CN103526189A - 一种mocvd自动化控制*** - Google Patents

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张立国
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Abstract

本发明公开了一种MOCVD自动化控制***，包括执行模块和控制模块，该执行模块包括分别用于控制反应室内温度、压力、气体流量的温度控制模块、压力控制模块、流量控制模块，该控制模块可通过PID算法控制执行模块，该控制模块的扫描单元实时扫描所述执行模块，并自动记录扫描得到的执行信息到内置信息记录单元，同时传送执行信息至与控制模块连接的人机界面模块。本发明自动化程度高，可以自动检查和模拟MOCVD工艺，实现对MOCVD工艺的调整和优化，并且无需生长经验也可操作使用，同时能够大幅减轻工艺人员的工作量，还可以大大节省工艺搜索带来的能源，原材料及人力的巨大浪费。

Description

一种MOCVD自动化控制***
技术领域
本发明涉及一种金属有机化学气相沉积（MOCVD）设备，尤其涉及一种用于MOCVD设备的自动控制***。
背景技术
金属有机物化学气相沉积（MOCVD）是制备化合物半导体外延材料的核心设备，利用其所生长的材料品质完美，薄层结构可控，几乎涵盖了所有常规半导体，有着广阔的市场前景。
目前国际上的MOCVD设备都采用电脑控制，在电脑终端输入规范的控制信息，实现设备的流程运行控制，生长出合理的器件结构。例如Aixtron和Veeco的MOCVD设备，用户根据材料结构设计并输入文本格式命令，检查工艺命令无误后启用，设备按照工艺命令中设计好的流程自动运行。
但是由于MOCVD工艺步骤复杂，涉及的参数众多。例如，一个最简单的GaN蓝光LED单量子阱结构，工艺步骤多达几十步，每一步需调整的工艺参数有20多个，工艺人员需要根据工艺要求对各个参数逐一进行调整，必要时还要对升温速度、升压速度、生长速率控制、载气与气源配比等进行计算，另外工艺的复杂也导致输入的工艺命令，特别是设计新结构的时候，工艺命令会存在不少错误，检查工艺命令的过程会非常繁琐和花费时间，因此，工作量大，对工艺人员的要求高。因此，如何发展出一种有效的辅助工具，以辅助工作人员进行设计，并加快设计流程，且保证控制程序不会出现错误，已经成为业界亟待解决的技术难题。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种MOCVD自动化控制***，其具有高自动化程度，可以自动检查工艺和模拟工艺运行，无需生长经验也可操作使用。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种MOCVD自动化控制***，包括：
执行模块，包括分别用于控制反应室内温度、压力和气体流量的温度控制模块、压力控制模块和流量控制模块，
至少用以控制所述执行模块的控制模块，包括扫描单元和信息记录单元，
以及，与控制模块连接的人机界面模块，
其中，所述扫描单元至少实时扫描所述执行模块内的温度控制模块、压力控制模块和流量控制模块，并自动记录扫描得到的执行信息至所述信息记录单元，同时传送执行信息至所述人机界面模块。
作为较为优选的应用方案之一，所述控制模块通过PID算法控制所述执行模块。
作为较为优选的应用方案之一，所述执行模块通过RS485总线和通信协议与控制模块进行通信。
进一步地，所述温度控制模块包括温控器、热电偶、加热电阻片、工控机和PLC，在所述温度控制模块工作时，所述工控机在获得温控器监测的实时温度值后，与工艺命令内设定的温度值比较，并通过预设的温度控制算法计算出相应控制量，再输往PLC，并由PLC输出相应电压来控制加热电阻片，从而控制反应室温度。
进一步地，所述压力控制模块包括压力控制器、工控机和PLC，在所述压力控制模块工作时，所述工控机下发工艺命令给PLC，经PLC分析处理后，再将工艺数据传送给压力控制器，并由压力控制器根据检测的实时压力值和工艺命令给定值自动调节压力。
进一步地，所述流量控制模块包括质量流量控制器、工控机和PLC，在所述流量控制模块工作时，所述工控机下载工艺命令给PLC，经PLC分析处理后，再将工艺数据传送给质量流量控制器，并由质量流量控制器依据检测的实时流量值和工艺命令给定值自动调节流量。
进一步地，所述控制模块还包括历史数据记录单元和历史数据查询单元。
