Forprosjekt. HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi Program for elektro-og datateknikk 7004 TRONDHEIM

Transkript

1 HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi Program for elektro-og datateknikk 7004 TRONDHEIM Forprosjekt Prosjekttittel: Regulering av enkrystalltrekker Gruppedeltakere: Kenneth Njuolla tlf: knuolla@gmail.com Odd Brede Skipsfjord tlf: oddbrede@hotmail.com Ola J. Rakstang tlf: ojrakstang@hotmail.com Håvard Pehrson tlf: haavardpehrson@gmail.com Dato: Antall sider/bilag: 24/3 Veileder: Pål Gisvold tlf: paal.gisvold@hist.no Program/studieretning: AFT, Automatiseringsteknikk Prosjektnummer: hpea08.08 Oppdragsgiver: SINTEF Materialer og Kjemi Kontaktperson hos oppdragsgiver: John Atle Bones tlf: John.A.Bones@sintef.no Eivind J. Øvrelid tlf eivind.ovrelid@sintef.no Fritt tilgjengelig x

2 2

3 Forprosjektrapport Regulering av enkrystalltrekker Håvard Pehrson, Ola Rakstang, Kenneth Njuolla og Odd Brede Skipsfjord Januar

4 Sammendrag Forprosjektrapporten omhandler planlegging til utbedring av utstyr og regulering for produksjon av silisiummonokrystaller. (jf. Czochralskis prosess for groing av krystaller). Ovnen produserer sylindriske blokker av silisium (ingot), som senere blir kappet opp i wafere, og behandlet i flere steg før det endelige produktet står ferdig. Silisium er det mest vanlige grunnstoffet i jordskorpen etter oksygen. På grunn av silisiumets halvlederegenskaper, er det svært mye brukt i produksjon av integrerte kretser og solceller. Med en virkningsgrad på rundt 22 % på dagens beste solceller kan belønningen være stor ved forskning på prosessen. Det stilles store krav til silisiumets renhetsgrad, og i tillegg kan det dopes med forskjellige typer stoffer for å frembringe andre egenskaper enn de som er mest vanlig i dag. Slik ovnen står i dag er prosessen delvis automatisert, vår oppgave blir å finne gode reguleringsstrategier- og parametere til ingoten av silisiummonokrystallet, slik at prosessen blir mer automatisert. Styresystemet består av en PLS fra Siemens med tilhørende analoge og digitale moduler, HMI til dette systemet består av en touchskjerm med grafisk brukergrensesnitt. Kenneth Njuolla Ola J. Rakstang Håvard Pehrson Odd B. Skipsfjord 4

5 Innholdsfortegnelse Sammendrag... 4 Innholdsfortegnelse INNLEDNING Bakgrunn Definisjoner Rapportens oppbygging TEKNISK DEL Problemstilling Prosjektmål Effektmål Resultatmål Prosessmål Prosjektbeskrivelse Mekanisk og elektrisk arbeid Automatisert prosess Styresystem Overvåking og styring Spesifikasjoner Problemområder ARBEIDSPAKKER PROSJEKTORGANISERING Prosjektdeltagere Utstyr og ressurser Prosjektleveranser Tidsplan Kvalitetssikring

6 1 INNLEDNING 1.1 Bakgrunn Hovedprosjekt vår 08 ved HiST studieretning for Automatiseringsteknikk, 18 studiepoeng. Prosjektet i sin helhet skal tilsvare en arbeidsmengde på ca 450 timer per student. Oppdragsgiver er SINTEF Materialer og Kjemi. De har skaffet en enkrystalltrekker som tidligere er brukt i industriell sammenheng. Prosjektet med å oppgradere og modifisere enkrystalltrekkeren ble påbegynt våren 07, og skal være fullført i løpet av Enkrystalltrekkeren har blitt mekanisk oppgradert og utbedret i løpet av 2007 og er nå klar for å automatiseres med forskjellige reguleringsstrategier. 1.2 Definisjoner Silisium Ikke-metallisk grunnstoff med kjemisk symbol Si. Enkrystalltrekker Ovn for å smelte silisium og produsere silisiumstøpeblokker som senere kan brukes i solcellepanel, elektriske kretser etc. Czochralski Jan Czochralski ( ), oppfinneren av Czochralski-prosessen, som benyttes i groing av monokrystalliske støpeblokker. Ingot (støpeblokk) Det ferdige produktet fra enkrystalltrekkeren, en krystallisert sylindrisk støpeblokk av silisium. Frøkrystall En liten monokrystall av silisium. Frøkrystallet senkes ned i den smeltete silisiumen, for så å trekkes opp igjen. Den kan enten være rund eller kvadratisk. Wafer Støpeblokkene kappes opp i tynne skiver. En slik skive kalles wafer. Seedlift Innretning som tillater heving og senking av frøkrystallet. Smeltedigelen En beholder hvor silisiumet blir plassert i når det skal bli varmet opp og smeltet. Smeltedigelen er plassert i silisiumsovnen. PLS (Programmerbar logisk styring) Kompakt og programmerbar datamaskin med inn- og utganger. 6

