4英寸銻化銦晶體自動生長控制研究與實現

陳川貴,何 曄,白 濤,張 晟,李 金,余光波,陳 藝

(中國電子科技集團公司 第二十六研究所,重慶 401332)

0 引言

隨著現代科學技術及工程應用的不斷發展,銻化銦(InSb)晶體在光電子行業已得到廣泛應用[1]。其固體密度小于液體密度,熔點低[2],且極易在生長過程中氧化。在生長控制過程中,晶體生長狀態表現為對溫度(功率)變化的滯后性和敏感性。滯后性是指溫度(功率)改變較長一段時間內,晶體生長狀態不受影響。敏感性是指溫度(功率)改變或不改變的情況下,經過一定時間后,晶體生長狀態一旦出現變化,則晶體幾何形狀快速變化。正是基于這種材料對溫度(功率)變化的滯后性和敏感性,導致其生長過程難以控制。

對于銻化銦類晶體材料,此前均采用人工控制生長方式,嚴重依賴操作人員經驗。操作人員需不斷觀察晶體質量、位移、功率及外形尺寸,憑經驗進行計算和判斷,再以手動方式調整功率或改變提拉速度來達到控制晶體外形的目的,最終造成手動生長的晶體在外形上大小不一,晶體內部品質參差不齊,一致性差等問題[3]。

在銻化銦晶體自動生長實驗中,本文研究了溫度(功率)變化對該類晶體材料生長滯后性和敏感性間的關系,提煉出一套控制算法,并在實驗過程中得以驗證,為該類材料自動生長控制提供了支撐。

1 實驗

實驗采用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,加熱線圈為內徑?200 mm的銅線圈,內徑?180 mm的石英坩堝為容器,裝料8 kg。爐膛抽真空達到1×10-4Pa后,充入體積比4%的氫氣和96%的氮氣,流動的混合氣體作為工作介質,防止材料氧化,氣體流速為2 L/min。晶體提拉速度為12 mm/h,旋轉速度為12 r/min。晶體籽晶直徑為?12 mm,放肩長度為180 mm,等徑直徑為?130 mm,長度為100 mm。

4英寸(1 英寸=2.54 cm)銻化銦晶體(InSb)生長過程中發現,銻化銦(InSb)晶體對溫度(功率)變化的滯后性表現為晶體生長溫度(功率)變化后,需要一定時間的延遲,其晶體外形開始變化,且變化速度很快,即晶體突然長大或縮小。手動控制生長的銻化銦晶體如圖1所示。

圖1 手動控制生長銻化銦晶體

針對此類晶體材料對溫度(功率)變化的滯后性和敏感性,本文重點進行了控制算法研究和設計。在傳統積分微分比例(PID)控制算法基礎上,新控制算法需找到一個合理的功率改變量,并從晶體質量變化中找到一個生長拐點作為滯后性功率的切入點,即在晶體狀態發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出來前達到控制的目的,以解決材料對溫度(功率)變化的滯后性和敏感性問題。通過一系列實驗,調整算法中的相關參數,得到控制逐步優化的晶體如圖2所示。圖中晶體從左至右的晶體外形逐步轉好并接近設計要求。

圖2 控制逐步優化的晶體

2 自動化控制算法設計

由于該類晶體材料對溫度(功率)變化有滯后性和敏感性問題。本文假設某時刻加到晶體生長系統電源功率變化為ΔW,在滯后時間ΔT后,晶體生長得到控制。如果能即時解決ΔW和ΔT,就能成功實現晶體自動生長控制。

2.1 ΔW的算法

首先研究了功率變化量ΔW的算法。

1) 計算輸出功率基礎控制量U

基于傳統PID控制理論[4],通過理論模型與實際晶體生長模型的誤差e實時計算出晶體生長功率的調整量ΔW為

ΔWi=d0ei+d1ei-1+d2ei-2+…

(1)

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

通過調整式(1)中d0、d1、d2,控制系統即可計算出第i個采樣周期需要調整的加熱功率ΔWi,并實時計算每個周期的功率調整量ΔWi,但并不及時輸出到加熱電源上,而只是進行功率調整量的計算與累加,為后續實際的輸出功率調整量提供參考依據。在后續實際輸出功率調整時作為功率累加值U的分項:

U=∑ΔWi

(2)

2) 推算合理的輸出功率控制系數K

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

(3)

W=W0+KU

(4)

式中W0為上一個計算周期的輸出功率值,在本周期即為初始值。

2.2 ΔT拐點算法

在實際生長控制中發現,質量生長誤差呈現類似正弦波的方式震蕩。按照傳統PID控制,則存在較大的滯后性并引起超調。因此,本文假設能找到一個提前時間的輸出功率點ΔT,在晶體生長狀態快速改變前做出判斷,并實施提前輸出控制功率W,即可解決系統對溫度(功率改變量)的敏感性和滯后性難題。圖3為質量變化加速度曲線與外形對比圖。經過多次反復試驗,將曲線上不同的時間點作為加熱功率輸出調節點,在誤差e變化的拐點輸入功率調量,能夠得到較好的控制效果。

圖3 質量變化加速度曲線與外形對比圖

圖3中,4個黑色圓圈的梯形曲線點分別代表了質量變化曲線的拐點位置。第1、2個黑色圓圈相距時間間隔較近,以坐標起始點來計算,第2個黑色圓圈是功率改變點ΔT,而第1個黑色圓圈不是功率改變功率時間點位置。第2、3個黑色圓圈相距時間較遠,故第3個黑色圓圈位置也是功率改變時間點ΔT位置。而第4個黑色圓圈位置距離第3個黑色圓圈位置相距較近,所以也不是功率改變時間點ΔT位置。綜上所述,第1、4黑色圓圈位置處不是功率改變時間點ΔT位置,相應第2、3黑色圓圈位置是功率改變時間點ΔT位置。以上述原則來確定ΔT的拐點位置。

3 應用實現

將上述自動化控制算法應用到4英寸銻化銦控制軟件上,軟件控制流程如圖4所示。在實現自動控制實驗過程,根據生長的實際情況,分階段進行相關參數的調整,圖5為固定d0、d1、d2和K控制參數的晶體曲線圖。圖中,晶體實際直徑跟隨曲線進入到等徑前偏離了理論設計曲線。通過調整d0、d1、d2和K控制參數,生長的晶體等徑度明顯改善,如圖6所示。圖中,實際半徑曲線跟隨理論曲線的趨勢得到了改善。

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參數晶體曲線圖

圖6 調整d0、d1、d2和K參數后晶體曲線圖

通過不斷優化控制參數,最終實現了全自動化控制生長4英寸銻化銦晶體,如圖7所示。

圖7 全自動化控制生長4英寸銻化銦晶體

4 結束語

本文介紹了銻化銦晶體自動生長控制算法,突破了傳統PID自動生長控制思路,是一種全新的控制算法。該算法獨創了銻化銦這一類晶體功率修改量ΔW和滯后時間ΔT的控制思路。通過計算關鍵控制輸出點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溫度(功率改變量)敏感性及滯后性的難題,圓滿地實現了4英寸銻化銦晶體的自動控制生長,并有效拓展到3英寸、5英寸晶體自動生長工程實驗。