Розробка апаратури, систем управління і контролю технологічних процесів вирощування злитків кремнію для сонячної енергетики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кременчуцький університет економіки, інформаційних технологій і управління

УДК 669.162.238

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Розробка апаратури, систем управління і контролю технологічних процесів вирощування злитків кремнію для сонячної енергетики

05.27.06 - технологія, обладнання

та виробництво електронної техніки

Волохов Сергій Олександрович

Кременчук - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Кременчуцькому університеті економіки, інфомаційних технологій і управління на кафедрі комп'ютеризованих систем автоматики та у ТОВ «Сілікон» (м. Світловодськ).

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Оксанич Анатолій Петрович, Кременчуцький університет економіки, інформаційних технологій і управління, завідувач кафедри комп'ютеризованих систем автоматики

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Левінзон Давид Іделевич, Класичний приватний університет (м. Запоріжжя), проректор з науково-методичної роботи;

- кандидат фізико-математичних наук, с.н.с. Макаров Анатолій Володимирович, Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, старший науковий співробітник

Захист відбудеться “04” червня 2010 р. о 12.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К45.124.01 у Кременчуцькому університеті економіки, інформаційних технологій і управління за адресою: 39600, м. Кременчук, вул. Пролетарська, 24/37, аудит.1301.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Кременчуцького університету економіки, інформаційних технологій і управління за адресою: 39600, м. Кременчук, вул. Пролетарська, 24/37

Автореферат розісланий “29” квітня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради С.Е. Притчин

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Сьогодні значна частина монокристалів кремнію для напівпровідникового виробництва вирощується методом Чохральського. Використання методу Чохральського обумовлене можливістю реалізації підвищених вимог до структурної досконалості і збільшення розмірів вирощуваних монокристалів, можливістю легування кристалів з розплаву заданою домішкою із заданим розподілом питомого опору по довжині злитка.

До недоліків вирощування кристалів кремнію для сонячної енергетики методом Чохральського слід віднести підвищений вміст у вирощених кристалах фонових домішок вуглецю і кисню, існування неоднорідного розподілу легуючих і фонових домішок, що визначається умовами росту кристалів, радіальних неоднорідностей різних видів (канальних або спірально-кільцевих) та ін.

Особливістю методу Чохральського є можливість вирощувати злитки великих діаметрів, що у свою чергу вимагає наявності систем підтримки заданого діаметра злитка в процесі росту. Джерелом даних в таких системах є пристрій вимірювання діаметра злитка, для якого властиві похибки, як і будь-якому вимірювальному пристрою. Похибки вимірювання діаметра призводять до похибок системи управління, що є причиною появи відхилення діаметра від номінального як у бік збільшення, так і у бік зменшення, і формування так званого «гофра».

Враховуючи необхідність переходу на альтернативні джерела енергії, зокрема на сонячну, актуальною проблемою є створення нової, стратегічно важливої для України галузі виробництва фотоенергетичного приладобудування, здатної забезпечити потреби країни в альтернативних відтворюваних джерелах енергії і реалізувати повний технологічний цикл від виробництва кремнію через виробництво сонячних елементів до кінцевого продукту сонячної енергетики - фотоелектричних модулів, батарей і автономних сонячних електростанцій різного призначення.

Тому проблема, пов'язана з розробкою обладнання і технології отримання «сонячного» кремнію діаметром 200 мм з покращеними показниками щодо дефектоутворення і геометричних параметрів є вельми актуальною для промислового виробництва кремнію в Україні.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у ТОВ «Сілікон» (м. Світловодськ) і на кафедрі комп'ютеризованих систем автоматики Кременчуцького університету економіки інформаційних технологій і управління відповідно до міжвідомчих науково-технічних програм: «Комплексна програма розвитку кольорової металургії в Україні на період до 2010 року» та «Нанофізика і наноелектроніка» і пов'язана з реалізацією наступних науково-дослідних робіт:

- НДР «Розробка способів і методів експрес-контролю структурної недосконалості в злитках монокристалічного кремнію і арсеніду галію», ДР № 0106U000055;

- НДР «Дослідження впливу процесів тепломасопереносу на електрофізичні і структурні властивості монокристалічного кремнію і арсеніду галію в процесі їх вирощування», ДР № 0106U000056.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка апаратури для вимірювання діаметра вирощуваного злитка кремнію із абсолютною похибкою, яка не перевищує ±1,0 мм, а також розробка ефективного регулятора, що базується на концепції прогнозного управління.

Досягнення поставленої мети реалізується шляхом вирішення наступних наукових завдань:

1. Розробка методу і пристрою вимірювання діаметра злитка кремнію в процесі вирощування, що забезпечує абсолютну похибку вимірювання не більше ±1 мм.

2. Побудова моделі процесу вирощування злитків кремнію в умовах модернізованої установки «РЕДМЕТ-60А» і розробка на її основі прогнозного регулятора діаметра злитка.

3. Розробка моделі, яка дозволяє прогнозувати перехід графітового нагрівача у стан підвищеного випаровування вуглецю в атмосферу ростової камери, що дає змогу провести своєчасну зміну нагрівача та, як наслідок, зменшити ризик виходу непридатної продукції.

4. Розробка методу і пристрою вимірювання активної потужності нагрівача з урахуванням форми напруги живлення.

5. Розробка конфігурації теплового екрана ростової установки за критерієм мінімуму нерівномірності температурних градієнтів.

6. Дослідження вмісту вуглецю і щільності мікродефектів у злитках кремнію, вирощених на ростовій установці «РЕДМЕТ-60А» з розробленим нагрівачем і пристроєм вимірювання і підтримки діаметра.

Об'єкт дослідження - технологічний процес вирощування злитків кремнію для сонячної енергетики методом Чохральського з нормованим діаметром і нормованим вмістом вуглецю.

Предмет дослідження - апаратура, системи управління і контролю технологічних процесів вирощування злитків кремнію для сонячної енергетики.

Методи дослідження. Виконані дослідження базуються на фундаментальних положеннях теорії росту кристалів напівпровідників з розплаву, теорії тепломасопереносу, математичного моделювання і теорії автоматичного управління.