7 Kamera Et programmerbart kamera som kan brukes til å måle diameteren på ingoten. HMI (Human machine interface) Brukergrensesnitt som forbinder menneske og maskin. SIMATIC WinCC Flexible Siemens HMI verktøy. UPS (Uninterruptible power supply) Strømforsyning som ved hjelp av batteri opprettholder en konstant spenning etter strømbrudd. 1.3 Rapportens oppbygging Denne forprosjektrapporten er oppdelt i følgende hovedkapitler: 1. Innledning Sier litt om bakgrunnen for prosjektet og gir en kort innføring i begreper og forkortelser som blir brukt i rapporten. 2. Teknisk del Den tekniske delen skal gi teknisk informasjon slik at man skal kunne forstå hva prosjektet går ut på, samt vise målsetningene til prosjektet. 3. Arbeidspakker Viser en oppdeling av arbeidet satt i pakker, dette er gjort for å dele av hele prosjekter inn i mindre delaktiviteter. Disse pakkene viser hva som skal gjøres samt en fordeling av arbeidet i prosjektgruppen. 4. Prosjektorganisering Inneholder en plan for gjennomføring av prosjektet samt informasjon om utstyr som benyttes i prosjektet. 7

8 2 TEKNISK DEL 2.1 Problemstilling Prosjektet går ut på å automatisere en prosess som gror silisiummonokrystaller ved bruk av Czochralskis prosess. Resultatet av prosessen er en sylindrisk støpeblokk ( ingot ) som senere kan kuttes opp i wafer-skiver. Disse skivene kan brukes til å lage elektroniske kretser ved å utsette de for doping og etsing. Prosessriggen består hovedsakelig av en smelteovn der silisium av svært høy renhet plasseres i en smeltedigel, og smeltes ved hjelp av resistiv oppvarming. Et frøkrystall senkes ned i det smeltede silisiumet, for så å trekkes opp samtidig som det roterer, silisiumet vil da groes fast i frøet. Ønsket resultat er en sylinderformet støpeblokk med en tynn neck øverst, etterfulgt av selve sylinderen. For å oppnå en jevn diameter og homogenitet på støpeblokken, roteres frøet mens det trekkes opp og selve smeltedigelen roterer i motsatt retning. Det er viktig med god regulering av temperatur, rotasjonshastighet og hevehastighet for å få et godt resultat. Siden isolasjonskammeret er laget av karbon, må prosessen foregå i en oksygenfri atmosfære for å unngå at karbonet ødelegges. En vakuumpumpe pumper derfor luften ut av kammeret, som deretter fylles med argon. På grunn av høy temperatur i smelteovnen, er utsiden av ovnen og ventiler vannavkjølte. Til temperaturmåling benyttes et pyrometer som er montert på ovnen. For å få et sluttprodukt som har jevn diameter over hele silisiumsblokka, er det viktig at temperaturen reguleres, siden et temperaturavvik på 10 grader i forhold til arbeidspunktet kan føre til ujevnheter i diameteren. Blir trekkhastigheten til silisiumsfrøet for rask eller for langsom vil det også føre til ujevn diameter. Grunnen til at vi skal automatisere riggen er at den nå kun er manuelt styrt. En full prosessyklus tar ca 30 timer. Det medfører konstant tilsyn av prosessen for justering av parametere. En automatisering av prosessen vil være økonomisk besparende ved kontinuitet i produksjon av silisiummonokrystaller. Loggføring av data vil være til fordel ved analysering, utbedring og kvalitetssikring av sluttproduktet. 2.2 Prosjektmål Effektmål For å effektivisere og å redusere kostnader i arbeidsprosessen vil SINTEF Materialer og Kjemi ha en silisiumstøpeovn som er operativ og i stor grad automatisert ved endt prosjekt. 8

