專利名稱：遙控晶體生長裝置及其控制方法
技術領域：
本發明屬于單晶生長，涉及空間材料科學實驗和遙控單晶生長，特別是遙控半導體單晶區熔生長裝置及其控制方法。
目前，美國、歐洲和日本開展了運用遙科學成果實時監控空間材料科學實驗。美國宇航局(NASA)在Marshall中心，德國宇航院在科隆空間模擬研究所均建有空間材料科學實驗監控室。材料科學家在地面監控室，通過遙測數據了解空間實驗的進展，研究對策后指示宇航員干預實驗進程。日本宇宙開發事業團(NASDA)也在筑波建有監控室，轉接美國NASA的遙測數據。日本還開展了遙測、遙控空間實驗的地面研究。法國利用MEPHISTO材料生長爐來研究晶體結晶過程。
本發明遙控晶體生長裝置，包括一裝有溫度傳感器的可變溫場空間晶體生長爐，一包括微處理器和溫度傳感器的數據采集器，一包括電源和功率器件、根據數控信號工作的加熱功率分配器，一用于顯示和遠程監控的中央監控臺，一作為遠程遙測遙控通道的無線電通訊設備。
本發明遙控晶體生長裝置中，晶體生長爐爐管上繞制若干組電阻值相同的加熱爐絲，每組加熱爐絲連接一測量溫度的熱電偶，熱電偶測量信號送入數據采集器，所述的數據采集器包括相連的放大器和模數轉換器。
本發明的裝置中，加熱功率分配單元包括微處理器、存儲器、接口、固態繼電器、電源和遠程信號接口。
本發明裝置中的中央監控臺包括一臺微機、一臺彩色監視器、以及大容量的硬盤和內存。
本發明裝置中的無線電通訊設備包括無線電調制解調器和小型無線電電臺。
本發明遙控晶體生長裝置的控制方法，是對本發明遙控晶體生長裝置根據本發明建立的晶體區熔生長數學模型，保證晶體生長的遙測遙控精度和控溫精度，由控制程序接受來自遠程監控的中央監控臺的控制和數據指令，操作晶體生長爐進行工作；由計算顯示程序計算爐內晶體生長參數，模擬顯示晶體生長過程；由數據通訊程序完成數據采集器和晶體生長爐、數據采集器和中央監控臺微機之間的通訊控制。
本發明控制方法中，晶體區熔生長數學模型是把結晶和熔化過程都設定為準穩態過程，認定每一瞬間都基本上達到穩態，爐壁上為固定溫度邊界條件，以半導體材料銻化鎵(GaSb)為模型晶體建立數學模型，以柱坐標表示晶體區熔生長模型，圓柱體沿軸向順序為固態-液態-固態三個區域，固液界面為曲面，在液態區域，利用不可壓縮流體的Navier-Stokes方程∂ν→∂t+(ν→·▿)ν→=-▿pρL+υ▿2ν→+f→,]]>式中，ρL為液態GaSb的密度； 為流體運動速度；ν為流體的動力粘滯系數；
p為壓強； 為單位質量受的重力。質量守恒得到連續性方程▿·ν→=0.]]>對流傳熱方程1ρLcp,L∂T∂t=-(ν→·▿)T+χL▿2T,]]>式中cp，L為液態GaSb的定壓熱容，χL為液態GaSb的熱擴散系數本發明控制方法中，控制程序即功率分配和數據采集程序，是將可變溫場空間晶體生長爐中的溫場信號采集出來，并通過溫控軟件進行功率分配；所述的溫控軟件采用數值比例積分微分(PID)控制和在鄰里交互影響的多組爐絲體系上實現PID控制。
本發明遙控晶體生長裝置及其控制方法的效果和特點歸納如下(1)操作者能在遠離進行晶體生長的地方，通過本發明所述裝置及其控制方法，遙知晶體生長的狀況；(2)操作者能根據生產或實驗要求遙控晶體生長的進程；(3)在某些有危險而需要避開或是根本無法到達的場合，使用本發明能提高生產或實驗的成功率和產品質量。
圖2是空間晶體生長爐示意圖。
圖3是本發明裝置控制器部分包括功率分配器和數據采集器示意圖。
圖4是說明建立晶體區熔生長數學模型的示意圖。
圖5是控制(功率分配和數據采集)程序流程圖。