У дослідженні використовувалися також чисельно аналітичні методи розрахунку температурних полів; метод кінцевих елементів для розрахунку температурних полів; методи математичної статистики для обробки експериментальних даних.

Дослідження проводилися на базі ТОВ «Сілікон» м. Світловодськ.

Наукова новизна отриманих результатів. У процесі вирішення поставлених завдань автором отримані наступні наукові результати:

1. Вперше розроблено оптичний метод і пристрій вимірювання діаметра злитка в процесі росту, заснований на обчисленні другої похідної оператором Лапласа при обробці відеозображення зони росту злитка, що дозволило понизити абсолютну похибку вимірювання діаметра до ± 1 мм.

2. Вперше синтезовано адекватну ARMAX-модель процесу витягування злитка кремнію в умовах промислової установки «РЕДМЕТ-60А», яка використовується для регулювання діаметра злитка по каналу швидкості витягування.

3. Вперше виконано синтез оптимального прогнозного регулятора для установки «РЕДМЕТ-60А», що дозволяє враховувати прогнозовані стани регульованого процесу із заданим випередженням.

4. Вперше розроблено нейромережеву модель вирішення задачі прогнозування концентрації вуглецю в злитках кремнію, яка відрізняється тим, що окрім значень часового ряду концентрації вуглецю в нейронну мережу введено окремий рецептор для введення дискретних значень чинника часу роботи нагрівача.

5. Вдосконалено математичну модель і розроблено метод оптимізації геометричних параметрів теплового вузла, а саме: розмірів і координат розташування основного теплового екрана, який забезпечує необхідний температурний градієнт в зоні вирощування злитка кремнію.

Практичне значення отриманих результатів. Промислове застосування розробленого автором методу і пристрою вимірювання діаметра злитка із застосуванням CMOS-лінійки дозволило понизити величину гофра, що утворюється при вирощуванні злитка кремнію діаметром 200 мм, до 2 мм, що, у свою чергу, понизило втрати при нормуванні діаметра до 3%. За допомогою розробленого методу вимірювання активної потужності нагрівача ростової установки «РЕДМЕТ-60А» стало можливим оцінити збільшення споживаної потужності, викликаної старінням нагрівача, і тим самим провести коригування технологічного процесу за допомогою запропонованого методу прогнозу концентрації вуглецю в злитках кремнію, що дозволяє змінити режим технологічного процесу і зменшити ймовірність погіршення якості «сонячного» кремнію, зменшити ризик виходу непридатної продукції. Проведено розрахунки щодо оптимізації положення теплового екрана і вибрано його розміри і висоту розташування над рівнем розплаву в модернізованій установці «РЕДМЕТ-60А», що дозволило знизити нерівномірність осьових градієнтів і забезпечити оптимальний розподіл температури по осі вирощуваного злитка.

Приведені вище конструкторсько-технологічні заходи реалізовані в модернізованій промисловій установці «РЕДМЕТ-60А». Економічний ефект від впровадження склав 82 тис. грн. на рік (акт впровадження від 10.11. 2009 р.). Наукові результати отримані в ході виконання дисертаційної роботи також впроваджені в навчальний процес КУЕІТУ (акт впровадження від 05.11.2009 р.)

Особистий внесок здобувача. Сформульовані в дисертаційній роботі наукові результати, висновки і рекомендації належать особисто авторові і є його особистим науковим внеском.

У роботах, опублікованих у співавторстві, особисто Волохову С.О. належать наступні наукові результати:

1. У роботі [1] авторові особисто належить розробка методу вимірювання діаметра злитка із застосуванням CMOS-лінійки.

2. У роботі [2] авторові особисто належить розробка пристрою вимірювання активної потужності, споживаної графітовим нагрівачем в процесі вирощування «сонячного» кремнію.

3. У роботі [3] авторові особисто належить розробка методу прогнозу концентрації вуглецю в злитках кремнію.

4. У роботах [4, 8] автором особисто виконано розрахунок оптимального прогнозного регулятора для установки «РЕДМЕТ-60А», що дозволяє враховувати прогнозовані стани регульованого процесу із заданим випередженням, і запропоновано мікропроцесорну систему управління даною установкою.

5. У роботах [5, 9] автором особисто проведено розрахунки щодо оптимізації положення теплового екрана і вибрано його розміри.

6. У роботі [6] автором особисто виконано оцінку впливу тривалості роботи графітового нагрівача на концентрацію вуглецю в злитках кремнію.

7. У роботі [7] автором запропоновано алгоритм безконтактного вимірювання довжини злитка кремнію.

Апробація результатів. Основні положення роботи доповідалися і обговорювалися на IV-й Українській науковій конференції з фізики напівпровідників (УНКФН-4) (Запоріжжя, 15-19 вересня 2009 р.); 2-ій Міжнародній науковій конференції «Електронна компонентна база. Стан і перспективи розвитку» (30 вересня - 3 жовтня 2009 р., Харків-Кацивелі, ХНУРЕ); ІІІ-й Всеукраїнській науково-технічній конференції молодих учених і студентів «Інформаційні технології в економічних і технічних системах» (ІТЕТС-2009) (15-16 квітня 2009 р., Кременчук, КУЕІТУ); VIII-й Всеукраїнській науково-технічній конференції «Фізичні процеси і поля технічних і біологічних об'єктів» (2009, Кременчук, КДУ ім. М. Остроградського).

Публікації. Результати дисертаційної роботи опубліковані у 9 друкованих роботах, з них 5 статей у фахових наукових виданнях, затверджених ВАК України, 4 - у матеріалах конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Містить 150 сторінок основного тексту, 54 рисунки, 5 таблиць, перелік використаних джерел із 111 найменувань, додатки наведені на 6 сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі обгрунтовано актуальність, сформульовано мету та завдання дослідження. Визначено наукову новизну й розкрито практичне значення результатів, подано інформацію про публікації та апробацію роботи, відзначено особистий внесок автора та надано структуру дисертаційної роботи.

