晶体生长炉控制系统
HOLLIAS-LEC G3 PLC在SiC晶体生长炉控制系统中的应用作为一种新型的半导体材料，SiC以其优良的物理化学特性和电特性成为制造短波长光电子器件、高温器件、抗辐照器件和大功率／高额电子器件最重要的半导体材料。特别是在极端条件和恶劣条件下应用时，SiC器件的特性远远超过了Si器件和GaAs器件。因此，SiC 器件和其各类传感器已逐步成为关键器件之一，发挥着越来越重要的作用。
从20世纪80年代起，特别是1989年第一种SiC衬底圆片进入市场以来，SiC器件和电路获得了快速的发展。在某些领域，如发光二极管、高频大功率和高电压器件等，SiC器件已经得到较广泛的商业应用，发展迅速。经过十几年的发展，目前SiC器件工艺已经可以制造商用器件。以Cree为代表的一批公司已经开始提供SiC器件的商业产品。
国内的研究所和高校在SiC材料生长和器件制造工艺方面也取得了可喜的成果。目前Si C因片的体生长和外延生长技术已经可以得到应用于商业生产的SiC圆片，市场上可以获
得3英寸的SiC圆片，4英寸的圆片生产技术也不断研制成熟。中科院物理研究所从2000年以来投入大量人力和物力进行了SiC晶体关键生长技术的研发，凭借其多年在晶体生长的经验和实力雄厚的科研力量，目前物理所已跻身于全球几个有能力生长2英寸SiC半导体晶体的单位之一，同时已设计并制造出具有自主知识产权的SiC晶体生长炉，为规模化生产奠定了基础，并具有明显的价格优势。目前本研究组响应把科学技术转化为生产力的号召，集多方资源建立了从事SiC单晶材料生长炉规模化生产业务的公司。
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2 生长炉的组成
SiC晶体的生长条件苛刻，需在2100℃以上保持高真空一周以上，且对籽晶质量、固定方式等也有很高要求。物理所利用长期研究工作中积累的单晶生长经验，结合自行设计的独特的坩埚和温场，设计并制造出具有自主知识产权的SiC晶体生长炉。除炉体以外，生长炉具有大量控制设备来确保晶体生长苛刻的环境要求，这样控制设备大体上可以分为真空设备、加温设备和运动设备。
真空设备包括变频器、真空计、真空泵、智能控制仪表、真空控制器和密封设备等，真空计采集炉腔内的真空度，真空控制器根据真空度变化调节变频器频率，进而改变真空泵的运行频率，以保证炉腔内的真空度稳定；加温设备包括中频加热炉、中频电源、电流/电压传感器、可控硅和PID智能调节温控仪表等，温控仪表采集电流传感器的模拟量信号（此值与炉内温度成线性关系），根据电流值和设定值进行PID调节，输出给可控硅来调节中频电源的电压，进而保证炉内温度的稳定；运动设备包括步进电机、G3 PLC、丝杠、导轨、编码器、限位开关和触摸屏等，闭环调节籽晶杆和坩埚杆的运动，调节坩埚自转，各种参数可以设置。
3 运动控制系统组成
在SiC结晶过程中，除了满足温度和真空度的条件外，另外还要保证籽晶和坩埚之间有相对的旋转和拉伸运动，而且要匀速运动，否则晶体质地满足不了要求。晶体生长过程见图-2，籽晶杆与坩埚杆反向运动，同时坩埚杆旋转。
为了实现上面的运动过程，本炉中选用了三个步进电机，两个步进电机驱动丝杠带动坩埚杆和籽晶杆的上下移动，另一个电机带动坩埚自转，再选两个编码器反馈坩埚杆和籽晶杆的位置；选用两个LM3106ACPU模块，一个用来控制坩埚杆和籽晶杆的步进电机，另一个控制坩埚自转的电机；在坩埚杆和籽晶杆的步进电机和丝杠之间选用两个两极减速器，一级
为80：1，二级为100：1，当快速调节坩埚杆和籽晶杆平移位置时只使用一级减速，当慢速调节或者拉晶过程中两级都使用，那减速比为8000：1，坩埚自转选用12：1的一级减速器；选用Hetech的触摸屏，进行参数设定和显示，通过RS485口以ModBus协议连接两个PLC从站。
系统采用触摸屏与两台PLC通讯，控制三台步进电机，其中两台步进电机为平移，一台为旋转。平移两轴需要使用编码器反馈作全部闭环控制和显示。
触摸屏需要连接两台PLC，只能占用一个COM口，因此必须采用RS485的方式连接。
坩埚杆和籽晶杆步进电机参数设为2000Pulse/r，丝杠导程为5mm，减速比为慢速 1：8 000 ，快速 1：80（快慢档通过离合器切换），因此速度范围慢速为0.002～0.50mm/hour，快速为1～60mm/min。编码器解析度为100ppr，也就是100个脉冲对应5毫米。
坩埚杆平移可分别设定快/慢档速度，当前档位通过外接按钮切换，触摸屏画面上进行当前状态的显示，当前位置显示当前的坐标值，当点击设为原点按钮时，当前位置清零。用户可设定目标位置，点击启动按钮，程序会将当前位置自动保存到起点位置上，并且运行电机直到到达目标位置。上下点动按钮可快速点动坩埚上下平移。坩埚杆运行过程中，切换快慢档位无效，且运行期间不可更改任何速度/位置等相关设定，变动无效。籽晶杆平移过程与坩埚杆平移过程相同。
坩埚自转步进电机为2000Pulse/r，减速比为1：12，速度范围为0～30rpm。可通过按钮选择旋转方向（顺时针/逆时针），可通过按钮选择启动/停止。
5 结论
本案例利用HOLLIAS-LEC G3 PLC为核心完成了碳化硅晶体的生长炉运动控制功能，电机转速稳定，定位准确，充分体现了G3 PLC高速输出和高速计数的功能。
与中科院物理所合作完成这具有国际科技先进水平的项目，说明了我们团队具有配合研究院所完成科研项目的能力，体现了团队的综合素质。
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6 提高
本案例介绍的晶体生长炉为中科院物理所碳化硅晶体规模化生产的第一批设备，主要目的是为了完成生长炉的功能，实现晶体生长的工艺。而降低成本和控制方式的改进是下一步的工作，对此我给出以下几点建议：
1、要实现规模化生产，那么应该实行集中监控。把现在单机系统连接起来有多种方式，无论是采用ProfiBus DP现场总线的方式，还是采用工业以太网的方式，HOLLIAS-LEC G 3 PLC都提供了相应的通讯模块，监控中心选用组态软件实现工艺工程监控、报警显示、历史数据的存储与检索等功能。
2、本案例中温度PID调节是通过温控仪表来实现的，为了降低成本，提高系统的集成度，应该将电流传感器的信号通过PLC模拟量模块采集，然后在PLC中进行PID调节，通过模拟量输出控制可控硅，完成晶体生长炉的温度控制。
