液相外延設(shè)備溫度控制系統(tǒng)研究

李 瑫，程文進(jìn)，黃志海，楊 勇，陳李松

( 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，湖南 長(zhǎng)沙410111)

水平滑舟式液相外延具有變化組分容易、組分及厚度控制能力強(qiáng)和可重復(fù)性好等優(yōu)勢(shì)，是一種研制和生產(chǎn)碲鎘汞薄膜材料有效且成熟的方法[1]。水平液相外延設(shè)備是目前國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)該種工藝方法的主流設(shè)備，其溫度控制的精度、升降溫的速率、溫度場(chǎng)的均勻性直接影響了外延材料的質(zhì)量、外延片的均勻性、可重復(fù)性、尺寸、設(shè)備的產(chǎn)能等，是設(shè)備的關(guān)鍵性能指標(biāo)。本文針對(duì)液相外延設(shè)備的溫度控制要求，研究設(shè)計(jì)滿足外延工藝技術(shù)要求的溫度控制系統(tǒng)，并進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。

1 加熱系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

設(shè)備的加熱系統(tǒng)由PLC（可編程控制器）、閉環(huán)控制器、功率調(diào)節(jié)器（簡(jiǎn)稱調(diào)功器）、爐體、溫度傳感器等構(gòu)成。其中，PLC 用于設(shè)定目標(biāo)溫度、控制模式及控制參數(shù)，讀取過(guò)程值、狀態(tài)等，閉環(huán)控制器則根據(jù)檢測(cè)溫度與目標(biāo)溫度的偏差進(jìn)行PID（比例積分微分）閉環(huán)計(jì)算，輸出加熱功率信號(hào)，調(diào)功器根據(jù)加熱功率輸入信號(hào)控制功率器件，輸出正確的電壓和電流至爐體進(jìn)行加熱，形成溫度場(chǎng)，最后由溫度傳感器檢測(cè)目標(biāo)位置溫度并反饋回閉環(huán)控制器。溫度采集包括反應(yīng)管內(nèi)溫度和管外溫度，并以管內(nèi)溫度作為控制目標(biāo)。為保證控溫精度及溫度場(chǎng)的空間均勻性，爐體采用5 段獨(dú)立加熱獨(dú)立控溫方式，并采用串級(jí)PID 進(jìn)行雙閉環(huán)控制，如圖1 所示。

圖1 加熱系統(tǒng)控制原理

2 溫度閉環(huán)控制設(shè)計(jì)

串級(jí)控制因其抗干擾和自適應(yīng)能力強(qiáng)而被廣泛用于對(duì)象擾動(dòng)幅度大、非線性、容量滯后大、參數(shù)相互關(guān)聯(lián)[2]的場(chǎng)合。加熱系統(tǒng)中反應(yīng)管內(nèi)溫度真實(shí)地反映爐體中反應(yīng)管內(nèi)溫度場(chǎng)，但只能通過(guò)管外溫度的熱輻射來(lái)維持，管內(nèi)溫度與管外溫度之間存在著非線性且大滯后的復(fù)雜關(guān)系，采用串級(jí)控制可以簡(jiǎn)化控制模型，同時(shí)提高整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)速度。其溫度控制原理如圖2 所示。

圖2 溫度串級(jí)控制框圖

圖2 中，當(dāng)串級(jí)命令為OFF 時(shí)，溫度處于單控模式，設(shè)定溫度作為管外溫度設(shè)定值(Tex)；當(dāng)串級(jí)命令為ON 時(shí)，溫度處于串級(jí)模式，設(shè)定溫度作為管內(nèi)溫度設(shè)定值(Tin)，管內(nèi)溫度PID 控制輸出(TPID-in)經(jīng)串級(jí)計(jì)算后作為Tex。管內(nèi)溫度與管外溫度閉環(huán)采用相同的控制周期，以提升系統(tǒng)的響應(yīng)速度[3]。

液相外延設(shè)備一般要求溫度按照設(shè)定曲線進(jìn)行精確的升降變化，在不同的升溫/降溫階段要求的加熱不同，對(duì)應(yīng)的控制參數(shù)也有所差異。但傳統(tǒng)PID 控制器以一組固定不變的PID 參數(shù)來(lái)解決被控過(guò)程參數(shù)變化、干擾等問(wèn)題，顯然難以獲得滿意的控制效果[4]。因此，本文在串級(jí)計(jì)算中對(duì)TPID-in乘以系數(shù)A，再對(duì)Tin進(jìn)行偏置，兩者之和作為Tex。串級(jí)計(jì)算式為：

