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学位论文题目氮化镓有机化合物气相淀积（GaN MOCVD）设备控制系统研究

作　者: 胡晓宇
导　师: 李杰；魏唯
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 控制工程
关键词: GaN-MOCVD 加热器温度控制模糊PID 仿真 PLC
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

GaN MOCVD设备是高亮度蓝光LED生产线中技术难度最大、价格最为昂贵的设备,其控制对象包括温控仪、流量计、压控仪、伺服电机、真空泵、露点仪、报警器、纯化器以及数量众多的I／O控制与联锁,控制系统十分复杂。目前,国内GaN MOCVD设备及控制技术较为落后,是半导体照明产业链中急待突破的瓶颈技术,也是我国半导体照明工程实施中最大的障碍。文章在对国外MOCVD设备控制方法进行充分调研后,自主设计了GaNMOCVD设备工艺自动控制系统。总体控制方案采用“上位机+PLC”的两级控制模式：上位机完成工艺编辑、数据管理和全中文、图形化显示功能；PLC完成所有模拟量、开关量的监测与控制,通过以太网与上位机进行数据交换,并通过串行通讯实现对各种仪器仪表的监控。文章针对MOCVD系统的几个关键控制问题,如MO源精确输运控制、气体无扰动切换控制、压力闭环自动控制、温度控制等,提出了实施方案,分析并实现了相应的系统。鉴于反应室温度控制对MOCVD系统的重要性,文章重点研究了该问题,根据相关机理分析和相关试验,指出该系统温度控制的主要困难：(1)控制对象具有大滞后、非线性和参数温变等特点；(2)温控系统的检测温度(加热盘底部中心温度)和控制温度(加热盘表面温度)不一致。针对这些问题,文章利用试验建立了不同温度范围的温控对象模型,提出了利用试验方法研究系统温度校正与加热功率分配的方法,并提出了基于模糊PID的温度控制方法。仿真分析和实测结果都表明文章提出的基于模糊PID的MOCVD温控方案明显优于传统PID控制,能够满足系统要求。文章还介绍了系统的软硬件开发方法,包括上位机和PLC的硬件配置选型、程序设计和界面开发等。经过两年多的设计与制造,6个多月的现场调试与工艺试验,文章研究的GaN MOCVD设备在用户单位成功外延出GaN蓝光LED芯片,设备技术指标和工艺指标达到合同要求,受到项目验收专家组的好评。

全文目录

摘要  10-11
ABSTRACT  11-12
第一章绪论  12-25
  1.1 课题的背景与意义  12-14
  1.2 半导体照明技术概况  14-16
    1.2.1 国外半导体照明技术概况  14-15
    1.2.2 国内半导体照明技术概况  15-16
  1.3 LED生产工艺流程及设备概述  16
  1.4 GaN MOCVD设备概述  16-21
    1.4.1 国外GaN MOCVD设备的概述  17-18
    1.4.2 国内GaN MOCVD设备现状  18-19
    1.4.3 GaN MOCVD设备的工艺特点  19-21
  1.5 GaN MOCVD设备控制系统概况  21-24
    1.5.1 GaN MOCVD设备的控制对象简介  21
    1.5.2 国内外GaN MOCVD设备控制系统概况  21-23
    1.5.3 自主研发GaN MOCVD控制系统存在的主要问题  23-24
  1.6 本文的研究内容和结构  24-25
    1.6.1 主要研究内容  24
    1.6.2 本文组织结构  24-25
第二章 GaN MOCVD工艺分析与基本控制方案  25-37
  2.1 MOCVD工艺流程及控制需求  25-27
    2.1.1 MOCVD反应原理简介  25-26
    2.1.2 MOCVD设备及控制需求  26-27
  2.2 MOCVD基本控制方案  27-36
    2.2.1 MOCVD总体控制方案  27
    2.2.2 MO源精确输运控制方案  27-31
    2.2.3 气体无扰动切换工作原理与控制方案  31-34
    2.2.4 闭环压力自动控制原理与设计方案  34-36
  2.3 本章小结  36-37
第三章 GaN-MOCVD系统温度控制研究  37-61
  3.1 反应器工作原理与基本温控方案  37-39
    3.1.1 反应器基本结构与工作原理  37-39
    3.1.2 基本温控方案  39
  3.2 表面温度校正与加热功率分配  39-41
  3.3 温控对象建模研究  41-45
    3.3.1 温度控制系统分析  41-43
    3.3.2 温度控制对象模型辨识  43-45
  3.4 基于PID的GaN-MOCVD温度控制  45-48
    3.4.1 基于PID的MOCVD温度控制方法  45-47
    3.4.2 常规PID控制方法的局限和改进方向  47-48
  3.5 基于模糊PID的GaN-MOCVD温度控制  48-56
    3.5.1 模糊PID控制方法基本原理  48
    3.5.2 控制器参数模糊化  48-49
    3.5.3 模糊控制规则的建立  49-52
    3.5.4 模糊推理与控制量解模糊  52-56
  3.6 GaN-MOCVD温控效果分析  56-60
    3.6.1 温控系统仿真结果分析  56-58
    3.6.2 GaN-MOCVD温控系统实测效果  58-60
  3.7 本章小结  60-61
第四章 GaN MOCVD控制系统的开发与应用  61-75
  4.1 GaN MOCVD控制系统硬件设计  61-67
    4.1.1 控制系统的硬件构成  61-62
    4.1.2 上位机硬件配置选型  62-63
    4.1.3 PLC控制器  63-64
    4.1.4 输入输出硬件配置  64-66
    4.1.5 以太网通讯硬件配置  66-67
    4.1.6 串行通讯硬件配置  67
  4.2 GaN MOCVD控制系统软件开发  67-71
    4.2.1 GaN MOCVD控制系统软件的功能  67-68
    4.2.2 上位机软件系统的开发平台  68-69
    4.2.3 上位机自动控制系统软件设计  69-71
  4.3 GaN MOCVD控制系统的应用效果  71-74
  4.4 本章小结  74-75
第五章结束语  75-77
  5.1 完成的主要工作  75
  5.2 进一步的工作  75-77
致谢  77-78
参考文献  78-81
作者在学期间取得的学术成果  81

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