專利名稱：區熔硅單晶爐電氣控制裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種用于生產區熔硅單晶的大型設備，特別涉及一種用于生產氣相摻雜區熔硅單晶的區熔硅單晶爐電氣控制裝置。
技術背景近幾年來，由于電子行業的飛速發展，產品需求的多元化，用于生產區熔硅單晶的設備其傳統的功能已經不能滿足多元化產品的工藝要求，尤其是區熔硅單晶爐的電氣控制部分主要采用繼電器的控制方法，該控制方法采用的是固定接線方式，一旦生產過程中有所變動，就得重新設計線路連接安裝，因此如果在原設備的基礎進行改造相當困難，而且它不能隨著產品在生產過程中對工藝的改變而改變，它的電機控制部分的控制精度和可靠性差，不能滿足工藝要求。此外，為了拉制氣相摻雜區熔硅單晶必須添加摻雜氣體控制部分，因此，研制滿足多元化產品工藝要求的區熔單晶爐的電氣控制部分勢在必行。
發明內容
鑒于上述現有技術存在的問題，本實用新型的目的在于為了滿足多元化產品的工藝要求，提高設備的精度和可靠性，以實現自動化控制，特提供一種區熔硅單晶爐電氣控制裝置。該裝置具有操作方便、控制精度及可靠性高等優點，從而滿足多元化產品的工藝要求。
本實用新型采取的技術方案是一種區熔硅單晶爐電氣控制裝置，其特征在于包括中心控制部分、電機控制部分、控制面板及摻雜氣體控制部分；所述的中心控制部分包括有通訊模塊器且與輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊相連的可編程邏輯控制器；所述的電機控制部分包括數字運動控制器、互連模塊、手動調速編碼器、伺服驅動器及伺服電機；所述的摻雜氣體控制部分包括氣體保護部分使用的氬氣、氮氣的氣體質量流量計及摻雜箱部分；所述的控制面板為觸摸屏式控制面板，其中，觸摸屏控制面板與可編程邏輯控制器的通訊模塊連接；可編程邏輯控制器通過串口與數字運動控制器連接；可編程邏輯控制器的輸入輸出模塊通過輔助繼電器分別與兩塊互連模塊及所述的摻雜控制部分的氬氣、氮氣的氣體質量流量計、摻雜箱部分連接；所述的手動調速編碼器與數字運動控制器的X-E軸插口連接；兩塊互連模塊分別與數字運動控制器的X-W軸和E-H軸插口連接，所述的伺服電機包括上轉電機、下轉電機、上速電機、下速電機及線圈移動電機且分別連接伺服驅動器，并通過伺服驅動器與兩塊互連模塊的上轉、下轉、上速、下速及線圈插口連接。
觸摸屏作為這臺設備操作控制部分，起到了很關鍵的作用。其內部功能強大，可以在同一個屏幕下顯示多個控制界面，根據事先設計好的程序完成操作者所操作的動作。區熔硅單晶爐的觸摸屏分為4個界面1、主畫面。包括上下速的控制和顯示部分；電壓、電流、功率的轉化開關及顯示；線圈移動的開關和顯示部分；液壓套筒上下移動開關；定時器的開關和顯示等等；2、設置。包括上下速的快速移動；定時器的時間設置；以及線圈的快速移動等等。3、氣體真空。包括真空泵開關及真空度的顯示；氬氣快速和慢速的充氣開關及氬氣慢速充氣流量的設定和顯示上下排氣閥的開關等等。4、氣體摻雜摻雜氣流量設定；氬氣流量設定；入爐流量設定；摻雜氣系統壓力設定及各個電磁閥的開啟、關閉。而且觸摸屏可以和可編程邏輯控制器配合使用，所以大大的省去了因為自鎖或者互鎖時所需要的繼電器以及排線，而且節省了很大的空間。
可編程邏輯控制器作為這臺設備的中心控制部分，起到了承上啟下的作用。當操作者在觸摸屏上發出給定信號并傳輸到可編程邏輯控制器中，可編程邏輯控制器按照已編好的程序控制其外部的輔助繼電器，再由輔助繼電器將控制信號傳輸給控制部件完成動作。而且可以根據選用的不同的輸入，輸出模塊接受不同種類的信號源的信號，并且可以通過改變其內部程序而改變輸入和輸出的比例。可編程控制器最大的優點在于可以和多種元器件配合使用，例如觸摸屏、數字運動控制器等。