进一步地，所述控制模块还包括用于监测MOCVD工艺生长过程中任一重要参数的安全监控模块，且所述安全监控模块通过人机界面显示错误信息，并将错误信息存入所述控制模块内的历史数据记录单元，同时控制所述执行模块终止MOCVD生长运行。
进一步地，所述控制模块利用PID算法对所述温度控制模块、压力控制模块、流量控制模块，采集到的各类信号进行分析和控制，并通过人机界面模块设定工艺生长的物理参数，完成MOCVD工艺自动化生长流程。
优选的，在所述温度控制模块中，所述工控机可通过RS485串口得到温控器监测的实时温度值。
优选的，在所述压力控制模块中，所述工控机可通过RS485串口传送工艺命令给PLC。
并且，在所述压力控制器中可集成参数可调的PID控制算法，使其可以根据检测的实时压力值和工艺命令给定值，自动调节压力。
优选的，在所述流量控制模块中，可于质量流量控制器内集成参数可调的PID控制算法，使其可以根据检测的实时流量值和工艺命令给定值，自动调节流量。
又及，前述PID算法，温度控制算法，压力控制器、质量流量控制器所采用的PID控制算法均系业界人员所习知或可以依据习知技术及本发明的内容，可以很容易的获知的，故而此处不再具体阐述其原理。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：该MOCVD自动化控制***能够根据工艺需要自动对工艺参数进行检查，减轻了工艺人员的工作量，模拟MOCVD工艺运行全过程，实现对MOCVD工艺的调整和优化，可以大大节省工艺搜索带来的能源，原材料及人力的巨大浪费。
附图说明
图1是本发明一较佳实施例中一种MOCVD自动化控制***的原理框图；
图2是本发明一较佳实施例中一种MOCVD自动化控制***的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图及一较佳实施例对本发明的技术方案作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明公开了一种MOCVD自动化控制***，包括执行模块和控制模块，该执行模块包括分别用于控制反应室内温度、压力、气体流量的温度控制模块、压力控制模块、流量控制模块，该控制模块通过PID算法控制执行模块，该控制模块的扫描单元实时扫描各个执行模块，并自动记录扫描得到的执行信息到内置的信息记录单元，同时传送执行信息至与控制模块连接的人机界面模块。
该控制模块对采集到的各类信号进行分析和控制，采用PID算法，通过人机界面模块设定工艺生长的物理参数，完成MOCVD工艺自动化生长流程。
本发明提供了友好的人机界面模块，使用图形化查询的查看界面，各种参数一目了然，能及时了解各个执行模块的运行状况。该查看界面的功能是，把执行情况及各种信息，按照试验日期进行排列，并提供图形化的查询。通过此查看界面，操作者可以查看历史生长记录，包括温度变化，加热功率，升降温速率等。该查看界面还支持分段查询，工艺人员可以自由设定图形显示的范围，方便工艺人员总结经验。
该控制模块可通过RS485总线和通信协议与各个执行模块相连接。
该控制模块还可包括用于积累MOCVD生长经验的历史数据记录单元及用于查询历史数据的查询单元。
MOCVD工艺步骤复杂，涉及的参数众多。例如，一个最简单的GaN蓝光LED单量子阱结构，工艺步骤多达几十步，每一步需调整的工艺参数有20多个。MOCVD生长不同的材料，制备工艺又会有所不同。本发明的历史数据记录单元，可以在MOCVD生长过程中，记录并保存每一个重要参量。同时，该控制模块还提供查询单元，方便工艺人员从历史数据记录单元中读取信息，查询以往记录的生长过程参数，对比每一次MOCVD生长的过程和结果，从中总结经验。
该控制***还连接用于查询MOCVD工艺生长过程每一个重要参数的安全监控模块，且其通过可视界面显示错误信息，并将错误信息存入历史数据记录单元。该安全监控模块每隔一定时间就会查询***内每一个重要参数，一旦发现错误，则发出错误提示。该安全监控模块提供了可视界面，让工艺人员了解发生了什么错误，以便及时排除。同时，这些错误被存入历史数据记录单元，方便工艺人员总结经验。
另外，该安全监控模块还可设定某些特殊参数，例如反应室冷却水流量等，一旦这些特殊参数超出了预定范围，该安全监控模块会强行关闭执行模块，以保证***的安全运行。
需要指出的是，本发明所揭示的乃较佳实施例的一种或多种，凡是局部的变更或修饰而源于本发明的技术思想而为熟习该项技术的人所易于推知的，俱不脱离本发明的专利权范围。

