1 引 言
多晶硅是單晶硅生產(chǎn)過程中必不可少的主要原料，隨著國內(nèi)外市場對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。硅芯是還原法生長多晶硅的載體，因此生長硅芯的硅芯爐設(shè)備改進(jìn)勢在必行。
硅芯晶體直徑一般為8～10 mm，細(xì)而長，一根原料棒可生長6根硅芯棒，為此設(shè)計籽晶轉(zhuǎn)盤(如圖1)，用于放置生成的硅芯和籽晶，圖2為籽晶托盤結(jié)構(gòu)示意圖。轉(zhuǎn)盤上有5個工位，與拉晶位一共有6個工位。工作時，在拉晶位生長好一根硅芯后，轉(zhuǎn)盤在步進(jìn)電機的驅(qū)動下，轉(zhuǎn)盤的硅芯放置位旋轉(zhuǎn)至拉晶位，卸下硅芯棒，轉(zhuǎn)盤的下一個籽晶工位旋轉(zhuǎn)至拉晶位，抓取籽晶，然后開始下一個硅芯棒的生長，直至生長6根硅芯棒后，開爐取出硅芯棒，完成一爐硅芯的生長過程。這樣就省去了每生長一根硅芯晶體后，開爐、抽空、準(zhǔn)備的時間。比之前的每爐次只能生長一根硅芯的設(shè)備，既提高了生長效率，又提高了設(shè)備的利用率。
如圖1所示：
·拉晶位，是垂直于籽晶托盤平面的特定軸線，即拉晶鋼絲繩所在位置，
·飛機頭，拉晶鋼絲繩下端所安裝置，用來徑向固定晶體。
·硅芯放置位，用來放置拉制好的硅芯棒。
·工位，用來放置攜帶籽晶的卡頭。
·與籽晶托盤配合使用的籽晶卡頭，是籽晶抓取機構(gòu)的重要部分。利用籽晶卡頭可以實現(xiàn)：當(dāng)抓取機構(gòu)在工位碰到托盤時可以拿起攜帶籽晶的卡頭，而在硅芯放置位碰到托盤時可以放下生長好的多晶硅芯。這一部分功能完全依靠機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
在設(shè)備中采用了單片機控制步進(jìn)電機系統(tǒng)來對籽晶托盤進(jìn)行定位控制。籽晶托盤控制系統(tǒng)由電源電路、步進(jìn)電機及其驅(qū)動器、托盤、單片機控制部分、角位移傳感器等構(gòu)成。單片機控制部分由工作電源、單片機Aduc812、LED及面板按鍵接口電路等組成。圖3為單片機籽晶托盤控制系統(tǒng)框圖。
步進(jìn)電機作為一種直接將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)換成固定值機械角位移，并自動產(chǎn)生定位轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)軸鎖定的機電轉(zhuǎn)換執(zhí)行裝置，具有定位準(zhǔn)確，無需反饋，可構(gòu)成開環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點，但其也存在缺點，不能像直流電機或交流電機那樣自動平滑升降速，并且轉(zhuǎn)速不夠平穩(wěn)，步距角較大，特別在低速時，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，該電機自配的驅(qū)動器為SH-20403型二相混合式步進(jìn)電機細(xì)分驅(qū)動器。采用單片機Aduc812實現(xiàn)對籽晶托盤的旋轉(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/電擦除程序存儲器、640B的閃速/電擦除數(shù)據(jù)存儲器以及256b的數(shù)據(jù)SRAM。另外，MC[J支持的功能包括看門狗定時器、電源監(jiān)視器以及ADC DMA功能。
托盤控制系統(tǒng)中采用的角位移傳感器是一種將角位移量轉(zhuǎn)換為電壓信號的電氣元件，它與籽晶托盤同軸運動。其兩端輸出0～10 V的連續(xù)電壓信號，并經(jīng)過外部電路輸送給單片機ADC通道0～2．5 v的電壓信號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換將該信號數(shù)字化，為單片機的處理單元提供數(shù)字量信號。
3 生長控制
3．1 運動控制
在生產(chǎn)過程中，由于每一爐次可以生成6根晶體，因而需要多次往復(fù)運動，如何控制步進(jìn)電機準(zhǔn)確尋找工位，在進(jìn)行抓取籽晶、放置硅芯或者生長硅芯的過程中穩(wěn)定且快速運行，是電氣方面應(yīng)重點解決的問題。
根據(jù)籽晶托盤的機械結(jié)構(gòu)可知，各個孔到籽晶托盤回轉(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)，則需保證每個脈沖在托盤上的旋轉(zhuǎn)角度為θ：