3、本案例中的真空度的控制是通过真空控制器实现的，同样为了降低成本和提高系统集成度，应该采用PLC来完成，通过采集真空计的模拟信号测得炉腔内的真空度，根据要求调节变频器的频率使其改变真空泵的转速，来调节炉腔中真空度。完成2和3的功能只需添加一个模拟量输入模块LM3310和一个模拟量输出模块LM3320就可以实现了。
4、本案例中触摸屏具有两个COM口，采用RS485的方式连接两组PLC只能占用一个COM口，因此，另一个COM口可以连接其它的仪表设备，然后在屏中通过宏指令将采集的数据传到PLC中，PLC再通过网络将数据传到监控中心，实现数据的上传与集中显示。
晶体生长方法
晶体生长方法 一、提拉法 晶体提拉法的创始人是J. Czochralski，他的论文发表于1918年。提拉法是熔体生长中最常用的一种方法，许多重要的实用晶体就是用这种方法制备的。近年来，这种方法又得到了几项重大改进，如采用液封的方式（液封提拉法，LEC），能够顺利地生长某些易挥发的化合物（GaP等）；采用导模的方式（导模提拉法）生长特定形状的晶体（如管状宝石和带状硅单晶等）。所谓提拉法，是指在合理的温场下，将装在籽晶杆上的籽晶下端，下到熔体的原料中，籽晶杆在旋转马达及提升机构的作用下，一边旋转一边缓慢地向上提拉，经过缩颈、扩肩、转肩、等径、收尾、拉脱等几个工艺阶段，生长出几何形状及内在质量都合格单晶的过程。这种方法的主要优点是：(a)在生长过程中，可以方便地观察晶体的生长情况；(b)晶体在熔体的自由表面处生长，而不与坩埚相接触，这样能显著减小晶体的应力并防止坩埚壁上的寄生成核；(c)可以方便地使用定向籽晶与“缩颈”工艺，得到完整的籽晶和所需取向的晶体。提拉法的最大优点在于能够以较快的速率生长较高质量的晶体。提拉法中通常采用高温难熔氧化物，如氧化锆、氧化铝等作保温材料，使炉体内呈弱氧化气氛，对坩埚有氧化作用，并容易对熔体造成污杂，在晶体中形成包裹物等缺陷；对于那些反应性较强或熔点极高的材料，难以找到合适的坩埚来盛装它们，就不得不改用其它生长方法。 二、热交换法
热交换法是由D. Viechnicki和F. Schmid于1974年发明的一种长晶方法。其原理是：定向凝固结晶法，晶体生长驱动力来自固液界面上的温度梯度。特点：(1) 热交换法晶体生长中，采用钼坩埚，石墨加热体，氩气为保护气体，熔体中的温度梯度和晶体中的温度梯度分别由发热体和热交换器（靠He作为热交换介质）来控制，因此可独立地控制固体和熔体中的温度梯度；(2) 固液界面浸没于熔体表面，整个晶体生长过程中，坩埚、晶体、热交换器都处于静止状态，处于稳定温度场中，而且熔体中的温度梯度与重力场方向相反，熔体既不产生自然对流也没有强迫对流；(3) HEM法最大优点是在晶体生长结束后，通过调节氦气流量与炉子加热功率，实现原位退火，避免了因冷却速度而产生的热应力；(4) HEM可用于生长具有特定形状要求的晶体。由于这种方法在生长晶体过程中需要不停的通以流动氦气进行热交换，所以氦气的消耗量相当大，如Φ30 mm的圆柱状坩埚就需要每分钟38升的氦气流量，而且晶体生长周期长，He气体价格昂贵，所以长晶成本很高。 三、坩埚下降法 坩埚下降法又称为布里奇曼－斯托克巴格法，是从熔体中生长晶体的一种方法。通常坩埚在结晶炉中下降，通过温度梯度较大的区域时，熔体在坩埚中，自下而上结晶为整块晶体。这个过程也可用结晶炉沿着坩埚上升方式完成。与提拉法比较该方法可采用全封闭或半封闭的坩埚，成分容易控制；由于该法生长的晶体留在坩埚中，因而适于生长大块晶体，也可以一炉同时生长几块晶体。另外由于工艺条件
单晶硅炉
单晶硅生长炉 目录 单晶硅生长炉 原理简介 目前国内外晶体生长设备的现状 单晶硅生长炉的特点 单晶硅生长炉 原理简介 目前国内外晶体生长设备的现状 单晶硅生长炉的特点 展开 编辑本段单晶硅生长炉 单晶硅生长炉是通过直拉法生产单晶硅的制造设备。主要由主机、加热电源和计算机控制系统三大部分组成。 1、主机部分： ●机架，双立柱 ●双层水冷式结构炉体 ●水冷式阀座 ●晶体提升及旋转机构 ●坩埚提升及旋转机构 ●氩气系统 ●真空系统及自动炉压检测控制 ●水冷系统及多种安全保障装置 ●留有二次加料口 2、加热器电源： 全水冷电源装置采用专利电源或原装进口IGBT及超快恢复二极管等功率器件。配以特效高频变压器，构成新一代高频开关电源。采用移相全桥软开关（ZVS）及CPU独立控制技术，提高了电能转换效率，不需要功率因数补偿装置。 3、计算机控制系统： 采用PLC和上位工业平板电脑PC机，配备大屏幕触摸式HMI人机界面、高像素CCD测径ADC系统和具有独立知识产权的“全自动CZ法晶体生长SCADA监控系统”，可实现从抽真空—检漏—炉压控制—熔料—稳定—溶接—引晶—放肩—转肩—等径—收尾—停炉全过程自动控制。
中国西安理工大学研究所 。 美国KAYEX公司 德国CGS GmbH公司 编辑本段单晶硅生长炉的特点 HD系列硅单晶炉的炉室采用3节设计。上筒和上盖可以上升并向两边转动，便于装料和维护等。炉筒升降支撑采用双立柱设计，提高稳定性。支撑柱安装在炉体支撑平台的上面，便于平台下面设备的维护。炉筒升降采用丝杠提升技术，简便干净。 全自动控制系统采用模块化设计，维护方便，可靠性高，抗干扰性好。双摄像头实时采集晶体直径信息。液面测温确保下籽晶温度和可重复性。炉内温度或加热功率控制方式可选，保证控温精度。质量流量计精确控制氩气流量。高精度真空计结合电动蝶阀实时控制炉内真空度。上称重传感器用于晶棒直径的辅助控制。伺服电机和步进电机的混合使用，即可满足转动所需的扭矩，又可实现转速的精确控制。质量流量计精确控制氩气流量。 自主产权的控制软件采用视窗平台，操作方便简洁直观。多种曲线和数据交叉分析工具提供了工艺实时监控的平台。完整的工艺设定界面使计算机可以自动完成几乎所有的工艺过程。 加热电源采用绿色纵向12脉冲直流电源。比传统直流电源节能近15%。 特殊的温场设计使晶体提拉速度提高20-30%。
单晶硅生长炉原理
