论文部分内容阅读
氮化镓(GaN)在充电市场、5G基站、电力系统、半导体照明、新能源汽车等领域均有着广泛的应用,氢化物气相外延(HVPE)是当今高质量GaN衬底材料制备的首要方式。如今GaN衬底的质量、可用性和价格均无法满足市场需求,因而迫切需要研制出高质量、低成本的大尺寸HVPE系统设备。本课题来源于国家重点研发计划,针对市面上用于GaN衬底生长设备无法满足6英寸衬底生长要求的现状,设计研发了大尺寸HVPE设备工艺自动控制系统,完成了对大尺寸外延均匀生长的精准调控,实现了 GaN材料的长时间稳定生长以及材料生长的自动化控制。根据HVPE工艺流程及控制需求,自主研发设计了 GaN HVPE设备工艺自动控制系统。整体控制方案选用“上位机+PLC+现场设备”的三级控制方式,即在上位机实现生长工艺编辑、温控算法及监控系统的运行,PLC经以太网接口与上位机相连,由此完成对生长工艺参数和现场设备状态的监控,最终通过现场仪器仪表的运转来完成系统的功能。针对HVPE系统压力控制、工艺安全控制以及尾气处理问题,提出了具体解决方案,设计并实现了相应的系统。文章对HVPE系统的温度控制问题进行了重点研究,简单阐述反应室加热炉的结构与工艺过程中对温度控制的要求;经过系统分析与相应实验,对加热温控系统进行建模,然后分别探讨了模糊自适应PID控制与变论域模糊自适应PID控制两种方法,对Simulink仿真结果和实测效果进行比较,发现后者的控制效果更好,最终选定此方法来实现HVPE系统的温度控制。此外,本文还对带Smith预估的控制算法进行研究,讨论将其应用到HVPE系统温度控制的可能性。HVPE控制系统选用SIEMENS S7-1200 PLC作为核心控制器,通过TIA的STEP7Professional进行PLC编程,分别设计了手动、自动控制程序;上位机监控系统是基于组态王6.55开发的,分为工艺现场监控与远程监控两部分,其中远程监控功能是借助GRM OPC无线通讯模块实现的。此外,通过Excel与组态王的DDE通信实现了生长工艺编辑功能,进而将工艺数据传输至PLC;由Matlab完成温控的算法,基于OPC机制构建Matlab与组态王之间的数据通道,实现算法运行所需实时温度数据与算法输出量的传递。本文开发的HVPE控制系统已在实验室自制HVPE设备上成功得到应用,到目前为止系统运行良好,且通过半年左右的设备联调与工艺试验,已成功制备出6英寸GaN衬底材料。