У першому розділі у результаті критичного аналізу літературних джерел визначено, що найважливішим завданням виробництва злитків кремнію для сонячної енергетики є розробка моделей і методів прогнозу концентрації вуглецю в злитках кремнію, що дозволяє змінити режим технологічного процесу і зменшити ймовірність погіршення якості монокристалів.

Показано, що існуючі методи вимірювання діаметра злитка кремнію в процесі росту не дозволяють досягти необхідної точності для злитків діаметром 200 мм, що призводить до коливань швидкості вирощування і, як наслідок, до збільшення "гофра".

Зростаючі вимоги до якості злитків кремнію для сонячної енергетики вимагають необхідності переходу на нові технології формування керуючого сигналу по каналу управління швидкістю вирощування і, зокрема, використання концепції прогнозного управління.

Зроблено висновок про необхідність подальшого дослідження теплових полів і визначення ступеня впливу геометрії ростової установки на теплову стабільність розплаву, а також визначення впливу конструкційних матеріалів теплового вузла та їх властивостей на теплообмін при вирощуванні злитків кремнію діаметром 200 мм.

Сформульовано мету і завдання дослідження.

У другому розділі виконано розробку моделей і технічних засобів управління процесом вирощування злитків кремнію діаметром 200 мм для сонячної енергетики, зокрема: розробка методу вимірювання діаметра злитка кремнію в процесі його вирощування; синтез моделі, що описує зміну параметрів нагрівача; розробка методики і апаратури контролю параметрів нагрівача в процесі вирощування злитків кремнію; структурно-параметричний синтез математичної моделі процесу вирощування і прогнозного регулятора діаметра злитка кремнію.

Для виробництва фотоелектричних перетворювачів злитки монокристалічного кремнію вирощуються діаметром певних номіналів. В процесі виробництва для підтримки діаметра вирощуваного злитка застосовуються системи управління, сигнал зворотного зв'язку в яких формує пристрій вимірювання діаметра злитка. Похибки системи управління, одним з основних джерел яких є вищезазначений пристрій, призводять до коливань швидкості і температури вирощування, що, у свою чергу, є причиною появи так званого "гофра", тобто відхилення діаметра від номінального як у бік збільшення, так і у бік зменшення по довжині злитка.

Існує декілька загально відомих методів вимірювання діаметра злитка в процесі його вирощування за методом Чохральського. Найбільшого поширення набули оптичні методи. На даний час основний парк ростових установок, зайнятих в промисловому виробництві злитків кремнію, обладнаний пристроями вимірювання діаметра злитка, в яких як датчик діаметра використовується електронний оптичний датчик (95%) або телекамера. Із збільшенням діаметра злитка абсолютна похибка вимірювання, яку забезпечують ці пристрої, зростає і для злитків діаметром 200 мм досягає 3 мм. Це, у свою чергу, призводить до відхилення діаметра від номінального, яке досягає ± 5 мм, і, як наслідок, до виробничих втрат при виробництві ФЕП.

Зниження похибки вимірювання діаметра злитка в процесі його вирощування можливе при розробці нових методів і пристроїв, в яких використовуються переваги існуючих і усуваються їх недоліки.

Аналіз існуючих промислових методів і пристроїв вимірювання діаметра злитка кремнію показує, що безпосереднє вимірювання діаметра забезпечує телевізійний метод, взятий за основу при розробці запропонованого автором методу.

У спрощеному вигляді діаметр злитка можна визначити, якщо встановити поріг яскравості, який розділяє значення яскравості меніска і фону. Тоді, позначивши поріг як И, можна отримати тригерну функцію:

 , (1)

де н - значення яскравості.

Проведені нами дослідження показали, що кращих результатів для вирішення завдання визначення діаметра злитка кремнію можна досягти, використовуючи метод виділення меж з обчисленням другої похідної оператором Лапласа. Діаметр злитка кремнію, що росте, у цьому випадку визначиться як

,(2)

де , положення першого мінімума похідної при проходженні по зображенню з правого краю (в пікселах) і першого мінімума похідної при проходженні з лівого краю (в пікселах) відповідно. Коефіцієнт К залежить від фокусної відстані об'єктиву і відстані датчика до зони спростереження злитка кремнію і визначається експериментальним шляхом за формулою:

,(3)

де N - число точок вимірювання; Df_n - фактичний діаметр у мм; Dp_n - виміряний діаметр у пікселах.

Структурна схема розробленого нами методу вимірювання діаметра представлена на рис. 1.

Використання 10-ти бітового АЦП, що входить до складу лінійки, дозволило у 4 рази розширити динамічний діапазон, а число активних елементів - у 1,5 рази збільшити роздільну здатність датчика.

У роботі встановлено, що присутність вуглецю в кремнії призводить до утворення мікродефектів, тому актуальним є виявлення тенденцій до збільшення концентрації домішки вуглецю безпосередньо в процесі вирощування або навіть до його початку. Це може істотно збільшити відсоток виходу придатної продукції.

Показано, що зростання дисперсії вмісту вуглецю в злитках залежно від часу експлуатації нагрівача не дає можливості адекватно оцінити вплив часу роботи нагрівача і миттєвих значень концентрації вуглецю на якість продукції і частку виходу придатного продукту за стандартною регресійною залежністю. Для вирішення цього завдання нами було розроблено нейромережеву (НМ) модель, яка дозволила прогнозувати концентрацію вуглецю в новому злитку за значеннями концентрації в попередніх процесах і виробленням ресурсу нагрівача. При цьому, для визначення прогнозної величини концентрації вуглецю в злитку було вирішено використовувати один вихідний нейрон з кусочно-лінійною функцією активації (лінійна з обмеженням). Структура НМ показана на рис. 2. Таким чином було створено метод прогнозу концентрації вуглецю в злитках кремнію для сонячної енергетики, що дозволяє змінити режим технологічного процесу і зменшити ймовірність погіршення якості продукту, використовуючи відліки попередніх вимірів концентрації, часовий чинник ресурсу нагрівача і спеціальну нейромережеву модель.

Наразі при вирощуванні злитків кремнію контроль потужності нагрівача проводиться на вході пристрою за змінною напругою. Таке рішення має більш енерго-контролююче значення, ніж технологічне. При переході до промислового вирощування злитків кремнію великого діаметра для сонячної енергетики актуальною стає розробка методів і апаратури контролю активної потужності графітового нагрівача.

