Устройство для автоматического управления процессом выращивания монокристаллов из расплава

 

Изобретение относится к устройствам выращивания монокристаллов из расплава и может быть использовано при производстве монокристаллов по методу Чохральского. Сущность: устройство дополнительно содержит задатчик скорости кристаллизации и сравнивающее устройство, при этом выходы задатчика скорости кристаллизации и аналого-дискретного дифференциатора соединены с входом контура стабилизации частоты вращения монокристалла через сравнивающее устройство. 1 ил.

Изобретение относится к устройствам производства монокристаллов из расплава и может быть использовано при производстве монокристаллов по методу Чохральского.

Известно устройство для выращивания монокристаллов из расплава в тигле, включающее камеру, тигель с расплавом, нагреватель, привод перемещения затравки, цепь измерения перемещения затравки датчик веса монокристалла, цепь, включающая переменный резистор, механически связанный с приводом перемещения затравки, компаратор, выдающий сигнал управления, пропорциональный дифференциальному соотношению веса к длине монокристалла, устройство регулирования, связанное с компаратором и приводом вытягивания, обеспечивающий процесс стабилизации дифференциального соотношения веса монокристалла к его длине и диаметра монокристалла [1].

Однако известное устройство имеет недостаток заключающийся в том, что в схеме управления отсутствует функциональный преобразователь который необходим для автоматического управления частотой вращения растущего монокристалла на его конусной и цилиндрических частях.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению известно устройство содержащее регулятор и силовой блок, контуры стабилизации частоты вращения и перемещения монокристалла, датчик массы монокристалла, дискретный датчик высоты подъема монокристалла, аналого-дискретный дифференциатор, функциональный преобразователь, сравнивающее устройство [2] .

Отсутствие задатчика скорости кристаллизации монокристалла и отсутствие связи выходов задатчика и аналого-дискретного дифференциатора с входом контура стабилизации частоты вращения монокристалла не обеспечивает устройству свойства самонастройки на плоский фронт кристаллизации, вследствие чего известное устройство имеет невысокую точность работы с большим количеством дислокаций и напряжений в монокристаллах, т.е. с плохими физическими качествами получаемых монокристаллов.

Цель изобретения - обеспечение устройству свойства самонастройки и повышение точности работы.

Цель достигается включением в устройство задатчика скорости кристаллизации и второго сравнивающего устройства и соединением выходов задатчика скорости кристаллизации монокристалла и аналого-дискретного дифференциатора с входом контура стабилизации частоты вращения монокристалла через второе сравнивающее устройство.

На чертеже изображена функциональная блок-схема устройства.

Устройство содержит нагреватель 1, расплав 2, тигель 3, монокристалл 4, шток 5, датчик 6 массы монокристалла, контур 7 стабилизации частоты вращения монокристалла, дискретный датчик 8 высоты подъема монокристалла, силовой блок 9, регулятор 10, первое сравнивающее устройство 11, второе сравнивающее устройство 12, аналого-дискретный дифференциатор 13, задатчик 14 массы монокристалла, задатчик 15 скорости кристаллизации, первый интегратор 16, второй интегратор 17, третий интегратор 18, первый выключатель 19, второй выключатель 20, третий выключатель 21.

Устройство работает следующим образом.

Ростовая температура в тигле 3 с расплавом 2 поддерживается на номинальном уровне с помощью нагревателя 1, питаемого силовым блоком 9. В шток 5 встроен датчик 6 массы монокристалла, выдающий измеренное значение текущего веса монокристалла в функции времени Mn(t). Вращение штока 5 вместе с датчиком 6 массы и монокристаллом 4 осуществляется контуром 7 стабилизации частоты вращения монокристалла. Дискретный датчик 8 высоты подъема монокристалла соединен со штоком 5, выдает импульсы, следующие через интервалы dt, которые поступают по входу j на аналого-дискретный дифференциатор 13, на который по входу К поступает информация о текущем измеренном значении массы монокристалла M(t). В результате на выходе аналого-дискретного дифференциатора имеется производная dM_n(t)/dt, равная измеренному значению скорости кристаллизации монокристалла. Задатчик 14 массы монокристалла, состоящий из суммирующего двоичного счетчика, суммирует импульсы приращений dM, идущих с функционального преобразователя, состоящего из первого 16, второго 17 и третьего 18 интеграторов.

При выращивании цилиндрической шейки при затравлении монокристалла и при выращивании основного цилиндра монокристалла, при разомкнутых выключателях 19, 20 и 21, при введении в регистр подинтегральной функции интегратора 18 числа a₃ на выходе p этого интегратора имеется частота импульсов f₃, равная f₃ = F ˙ 2^-ka₃, (1) где F - частота питания интегратора; k - число разрядов. Частота f₃ связана с числом a₃ так, что, если сама функция от t, то формула (1) примет вид f₃ = F ˙ 2^-ka₃(t). (1-а) Следовательно за время t на выходе p третьего интегратора 18 имеется интеграл в виде числа М_зад(t), равный N_зад(t) = F·2^-k a₃(t)dt (2) Число N_зад(t) фиксируется в двоичном суммирующем счетчике задатчика 14 массы монокристалла. При кристаллизации цилиндра затравки ее диаметр d₃= const, а также при кристаллизации основного цилиндра монокристалла его диаметр D_k = const, в этом случае значение a₃(t) в формуле (2) a₃(t) = const, и масса монокристалла растет N_зад(t) = F ˙ 2^-ka₃(t) (3) - по уравнению прямой линии.

