Ricerca di brevetti di controllori Pid….

Dalla rivista:
Automazione e Strumentazione

Pubblicato il 17 febbraio 2002

Il sommario è il seguente: Un metodo per controllare il diametro di un singolo cristallo di silicio. Durante la fabbricazione e la lavorazione di un singolo cristallo di silicio sollevando il singolo cristallo mentre lo si fa ruotare rispetto ad un crogiolo, si effettua un confronto fra il valore misurato del diametro del singolo cristallo estratto determinato con strumenti ottici ed il valore desiderato del diametro, al fine di determinare la deviazione risultante che viene sottoposta ad una elaborazione Pid con azione differenziale incompleta.

La velocità di estrazione viene considerata dal controllore del motore di un apparato che estrae il cristallo ottenendo quindi il controllo del diametro del singolo cristallo estratto. Un apparato per controllare il diametro di un singolo cristallo di silicio comprende l’ingresso per ricevere il valore misurato e determinato con strumenti ottici. Il confronto fra il valore misurato del diametro del singolo cristallo estratto ed il valore desiderato del diametro viene fatto diverse volte ad intervalli di un periodo di rotazione per calcolare la velocità di estrazione.

Mentre il secondo documento relativo “al controllo automatico del diametro di una barra di silicio” (automatic control of crystal rod diameter) è caratterizzato dai riferimenti: numero del brevetto EP0294311, data di pubblicazione 07-12-1988.
Il sommario è il seguente: Un apparato per l’utilizzo in un sistema di lavorazione di cristalli basato su un metodo a zona fluttuante o sul metodo di Czochralski, adattato al controllo di una grandezza legata al diametro di una barra di cristallo in corrispondenza del confine di cristallizzazione, e progettato per ridurre oscillazioni indesiderate nel controllo di una grandezza legata al diametro del cristallo in modo da prevenire disturbi durante la cristallizzazione e ridurre irregolarità nella superficie della barra di cristallo anche in presenza di una discrepanza tra un modello predeterminato ed il modello ideale in riferimento alla grandezza da controllare.
L’apparato è dotato di un controllore comprendente:
• un “program setter” adattato per fornire una grandezza basata su un modello predeterminato scritto nel controllore in risposta ad un valore rilevato della grandezza legata al diametro del cristallo in corrispondenza del confine di cristallizzazione o alla lunghezza della barra di cristallo;
• un primo regolatore per eseguire un’azione di controllo Pi o Pid in risposta alla differenza fra il valore rilevato e quello desiderato di una grandezza legata al diametro del cristallo in corrispondenza del confine di cristallizzazione;
• un secondo regolatore per realizzare, in risposta alla differenza fra il valore rilevato e quello desiderato di una grandezza legata al diametro del cristallo all’interfaccia di cristallizzazione un’azione di controllo per un’ulteriore integrazione rispetto al tempo di questa differenza;
• un circuito ausiliario per fornire in uscita come risultato della regolazione, un valore risultante dalla combinazione lineare tra il “program setter”, il primo regolatore e il secondo.

Informazioni relative all’invenzione

Campo dell’invenzione

Questa invenzione riguarda un apparato per l’utilizzo in un sistema di lavorazione di cristalli basato su un metodo FZ (Floating Zone = a zona fluttuante) o su un metodo CZ (Czochralski), essendo l’apparato adattato al controllo di una grandezza legata al diametro di una barra di cristallo.
Stato della tecnica

Nel processo di lavorazione di un monocristallo di silicio semiconduttore, si desidera minimizzare la lunghezza della porzione conica, la prima parte di cristallizzazione, che non viene utilizzata come prodotto. Tuttavia, quando la lunghezza di questa porzione viene ridotta, la cristallizzazione risulta, in modo dannoso e crescente, affetta da disturbi dovuti alla richiesta di una brusca variazione del diametro.
Per evitare il verificarsi di tale disturbo, è necessario ridurre l’oscillazione indesiderata a un livello sufficientemente basso durante l’operazione di controllo del diametro del cristallo (Figura 1).
Questa considerazione si potrebbe anche applicare, a un livello un po’ più dolce in termini comparativi, per l’eliminazione delle irregolarità superficiali di una porzione del corpo rettilineo essenziale del cristallo.
In un metodo convenzionale, quindi, un modello (determinato in modo empirico) per fornire potenza ad un dispositivo di riscaldamento viene preventivamente scritto in un “program setter”, e il grado di deviazione del modello predeterminato da quello ideale (modello di alimentazione in potenza più adatto per ottenere un campione con valore desiderato del diametro del cristallo) viene minimizzato mediante un controllo Pi (Proporzionale e Integrale) o Pid (Proporzionale, Integrale e Derivativo) in modo tale che i guadagni nel controllo Pi o in quello Pid si riducono, cioè il guadagno proporzionale si riduce in modo da prolungare il tempo di integrazione riducendo il tempo di differenziazione, limitando quindi l’ampiezza delle oscillazioni indesiderate.
Nel metodo FZ, comunque la discrepanza tra il modello predeterminato e il modello ideale diventa ampia così che i guadagni nel controllo Pid vengono necessariamente incrementati, a causa delle differenti caratteristiche di riscaldamento di vari dispositivi per la lavorazione dei monocristalli dello stesso tipo o di quelle anche di un solo dispositivo dovute a una variazione con il tempo o in seguito alla sostituzione di una bobina di riscaldamento ad induzione. La suddetta discrepanza inoltre, può essere accelerata in funzione del diametro scelto di una barra di silicio policristallino, del modo in cui varia il diametro della porzione conica o della diversa lunghezza di una zona di fluttuazione. Risulta quindi molto difficile ridurre l’ampiezza delle oscillazioni indesiderate a un livello soddisfacentemente basso.

Anche nel metodo CZ, la discrepanza tra il modello predeterminato ed il modello ideale diventa ampia così che i guadagni nel controllo Pid vengono necessariamente incrementati, a causa delle differenti caratteristiche di riscaldamento di vari dispositivi dello stesso tipo per la lavorazione dei monocristalli o di quelle anche di un singolo dispositivo dovute a una variazione con il tempo in seguito alla sostituzione di un dispositivo di riscaldamento o di un crogiolo a resistenza, o perché la quantità di silicio fuso nel crogiolo diminuisce man mano che il cristallo cresce. Quindi, anche in questo caso, c’è una limitazione nella riduzione in ampiezza della oscillazione indesiderata.
Tali problemi non sono limitati al caso della cristallizzazione del silicio monocristallino, ma sono comuni a qualsiasi tecnica di cristallizzazione basata sul metodo FZ o CZ.