[发明专利]大流量气相法晶体生长的压力自适应模糊控制方法

说明书

本发明公开了一种大流量气相法晶体生长的压力自适应模糊控制方法，针对于动态气氛的大流量特性，采用了电控碟阀，实现压力控制的快速性。此外，针对传统的PID控制模式，在上位机控制系统中，将模糊控制算法应用到控压仪表的PID参数调节中，根据压力的测量值和目标值自动修正控压仪表的PID三个控制参数，不仅可省去依赖于工艺人员的常规PID调节过程，而且还能保证生长过程中全程压力范围内任意数值的压力控制的精准性，本发明特别适用于大腔室大气流环境下的晶体生长过程中快速精准的压力控制。

技术领域

本发明涉及一种晶体生长的压力自适应模糊控制方法，特别涉及一种大流量气相法晶体生长的压力自适应模糊控制方法。

背景技术

压力控制在晶体材料制备中广泛存在。压力控制的核心就是使得系统的进气量和排气量达到一个相对的平衡，实现方式有两种，一是固定排气量，通过调节进气量实现压力平衡，比如排气通过保持一定开度的针阀，进气通过流量计并且流量大小可调，这样的方式更多地应用在小腔室、小流量的生长系统中；二是固定进气量，通过调节排气量实现压力平衡，比如利用气体流量计设定一定的进气量，通过调节碟阀、球阀的开启比例，或者通过变频器控制真空泵的抽速来实现系统的压力控制，这样的控制方式更适用于大腔室、大流量动态气氛下的晶体生长系统。

无论是控制进气，还是控制排气，控制装置可以采用控压仪表或者PLC控制器中的PID模块，两者都是根据压力测量值和目标设定值及采样时间，依照PID输出计算公式将控制输出转换为电流或者电压信号送给流量控制设备，如调节气体流量计的流量大小或调整碟阀和球阀的开启比例，从而实现系统的压力控制。但是常规的控压仪表或PLC中的PID模块都只有一套PID参数，对于晶体生长压力变化较大或者需要多段压力控制工艺的系统来说，一套PID参数难以满足在不同压力区间的控制效果，如果想获得理想的控制效果，还需要有操作经验的工艺人员逐步调整PID控制参数。

以碳化硅等气相法晶体生长来说，随着晶体尺寸不断增大的需求，单晶生长腔室由最初的小体积的石英结构，逐步升级为目前的大体积的不锈钢炉体，之前的针阀压力控制系统转变为目前的碟阀或者球阀装置。此外，晶体质量要求的不断提升对单晶生长各个工艺环节的控制要求也逐步加强，尤其是对气相法生长过程中的压力控制的精准性和快速性要求更高。在晶体生长的初期和末期需要炉内保持在较大的压力状态下以防止自发成核，在生长过程中又需要保证炉内的低压状态，并尽量减少压力扰动以降低晶体产生诸如包裹、微管道等缺陷，可见压力控制的准确性对晶体的质量具有很大的影响。除了人为的改变工艺参数，比如生长系统的目标压力由低压变为高压，还有一种情况在实际的单晶生长实验中广泛存在，那就是工艺参数保持不变，但是系统的加热和保温系统都会随着使用次数的增加而逐步发生老化，对于像碳化硅单晶生长保温系统来说，它本身属于多孔的一种材质，它对气体的透过率会随着老化而逐步变差，但是随着实验次数的增加，保温系统的老化会导致控制效果逐渐变差，如果不及时调整PID参数会使得控制效果越来越差，而本申请所采用模糊自适应压力控制系统就可以在系统参数发生变化时能够及时的调整PID控制参数，使得本系统始终以最佳的状态进行工作，以保证晶体生长质量，这就具有重要的现实意义。

发明内容

鉴于现有技术存在的问题，本发明提供一种大流量气相法晶体生长的压力自适应模糊控制方法，适用于大腔室大气流环境下晶体生长过程中压力控制。具体技术方案是，一种大流量气相法晶体生长的压力自适应模糊控制方法，基于大流量气相法晶体生长炉的仪表控制系统，其包括生长腔室、进气管道、氩气流量计、压力变送器、控压仪表、机械泵、分子泵前级阀、分子泵、排气管道、压力传感器，其特征在于：还包括上位机、电控碟阀，上位机通过通讯缆分别与氩气流量计、控压仪表连接，电控碟阀通过排气管道分别与生长腔室、排气管道与机械泵连接，构成大流量气相法晶体生长的压力自适应模糊控制系统；压力控制调节方法为上位机根据压力的测量值和设定值之间的偏差及偏差的变化率的大小，按照模糊控制规则所获得的PID参数增量调节，更新控压仪表中的三个PID参数，具体包括以下步骤：