Система автоматического управления температурным режимом установки градиентной жидкофазной кристаллизации

УДК 681.5.08

СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫМ РЕЖИМОМ УСТАНОВКИ ГРАДИЕНТНОЙ ЖИДКОФАЗНОЙ

КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

© 2008 г. И.А. Сысоев

Волгодонский институт

Institute of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute), Volgodonsk

Представлено разработанное устройство для автоматического высокоточного контроля и управления температурным режимом на технологической установке градиентной жидкофазной кристаллизации (ГЖК). В устройстве применен метод динамической обработки информации, принимаемой персональным компьютером с внешних цифровых измерительных приборов. Показано, что разработанная система позволяет реализовать практически все варианты жидкофазной эпитаксии для получения как микро-, так и наноструктур.

Ключевые слова: кристаллизация, контроль, температурный режим.

In the work the developed device for the temperature mode automatic precision control and management of a liquid phase gradient crystallization technique is submitted. In the device an information dynamic processing method accepted by a personal computer from external digital measuring devices is applied. It's shown, that the developed system allows to realize practically all variants of liquid phase epitaxy for reception both micro- and nanostructures.

Keywords: crystallization, checking, warm-up mode.

При проведении исследований для получения микро- и наноструктур на технологической установке градиентной кристаллизации требуется высокоточное измерение и управления температурными режимами и максимальной воспроизводимости технологических процессов. Для проведения таких исследований был разработан прибор, позволяющий контролировать температуру в 3 точках системы в диапазоне от 0 °C до 1300 °C. В качестве датчиков прибор использует хромель-алюмелевые термопары (ХА), которые относительно недороги и работают в широком диапазоне температур (рис. 1).

Установка ГЖК оснащена комплексом автоматизированного управления температурными режимами с применением ПК.

В комплекс входят: управляющий блок, компьютер. Аппаратная часть включает в себя следующие блоки: блок измерения сигналов, блок управления нагревателями, блок управления комплексом. Блок измерения обеспечивает измерение сигналов с 3 термопар, сигналов с датчика комнатной температуры и датчика давления, измерение сигнала с системы охлаждения.

Блок управления нагревателями осуществляет преобразование управляющего воздействия в напряжение и вывод его в верхний и нижний нагреватели. Блок управления комплексом обеспечивает управление всем устройством, соединение и обмен данными с ПК.

Рис. 1. Тепловой узел установки градиентной кристаллизации из жидкой фазы: 1 - электроды, 2 - корпус кассеты, 3 - шток, 4 - поршни, 5 - болты для фиксирования установочного кольца, 6 - термопары, 7 - нагреватель, 8 - ограничительное кольцо, 9 - подложка, 10 - графитовый пятак с отверстиями для смачивания подложки расплавом

Программная часть микроконтроллера задает функционирование всех узлов устройства: получение сигнала с термопар, с датчика комнатной температуры, преобразование в числовое значение температуры, получение сигнала с датчика давления и с датчика системы охлаждения, вывод на индикацию, посылку на ПК, приём информации с ПК, вывод управляющего воздействия на ЦАП нагревателей [1]. Программная часть ПК обеспечивает получение информации от

аппаратной части через СОМ-порт и её передачу, организацию интерфейса с пользователем: вывод информации о термопарах на экран в графической и числовой форме, возможность управления устройством, ведение журнала температур. Блок-схема комплекса автоматизированного управления температурными режимами с применением ПК показана на рис. 2.

Аналоговый сигнал с термопар преобразуется в цифровой и передается в компьютер. Для задания в установке необходимого температурного режима используется специализированная программа, которая позволяет разбить процесс на стадии и на каждой стадии измерять температуру, вычислять управляющее воздействие с помощью пропорционального интегрально-дифференциального (ПИД) регулятора для цифро-аналогового преобразователя, который управляет нагревателями установки.

Необходимость введения ПИД-регулятора вызвана тем, что зависимость инертности системы от температуры имеет нелинейный характер. С повышением температуры инертность системы снижается как при нагревании, так и при охлаждении. Если в диапазоне температур от 30 до 200 °С время запаздывания при реакции системы на ступенчатое управляющее воздействие составляет порядка 10 ~ 12 мин, то в интервале от 200 до 500 °С - до 6 мин, а в основном рабочем интервале температур (700 - 900 °С) - менее минуты. Глобальное задание коэффициентов регулятора (одни и те же параметры на всех стадиях), конечно,

существенно упрощает программу, однако это вызывает необходимость проводить настройку регулятора в рабочем диапазоне температур. Так как при высоких температурах время реакции системы на управляющее воздействие мало, необходимо избегать резких колебаний управляющего сигнала, способных вывести систему из равновесия или нарушить температурный режим. Для этого требуется увеличить интегральную и уменьшить дифференциальную составляющую регулятора.

