天通公司大尺寸蓝宝石C向长晶控制系统设计与实现

摘要

蓝宝石的自然生长方向为 A向，沿着这个方向长晶相对容易，目前国内一般都是A向生长蓝宝石，但是目前蓝宝石用量最大的是LED市场，蓝宝石作为LED衬底材料，要求是C向，A向长晶只能进行横向掏棒，由于A向长晶晶体中心容易产生气泡柱，所以导致材料利用率较低。目前国内外最主流的长晶方法是泡生法（KY），但是该方法对人的依赖性大，设备自动化程度较低，操作娴熟的技术人员可以长出好的晶体，操作生疏的人员长出的晶体常常报废，由于操作人员的水平参差不齐，导致长晶良率很难稳定。
　　本论文主要针对上述问题，对 C向生长大尺寸晶体技术和工艺进行研究，并对控制系统进行设计，主要研究内容：
　　1、研究C向生长大尺寸蓝宝石单晶的加热结构和保温场设计技术，提出一种新型加热结构，采用侧边和底部双加热器系统替代单一鸟笼式加热器设计，提升坩埚内熔液温度的均匀性；优化热场结构，改造成45度倾角热屏，减小晶体内部纵向温度梯度，减少晶体上部开裂的概率；采用新型保温材料（氧化锆纤维），可以提升温度均匀性，降低约20％的能耗。
　　2、研究C向生长大尺寸蓝宝石炉单晶的自动控制，晶体直筒等径部分的控制是自动控制系统的核心，晶体直筒等径长晶主要受到温度和微提拉速度的影响，坩埚内温度的精确控制是重点，提出采用计算机控制技术，采用 MSP430F149单片机为控制器，由热电偶传感器经过A/D变换得到反馈值，与设定值进行PID运算得出控制量，从而有效的控制坩埚内的温度。
　　3、控制系统主要由温度控制单元和微提拉控制单元组成，数据采集、参数设置、PID控制模块、电路控制输出、工艺曲线设置、与上位机串行通信等模块是每一个单元所具有的独立模块。测量模块以模拟电压的形式将实时的蓝宝石的直筒直径传送至单片机，进行微提拉系统控制；单片机通过 A/D转换器将模拟电压转换成为控制系统可用的数字量；单片机结合实时采集的直径和预先设定的计划直径，按照已编制程序的非线性增量式 PID控制算法计算出实时的控制量；以此控制输出量通过 D/A控制电路和功率放大电路改变输出驱动直流电机，调节微提拉速度，控制蓝宝石晶锭的直径达到前期设定的计划值。

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第一章 绪论

1.1 蓝宝石长晶技术的发展

1.2 本论文主要工作

1.3 本论文的结构安排

第二章 长晶自动控制系统设计方案

2.1 设计综述

2.2 设计要求

2.3 论文设计方案设置

2.4研制方案及技术途径

2.5技术路线

2.6 可借鉴的技术

2.7 产品关键技术难点及计划的解决措施

2.8 新技术及其可行性分析

2.9 关键工艺和工艺难点分析

2.10 新工艺及其可行性分析

2.11 本章小结

第三章 长晶自动控制系统的硬件设计

3.1 单片机最小系统的设计

3.2 单片机电源电路的设计

3.3 键盘电路的设计

3.4 LCD12864液晶屏显示电路

3.5 单片机模/数转换模块

3.6 单片机数/模转换模块

3.7镍铬镍硅热电偶温度传感器

3.8 I/V变换

3.9 V/I变换

3.10 长晶炉加热电源

3．11 本章小结

第四章 长晶自动控制系统的软件设计及仿真

4.1 系统软件流程图

4.2 键盘显示程序设计

4.3 定时中断程序设计

4.4 数据采集中断程序的设计

4.5 LCD12864显示模块时序

4.6 数字PID程序

4.7 算术平均值滤波

4.8 标度变换

4.9 程序

4.10 主回路整定

4.11 副回路整定

4.12 本章小结

第五章 长晶试验验证及产业化

5.1 长晶设备组成

5.2 长晶具体过程

5.3 产品品质情况

5.4 量产情况

5.5 晶体优势

第六章 结论

6.1 本文的主要贡献

6.2 下一步工作展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果