電機控制部分主要是采用了手動調速編碼器、數字運動控制器、伺服電機驅動器、以及伺服電機與可編程控制器相結合的控制方法。其中心控制部分就是數字運動控制器，它是現在世界上比較先進的獨立控制器之一，它具有強大的功能，可以通過程序同時控制多個軸的行程、速度、加速度、減速度、延時等多種控制。例如在生長氣相摻雜區熔硅單晶過程中，對下轉正反轉改變的控制方面、線圈移動等方面，都可以通過改變其內部程序而完成。再加上與伺服電機驅動器和伺服電機配合使用，使得其準確性和穩定性也得到了保障。
摻雜箱部分主要是為了生長氣相摻雜單晶而專門設計的，其內部包括氣體質量流量計、氣體壓力控制器及電磁閥，其主要作用就是將摻雜氣體與氬氣相混合，在適當的時候由操作者通過觸摸屏給可編程邏輯控制器一個給定信號打開相應的電磁閥，再通過壓力控制器將多余的氣體排出后，將所需流量的摻雜氣體進入爐室，生長氣相摻雜單晶。其控制主要是通過觸摸屏設置好每個氣體質量流量計的流量后，將每個氣體質量流量計的控制信號，通過與可編程邏輯控制器事先設定好的通訊地址在可編程邏輯控制器中轉換為質量流量計的輸入信號，輸入給質量流量計，控制氣體流量的大小。再通過質量流量計反饋給可編程邏輯控制器，經過其內部的處理后，輸入到觸摸屏的數字顯示部分，顯示其流量。使其在對氣相摻雜區熔硅單晶電阻率的控制上達到精準。
圖1是本實用新型的原理框圖并作為摘要附圖。
圖2是圖1中摻雜箱內部原理框圖。
具體實施方式
參照圖1、2，所述的摻雜箱部分包括氬氣、摻雜氣、入爐使用的氣體質量流量計、壓力控制器及電磁閥；其中電磁閥分別通過輔助繼電器與可編程控制器的輸入輸出模塊連接；氬氣、摻雜氣、入爐使用的氣體質量流量計壓力控制與可編程邏輯控制器的輸入輸出模塊連接。
所述的可編程邏輯控制器為歐姆龍公司生產的C200HG型可編程邏輯控制器，其輸入、輸出點為歐姆龍公司生產的ID216型輸入模塊及OD219型輸出模塊，采用的模擬量輸入模塊及模擬量輸出模塊為歐姆龍公司生產的AD003型模擬量輸入模塊及DA003型模擬量輸出模塊。
所述的數字運動控制器為GALIL公司生產的DMC2280型數字運動控制器，伺服電機驅動器為日本安川公司生產SGDM08ADA型伺服電機驅動器，其控制上轉、下轉、上速、下速四個軸的伺服電機均為日本安川公司生產的SGMAH-08AAA41型交流伺服電機，控制線圈移動的伺服電機為日本安川公司生產的SGMAH-08A1A41型交流伺服電機。
所述的氣體保護部分氮氣、氬氣使用的氣體質量流量計均為BROOKS公司生產的5850型(氮氣)、5851型(氬氣)氣體質量流量計；摻雜箱部分的摻雜氣、氬氣及入爐使用的氣體質量流量計及其壓力控制器均為BROOKS公司生產的5850型氣體質量流量計(氬氣)和5866型壓力控制器(氬氣)。
區熔硅單晶爐電氣控制裝置流程分為兩大部分中心控制部分流程為操作者通過觸摸屏發出指令，經過數據線到達通訊模塊，再經過通訊模塊對信號的改變后發送到可編程邏輯控制器。再由可編程邏輯控制器按照事先所編輯好的程序，在其內部進行運算后分三路輸出。第一路作為電機的控制信號輸入到數字運動控制器，對電機的運動進行控制。第二路根據各個輸入點的輸入信號，通過輸出點控制輔助繼電器來完成單晶爐整體繼電器部分的控制。第三路通過模擬量(電壓)輸出單元輸出電壓信號，對摻雜箱中的氣體質量流量計及摻雜箱外的氣體質量流量計的設定值進行控制。氣體質量流量計的反饋信號、真空計的反饋信號、電源電壓的反饋信號、及電源電流反饋信號通過電流/電壓轉換模塊后的信號等多個反饋信號都是經過模擬量(電壓)輸入單元反饋到可編程邏輯控制器中，經過信號的處理后，反饋到觸摸屏的顯示部分，顯示所控制的情況。
