其外部的輔助繼電器，再由輔助繼電器將控制信號傳輸給控制部件完成動作。而且可以根據(jù)選用的不同的輸入，輸出模塊接受不同種類的信號源的信號，并且可以通過改變其內(nèi)部程序而改變輸入和輸出的比例?？删幊炭刂破髯畲蟮膬?yōu)點在于可以和多種元器件配合使用，例如觸摸屏、數(shù)字運動控制器等。
電機控制部分主要是采用了手動調(diào)速編碼器、數(shù)字運動控制器、伺服電機驅(qū)動器、以及伺服電機與可編程控制器相結(jié)合的控制方法。其中心控制部分就是數(shù)字運動控制器，它是現(xiàn)在世界上比較先進的獨立控制器之一，它具有強大的功能，可以通過程序同時控制多個軸的行程、速度、加速度、減速度、延時等多種控制。例如在生長氣相摻雜區(qū)熔硅單晶過程中，對下轉(zhuǎn)正反轉(zhuǎn)改變的控制方面、線圈移動等方面，都可以通過改變其內(nèi)部程序而完成。再加上與伺服電機驅(qū)動器和伺服電機配合使用，使得其準確性和穩(wěn)定性也得到了保障。
摻雜箱部分主要是為了生長氣相摻雜單晶而專門設(shè)計的，其內(nèi)部包括氣體質(zhì)量流量計、氣體壓力控制器及電磁閥，其主要作用就是將摻雜氣體與氬氣相混合，在適當(dāng)?shù)臅r候由操作者通過觸摸屏給可編程邏輯控制器一個給定信號打開相應(yīng)的電磁閥，再通過壓力控制器將多余的氣體排出后，將所需流量的摻雜氣體進入爐室，生長氣相摻雜單晶。其控制主要是通過觸摸屏設(shè)置好每個氣體質(zhì)量流量計的流量后，將每個氣體質(zhì)量流量計的控制信號，通過與可編程邏輯控制器事先設(shè)定好的通訊地址在可編程邏輯控制器中轉(zhuǎn)換為質(zhì)量流量計的輸入信號，輸入給質(zhì)量流量計，控制氣體流量的大小。再通過質(zhì)量流量計反饋給可編程邏輯控制器，經(jīng)過其內(nèi)部的處理后，輸入到觸摸屏的數(shù)字顯示部分，顯示其流量。使其在對氣相摻雜區(qū)熔硅單晶電阻率的控制上達到精準。


圖1是本發(fā)明的原理框圖并作為摘要附圖。
圖2是圖1中摻雜箱內(nèi)部原理框圖。
具體實施例方式參照圖1、2，所述的摻雜箱部分包括氬氣、摻雜氣、入爐使用的氣體質(zhì)量流量計、壓力控制器及電磁閥；其中電磁閥分別通過輔助繼電器與可編程控制器的輸入輸出模塊連接；氬氣、摻雜氣、入爐使用的氣體質(zhì)量流量計壓力控制與可編程邏輯控制器的輸入輸出模塊連接。
所述的可編程邏輯控制器為歐姆龍公司生產(chǎn)的C200HG型可編程邏輯控制器，其輸入、輸出點為歐姆龍公司生產(chǎn)的ID216型輸入模塊及OD219型輸出模塊，采用的模擬量輸入模塊及模擬量輸出模塊為歐姆龍公司生產(chǎn)的AD003型模擬量輸入模塊及DA003型模擬量輸出模塊。
所述的數(shù)字運動控制器為GALIL公司生產(chǎn)的DMC2280型數(shù)字運動控制器，伺服電機驅(qū)動器為日本安川公司生產(chǎn)SGDM08ADA型伺服電機驅(qū)動器，其控制上轉(zhuǎn)、下轉(zhuǎn)、上速、下速四個軸的伺服電機均為日本安川公司生產(chǎn)的SGMAH-08AAA41型交流伺服電機，控制線圈移動的伺服電機為日本安川公司生產(chǎn)的SGMAH-08A1A41型交流伺服電機。
所述的氣體保護部分氮氣、氬氣使用的氣體質(zhì)量流量計均為BROOKS公司生產(chǎn)的5850型(氮氣)、5851型(氬氣)氣體質(zhì)量流量計；摻雜箱部分的摻雜氣、氬氣及入爐使用的氣體質(zhì)量流量計及其壓力控制器均為BROOKS公司生產(chǎn)的5850型氣體質(zhì)量流量計(氬氣)和5866型壓力控制器(氬氣)。
