单晶炉等径控制系统设计

1  引言

　　直拉式单晶炉是以直拉法从熔化的多晶硅熔液中生长硅单晶的电子专用设备。而等径控
制是单晶炉自动控制的核心。单晶直径在生长过程中可受到温度、提拉速度与转速、坩埚跟踪
速度与转速、保护气体的流速与温度等因素的影响。在忽略一些干扰因素影响情况下，单晶
等径生长主要受温度和拉速影响。因此，炉内热场和生长速度的精确控制是单晶等径控制的
重点，由于这种控制系统是一个缓慢时变，并且具干扰严重的非最小相位系统，用一般常
规仪表控制手段来实现自动控径极为困难。本文从硬件和软件设计方面介绍了以

80CI96 单

片机作为核心部件的单晶炉等径生长控制系统，此系统有效地实现了单晶炉的等径控制。

2  等径控制的原理与方法

2．1 系统总体结构

　　单晶等径生长控制总体结构如图

l 所示。系统主要由拉速控径单元和温度控径单元组成。

每个单元都包括各自独立的数据采集、

PID 控制模块、参数设置、工艺曲线设置、电路控制输

出、与上位机串行通信等模块。在拉速控径单元中，直径测量模块以模拟电压形式将现场直
径量传至单片机；单片机通过自身集成的

A/D 转换器将模拟电压转化为控制系统可用的数

字量；单片机结合现场采集的直径与用户设定的目标直径，按照已经编程固化的增量式
PID 控制算法计算出实时控制量；以此控制量通过 DA 电路和功放电路改变输出驱动直流
电机，调节拉速与埚升速度，使直径逐步稳定于用户设定的目标值。温度控制单元是为了保
证单晶正常生长所需的极严格的过冷度要求

(如硅单晶生长过冷度 l 240

℃～0．5℃)，采用

了欧陆

818P 温度控制器。在温度校正控制单元中，输入偏差信号是由晶升测速机测得的拉

速与温校曲线的设定拉速相比较产生的，再由

PID 算法得到温度校正升温速率输出值，改

变炉温达到控径的目的，同时也限制了拉速的大范围波动与变化。温度校正主要是用来补偿
因单晶长度改变而引起固液交界面热稳态发生变化的。

2．2 系统控制算法

　　系统采用基于增量式

PID 算法的控制方法，即拉速控径单元的拉速控制量和温度控径

单元的升温速率量由增量式

PID 算法求得。增量式 PID 算法的输出量为 

△Un=Kp[(en-en-1)+

(T/Ti)en+(Td/T)(en-2en-1+en-2)]式中：en、en-1、en-2 分别为第 n 次、n-1 次和 n-2 次的偏差值，
Kp、Ti、Td 分别为比例系数、积分系数和微分系数，T 为采样周期。 

　　单片机每隔固定时间

T 将现场采集信号与用户设定目标温度的差值带入增量式 PID 算