4英寸銻化銦晶體自動(dòng)生長(zhǎng)控制研究與實(shí)現(xiàn)

陳川貴,何 曄,白 濤,張 晟,李 金,余光波,陳 藝

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第二十六研究所,重慶 401332)

0 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)及工程應(yīng)用的不斷發(fā)展,銻化銦(InSb)晶體在光電子行業(yè)已得到廣泛應(yīng)用[1]。其固體密度小于液體密度,熔點(diǎn)低[2],且極易在生長(zhǎng)過(guò)程中氧化。在生長(zhǎng)控制過(guò)程中,晶體生長(zhǎng)狀態(tài)表現(xiàn)為對(duì)溫度(功率)變化的滯后性和敏感性。滯后性是指溫度(功率)改變較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi),晶體生長(zhǎng)狀態(tài)不受影響。敏感性是指溫度(功率)改變或不改變的情況下,經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后,晶體生長(zhǎng)狀態(tài)一旦出現(xiàn)變化,則晶體幾何形狀快速變化。正是基于這種材料對(duì)溫度(功率)變化的滯后性和敏感性,導(dǎo)致其生長(zhǎng)過(guò)程難以控制。

對(duì)于銻化銦類晶體材料,此前均采用人工控制生長(zhǎng)方式,嚴(yán)重依賴操作人員經(jīng)驗(yàn)。操作人員需不斷觀察晶體質(zhì)量、位移、功率及外形尺寸,憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算和判斷,再以手動(dòng)方式調(diào)整功率或改變提拉速度來(lái)達(dá)到控制晶體外形的目的,最終造成手動(dòng)生長(zhǎng)的晶體在外形上大小不一,晶體內(nèi)部品質(zhì)參差不齊,一致性差等問(wèn)題[3]。

在銻化銦晶體自動(dòng)生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)中,本文研究了溫度(功率)變化對(duì)該類晶體材料生長(zhǎng)滯后性和敏感性間的關(guān)系,提煉出一套控制算法,并在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中得以驗(yàn)證,為該類材料自動(dòng)生長(zhǎng)控制提供了支撐。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用30 kg電子秤作為上提拉稱重的單晶爐,加熱電源是額定功率40 kW的中頻電源,加熱線圈為內(nèi)徑?200 mm的銅線圈,內(nèi)徑?180 mm的石英坩堝為容器,裝料8 kg。爐膛抽真空達(dá)到1×10-4Pa后,充入體積比4%的氫氣和96%的氮?dú)?流動(dòng)的混合氣體作為工作介質(zhì),防止材料氧化,氣體流速為2 L/min。晶體提拉速度為12 mm/h,旋轉(zhuǎn)速度為12 r/min。晶體籽晶直徑為?12 mm,放肩長(zhǎng)度為180 mm,等徑直徑為?130 mm,長(zhǎng)度為100 mm。

4英寸(1 英寸=2.54 cm)銻化銦晶體(InSb)生長(zhǎng)過(guò)程中發(fā)現(xiàn),銻化銦(InSb)晶體對(duì)溫度(功率)變化的滯后性表現(xiàn)為晶體生長(zhǎng)溫度(功率)變化后,需要一定時(shí)間的延遲,其晶體外形開始變化,且變化速度很快,即晶體突然長(zhǎng)大或縮小。手動(dòng)控制生長(zhǎng)的銻化銦晶體如圖1所示。

圖1 手動(dòng)控制生長(zhǎng)銻化銦晶體

針對(duì)此類晶體材料對(duì)溫度(功率)變化的滯后性和敏感性,本文重點(diǎn)進(jìn)行了控制算法研究和設(shè)計(jì)。在傳統(tǒng)積分微分比例(PID)控制算法基礎(chǔ)上,新控制算法需找到一個(gè)合理的功率改變量,并從晶體質(zhì)量變化中找到一個(gè)生長(zhǎng)拐點(diǎn)作為滯后性功率的切入點(diǎn),即在晶體狀態(tài)發(fā)生改變的最初始位置施加功率改變量,從而在晶體敏感性表現(xiàn)出來(lái)前達(dá)到控制的目的,以解決材料對(duì)溫度(功率)變化的滯后性和敏感性問(wèn)題。通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn),調(diào)整算法中的相關(guān)參數(shù),得到控制逐步優(yōu)化的晶體如圖2所示。圖中晶體從左至右的晶體外形逐步轉(zhuǎn)好并接近設(shè)計(jì)要求。

圖2 控制逐步優(yōu)化的晶體

2 自動(dòng)化控制算法設(shè)計(jì)

由于該類晶體材料對(duì)溫度(功率)變化有滯后性和敏感性問(wèn)題。本文假設(shè)某時(shí)刻加到晶體生長(zhǎng)系統(tǒng)電源功率變化為ΔW,在滯后時(shí)間ΔT后,晶體生長(zhǎng)得到控制。如果能即時(shí)解決ΔW和ΔT,就能成功實(shí)現(xiàn)晶體自動(dòng)生長(zhǎng)控制。

2.1 ΔW的算法

首先研究了功率變化量ΔW的算法。

1) 計(jì)算輸出功率基礎(chǔ)控制量U

基于傳統(tǒng)PID控制理論[4],通過(guò)理論模型與實(shí)際晶體生長(zhǎng)模型的誤差e實(shí)時(shí)計(jì)算出晶體生長(zhǎng)功率的調(diào)整量ΔW為

ΔWi=d0ei+d1ei-1+d2ei-2+…

(1)

式中:ΔWi為第i個(gè)周期的功率調(diào)整量;d0、d1、d2為PID控制系數(shù);ei、ei-1、ei-2分別為第i、i-1、i-2采樣周期的誤差值。