Середнє значення миттєвої потужності, споживаної нагрівачем за період часу T

.(4)

Для обчислення даного інтеграла можна використовувати метод прямокутників. Приймемо дискретність вимірювання струму і напруги за N, тоді при частоті живлячої мережі 50 Гц проводиться N/50 вимірювань за період.

Запишемо (4) у вигляді дискретної функції

,

,

де k - номер вимірювання; p - номер напівперіоду; б - кут відкриття регулятора тиристора.

Тоді активну потужність, споживану нагрівачем при частоті мережі живлення 50 Гц, можна отримати з виразу

.(7)

Для реалізації запропонованого методу вимірювання активної потужності нагрівача нами було розроблено пристрій, що дозволяє вимірювати величину напруги, струму і розраховувати активну споживану потужність нагрівача.

Складна форма напруги живлення, зумовлена роботою перетворювача тиристора, вимагає проводити N вимірювань напруги живлення нагрівача і споживаного струму за один період. Для забезпечення прийнятної точності інтеграції імпульсів напруги живлення потрібно виконати не менше 10 вимірювань за напівперіод. Отже, N можна прийняти рівним 1000.

Тоді, для практичної реалізації визначення активної потужності, вираз (7) можна переписати у вигляді:

.(8)

Запропонований нами метод і розроблений пристрій для його реалізації дозволили одержати дані щодо споживаної графітовим нагрівачем потужності у процесі вирощування злитків кремнію. Для визначення збільшення споживаної графітовим нагрівачем потужності, спричиненого його старінням, нами було проведено дослідження нагрівача ростової установки на 30 процесах. Отримані результати представлені на рис. 3. (Рис. 3. Споживання активної потужності нагрівачем ростової установки «РЕДМЕТ-60А» в процесі вирощування злитка кремнію діаметром 200 мм)

Апроксимація отриманих даних і аналіз результатів дослідження дозволяють зробити висновок, що збільшення активної потужності, кВт, споживаної нагрівачем, складає 0,3х, де х - номер процесу вирощування, що проводиться на даному нагрівачі.

Як було показано вище, для вирішення завдання виробництва злитків кремнію діаметром 200 мм для сонячної енергетики з'явилася необхідність у розробці ефективніших регуляторів, зокрема регуляторів, що базуються на концепції прогнозного управління. Синтез такого регулятора для процесу вирощування об'ємних монокристалів кремнію на установці «РЕДМЕТ-60А» було виконано нами у даній роботі.

Для забезпечення можливості реалізації принципу прогнозного управління було розроблено адекватну модель об'єкта управління, яка (пропускаючи проміжні викладення) записується у наступному вигляді:

(9)

де В - оператор зсуву назад на один такт.

З метою діагностичної перевірки моделі (9) нами було визначено значення статистики Q. Воно виявилося рівним 11 при 20 степенях свободи. Критичне значення цієї статистики при вказаному числі степенів свободи і рівні значущості 0.05 рівне 31.41. Таким чином, можна вважати справедливою гіпотезу про адекватність розробленої моделі.

На основі створеної моделі нами було виконано синтез прогнозного регулятора (горизонти прогнозування і управління були взяті однакові і рівні 3 тактам), вираз якого записується у вигляді:

(10)

де r(*) - бажане значення діаметра; x(*) - швидкість вирощування; у(*) - виміряне значення діаметра;

Третій розділ присвячено розробці елементів установки «РЕДМЕТ-60A» і системи управління процесом вирощування злитків кремнію для сонячної енергетики. Нами було розроблено функціональну схему автоматизованої системи управління технологічним процесом вирощування злитків кремнію, розроблено пристрій для вимірювання і підтримки діаметра злитка кремнію із застосуванням CMOS-лінійки, розроблено тепловий вузол ростової камери установки «РЕДМЕТ-60А», розроблено мікроконтролерну систему управління нагрівачем ростової установки «РЕДМЕТ-60А».

Аналіз використовуваного на даний час технологічного процесу вирощування злитків монокристалічного кремнію великого діаметра на ростових установках, які використовуються для промислового отримання злитків кремнію для сонячної енергетики, дозволяє зробити наступні висновки: злиток кремній вуглець регулятор

існуюча технологія і система управління технологічним процесом не дозволяє вирощувати промислово повторювані злитки великого діаметра з рівномірним розподілом вуглецю по довжині злитка;

відсутність можливості вимірювання діаметра конуса злитка на етапі розширення не дозволяє проводити розширення із заданим кутом, здійснювати перехід з розширення на циліндр без підриву, що призводить до можливості виникнення А і В дефектів і зони аномальної преципітації вуглецю (кільця окислювальних дефектів упаковки);

використовуваний оптичний датчик стабілізації діаметра формує помилкові сигнали при виникненні прецесії злитка, яка відбувається унаслідок маятникового ефекту, що призводить до великих флуктуацій швидкості вирощування, які досягають 1.6 мм/хв, і, як наслідок, до «гофра» діаметра злитка і появі дислокацій, тобто до браку.

Для усунення перелічених недоліків існуючих систем управління нами було розроблено функціональну схему системи управління ростовою установкою «РЕДМЕТ-60А», представлену на рис. 4. (Рис. 4. Функціональна схема автоматизованої системи управління технологічним процесом вирощування злитків кремнію (АСУЗК).)

Крім загальних завдань, що вирішуються в системах такого класу, АСУЗК реалізовує такі завдання:

високоточне вимірювання діаметра злитка, що росте;

позиціонування тигля з розплавом перед початком кожного процесу так, щоб рівень розплаву знаходився на одній і тій же заданій відмітці щодо фіксованої точки камери;

регулювання температури розплаву, швидкості вирощування і діаметра злитка у ході процесу відповідно до заданих функцій їх зміни по довжині злитка;

можливість автоматизації усіх стадій технологічного процесу.

