Ricerca di brevetti di controllori Pid…..

Dalla rivista:
Automazione e Strumentazione

Pubblicato il 17 febbraio 2002

seconda parte

Metodo ed apparato per controllare il diametro di un cristallo di silicio durante un processo di crescita
Altri due documenti di brevetti per l’automazione industriale, sono stati selezionati e analizzati, considerando la parola chiave Pid combinata con il termine lavorazione (manufacturing).
L’invenzione esaminata riguarda i metodi ed apparati per controllare il diametro di un cristallo di silicio durante un processo di crescita che risulta essere la più recente in termini di data di pubblicazione (22 Marzo 2001) e oggetto di una procedura internazionale.

Il brevetto dal titolo “Metodo ed apparato per controllare il diametro di un cristallo di silicio durante un processo di crescita” (Method and Apparatus for controllig Diameter of Silicon Crystal in a Growth Process) risulta il più recente tra quelli considerati sia in termini di data di presentazione della domanda (17 Febbraio 2000) sia di data pubblicazione o di messa a disposizione per l’ispezione pubblica (28 Settembre 2000 per il documento di tipo A1 e 22 Marzo 2001 per quello di tipo C1).
I dati bibliografici relativi alla domanda internazionale con rapporto di ricerca internazionale sono i seguenti: Paese: WO Organizzazione Mondiale Proprietà Intellettuale (Wipo), tipo A1: pubblicazione della domanda internazionale con rapporto internazionale di ricerca, inventori Fueroff Robert H. – Kimbell Steven L., richiedente Memc Electronic Material, Inc., United States of America; date di pubblicazione/presentazione: 28 settembre 2000/17 Febbraio 2000, numero della domanda: WO2000WO0004168, classificazione Ipc ed Ecla C30B 15/20; C30B 15/22; numero di priorità 22 Marzo 1999 US1999000125456, paesi designati CN, JP, KR, SG, Brevetto Europeo: AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LU, MC, NL, PT, SE; membri della famiglia: 7 (WO56956C1, WO56956A1, SG56956C1, KR56956C1, JP56956C1, EP56956C1, CN56956C1), con nessuna citazione estera.
Il sommario è il seguente:
Un metodo ed un apparato per controllare il diametro di un lingotto monocristallino mentre viene sollevato ed estratto da un materiale fuso variando la temperatura del materiale stesso. Il lingotto viene allontanato a una desiderata velocità che sostanzialmente segue un predeterminato profilo. Un modello di temperatura rappresenta le variazioni di questa grandezza che si verificano nel materiale fuso in risposta alle variazioni della potenza fornita ad un crogiuolo per riscaldare e fondere il materiale in esso contenuto. Nel processo di generazione di un valore di riferimento per la temperatura del materiale fuso che rappresenta un valore desiderato, si determina un errore tra il valore desiderato del diametro del lingotto e quello misurato e si esegue un controllo proporzionale-integrale-derivativo (Pid) sul segnale errore. Il controllo Pid genera il valore prefissato di riferimento (set-point) di temperatura come funzione del segnale errore. A sua volta il modello di temperatura determina un valore prefissato (set-point) relativo alla potenza da fornire al crogiuolo come funzione di quello di temperatura generato dal controllo Pid e la potenza fornita al crogiuolo viene regolata in relazione al valore prefissato per la potenza.

Stato della tecnica

Il documento esaminato riporta la descrizione di tre anelli di controllo del diametro già acquisiti allo stato della tecnica alla data di presentazione della domanda di brevetto.
Il primo per attuare le variazioni desiderate del diametro del lingotto agisce sulla velocità di sollevamento dello stesso. Si tratta di un processo di controllo con sollevamento attivo del seme. Il secondo interviene sulla potenza fornita al crogiuolo usato per riscaldare il silicio. Il terzo invece effettua un controllo in cascata della temperatura.
• Anello di controllo del diametro in funzione del sollevamento del seme
Un anello di controllo proporzionale – integrale – derivativo (Pid) riceve in ingresso un segnale errore, che rappresenta la differenza fra il valore desiderato del diametro del cristallo (set-point) e quello effettivo (variabile di processo), e fornisce in uscita una correzione della velocità di sollevamento che serve per regolarne il valore atteso in base ai parametri ricavabili dai dati del processo.
L’anello per il controllo del diametro fornisce in uscita un valore prefissato per il sollevamento del seme utile per variare il diametro del cristallo. L’anello di controllo descritto include anche un limitatore per evitare che il valore prescritto per il sollevamento del seme vari oltre certi limiti.
• Anello di controllo della potenza
L’anello di controllo Pid utilizza il segnale errore, che contiene l’informazione relativa alla differenza tra il valore prefissato del diametro del cristallo e quello effettivo, per determinare quello della potenza di alimentazione in modo da regolare la temperatura del materiale fuso e attuare il controllo del diametro.
I risultati in termini di potenza del dispositivo di riscaldamento tendono ad essere molto riproducibili da ciclo a ciclo e, in misura minore, da argano ad argano. Lo schema di controllo considerato garantisce, rispetto al precedente, una migliore qualità del cristallo, ma presenta tempi di risposta così lunghi da renderlo inaccettabile per il controllo del diametro. Sono, infatti, i guadagni del controllore Pid sommati alle dinamiche del processo a determinare l’uscita degli anelli di controllo (cioè, la correzione della velocità di sollevamento, il valore prefissato della temperatura e quello della potenza di alimentazione).
• Anelli di controllo della temperatura in cascata

L’anello di controllo Pid principale riceve un segnale errore che rappresenta la differenza tra il valore prefissato del diametro del cristallo e quello variabile con il processo, per fornire in uscita quello relativo alla temperatura.
Tale valore opportunamente confrontato con quello effettivo della temperatura (variabile di processo) fornisce l’informazione relativa all’errore di temperatura che serve all’anello di controllo Pid secondario per determinare un valore di riferimento della potenza di alimentazione del crogiuolo utile per variare il diametro del cristallo.
Il controllo attuato utilizzando questa tecnica è affetto da errori in quanto, come spesso avviene negli apparati di crescita del cristallo convenzionali, la variabile di processo utilizzata come segnale di feedback nell’anello di controllo secondario non è la temperatura del silicio fuso, bensì quella rilevata da un sensore (un pirometro o una termocoppia) collocato in prossimità del contenitore del dispositivo di riscaldamento.