基于PLC的热交换法蓝宝石自动生长控制的实现

汪海波

（上海昀丰光电技术有限公司，上海201100）

0 引言

目前，国内外蓝宝石晶体生长方法主要有泡生法、提拉法、温梯法、坩埚下降法以及热交换法[1]等。热交换法是利用石墨热场取代原有泡生法[2]使用的钨钼热场，保留了传统泡生法质量高、成本低的优点，同时克服了原有的工艺复杂、稳定性及重复性差、能耗高等缺点的一种高效的蓝宝石生长方法，该方法能以较低的成本，稳定、高效地生长出高质量的蓝宝石晶体，以此满足市场对于蓝宝石晶体低成本、大尺寸和高质量的要求。

热交换法不需要手动引晶，只要将籽晶埋在坩埚底部，在底部热交换管中通入一定量的氦气，通过改变IGBT电源功率来改变炉内温度，从而将籽晶熔化到原始高度的2/3左右。籽晶熔化完成后，逐步加大热交换管中的氦气流量，同时配合炉内温度缓慢下降，晶体将在籽晶上慢慢生长，最后整个熔体长成较大的单晶晶体。

用换热法来控制蓝宝石大尺寸晶体生长的技术，在国内还处于刚刚起步的阶段，技术难度较大。国内厂家目前长晶的换热法设备主要依靠从国外进口，极大地限制了规模化、产业化发展的进程。

项目的难点如下：高温炉体的设计和制造、石墨热场的设计、自动化控制系统的设计、高精度电源的设计和制造等。自动化控制系统的设计主要包括：长晶速度控制系统、炉内温度控制系统、炉内压力控制系统、晶体高度测量系统等，这些都是本文需要探讨的问题。

1 设计要求

要求整个晶体生长过程进行全自动控制，通过各种仪器仪表来判断晶体生长状态，并对其进行控制，避免人工参与。

技术参数及性能指标：

（1）温度控制精度：温度偏差≤±0.5℃；

（2）炉内压力控制精度：压力偏差≤±50 Pa；

（3）晶体生长高度检测精度：高度偏差≤±0.5 mm；

（4）底部氦气流量控制精度：流量偏差≤±0.01 L/min。

1.1 晶体高度检测的实现

籽晶熔化和晶体生长速度的有效控制，是长出好晶体的必要条件；在整个生长过程中，籽晶或新晶体始终浸泡在高温熔液中，无法用传统的手段来测量。设计出一组测量部件来解决这个问题，整个测量部件包括电机、导轨、丝杆、真空波纹管、钼制探针等结构。

1.2 晶体生长速度控制功能

晶体生长速度控制包括炉内温度和底部热交换管氦气流量的联合控制，其中氦气流量控制是主要调节手段。通过CGsim软件[1]进行热场建模、分析，确定晶体生长的温度曲线；然后通过其仿真功能，模拟出氦气流量控制和温度变化两条曲线，进而算出每个阶段两种控制参数的比例分配情况，输入到工艺配方中，作为晶体生长速度控制的基础值；并通过多炉的试验，根据实际长出晶体每个部位的质量情况，来微量修改、优化对应的比例关系。

1.2.1 温度控制

籽晶熔化或晶体生长过程中，增减电源的功率，来达到控制温度的目的[3]。参与温度控制的有高精度IGBT电源、红外测温仪、RS-485模块以及PLC控制器。

1.2.2 热交换管氦气流量控制

晶体生长过程中，增减热交换管内氦气的流量，来达到控制导出热量多少的目的。参与流量控制的有质量流量计、RS-485模块、控制阀门、PLC控制器等。

1.3 晶体生长压力控制功能

晶体生长过程中，通过质量流量计，向炉内冲入氦气，调整碟型控制阀的角度，使压力保持在一个恒定的数值状态下，满足晶体的生长需求。参与压力控制的有碟型控制阀、质量流量计、RS-485模块、开关控制阀门、真空泵以及PLC控制器等。

1.4 高精度IGBT直流电源的运用

传统的晶体生长炉使用可控硅工频交流电源，存在控制精度较低，体积笨重，输入功率因数低，对电网电磁干扰大等缺陷；而蓝宝石晶体生长温度高，能耗大，对温度控制精度的要求高，在蓝宝石晶体生长设备中应用高效高精度IGBT电源新技术，具有控温功率精度高，节能显著，谐波少，稳定性、可靠性好等明显优势。

2 控制方案

2.1 控制系统原理图

热交换蓝宝石晶体生长炉控制系统包括三菱PLC与扩展模块、界面监控工业电脑、炉内压力控制、长晶速度控制、晶体高度检测等（图1）。三菱PLC与扩展模块包括PLC控制器、数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、RS-485通信模块[4]。

2.2 晶体生长速度控制子系统设计

2.2.1 系统介绍

在坩埚的底部固定一个圆柱型的籽晶，随着四周石墨发热体温度的上升，坩埚底部的籽晶开始融化。通过对坩埚底部外侧正下方冷却管道内的氦气流量的控制，保证原料充分熔化而籽晶部分熔化；然后逐步加大氦气的流量，并配合温度的下降，使坩埚底部的温度逐步降低，熔液沿着籽晶方向逐步单向结晶固化，得到一个蓝宝石单晶晶体。

