（精密仪器及机械专业论文）MOCVD系统的自动控制研究——温度、流量、压力自动控制研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

m o c v d 系统的自动控制研究 温度 流量 压力自动控制研究 学科 精密仪器及机械 研究生签字 弘镑 指导教师签字 未7 鼋堵 摘要 液态源金属有机物化学气相沉积 l i q u i ds o u r c e m e t a lo r g a n i cc h e m i c a lv a p o r d e p o s i t i o n l s m o c v d 是利用液态金属有机物为先体原料 在较低的温度下获得比其他 常用的制备方法更致密 更均匀的金属氧化物薄膜的一种薄膜沉积技术 在p z t 薄膜等 多种铁电薄膜的研究和制备中得到了广泛的应用 本文设计了以p l c 为核心控制单元 触摸屏作为人机交流平台的先进 合理的 l s m o c v d 自控系统整体方案 重点设计了系统中温度 真空 气流量等主要自动控制 回路 完成了主要回路的软件设计 并完成了设备硬件电控部分的设计 安装和调试 本系统使用p l c 的温度控制单元c j l v t c 0 0 1 作为温度控制回路的控制核心 以热 电偶为测温元件 由温控单元 固态继电器等构成时间一比例p i d 控制回路 配合温控 回路程序 实现了对系统四个温控点的恒温控制 同时使用温度控制器a i 7 0 6 m 对超温 时实行保护控制 使得温控回路安全可靠 经实际测试 本回路温度升降平稳 误差在 2 以内 设计了以d 0 7 一1 2 a 型质量流量控制器 m f c 为测控器件 p l c 的a d d a 单元 为数据处理的气控回路 并设计了与之配合使用的程序 实现了对氧气和氩气流量精确的 p i d 控制 气流控制精度可达士1 使用汇流板配合p l c 的丌关量输入输出单元对真空管路中9 个电磁阀的丌关进行逻 辑控制 从而自动控制真空管路的通断以及反应室顶盖的丌合 使用全量程规对反应室的 本底真空进行粗测量 使用精度更高的薄膜规测量反应室的工作真空度 通过智能压力控 制器比较薄膜规传来的测量值和p l c 传输来的设定值 实现蝶阀开度的p i d 调整 从而达 到保持反应室内真空度稳定的目的 真空白控系统的控制精度可达士l 达到了要求的 控制效果 关键词 l s m o c v d 自动控制系统 p l c 触摸屏 时间一比例p i d t h e s t u d yo nt h e a u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mo fm o c v d t h es t u d yo nt h et e m p e r a t u r e t h eg a sf l o wa n dt h ep r e s s u r ea u t o m a t i cc o n t r o l d i s c i p l i n e p r e c i s i o ni n s t r u m e n ta n dm a c h i n e r y s t u d e n ts i g n a t u r e s u p e r v i s o rs i g n a t u r e 以m 亿 南覆缉 锄胁k a b s t r a c t u s i n gl s m o c v dw i t hl i q u i dm e t a lo r g a n i cm a t e r i a l m o r eh o m o g e n e o u sa n dt i g h tp z t f i l m o n ek i n do ff e r r o e l e c t r i cf i l m i sp r o d u c e da tal o wt e m p e r a t u r et h a na n yo t h e rm e t h o d s h o w e v e r a sf a r t h ei n t e r n a ll s m o c v dt e c h n o l o g yi ss t i l lb e i n gr e s e a r c h e d t h ed e v e l o p m e n t o i l s m o c v de q u i p m e n ti sn e e d e du r g e n t l y t h ew h o l ea u t o m a t i cs y s t e mo fl s m o c v di ss t u d i e d u s i n gp l ca n dt o u c h s c r e e na st h e c o r eo fc o n t r o lu n i t s u r r o u n d i n gt h ew h o l ec o n t r o lp r o g r a m et h et h r e em a i nc o n t r o ll o o p sa r e d e s i g n e dm a i n l y m e a n w h i l e t h es o f t w a r eo ft h em a i nc i r c u i t si sd e s i g n e d a n dt h ed e s i g n i n s t a l l