圖6是中央監控臺的主界面示意圖。
圖7是計算顯示(中央監控臺)工作程序流程圖。
圖8是數據通訊程序流程圖。
可變溫場空間晶體生長爐100是遙控晶體生長裝置的主體，它在功率分配器200、數據采集器300的控制下，按預定的工作程序進行區熔生長。功率分配器200、數據采集器300，在完成上述工作的同時，測定、記錄并在中央監控臺600上顯示爐子的溫場數據及其變化，并能接受中央監控臺600的指令，改變晶體生長的進程。
半導體單晶區熔生長的數學模型400，從相變原理、熱輸運規律和流體力學等基本物理關系出發，用數學語言描述單晶區熔生長這一物理過程。在此基礎上，編制出一套軟件500。依據GaSb的熱力學參數和爐子的溫場數據，實時計算出樣品中的溫場、固液界面位置和形狀、熔區寬度、生長速率等晶體生長參數。
中央監控臺600，負責接收由可變溫場空間晶體生長爐100通過功率分配器200和數據采集器300采集的爐子溫場數據，完成晶體生長仿真模型400的計算任務，并在中央監控臺600上顯示區熔生長狀況。專家還可以通過對晶體生長狀況的分析研究，從中央監控臺600向可變溫場空間晶體生長爐100發出改變晶體生長進程的指令，如改變加熱方式、加熱功率、關斷生長爐等。
可變溫場空間晶體生長爐100如圖2所示。其爐體由帶螺紋和孔的高溫陶瓷爐管110、熱電偶130及保溫材料150組成，陶瓷爐管110的細螺紋內分組纏繞爐絲120，爐管壁的孔中裝測量溫度的熱電偶130，陶瓷蓋板140用于固定爐管表面的爐絲120和熱電偶130，爐管外加裹保溫材料150，防輻射層及、熱屏蔽罩170。再在其外套裝帶有接線端子的金屬爐殼160，然后安裝爐底蓋板180和爐體支架190。
所謂可變溫場是指爐子溫場的空間分布及其隨時間的變化均能程序控制。可變溫場和晶體的區熔生長是這樣實現的(1)在爐管110上繞制10組阻值相同的加熱爐絲120。
(2)周期巡回導通每組爐絲120，每一瞬時有一組或多組爐絲120導通加熱。爐子100的實際功率由“占空比”決定。所謂占空比，即是爐絲通斷時間之比。
(3)根據材料實驗的要求，確定爐絲120在一個巡回加熱周期中的導通時間以實現爐子100的溫度分布要求。
(4)通過調整各組爐絲120的加熱時間，先將爐管110均勻加熱到低于熔點的某一基礎溫度，再將某一特定區域的溫度提高到熔點以上建立熔區，并逐漸緩慢而均勻地移動這一熔區，以實現晶體的區熔和結晶。
空間晶體生長爐的功率分配器和數據采集器(簡稱控制器，見圖3)，功率分配器200和數據采集器300共同構成了控制單元，其主要功能是(1)控制生長爐100的加熱，使生長爐100的溫場分布滿足晶體生長的要求。(2)采集生長爐100的溫度場分布數據。(3)結果的輸出以及對控制參量進行計算。(4)接收和傳送遠程信號等。
如圖3所示，控制器部分包括由放大器310、模數轉換器320順序相連的數據采集器300，由微處理器210、存儲器220、接口230、固態繼電器240、電源250和RS232遠程通訊接口260構成的功率分配器200。晶體生長爐100接受功率分配器200的信號，向數據采集器300輸出信號。
中央監控臺600是用于顯示和遠程監控的中心，整個監控臺是由一臺微機來完成其功能的。為了使實驗顯示的更加清楚，監控臺配有一臺彩色監視器，同時還配有大容量的硬盤和內存。其中監控臺和實驗系統之間的通訊是通過RS232C通訊接口與TNC22型無線調制解調器系統完成的。
無線通訊設備700是遙測遙控的通道，用于實現晶體生長的遙測遙控。無線通訊設備是TNC22型無線調制解調器系統和小型無線電臺。