9 2.2.2 Resultatmål Resultatet av prosjektet skal være en automatisert støpeovn for silisium og som kan opereres med et styreprogram på en PC. Styreprogrammet skal inneholde følgende: Valg av manuell og automatisk styring av prosessen. Overvåkning av forskjellige parametere. Temperaturen skal ikke ha et avvik større enn 10 C fra arbeidspunktet. Finne gode parametre for reguleringssløyfene. Innmating av tabell som gir sammenheng mellom seedlifthastighet og temperatur. Logging av resultater for hvert støp. Prosjektet skal ferdigstilles innen 9. mai Prosessmål Prosjektgruppen har følgende prosessmål for prosjektperioden: Oppnå bedre forståelse av prosjekt som arbeidsform. Oppnå bedre forståelse av prosjektledelse. Oppnå bedre forståelse av støping/groing av silisium (Czochralskis prosess). Oppnå bedre forståelse av dataverktøy (Siemens SIMATIC HMI WinCC Flexible og Siemens SIMATIC PLS). Tilegnelse av erfaring med programmering, instrumentering og dokumentasjon. 9

10 2.3 Prosjektbeskrivelse Vi skal videreføre et prosjekt som ble startet våren En del av prosjektet blir å sette oss inn i hva som er utført tidligere, videreføre ideer og implementere våre egne. Vi har delt opp prosjektbeskrivelsen i forskjellige underkapitler. Disse gjenspeiler ikke arbeidspakkene i prosjektet, da noen av emnene kan ligge ganske nærme hverandre Mekanisk og elektrisk arbeid Slik som enkrystalltrekkeren står nå, er mesteparten av det mekaniske arbeidet ferdigstilt, men noe mekanisk arbeid må muligens påberegnes. Blant annet har det vært snakk om å bytte ut pyrometeret som måler diameteren på ingoten med et kamera. Det er mulig at vi må modifisere/oppgradere den elektriske dokumentasjonen av anlegget Automatisert prosess For at prosessen skal bli fullstendig automatisert, må det utvikles et godt styresystem. Den forrige prosjektgruppen har kommet et godt stykke på vei, men de fikk ikke tid til å legge inn regulering av selve smelte/trekkeprosessen. Vårt mål er å implementere regulatorer og finne gode regulatorparametere. For og få et godt resultat på ingoten, må vi regulere temperaturen for smeltedigelen, heve og rotasjonshastighet til både smeltedigelen og seedliften. Rotasjon, hevehastighet og temperatur er avhengige av hverandre. Dessuten skal temperaturen følge faste parametere for å oppnå et godt resultat Styresystem Det nåværende styresystemet skal ferdigstilles med de forskjellige sekvensene i produksjonsprosessen og tilhørende alarmer. Styresystemet skal legges inn i en Siemens S7-300 PLS Overvåking og styring Selve prosessen skal overvåkes og styres av en PC med touchskjerm. Det eksisterer i dag et grafisk brukergrensesnitt hvor brukeren kan overvåke og styre prosessen. Dette programmet er utviklet i WinCC Flexible. Vår oppgave blir å ferdigstille dette brukergrensesnittet. 2.4 Spesifikasjoner Støpeovnens fysiske spesifikasjoner: Bredde: ca. 2.5 m Høyde: ca. 4.0 m Dybde: ca. 1.0 m Vekt: ca kg Trafokapasitet: 132 kva Strømtrekk: 190 A Styresystem: Simens S7 PLS PC med 17 touchpanel Kjølesystem: Vann 10