单晶硅生长炉原理 单晶硅生长炉原理 首先，把高纯度的多晶硅原料放入高纯石英坩埚，通过石墨加热器产生的高温将其熔化；然后，对熔化的硅液稍做降温，使之产生一定的过冷度，再用一根固定在籽晶轴上的硅单晶体（称作籽晶）插入熔体表面，待籽晶与熔体熔和后，慢慢向上拉籽晶，晶体便会在籽晶下端生长；接着，控制籽晶生长出一段长为100m 单晶硅生长炉 m左右、直径为3～5mm的细颈，用于消除高温溶液对籽晶的强烈热冲击而产生的原子排列的位错，这个过程就是引晶；随后，放大晶体直径到工艺要求的大小，一般为75～300mm，这个过程称为放肩；接着，突然提高拉速进行转肩操作，使肩部近似直角；然后，进入等径工艺，通过控制热场温度和晶体提升速度，生长出一定直径规格大小的单晶柱体；最后，待大部分硅溶液都已经完成结晶时，再将晶体逐渐缩小而形成一个尾形锥体，称为收尾工艺；这样一个单晶拉制过程就基本完成，进行一定的保温冷却后就可以取出。 直拉法，也叫切克劳斯基（J.Czochralski）方法。此法早在1917年由切克劳斯基建立的一种晶体生长方法，用直拉法生长单晶的设备和工艺比较简单，容易实现自动控制，生产效率高，易于制备大直径单晶，容易控制单晶中杂质浓度，可以制备低电阻率单晶。据统计，世界上硅单晶的产量中70％～80％是用直拉法生产的。 单晶硅生长炉现状 目前国内外晶体生长设备的现状如下： 美国KAYEX公司 国外以美国KAYEX公司为代表，生产全自动硅单晶体生长炉。KAYEX公司是目前世界上最大，最先进的硅单晶体生长炉制造商之一。KAYEX的产品早在80年代初就进入中国市场，已成为中国半导体行业使用最多的品牌。该公司生长的硅晶体生长炉从抽真空－检漏－熔料－引晶－放肩－等径－收尾到关机的全过程由计算机实行全自动控制。晶体产品的完整性与均匀性好，直径偏差在单晶全长内仅±1mm。主要产品有CG3000、CG6000、KAYEX100PV、KAYEX120PV、KEYEX150，Vision300型，投料量分别为30kg、60kg、100kg、120kg、150kg、300kg。
单晶炉资料
CL系列单晶炉，属软轴提拉型，用直拉法生长无位错电路级、太阳能级单晶的设备。 此设备结构设计稳定，运行平稳，且有多项安全防护设施，质量流量及温度控制精确，整个晶体生长过程由高可靠的可编程计算机控制器（PCC）控制，并可实现全自动（CCD）控制，包括抽真空、熔化、引晶缩颈、放肩、等经生长和尾锥生长。 CL-90型设备提供一对电极，满足用户采用两温区加热的工艺要求。设备使用18寸或20寸的热系统，投料量60-90Kg，生长6″或8″的单晶体。 设备特点： 1、稳定的机架结构设计，增强了设备在晶体生长过程中的抗振动能力。 2、优化的液压提升机构确保副炉室提升和复位时的运动平稳性。 3、与主机分离的分水器设计，在减少冷却水振动对晶体生长的影响的同时优化了水路布局。 4、晶体和坩埚的提升采用双电机结构，保证稳定的低生长速度以及坩埚和籽晶的快速定位。 5、采用无振动的高性能马达和低噪声的减速器驱动晶体和坩埚上升，可提供稳定的低生长速度。 6、设备的真空条件和在真空下的可控惰性气体气流使得热区清洗最佳化。氧化硅可以在不污染晶体和晶体驱动装置的条件下排除。 7、带隔离阀的副室可以在热区保持工作温度的情况下，取出长成的晶体或者更换籽晶。 8、对惰性气体流量和炉室压力高精度的控制能力，为生长高品质单晶创造了条件。 9、炉盖和炉腔通过两个提升装置提升，很方便的转向一边快捷地清洗。 10、熔化温度通过对加热器温度的电控来维持和调节，加热电源采用直流供电提高了控制精度。高品质的加热器温度测量传感器实现了精确的温度控制。 12、整个晶体生长过程由一个高可靠的可编程计算机控制器（PCC）控制，包括抽真空、熔化、引晶缩颈、放肩、等经生长和尾锥生长，晶体生长全过程可实现全自动（CCD）控制：。 13、带有数据和报警过程控制的可视化软件，存储在计算机的硬盘中。可以显示过程变量随时 间变化的趋势图。
晶体生长计算与模拟软件之FEMAG
晶体生长计算软件FEMAG 20世纪80年代中期，鲁汶大学Fran?ois Dupret教授带领其团队，开始晶体生长的研究，经过10多年的行业研发及应用，Fran?ois Dupret教授于2003年成立了FEMAGSoft公司（总部设在比利时Louvain-la-Neuve市），正式推出晶体生长数值仿真软件FEMAG。如今，FEMAG软件已成为全球行业用户高度认可的数值仿真工具，在晶体生长数值模拟领域处于国际领先地位。 FEMAG Soft擅长所有类型晶体材料生长方面的工艺模拟专业技术，比如：?直拉法（Czochralski） ?区熔法（Floating Zone） ?适用于铸锭定向凝固过程工艺（DS），Bridgman法 ?物理气相传输法（PVT） 产品模块 1.FEMAG/CZ-Czochralski (CZ) Process 适用于Czochralski直拉法生长工艺和Kyropoulos生长工艺 2.FEMAG/DS-Directional Solidification (DS) Process 适用于铸锭定向凝固过程工艺 3.FEMAG/FZ-Float Zone Process (FZ) 适用于区熔法生长工艺
主要功能 1.全局热传递分析 “全局性”即包涵所有拉晶要素在内，并考虑传热模式的耦合。全局热传递模拟分析，主要考虑:炉内的辐射和传导、熔体对流和炉内气体流量分析。 2.热应力分析 按照经验，一般情况下，晶体位错的产生与晶体生长过程中热应力的变化有着密切的关系。该软件可以进行三维的非轴对称和非各向同性温度场热应力分析计算，可以提出对晶体总的剪切力预估。 “位错”的产生是由于在晶体生长过程中,热剪应力超越临界水平,被称为CRSS(临界分剪应力)，而导致的塑性变形。 3.点缺陷预报 该软件可以预知在晶体生长过程中的点缺陷(自裂缝和空缺),该仿真可以很好的预测在晶体生长过程中点缺陷的分布。 4.动态仿真 动态仿真提供了对复杂几何形状对于时间演变的预测。该预测把发生在晶体生长和冷却过程中所有瞬时的影响因素都考虑在内。为了准确地预报晶体点缺陷和氧分,布动态仿真尤其是不可或缺的。 5.固液界面跟踪 在拉晶的过程中准确预测固液界面同样是一个关键问题。对于不同的柑祸旋转速度和不同的提拉高度,其固液界面是不同的。 6.加热器功率预测 利用软件动态仿真反算加热功率对于生长合格晶体也是非常必要的。
蓝宝石晶体生长设备