區(qū)熔硅單晶爐電氣控制系統(tǒng)流程分為兩大部分中心控制部分流程為操作者通過觸摸屏發(fā)出指令，經(jīng)過數(shù)據(jù)線到達通訊模塊，再經(jīng)過通訊模塊對信號的改變后發(fā)送到可編程邏輯控制器。再由可編程邏輯控制器按照事先所編輯好的程序，在其內(nèi)部進行運算后分三路輸出。第一路作為電機的控制信號輸入到數(shù)字運動控制器，對電機的運動進行控制。第二路根據(jù)各個輸入點的輸入信號，通過輸出點控制輔助繼電器來完成單晶爐整體繼電器部分的控制。第三路通過模擬量(電壓)輸出單元輸出電壓信號，對摻雜箱中的氣體質(zhì)量流量計及摻雜箱外的氣體質(zhì)量流量計的設(shè)定值進行控制。氣體質(zhì)量流量計的反饋信號、真空計的反饋信號、電源電壓的反饋信號、及電源電流反饋信號通過電流/電壓轉(zhuǎn)換模塊后的信號等多個反饋信號都是經(jīng)過模擬量(電壓)輸入單元反饋到可編程邏輯控制器中，經(jīng)過信號的處理后，反饋到觸摸屏的顯示部分，顯示所控制的情況。
電機控制部分流程為通過各個軸(上轉(zhuǎn)、下轉(zhuǎn)、上速、下速、線圈移動)的手動調(diào)速編碼器經(jīng)過數(shù)據(jù)線向數(shù)字運動控制器輸入給定信號，經(jīng)過數(shù)字運動控制器內(nèi)部已設(shè)定好的程序的運算結(jié)果，通過數(shù)據(jù)線與互連模塊的相應(yīng)插口連接，再分別使用數(shù)據(jù)線通過互連模塊的相應(yīng)插口分別向(上轉(zhuǎn)、下轉(zhuǎn)、上速、下速、線圈移動)各軸的伺服驅(qū)動器輸入控制信號，控制各個軸的各項運動。再通過各個伺服電機上本身自帶的編碼器用數(shù)據(jù)線將反饋信號分別分為兩路，反饋給各個不同的電機控制系統(tǒng)中，一路作為負反饋通過編碼器電纜輸入給伺服電機驅(qū)動器的相應(yīng)插口上，使其與電機形成一閉環(huán)回路，使電機在運轉(zhuǎn)速度的準確和穩(wěn)定方面上更加安全可靠。另一路作為位置信號輸入給數(shù)字運動控制器，用于控制伺服電機的行程和延時的時間，再由數(shù)字運動控制器輸入給可編程邏輯控制器，在其內(nèi)部做比例的轉(zhuǎn)換后，再將信號輸入到控制觸摸屏進行數(shù)字顯示，使操作者可以清楚的看到電機的運動速度，并做出相應(yīng)的控制。
另外，可編程邏輯控制器所控制的輔助接觸器各觸點的接線通過接線排轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)線后與互連模塊的相應(yīng)插口相連接控制各個軸電機的運動方向及快速與慢速的切換。操作者可以輕松的通過觸摸屏給定可編程邏輯控制器控制信號，來完成以上動作。
區(qū)熔硅單晶爐電氣控制系統(tǒng)在區(qū)熔氣相摻雜硅單晶生長中的主要應(yīng)用1.通過下轉(zhuǎn)手動調(diào)速編碼器經(jīng)過數(shù)據(jù)線向數(shù)字運動控制器輸入給定信號，經(jīng)過數(shù)字運動控制器內(nèi)部已設(shè)定好的程序的運算結(jié)果，通過數(shù)據(jù)線與互連模塊的相應(yīng)插口連接，再分別使用數(shù)據(jù)線通過互連模塊的相應(yīng)插口分別向下轉(zhuǎn)的伺服驅(qū)動器輸入控制信號，控制下轉(zhuǎn)電機的運動。再通過下轉(zhuǎn)伺服電機上本身自帶的編碼器用數(shù)據(jù)線將反饋信號分別分為兩路，一路作為負反饋通過編碼器電纜輸入給伺服電機驅(qū)動器的相應(yīng)插口，使其與電機形成一閉環(huán)回路。