Функціонально система ділиться на наступні підсистеми:

мікроконтролерна система управління процесом, що обчислює швидкість витягування Vz =f(D) як функцію від поточного діаметра, швидкість підйому тигля Vс =f(н_z) як функцію від н_z, частоту обертання тигля Wt =f(P) як функцію від програмної складової, частоту обертання злитка Wс =f(P) як функцію від програмної складової, температуру нагрівача Т =f(н_z,D) як функцію від н_z і D;

мікроконтролерна система контролю діаметра, яка обчислює за залежністю перепаду яскравості зони розплав-злиток D=f(I) фактичний діаметр злитка D, мм.

Для реалізації запропонованого методу як датчик ми використовували CMOS-лінійку типу S10077, що має роздільну здатність 10 біт і 1024 елементи на активну довжину датчика, рівну 14 мм.

Використання 10-ти бітового АЦП, що входить до складу лінійки, дозволило у 4 рази розширити динамічний діапазон, а число активних елементів - у 1,5 рази збільшити роздільну здатність датчика у порівнянні з відеокамерою.

У роботі виконано аналіз чинників, що впливають на похибки датчика, таких як неоднорідність фоточутливості лінійки і величина контрастності у зоні росту. Як відомо, вираз для визначення абсолютної похибки ми записали як

,(11)

де Nj - число пікселів в лінійці, що потрапляють на межу розділу злиток-меніск; о - величина неоднорідності елементів лінійки; Ш - контрастність у зоні росту.

Взявши до уваги технічні дані на CMOS-лінійку типу S10077 і результати проведених нами експериментальних досліджень для визначенням значення Nj_, яке склало ?3 пікселя, і Ш, значення якої склало 0,4, було визначено значення Дд, яке дорівнює 2 пікселям.

Для оцінки абсолютної похибки у міліметрах ми оцінили роздільну здатність датчика в геометричних одиницях. Цю величину можна визначити як

,(15)

де l_m - довжина зони росту в міліметрах, яка потрапляє на активну частину CMOS-лінійки, а N_k - число елементів активної частини CMOS-лінійки.

При вирощуванні злитка кремнію діаметром 200 мм використовується тигель діаметром 405 мм. З урахуванням теплового екрана діаметр зони росту, який потрапляє у поле зору CMOS-лінійки, складає 240 мм. Як було сказано вище, число елементів CMOS-лінійки дорівнює 1024 і, таким чином, роздільна здатність датчика складає 0,23 мм, а абсолютна похибка - 0,43 мм.

Промислова експлуатація розробленого пристрою показала, що збільшення точності вимірювання діаметра злитка кремнію в процесі його вирощування дозволило понизити величину «гофра» до 2 мм.

Аналізуючи механізми формування структурної досконалості у вирощуваних методом Чохральського монокристалах кремнію можна зробити висновок, що вони обумовлені, головним чином, наступними чинниками: недосконалістю конструкції теплового вузла промислового ростового обладнання; нестабільністю швидкості кристалізації через коливання температури в розплаві; інтенсивністю конвективних потоків у розплаві. Формування структурних неоднорідностей в монокристалі кремнію, що росте, багато в чому обумовлене тепловими умовами. Тому проблема формування теплових умов у зоні росту була і залишається вельми актуальною. Нами було виконано оптимізацію параметрів конфігурації теплового екрана, що проводилась за критерієм мінімізації нерівномірності осьового градієнта температури в злитку.

Для вирішення цього завдання ми використовували еволюційний алгоритм випадкового пошуку оптимальних рішень з уточненням значень локальних екстремумів за допомогою алгоритму випадкового пошуку у вузькій області, яка ймовірно містить локальний екстремум. Таке рішення було вибрано у зв'язку з тим, що ймовірність швидкого сходження алгоритму при цьому значно зростає і, тим самим, прискорюється процес пошуку оптимального рішення.

Для перевірки результатів моделювання і оптимізації було використано комп'ютерну програму для розрахунку теплового поля методом кінцевих елементів. Оцінка впливу змін у конфігурації теплового екрана установки «РЕДМЕТ-60А» порівняно з існуючою установкою «РЕДМЕТ-60» на температурні профілі і осьові градієнти та одержані при розрахунку дані було зведено до таблиць, за якими побудовано графіки, показані на рис. 5-7.

Переваги теплового вузла установки «РЕДМЕТ-60А» виявляються, перш за все, у більшій рівномірності розподілу температури вздовж осі злитка. На рис. 5 показано температурні профілі вздовж осі z злитка, розраховані для конфігурації теплового екрана ростової установки «РЕДМЕТ-60» (крива 1) і конфігурації теплового екрана установки «РЕДМЕТ-60А» з оптимальним розташуванням і розмірами екрана. Розрахунок проводився методом кінцевих елементів за допомогою згаданої програми. Подальші численні експерименти показали, что подібний розподіл температури (з урахуванням природніх флуктуацій, які у тепловій моделі відтворити важко) дає цілком прийнятні результати за рівнем нерівномірності градієнтів температури у злитку.

Тепловий вузол - основний засіб управління тепловими умовами процесу вирощування злитків кремнію. Від його параметрів залежать стійкість росту, стабільність діаметра і структура вирощуваного монокристала. Завдання системи управління температурою зводиться до підтримки в розплаві градієнтів температури, що не змінюються в ході процесу, створення і підтримки протягом всього процесу близького до плоского фронту кристалізації.

За способом управління мікроконтролерна система управління нагрівачем відноситься до класу замкнутих, які формують управляючу дію залежно від відхилення поточного значення температури від заданого значення.

Процес автоматичного регулювання температурного режиму характеризується наступними особливостями:

- нагрівач з погляду управління є складним комплексом, що складається з джерела тепла, камери і датчика температури, зв'язаних між собою процесом теплообміну, причому кожен з них має свою теплову інерцію, що надзвичайно ускладнює розрахунок теплових перехідних процесів і аналіз динаміки процесу регулювання;

- нагрівач є об'єктом із самовирівнюванням: при підвищенні температури збільшуються теплові втрати, тому графік нагріву носить експоненціальний характер.