電機控制部分流程為通過各個軸(上轉、下轉、上速、下速、線圈移動)的手動調速編碼器經過數據線向數字運動控制器輸入給定信號，經過數字運動控制器內部已設定好的程序的運算結果，通過數據線與互連模塊的相應插口連接，再分別使用數據線通過互連模塊的相應插口分別向(上轉、下轉、上速、下速、線圈移動)各軸的伺服驅動器輸入控制信號，控制各個軸的各項運動。再通過各個伺服電機上本身自帶的編碼器用數據線將反饋信號分別分為兩路，反饋給各個不同的電機控制系統中，一路作為負反饋通過編碼器電纜輸入給伺服電機驅動器的相應插口上，使其與電機形成一閉環回路，使電機在運轉速度的準確和穩定方面上更加安全可靠。另一路作為位置信號輸入給數字運動控制器，用于控制伺服電機的行程和延時的時間，再由數字運動控制器輸入給可編程邏輯控制器，在其內部做比例的轉換后，再將信號輸入到控制觸摸屏進行數字顯示，使操作者可以清楚的看到電機的運動速度，并做出相應的控制。
另外，可編程邏輯控制器所控制的輔助接觸器各觸點的接線通過接線排轉換成數據線后與互連模塊的相應插口相連接控制各個軸電機的運動方向及快速與慢速的切換。操作者可以輕松的通過觸摸屏給定可編程邏輯控制器控制信號，來完成以上動作。
區熔硅單晶爐電氣控制系統在區熔氣相摻雜硅單晶生長中的主要應用1.通過下轉手動調速編碼器經過數據線向數字運動控制器輸入給定信號，經過數字運動控制器內部已設定好的程序的運算結果，通過數據線與互連模塊的相應插口連接，再分別使用數據線通過互連模塊的相應插口分別向下轉的伺服驅動器輸入控制信號，控制下轉電機的運動。再通過下轉伺服電機上本身自帶的編碼器用數據線將反饋信號分別分為兩路，一路作為負反饋通過編碼器電纜輸入給伺服電機驅動器的相應插口，使其與電機形成一閉環回路。另一路作為位置信號輸入給數字運動控制器，用于控制伺服電機的行程和延時的時間，再由數字運動控制器輸入給可編程邏輯控制器，在其內部做比例的轉換后，再將信號輸入到觸摸屏進行下轉速度的數字顯示。同時通過觸摸屏給定下轉正向、反向運動的指令，以及正向、反向運動的時間的設定，經過可編程邏輯控制器、數字運動控制器、伺服驅動器來控制下轉電機按設定的時間進行正向、反向運動，從而在區熔氣相摻雜硅單晶生長中由下軸帶動單晶按照設定的時間進行正向、反向運動。
2.通過加熱線圈手動調速編碼器經過數據線向數字運動控制器輸入給定信號，經過數字運動控制器內部已設定好的程序的運算結果，通過數據線與互連模塊的相應插口連接，再分別使用數據線通過互連模塊的相應插口分別向加熱線圈的伺服驅動器輸入控制信號，控制下轉電機的運動。再通過下轉伺服電機上本身自帶的編碼器用數據線將反饋信號分別分為兩路，一路作為負反饋通過編碼器電纜輸入給伺服電機驅動器的相應插口，使其與電機形成一閉環回路。另一路作為位置信號輸入給數字運動控制器，用于控制伺服電機的行程和延時的時間，再由數字運動控制器輸入給可編程邏輯控制器，在其內部做比例的轉換后，再將信號輸入到觸摸屏進行加熱線圈移動距離的數字顯示。
3.摻雜箱部分對于氣相摻雜區熔硅單晶的生長非常關鍵，是通過觸摸屏設置好摻雜氣體、氬氣、入爐氣體質量流量計的流量及壓力控制器的壓力，這些控制信號通過與可編程邏輯控制器事先設定好的通訊地址在可編程邏輯控制器中轉換為質量流量計及壓力控制器的輸入信號，輸入給質量流量計及壓力控制器，控制氣體流量的大小及摻雜箱系統的壓力；同時通過觸摸屏給可編程邏輯控制器一個給定信號打開摻雜氣體、氬氣、入爐電磁閥，這時，摻雜氣體、氬氣、入爐氣體質量流量計按照給定的流量設定控制各個流量，壓力控制器按照給定的壓力設定控制摻雜箱系統的氣體壓力，并將多余的氣體排出系統，混合后的摻雜氣體通過摻雜氣體質量流量計按照設定值進入爐室，生長氣相摻雜區熔硅單晶。其控制主要是通過觸摸屏再通過質量流量計反饋給可編程邏輯控制器，經過其內部的處理后，輸入到觸摸屏的數字顯示部分，顯示其流量。使其在對區熔氣相摻雜硅單晶電阻率的控制上達到精準。
