单晶炉上称重电子秤系统的研究与分析

    随着微电子技术的快速发展,对晶圆的品质要求越来越高,从而促使新的晶种不断涌现,如我所最新研制的新型高温闪烁晶体LYSO。这种高温晶体生长熔点高,密度低,晶体内部质量要求无光学闪烁颗粒,无气泡,无云层等内在缺陷^[1-2],晶体外形要求光滑。模拟体、下称重等生长法都属间接称重,很难达到这种晶体的品质要求,而提拉上称重生长法属直接称重,能满足该晶体对品质的要求。本文作者分析了上称重生长方式电子秤读取稳定数据与漂移数据间的规律,提出并验证捕捉稳定数据的方案。

    1　电子秤性能与现行数据处理分析

    对于上称重提拉生长法,目前市场上没有满足这种生长方式的专用秤。在JGD-800型全自动单晶炉上,采用改造后的某型电子秤(称重精度为0.1 g),实现在采样周期内自动检测晶体质量值,控制系统根据质量值控制生长晶体温场温度的升降,达到控制晶体的生长,保证晶体优良品质。在这种动态环境下,检测晶体质量精度和准确性就显得很重要。

    该电子秤的称重精度为0. 1 g,能满足晶体生长对质量精度的要求。在一个采样周期内,难以获得晶体准确的质量值,即电子秤数据出现漂移———在动态下,显示的质量值上下摆动不定。控制系统捕捉到的晶体质量也不稳定,导致生长的晶体表面不光滑,有明显的凹凸,晶体图像如图1所示。

    对于电子秤漂移数据的处理,即信号处理的方法有PLC处理法、硬件加软件处理法等。传统PLC处理法,质量信号处理效果差,难满足高品质晶体的要求;而硬件加软件处理法处理效果较好,它能得到正确的稳定电子秤数据,使控制系统不受漂移数据的影响,但其硬件与软件成本高。因此能否在没有专用的信号处理硬件与软件的情况下,只利用软件来消除电子秤漂移数据,获得稳定正确的数据,我们进行了以下一系列实验与研究。

    2　实验过程与分析研究

    2.1　数据曲线分析

    造成晶体表面等径度差及凹凸痕迹,与电子秤质量数据不稳定有关。

    在静态下,要求某型电子秤使用环境温度为(20±1)℃,该型电子秤本身有一定的测量误差范围,经测试10 h,误差为±0.30 g。在晶体生长过程中,晶体处于高温环境和运动状态,电子秤显示的数据上下漂移。在一个采样周期内,电子秤显示的数据漂移为±0.30 g,所以秤的静态漂移可忽略。但在动态下这种漂移呈忽上忽下的趋势,漂移周期和漂移大小不定,整个过程无规律。经实验得到一组电子秤质量信号如图2所示。