臺(tái)達(dá)AB系列伺服在單晶硅爐上的應(yīng)用

中達(dá)電通股份有限公司 鞠鳳軍

摘要：本文主要介紹臺(tái)達(dá)AB系列伺服在單晶硅爐上使用方案的具體實(shí)施，晶體硅爐的簡(jiǎn)單加工工藝介紹，以及臺(tái)達(dá)AB系列伺服的調(diào)試方法和調(diào)試流程；

　　關(guān)鍵詞：臺(tái)達(dá)AB系列伺服；單晶硅爐；加工工藝；

　　一、前言

　　隨著世界能源供應(yīng)的日趨緊張，可再生能源光伏產(chǎn)品發(fā)展迅猛，據(jù)行業(yè)統(tǒng)計(jì)2005年全國(guó)太陽(yáng)能電池產(chǎn)能為300MW，到 2007年已發(fā)展到1000MW，到2010年我國(guó)太陽(yáng)能電池/組件產(chǎn)能將達(dá)到5000MW以上，顯示出對(duì)單晶和多晶硅有很大的市場(chǎng)需求，比原來(lái)的市場(chǎng)預(yù)期提前了10年以上，也預(yù)示出單晶硅爐的市場(chǎng)需求將成倍增長(zhǎng)。單晶硅爐是半導(dǎo)體材料直拉法晶體專(zhuān)用設(shè)備，其硅單晶棒料經(jīng)切割等后續(xù)工藝處理成芯片被制作為二極管.太陽(yáng)能電池.集成電路等半導(dǎo)體材料的主要器件。近幾年來(lái)由于國(guó)際能源危機(jī)及地球環(huán)境改善帶來(lái)對(duì)新能源，可再生能源的巨大需求，光伏產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)前所未有的增長(zhǎng)，半導(dǎo)體硅材料的生產(chǎn)又進(jìn)入新的發(fā)展期，因此大力加速發(fā)展可再生能源.硅光伏產(chǎn)業(yè)及共基礎(chǔ)材料---高純半導(dǎo)體硅（單晶.多芯片）材料已成為當(dāng)務(wù)之急，而硅材料的生長(zhǎng)離不開(kāi)單晶硅爐和多晶硅爐的設(shè)備支持。

　　二、單晶硅爐的工藝流程簡(jiǎn)介、技術(shù)需求及方案的分析

　　 2-1、單晶硅爐的工藝流程簡(jiǎn)介

　　單晶硅爐爐的組成組件可分成四部分

　　（1）爐體：包括石英坩堝，石墨坩堝，加熱及絕熱組件，爐壁

　　（2）晶棒及坩堝拉升旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)：包括籽晶夾頭，吊線(xiàn)及拉升旋轉(zhuǎn)組件

　　（3）氣氛壓力控制：包括氣體流量控制，真空系統(tǒng)及壓力控制閥

　　（4）控制系統(tǒng)：包括偵測(cè)感應(yīng)器及電腦控制系統(tǒng)

　　加工工藝：

　　加料→熔化→縮頸生長(zhǎng)→放肩生長(zhǎng)→等徑生長(zhǎng)→尾部生長(zhǎng)

　　（1）加料：將多晶硅原料及雜質(zhì)放入石英坩堝內(nèi)，雜質(zhì)的種類(lèi)依電阻的N或P型而定。雜質(zhì)種類(lèi)有硼，磷，銻，砷。

　　（2）熔化：加完多晶硅原料于石英堝內(nèi)后，長(zhǎng)晶爐必須關(guān)閉并抽成真空后充入高純氬氣使之維持一定壓力范圍內(nèi)，然后打開(kāi)石墨加熱器電源，加熱至熔化溫度（1420℃）以上，將多晶硅原料熔化。