11 2.5 Problemområder I løpet av prosjektets gang vil vi nok kunne møte på forutsette og uforutsette problemer som må løses underveis. Prosjektgruppen har ingen erfaring eller kompetanse innenfor metallurgi og regulering av smelteovner for silisium, så kunnskap må hentes fra internett, bøker og fagpersoner hos SINTEF Materialer og Kjemi. Selv om mye av det gamle utstyret på riggen har blitt byttet ut, er det fortsatt noe gammelt utstyr som kan gå i stykker, og det kan da bli vanskelig å få reparert. I slike tilfeller må det vurderes om utstyres skal byttes ut. Hovedmålet er å få automatisert prosessen og vi vil i den forbindelse møte på en rekke reguleringstekniske utfordringer. Blant annet er temperatur og trekking viktige reguleringsfaktorer. Det blir viktig at det måletekniske utstyret holder mål. Siden prosessen er veldig kompleks og ukjent for oss, er det vanskelig å beregne et riktig tidsforbruk for den delen av hovedprosjektet. Å sette seg inn i eksisterende programvare, både til PLS og brukergrensesnittet kan bli en utfordring siden ingen av oss har særlig erfaring med Siemens PLS eller WinCC Flexible tidligere. 11

12 3 ARBEIDSPAKKER Arbeidspakke 1 Tittel: Reguleringsstrategier Ansvarlig: Håvard Pehrson Start: Deltagere: Kenneth Njuolla, Odd Brede Skipsfjord, Ola Rakstang Slutt: Nødvendig utstyr: Estimert timeantall: 600 Resultat: - Utarbeide reguleringsstrategier. Gjennomføring: - Sette seg inn i prosessen. - Teorigrunnlag. - Tekniske måledata. - Sette seg inn i eksisterende måledata. - Dokumentering / rapportskriving. 12

13 Arbeidspakke 2 Tittel: PLS programmering Ansvarlig: Odd Brede Skipsfjord Deltagere: Ola Rakstang Nødvendig utstyr: - SIMATIC PLS S7-300 Start: Slutt: Estimert timeantall: 250 Resultat: - Ett oversiktlig og effektivt PLS program for regulering av prosessen. Gjennomføring: - Sette seg inn i eksisterende program. - Rydde opp i ubrukte parametere. - Implementere regulatorer for regulering av prosessen. - Uttesting av program. - Dokumentering / rapportskriving. 13

14 Arbeidspakke 3 Tittel: Videreutvikling av brukergrensesnitt Ansvarlig: Kenneth Njuolla Deltagere: Håvard Pehrson Nødvendig utstyr: - SIMATIC WinCC Flexible Start: Slutt: Estimert timeantall: 150 Resultat: - Funksjonelt brukergrensesnitt i WinCC Flexible. Gjennomføring: - Sette seg inn i eksisterende program. - Eventuelle utbedring. - Oppdatere grensesnitt for automatisk prosesstyring. - Uttesting. - Dokumentasjon / Rapportskriving. 14

15 Arbeidspakke 4 Tittel: Hjemmeside Ansvarlig: Håvard Pehrson Start: Deltagere: Slutt: Kenneth Njuolla Nødvendig utstyr: Estimert timeantall: 40 Resultat: - En oppdatert og informativ prosjektside. - Dokumenttilgjengelighet. Gjennomføring: - Legge inn bakgrunnsinformasjon. - Kontinuerlig oppdatere siden med informasjon om fremdriften i prosjektet. - Oppdatering etter behov. - Legge opp tidsfrister/fremdriftsplan. - Timeplan. 15

16 Arbeidspakke 5 Tittel: Kamera Ansvarlig: Ola Rakstang Start: Deltagere: Kenneth Njuolla, Håvard Pehrson, Odd Brede Skipsfjord. Slutt: Nødvendig utstyr: Estimert timeantall: 300 Resultat: - Bedre diameterkontroll. Gjennomføring: - Mekanisk og elektrisk arbeid. - Programmering. - Testing. - Dokumentering / rapportskriving. 16

17 Arbeidspakke 6 Tittel: Administrativt Ansvarlig: Prosjektleder Start: Deltagere: Ola Rakstang, Kenneth Njuolla, Håvard Pehrson, Odd Brede Skipsfjord. Slutt: Nødvendig utstyr: Estimert timeantall: 200 Resultat: - Effektiv prosjektstyring og god informasjonsflyt. Gjennomføring: - Skrive innkalling/referat i forbindelse med møteaktivitet. - Rapportskriving (generelle deler). - Fil-/versjonshåndtering, backup og arkivering av dokumentasjon. 17