式中，A為串級(jí)系數(shù)，表征TPID-in對(duì)管外溫度的調(diào)節(jié)幅度；B為串級(jí)常數(shù)，表征管外溫度輻射到管內(nèi)溫度的梯度關(guān)系。為保證溫度曲線各階段均有良好跟隨性能，本文將溫度變化分為快升、慢升、慢降、快降4 個(gè)階段，分別采用不同的串級(jí)參數(shù)，由工藝程序根據(jù)溫度變化狀態(tài)自動(dòng)選取。如此，可通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整串級(jí)參數(shù)來(lái)間接調(diào)整溫度控制PID 參數(shù)，使溫度曲線具有良好的跟隨性能。

3 控制程序設(shè)計(jì)

設(shè)備的控制系統(tǒng)采用三菱FX5U 系列PLC 作為主控制器，溫度控制程序由PID 閉環(huán)控制、通信協(xié)議、控制邏輯3 部分構(gòu)成，如圖3 所示。其中，控制邏輯部分進(jìn)行加熱開(kāi)/ 關(guān)、報(bào)警、保護(hù)等邏輯控制，管理通信的邏輯和時(shí)序，準(zhǔn)備通信數(shù)據(jù)并對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；通信協(xié)議部分定義通信協(xié)議號(hào)的功能、訪問(wèn)的寄存器地址、數(shù)量、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)域，以便程序調(diào)用協(xié)議號(hào)發(fā)起通信；PID 閉環(huán)控制部分負(fù)責(zé)讀取溫度傳感器信號(hào)并進(jìn)行線性化，接收通信數(shù)據(jù)和命令，進(jìn)行PID 閉環(huán)計(jì)算，輸出加熱功率控制信號(hào)?？刂瞥绦蚴紫瘸跏蓟ㄐ艆f(xié)議所需訪問(wèn)的寄存器地址、數(shù)量、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等數(shù)據(jù)，之后根據(jù)上位機(jī)或自動(dòng)工藝命令，設(shè)置相應(yīng)的通信請(qǐng)求；在通信空閑時(shí)，按順序選取優(yōu)先級(jí)最高的通信請(qǐng)求，準(zhǔn)備其相應(yīng)的通信數(shù)據(jù)，發(fā)起通信，并待通信結(jié)束后進(jìn)行處理：若異常結(jié)束，重新設(shè)置通信請(qǐng)求，若重試＞3 次，報(bào)錯(cuò)；若正常結(jié)束，根據(jù)協(xié)議功能進(jìn)行相應(yīng)的處理。

圖3 溫度控制程序結(jié)構(gòu)

4 測(cè)試及結(jié)果分析

鑒于非線性溫度系統(tǒng)較難建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，采用溫控儀自動(dòng)整定再手動(dòng)微調(diào)的方法確定閉環(huán)PID 參數(shù)及串級(jí)A、B參數(shù)。具體方法如下：

（1）單控模式下，加熱外溫至目標(biāo)值并穩(wěn)定后，進(jìn)行外溫PID 自整定；整定結(jié)束并穩(wěn)定后，觀察管外溫度的控溫精度是否滿足應(yīng)用要求，若不滿足則手動(dòng)微調(diào)參數(shù)；

（2）溫度穩(wěn)定后，記錄反應(yīng)管內(nèi)、外溫度的差值ΔT；將串級(jí)A參數(shù)設(shè)為默認(rèn)值0.3，B參數(shù)設(shè)為B=A×50+ΔT；

（3）使能串級(jí)控溫，待管內(nèi)溫度在目標(biāo)值附近穩(wěn)定后，進(jìn)行管內(nèi)溫度PID 自整定；整定結(jié)束并穩(wěn)定后，觀察管內(nèi)溫度的控溫精度是否滿足應(yīng)用要求，若不滿足則手動(dòng)微調(diào)參數(shù)；

（4）按照要求的速率進(jìn)行斜率升降溫，調(diào)整串級(jí)A參數(shù)，使實(shí)際管內(nèi)溫度曲線與設(shè)定斜率偏差在3%以內(nèi)；不同A參數(shù)對(duì)應(yīng)的B參數(shù)仍然按照B=A×50+ΔT計(jì)算。