　　（3）縮頸生長(zhǎng)：當(dāng)硅熔體的溫度穩(wěn)定之后，將籽晶慢慢浸入硅熔體中。由于籽晶與硅熔體場(chǎng)接觸時(shí)的熱應(yīng)力，會(huì)使籽晶產(chǎn)生位錯(cuò)，這些位錯(cuò)必須利用縮勁生長(zhǎng)使之消失掉。縮頸生長(zhǎng)是將籽晶快速向上提升，使長(zhǎng)出的籽晶的直徑縮小到一定大小（4-6mm）由于位錯(cuò)線(xiàn)與生長(zhǎng)軸成一個(gè)交角，只要縮頸夠長(zhǎng)，位錯(cuò)便能長(zhǎng)出晶體表面，產(chǎn)生零位錯(cuò)的晶體。

　　（4）放肩生長(zhǎng)：長(zhǎng)完細(xì)頸之后，須降低溫度與拉速，使得晶體的直徑漸漸增大到所需的大小。

　　（5）等徑生長(zhǎng)：長(zhǎng)完細(xì)頸和肩部之后，借著拉速與溫度的不斷調(diào)整，可使晶棒直徑維持在正負(fù)2mm之間，這段直徑固定的部分即稱(chēng)為等徑部分。單晶硅片取自于等徑部分。

　　（6）尾部生長(zhǎng)：在長(zhǎng)完等徑部分之后，如果立刻將晶棒與液面分開(kāi)，那么效應(yīng)力將使得晶棒出現(xiàn)位錯(cuò)與滑移線(xiàn)。于是為了避免此問(wèn)題的發(fā)生，必須將晶棒的直徑慢慢縮小，直到成一尖點(diǎn)而與液面分開(kāi)。這一過(guò)程稱(chēng)之為尾部生長(zhǎng)。長(zhǎng)完的晶棒被升至上爐室冷卻一段時(shí)間后取出，即完成一次生長(zhǎng)周期。單晶硅爐整機(jī)如下圖：

晶硅爐

　　 2-2、技術(shù)需求和方案分析

單晶硅爐上面共需要四個(gè)軸驅(qū)動(dòng)，其中2個(gè)使用的是伺服控制系統(tǒng)，另外2個(gè)使用的是直流驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)；該設(shè)備根據(jù)工藝需要，設(shè)備分為爐架、主爐室、副室、提拉旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，下隨動(dòng)機(jī)構(gòu)及液壓提升機(jī)構(gòu)、真空及氣路系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)、電加熱和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等諸多機(jī)構(gòu)。通過(guò)系統(tǒng)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)高科技產(chǎn)品的集成。其次設(shè)備采用了許多較新的機(jī)構(gòu)。如上提拉旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，通過(guò)花鍵軸配繞絲輪結(jié)合電刷環(huán)，在很小的體積上實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定提拉和旋轉(zhuǎn)，滿(mǎn)足工藝需求且降低了設(shè)備高度，再有下隨動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)備采用精密滾珠絲杠配合坩堝的磁流體密封，運(yùn)動(dòng)保持部件置于真空室外，實(shí)現(xiàn)精密運(yùn)動(dòng)與真空密封的完美結(jié)合，使用穩(wěn)定可靠，還有液壓提升機(jī)構(gòu)對(duì)副室翻板閥的保持采用無(wú)自鎖，爐內(nèi)有漏硅等壓力驟增的緊急情況可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)泄壓提高了設(shè)備的安全可靠性等等。在電器控制上設(shè)備采用可編程操作，代替了傳統(tǒng)的邏輯編程繼電器。電器控制系統(tǒng)由國(guó)產(chǎn)機(jī)大多采用的單片機(jī)，提升到IRCON和CCD工控自動(dòng)化控制三個(gè)類(lèi)型，提高了設(shè)備的自動(dòng)化控制水平。

有控制方案中伺服控制系統(tǒng)存在如下問(wèn)題：1、伺服控制器的編碼器輸出管角經(jīng)常性的損壞；2、伺服電機(jī)的輸出軸端經(jīng)常出現(xiàn)斷裂的情況；3、伺服控制器的輸入輸出點(diǎn)需要DC24V和DC12V的開(kāi)關(guān)電源共計(jì)4個(gè)；