a t i o na n dd e b u g g i n go f t h eh a r d w a r ea r ec o m p l e t e d c j i w t c 0 0 1i su s e da st h ec o r eo f t e m p e r a t u r ec o n t r o l1 0 0 9 w i t ht h et e m p e r a t u r e s e n s i n g u n i ta n ds o l i d s t a t er e l a yi nt h es y s t e m m e a n w h i l e a i 一7 0 6 mt e m p e r a t u r ec o n t r o l l e rf o r t e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mi s u t i l i z e dt om a k et h e t e m p e r a t u r ec o n t r o ll o o p s a f ea n d r e l i a b l e m e a s u r i n gr e s u l t ss h o w st h a tt h et e m p e r a t u r ee r r o ri sw i t h i n 士2 c u s i n gd 0 7 1 2 aa st h em o n i t o r i n gd e v i c ea n du s i n gd a a dm o d u l e sf o rd a t ac o l l e c t i n g a n ds e t t i n g t h eg a sl o o pi sd e s i g n e d t h eg a sf l o wi sc o n t r o l l e da n di t se r r o ri s4 1 t h eo n o f fo ft h ev a c u u mt u b ei sl o g i c a l l yc o n t r o l l e db y9s o l e n o i dv a l v ew i t ht h es w i t c h p l a t ea n dp l cm o d u l e s m e a n w h i l e 岬i t hp l cs i m u l a t i o nm o d u l e s t h eb a s ev a c u u mi s m e a s u r e db yf u l lr a n g eg a u g ea n dt h ew o r k i n gv a c u u mi sm e a s u r e db yt h ec a p a c i t a n c e d i a p h r a g mg a u g e t h ep r e s s u r ec o n t r o l l e r i su s e dt oc o m p a r et h em e a s u r i n gv a l u ew i t ht h e s e t t i n gv a l u e a n dt h eb u t t e r f l yv a l v eo fv a c u 血t u b ei sa d j u s t e dt oc o n t r o lt h eg a sf l o wa ta s t a b l el e v e l t h ep r e c i s i o no f v a c u u m c o n t r o l ls y s t e mi si n4 1 w h i c hc a nm e e to u rd e m a n d s k e yw o r d s l s m o c v d t h ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m p l c t o u c h s c r e e n t i m e p r o p o r t i o n a l p i d 学位论文知识产权声明 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定 即 研究生在校攻读学位期间 学位论文工作的知识产权属西安工业大学 本人保证毕业离校后 使用学位论文工作成果 或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学 学院有权保留送交的学 位论文的复印件 允许学位论文被查阅和借阅 学校可以公布学位论文的全部或部分内容 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存学位论文 学位论文作者签名 指导教师签名 日期 砂鸯 为覆绪 1 w 7 堙 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师 高爱华的指导下进行的研究工作及取得的研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和 致谢的地方外 学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 不包含本人已经 申请学位或其他用途使用过的成果 