大规格蓝宝石单晶体生长炉技术说明 一、项目市场背景 α-Al2O3单晶又称蓝宝石，俗称刚玉，是一种简单配位型氧化物晶体。蓝宝石晶体具有优异的光学性能、机械性能和化学稳定性，强度高、硬度大、耐冲刷，可在接近2000℃高温的恶劣条件下工作，因而被广泛的应用于红外军事装置、卫星空间技术、高强度激光的窗口材料。其独特的晶格结构、优异的力学性能、良好的热学性能使蓝宝石晶体成为实际应用的半导体GaN/Al2O3发光二极管(LED)，大规模集成电路SOI和SOS及超导纳米结构薄膜等最为理想的衬底材料。低成本、高质量地生长大尺寸蓝宝石单晶已成为当前面临的迫切任务。 蓝宝石晶体生长方式可划分为溶液生长、熔体生长、气相生长三种，其中熔体生长方式因具有生长速率快，纯度高和晶体完整性好等特点，而成为是制备大尺寸和特定形状晶体的最常用的晶体生长方式。目前可用来以熔体生长方式人工生长蓝宝石晶体的方法主要有熔焰法、提拉法、区熔法、坩埚移动法、热交换法、温度梯度法和泡生法等。但是，上述方法都存在各自的缺点和局限性，较难满足未来蓝宝石晶体的大尺寸、高质量、低成本发展需求。例如，熔焰法、提拉法、区熔法等方法生长的晶体质量和尺寸都受到限制，难以满足光学器件的高性能要
求；热交换法、温度梯度法和泡生法等方法生长的蓝宝石晶体尺寸大，质量较好，但热交换法需要大量氦气作冷却剂，温度梯度法、泡生法生长的蓝宝石晶体坯料需要进行高温退火处理，坯料的后续处理工艺比较复杂、成本高。 二、微提拉旋转泡生法制备蓝宝石晶体工艺技术说明 微提拉旋转泡生法制备蓝宝石晶体方法在对泡生法和提拉法改进的基础上发展而来的用于生长大尺寸蓝宝石晶体的方法，主要在乌克兰顿涅茨公司生产的 Ikal-220型晶体生长炉的基础上改进和开发。晶体生长系统主要包括控制系统、真空系统、加热体、冷却系统和热防护系统等。微提拉旋转泡生法大尺寸蓝宝石晶体生长技术主要是通过调控系统内的热量输运来控制整个晶体的生长过程，因此加热体与热防护系统的设计，热交换器工作流体的选择、散热能力的设计，晶体生长速率、冷却速率的控制等工艺问题对能否生长出品质优良的蓝宝石晶体都至关重要。 微提拉旋转泡生法制备蓝宝石晶体，生长设备集水、电、气于一体，主要由能量供应与控制系统、传动系统、晶体生长室、真空系统、水冷系统及其它附属设备等组成。传动系统作为籽晶杆(热交换器)提拉和旋转运动的导向和传动机构，与立柱相连位于炉筒之上，其主要由籽晶杆(热交换器)的升降、旋转装置组成。提拉传动装置由籽晶杆(热交换器)的快速及慢速升降系统两部分组成。籽晶杆(热交换器)的慢速升降系统由稀土永磁直流力矩电机，通过谐波减速器与精密滚珠丝杠相连，经滚动直线导轨导向，托动滑块实现籽晶杆(热交换器)在拉晶过程中的慢速升降运动。籽晶杆(热交换器)的快速升降系统由快速伺服电机经由谐波减速器上的蜗杆、蜗杆副与谐波的联动实现。籽晶杆的旋转运动由稀土永磁式伺服电机通过楔形带传动实现。该传动系统具有定位精度高、承载能力大，速度稳定、可靠，无振动、无爬行等特点。采用精密加热，其具有操作方法简单，容易控制的特点。在热防护系统方面，该设计保温罩具有调节气氛，防辐射性能好，保温隔热层热导率小，材料热稳定性好，长期工作不掉渣，不起皮，具有对晶体生长环境污染小，便于清洁等优点。选用金属钼坩埚，并依据设计的晶体生长尺寸、质量来设计坩埚的内径、净深、壁厚等几何尺寸，每炉最大可制备D200mmX200mm，重量25Kg蓝宝石单晶体。Al2O3原料晶体生长原料采用纯度为5N的高纯氧化铝粉或熔焰法制备的蓝宝石碎晶。 从熔体中结晶合成宝石的基本过程是：粉末原料→加热→熔化→冷却→超过临界过冷度→结晶。 ９９．９９％以上纯度氧化铝粉末加有机黏结剂，在压力机上形成坯体；先将该坯体预先烧成半熟状态的氧化铝块，置入炉内预烧，将炉抽真空排出杂质气体，先后启动机械泵、扩散泵，抽真空至１０↑［－３］－１０↑［－４］Ｐａ，当炉温达１５００－１８００℃充入混合保护气体，继续升温至设定温度（２１００－２２５０℃）；（３）炉温达设定温度后，保温４－８小时，调节炉膛温度
单晶炉机械传动系统综述
文章编号:1004-2539(2005)06-0075-04 单晶炉机械传动系统综述 (西安理工大学, 陕西西安 710048) 高利强 摘要 机械传动系统是单晶炉的重要组成部分,它主要包括坩埚升降与旋转系统、籽晶升降与旋转系统等等。本文详细论述了这两种传动系统的典型方案及其传动机理,最后阐明各单晶体生长方法所要求的传动系统。 关键词 单晶炉 机械传动 升降与旋转 绪论 单晶炉是单晶体生长设备,按照晶体生长方法可分为提拉法单晶炉、坩埚下降法单晶炉、区熔法单晶炉等等。无论哪种设备,机械传动系统都是重要的组成部分。它一般包括坩埚升降与旋转、籽晶升降与旋转部件等等。为了减少热的不对称性,籽晶和坩埚一般都要旋转。 1 坩埚的升降与旋转系统 坩埚升降与旋转部件典型设计有以下形式。 1.1 方案A(如图1a) 图1a示出了一种用导柱和直线运动轴承导向用丝杠副传动实现坩埚杆升降功能的传动系统。 正常拉晶时的传动链为18 22 21 20 19 16 15 23 24 9 6。 快速升降时的传动链为27 26 25 24 9 6。 手动升降时的传动链为1 2 4 5 23 24 9 6。 坩埚旋转传动链为11 10 14 12 13 6。 1.2 方案B(对方案A的改进变形) 方案A对大多数炉型都适用,但它在速度特别低的时候,容易出现爬行现象。为了克服上述缺点,可以用滚珠丝杠副代替滑动丝杠副。然而,滚珠丝杠副的传动效率在90%,不能自锁,必须在丝杠轴上配置相应的自锁装置。图1b所示方案中谐波减速器(20)可满足要求。经过上述改动,再根据具体炉型适当变形就是方案B传动系统。 1.3 方案C(如图1b) 图1b示出了一种用直线滚动导轨支承导向,精密滚珠丝杆副传动实现坩埚杆升降功能的传动系统。 正常拉晶时的传动链为19 20 23 18 6 3。 快速升降时的传动链为21 20 23 18 6 3。 手动升降时的传动链为1 12 10 11 9 20 23 18 6 3。 坩埚旋转传动链为25 24 3 。 1.手轮 2.弹性联轴器 3.轴承座 4、5.斜齿轮副 6.坩埚杆 7.顶板 8.导柱 9.滑座 10.减速器 11.旋转电机 12、13、1 4.楔形带传动 1 5.电磁离合器 1 6.谐波减速器 1 7.底座 1 8.慢速电机 19、20、21.同步带传动 22.减速器 23、24滑动螺旋副 24、25.蜗杆传动 26.弹性联轴器 27.快速电机 图1a 坩埚升降与旋转部件 参考文献 1 鲁守银,马培荪,戚晖等.高压带电作业机器人的研制.电力系统 自动化,2003(17) 2 荣学文,张志兵,李云江等.一种液压平衡机构的设计与实现.机械 设计与研究,2002(5)3 李云江,荣学文,樊炳辉等.大型隧道喷浆机器人液压系统设计.中 国机械工程,2001(7) 收稿日期:20041227 收修改日期:20050121 作者简介:荣学文(1973-),男,山东曹县人,工程师 75 第29卷 第6期 单晶炉机械传动系统综述