Отримана нами передавальна функція регулятора має вигляд:

W(s)= Kp (1+ 1/sTи + Тдs); (16)

W(s)= 1,6(1 + 1/432s + 72s).(17)

Четвертий розділ присвячено експериментальному дослідженню параметрів технологічного процесу і їх впливу на якість вирощених злитків кремнію, зокрема: дослідженню вмісту вуглецю в злитках кремнію, дослідженню системи вимірювання і підтримки діаметра злитка в процесі росту злитка кремнію, дослідженню структурних дефектів в злитках кремнію, вирощених з оптимізованою конфігурацією теплового вузла.

Результати вимірювань концентрації вуглецю по довжині контрольного злитка показали, що вибрані параметри технологічного процесу забезпечують одержання злитків з концентрацією вмісту вуглецю, що не перевершує значення 5.510¹⁶ см-³, що відповідає вимогам щодо концентрації вуглецю для злитків кремнію діаметром 200 мм, вирощуваних для сонячної енергетики. Для підтверждення одержаних результатів було вирощено пять контрольных злитків з вимірюванням концентрації вуглецю у нижній частині злитка, де значення концентрації має найбільше значення. Усі злитки вирощувались з попереднім встановленням початкових умов затравлення, з встановленням рівня розплаву у задане положення відносно верхнього торця нагрівача і з встановленням заданого значення температури розплаву. Одержані результати у вигляді діаграми представлені на рис. 8.

Одержані у процесі проведення експериментальних досліджень результати вирощування злитків діаметром 200 мм на ростовій установці «Редмет-60А» показали, що обрані параметри технологічного процесу і програмні профілі забезпечують одержання злитків з відхиленнями діаметра злитка від заданого, що не перевищує ±1,0 мм. Для підтвердження одержаних результатів було вирощено п'ять контрольних злитків. Усі злитки вирощувались з попереднім встановленням початкових умов затравлення, з встановленням рівня розплаву у задане положення відносно верхнього торця нагрівача і з встановленням заданого значення температури розплаву. Відхилення діаметра не перевищило ± 1.0 мм. Одержаний нами профіль злитка кремнію діаметром 200 мм представлений на рис. 9.

Результати дослідження структурних дефектів п'яти злитків кремнію, вирощених з оптимізованою конструкцією теплового вузла, показали, що середня щільність структурних дефектів склала Nd_ср=61 деф·см^-2, що задовольняє вимогам щодо структурної досконалості монокристалічного кремнію згідно з ГОСТ 19658-8.

У додатках наведено протокол метрологічних випробувань пристрою вимірювання та підтримки діаметра злитка кремнію із застосуванням CMOS-лінійки та акт про впровадження результатів дослідження у виробництво.

Основні результати і висновки

1. Актуальними завданнями для промислового отримання структурно відтворюваних злитків монокристалічного кремнію є розробка моделей і методів прогнозу концентрації вуглецю в злитках кремнію, удосконалення методу вимірювання діаметра злитка і розробка апаратури, що реалізує даний метод, перехід на нові технології формування управляючого сигналу по каналу управління швидкістю вирощування, зокрема на прогнозний регулятор діаметра, розробка нового теплового вузла для формування оптимальних значень температурних полів.

2. Розроблено метод вимірювання діаметра злитка, що дозволяє зменшити похибки вимірювання. Метод заснований на обчисленні другої похідної оператором Лапласа та наступним виділенням меж на зображені зони росту і нормуванням яскравості пікселей. Розроблено пристрій, що реалізує даний метод, заснований на застосуванні CMOS-лінійки як датчика діаметра злитка. Запропоновані рішення дозволили забезпечити абсолютну похибку пристрою, яка не перевищує ±1,0 мм.

3. Синтезовано адекватну АРМАХ-модель процесу витягування монокристалічних злитків в умовах промислової установки «РЕДМЕТ-60А», використану для регулювання діаметра злитка по каналу швидкості витягування. Вдосконалено методику синтезу оптимального прогнозного регулятора на основі використання співвідношень, що дозволяють легко алгоритмізувати і автоматизувати процедуру синтезу оптимальних прогнозних регуляторів для установок вирощування злитків «сонячного» кремнію.

4. На основі розробленої ARMAX-моделі процесу вирощування виконано синтез оптимального прогнозного регулятора для установки «РЕДМЕТ-60А», що враховує прогнозовані стани регульованого процесу із заданим випередженням. Відхилення від заданого діаметра злитка кремнію діаметром 200 мм, вирощуваного на ростовій установці «РЕДМЕТ-60А», не перевищує 1мм.

5. Створено метод прогнозу концентрації вуглецю в злитках кремнію для сонячної енергетики, що використовує результати попередніх вимірів концентрації, часовий чинник ресурсу нагрівача і спеціальну нейромережеву модель. Розроблено нейромережеву модель вирішення задачі прогнозування концентрації вуглецю в злитках кремнію, яка відрізняється тим, що окрім часового ряду значень концентрації вуглецю в мережу введений окремий рецептор для введення дискретних значень чинника часу роботи нагрівача. Розроблений метод і модель дозволили змінити режим технологічного процесу і зменшити ймовірність погіршення якості продукту.

6. Запропоновано метод і розроблено пристрій вимірювання активної потужності, споживаної нагрівачем ростової установки в процесі вирощування «сонячного» кремнію діаметром 200 мм. Метод дозволяє враховувати імпульсну форму напруги живлення і заснований на обчисленні миттєвої потужності з подальшим інтегруванням для обчислення повної активної потужності за виразом

На основі обробки експериментальних даних отримано емпіричний вираз ДР=0,3х, де х - номер процесу вирощування, що проводиться на даному нагрівачі. Вираз дозволяє оцінити збільшення споживаної нагрівачем активної потужності, викликане його старінням, і провести своєчасне коригування параметрів технологічного процесу.

7. Розроблено математичну модель завдання параметричної оптимізації геометричних параметрів теплового екрана і метод її вирішення, що включає чисельно-аналітичну еволюційну процедуру оптимізаційних розрахунків, що дозволяє забезпечувати необхідний температурний режим в зоні вирощування і охолодження злитка. Проведено розрахунки з оптимізації положення теплового екрана і вибрано його розміри і висота розташування над рівнем розплаву для конкретної ростової установки. Отримана конфігурація теплового екрана дозволяє понизити нерівномірність осьових температурних градієнтів і забезпечити оптимальний розподіл температури по осі вирощуваного злитка.

