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    1 引 言

    多晶硅是單晶硅生產過程中必不可少的主要原料，隨著國內外市場對多晶硅原料的需求快速上漲，多晶硅相關產業的生產效率需要加強。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備改進勢在必行。

    硅芯晶體直徑一般為8～10 mm，細而長，一根原料棒可生長6根硅芯棒，為此設計籽晶轉盤(如圖1)，用于放置生成的硅芯和籽晶，圖2為籽晶托盤結構示意圖。轉盤上有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，轉盤在步進電機的驅動下，轉盤的硅芯放置位旋轉至拉晶位，卸下硅芯棒，轉盤的下一個籽晶工位旋轉至拉晶位，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、準備的時間。比之前的每爐次只能生長一根硅芯的設備，既提高了生長效率，又提高了設備的利用率。

    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，是籽晶抓取機構的重要部分。利用籽晶卡頭可以實現：當抓取機構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構實現。

    2 系統結構

    在設備中采用了單片機控制步進電機系統來對籽晶托盤進行定位控制。籽晶托盤控制系統由電源電路、步進電機及其驅動器、托盤、單片機控制部分、角位移傳感器等構成。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框圖。

 
    步進電機作為一種直接將數字脈沖信號轉換成固定值機械角位移，并自動產生定位轉矩使轉軸鎖定的機電轉換執行裝置，具有定位準確，無需反饋，可構成開環系統的優點，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，并且轉速不夠平穩，步距角較大，特別在低速時，甚至會出現振蕩的現象。在設備中我們選用了四通公司的56BYG250D型二相混合式步進電機，該電機自配的驅動器為SH-20403型二相混合式步進電機細分驅動器。采用單片機Aduc812實現對籽晶托盤的旋轉定位控制。

    Aduc812是全集成的12位數據采集系統，它在單個芯片內含了高性能的自校準多通道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片內有8kb的閃速/電擦除程序存儲器、640B的閃速/電擦除數據存儲器以及256b的數據SRAM。另外，MC[J支持的功能包括看門狗定時器、電源監視器以及ADC DMA功能。

    托盤控制系統中采用的角位移傳感器是一種將角位移量轉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的連續電壓信號，并經過外部電路輸送給單片機ADC通道0～2．5 v的電壓信號，經過A/D轉換將該信號數字化，為單片機的處理單元提供數字量信號。

    3 生長控制

    3．1 運動控制

    在生產過程中，由于每一爐次可以生成6根晶體，因而需要多次往復運動，如何控制步進電機準確尋找工位，在進行抓取籽晶、放置硅芯或者生長硅芯的過程中穩定且快速運行，是電氣方面應重點解決的問題。

    根據籽晶托盤的機械結構可知，各個孔到籽晶托盤回轉中心的距離為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角(單位為度)，ι為最大定位誤差0．5 mm，r為孔心的回轉半徑。

    得： θ≤0．2866° (2)

    同時參考每個操作的旋轉角度φ，最大轉角允許的最長轉動時間Tmax=60 s，確定脈平均周期Tmax：

 
    籽晶托盤控制系統執行機構中，步進電機通過蝸輪蝸桿減速器帶動籽晶托盤旋轉運動。由于電機軸端轉角θ通過i=10：1的衰減，故籽晶托盤的轉角：
φ2=φ1/10 (4)

    相當于把步進電機的輸出步距角再次細分10倍。

    系統硬件機構確定后，即可得每個脈沖在步進電機軸端的旋轉角度θ1≤2．866°。由于所選步進電機的最小步距角為1．8°，可以看出步進電機不經步距細分就能滿足要求，但為了防止電機振動就將電機的細分數設定為4，則電機每步轉1．8/4°，折算到籽晶托盤上后，托盤每步旋轉θ2=0．045°，可得：

    ι=2πrθ2/360 (5)

    即：ι=0．0785 mm

    每個步進脈沖使得籽晶托盤的工位孔沿圓周移動0．0785 mm，可知系統的定位誤差很小，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)可得最大的旋轉工作時間為：

 
    當脈沖平均周期為0．0l s時，籽晶托盤系統的每個操作時間不到50 s滿足系統對運行時間的要求。

    根據設計要求，抓取籽晶和放置硅芯時要求定位精度高和自動化程度高。根據以上分析可知，用步進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控制定位實現。

    在進行硅芯生長前，需進行一個重要的環節，即采樣11個工作位置。由于每一位置對應著0～4096中唯一的一個數值，故用采集到的數據可準確地反映出其位置。首先手動旋轉托盤，定位11個工位的準確位置，利用Aduc812集成的A/D功能，將角位移傳感器輸出電壓數字化，并存入EEP-ROM，作為以后硅芯自動生長中各目標位置的給定信號。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動，輸出連續變化的電壓信號經由A/D通道形成反饋的數字量信號，該反饋信號與給定信號進行比較，待差值小于某定值時步進電機停轉，從而形成閉環控制，實現快速、可靠的自動定位系統。圖5為主程序模塊邏輯流程圖。

 
    2．2 升降速控制

    根據步進電機脈沖周期T與頻率f關系：f=1/T,可得：df=dT/T?T

    則：dT=－T?T?df

    定義兩個常量值：步進電機延遲時間最小值(STEPPER_TIM_MIN)和步進電機延遲時間最大值(STEPPER_TIM_MAX)，分別對應步進電機輸入脈沖數的最大值和最小值。在對快速性要求不高的情況下，可以對步進電機輸出頻率進行緩慢增加，使電機轉速逐漸加快，在加、減速時給定一個較小頻率變化值，通過運算得到步進電機脈沖周期的變化量，改變延遲時間實現對步進電機速度的升降控制。由此，既滿足了系統調速要求的時間指標，又保證了系統過渡階段的平穩性。

    3 結論

    目前，具有籽晶托盤控制系統的硅芯爐已有二十余臺在生產中使用，并能很好運轉。與原先的每爐次僅能生產一根硅芯的設備相比，不僅解決了生產效率問題，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。為國內多晶原料生產行業奠定了堅實的基礎，為太陽能及電子產業的發展提供了有力的支持。
 

本文摘自工控網