CZ法单晶生长原理及工艺流程
CZ生长原理及工艺流程 CZ法的基本原理，多晶体硅料经加热熔化，待温度合适后，经过将籽晶浸入、熔接、引晶、放肩、转肩、等径、收尾等步骤，完成一根单晶锭的拉制。炉内的传热、传质、流体力学、化学反应等过程都直接影响到单晶的生长与生长成的单晶的质量，拉晶过程中可直接控制的参数有温度场、籽晶的晶向、坩埚和生长成的单晶的旋转与升降速率，炉内保护气体的种类、流向、流速、压力等。 CZ法生长的具体工艺过程包括装料与熔料、熔接、细颈、放肩、转肩、等径生长和收尾这样几个阶段。 1．装料、熔料 装料、熔料阶段是CZ生长过程的第一个阶段，这一阶段看起来似乎很简单，但是这一阶段操作正确与否往往关系到生长过程的成败。大多数造成重大损失的事故(如坩埚破裂)都发生在或起源于这一·阶段。 2．籽晶与熔硅的熔接 当硅料全部熔化后，调整加热功率以控制熔体的温度。一般情况下，有两个传感器分别监测熔体表面和加热器保温罩石墨圆筒的温度，在热场和拉晶工艺改变不大的情况下，上一炉的温度读数可作为参考来设定引晶温度。按工艺要求调整气体的流量、压力、坩埚位置、晶转、埚转。硅料全部熔化后熔体必须有一定的稳定时间达到熔体温度和熔体的流动的稳定。装料量越大，则所需时间越长。待熔体稳定后，降下籽晶至离液面3～5mm距离，使粒晶预热，以减少籽经与熔硅的温度差，从而减少籽晶与熔硅接触时在籽晶中产生的热应力。预热后，下降籽晶至熔体的表面，让它们充分接触，这一过程称为熔接。在熔接过程中要注意观察所发生的现象来判断熔硅表面的温度是否合适，在合适的温度下，熔接后在界面处会逐渐产生由固液气三相交接处的弯月面所导致的光环(通常称为“光圈”)，并逐渐由光环的一部分变成完整的圆形光环，温度过高会使籽晶熔断，温度过低，将不会出现弯月面光环，甚至长出多晶。熟练的操作人员，能根据弯月面光环的宽度及明亮程度来判断熔体的温度是否合适。 3．引细颈 虽然籽晶都是采用无位错硅单晶制备的[16～19]，但是当籽晶插入熔体时，由于受到籽晶与熔硅的温度差所造成的热应力和表面张力的作用会产生位错。因此，在熔接之后应用引细颈工艺，即Dash技术，可以使位错消失，建立起无位错生长状态。 Dash的无位错生长技术的原理见7．2节。金刚石结构的硅单晶中位错的滑移面为{111}面。当以[l00]、[lll]和[ll0]晶向生长时，滑移面与生长轴的最小夹角分别为36．16°、l9．28°和0°。位错沿滑移面延伸和产生滑移，因此位错要延伸、滑移至晶体表面而消失，以[100]晶向生长最容易，以[111]晶向生长次之， 以[ll0]晶向生长情形若只存在延伸效应则位错会贯穿整根晶体。细颈工艺通
中国晶体硅生长炉设备调查
中国晶体硅生长炉设备调查 目前我国有超过30家企业在生产多晶硅铸锭炉和单晶炉。现推出中国晶体硅生长炉设备调查。 多晶硅铸锭炉发展迅速太阳能产业的迅猛发展需要更多的硅料及生产设备来支撑。世界光伏产业中，多晶硅片太阳能电池占据主导地位，带动了多晶硅铸锭生长设备市场的发展。目前，全球太阳能电池的主流产品为硅基产品，占太阳能电池总量的85％以上。多晶硅太阳能电池占太阳能电池总量的56%。多晶硅太阳能电池由于产能高，单位能源消耗低，其成本低于单晶硅片，适应降低太阳能发电成本的发展趋势。多晶铸锭生长技术已逐渐发展成为一种主流的技术，由此也带动了多晶硅铸锭炉市场的发展。多晶硅铸锭炉作为一种硅重熔的设备，重熔质量的好坏直接影响硅片转换效率和硅片加工的成品率。 目前，我国引进最多的是GT SOALR（GT Advanced Technologies Inc.，以下简称GT） 的结晶炉。在国际多晶硅铸锭炉市场上，市场份额占有率最高的为美国GT公司和德国ALD公司。GT公司市场主要面向亚洲，在亚洲的市场销售额占其收入的60%；ALD公司主要面向欧洲市场。其他多晶铸锭设备的主要国际生产商还有美国Crystallox Limited、挪威Scanwafer、普发拓普、和法国ECM。德国ALD公司生产的多晶硅铸锭炉投料量为400kg/炉；美国Crystallox Limited 公司为275kg/炉；挪威Scanwafer公司生产的多晶硅铸锭炉可同时生产4锭，投料量达到800～1000kg/炉，该设备属于专利产品，暂时不对外销售；法国ECM生产的多晶硅铸锭炉采用三温区设计，提高了硅料的再利用率高。 国内的保定英利、江西赛维LDK、浙江精功太阳能都是引进GT的结晶炉。从早期160公斤级到240公斤级，目前容量已增加到450公斤级甚至到800公斤级。2003年10月国内第一条铸锭线在保定英利建成，2006年4月LDK项目投产，百兆瓦级规模生产启动。随后，尚德、林洋、CSI等众多企业多晶硅电池开始量产。2002年, 30~50kg的小型浇铸炉研发；2004年, 100kg试验型热交换型铸锭炉研发；2007年, 240kg大生产型定向凝固炉研发成功并推向市场。
晶盛单晶炉操作说明
． 全自动单晶炉操作手册 REV. MANUAL_ZJS.Z02 （TDR80A-ZJS/TDR85A-ZJS/TDR95A-ZJS适用） 2009年05月 上虞晶盛机电工程有限公司 SHANGYU JING SHENG M&E ENGINEERING CO., LTD