8. Проведені експериментальні дослідження на ростовій установці "Редмет-60А" показали, що концентрація вуглецю по довжині злитка діаметром 200 мм не перевищує 5,5·10¹⁶ см-³. Це відповідає вимогам щодо концентрації вуглецю для злитків кремнію діаметром 200 мм, що вирощуються для сонячної енергетики. Середня щільність мікродефектів в злитках кремнію діаметром 200 мм, вирощених на ростовій установці «РЕДМЕТ-60А», склала Nd_ср=61 деф·см^-2, що задовольняє вимогам до структурної досконалості монокристалічного кремнію.

Список опублікованих праць здобувача за темою дисертації

1. Оксанич А.П. Метод і пристрій вимірювання діаметра злитків кремнію, що вирощуються для сонячної енергетики / А.П. Оксанич, С.Е. Притчин, С.О. Волохов, В.А. Тербан // Нові технології. Науковий вісник КУЕІТУ. - 2009. - № 3(25). - С. 9-16. Особисто автором розроблено метод вимірювання діаметра злитка із застосуванням CMOS-лінійки.

2. Оксанич А.П. Метод і пристрій вимірювання потужності графітового нагрівача ростової установки / А.П. Оксанич, С.Е. Притчин, С.О. Волохов, В.А. Тербан // Нові технології. Науковий вісник КУЕІТУ. - 2009. - № 4(26). - С. 3-10. Особисто автором розроблено пристрій вимірювання активної потужності, споживаної графітовим нагрівачем в процесі вирощування «сонячного» кремнію.

3. Оксанич А.П. Прогнозування концентрації вуглецю в злитках при вирощуванні монокристалів кремнію для сонячної енергетики / А.П. Оксанич, С.О. Волохов, І.В. Шевченко // Радіоелектроніка і інформатика. - 2009. - № 3(46). - С. 20-24. Особисто автором розроблено метод прогнозу концентрації вуглецю в злитках кремнію.

4. Оксанич А.П. Синтез прогнозного регулятора для процесу вирощування об'ємних монокристалів кремнію для сонячних ФЕП / А.П. Оксанич, В.Р. Петренко, С.О. Волохов // Автоматизовані системи управління і прилади автоматики. - 2009. - Випуск 148. - С. 59-70. Особисто автором виконано розрахунок оптимального прогнозного регулятора для установки «РЕДМЕТ-60А», що дозволяє враховувати прогнозовані стани регульованого процесу із заданим випередженням.

5. Оксанич А.П. Оптимізація конфігурації теплового екрана ростової установки по критерію мінімізації температурних градієнтів / А.П. Оксанич, С.О. Волохов, І.В. Шевченко // Системні технології. - 2010. - № 1(66). - С. 3-17. Особисто автором проведено розрахунки щодо оптимізації положення теплового екрана і вибрано його розміри.

6. Оксанич А.П. Оцінка впливу тривалості роботи графітового нагрівача на концентрацію вуглецю в злитках кремнію / А.П. Оксанич, С.О. Волохов, О.С. Сіора // 2-а Міжнародна наукова конференція «Електронна компонентна база. Стан і перспективи розвитку». Збірка наукових праць : Харків-Кацивелі, 30 вересня - 3 жовтня 2009 р. / Мін-во осв. і науки України, Хар-ий нац. ун-т радіоел., АН прикл. радіоел., ЗАТ «НПК «Наука»», НТО РЕС України, НТО РЕС ім. А.С. Попова РФ. - Харків-Кацивелі, ХНУРЕ, 2009. - С. 131-134. Автором особисто виконано оцінку впливу тривалості роботи графітового нагрівача на концентрацію вуглецю в злитках кремнію.

7. Волохов С.О. Метод і алгоритм безконтактного вимірювання довжини злитка кремнію / С.О. Волохов, С.Е. Притчин // Інформаційні технології в економічних і технічних системах (ІТЕТС-2009). Тези доповідей на ІІІ Всеукраїнській науково-технічній конференції молодих учених і студентів : 15-16 квітня 2009 р. / Мін-во осв. і науки України, КУЕІТУ, Харк-ий нац. ун-т радіоелектр., Класичний приватний ун-т, Нац. мет. акад. України, Дніпродзержинський держ. техн. ун-т. - Кременчук, КУЕІТУ, 2009. - С. 105. Автором особисто запропоновано алгоритм безконтактного вимірювання довжини злитка кремнію.

8. Оксанич А.П. Розробка мікропроцесорної системи управління промисловою установкою для вирощування злитків «сонячного» кремнію діаметром 200 мм / А.П. Оксанич, С.Е. Притчин, С.О. Волохов // Тези доповідей IV Української наукової конференції з фізики напівпровідників (УНКФП-4). Запоріжжя, 15-19 вересня 2009 р. / Наукова рада з проблеми «Фізика напівпровідників і напівпровідникові прилади» НАНУ, ІФН ім. В.Є. Лашкарьова НАНУ, Класичний приватний університет (м. Запоріжжя), Запорізький нац. техн. ун-т, ВАТ «Завод напівпровідників». - Запоріжжя : Класичний приватний університет, 2009. - Т. 1. - С. 214. Особисто автором виконано розрахунок оптимального прогнозного регулятора для установки «РЕДМЕТ-60А» та запропоновано мікропроцесорну систему управління даною установкою.

9. Оксанич А.П. Оптимізація конфігурації теплового екрана ростової установки / А.П. Оксанич, І.В. Шевченко, С.О. Волохов // VIII Всеукраїнська науково-технічна конференція «Фізичні процеси і поля технічних і біологічних об'єктів». Тези наукових доповідей. : 2009, Кременчук, КДУ ім. М. Остроградського / Мін-во осв. і науки України, КДУ ім. М. Остроградського. - Кременчук: КДУ ім. М. Остроградського, 2009. - С. 270-271. Автором особисто проведено розрахунки щодо оптимізації положення теплового екрана і вибрано його розміри.