對本發明遙控晶體生長裝置的控制方法，是由一個模型和三個模塊實施完成的，他們是晶體區熔生長數學模型，功率分配和數據采集模塊，計算顯示和中央監控模塊，數據通訊模塊。這里所說的三個模塊分別實施本發明的三個程序。
在本發明實施例中，晶體區熔生長的數學模型400以可變溫場空間晶體生長爐100為區熔條件，以半導體材料銻化鎵(GaSb)為模型晶體而建立的。如圖4所示，可變溫場空間晶體生長爐100的內部是圓柱型的，內徑為r0，內部長度為L，在晶體區熔生長的過程中，圓柱體分為三個區域，I區和III區為固態，II區為液態，固液界面一般說來是曲面。采用如圖所示的柱坐標。在運行過程中，定時測定爐壁上十點的溫度T(zi)(i＝1，2，···10)，經過數學插值，可以獲得爐壁的溫度分布T(r0，z)＝fs(z)。假定爐子兩個端面的溫度分布是均勻的，即在z＝0的端面上，溫度均為T1＝fs(0)，在z＝L的端面上溫度均為T2＝fs(L)，在爐壁上z＝L1和z＝L2兩處的溫度為Tm(熔點)，這就是固液界面的位置。在II區除了熱傳導過程以外，還發生對流；在I區和III區只有熱傳導過程。假定重力的方向是沿z方向的，則整個生長爐內所有的過程都是柱對稱的，數學問題簡化為一個二維問題。
在t時刻測得爐壁上溫度等于熔點的兩個位置各為z＝L1和z＝L2；在t+Δt時刻測得兩個熔點的位置各為z＝L1+ΔL1和z＝L2+ΔL2。vg1＝ΔL1/Δt即為晶體生長速率，vg2＝ΔL2/Δt即為晶體熔化的速率。在一般情況下，vg1和vg2足夠小，結晶和熔化過程都可以看作是準穩態過程，即每一瞬間都基本上達到穩態。爐壁上的溫度邊界條件采用固定溫度邊界條件。
我們考慮液態部分的情況。在II區，利用下面方程即不可壓縮流體的Navier-Stokes方程∂ν→∂t+(ν→·▿)ν→=-▿pρL+υ▿2ν→+f→,]]>式中ρL為液態GaSb的密度； 為流體運動速度；ν為流體的動力粘滯系數；p為壓強； 為單位質量受的重力，質量守恒得到連續性方程▿·ν→=0.]]>對流傳熱方程1ρLcp,L∂T∂t=-(ν→·▿)T+χL▿2T,]]>式中cp，L為液態GaSb的定壓熱容，χL為液態GaSb的熱擴散系數通過穩態條件創建數學模型為區溶晶體生長創造了條件，為其控溫精度和遙測提供了有效的保證。
常用的PID(比例積分微分)方法稱為模擬PID算法，它在單點或兩點的溫度控制上應用效果很好。然而，可變溫場空間晶體生長爐有十組爐絲。如仍然采用通過電子線路對模擬量進行控制，就需要十臺程序控溫儀。這不但體積龐大，操作不便，而且費用很高。為此，本發明采用了數值PID控制，把本來需要十臺程序控溫儀做的工作交給算法軟件來完成。這樣，一臺工控機加算法軟件，就替代了十臺程序控溫儀。
功率分配和數據采集軟件是用匯編語言和C語言編制的，分為控制加熱部分和運算部分。
如圖5所示，功率分配和數據采集模塊包括互相關聯的微機程序流程和控制器程序流程，微機程序流程是(1)初始化完成初始化數據設置、初始化串行口、初始化顯示設置。(710)；(2)接收溫度數據，從控制器接收采集的溫度信號(711)；(3)讀取第j+1個周期的設定溫度，求出加熱數據即偏差ΔTi＝Ti′-Ti根據設定溫度值及實際溫度值，通過控制算法求出加熱數據(712)；(4)求出各爐絲的加熱時間由數字PID算法公式與ΔTI，求出第j+1個周期各組爐絲加熱時間τi(i＝1，2...10)(713)；(5)傳輸加熱數據通過串行口向晶體生長爐控制器傳輸加熱數據(714)；(6)顯示、記錄在顯示屏幕上以圖形方式顯示晶體生長爐當前的溫場，并將溫度數據記錄至文件(715)；控制器程序流程是(1)初始化完成初始化數據設置，初始化串行口，關閉所有的繼電器(720)；(2)溫度采樣采樣第j個周期后溫度值Ti(i＝1，2...10)(721)；(3)傳輸溫度數據將所采溫度數據傳送給微機(722)；(4)接收加熱數據τi從微機上接收加熱數據的指令(724)；(5)進行加熱對空間晶體生長爐進行第j+1個周期的加熱(725)。