目录 第一章单晶生长条件 (2) 1.1 设备要求 (2) 1.2 辅料要求 (3) 1.3 安全要求 (4) 第二章单晶生长标准流程 (5) 2.1 拆炉 (5) 2.2 装炉 (6) 2.3 开始单晶的生长 (8) 2.4 抽真空 (9) 2.5 检漏 (11) 2.6 压力化 (12) 2.7 熔料 (13) 2.8 稳定化 (15) 2.9 熔接 (16) 2.10 引晶 (18) 2.11 放肩 (19) 2.12 转肩 (20) 2.13 等径 (21) 2.14 收尾 (22) 2.15 停炉 (23) 第三章单晶生长辅助流程 (24) 3.1 中途取晶 (24) 3.2 回熔 (26) 3.3 煅烧 (26) 3.4 大清 (27) 3.5 连接部位检查 (27) 第四章相机调整与热场温度校正 (28) 4.1 相机调整 (28) 4.2 热场温度调整 (32) 第五章异常情况处理 (33) 5.1 断水 (33) 5.2 电极故障 (33) 5.3 打火 (33) 附录故障速查 (34)
第一章单晶生长条件 1.1 设备要求 1.1.1 运行条件（以下以TDR-85A-ZJS炉为例，其余炉型要求参照说明书） （1）冷却水要求 水压：炉子进出水压差要求介于2~3公斤之间，真空泵进出水压差要求1.5公斤以上； 炉子进水压力不可超过3.5公斤，炉子上冷却水安全阀设置压力6公斤； 水流率：炉子和电源要求供水量不低于250升每分钟，单独电源要求供水量不低于20升每分钟； 水温：推荐进水温度18~24oC，最大不超过25oC； 水质：弱碱性水，PH值6~9；氯离子含量≤10ppm，碳酸钙含量≤50ppm；以纯净软水为好。 连接方式：进出水管与炉子之间采用软连接，防止震动传递到炉子。 （2）压缩空气要求 气压：≥7公斤；推荐在压缩空气入口处使用压力调节器。 流率：≥2.5升每秒； 汽缸容积：主真空球阀：2升；辅助真空球阀：0.5升。 （3）电力要求 相制：3相AC380V(±10%)/50Hz； 功率：≥192KVA。 配电柜应装有500V、400V的空气开关，和380V/400A的隔离开关。 （4）炉子真空要求 空炉真空度：≤15mTorr； 空炉泄漏率：≤30mTorr/hr； 带热场泄漏率：≤50mTorr/hr。（热场已经煅烧完全） 1.1.2 日常维护 （1）坩埚轴驱动部件的维护保养 a、经常检查坩埚轴的冷却水是否通畅，避免冷却不充分而损坏坩埚轴； b、每个月对下轴丝杠至少清理一次，每次应先清理干净丝杠和导轨上的油污，加上适当（不可太多） 润滑油，然后上下快升降两次。 （2）提拉头的维护保养 a、每次开炉后，检查钢丝绳是否损坏（包括变硬、缠松、有严重毛刺等），如有损坏，立即更换； b、钢丝绳在保管、使用、维修、安装过程中不能造成任何死弯角，否则在运行过程中会引起抖动。（3）水冷系统的维护保养 a、每次加热前检查水流量是否充足，确保所有水路没有堵塞，水温传感器运行正常； b、出现水温或水量报警要查找原因及时处理。 （4）翻板阀的维护保养 每次装炉前检查阀口密封圈是否完好，翻板阀操作是否轻松、无卡滞，底部挥发物是否打扫干净，如发现问题应及时排除。 （5）真空系统的维护保养 a、经常检查泵油，上下腔油均应浸过小观察窗一半。如上泵腔油不够，应及时补新油；下泵腔油不 够，需关闭球阀，打开左侧阀门，使上泵腔油下到下泵腔，然后关闭阀门。注意右侧阀门保持常开； b、每次大清，先彻底放尽泵腔内的废油（用手慢慢拉动传动皮带，盘出下泵腔内的废油），然后打 开上泵腔，清除干净沉淀油污。最后换上新油； c、每次拆炉时，拆开真空管道所有盲板和波纹管，彻底清扫管内的粉尘。
晶体生长方法(新)
晶体生长方法 1) 提拉法（Czochralski,Cz ） 晶体提拉法的创始人是J. Czochralski ，他的 论文发表于1918年。提拉法是熔体生长中最常 用的一种方法，许多重要的实用晶体就是用这 种方法制备的。近年来，这种方法又得到了几 项重大改进，如采用液封的方式（液封提拉法， LEC ），如图1，能够顺利地生长某些易挥发的化 合物（GaP 等）；采用导模的方式（导模提拉法） 生长特定形状的晶体（如管状宝石和带状硅单 晶等）。 所谓提拉法，是指在合理的温场下，将装 在籽晶杆上的籽晶下端，下到熔体的原料中， 籽晶杆在旋转马达及提升机构的作用下，一边 旋转一边缓慢地向上提拉，经过缩颈、扩肩、 转肩、等径、收尾、拉脱等几个工艺阶段，生长出几何形状及内在质量都合格单晶的过程。这种方法的主要优点是：(a) 在生长过程中，可以方便地观察晶体的生长情况；(b) 晶体在熔体的自由表面处生长，而不与坩埚相接触，这样能显著减小晶体的应力并防止坩埚壁上的寄生成核；(c) 可以方便地使用定向籽晶与“缩颈”工艺，得到完整的籽晶和所需取向的晶体。提拉法的最大优点在于能够以较快的速率生长较高质量的晶体。 提拉法中通常采用高温难熔氧化物，如氧化锆、氧化铝等作保温材料，使炉体内呈弱氧化气氛，对坩埚有氧化作用，并容易对熔体造成污杂，在晶体中形成包裹物等缺陷；对于那些反应性较强或熔点极高的材料，难以找到合适的坩埚来盛装它们，就不得不改用其它生长方法。 图1 提拉法晶体生长装置结构示意图
2)热交换法（Heat Exchange Method, HEM） 热交换法是由D. Viechnicki和 F. Schmid于1974年发明的一种长晶方法。 其原理是：定向凝固结晶法，晶体生长 驱动力来自固液界面上的温度梯度。特 点：(1) 热交换法晶体生长中，采用钼 坩埚，石墨加热体，氩气为保护气体， 熔体中的温度梯度和晶体中的温度梯 度分别由发热体和热交换器（靠He作 为热交换介质）来控制，因此可独立地 控制固体和熔体中的温度梯度；(2) 固 液界面浸没于熔体表面，整个晶体生长 过程中，坩埚、晶体、热交换器都处于 静止状态，处于稳定温度场中，而且熔 体中的温度梯度与重力场方向相反，熔 体既不产生自然对流也没有强迫对流； (3) HEM法最大优点是在晶体生长结束 后，通过调节氦气流量与炉子加热功率， 实现原位退火，避免了因冷却速度而产 生的热应力；(4) HEM可用于生长具有 图2HEM晶体生长装置结构示意图 特定形状要求的晶体。 由于这种方法在生长晶体过程中需要不停的通以流动氦气进行热交换，所以氦气的消耗量相当大，如Φ30mm的圆柱状坩埚就需要每分钟38升的氦气流量，而且晶体生长周期长，He气体价格昂贵，所以长晶成本很高。
单晶炉晶体自动化生长直径控制原理浅析
