[發(fā)明專利]大流量氣相法晶體生長(zhǎng)的壓力自適應(yīng)模糊控制方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010965699.0
• 申請(qǐng)日: 2020-09-15
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112210825A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-01-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 于凱;陳建麗;洪穎;竇英;張皓;高飛;郭森;李暉;王利杰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所
• 主分類號(hào): C30B23/00
• 分類號(hào): C30B23/00;C30B25/00;C30B29/36
• 代理公司: 天津中環(huán)專利商標(biāo)代理有限公司 12105
• 代理人: 胡京生

本發(fā)明公開(kāi)了一種大流量氣相法晶體生長(zhǎng)的壓力自適應(yīng)模糊控制方法，針對(duì)于動(dòng)態(tài)氣氛的大流量特性，采用了電控碟閥，實(shí)現(xiàn)壓力控制的快速性。此外，針對(duì)傳統(tǒng)的PID控制模式，在上位機(jī)控制系統(tǒng)中，將模糊控制算法應(yīng)用到控壓儀表的PID參數(shù)調(diào)節(jié)中，根據(jù)壓力的測(cè)量值和目標(biāo)值自動(dòng)修正控壓儀表的PID三個(gè)控制參數(shù)，不僅可省去依賴于工藝人員的常規(guī)PID調(diào)節(jié)過(guò)程，而且還能保證生長(zhǎng)過(guò)程中全程壓力范圍內(nèi)任意數(shù)值的壓力控制的精準(zhǔn)性，本發(fā)明特別適用于大腔室大氣流環(huán)境下的晶體生長(zhǎng)過(guò)程中快速精準(zhǔn)的壓力控制。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種晶體生長(zhǎng)的壓力自適應(yīng)模糊控制方法，特別涉及一種大流量氣相法晶體生長(zhǎng)的壓力自適應(yīng)模糊控制方法。

背景技術(shù)

壓力控制在晶體材料制備中廣泛存在。壓力控制的核心就是使得系統(tǒng)的進(jìn)氣量和排氣量達(dá)到一個(gè)相對(duì)的平衡，實(shí)現(xiàn)方式有兩種，一是固定排氣量，通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)氣量實(shí)現(xiàn)壓力平衡，比如排氣通過(guò)保持一定開(kāi)度的針閥，進(jìn)氣通過(guò)流量計(jì)并且流量大小可調(diào)，這樣的方式更多地應(yīng)用在小腔室、小流量的生長(zhǎng)系統(tǒng)中；二是固定進(jìn)氣量，通過(guò)調(diào)節(jié)排氣量實(shí)現(xiàn)壓力平衡，比如利用氣體流量計(jì)設(shè)定一定的進(jìn)氣量，通過(guò)調(diào)節(jié)碟閥、球閥的開(kāi)啟比例，或者通過(guò)變頻器控制真空泵的抽速來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的壓力控制，這樣的控制方式更適用于大腔室、大流量動(dòng)態(tài)氣氛下的晶體生長(zhǎng)系統(tǒng)。

無(wú)論是控制進(jìn)氣，還是控制排氣，控制裝置可以采用控壓儀表或者PLC控制器中的PID模塊，兩者都是根據(jù)壓力測(cè)量值和目標(biāo)設(shè)定值及采樣時(shí)間，依照PID輸出計(jì)算公式將控制輸出轉(zhuǎn)換為電流或者電壓信號(hào)送給流量控制設(shè)備，如調(diào)節(jié)氣體流量計(jì)的流量大小或調(diào)整碟閥和球閥的開(kāi)啟比例，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的壓力控制。但是常規(guī)的控壓儀表或PLC中的PID模塊都只有一套PID參數(shù)，對(duì)于晶體生長(zhǎng)壓力變化較大或者需要多段壓力控制工藝的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一套PID參數(shù)難以滿足在不同壓力區(qū)間的控制效果，如果想獲得理想的控制效果，還需要有操作經(jīng)驗(yàn)的工藝人員逐步調(diào)整PID控制參數(shù)。