如圖6所示，中央監控臺(600)是用于顯示和遠程遙控遙測的中心，主要用于模擬顯示晶體生長爐及晶體的示意圖象(610)；包括晶體中的熔區，已經長成的晶體部分，尚未熔化的部分(613)；熔區邊界位置及生長速率；顯示爐溫分布曲線(620)，并能自動或手動調節坐標尺度以使曲線總處于最佳顯示狀態；可任意查看某一個熱電偶(611)的精確溫度及其變化趨勢；顯示晶體名稱.；實驗開始時間，當前時間(630)；爐絲處于加熱狀態或是斷電狀態(612)。
如圖7所示，中央監控臺按照計算顯示程序工作，其工作流程是(1)啟動(910)；(2)初始化初始化屏幕顯示，初始化數據文件(911)；(3)啟動計時器，同時產生串口中斷啟動計時器并每秒中斷一次；同時產生串口中斷，顯示當前時間，然后返回主程序中斷處(912)，(914)；(4)啟動串口通訊口，同時產生串口中斷啟動串口通訊口，每分鐘與控制器交換數據(913)；同時產生串口中斷，接收溫度數據并發送控制命令，根據數學模型進行模擬計算，顯示爐溫數據、晶體的示意圖象，包括晶體爐中晶體的溶區、已經長成的晶體，尚未熔化的部分，溶區邊界位置及晶體生長速率；實時顯示控溫曲線；然后返回主程序中斷處(913)，(915)；(5)判斷是否有鍵盤命令判斷是否有鍵盤命令，如果有轉入下一程序，否則返回等待(916)；(6)判斷鍵盤命令是否有效如果有效轉入下一程序，否則返回等待(917)；(7)通過鍵盤發出指令控制人員可以根據需要通過鍵盤發出指令，包括數據存盤并退出(921)、選擇熱電偶號(922)、改變坐標曲線(923)、改變加熱因子(924)、緊急關斷電爐(925)、放大曲線窗口(926)、調用幫助文件(927)。
參見
圖1，數據通訊是中央監控臺(600)與晶體生長爐(100)間遙控遙測的連接通道，通過RS232C方式下的串口通訊方式，將空間晶體生長爐(100)的爐溫(由多組熱電偶測量所得)傳送到中央監控臺(600)，而操作人員可通過中央監控臺(600)向空間晶體生長爐的控制器(包括功率分配器200及數據采集器300)發送加熱參數等控制命令。
參見圖9，中央監控臺(600)與控制器(200)連接，二者的工作流程分述如下。
中央監控臺的工作流程(1)初始化(1010)；(2)接受晶體生長爐的溫度數據，顯示溫場曲線(1011)；(3)判斷晶體生長爐是否工作正常，若是則返回主程序，若否則進入下一程序(1012)；(4)發出修改指令及修改參數操作人員通過監控臺向控制器發出修改指令和修改參數(1013)；控制器的工作流程(1)初始化(1020)；(2)按數據表工作(1021)；(3)向中央監控臺傳輸晶體生長爐溫度數據(1022)；(4)接受中央監控臺的修改后的指令和加熱數據(1023)；(5)修改數據表，傳輸替換參數返回按數據表工作步驟(1021)(1024)。
權利要求
1.一種遙控晶體生長裝置，包括一裝有溫度傳感器的可變溫場空間晶體生長爐(100)，其特征是有一包括微處理器和溫度傳感器的數據采集器(300)，一包括電源和功率器件、根據數控信號工作的加熱功率分配器(200)，一用于顯示和遠程監控的中央監控臺(600)，一作為遠程遙測遙控通道的無線電通訊設備(700)。