原有伺服控制系統(tǒng)同臺(tái)達(dá)AB系列伺服控制系統(tǒng)的功能比較如下表：

通過(guò)原日系伺服系統(tǒng)所存在的問(wèn)題以及臺(tái)達(dá)伺服同原有日系伺服的功能比較表客戶(hù)最終在伺服控制系統(tǒng)上面選擇了我們臺(tái)達(dá)AB系列伺服系統(tǒng)的控制方案即：2套伺服控制系統(tǒng)選用臺(tái)達(dá)AB系列伺服，型號(hào)為ASDA-0421AB；

　　三、臺(tái)達(dá)AB系列伺服的控制理論及主要特點(diǎn)

　　 3-1、臺(tái)達(dá)AB系列伺服采用的是先進(jìn)強(qiáng)健式的控制理論(PDFF)如下圖

3-2、強(qiáng)健式控制理論的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

　　 在大范圍負(fù)載慣量變化,系統(tǒng)依然保有優(yōu)秀性能

　　 對(duì)命令和干擾有不同的補(bǔ)償控制

　　 穩(wěn)定性完全保證

　　 阻尼剛性?xún)?yōu)良, 低速轉(zhuǎn)動(dòng)特性?xún)?yōu)良

　　 超越量很小

　　缺點(diǎn)：

控制參數(shù)需由繁復(fù)數(shù)學(xué)計(jì)算而得, 使用者無(wú)法自行調(diào)整

　　對(duì)策：依阻尼剛性的大小, 驅(qū)動(dòng)器內(nèi)含十組強(qiáng)健控制器, 供使用者選用

　　四、臺(tái)達(dá)AB系列伺服在單晶硅爐上使用方案的實(shí)施

　　 4-1、單晶硅爐上位機(jī)控制系統(tǒng)與臺(tái)達(dá)AB系列伺服的連線(xiàn)

4-2、臺(tái)達(dá)伺服的調(diào)試

手動(dòng)調(diào)試：在整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械安裝和電器的連接完畢后，首先利用上位系統(tǒng)或臺(tái)達(dá)伺服所具有的手動(dòng)控制方式，同時(shí)將所有伺服的參數(shù)P0-02設(shè)置成14，讓機(jī)構(gòu)的X軸和Y軸進(jìn)行往復(fù)的運(yùn)動(dòng)，在伺服的顯示屏上會(huì)顯示伺服在此機(jī)構(gòu)上面應(yīng)用的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JL/JM，我們利用臺(tái)達(dá)伺服的軟件自動(dòng)增益調(diào)整功能中的靜態(tài)增益調(diào)整，將伺服顯示的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JL/JM和我們通過(guò)調(diào)試計(jì)算出來(lái)的響應(yīng)頻寬B.W輸入的軟件中，在單晶硅爐項(xiàng)目中我們測(cè)試出伺服的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JL/JM、響應(yīng)頻寬B.W是80，計(jì)算出來(lái)我們需要的參數(shù)，把這些參數(shù)手動(dòng)輸入的伺服控制器中，單晶硅爐即可正常運(yùn)行。

自動(dòng)調(diào)試：這種調(diào)試比手動(dòng)要簡(jiǎn)單了，首先也要像手動(dòng)那樣先將轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JL/JM測(cè)試出來(lái)，把這個(gè)值輸入到參數(shù)P1-37中，再把參數(shù)P2-31設(shè)置成64、P2-32設(shè)置成5，這樣單晶硅爐就可以正常運(yùn)行了。

無(wú)計(jì)算機(jī)軟件時(shí)的PDFF 自動(dòng)增益調(diào)機(jī)步驟

手動(dòng)調(diào)整比自動(dòng)調(diào)整要精確的多，可以通過(guò)多次的加工測(cè)試來(lái)測(cè)試出一組最適合整個(gè)機(jī)構(gòu)的參數(shù)；但是手動(dòng)調(diào)整的時(shí)間要比較長(zhǎng)，花費(fèi)的工期也比較多，同時(shí)在成批量生產(chǎn)的過(guò)程中，伺服參數(shù)的輸入等也都非常的不方便；臺(tái)達(dá)AB系列伺服的高性能、整定時(shí)間短、在單晶硅爐應(yīng)用中的調(diào)頻參數(shù)比較寬等等，所以我們?cè)趩尉Ч锠t的正常應(yīng)用中使用自動(dòng)調(diào)整比較多一點(diǎn)。

