Системы управления для технологических процессов выращивания монокристаллов сапфира

В течение последних десятилетий для выращивания монокристаллов сапфира в основном применяют три метода: горизонтальная направленная кристаллизация (ГНК), Киропулоса и Степанова. Все методы основаны на выращивании кристаллов из расплавов.

В ходе ведения процесса осуществляется измерение и контроль следующих параметров:

• температуры и расхода воды в каждом контуре охлаждения;
• состояния элементов газо-вакуумных систем;
• давления в магистралях и камере;
• энергетических параметров сети; фазовые токи и напряжения;
• энергетических параметров нагревателя: ток, напряжения, мощность;
• положения и скорости вращения исполнительных механизмов;
• скорости кристаллизации по датчику веса;

Особенности архитектуры систем управления:

• разделение функций программного комплекса на уровни с целью повышения надежности: первый уровень – программируемый логический контроллер, второй – промышленный компьютер.
• взаимодействие между устройствами на основе протоколов Modbus RTU, Modbus TCP.

Особенности функционирования СУ:

• реализация набора технологических программ для каждого этапа процесса;
• наличие набора блокировок на каждом этапе процесса, обеспечивающих защиту от «ошибочных» действий;
• реализация сценария автоматической откачки вакуумной системы;
• контроль аварийных ситуаций и реализация сценариев для нештатных ситуаций;
• архивирование показаний технологических параметров.

Особенности интерфейса оператора СУ:

• наличие мультиязыкового интерфейса ПО;
• ведение журнала действий оператора и сообщений системы;
• наглядность состояния узлов установки обеспечивается мнемосхемой, которая несет не только информативную, но и интерактивную функцию (управление состоянием по нажатию на соответствующий элемент мнемосхемы);
• возможность разграничения доступа путем ввода пароля для подтверждения действия;
• механизм сообщений, которые поясняют причину заблокированных действий оператора;
• наличие специализированного ПО для просмотра архивов, позволяющее анализировать данные и сопоставлять записи журнала событий и значения технологических параметров.

Техническое зрение в системах управления

Техническое зрение в системах управления позволяет автоматизировать задачи, казалось бы, доступные для решения только «человеческим фактором»

Задача #1:

Определение положения фронта кристаллизации

Один из вариантов получения прутков кремния включает литье кремния из расплава вниз на затравку через фильеру, расположенную между зоной расплава и индуктором в атмосфере кислорода. В процессе выращивания прутков поликристаллического кремния важным фактором поддержания диаметра прутков является контроль положения фронта кристаллизации. Фронт кристаллизации, определяется по изображению с видеокамеры. Затем данные о положении фронта подаются на вход системы автоматического регулирования, которая управляет расстоянием между уровнем воды в охлаждающей ванне и фронтом кристаллизации. Вспомогательным инструментом, обеспечивающим качество определения фронта, является указание области кадра, где расположен пруток.

Задача #2:

Определение зазора между заготовкой и плазмотроном

Установки центробежного распыления позволяют получать металлические порошки при вращении на высокой скорости заготовки, торец которой расплавляется плазмотроном. Важным условием получения нужной фракции порошковых материалов достигается путем поддержания постоянного зазора между вращающейся заготовкой (на фото слева) и плазмотроном (на фото справа).  Зазор вычисляется по кадру, получаемому от видеокамеры. Далее значение зазора поступает на вход системы автоматического управления, которая регулирует скорость подачи заготовки, чтобы обеспечить равновесие между расходом сплавляемого материала и скоростью подачи заготовки.

Задача #3:

Определение положения мениска фронта кристаллизации

Производство монокристаллов сапфира методом вытягивания из расплава по сравнению с другими методами имеет преимущество, которое заключается в том, что кристалл растет в свободном пространстве без контакта со стенками тигля. Важным этапом, во многом определяющим качество полученного кристалла, является затравление. На данном этапе затравка, установленная на водоохлаждаемом штоке, опускается в расплав и на ней начинает формироваться кристалл. Температура расплава должна быть такой, чтобы скорость роста кристалла в радиальном направлении была низкой, иначе произойдет захват примесей и возникнет опасность «прилипания» кристалла к стенкам тигля. Столбик расплава, осуществляющий связь растущего кристалла с расплавом, поддерживается силой поверхностного натяжения и формирует мениск между поверхностью расплава и растущим кристаллом. Положение мениска вычисляется по полученным от видеокамеры кадрам. Контроль разрастания заключается в слежении за положением мениска при периодическом  подъеме штока (вытягивание кристалла из расплава). В случае слишком большой скорости роста производится изменение мощности, подводимой к нагревателю, что приводит к изменению температуры поверхности расплава.

Плазменное напыление

Плазменное напыление – процесс нанесения покрытия на поверхность изделия с помощью плазменной струи.

Система управления регулирует:

• параметры плазматрона;
• газораспределение;
• подачу порошка;
• среду рабочей камеры.