另一路作為位置信號輸入給數(shù)字運動控制器，用于控制伺服電機的行程和延時的時間，再由數(shù)字運動控制器輸入給可編程邏輯控制器，在其內(nèi)部做比例的轉(zhuǎn)換后，再將信號輸入到觸摸屏進行下轉(zhuǎn)速度的數(shù)字顯示。同時通過觸摸屏給定下轉(zhuǎn)正向、反向運動的指令，以及正向、反向運動的時間的設(shè)定，經(jīng)過可編程邏輯控制器、數(shù)字運動控制器、伺服驅(qū)動器來控制下轉(zhuǎn)電機按設(shè)定的時間進行正向、反向運動，從而在區(qū)熔氣相摻雜硅單晶生長中由下軸帶動單晶按照設(shè)定的時間進行正向、反向運動。
2.通過加熱線圈手動調(diào)速編碼器經(jīng)過數(shù)據(jù)線向數(shù)字運動控制器輸入給定信號，經(jīng)過數(shù)字運動控制器內(nèi)部已設(shè)定好的程序的運算結(jié)果，通過數(shù)據(jù)線與互連模塊的相應(yīng)插口連接，再分別使用數(shù)據(jù)線通過互連模塊的相應(yīng)插口分別向加熱線圈的伺服驅(qū)動器輸入控制信號，控制下轉(zhuǎn)電機的運動。再通過下轉(zhuǎn)伺服電機上本身自帶的編碼器用數(shù)據(jù)線將反饋信號分別分為兩路，一路作為負反饋通過編碼器電纜輸入給伺服電機驅(qū)動器的相應(yīng)插口，使其與電機形成一閉環(huán)回路。另一路作為位置信號輸入給數(shù)字運動控制器，用于控制伺服電機的行程和延時的時間，再由數(shù)字運動控制器輸入給可編程邏輯控制器，在其內(nèi)部做比例的轉(zhuǎn)換后，再將信號輸入到觸摸屏進行加熱線圈移動距離的數(shù)字顯示。
3.摻雜箱部分對于氣相摻雜區(qū)熔硅單晶的生長非常關(guān)鍵，是通過觸摸屏設(shè)置好摻雜氣體、氬氣、入爐氣體質(zhì)量流量計的流量及壓力控制器的壓力，這些控制信號通過與可編程邏輯控制器事先設(shè)定好的通訊地址在可編程邏輯控制器中轉(zhuǎn)換為質(zhì)量流量計及壓力控制器的輸入信號，輸入給質(zhì)量流量計及壓力控制器，控制氣體流量的大小及摻雜箱系統(tǒng)的壓力；同時通過觸摸屏給可編程邏輯控制器一個給定信號打開摻雜氣體、氬氣、入爐電磁閥，這時，摻雜氣體、氬氣、入爐氣體質(zhì)量流量計按照給定的流量設(shè)定控制各個流量，壓力控制器按照給定的壓力設(shè)定控制摻雜箱系統(tǒng)的氣體壓力，并將多余的氣體排出系統(tǒng)，混合后的摻雜氣體通過摻雜氣體質(zhì)量流量計按照設(shè)定值進入爐室，生長氣相摻雜區(qū)熔硅單晶。其控制主要是通過觸摸屏再通過質(zhì)量流量計反饋給可編程邏輯控制器，經(jīng)過其內(nèi)部的處理后，輸入到觸摸屏的數(shù)字顯示部分，顯示其流量。使其在對區(qū)熔氣相摻雜硅單晶電阻率的控制上達到精準。
權(quán)利要求
1.一種區(qū)熔硅單晶爐電氣控制系統(tǒng)，其特征在于包括中心控制部分、電機控制部分、控制面板及摻雜氣體控制部分；所述的中心控制部分包括有通訊模塊且與輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊相連的可編程邏輯控制器；所述的電機控制部分包括數(shù)字運動控制器、互連模塊、手動調(diào)速編碼器、伺服驅(qū)動器及伺服電機；所述的摻雜氣體控制部分包括氣體保護部分使用的氬氣、氮氣的氣體質(zhì)量流量計及摻雜箱部分；所述的控制面板為觸摸屏式控制面板，其中，觸摸屏控制面板與可編程邏輯控制器的通訊模塊連接；可編程邏輯控制器通過串口與數(shù)字運動控制器連接；可編程邏輯控制器的輸入輸出模塊通過輔助繼電器分別與兩塊互連模塊及所述的摻雜控制部分的氬氣、氮氣的氣體質(zhì)量流量計、摻雜箱部分連接；所述的手動調(diào)速編碼器與數(shù)字運動控制器的X-E軸插口連接；兩塊互連模塊分別與數(shù)字運動控制器的X-W軸和E-H軸插口連接，所述的伺服電機包括上轉(zhuǎn)電機、下轉(zhuǎn)電機、上速電機、下速電機及線圈移動電機且分別連接伺服驅(qū)動器，并通過伺服驅(qū)動器與兩塊互連模塊的上轉(zhuǎn)、下轉(zhuǎn)、上速、下速及線圈插口連接。