2.根據權利要求1所述的遙控晶體生長裝置， 其特征是其中晶體生長爐爐管(110)上繞制若干組電阻值相同的加熱爐絲(120)，每組加熱爐絲連接一測量溫度的熱電偶(130)，熱電偶測量信號送入數據采集器(300)，所述的數據采集器(300)包括相連的放大器(310)、模數轉換器(320)。
3.根據權利要求1所述的遙控晶體生長裝置，其特征是其中加熱功率分配器包括微處理器(210)、存儲器(220)、接口(230)、固態繼電器(240)、電源(250)和遠程通訊接口(260)。
4.根據權利要求1所述的遙控晶體生長裝置，其特征在于其中的中央監控臺包括一臺微機、一臺彩色監視器、以及大容量的硬盤和內存。
5.根據權利要求1所述的遙控晶體生長裝置，其特征是其中的無線電通訊設備包括無線電調制解調器和小型無線電電臺。
6.一種遙控晶體生長裝置的控制方法，所用裝置本身包括一可變溫場空間晶體生長爐，一數據采集器，一加熱功率分配器，一用于顯示和遠程監控的中央監控臺和一作為遠程遙測遙控通道的無線電通訊設備，其特征是根據本發明建立的晶體區熔生長數學模型，保證晶體生長的遙測遙控精度和控溫精度，由控制程序接受來自遠程監控的中央監控臺的控制和數據指令，操作晶體生長爐進行工作；由計算顯示程序計算爐內晶體生長參數，模擬顯示晶體生長過程；由數據通訊程序完成數據采集器和晶體生長爐、數據采集器和中央監控臺之間的通訊控制。
7.根據權利要求6所述的遙控晶體生長裝置的控制方法，其特征是其中的晶體溶區生長數學模型是把結晶和熔化過程都設定為準穩態過程，認定每一瞬間都基本上達到穩態，爐壁上為固定溫度邊界條件，以半導體材料GaSb為模型晶體建立數學模型，以柱坐標表示晶體區熔生長模型，圓柱體沿軸向順序為固態-液態-固態三個區域，固液界面為曲面，在液態區域，利用不可壓縮流體的Nayier-Stokes方程∂ν→∂t+(ν·→▿)ν→=-▿pρL+υ▿2ν→+f→,]]>式中，ρL為液態GaSb的密度； 為流體運動速度；ν為流體的動力粘滯系數；p為壓強； 為單位質量受的重力；質量守恒得到連續性方程▿·ν→=0;]]>對流傳熱方程1ρLcp,L∂T∂t=-(ν→·▿)T+χL▿2T,]]>式中cp，L為液態GaSb的定壓熱容，χL為液態GaSb的熱擴散系數。
8.根據權利要求6所述的遙控晶體生長裝置的控制方法，其特征是其中的控制程序即功率分配和數據采集程序，是將可變溫場空間晶體生長爐中的溫場信號采集出來，并通過溫控軟件進行功率分配；所述的溫控軟件采用數值比例積分微分即PID控制和在鄰里交互影響的多組爐絲體系上實現PID控制。
9.根據權利要求6或8所述的遙控晶體生長裝置的控制方法，其特征是控制程序即功率分配和數據采集程序，包括互相關聯的微機程序流程和控制器程序流程兩部分；所述的微機程序流程是(1)初始化完成初始化數據設置、初始化串行口、初始化顯示設置(710)；(2)接收溫度數據，從控制器接收采集的溫度信號(711)；(3)讀取第j+1個周期的設定溫度，求出加熱數據即偏差ΔTi＝Ti′-Ti根據設定溫度值及實際溫度值，通過控制算法求出加熱數據(712)；(4)求出各爐絲的加熱時間由數值PID算法公式與偏差ΔTI，求出第j+1個周期各組爐絲加熱時間τi(i＝1，2...10)(713)；(5)傳輸加熱數據通過串行口向晶體生長爐控制器傳輸加熱數據(714)；(6)顯示、記錄在顯示屏幕上以圖形方式顯示晶體生長爐當前的溫場，并將溫度數據記錄至文件(715)；所述的控制器程序流程是(1)初始化完成初始化數據設置，初始化串行口，關閉所有的繼電器(720)；(2)溫度采樣采樣第j個周期后溫度值Ti(i＝1，2...10)(721)；(3)傳輸溫度數據將所采溫度數據傳送給微機(722)；(4)接收加熱數據τi從微機上接收加熱數據的指令(724)；(5)進行加熱對空間晶體生長爐進行第j+1個周期的加熱(725)。