单晶炉晶体自动化生长直径控制原理浅析 1)系统组成 ㈠械部分 ⑴刀口盘 ⑵籽晶杆、接头、籽晶 ⑶称重室 ㈡电气部分 ⑴称重头---60001A50-1177 ⑵称重放大器---AED9101B ⑶15V电源---HF20W-S-15型开关电源 ⑷功控机- 2）直径控制工作原理浅析 生产过程中，随着晶体的不断生长，晶体本身的重量将不断增加。功控机根据生产工艺设定的晶体直径、晶体密度、提拉速度、生长速率等参数向温度控制仪（欧陆818、欧陆3504）、晶升电机、晶转电机等运动执行机构发出相应控制指令，各运动执行机构根据指令执行相应运动，从而实现晶体按预定的要求生长。 功控机判断晶体的直径是通过晶体密度、设计外形、生长的实时长度和生长过程中的实时重量计算得来的。直径控制工作的控制本质任务就是控制晶体生长的实时长度和实时重量。实时重量信号获取的真实性对直径控制工作很关键。 3）影响直径控制的主要因数 ㈠晶体生长的实时长度的控制不良。 主要因数：功控机性能不良。 ㈡重量信号不稳定 主要因数：⑴称重放大器（AED9101B）工作不正常。 ①称重放大器（AED9101B）本身电路工作不正常。 ②称重放大器的供电电路（HF20W-S-15型开关电源）工作不正常。 ⑵称重头（60001A50-1177）工作不正常。 ⑶重量信号的获得通道工作异常。 ①籽晶杆、接头、籽晶等不同心。造成运动中对称重头施加非单纯由于晶体 生长形成的垂直向下的拉力，直接影响重量信号获得的真实性，重量信号 出现波动。 ②刀口盘卡阻、滑动不畅。直接影响重量信号获得的真实性，重量信号出现 波动。 ③晶体生长本身的不均匀性也可能形成重量信号不稳定。 ④功控机本身工作不稳定。 ⑤干扰。生产现场大量存在的中频电源电场、磁场干扰会对功控机重量信号 的获得电路产生影响，造成功控机获得的重量信号失真，影响直径控制工 作。 为了保证单晶炉晶体自动化生长直径控制的准确进行，应该努力避免上述情况在生产过程出现。 4）典型案例分析 ㈠U0802、0803出现直径瞬间波动，最大偏差达14mm。 故障原因：籽晶杆与称重头（60001A50-1177）之间的连接头发生卡阻、滑动不畅，造成运动中籽晶杆、接头、籽晶等不同心，直接影响重量信号获得的真 实性，重量信号出现波动，出现直径瞬间波动。经对该接头进行技术处 理，故障消失。（备注：U0804在引晶阶段出现的直径波动较大，经分析
单晶炉加热电源说明书
第一章概述 一、简介 单晶炉加热电源，是通力盛达能源设备（北京）有限公司集多年智能开关电源开发经验，参照信息产业部行业标准，结合国内外供电状况和使用要求，设计、生产的高新技术产品。可用于单晶硅，多晶硅加热场所。 单晶炉加热电源系统采用模块化设计、组合式结构，由整流器、交流配电、直流配电等部分组成。 单晶炉加热电源通过外部隔离的0-10V直流电压控制系统输出，与其对应系统输出电压为0-60V，或者对应系统输出功率为150KW（通过系统前面板上的开关SW1选择“电压调节”或“功率调节”方式）。 单晶炉加热电源智能开关电源系统采用DZY-48/50H(HE)开关整流器，系统最大容量为2800A。 开关整流器采用了数字化功率因数校正、智能控制检测、新型磁性材料等新技术，使用了良好的热设计、EMC设计和可靠性设计，使交流输入电压适应范围、功率因数、功率密度、电磁兼容性、可靠性、转换效率等主要技术指标达到了国际先进水平。 二、系统特点 1．全数字化交错PFC创新控制的有限双极性控制ZVS全桥拓扑、倍整流拓扑、双单片机实现全数字监控。 2．系统整流器采用功率因数校正技术，使输入的交流电流波形与输入的交流电压波形相同，相位一致，整机效率高，节省能源，降低运营成本。 3．系统整流器采用高频PWM控制变换技术，一方面减少了开关器什在高频开关过程中的功率损耗，提高了整机效率；另一方面减少了电磁干扰，可将电源系统安装在程控机房内。 4．系统采用民主均流技术，提高了系统工作的稳定与可靠性，因而减少了设备日常的工作维护。 5．系统整流器采用智能风冷和水冷技术，冷却效果好，故障率低，可靠性高。 6．整流器采用无工频变压器设计，体积小、重量轻。
单晶硅生长原理及工艺_刘立新
单晶硅生长原理及工艺 摘要：介绍了直拉法生长单晶硅的基本原理及工艺条件。通过控制不同的工艺参数（晶体转速：2.5、10、20rpm ；坩埚转速： 5、 150×1000mm 优质单晶硅棒。分别对这三种单晶硅样品进行 了电阻率、氧含量、碳含量、少子寿命测试，结果表明，当晶体转速为10rpm ，坩埚转速为 ０７ ），男，助理研究员，E-mail ：lxliu2007@https://www.360docs.net/doc/bd12617405.html, 。 刘立新1，罗平1，李春1，林海1，张学建1，2，张莹1 （1.长春理工大学 材料科学与工程学院，长春 130022；2.吉林建筑工程学院，长春 130021） Growth Principle and Technique of Single Crystal Silicon LIU Lixin 1，LUO Ping 1，LI Chun 1，LIN Hai 1，ZHANG Xuejian 1，2 ，ZHANG Ying 1 （1.Changchun University of Science and Technology ，Changchun 130022；2.Jilin Architectural and civil Engineering institute ，Changchun 130021） Abstract ：This paper introduces the basic principle and process conditions of single crystal silicon growth by Cz method.Through controlling different process parameters (crystal rotation speed:2.5，10，20rpm;crucible rotation speed:-1.25，-5，-10)，three high quality single crystal silicon rods with the size of é? ??ì?2a?÷?￠?ˉ3éμ??·?￠ì????üμ?3?μè ［1］ 。此外，硅 没有毒性，且它的原材料石英(SiO 2)构成了大约60%的地壳成分，其原料供给可得到充分保障。硅材料的优点及用途决定了它是目前最重要、产量最大、发展最快、用途最广泛的一种半导体材料［2］。 