則： p≤360°ι/(2πr) (1)
在式(1)中θ為每個脈沖的最大允許轉(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)
同時參考每個操作的旋轉(zhuǎn)角度φ，最大轉(zhuǎn)角允許的最長轉(zhuǎn)動時間Tmax=60 s，確定脈平均周期Tmax：
籽晶托盤控制系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)中，步進(jìn)電機通過蝸輪蝸桿減速器帶動籽晶托盤旋轉(zhuǎn)運動。由于電機軸端轉(zhuǎn)角θ通過i=10：1的衰減，故籽晶托盤的轉(zhuǎn)角：
φ2=φ1/10 (4)
相當(dāng)于把步進(jìn)電機的輸出步距角再次細(xì)分10倍。
系統(tǒng)硬件機構(gòu)確定后，即可得每個脈沖在步進(jìn)電機軸端的旋轉(zhuǎn)角度θ1≤2．866°。由于所選步進(jìn)電機的最小步距角為1．8°，可以看出步進(jìn)電機不經(jīng)步距細(xì)分就能滿足要求，但為了防止電機振動就將電機的細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)定為4，則電機每步轉(zhuǎn)1．8/4°，折算到籽晶托盤上后，托盤每步旋轉(zhuǎn)θ2=0．045°，可得：
ι=2πrθ2/360 (5)
即：ι=0．0785 mm
每個步進(jìn)脈沖使得籽晶托盤的工位孔沿圓周移動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。
對運動時間的分析：
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)工作時間為：
當(dāng)脈沖平均周期為0．0l s時，籽晶托盤系統(tǒng)的每個操作時間不到50 s滿足系統(tǒng)對運行時間的要求。
根據(jù)設(shè)計要求，抓取籽晶和放置硅芯時要求定位精度高和自動化程度高。根據(jù)以上分析可知，用步進(jìn)電機可以滿足定位精度高的要求，而對于自動化程度高的要求，利用角位移傳感器形成閉環(huán)控制定位實現(xiàn)。
在進(jìn)行硅芯生長前，需進(jìn)行一個重要的環(huán)節(jié)，即采樣11個工作位置。由于每一位置對應(yīng)著0～4096中唯一的一個數(shù)值，故用采集到的數(shù)據(jù)可準(zhǔn)確地反映出其位置。首先手動旋轉(zhuǎn)托盤，定位11個工位的準(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，作為以后硅芯自動生長中各目標(biāo)位置的給定信號。圖4所示為工位定位控制框圖。
在生長過程中，角位移傳感器隨托盤轉(zhuǎn)動，輸出連續(xù)變化的電壓信號經(jīng)由A/D通道形成反饋的數(shù)字量信號，該反饋信號與給定信號進(jìn)行比較，待差值小于某定值時步進(jìn)電機停轉(zhuǎn)，從而形成閉環(huán)控制，實現(xiàn)快速、可靠的自動定位系統(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
定義兩個常量值：步進(jìn)電機延遲時間最小值(STEPPER_TIM_MIN)和步進(jìn)電機延遲時間最大值(STEPPER_TIM_MAX)，分別對應(yīng)步進(jìn)電機輸入脈沖數(shù)的最大值和最小值。在對快速性要求不高的情況下，可以對步進(jìn)電機輸出頻率進(jìn)行緩慢增加，使電機轉(zhuǎn)速逐漸加快，在加、減速時給定一個較小頻率變化值，通過運算得到步進(jìn)電機脈沖周期的變化量，改變延遲時間實現(xiàn)對步進(jìn)電機速度的升降控制。由此，既滿足了系統(tǒng)調(diào)速要求的時間指標(biāo)，又保證了系統(tǒng)過渡階段的平穩(wěn)性。
3 結(jié)論
目前，具有籽晶托盤控制系統(tǒng)的硅芯爐已有二十余臺在生產(chǎn)中使用，并能很好運轉(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)效率問題，可以每爐生長4～6根硅芯；同時提高了抓取籽晶、放置長成晶棒的動作的自動化水平。為國內(nèi)多晶原料生產(chǎn)行業(yè)奠定了堅實的基礎(chǔ)，為太陽能及電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了有力的支持。