与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示致谢 学位论文与资料若有不实之处 本人承担一切相关责任 学位论文作者签名 指导教师签名 日期 砂藩 南痃绪 i 7 l 1 绪论 1 绪论 本章将介绍m o c v d 自动控制的相关技术并分别阐述了课题的意义和主要任务 具 体内容包括m o c v d 技术的基本原理与应用 m o c v d 自动控制技术的发展 课题的背 景与意义 课题的主要任务以及章节安排等 1 1l s m o c v d 技术概述 1 1 1l s m o c v d 技术的基本原理 1 基本原理镀制金属膜层有多种方法 一般来说可归纳为 物理气相沉积法 化 学气相沉积法 溶胶一凝胶法 分子束外延以及电镀法等 化学气相沉积法 c h e m i c a l v a p o r d e p o s i t i o n c v d 就是在一定温度下利用气态物质在固体表面发生化学反应 生成固态 沉积物 并赋予基体材料表面各种特性的一类材料制备技术 与其他制备方法相比 c v d 具有适应性强 可选择性多及设备相对简单等特点 采用c v d 法制备的材料其特点是 材料密度接近理论密度 缺陷少 硬度一般高于其他成型方法 特别适合于难加工和脆 性材料 如高熔点贵金属和难熔金属 的制备 液态源金属有机物化学气相沉积 l i q u i e ds o u r c e m e t a lo r g a n i cc h e m i c a lv a p o r d e p o s i t i o n l s m o c v d 就是在c v d 的技术基础上采用金属有机物作为蒸发源的材料制 备技术1 2 该技术以活化的金属有机化合物获得气态蒸发源 蒸发源在基体上受热 光 电 磁等的作用后 分解出金属或金属化合物 并在可控条件下沉积到基体表面 它集半 导体物理 物理化学 光学 流体力学 热力学 材料学等学科于一身 现己成为获得各 种特殊功能材料和膜层 如高温超导膜层 半导体膜层等 的有效方法之一 其化学方程式 为 h 且一m 只z m z 意r 肘 一m z r r 个 1 1 其中 m 1 1 a l 儿朋1 皿i c h 3 c 2 t 1 5 m 2 n 如 v a m 2 v l 皿2 刮如 c h 3 c 2 1 1 5 由于金属原子一般很重 主要以固相的方式存在 所以在c v d 过程中需要用到m o 源 即金属有机化合物 m o 源通常是挥发性的 因此可以利用m o 的挥发性以气相的方 式携带通常不可挥发的金属原子进入反应室 m o c v d 就是以金属有机化合物源 m o 源 和载气 氮气或氢气 形成稀释混合物 以低压气流方式进入高温反应室环境中 m o 源 和反应气体在反应室中分解并沉积在高温衬底表面 形成i i i v 族化合物半导体晶体外延 层 如a i g a a s l n g a a s p l n g a n 和类似的化合物 外延层可以为几个n m 到几个g m m o c v d 结构卦 成如图1 1 所示l 首先耍有一片衬底圆片用于在其上生长薄膜材料 然后将衬底圆片放入真空反应室 西安丁业大学硕十学何论文 或生长室 内的承片台上 在生长过程中 首先将液态金属有机化合物汽化 然后利用 载气匀速送入衬底上方 同时 通入反应气体 在一定的反应室环境 如高温 磁场 等 离子体等 下 源材料发生化学反应 生成需要生长的薄膜材料的分子团 最后落在衬底 圆片 不断积累形成所需的晶体半导体薄膜材料 m o c v d 生长系统一般包括气体供给和 输运系统 反应室和加热系统 尾气处理系统和控制系统等 5 1 图i 1m o c v d 系统结构示意图 a 气体供给和输运系统此系统的功能主要有 在特制的不锈钢储存罐中储存液态 金属有机化合物 并在其中形成一定的蒸汽压 依靠不锈钢管道向反应室输送各种前驱体 和载气 并精确控制其浓度 送入的时间和顺序以及流过反应室的总气体流量等 以便生 长特定成分与结构的膜层 b 反应室和加热系统反应室是前驱体在基体上进行化学气相沉积的地方 它对膜 层厚度 组分的均匀性 杂质浓度以及膜层产量有很大的影响 一般对反应室的要求是 不要形成气体湍流 而是层流状态 基座本身不要有温度梯度 当沉积复合多层膜层时 尽可能减少残留效应 这就要求控制系统具备快速切换能力 通常反应室由石英玻璃制成 这样可直接观察沉积过程 但不易保证密封 而且反应室内压力不宜太高 近年也有部分 或全部由不锈钢制成的工业型反应器 为了生长出优质膜层 各生产厂家和研究工作者在 反应室的结构设计上下很多功夫 设计出不同结构的反应室 加热系统首先要保证升温时 问短 其次要使基座保持恒温 这主要取决于加热方式和控制精度 c 尾气处理系统m o c v d 使用的前驱体大多数是剧毒物质 而且活性很高 往往易 燃易爆 很多副产物也有毒性或易自燃 因此在反应室排出的尾气中含有大量有毒和危险 物质 气体和粉尘 不论是常压还是低压m o c v d 装置 尾气在向大气排放前都要经过 处理 用高效过滤器过滤掉粉尘 并使有毒物质浓度达到国家规定排放标准以下 常用的 去掉有毒气体方法有如下几种 利用物理吸附作用的活性碳过滤器 利用化学反应吸收毒 气的干式或湿式过滤器以及通过热分解或燃烧使毒气转化为粉尘再过滤的方法 以上方法 也可组合起来使用 d 控制系统其工作原理如下 首先通过在监测仪器上设定所需参数 然后通过热 电偶监控反应室加热器的温度变化 通过压力传感器监控反应室的压力变化 