Claims (9)

1.一种MOCVD自动化控制***，其特征在于，它包括：
执行模块，包括分别用于控制反应室内温度、压力和气体流量的温度控制模块、压力控制模块和流量控制模块，
至少用以控制所述执行模块的控制模块，包括扫描单元和信息记录单元，
以及，与控制模块连接的人机界面模块，
其中，所述扫描单元至少实时扫描所述执行模块内的温度控制模块、压力控制模块和流量控制模块，并自动记录扫描得到的执行信息至所述信息记录单元，同时传送执行信息至所述人机界面模块。
2.根据权利要求1所述的MOCVD自动化控制***，其特征在于，所述控制模块通过PID算法控制所述执行模块。
3.根据权利要求1所述的MOCVD自动化控制***，其特征在于，所述执行模块通过RS485总线和通信协议与控制模块进行通信。
4.根据权利要求1所述的MOCVD自动化控制***，其特征在于，所述温度控制模块包括温控器、热电偶、加热电阻片、工控机和PLC，在所述温度控制模块工作时，所述工控机在获得温控器监测的实时温度值后，与工艺命令内设定的温度值比较，并通过预设的温度控制算法计算出相应控制量，再输往PLC，并由PLC输出相应电压来控制加热电阻片，从而控制反应室温度。
5.根据权利要求1所述的MOCVD自动化控制***，其特征在于，所述压力控制模块包括压力控制器、工控机和PLC，在所述压力控制模块工作时，所述工控机下发工艺命令给PLC，经PLC分析处理后，再将工艺数据传送给压力控制器，并由压力控制器根据检测的实时压力值和工艺命令给定值自动调节压力。
6.根据权利要求1所述的MOCVD自动化控制***，其特征在于，所述流量控制模块包括质量流量控制器、工控机和PLC，在所述流量控制模块工作时，所述工控机下载工艺命令给PLC，经PLC分析处理后，再将工艺数据传送给质量流量控制器，并由质量流量控制器依据检测的实时流量值和工艺命令给定值自动调节流量。
7.根据权利要求1所述的MOCVD自动化控制***，其特征在于，所述控制模块还包括历史数据记录单元和历史数据查询单元。
8.根据权利要求1所述的MOCVD自动化控制***，其特征在于，所述控制模块还包括用于监测MOCVD工艺生长过程中任一重要参数的安全监控模块，且所述安全监控模块通过人机界面显示错误信息，并将错误信息存入所述控制模块内的历史数据记录单元，同时控制所述执行模块终止MOCVD生长运行。
9.根据权利要求1所述的MOCVD自动化控制***，其特征在于，所述控制模块利用PID算法对所述温度控制模块、压力控制模块、流量控制模块，采集到的各类信号进行分析和控制，并通过人机界面模块设定工艺生长的物理参数，完成MOCVD工艺自动化生长流程。
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