Анотація

Волохов С.О. Розробка апаратури, систем управління і контролю технологічних процесів вирощування злитків кремнію для сонячної енергетики. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.27.06 - технологія, обладнання та виробництво електронної техніки. - Кременчуцький університет економіки, інформаційних технологій і управління. Кременчук, 2010.

Дисертацію присвячено розробці апаратури для вимірювання діаметра вирощуваного злитка кремнію із зменшеною похибкою, а також синтезу ефективних регуляторів, що базуються на концепції прогнозного управління, для систем управління технологічним процесом вирощування злитків кремнію для сонячної енергетики.

У роботі розроблено метод вимірювання діаметра злитка, що дозволяє зменшити похибку вимірювання. Створено метод прогнозу концентрації вуглецю в злитках кремнію для сонячної енергетики, що дозволяє змінити режим технологічного процесу і зменшити ймовірність погіршення якості продукту з використанням спеціальної нейромережевої моделі. Запропоновано метод вимірювання активної потужності, споживаної нагрівачем ростової установки в процесі вирощування «сонячного» кремнію діаметром 200 мм. Синтезовано адекватну АРМАХ-модель процесу витягування монокристалічних злитків в умовах промислової установки «РЕДМЕТ-60А» і виконано синтез оптимального прогнозного регулятора, що дозволяє враховувати прогнозовані стани регульованого процесу.

Розроблено автоматизовану систему управління технологічним процесом вирощування злитків кремнію, а також розроблено пристрій вимірювання і підтримки діаметра злитка кремнію, заснований на застосуванні CMOS-лінійки як датчика діаметра злитка. З використанням математичного моделювання проведено розрахунки щодо оптимізації положення теплового екрана і вибрано його розміри і висота розташування над рівнем розплаву. Розроблений вузол дозволив забезпечити оптимальний розподіл температури по осі вирощуваного злитка. Розроблено метод і мікроконтролерний пристрій для вимірювання активної потужності, споживаної нагрівачем ростової установки в процесі вирощування «сонячного» кремнію діаметром 200 мм. Одержані значення споживаної потужності дозволяють вносити необхідні коригування до параметрів технологічного процесу.

Ключові слова: злитки монокристалічного кремнію, математичне моделювання, вуглець, діаметр злитка, ростова установка, тепловий вузол.

Аннотация

Волохов С.А. Разработка аппаратуры, систем управления и контроля технологических процессов выращивания слитков кремния для солнечной энергетики. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.27.06 - технология, оборудование и производство электронной техники. - Кременчугский университет экономики, информационных технологий и управления. Кременчуг, 2010.

Диссертация посвящена разработке аппаратуры для измерения диаметра выращиваемого слитка кремния с уменьшенной погрешностью, а также синтезу эффективных регуляторов, базирующихся на концепции прогнозного управления, для систем управления технологическим процессом выращивания слитков кремния для солнечной энергетики.

В результате проведенного анализа литературных источников определено, что актуальной задачей является разработка моделей и методов прогноза концентрации углерода в слитках кремния для солнечной энергетики, позволяющая изменить режим технологического процесса и уменьшить вероятность ухудшения качества монокристаллов. На основании анализа литературы был сделан вывод о необходимости усовершенствования метода измерения диаметра слитка и разработки аппаратуры, реализующей данный метод. Показано, что актуальным заданием является переход на новые технологии формирования управляющего сигнала по каналу управления скоростью выращивания и, в частности, на прогнозный регулятор диаметра. Вопрос о температурном поле расплава для слитков кремния 200 мм изучен недостаточно, поэтому возникает необходимость дальнейшего исследования тепловых полей и определения степени влияния геометрии ростовой установки на тепловую стабильность расплава.

В работе разработан метод измерения диаметра слитка, позволяющий уменьшить погрешность измерения. Создан метод прогноза концентрации углерода в слитках кремния для солнечной энергетики, позволяющий изменить режим технологического процесса и уменьшить вероятность ухудшения качества продукта, использующий специальную нейросетевую модель. Предложен метод измерения активной мощности, потребляемой нагревателем ростовой установки в процессе выращивания «солнечного» кремния диаметром 200 мм. Синтезирована адекватная АРМАХ-модель процесса вытягивания монокристаллических слитков в условиях промышленной установки «РЕДМЕТ-60А» и выполнен синтез оптимального прогнозного регулятора, позволяющего учитывать прогнозируемые состояния регулируемого процесса.

Разработана автоматизированная система управления технологическим процессом выращивания слитков кремния, а также разработано устройство измерения и поддержания диаметра слитка кремния, основанное на применении в качестве датчика диаметра слитка CMOS-линейки. Для слитков диаметра 200 мм абсолютная погрешность устройства составила 0,8 мм. С использованием математического моделирования проведены расчеты по оптимизации положения теплового экрана и выбраны его размеры и высота расположения над уровнем расплава. Разработанный узел позволил обеспечить оптимальное распределение температуры по оси выращиваемого слитка. Разработан метод и микроконтроллерное устройство для измерения активной мощности, потребляемой нагревателем ростовой установки в процессе выращивания «солнечного» кремния диаметром 200 мм. Полученные значения потребляемой мощности позволяют вносить требуемые корректировки в параметры технологического процесса.

Проведенные экспериментальные исследования на ростовой установке «РЕДМЕТ-60А» показали, что разработанный в работе тепловой узел, предложенная методика и аппаратура контроля параметров нагревателя позволяют выращивать слитки кремния, в которых концентрация углерода по длине слитка диаметром 200 мм не превышает 5.510¹⁶ см-³. Разработанный в работе метод и устройство контроля диаметра слитка кремния, обеспечивают получение слитков с отклонениями диаметра слитка от заданного, не превышающими ±1,0 мм. Средняя плотность структурных дефектов в слитках кремния диаметром 200 мм, выращенных на ростовой установке «РЕДМЕТ-60А», составила Nd_ср=61 деф·см^-2, что удовлетворяет требованиям к структурному совершенству монокристаллического кремния.

Ключевые слова: слитки монокристаллического кремния, математическое моделирование, углерод, диаметр слитка, ростовая установка, тепловой узел.