　　4-3、ASDA伺服參數(shù)的說(shuō)明

　　ASDA伺服在單晶硅爐系統(tǒng)應(yīng)用中需要更改的參數(shù)說(shuō)明

　　P0-02:14

　　驅(qū)動(dòng)器的狀態(tài)的顯示；用來(lái)顯示機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

　　P1-01:2

　　控制模式及控制命令輸入源的設(shè)定

　　P1-37:11

　　伺服電機(jī)的負(fù)載慣量比；在自動(dòng)模式下用來(lái)設(shè)定伺服電機(jī)的負(fù)載慣量比

　　P1-44:12、P1-45:10

　　電子齒輪比的分子、分母；使伺服電機(jī)帶動(dòng)的滾珠絲杠等機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的距離與上位機(jī)要求的距離相同

　　P1-46:10128

　　檢出器輸出脈沖數(shù)設(shè)定: 脈沖數(shù)設(shè)定值范圍即為伺服電機(jī)一回轉(zhuǎn)的輸出單相脈沖數(shù)。

　　P2-00:125

　　位置控制增益；主要控制伺服位置環(huán)回路的應(yīng)答性

　　P2-04:5526

　　速度控制增益；主要控制伺服速度環(huán)回路的應(yīng)答性

　　P2-06:80

　　速度積分補(bǔ)償；控制伺服電機(jī)、機(jī)構(gòu)的固定偏差和整個(gè)機(jī)構(gòu)的抖動(dòng)

　　P2-25:3

　　共振抑制低通濾波；用來(lái)設(shè)定共振抑制低通濾波的時(shí)間常數(shù)

　　P2-26:14

　　外部干擾抵抗增益；用來(lái)增加對(duì)外力的抵抗能力并降低加減速的過(guò)沖現(xiàn)象

　　P2-31:64

　　自動(dòng)及簡(jiǎn)易模式設(shè)定；在自動(dòng)模式時(shí)用來(lái)設(shè)定響應(yīng)的頻寬

　　P2-32:5

　　增益調(diào)整方式；設(shè)定伺服的調(diào)整模式為PDFF自動(dòng)模式即負(fù)載慣量比固定，伺服的響應(yīng)頻寬可調(diào)整

　　五、結(jié)束語(yǔ)

　　2007年，在全球范圍內(nèi)晶體硅產(chǎn)量中，電子級(jí)占接近55%，太陽(yáng)能級(jí)占45%多。隨著太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，太陽(yáng)能電池芯片對(duì)晶體硅需求量的增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)高于半導(dǎo)體晶體硅的發(fā)展（太陽(yáng)能遞增速度2位數(shù)以上，半導(dǎo)體芯片5%左右），不久的將來(lái)太陽(yáng)能晶體硅的需求量將大幅度超過(guò)電子級(jí)晶體硅用量。當(dāng)前，晶體硅材料（包括多晶硅和單晶硅）是最主要的光伏材料，其市場(chǎng)占有率在90%以上，而且在今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期也依然是太陽(yáng)能電池的主流材料。在世界范圍內(nèi)，太陽(yáng)能級(jí)晶體硅生產(chǎn)與供應(yīng)已嚴(yán)重制約太陽(yáng)能電池的發(fā)展，由此可以看到對(duì)應(yīng)生產(chǎn)晶體硅的設(shè)備單晶硅爐和多晶硅爐在最近幾年的市場(chǎng)必定是異常火爆，同時(shí)晶體硅爐設(shè)備的發(fā)展也是影響太陽(yáng)能行業(yè)的重要發(fā)展方向之一；