2.如權(quán)利要求1所述的區(qū)熔硅單晶爐電氣控制系統(tǒng)，其特征在于所述的摻雜箱部分包括氬氣、摻雜氣、入爐使用的氣體質(zhì)量流量計、壓力控制器及電磁閥；其中電磁閥分別通過輔助繼電器與可編程控制器的輸入輸出模塊連接；氬氣、摻雜氣、入爐使用的氣體質(zhì)量流量計、壓力控制器與可編程邏輯控制器的輸入輸出模塊連接。
3.如權(quán)利要求1或2所述的區(qū)熔硅單晶爐電氣控制系統(tǒng)，其特征在于所述的可編程邏輯控制器為歐姆龍公司生產(chǎn)的C200HG型可編程邏輯控制器，其輸入、輸出點為歐姆龍公司生產(chǎn)的ID216型輸入模塊及OD219型輸出模塊，采用的模擬量輸入模塊及模擬量輸出模塊均為歐姆龍公司生產(chǎn)的AD003型模擬量輸入模塊及DA003型模擬量輸出模塊。
4.如權(quán)利要求1或2所述的區(qū)熔硅單晶爐電氣控制系統(tǒng)，其特征在于所述的數(shù)字運動控制器為GALIL公司生產(chǎn)的DMC2280型數(shù)字運動控制器，伺服電機驅(qū)動器為日本安川公司生產(chǎn)SGDM08ADA型伺服電機驅(qū)動器，其控制上轉(zhuǎn)、下轉(zhuǎn)、上速、下速四個軸的伺服電機均為日本安川公司生產(chǎn)的SGMAH-08AAA41型交流伺服電機，控制線圈移動的伺服電機為日本安川公司生產(chǎn)的SGMAH-08A1A41型交流伺服電機。
5.如權(quán)利要求1或2所述的區(qū)熔硅單晶爐電氣控制系統(tǒng)，其特征在于所述的氣體保護部分的氮氣、氬氣使用的氣體質(zhì)量流量計均為BROOKS公司生產(chǎn)的5850型、5851型氣體質(zhì)量流量計；摻雜箱部分的摻雜氣、氬氣及入爐使用的氣體質(zhì)量流量計及其壓力控制器均為BROOKS公司生產(chǎn)的5850型氣體質(zhì)量流量計和5866型壓力控制器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于生產(chǎn)區(qū)熔硅單晶的大型設(shè)備，特別涉及一種用于生產(chǎn)氣相摻雜區(qū)熔硅單晶的區(qū)熔硅單晶爐電氣控制系統(tǒng)。它包括中心控制部分、電機控制部分、控制面板、及摻雜氣體控制部分；所述的中心控制部分包括含有通訊模塊與輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊及與之相連的可編程邏輯控制器；所述的電機控制部分包括數(shù)字運動控制器、互連模塊、手動調(diào)速編碼器、伺服驅(qū)動器及伺服電機；所述的摻雜氣體控制部分包括氣體保護部分使用的氬氣、氮氣的氣體質(zhì)量流量計及摻雜箱部分；所述的控制面板為觸摸屏式控制面板。該系統(tǒng)具有操作方便、控制精度及可靠性高等優(yōu)點，從而滿足多元化產(chǎn)品的工藝要求。
文檔編號C30B13/00GK1865532SQ20061001347
公開日2006年11月22日 申請日期2006年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月19日
發(fā)明者沈浩平, 高樹良, 劉嘉, 劉為鋼 申請人:天津市環(huán)歐半導(dǎo)體材料技術(shù)有限公司