以jDG-800型全自動(dòng)單晶爐使用的某型電子秤為例，研究分析單晶爐上稱重電子秤系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)下穩(wěn) 定數(shù)據(jù)和漂移數(shù)據(jù)之間的規(guī)律,并利用軟件方式克服漂移數(shù)據(jù)，獲得穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。對(duì)于精密稱重如何去除漂移數(shù) 據(jù)和如何對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波具有借鑒意義。

隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)晶圓的品質(zhì)要 求越來越高，從而促使新的晶種不斷涌現(xiàn)，如我所最 新研制的新型高溫閃爍晶體LYSO。這種高溫晶體 生長(zhǎng)熔點(diǎn)高，密度低，晶體內(nèi)部質(zhì)量要求無光學(xué)閃爍 顆粒，無氣泡，無云層等內(nèi)在缺陷，晶體外形要求 光滑。模擬體、下稱重等生長(zhǎng)法都屬間接稱重，很難 達(dá)到這種晶體的品質(zhì)要求，而提拉上稱重生長(zhǎng)法屬 直接稱重，能滿足該晶體對(duì)品質(zhì)的要求。本文作者 分析了上稱重生長(zhǎng)方式電子秤讀取穩(wěn)定數(shù)據(jù)與漂移 數(shù)據(jù)間的規(guī)律，提出并驗(yàn)證捕捉穩(wěn)定數(shù)據(jù)的方案。

1.電子秤性能與現(xiàn)行數(shù)據(jù)處理分析

對(duì)于上稱重提拉生長(zhǎng)法，目前市場(chǎng)上沒有滿足 這種生長(zhǎng)方式的專用秤。在JGD-800型全自動(dòng)單 晶爐上，采用改造后的某型電子秤（稱重精度為 0.1 g)實(shí)現(xiàn)在采樣周期內(nèi)自動(dòng)檢測(cè)晶體質(zhì)量值，控 制系統(tǒng)根據(jù)質(zhì)量值控制生長(zhǎng)晶體溫場(chǎng)溫度的升降，達(dá)到控制晶體的生長(zhǎng)，保證晶體優(yōu)良品質(zhì)。在這種 動(dòng)態(tài)環(huán)境下，檢測(cè)晶體質(zhì)量精度和準(zhǔn)確性就顯得很 重要。

該電子秤的稱重精度為0. 1 g能滿足晶體生 長(zhǎng)對(duì)質(zhì)量精度的要求。在一個(gè)采樣周期內(nèi)，難以獲 得晶體準(zhǔn)確的質(zhì)量值，即電子秤數(shù)據(jù)出現(xiàn)漂移一 在動(dòng)態(tài)下，顯示的質(zhì)量值上下擺動(dòng)不定。控制系統(tǒng)捕捉到的晶體質(zhì)量也不穩(wěn)定，導(dǎo)致生長(zhǎng)的晶體表面 不光滑，有明顯的凹凸，晶體圖像如圖1所示。

對(duì)于電子秤漂移數(shù)據(jù)的處理，即信號(hào)處理的方 法有PLC處理法、硬件加軟件處理法等。傳統(tǒng)PLC 處理法，質(zhì)量信號(hào)處理效果差，難滿足高品質(zhì)晶體的 要求;而硬件加軟件處理法處理效果較好，它能得到 正確的穩(wěn)定電子秤數(shù)據(jù)，使控制系統(tǒng)不受漂移數(shù)據(jù) 的影響，但其硬件與軟件成本高。因此能否在沒有 專用的信號(hào)處理硬件與軟件的情況下，只利用軟件 來消除電子秤漂移數(shù)據(jù)，獲得穩(wěn)定正確的數(shù)據(jù)，我們 進(jìn)行了以下一系列實(shí)驗(yàn)與研究。

2.實(shí)驗(yàn)過程與分析研究

2.1數(shù)據(jù)曲線分析

造成晶體表面等徑度差及凹凸痕跡，與電子秤 質(zhì)量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定有關(guān)。

在靜態(tài)下，要求某型電子秤使用環(huán)境溫度為(20±1℃，該型電子秤本身有一定的測(cè)量誤差范 圍，經(jīng)測(cè)試10 h,誤差為±0.30 g。在晶體生長(zhǎng)過程 中，晶體處于高溫環(huán)境和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，電子秤顯示的數(shù) 據(jù)上下漂移。在一個(gè)采樣周期內(nèi)，電子秤顯示的數(shù) 據(jù)漂移為±0. 30 g所以秤的靜態(tài)漂移可忽略。但 在動(dòng)態(tài)下這種漂移呈忽上忽下的趨勢(shì)，漂移周期和 漂移大小不定，整個(gè)過程無規(guī)律。經(jīng)實(shí)驗(yàn)得到一組 電子秤質(zhì)量信號(hào)如圖2所示。

圖2中曲線為秤信號(hào)線，它本身應(yīng)是無規(guī)律的， 但從該曲線的趨勢(shì)看它又是有規(guī)律的，呈上升趨勢(shì)。 如果采用100個(gè)數(shù)據(jù)平均濾波,利用上下漂移來 消除漂移數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)逼近真實(shí)的質(zhì)量值。

分析圖2中的曲線，由于是采用100個(gè)數(shù)據(jù)的 平均來實(shí)現(xiàn)的，控制某一時(shí)刻并未得到真實(shí)的晶體 質(zhì)量值。在這種情況下，秤某一時(shí)刻顯示出來的數(shù) 據(jù)可能與實(shí)際相反，因其相差為±0.30 g,從而導(dǎo)致 在控制上出現(xiàn)錯(cuò)誤。晶體生長(zhǎng)控制的關(guān)鍵是如何讀 準(zhǔn)數(shù)據(jù)，也即去除漂移數(shù)據(jù)，得到秤穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。