權利要求1.一種區熔硅單晶爐電氣控制裝置，其特征在于包括中心控制部分、電機控制部分、控制面板及摻雜氣體控制部分；所述的中心控制部分包括含有通訊模塊且與輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊相連的可編程邏輯控制器；所述的電機控制部分包括數字運動控制器、互連模塊、手動調速編碼器、伺服驅動器及伺服電機；所述的摻雜氣體控制部分包括氣體保護部分使用的氬氣、氮氣的氣體質量流量計及摻雜箱部分；所述的控制面板為觸摸屏式控制面板，其中，觸摸屏控制面板與可編程邏輯控制器的通訊模塊連接；可編程邏輯控制器通過串口與數字運動控制器連接；可編程邏輯控制器的輸入輸出模塊通過輔助繼電器分別與兩塊互連模塊及所述的摻雜控制部分的氬氣、氮氣的氣體質量流量計、摻雜箱部分連接；所述的手動調速編碼器與數字運動控制器的X-E軸插口連接；兩塊互連模塊分別與數字運動控制器的X-W軸和E-H軸插口連接，所述的伺服電機包括上轉電機、下轉電機、上速電機、下速電機及線圈移動電機且分別連接伺服驅動器，并通過伺服驅動器與兩塊互連模塊的上轉、下轉、上速、下速及線圈插口連接。
2.如權利要求1所述的區熔硅單晶爐電氣控制裝置，其特征在于所述的摻雜箱部分包括氬氣、摻雜氣、入爐使用的氣體質量流量計、壓力控制器及電磁閥；其中電磁閥分別通過輔助繼電器與可編程控制器的輸入輸出模塊連接；氬氣、摻雜氣、入爐使用的氣體質量流量計、壓力控制器與可編程邏輯控制器的輸入輸出模塊連接。
3.如權利要求1或2所述的區熔硅單晶爐電氣控制裝置，其特征在于所述的可編程邏輯控制器為歐姆龍公司生產的C200HG型可編程邏輯控制器，其輸入、輸出點為歐姆龍公司生產的ID216型輸入模塊及OD219型輸出模塊，采用的模擬量輸入模塊及模擬量輸出模塊均為歐姆龍公司生產的AD003型模擬量輸入模塊及DA003型模擬量輸出模塊。
4.如權利要求1或2所述的區熔硅單晶爐電氣控制裝置，其特征在于所述的數字運動控制器為GALIL公司生產的DMC2280型數字運動控制器，伺服電機驅動器為日本安川公司生產SGDM08ADA型伺服電機驅動器，其控制上轉、下轉、上速、下速四個軸的伺服電機均為日本安川公司生產的SGMAH-08AAA41型交流伺服電機，控制線圈移動的伺服電機為日本安川公司生產的SGMAH-08A1A41型交流伺服電機。
5.如權利要求1或2所述的區熔硅單晶爐電氣控制裝置，其特征在于所述的氣體保護部分的氮氣、氬氣使用的氣體質量流量計均為BROOKS公司生產的5850型、5851型氣體質量流量計；摻雜箱部分的摻雜氣、氬氣及入爐使用的氣體質量流量計及其壓力控制器均為BROOKS公司生產的5850型氣體質量流量計和5866型壓力控制器。
專利摘要本實用新型涉及一種用于生產區熔硅單晶的大型設備，特別涉及一種用于生產氣相摻雜區熔硅單晶的區熔硅單晶爐電氣控制裝置。它包括中心控制部分、電機控制部分、控制面板、及摻雜氣體控制部分；所述的中心控制部分包括含有通訊模塊與輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊及與之相連的可編程邏輯控制器；所述的電機控制部分包括數字運動控制器、互連模塊、手動調速編碼器、伺服驅動器及伺服電機；所述的摻雜氣體控制部分包氣體保護部分使用的氬氣、氮氣的氣體質量流量計及摻雜箱部分；所述的控制面板為觸摸屏式控制面板。該系統具有操作方便、控制精度及可靠性高等優點，從而滿足多元化產品的工藝要求。
文檔編號C30B29/06GK2858676SQ20062002596
公開日2007年1月17日 申請日期2006年4月30日 優先權日2006年4月30日
發明者沈浩平, 高樹良, 劉嘉, 劉為鋼 申請人:天津市環歐半導體材料技術有限公司