通過(guò)調(diào)整式(1)中d0、d1、d2,控制系統(tǒng)即可計(jì)算出第i個(gè)采樣周期需要調(diào)整的加熱功率ΔWi,并實(shí)時(shí)計(jì)算每個(gè)周期的功率調(diào)整量ΔWi,但并不及時(shí)輸出到加熱電源上,而只是進(jìn)行功率調(diào)整量的計(jì)算與累加,為后續(xù)實(shí)際的輸出功率調(diào)整量提供參考依據(jù)。在后續(xù)實(shí)際輸出功率調(diào)整時(shí)作為功率累加值U的分項(xiàng):

U=∑ΔWi

(2)

2) 推算合理的輸出功率控制系數(shù)K

在輸出控制功率調(diào)整量,本文并不是完全輸出上述功率累加值U值,而是根據(jù)誤差e在整個(gè)調(diào)整周期里的變化趨勢(shì)得到一個(gè)比例系數(shù)K,實(shí)際輸出為KU值。在整個(gè)控制周期內(nèi),控制程序不斷篩選該控制周期的最大值emax和最小值emin,在需要實(shí)際輸出功率時(shí),控制系數(shù)K及輸出功率W分別為

(3)

W=W0+KU

(4)

式中W0為上一個(gè)計(jì)算周期的輸出功率值,在本周期即為初始值。

2.2 ΔT拐點(diǎn)算法

在實(shí)際生長(zhǎng)控制中發(fā)現(xiàn),質(zhì)量生長(zhǎng)誤差呈現(xiàn)類似正弦波的方式震蕩。按照傳統(tǒng)PID控制,則存在較大的滯后性并引起超調(diào)。因此,本文假設(shè)能找到一個(gè)提前時(shí)間的輸出功率點(diǎn)ΔT,在晶體生長(zhǎng)狀態(tài)快速改變前做出判斷,并實(shí)施提前輸出控制功率W,即可解決系統(tǒng)對(duì)溫度(功率改變量)的敏感性和滯后性難題。圖3為質(zhì)量變化加速度曲線與外形對(duì)比圖。經(jīng)過(guò)多次反復(fù)試驗(yàn),將曲線上不同的時(shí)間點(diǎn)作為加熱功率輸出調(diào)節(jié)點(diǎn),在誤差e變化的拐點(diǎn)輸入功率調(diào)量,能夠得到較好的控制效果。

圖3 質(zhì)量變化加速度曲線與外形對(duì)比圖

圖3中,4個(gè)黑色圓圈的梯形曲線點(diǎn)分別代表了質(zhì)量變化曲線的拐點(diǎn)位置。第1、2個(gè)黑色圓圈相距時(shí)間間隔較近,以坐標(biāo)起始點(diǎn)來(lái)計(jì)算,第2個(gè)黑色圓圈是功率改變點(diǎn)ΔT,而第1個(gè)黑色圓圈不是功率改變功率時(shí)間點(diǎn)位置。第2、3個(gè)黑色圓圈相距時(shí)間較遠(yuǎn),故第3個(gè)黑色圓圈位置也是功率改變時(shí)間點(diǎn)ΔT位置。而第4個(gè)黑色圓圈位置距離第3個(gè)黑色圓圈位置相距較近,所以也不是功率改變時(shí)間點(diǎn)ΔT位置。綜上所述,第1、4黑色圓圈位置處不是功率改變時(shí)間點(diǎn)ΔT位置,相應(yīng)第2、3黑色圓圈位置是功率改變時(shí)間點(diǎn)ΔT位置。以上述原則來(lái)確定ΔT的拐點(diǎn)位置。

3 應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

將上述自動(dòng)化控制算法應(yīng)用到4英寸銻化銦控制軟件上,軟件控制流程如圖4所示。在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)過(guò)程,根據(jù)生長(zhǎng)的實(shí)際情況,分階段進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的調(diào)整,圖5為固定d0、d1、d2和K控制參數(shù)的晶體曲線圖。圖中,晶體實(shí)際直徑跟隨曲線進(jìn)入到等徑前偏離了理論設(shè)計(jì)曲線。通過(guò)調(diào)整d0、d1、d2和K控制參數(shù),生長(zhǎng)的晶體等徑度明顯改善,如圖6所示。圖中,實(shí)際半徑曲線跟隨理論曲線的趨勢(shì)得到了改善。

圖4 4英寸銻化銦晶體軟件控制流程

圖5 固定d0、d1、d2和K參數(shù)晶體曲線圖

圖6 調(diào)整d0、d1、d2和K參數(shù)后晶體曲線圖

通過(guò)不斷優(yōu)化控制參數(shù),最終實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化控制生長(zhǎng)4英寸銻化銦晶體,如圖7所示。

圖7 全自動(dòng)化控制生長(zhǎng)4英寸銻化銦晶體

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了銻化銦晶體自動(dòng)生長(zhǎng)控制算法,突破了傳統(tǒng)PID自動(dòng)生長(zhǎng)控制思路,是一種全新的控制算法。該算法獨(dú)創(chuàng)了銻化銦這一類晶體功率修改量ΔW和滯后時(shí)間ΔT的控制思路。通過(guò)計(jì)算關(guān)鍵控制輸出點(diǎn)ΔT、以及確定具體功率修正值ΔW,有效地解決了銻化銦晶體對(duì)溫度(功率改變量)敏感性及滯后性的難題,圓滿地實(shí)現(xiàn)了4英寸銻化銦晶體的自動(dòng)控制生長(zhǎng),并有效拓展到3英寸、5英寸晶體自動(dòng)生長(zhǎng)工程實(shí)驗(yàn)。