溫度控制系統(tǒng)的控制參數(shù)如表1 所示。

在水平液相外延設(shè)備上進(jìn)行控溫試驗(yàn)，在不帶石墨舟的情況下，管內(nèi)溫度從室溫升至450 ℃并穩(wěn)定的過(guò)程，整體溫度曲線如圖4 所示，其右側(cè)方框下方所標(biāo)記是曲線的局部放大圖。從圖4 可以看出，升溫速率約31 ℃/min，超調(diào)6 ℃（管內(nèi)溫度3），控溫精度為450 ℃±0.1 ℃，滿足設(shè)備的控溫要求。通過(guò)可移動(dòng)單點(diǎn)熱偶測(cè)量反應(yīng)管內(nèi)軸線上的溫度分布如圖5 所示（以溫區(qū)3 中心為零點(diǎn)，往爐內(nèi)為正，爐口為負(fù)，每間隔10 mm 測(cè)量一個(gè)點(diǎn)，每點(diǎn)停留5 min）。

表1 溫度控制參數(shù)

由圖5 可知，在±250 mm 區(qū)間內(nèi)（即500 mm恒溫區(qū)），軸線上溫度最大偏差為0.7 ℃，標(biāo)準(zhǔn)差0.21 ℃，恒溫區(qū)長(zhǎng)度及溫度均勻性均滿足外延工藝要求。

圖4 管內(nèi)溫度升溫及穩(wěn)定過(guò)程曲線

圖5 反應(yīng)管內(nèi)恒溫區(qū)溫度曲線

通過(guò)編輯自動(dòng)工藝測(cè)試溫度控制的跟隨性能，溫度的設(shè)定曲線及實(shí)際曲線如圖6 所示。圖6中僅顯示溫區(qū)2～4 的溫度曲線（溫區(qū)1、5 不在恒溫區(qū)內(nèi)），整體曲線右側(cè)方框下方所標(biāo)記的是曲線的局部放大圖。

從圖6 可以看出，管內(nèi)溫度實(shí)際曲線可以很好地跟隨設(shè)定值的變化，特別在對(duì)外延至關(guān)重要的緩慢降溫階段，降溫斜率可保持0.1 ℃/min，與設(shè)定值的最大滯后偏差≤0.3 ℃，符合工藝技術(shù)要求。

圖6 工藝過(guò)程中的溫度跟蹤曲線

5 結(jié) 論

通過(guò)測(cè)試結(jié)果可以看出，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的多段獨(dú)立加熱系統(tǒng)可以滿足液相外延設(shè)備爐體空間上的溫度均勻性控制要求，恒溫區(qū)長(zhǎng)度達(dá)到500 mm；通過(guò)采用串級(jí)PID 算法對(duì)管內(nèi)溫度進(jìn)行精確控制，恒溫區(qū)溫度均勻性小于等于0.21（標(biāo)準(zhǔn)差），控溫精度小于等于±0.1 ℃，并且升溫較快，超調(diào)較小，可以減少工藝升溫時(shí)間。通過(guò)對(duì)串級(jí)參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，滿足了不同時(shí)間對(duì)加熱功率的不同需求，溫度可以較好地跟隨設(shè)定曲線變化，特別在工藝生長(zhǎng)階段，溫度降溫速率可以保持0.1 ℃/min，與設(shè)定值的最大滯后偏差小于等于0.3 ℃，完全滿足生產(chǎn)工藝要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)液相外延設(shè)備，設(shè)計(jì)了多段獨(dú)立控制的加熱系統(tǒng)，滿足了空間上溫度均勻控制的要求；采用串級(jí)控溫方式，簡(jiǎn)化了非線性大慣量的爐體中反應(yīng)管內(nèi)溫度的控制模型，并應(yīng)用PID 算法對(duì)管內(nèi)溫度進(jìn)行精準(zhǔn)控制；通過(guò)對(duì)不同加熱階段的串級(jí)參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，在時(shí)間上提升反應(yīng)管內(nèi)溫度的動(dòng)態(tài)跟隨性能。設(shè)備的檢測(cè)結(jié)果表明，該溫控系統(tǒng)可以滿足不同加熱階段的不同功率要求，溫度控制的精度、恒溫區(qū)均勻性以及動(dòng)態(tài)跟隨性能等均符合工藝技術(shù)要求。