18 4 PROSJEKTORGANISERING Prosjektarbeidet vil hovedsaklig foregå ved SINTEF Materialer og kjemi. Dette forenkler arbeidet ved at vi kommer inn på et ressurssterkt fagmiljø med høy kompetanse innen de berørte fagområdene. For at alle skal få med seg så mye prosjektorganiseringserfaring som mulig, vil stillingene prosjektleder og sekretær alltid rulleres innad i gruppa. Prosjektlederen vil alltid ha det overordnede ansvaret for prosjektets fremgang, samt all møteaktivitet og statusrapportering i perioden. Dette innebærer å skrive møteinnkalling og lede selve møtene. Sekretæren vil fungere som referent, og sende dette til alle deltakerne i etterkant. Rulleringsliste over prosjektleder og referent, se vedlegg Prosjektdeltagere Navn: Ola J. Rakstang Adresse: Stallmesterveien 13, 7046 Trondheim Telefon: E-post: ojrakstang@hotmail.com Tidligere prosjekter: Avsaltningsanlegg - HIST 2007 Trykkluftrigg HIST 2007 Totankprosjekt HIST 2007 Utdanning: Ingeniørutdanning - HIST 2005-DD Realfagskurs HIST 2005 Fagbrev elektriker gr. L VKII Allmennfaglig påbygning KVGS VKI Elektrofag - KVGS GK Elektro - KVGS Praksis: Elektriker/montør - Elektrocervice Kristiansund Lærling - Elektroservice Kristiansund Lærning - ABB Installasjon avd. Kristiansund

19 Navn: Adresse: Odd Brede Skipsfjord Søndre Gate Trondheim Telefon: E-post: Tidligere prosjekter: Strømningsrigg - HIST 2007 Varmevekslerrigg HIST 2007 Totankprosjekt HIST 2007 Utdanning: Ingeniørutdanning - HIST 2005-DD Forkurs HIST Allmennfaglig påbygning - Br.sund Videregående(BVGS) Elektromekaniske fag - BVGS Mekaniske Fag - BVGS Praksis: Barnehagearbeid Furutoppen Naturbarnehage, Brønnøy Militær førstegangstjeneste Sambandstroppen, Bodin Leir

20 Navn: Adresse: Kenneth Njuolla Schøllersgt Trondheim Telefon: E-post: Tidligere prosjekter: Strømningsrigg - HIST 2007 Traversrigg HIST 2007 Totankprosjekt HIST 2007 Utdanning: Ingeniørutdanning - HIST 2005-DD Forkurs HIST VK2 audio/video - Vadsø Videregående(VVGS) VK1 elektronikk - Vadsø Videregående(VVGS) Grunnkurs Elektro - Vadsø Videregående(VVGS) Praksis: Assistent St.Olav Hospital avd. Brøset, Trondheim 2004-DD Servicearbeider Konica Minolta, Trondheim Kabelt-TV montør Nornett kabel TV, Vadsø Servicearbeider Vadsø Interbok AS, Vadsø Kabelt-TV montør Vadsø Interbok AS, Vadsø Militær førstegangstjeneste

21 Navn: Adresse: Håvard Pehrson Nedre allè Trondheim Telefon: E-post: Tidligere prosjekter: Avsaltningsrigg HIST 2007 Trykkluftrigg HIST 2007 Totankprosjekt HIST 2007 Utdanning: Ingeniørutdanning HIST 2005-DD Allmennfaglig utdanning Ås Videregående Praksis: Teknisk support SAS Institute AS, Oslo 2007-DD 21