Вследствие того что в области низких температур регулятор настроен на малую инертность системы, в лучшем случае будет происходить вынужденное растягивание процесса по времени (требуется участие оператора), в худшем - большие отклонения температуры от задания, возрастающая ошибка регулирования и в итоге - полная разбалансировка системы. При переходных процессах необходима другая настройка: резкие переходные процессы (переход от нагрева к выдержке) требуют повышенных коэффициента усиления и дифференциального звена, позволяющих системе управления быстро перестроиться на новый режим работы, не вызывая при этом больших всплесков температуры. Эти факторы потребовали введения в программу метода, позволяющего задавать коэффициенты регулятора для каждой стадии в отдельности, что придает системе необходимую гибкость и возможность корректно работать на всех стадиях процесса.

датчик давления

ю I— tJ и

г-

03) QL

•220 В

РН-

160

-220Е

AD 7714

Е-Д

РН-

160

ЦАП

ЦАП

БУФЕР

БУФЕР

Датчик комнатной температурь

3

SPI

АЦП Нп

SPI

J

\J

Управляю

щая программа

ATMEGA 8535

TTL/com-порт

Визуализация техпроцесса

Программа обработки данных на ПК

СОМ порт

ПК

Рис. 2. Блок-схема комплекса автоматизированного управления температурными режимами установки ЗПГТ

В результате экспериментов по управлению заданными температурными режимами были выработаны следующие рекомендации:

- при задании коэффициентов регулятора нужно учитывать инерционность конкретной технологической установки

- для каждой стадии процесса надо задавать свои коэффициенты ПИД-регулятора.

- коэффициенты ПИД-регулятора каждой стадии процесса необходимо выбирать с учётом её динамики.

Отслеживание температурного режима в процессе ГЖК в основном ведется в трех точках: в плоскости рабочей подложки, а также сверху и снизу от нее, соответственно для отслеживания средней температуры зоны и градиента температур в рабочей зоне. Температура зоны определяет коэффициент диффузии атомов в жидкой фазе и наклон линии ликвидуса диаграммы состояния системы, которые влияют на скорость перекристаллизации [2]. Градиент температуры задает также производительность процесса (скорость перекристаллизации), качество выращиваемого материала и формируемых структур (стабильность процесса, сохранение формы зон) [3]. Наиболее сложным является создание необходимой конфигурации поля температурного градиента. На некоторых участках процесса (смачивание, рост кристалла) стабильность этого параметра носит достаточно критический характер [4].

Разработанное программное обеспечение для управления нагревателями в процессе ГЖК представляет собой Windows-приложение с графическим интерфейсом, осуществляющее отслеживание температур и управление двумя нагревателями в установке ГЖК через СОМ-порт. Для этого установка была оснащена соответствующим устройством приема-передачи информации между компьютером, тири-сторным блоком управления мощностью нагревателей и группой контрольных термопар. Кроме того, программа дает возможность оператору в динамике наблюдать происходящий процесс в виде графиков, контролировать и изменять параметры автоматического регулятора, либо производить ручное управление (которое также реализовано в программе). Возможен также гибридный режим: один нагреватель управляется автоматически, а второй - вручную.

Программа призвана, прежде всего, обеспечить высокую точность поддержания температуры, что обеспечивается соответствующей точностью измерений и гибкостью параметров управления. Управляющее воздействие вырабатывается в программе по дискретному пропорционально-интегрально-дифференциальному (ПИД) закону регулирования, который имеет вид:

U(k) _ U(k-1) T

T

+ K (E(k) - E(k-1) + 2 T E(k-1) '

+Td- (E(k) - 2E T

L(k-1) + E(k-2))) ,

где ида, и(к_Г) - управляющее воздействие на текущем и предыдущем шаге квантования; К, Т, Тл - коэффи-

циент усиления, постоянная интегрирования и постоянная дифференцирования, соответственно; T0 - интервал квантования по времени; k _ порядковый номер отсчета дискретного времени; Еда, E(k_i), E(k-2) _ значения рассогласований между заданным и реальным значением сигнала на соответствующих шагах квантования.

Автоматическое управление обоими нагревателями установки ГЖК осуществляется по одному закону, но с разными исходными данными. Для основного регулятора за основу вычисления U(k) берется рассогласование между задатчиком и показаниями средней термопары. Второй регулятор отслеживает разницу между верхней и нижней термопарами, т.е. градиент. Соответственно, процесс автоматического регулирования руководствуется двумя задатчиками, для редактирования которых в программу встроено специальное средство. Программная реализация задатчика представляет собой массив переменных, каждая из которых имеет следующую структуру: _ название стадии; _ время выполнения стадии , с; _ температура в средней точке в начальный момент стадии, °С;

_ температура в средней точке в конечный момент стадии, °С;

_ градиент температур в начальный момент стадии, °С /см;

_ градиент температур в конечный момент стадии, °С /см;

_ коэффициенты регуляторов (Kb Ть Тл, K2, T2,

Td2).

