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。近幾年來由于國(guó)際能源危機(jī)及地球環(huán)境改善帶來對(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)的種類依電阻的N或P型而定。雜質(zhì)種類有硼，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，那么效應(yīng)力將使得晶棒出現(xiàn)位錯(cuò)與滑移線。于是為了避免此問題的發(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。這一過程稱之為尾部生長(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：

單晶硅爐
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：

通過原日系伺服系統(tǒng)所存在的問題以及臺(tái)達(dá)伺服同原有日系伺服的功能比較表客戶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
·阻尼剛性優(yōu)良, 低速轉(zhuǎn)動(dòng)特性優(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

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和我們通過調(diào)試計(jì)算出來的響應(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。