22 4.2 Utstyr og ressurser Det meste av utstyret er allerede på plass eller kjøpt inn siden prosjektstart i 2007, så på nåværende tidspunkt regner vi med at det ikke er behov for innkjøp av nytt utstyr. Viser oversikt over utstyr som gruppa har tilgang til. Komponent: Type: Beskrivelse: Antall: PLS Siemens S stk Tilleggsmodul til PLS Siemens 8AI. Analoge innganger. 1 stk Siemens 4AO. Analoge utganger. 1 stk Siemens 16DO. Digitale utganger. 1stk SIMATIC WinCC Flexible. Siemens HMI verktøy. 1 stk Motorer: DC servomotor Maxon motor 5A. Brukes til rotasjon av seedliften og smeltedigelen. 2 stk Stepmotor Sonceboz Brukes til heving av seedliften og smeltedigelen. 2 stk Vakuumpumpe. Brukes til å lage vakuum i smelteovnen. 2 stk Følere/målere: Høydemålere. Måler høyden på smeltedigelen og seedliften. Temperaturmåler. Trykkmålere. Diametermåler. Måler temperaturen i smelteovnen. Måler trykket i smelteovnen. Måler diameteren på ingoten. 22

23 Annet: PC med Windows XP. Inneholder brukergrensesnittet til prosessen. 1 stk Touchskjerm 17 UPS 1250VA Brukes til å overvåke og styre prosessen. Backup batteri til PLS og PC. 1 stk 1 stk 4.3 Prosjektleveranser Dokumenter som skal leveres i løpet av prosjektperioden: Ferdig programkode til styresystemet både til PLS og brukergrensesnitt med fullstendig automatisert kontroll, alarmer, etc. Anleggsdokumentasjon. Forprosjektrapport. Møteinnkallinger og møtereferater. Statusrapporter som skal leveres hver 14. dag Prosjektrapport. 4.4 Tidsplan Dette prosjektet gir studenten 18 studiepoeng, dette tilsvarer en arbeidsmengde på ca. 450 timer for hver av prosjektdeltakerne. På grunnlag av dette estimerer vi omtrent 1800 timer totalt for prosjektgruppa. S-diagrammet se vedlegg 2. Så tidlig i prosjektfasen er det veldig vanskelig å estimere hvor lang tid hver enkelt prosjektdel vil ta, så derfor er arbeidspakkene relativt grovt oppdelt. For ganttskjemaet se vedlegg 3. 23

24 4.5 Kvalitetssikring For å kvalitetssikre prosjektet har vi satt oss følgende mål: Rullerende prosjektleder og referent. Møter holdes med oppdragsgiver og veileder hver 14. dag. Møtene er for alle gruppemedlemmene, veileder Pål Gisvold og oppdragsgiver John Atle Bones ved SINTEF. Møtested og tidspunkt vil bli avtalt etter vært møte. Gruppen vil også holde interne møter ved behov for å sikre kvaliteten og kontinuiteten i prosjektet. Utarbeide dokumentplan med tilhørende datoer for innlevering. Gruppen skal skrive statusrapport hver 14. dag. Opprette maler og standardiserte skjema som vil bli brukt gjennom hele prosjektperioden. Utarbeide sjekklister og testprosedyrer. Opprette et felles lagringsområde på nettet, hvor gruppemedlemmene har tilgang til alle filer og dokumenter relatert til prosjektet. Her har gruppen valgt å bruke itslearning som lagringsområde. Lage hjemmeside hvor prosjektets fremgang kan følges av oppdragsgiver, veileder og eventuelt andre som fatter interesse for temaet. Her vil statusrapporter, møteinnkallinger, møtereferat, forprosjektrapport og hovedprosjektrapport være tilgjengelig. Adressen til hjemmesiden er Utføre prosjektet i henhold til HiST og SINTEFs HMS-rutiner. 24

25 VEDLEGG 1 Rullerende ledelse 25

26 26

27 Tabell 1 Rotasjonsplan for møteleder og referent. Uke Møteleder Referent 3 Odd Brede Skipsfjord Kenneth Njuolla 5 Kenneth Njuolla Ola Rakstang 7 Ola Rakstang Håvard Pehrson 10 Håvard Pehrson Odd Brede Skipsfjord 12 Odd Brede Skipsfjord Kenneth Njuolla 14 Kenneth Njuolla Ola Rakstang 16 Ola Rakstang Håvard Pehrson 18 Håvard Pehrson Odd Brede Skipsfjord 27

28 28

29 VEDLEGG 2 S-diagram 29

30 30

31 Figur 1 S-diagram 31

32 32

33 VEDLEGG 3 Gantt-diagram 33

34 34

35 35