Число М_зад(t) по входу e поступает на первое сравнивающее устройство 11, на которое одновременно по входу d поступает измеренное значение массы монокристалла М_изм(t). В результате на выходе h этого сравнивающего устройства имеется разность Δ₁, равная Δ₁ = М_зад(t) - М_изм(t), которая поступает на регулятор 10 для управления силовым блоком 9 по тепловому каналу.

При выполнении программы выращивания конуса монокристалла необходимо организовать программу так, чтобы число М_зад(t) на выходе задатчика 14 возрастало в функции времени по закону кубической параболы, т.е.

N_зад(t) = Сt³, (4) где С = const. Известно, что при интегрировании постоянной имеется N₁= cdt = ct , (5) т.е. уравнение прямой линии. Интегрируя вторично (5), получают N₂= ctdt = t² (6) - уравнение квадратичной параболы. Интегрируя (6), получают N₃ = t²dt = t³ (7) - уравнение кубической параболы.

Таким образом для программирования числа N_зад(t) на выходе задатчика массы монокристалла при выращивании конуса монокристалла согласно (5), (6), (7? необходимо соединить три цифровых интегратора. Однако в этом случае функцию первого интегрирования выполняет интегратор 16, второго интегрирования интегратор 17, третьего 18. Выключатели 19, 20 и 21 в этом случае замкнуты.

Частота f₃ на выходе p интегратора 18 имеет период следования dt₃ = 1/f₃, за время которого масса монокристалла возрастает на величину dМ. Приращение массы dМ, отнесенное к периоду dt, образует скорость кристаллизации dM/dt. Заданная скорость кристаллизации dM/dt в виде двоичного числа N₂(t) генерируется на выходе n второго интегратора 17 следующим образом.

Для двоичного числа N₁(t) на выходе интегратора имеется N₁(t) = F·2^-k a₁(t) dt (8) Поскольку число a₁(t) в регистре подинтегральной функции интегратора 16 равно константе, т.е. a₁(t) = a₁ = const, то уравнение (8) дает решение
N₁(t) = F.2^-ka₁(t). (9) Число N₁(t) при замкнутом выключателе 19 из интегратора 16 поступает в интегратор 17, у которого на выходе n за то же время в интервале от нуля до t будем иметь в результате второго интегрирования
N₂(t) = F·2^-k a₁ tdt, или
N₂(t) = · 2^-k a₁t . (10) Число N₂(t) накапливается в суммирующем счетчике задатчика 15 скорости кристаллизации. Число N₂(t) поступает в регистр подинтегральной функции интегратора 18, на выходе которого в счетчике задатчика 14 массы монокристалла за то же время t будем иметь интеграл
N₃(t) = · 2^-k a₁t³ . (11) Так как число N₃(t) при выполнении программы конуса накапливается в двоичном счетчике задатчика 14 массы монокристалла, то число N₂(t) является производной по t от (11), или, что одно и то же,
N₂(t) = , поскольку N₃(t) соответствует заданной массе монокристалла M₃(t).

Число N₂(t) задатчика скорости кристаллизации поступает по входу С на второе сравнивающее устройство 12, на которое по входу b с аналого-дискретного дифференциатора поступает измеренное значение скорости кристаллизации dM_изм(t). В результате на выходе a сравнивающего устройства 12 имеется разность Δ ₂, равная
± Δ₂ = = Разность ± Δ ₂ поступает на контур 7 стабилизации частоты вращения монокристалла для коррекции частоты вращения монокристалла, что придает устройству свойство самонастройки на плоский фронт кристаллизации.

Включение в устройство задатчика скорости кристаллизации и второго сравнивающего устройства в соединение выхода задатчика скорости кристаллизации и выхода аналого-дискретного дифференциатора с входом контура стабилизации частоты вращения монокристалла через второе сравнивающее устройство придает устройству свойство самонастройки на плоский фронт кристаллизации, повышает точность работы, а следовательно уменьшает в выращиваемых монокристаллах количество дислокаций и внутренние напряжения, вследствие чего улучшаются физические свойства монокристаллов.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ ИЗ РАСПЛАВА, содержащее регулятор и силовой блок, контуры стабилизации частоты вращения и перемещения монокристалла, дискретный датчик высоты подъема монокристалла, аналого-дискретный дифференциатор, функциональный преобразователь, сравнивающее устройство с задатчиком массы монокристалла, отличающееся тем, что, с целью обеспечения самонастройки на плоский фронт кристаллизации, в устройство включены задатчик скорости кристаллизации и второе сравнивающее устройство, причем выход задатчика скорости кристаллизации соединен через ключ и интегратор функционального преобразователя с задатчиком массы монокристалла и одновременно с аналого-дискретным дифференциатором через второе сравнивающее устройство с контуром стабилизации частоты вращения монокристалла.

РИСУНКИ

Рисунок 1