2.2數(shù)據(jù)與時(shí)刻對(duì)比分析

采用秒表對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)變化太快， 人眼不可能同時(shí)記錄時(shí)間與電子秤的數(shù)據(jù)，記錄值不能反映真實(shí)情況。采用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行錄相，將電 子秤變化情況制作成錄相，然后再慢速放映，中間隨 時(shí)暫停。發(fā)現(xiàn)電子秤數(shù)據(jù)值總有一些數(shù)據(jù)會(huì)相對(duì)穩(wěn) 定較長(zhǎng)時(shí)間，為了進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)庫進(jìn)行 數(shù)據(jù)記錄，得到一組質(zhì)量值與時(shí)刻對(duì)比數(shù)據(jù)，如表1 所示。

由表可看出，電子秤在動(dòng)態(tài)讀數(shù)中，自身的數(shù)據(jù) 處于一種靜態(tài)和動(dòng)態(tài)(穩(wěn)定和不穩(wěn)定)的交替中。在 表中顯示的電子秤數(shù)據(jù)，有幾組相鄰質(zhì)量數(shù)據(jù)相等， 這些相等數(shù)據(jù)前后有一系列相鄰數(shù)據(jù)是不等的，而 這些不等的數(shù)據(jù)有可能比那些相等的數(shù)據(jù)大或者 小。相對(duì)于這些相等的數(shù)據(jù)，它會(huì)穩(wěn)定幾秒鐘。然 后立即會(huì)朝下一個(gè)數(shù)據(jù)變化，而這些變化的數(shù)據(jù)相 鄰間基本上不等，這些相鄰間不等的數(shù)據(jù)會(huì)在下一 穩(wěn)定數(shù)據(jù)周圍上下擺動(dòng)，出現(xiàn)漂移±0.030 g。該過 程很快(小于1 s)然后會(huì)在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的值穩(wěn)定 幾秒鐘，如此循環(huán)。另外，這些穩(wěn)定的數(shù)據(jù)呈遞增趨 勢(shì)，與圖2完全相符。我們認(rèn)為那些相鄰間相等的 數(shù)據(jù)是秤實(shí)際稱得的質(zhì)量真實(shí)值，而那些相鄰間不 等的數(shù)據(jù)是秤的漂移數(shù)據(jù)。這就是電子秤數(shù)據(jù)漂移的規(guī)律。

2.3解決方法

綜上所述可知，我們?cè)谲浖喜扇≡趲讉€(gè)采樣 周期內(nèi)，當(dāng)電子秤讀到一系列相等數(shù)據(jù)后，將該數(shù)據(jù) 作為正確的數(shù)據(jù)參與控制，而那些相鄰間不等的數(shù) 據(jù)作為漂移數(shù)據(jù)去掉。如果在幾個(gè)采樣周期內(nèi)都沒 有正確數(shù)據(jù)，則將最大數(shù)據(jù)和最小數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，將 平均數(shù)作為正確數(shù)據(jù)進(jìn)行控制。軟件流程圖如圖3 所示。

2.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將這種觀點(diǎn)用在實(shí)際的控制中，能克服電子秤 數(shù)據(jù)的漂移，顯示晶體真實(shí)的質(zhì)量，圖4為未去除秤 漂移數(shù)據(jù)的質(zhì)量點(diǎn)圖。由圖可知，數(shù)據(jù)點(diǎn)忽上忽下， 但整體呈上升規(guī)律。采用去除數(shù)據(jù)漂移法后得到的 晶體質(zhì)量點(diǎn)圖如圖5所示。由圖可看出，數(shù)據(jù)呈上 控制效果會(huì)更好，晶體生長(zhǎng)的外形更完美，其晶體示 意圖如圖6所示。

3.結(jié)束語

采用捕獲電子秤相鄰相等數(shù)據(jù)法來捕獲電子秤 在動(dòng)態(tài)下的穩(wěn)定數(shù)據(jù)，成功解決了晶體提拉法上稱 重中晶體質(zhì)量數(shù)據(jù)漂移及晶體表面不光滑的問題。 我們認(rèn)為與采用硬件和軟件相結(jié)合消除數(shù)據(jù)漂移相 比，利用這種解決數(shù)據(jù)漂移的方法，節(jié)約了專用硬件 和軟件的成本，達(dá)到相同的效果。

這種電子秤漂移數(shù)據(jù)處理法會(huì)造成數(shù)據(jù)的滯 后。但晶體生長(zhǎng)溫場(chǎng)控制有近10 ~ 30 min的滯后， 而這種方法造成的數(shù)據(jù)滯后不會(huì)超過1 min。

目前，這種電子秤數(shù)據(jù)處理法在我所研制的 JGD-800型全自動(dòng)單晶爐上得到了充分的應(yīng)用，生 長(zhǎng)出來的晶體，完全符合晶體高品質(zhì)的要求。對(duì)于 我們認(rèn)知到的這種電子秤在動(dòng)態(tài)下的數(shù)據(jù)漂移規(guī)律 和如何克服的方法，我們認(rèn)為對(duì)于其他的電子秤以 及類似的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)顯示的設(shè)備或部件，這種規(guī)律和 方法值得參考和借鑒。