1 引言
直拉式單晶爐是以直拉法從熔化的多晶硅熔液中生長硅單晶的電子專用設(shè)備。而等徑控制是單晶爐自動控制的核心。單晶直徑在生長過程中可受到溫度、提拉速度與轉(zhuǎn)速、坩堝跟蹤速度與轉(zhuǎn)速、保護(hù)氣體的流速與溫度等因素的影響。在忽略一些干擾因素影響情況下，單晶等徑生長主要受溫度和拉速影響。因此，爐內(nèi)熱場和生長速度的精確控制是單晶等徑控制的重點(diǎn)，由于這種控制系統(tǒng)是一個緩慢時(shí)變，并且具干擾嚴(yán)重的非最小相位系統(tǒng)，用一般常規(guī)儀表控制手段來實(shí)現(xiàn)自動控徑極為困難。本文從硬件和軟件設(shè)計(jì)方面介紹了以80CI96單片機(jī)作為核心部件的單晶爐等徑生長控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)有效地實(shí)現(xiàn)了單晶爐的等徑控制。
2 等徑控制的原理與方法
2．1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
單晶等徑生長控制總體結(jié)構(gòu)如圖l所示。系統(tǒng)主要由拉速控徑單元和溫度控徑單元組成。每個單元都包括各自獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集、PID控制模塊、參數(shù)設(shè)置、工藝曲線設(shè)置、電路控制輸出、與上位機(jī)串行通信等模塊。在拉速控徑單元中，直徑測量模塊以模擬電壓形式將現(xiàn)場直徑量傳至單片機(jī)；單片機(jī)通過自身集成的A/D轉(zhuǎn)換器將模擬電壓轉(zhuǎn)化為控制系統(tǒng)可用的數(shù)字量；單片機(jī)結(jié)合現(xiàn)場采集的直徑與用戶設(shè)定的目標(biāo)直徑，按照已經(jīng)編程固化的增量式PID控制算法計(jì)算出實(shí)時(shí)控制量；以此控制量通過DA電路和功放電路改變輸出驅(qū)動直流電機(jī)，調(diào)節(jié)拉速與堝升速度，使直徑逐步穩(wěn)定于用戶設(shè)定的目標(biāo)值。溫度控制單元是為了保證單晶正常生長所需的極嚴(yán)格的過冷度要求(如硅單晶生長過冷度l 240℃～0．5℃)，采用了歐陸818P溫度控制器。在溫度校正控制單元中，輸入偏差信號是由晶升測速機(jī)測得的拉速與溫校曲線的設(shè)定拉速相比較產(chǎn)生的，再由PID算法得到溫度校正升溫速率輸出值，改變爐溫達(dá)到控徑的目的，同時(shí)也限制了拉速的大范圍波動與變化。溫度校正主要是用來補(bǔ)償因單晶長度改變而引起固液交界面熱穩(wěn)態(tài)發(fā)生變化的。
2．2系統(tǒng)控制算法
系統(tǒng)采用基于增量式PID算法的控制方法，即拉速控徑單元的拉速控制量和溫度控徑單元的升溫速率量由增量式PID算法求得。增量式PID算法的輸出量為 △Un=Kp[(en-en-1)+(T/Ti)en+(Td/T)(en-2en-1+en-2)]式中：en、en-1、en-2分別為第n次、n-1次和n-2次的偏差值，Kp、Ti、Td分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)，T為采樣周期。
單片機(jī)每隔固定時(shí)間T將現(xiàn)場采集信號與用戶設(shè)定目標(biāo)溫度的差值帶入增量式PID算法公式，由公式輸出量決定拉速控徑單元的拉速控制量和溫度控徑單元的升溫速率量，后續(xù)放大電路根據(jù)這兩數(shù)值決定電機(jī)轉(zhuǎn)速和加熱功率。在實(shí)際運(yùn)行上表現(xiàn)為，在晶體生長過程中，晶體的直徑主要受晶升速度和熔體溫度的變化而變大或變小，當(dāng)晶升速度增大時(shí)，晶體直徑變小，反之當(dāng)晶升速度減小時(shí)，晶體直徑變大。當(dāng)熔體溫度升高時(shí)，晶體直徑變小，反之當(dāng)熔體溫度下降時(shí)，晶體直徑變大，因此，晶體直徑的自動控制就是通過控制晶升速度和加熱器溫度而實(shí)現(xiàn)。