10.根據權利要求6所述的遙控晶體生長裝置的控制方法，其特征是其中的計算顯示程序即中央監控臺程序流程主要用于模擬顯示晶體生長爐及爐中晶體的示意圖象，包括晶體的區熔，已經長成的晶體，尚未熔化的部分，熔區邊界位置及晶體生長速率，顯示爐溫分布曲線，其工作流程是(1)啟動(910)；(2)初始化初始化屏幕顯示，初始化數據文件(911)；(3)啟動計時器，同時產生串口中斷啟動計時器并每秒中斷一次；同時產生串口中斷，顯示當前時間，然后返回主程序中斷處(912)，(914)；(4)啟動串行通訊口，同時產生串口中斷啟動串行通訊口，每分鐘與控制器交換數據(913)；同時產生串口中斷，接收溫度數據并發送控制命令，根據數學模型進行模擬計算，顯示爐溫數據、晶體的示意圖象，包括晶體爐中晶體的熔區、已經長成的晶體，尚未熔化的部分，熔區邊界位置及晶體生長速率；實時顯示控溫曲線；然后返回主程序中斷處(913)，(915)；(5)判斷是否有鍵盤命令判斷是否有鍵盤命令，如果有轉入下一程序，否則返回等待(916)；(6)判斷鍵盤命令是否有效如果有效轉入下一程序，否則返回等待(917)；(7)通過鍵盤發出指令控制人員可以根據需要通過鍵盤發出指令，包括數據存盤并退出(921)、選擇熱電偶號(922)、改變坐標曲線(923)、改變加熱因子(924)、緊急關斷電爐(925)、放大曲線窗口(926)、調用幫助文件(927)。
11.根據權利要求6所述的遙控晶體生長裝置的控制方法，其特征是其中的數據通訊程序是中央監控臺與晶體生長爐間遙控遙測的連接通道，其中的中央監控臺和控制器連接，二者的工作流程分述如下，中央監控臺的工作流程(1)初始化(1010)；(2)接受晶體生長爐的溫度數據，顯示溫場曲線(1011)；(3)判斷晶體生長爐是否工作正常，若是則返回主程序，若否則進入下一程序(1012)；(4)發出修改指令及修改參數操作人員通過監控臺向控制器發出修改指令和修改參數(1013)；控制器的工作流程(1)初始化(1020)；(2)按數據表工作(1021)；(3)向中央監控臺傳輸晶體生長爐溫度數據(1022)；(4)接受中央監控臺的修改后的指令和加熱數據(1023)；(5)修改數據表，傳輸替換參數返回按數據表工作步驟(1024)。
全文摘要
本發明屬于單晶生長，涉及遙控半導體單晶區熔生長裝置及其控制方法。本發明裝置包括裝有溫度傳感器的可變溫場空間晶體生長爐，數據采集器、加熱功率分配器，用于遠程監控和顯示的中央監控臺和作為遠程遙測遙控通道的無線電通訊設備。本發明控制方法是根據本發明建立的晶體區熔生長數學模型，保證晶體生長的遙測遙控精度和控溫精度，由控制程序接受來自遠程監控的中央監控臺的控制和數據指令，操作晶體生長爐，由計算顯示程序計算爐內晶體生長參數，模擬顯示晶體生長過程，由數據通訊程序完成數據采集器和晶體生長爐、數據采集器和中央監控臺之間的通訊控制。
文檔編號C30B13/28GK1425808SQ01144139
公開日2003年6月25日 申請日期2001年12月12日 優先權日2001年12月12日
發明者葛培文, 翟永亮, 李超榮, 龐玉璋, 朱振和, 霍崇儒 申請人:中國科學院物理研究所