到目前为止，太阳能光电工业基本上是建立在 硅材料基础之上的，世界上绝大部分的太阳能光电器件是用单晶硅制造的。其中单晶硅太阳能电池是 最早被研究和应用的，至今它仍是太阳能电池的最 主要材料之一。单晶硅完整性好、纯度高、资源丰富、技术成熟、工作效率稳定、光电转换效率高、使用寿命长，是制备太阳能电池的理想材料。因此备受世界各国研究者的重视和青睐，其市场占有率为太阳能电池总份额中的40%左右［3］。 随着对单晶硅太阳能电池需求的不断增加，单晶硅市场竞争日趋激烈，要在这单晶硅市场上占据重要地位，应在以下两个方面实现突破，一是不断降低成本。为此，必须扩大晶体直径，加大投料量，并且提高拉速。二是提高光电转换效率。为此，要在晶体生长工艺上搞突破，减低硅中氧碳含 第32卷第4期2009年12月 长春理工大学学报（自然科学版） Journal of Changchun University of Science and Technology （Natural Science Edition ）Vol.32No.4 Dec.2009
晶体生长炉控制系统
HOLLIAS-LEC G3 PLC在SiC晶体生长炉控制系统中的应用作为一种新型的半导体材料，SiC以其优良的物理化学特性和电特性成为制造短波长光电子器件、高温器件、抗辐照器件和大功率／高额电子器件最重要的半导体材料。特别是在极端条件和恶劣条件下应用时，SiC器件的特性远远超过了Si器件和GaAs器件。因此，SiC 器件和其各类传感器已逐步成为关键器件之一，发挥着越来越重要的作用。 从20世纪80年代起，特别是1989年第一种SiC衬底圆片进入市场以来，SiC器件和电路获得了快速的发展。在某些领域，如发光二极管、高频大功率和高电压器件等，SiC器件已经得到较广泛的商业应用，发展迅速。经过十几年的发展，目前SiC器件工艺已经可以制造商用器件。以Cree为代表的一批公司已经开始提供SiC器件的商业产品。 国内的研究所和高校在SiC材料生长和器件制造工艺方面也取得了可喜的成果。目前Si C因片的体生长和外延生长技术已经可以得到应用于商业生产的SiC圆片，市场上可以获
得3英寸的SiC圆片，4英寸的圆片生产技术也不断研制成熟。中科院物理研究所从2000年以来投入大量人力和物力进行了SiC晶体关键生长技术的研发，凭借其多年在晶体生长的经验和实力雄厚的科研力量，目前物理所已跻身于全球几个有能力生长2英寸SiC半导体晶体的单位之一，同时已设计并制造出具有自主知识产权的SiC晶体生长炉，为规模化生产奠定了基础，并具有明显的价格优势。目前本研究组响应把科学技术转化为生产力的号召，集多方资源建立了从事SiC单晶材料生长炉规模化生产业务的公司。 [ 2 生长炉的组成 SiC晶体的生长条件苛刻，需在2100℃以上保持高真空一周以上，且对籽晶质量、固定方式等也有很高要求。物理所利用长期研究工作中积累的单晶生长经验，结合自行设计的独特的坩埚和温场，设计并制造出具有自主知识产权的SiC晶体生长炉。除炉体以外，生长炉具有大量控制设备来确保晶体生长苛刻的环境要求，这样控制设备大体上可以分为真空设备、加温设备和运动设备。 真空设备包括变频器、真空计、真空泵、智能控制仪表、真空控制器和密封设备等，真空计采集炉腔内的真空度，真空控制器根据真空度变化调节变频器频率，进而改变真空泵的运行频率，以保证炉腔内的真空度稳定；加温设备包括中频加热炉、中频电源、电流/电压传感器、可控硅和PID智能调节温控仪表等，温控仪表采集电流传感器的模拟量信号（此值与炉内温度成线性关系），根据电流值和设定值进行PID调节，输出给可控硅来调节中频电源的电压，进而保证炉内温度的稳定；运动设备包括步进电机、G3 PLC、丝杠、导轨、编码器、限位开关和触摸屏等，闭环调节籽晶杆和坩埚杆的运动，调节坩埚自转，各种参数可以设置。 3 运动控制系统组成
单晶炉IRCON-plc 使用手册
第一章概述 JYT100 IRCON晶体生长控制系统（PLC控制型）应用IRCON红外测温仪作为晶体生长直径控制测量部件，通过对晶体生长时的光环信号进行测量，间接测量出晶体生长的直径变化，并根据其变化对晶体生长进行生长的速度控制，从而实现晶体的等径自动控制。本系统是单片机控制器的升级换代产品，具有使用可靠，应用方便，控制直观，抗干扰能力强，控制精度高的特点。系统采用研祥PIV工业控制机，配置了PLC控制单元，与晶体生长设备相联接，利用液晶触摸屏作为人机交互手段，在Windows XP操作系统平台上，提供了一个基于图形的多任务、多窗口的实时控制操作环境，用户通过对控制对象的操作，可以方便的在生产过程中进行修改参数和实时监控。系统提供了多条可编程工艺曲线，可自动控制晶体的生长段的程序控制；方便的速度设置控制系统和系统警报系统；简便的收尾控制；因此，JYT100 IRCON 控制系统是一种性能先进、运行可靠的新一代晶体生长控制系统，适用于直拉式硅单晶生长设备。 JYT-100 IRCON晶体生长控制系统主要功能： 1．直径控制器 通过IRCON红外测温仪对晶体生长时的直径进行测量，直接测量晶体的直径变化，并根据直径数值的变化对晶体的提拉速度进行准确控制，实现晶体直径的等径自动生长。 2．温校控制器 通过对晶升速度的测量，将晶升速度与生长过程的拉速设定曲线进行比较，对晶体的生长温度进行控制，使晶体提拉速度按工艺设定曲线进行变化。 3．肩控制器 根据放肩控制曲线控制晶体放肩过程。 4．收尾控制器 根据收尾控制曲线控制晶体收尾过程。 5．速度控制系统 可以控制晶转，埚转和埚升等电机。 6．报警系统 可以对系统的报警信息进行声光控制报警。 7．多条工艺控制曲线控制 系统有PID控制参数和拉速，温校，埚升，随动比，埚转，晶转和限幅控制曲线，方便晶体生长控制需要。 8．其他功能 系统有计长、算重、埚位显示和均值计算，实时记录曲线和历史记录曲线的显示和打印功能等。 JYT100 IRCON晶体生长控制系统硬件环境： 一．硬件设施： 1．IRCON红外测温仪，应用于直径DI信号测量； 2．PLC主机及数字扩展模块，数字量输入，开关量输出，应用于报警信号的输入和晶转，埚转，埚升的开关和报警声光输出及高速脉冲记数，应用于计长，埚位，埚转，晶转信号的输入及备用； 3．AD控制模块，4路AD输入，应用于晶升和埚升信号的输入；