3 硬件設(shè)計(jì)
3．1 80 C196KC單片機(jī)
80C196KC是CHMOS高性能16單片機(jī)，內(nèi)部的EPROM/ROM 為16K字節(jié)，內(nèi)部RAM為488字節(jié)，都可以作為通用寄存器，另外還有24字節(jié)專用寄存器。2個PWM(脈寬調(diào)制)輸出；一個外設(shè)事務(wù)服務(wù)器PTS，大大降低了中斷服務(wù)的開銷；2個定時(shí)器可以由外部提供時(shí)鐘；可對所有HSO引腳同時(shí)尋址；10位的A/D轉(zhuǎn)換器。80C196KC：片內(nèi)集成的眾多系統(tǒng)級功能單元為控制系統(tǒng)的開發(fā)提供了很大的便利。
3．2硬件設(shè)計(jì)
等徑控制系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。硬件核心為Intel公司的16位單片機(jī)80C196KC。存儲模塊由三部分組成：RAM，為程序運(yùn)行時(shí)中間變量和局部變量存儲使用；ROM，為固化的程序和數(shù)據(jù)存儲使用；帶看門狗的串行EEPORM為芯片X5043，一方面存儲重要的工藝曲線數(shù)據(jù)和PID控制算法參數(shù)，另一方面為防止程序死機(jī)，X5043具有看門狗功能，并且當(dāng)程序死機(jī)重啟時(shí)，X5043還保存有實(shí)時(shí)的工藝過程狀態(tài)數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)硬件還包括數(shù)據(jù)前端預(yù)處理模塊，此模塊對采樣的模擬信號進(jìn)行隔離放大濾波處理，以達(dá)到80C196KC：的AD采樣信號要求。LCD模塊為液晶驅(qū)動芯片sed13350驅(qū)動320*240的：DMF5008l的LCD。DA模塊采用四路的DAC7615，以便控制系統(tǒng)功能擴(kuò)充。整個硬件系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的功能完全滿足等徑控制的要求。
4 軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)程序由初始化程序、AD采樣子程序、鍵盤掃描子程序、PID控制子程序和中斷子程序等部分組成。初始化主要完成熱控制系統(tǒng)各部件的初始化和自檢。鍵盤掃描和控制算法等子程序利用80C196KC豐富的中斷資源，在外部中斷和定時(shí)器溢出中斷子程序中完成上述工作。與上位機(jī)的串行通信采用80C196KC自帶的UART硬件傳輸中斷，以滿足數(shù)據(jù)雙向傳輸?shù)漠惒叫院蛯?shí)時(shí)性要求。單片機(jī)等徑控制程序流程如圖3所示。
上位機(jī)監(jiān)控程序基于VB6．O環(huán)境開發(fā)。使用微軟公司提供的MsComm控件有效地避免了直接調(diào)用Win32API造成的編程煩瑣等弊端，以較少代碼量實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)要求的全雙工步通信。用戶可通過上位機(jī)程序完成工藝參數(shù)設(shè)定工藝數(shù)據(jù)保存和工藝過程監(jiān)控等功能。
5 結(jié)束語
本設(shè)計(jì)的等徑控制系統(tǒng)充分發(fā)揮了80C196KC單片機(jī)的特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)，大大降低了硬件電路的設(shè)計(jì)復(fù)雜度和成本。該系統(tǒng)在中電集團(tuán)第四十八研究所開發(fā)成功的CZ800-A型單晶爐上運(yùn)行一年多時(shí)間，能穩(wěn)定自動控制生長需要的無錯位單晶，具有控制精度高、操控界面友好、穩(wěn)定性高，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