图1 控制系统原理图

2.2.2 硬件组成

晶体生长速度控制包括温度控制系统（详见1.2.1）、热交换管氦气流量控制系统（详见1.2.2）、晶体高度测量单元（详见1.1）。

2.2.3 晶体高度自动检测设计

在真空环境下，连接在伺服电机和丝杆上的钼制探针，以极快的速度进入高温熔液，当探针接近预先设定的数据时，减速并慢慢接近晶体表面，当电机的扭矩超过设定数据时，系统判断探针已经与籽晶表面充分接触，记下位置数据，并且反转回收探针。每次检测的时间间隔一般为0.5 h，通过两次检测的位置数据，计算出熔化或长晶速度（图2）。

图2 自动测量控制流程图

2.2.4 两路双闭环控制器

两路双闭环控制器包括内环控制和外环控制，外环为熔化或长晶速度控制环。内环包括温度控制环和流量控制环；外环通过比例分配器，施加对内环的两路控制器的给定（图3）。

比例分配器是通过CGsim模拟软件得到热场温度梯度数据，并加上工艺人员的经验数据，得到的一组数据，n:m的比值是随着热场特性和时间变化而变化的。

2.2.5 双路闭环控制器的优点

通过CGsim软件进行热场建模、分析、仿真、计算、分配，确定两种控制参数的比例分配情况，充分发挥计算机处理大量数据的能力，缩短了设备的开发周期；通过多炉的试验，根据试验实际长出晶体品质分布情况，作出微量修改、优化，让工艺人员拥有实时、充分的调节手段，晶体质量能得到进一步的提升。

图3 两路双闭环控制器结构

2.3 炉内压力控制子系统程序设计

2.3.1 进口压力控制

固定出口蝶阀的导通角度，通过调节质量流量计的流量大小来控制炉内压力。

2.3.2 出口压力控制

固定进口质量流量计的流量大小，通过调节出口蝶阀的导通角度来控制炉内压力。

2.3.3 进/出口控制的应用

化料阶段，热场和原料内的杂质较多，需要通过真空系统将杂质排除，这时就选择进口控制，将蝶阀的导通角度开到50%以上，通过氦气的进入，排除大量杂质。

晶体生长阶段，如果还有较多的氦气进入炉内，将带走大量热量，热场无法稳定，不利于晶体的生长，此时需要切换到出口控制模式。将质量流量计的流量固定在0.3 L/min左右，通过出口蝶阀的调节来控制炉内压力。

2.4 系统程序的模块化设计

整个系统程序采用模块化设计，使用三菱GX-WORKS2软件编写而成，包括AD（模拟量转化成数字量）、ALARM（报警输出）、AUTO（配方自动运行）、AVERAGE（模拟量的平滑处理）、DA（数字量转化成模拟量）、GAIN（模拟量的偏差处理）、MAIN（系统运行模式处理）、OUTPUT（各类部件的输出）、PC（组态界面和系统的接口）、PID（温度、压力PID控制）、POWER（RS-485通信）等子程序。

3 友好的人机界面

主机使用研华UNO-2473G工控机，通过网线与PLC相连，监控软件使用海得公司的组态软件[5]NetSCADA，它是一款集成式、组件化的人机接口产品，运行于Windows操作系统之上，可通过串口、现场总线和以太网等方式监视和控制工业自动化设备和整个工业生产过程，也可通过Internet异地监控分布在各地的自动化设备和工业生产过程。NetSCADA有二次开发功能，用户可根据工艺要求组态、开发适合的应用系统，可以开发配方、显示配方、修改配方，也可显示图形、报表、数据库、通信等。

本系统设计有系统状态、工序配方、I/O监控、设备检测、参数设置、报警显示、趋势图等（图4），可以方便使用者很好地操作，及时了解系统的运行状况，包括系统的实时压力、实时温度、实时流量，并能方便、及时地修改压力、温度等参数，满足长晶工艺的要求。

图4 监控画面

4 结语

本项目旨在设计一种适用于蓝宝石热交换法长晶工艺的自动化控制系统，通过将系统分为长晶速度控制和炉内压力控制两个子系统，实现整个长晶过程的全自动控制；通过组态软件，提供友好的互动界面，简化了系统操作过程；采用两路双闭环长晶速度控制，用n:m参数直观地揭示了温度控制和底部氦气流量控制之间的相互关系，为工艺改进提供了一个实时的窗口。

[1]汪传勇.泡生法蓝宝石单晶生长的热场分析与数值模拟研究[D].镇江：江苏大学，2011：5-11.

[2]袁长路，李杰，于旭东，等.DRF-B80型蓝宝石晶体生长炉的研制[J].人工晶体学报，2012，41（5）：1463-1467.

[3]刘银法，倪屹.基于蓝宝石加热炉的温度控制系统[J].江南大学学报（自然科学版），2015，14（2）：178-181.

[4]张凤，孙晓冬，马青玉.RS-485总线控制下的蓝宝石晶体智能生长系统[J].自动化仪表，2013，34（8）：37-41.

[5]张勇.基于CC-Link总线与组态软件的风机控制系统改造[J].煤矿机械，2014，35（5）：168-169.