При загрузке задатчика в регулятор, в соответствии с введенными данными производится расчет значений задатчика для каждого момента дискретного времени на протяжении всего времени, отведенного под процесс, с учетом текущего интервала квантования. По данным расчета на графической панели главного окна программы строятся графики, иллюстрирующие модель предстоящего процесса.

Необходимость введения последнего компонента в задатчик (коэффициенты регулятора) вызвана тем, что зависимость инертности системы от температуры имеет нелинейный характер и требует различной реакции программы в различных температурных диапазонах. Кроме того, участие второго регулятора, следящего за градиентом температур, оказывает негативное влияние на равновесное состояние основного регулятора. Так, на начальных стадиях нагрева стремление поддерживать величину градиента на заданном уровне вызывает серьезные возмущения в цепи обратной связи основного регулятора, тем самым не позволяя ему выйти на режим. Дальнейшая стабилизация системы при этом сильно затруднена или практически не осуществима. Чтобы этого не происходило, приходится на начальной стадии нагрева «отключать» второй регулятор, задавая ему коэффициент усиления равным нулю.

Смена направления градиента либо изменение его величины также оказывает влияние на среднюю тем-

пературу зоны, и в случае некорректной настройки регулятора может вызвать всплески до 3 °С. Помимо увеличенной дифференциальной составляющей основного регулятора, при таких переходных процессах требуется сгладить колебания градиентного регулятора, т. е. увеличить его интегральное звено.

При режимах работы, когда градиент температур в рабочей зоне близок к нулю, т. е. температуры обоих нагревателей находятся приблизительно на одном уровне, градиентный регулятор оказывает наибольшее влияние на среднюю температуру зоны. Объясняется это тем, что нагреватель, обеспечивающий необходимый градиент, вносит почти такой же вклад в среднюю температуру зоны, что и основной. Это вызывает некоторое ослабление основного управляющего воздействия, так как часть энергии на поддержание температуры приходит от второго нагревателя. Такое состояние снижает общую управляемость системы и тоже чревато большими всплесками или спадами средней температуры, поэтому требует еще более сглаженных действий градиентного регулятора, дающих возможность основному удерживать среднюю температуру в приемлемом диапазоне.

На основе описанных наблюдений была проведена предварительная настройка регулятора, результаты работы которой показаны на рис. 3 и 4.

что характер инертности системы меняется с повышением температуры.

1

2 3 4 5 6

T, °С 1

940

2 3 4

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

t, с

T, °С

900 800 700 600 500 400 300 200 100 0

Рис. 3. Процесс нагрева: 1 - нижняя термопара; 2 - верхняя термопара; 3 - средняя термопара; 4 - управляющий сигнал ЦАП 1; 5 - управляющий сигнал ЦАП 2; 6 - заданная температура в зоне нагрева

Рис. 3 иллюстрирует процесс входа регулятора в режим нагрева. Успокоение сигналов заняло около 20 мин, после чего предельные отклонения от заданной температуры составляли ±2 °С. Это связано с тем,

Рис. 4. Переходные процессы: 1 - нижняя термопара; 2 - средняя термопара; 3 - верхняя термопара; 4 - заданная температура в зоне нагрева

На рис. 4 показан процесс перехода от нагрева к выдержке с последующим переходом в процесс гомогенизации. Регулятору понадобилось менее двух минут, чтобы перестроиться с процесса нагрева на выдержку. Однако на то, чтобы сделать температурное поле равномерным по всему рабочему объему, ушло гораздо больше времени - около 45 мин. После входа в режим гомогенизации регулятор управляет с точностью ±0,1 °С. При более точной настройке регулятора достигается точность ±0,03 °С.

Таким образом, разработанное устройство автоматического контроля и управления температурным режимом градиентной жидкофазной кристаллизации позволяет на первых минутах вывода установки на заданное температурное поле свести отклонения текущих значений температуры от задаваемых <0,1 °С, обеспечивает воспроизводимость состава и структуры образцов выращиваемых кристаллических многокомпонентных твердых растворов.

Литература

1. Мазуров В.М. Теоретические основы построения эффективных АСУ ТП. М., 1998.

2. Пфанн В. Зонная плавка: Пер. с англ. М., 1970.

3. Лозовский В.Н. Зонная плавка с градиентом температур. М., 1978.

4. Уфимцев В.Б., Акчурин Р.Х. Физико-технические основы жидкофазной эпитаксии. М., 1983.

Поступила в редакцию

1 июля 2008 г.

Сысоев Игорь Александрович - канд. техн. наук, доцент, зав. кафедрой «Электротехника и автоматика» Волгодонского института (филиала) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). Тел. (86392) 2-78-66. E-mail: eianpisia@yandex.ru