以碳化硅等氣相法晶體生長(zhǎng)來(lái)說(shuō)，隨著晶體尺寸不斷增大的需求，單晶生長(zhǎng)腔室由最初的小體積的石英結(jié)構(gòu)，逐步升級(jí)為目前的大體積的不銹鋼爐體，之前的針閥壓力控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)槟壳暗牡y或者球閥裝置。此外，晶體質(zhì)量要求的不斷提升對(duì)單晶生長(zhǎng)各個(gè)工藝環(huán)節(jié)的控制要求也逐步加強(qiáng)，尤其是對(duì)氣相法生長(zhǎng)過(guò)程中的壓力控制的精準(zhǔn)性和快速性要求更高。在晶體生長(zhǎng)的初期和末期需要爐內(nèi)保持在較大的壓力狀態(tài)下以防止自發(fā)成核，在生長(zhǎng)過(guò)程中又需要保證爐內(nèi)的低壓狀態(tài)，并盡量減少壓力擾動(dòng)以降低晶體產(chǎn)生諸如包裹、微管道等缺陷，可見(jiàn)壓力控制的準(zhǔn)確性對(duì)晶體的質(zhì)量具有很大的影響。除了人為的改變工藝參數(shù)，比如生長(zhǎng)系統(tǒng)的目標(biāo)壓力由低壓變?yōu)楦邏海€有一種情況在實(shí)際的單晶生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)中廣泛存在，那就是工藝參數(shù)保持不變，但是系統(tǒng)的加熱和保溫系統(tǒng)都會(huì)隨著使用次數(shù)的增加而逐步發(fā)生老化，對(duì)于像碳化硅單晶生長(zhǎng)保溫系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它本身屬于多孔的一種材質(zhì)，它對(duì)氣體的透過(guò)率會(huì)隨著老化而逐步變差，但是隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)的增加，保溫系統(tǒng)的老化會(huì)導(dǎo)致控制效果逐漸變差，如果不及時(shí)調(diào)整PID參數(shù)會(huì)使得控制效果越來(lái)越差，而本申請(qǐng)所采用模糊自適應(yīng)壓力控制系統(tǒng)就可以在系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)能夠及時(shí)的調(diào)整PID控制參數(shù)，使得本系統(tǒng)始終以最佳的狀態(tài)進(jìn)行工作，以保證晶體生長(zhǎng)質(zhì)量，這就具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種大流量氣相法晶體生長(zhǎng)的壓力自適應(yīng)模糊控制方法，適用于大腔室大氣流環(huán)境下晶體生長(zhǎng)過(guò)程中壓力控制。具體技術(shù)方案是，一種大流量氣相法晶體生長(zhǎng)的壓力自適應(yīng)模糊控制方法，基于大流量氣相法晶體生長(zhǎng)爐的儀表控制系統(tǒng)，其包括生長(zhǎng)腔室、進(jìn)氣管道、氬氣流量計(jì)、壓力變送器、控壓儀表、機(jī)械泵、分子泵前級(jí)閥、分子泵、排氣管道、壓力傳感器，其特征在于：還包括上位機(jī)、電控碟閥，上位機(jī)通過(guò)通訊纜分別與氬氣流量計(jì)、控壓儀表連接，電控碟閥通過(guò)排氣管道分別與生長(zhǎng)腔室、排氣管道與機(jī)械泵連接，構(gòu)成大流量氣相法晶體生長(zhǎng)的壓力自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)；壓力控制調(diào)節(jié)方法為上位機(jī)根據(jù)壓力的測(cè)量值和設(shè)定值之間的偏差及偏差的變化率的大小，按照模糊控制規(guī)則所獲得的PID參數(shù)增量調(diào)節(jié)，更新控壓儀表中的三個(gè)PID參數(shù)，具體包括以下步驟：