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(chēng)重電子秤系統在動(dòng)態(tài)下穩 定數據和漂移數據之間的規律,并利用軟件方式克服漂移數據，獲得穩定的數據。對于精密稱(chēng)重如何去除漂移數 據和如何對信號進(jìn)行數字濾波具有借鑒意義。

隨著(zhù)微電子技術(shù)的快速發(fā)展，對晶圓的品質(zhì)要 求越來(lái)越高，從而促使新的晶種不斷涌現，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(cháng)熔點(diǎn)高，密度低，晶體內部質(zhì)量要求無(wú)光學(xué)閃爍 顆粒，無(wú)氣泡，無(wú)云層等內在缺陷，晶體外形要求 光滑。模擬體、下稱(chēng)重等生長(cháng)法都屬間接稱(chēng)重，很難 達到這種晶體的品質(zhì)要求，而提拉上稱(chēng)重生長(cháng)法屬 直接稱(chēng)重，能滿(mǎn)足該晶體對品質(zhì)的要求。本文作者 分析了上稱(chēng)重生長(cháng)方式電子秤讀取穩定數據與漂移 數據間的規律，提出并驗證捕捉穩定數據的方案。

1.電子秤性能與現行數據處理分析

對于上稱(chēng)重提拉生長(cháng)法，目前市場(chǎng)上沒(méi)有滿(mǎn)足 這種生長(cháng)方式的專(zhuān)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(chēng)重精度為 0.1 g)實(shí)現在采樣周期內自動(dòng)檢測晶體質(zhì)量值，控 制系統根據質(zhì)量值控制生長(cháng)晶體溫場(chǎng)溫度的升降，達到控制晶體的生長(cháng)，保證晶體優(yōu)良品質(zhì)。在這種 動(dòng)態(tài)環(huán)境下，檢測晶體質(zhì)量精度和準確性就顯得很 重要。

該電子秤的稱(chēng)重精度為0. 1 g能滿(mǎn)足晶體生 長(cháng)對質(zhì)量精度的要求。在一個(gè)采樣周期內，難以獲 得晶體準確的質(zhì)量值，即電子秤數據出現漂移一 在動(dòng)態(tài)下，顯示的質(zhì)量值上下擺動(dòng)不定?？刂葡到y捕捉到的晶體質(zhì)量也不穩定，導致生長(cháng)的晶體表面 不光滑，有明顯的凹凸，晶體圖像如圖1所示。

對于電子秤漂移數據的處理，即信號處理的方 法有PLC處理法、硬件加軟件處理法等。傳統PLC 處理法，質(zhì)量信號處理效果差，難滿(mǎn)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 正確的穩定電子秤數據，使控制系統不受漂移數據 的影響，但其硬件與軟件成本高。因此能否在沒(méi)有 專(zhuān)用的信號處理硬件與軟件的情況下，只利用軟件 來(lái)消除電子秤漂移數據，獲得穩定正確的數據，我們 進(jìn)行了以下一系列實(shí)驗與研究。

2.實(shí)驗過(guò)程與分析研究

2.1數據曲線(xiàn)分析

造成晶體表面等徑度差及凹凸痕跡，與電子秤 質(zhì)量數據不穩定有關(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量誤差范 圍，經(jīng)測試10 h,誤差為±0.30 g。在晶體生長(cháng)過(guò)程 中，晶體處于高溫環(huán)境和運動(dòng)狀態(tài)，電子秤顯示的數 據上下漂移。在一個(gè)采樣周期內，電子秤顯示的數 據漂移為±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，漂移周期和 漂移大小不定，整個(gè)過(guò)程無(wú)規律。經(jīng)實(shí)驗得到一組 電子秤質(zhì)量信號如圖2所示。

圖2中曲線(xiàn)為秤信號線(xiàn)，它本身應是無(wú)規律的， 但從該曲線(xiàn)的趨勢看它又是有規律的，呈上升趨勢。 如果采用100個(gè)數據平均濾波,利用上下漂移來(lái) 消除漂移數據，實(shí)現數據逼近真實(shí)的質(zhì)量值。

分析圖2中的曲線(xiàn)，由于是采用100個(gè)數據的 平均來(lái)實(shí)現的，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(lái)的數 據可能與實(shí)際相反，因其相差為±0.30 g,從而導致 在控制上出現錯誤。晶體生長(cháng)控制的關(guān)鍵是如何讀 準數據，也即去除漂移數據，得到秤穩定的數據。

2.2數據與時(shí)刻對比分析

采用秒表對數據進(jìn)行記錄發(fā)現，數據變化太快， 人眼不可能同時(shí)記錄時(shí)間與電子秤的數據，記錄值不能反映真實(shí)情況。采用數碼相機進(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)現電子秤數據值總有一些數據會(huì )相對穩 定較長(cháng)時(shí)間，為了進(jìn)一步驗證數據，采用數據庫進(jìn)行 數據記錄，得到一組質(zhì)量值與時(shí)刻對比數據，如表1 所示。

由表可看出，電子秤在動(dòng)態(tài)讀數中，自身的數據 處于一種靜態(tài)和動(dòng)態(tài)(穩定和不穩定)的交替中。在 表中顯示的電子秤數據，有幾組相鄰質(zhì)量數據相等， 這些相等數據前后有一系列相鄰數據是不等的，而 這些不等的數據有可能比那些相等的數據大或者 小。相對于這些相等的數據，它會(huì )穩定幾秒鐘。然 后立即會(huì )朝下一個(gè)數據變化，而這些變化的數據相 鄰間基本上不等，這些相鄰間不等的數據會(huì )在下一 穩定數據周?chē)舷聰[動(dòng)，出現漂移±0.030 g。該過(guò) 程很快(小于1 s)然后會(huì )在一個(gè)相對穩定的值穩定 幾秒鐘，如此循環(huán)。另外，這些穩定的數據呈遞增趨 勢，與圖2完全相符。我們認為那些相鄰間相等的 數據是秤實(shí)際稱(chēng)得的質(zhì)量真實(shí)值，而那些相鄰間不 等的數據是秤的漂移數據。這就是電子秤數據漂移的規律。

2.3解決方法

綜上所述可知，我們在軟件上采取在幾個(gè)采樣 周期內，當電子秤讀到一系列相等數據后，將該數據 作為正確的數據參與控制，而那些相鄰間不等的數 據作為漂移數據去掉。如果在幾個(gè)采樣周期內都沒(méi) 有正確數據，則將最大數據和最小數據進(jìn)行平均，將 平均數作為正確數據進(jìn)行控制。軟件流程圖如圖3 所示。

2.4實(shí)驗結果

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

3.結束語(yǔ)

采用捕獲電子秤相鄰相等數據法來(lái)捕獲電子秤 在動(dòng)態(tài)下的穩定數據，成功解決了晶體提拉法上稱(chēng) 重中晶體質(zhì)量數據漂移及晶體表面不光滑的問(wèn)題。 我們認為與采用硬件和軟件相結合消除數據漂移相 比，利用這種解決數據漂移的方法，節約了專(zhuān)用硬件 和軟件的成本，達到相同的效果。

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

目前，這種電子秤數據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用，生 長(cháng)出來(lái)的晶體，完全符合晶體高品質(zhì)的要求。對于 我們認知到的這種電子秤在動(dòng)態(tài)下的數據漂移規律 和如何克服的方法，我們認為對于其他的電子秤以 及類(lèi)似的動(dòng)態(tài)數據顯示的設備或部件，這種規律和 方法值得參考和借鑒。