流量计监控 各种前驱体和载气的流量 在人工控制方面 山于压力 温度控制器和电磁阀的采用 2 两安t 业人学硕十学位论文 m o c v d 装置的运行可通过人工控制集中安装在电控面板上的按钮来实现 但目前 m o c v d 大都配有微机控制系统 微机控制系统在生长超晶格 量子阱或掺杂梯度层时尤 为重要 微机控制系统提高了生长的重现性 有助于消除人为误动作 增加了软件安全功 能和处理与分析事故的能力 先进的系统还可提供数据分析功能 统计源的消耗功能等 配以装 卸片的机械手和所需基体 完全可实现m o c v d 的全自动生长 6 2 主要特点m o c v d 方法具有如下优点 7 薄膜的组成元素均以气体形式进入 反应室 通过控制载气流量和切换开关可以容易地控制其组成 沉积速率高 重复性好 由于以金属有机物为源 使沉积温度降低 所有工艺参数都可独立控制 因此成为 当前世界各国都在大力发展的一种高新材料制各技术 目前m o c v d 技术作为制造化合 物半导体器件的关键技术 己广泛应用于高质量半导体薄膜 铁电薄膜 超导薄膜 各种 半导体器件的制备 它的进一步发展将会给微电子和光电子技术带来更广阔的前景 m o c v d 技术f 1 益受到人们的广泛重视 主要还因为它具有下列一些显著的特点 可以合成组分按任意比例组成的人工合成材料 形成厚度精确控制到原子级的薄 膜 从而又可以制成各种薄膜结构型材料 例如 量子阱超品格材料 可以说 m o c v d 技术最终解决了人类对无机功能材料或器件结构型材料的需求问题 这是因为 从理论上 讲 有机物能同元素周期表上的全部元素 包括金属和非金属元素化合形成有机化合物 且在较低的温度下成为汽态 气体能以最快的速度均匀混合 而反应产物除合成的材料外 均为挥发性气体 因此 可以通过精确控制各种气体的流量来控制外延层的成分 导电类 型 载流子浓度 厚度等特性 可以生长薄到零点几n l n 到几g r n 的薄层和多层结构 可制成大面积的均匀薄膜 这表明m o c v d 技术是典型的容易产业化的技术 因 为材料生长的速度是由生长材料表面上反应的分子浓度和密度决定的 在一定温度下气体 分子密度由气体压强唯一决定 由气体的基本性质知道 生产材料表面的均匀压强及气体 中快速的材料输送过程保证了m o c v d 技术同其他任何外延技术相比 可制得更大面积 更均匀的薄膜 能批量生产是m o c v d 的一个突出优点 气相反应也从根本上消除了容 器带来的污染 大规模生产时利涧相当可观 解决了高难的生长技术与大面积推广所要求 的低廉价格之间的尖锐矛盾 m o c v d 技术的发展与化合物半导体材料研究和器件制造的需求紧密相关 反过 来又促进了新型器件的研制 目前各种主要类型的化合物半导体器件制作中都用到了 m o c v d 技术 1 1 2l s m o c v d 技术的应用 液态源m o c v d 以m o 化合物液体为材料源 是一种高质量半导体材料 七长技术 主要用于生长i i i v 族化合物半导体材料 如a 1 g a a s g a n 等 w 族半导体材料 如 s y g e 金刚石和s i c 等 i i v i 族化合物半导体材料 c d 枷2 c d t e c d z n t e z n s 等 以及铁电材料 金属合金 金属薄膜 太i 日能电池材料 传感器材料和光学薄脱等 其中 铁电薄膜的制备是m o c v d 技术主要的应用之一 本设备主要用来生长p z t 为主的多种 3 两安下业大学硕十学位论文 铁电薄膜 下面对m o c v d 的产品进行简单介绍 8 l 1 铁电性能的发展自从1 9 2 0 年法国科学家v a l a s e k 发现罗息盐 n a k c 4 h 4 0 6 4 h 2 0 在电场的作用下具有类似于 铁磁性 的性质 导致 铁电体 及 铁电性 概念的出现 9 1 从这以后 人们对电介质材料的研究进入了一个新的领域 并逐步发展成一重要的物理 学分支 铁电物理学 铁电薄膜作为一种铁电体材料具有铁电性 压电性 热释电性 电光效应等特性 同时 铁电薄膜又具有许多块体材料不同的特性 铁电薄膜的驱动电压 仅几伏 用其作存储器就有了实现的可能性 可制备非挥发性存储器和动态随机存取存储 器等器件 由于薄膜结构易于探测 测量或调整等 使光电器件工作波段短 可制成微型化 稳定 经济的器件 如声表面波器件 微型压电马达等 还可以通过控制厚度而易制成满足 要求的器件 同时 它们还具有与衬底接触和互作用引起的独特性能 衬底 底电极 过 渡层 外延和内应力等因素常常控制使用时的全部行为 铁电体的疲劳问题是铁电薄膜器 件可靠性的首要问题 而薄膜的应力一应变情况和使用条件对薄膜的疲劳非常关键 薄膜制 备过程本质上决定着薄膜应力一应变性能 因此 薄膜制备过程决定了薄膜器件最终的性 能 研制先进的制备薄膜的设备是铁电薄膜发展的重要基i t t l i 悱1 4 l 2 铁电薄膜的制备铁电陶瓷薄膜的制备方法大体可分为物理方法和化学方法两大 类 物理方法包括真空蒸发 磁控溅射 离子束溅射 分子束外延 m b e 等方法 化学 方法包括金属有机物化学气相沉积 m o c v d 热解化学气相沉积 热解c v d 等离子 体增强化学气相沉积 p e c v d 激光诱导化学气相沉积 l c v d 溶胶一凝胶法 s 0 1 g e l 和液相外延 l p e 等 在这些方法中 物理方法制备铁电薄膜不易引入杂质 污染少 薄膜沉积速率较高 成 膜条件易于控制 可制备出高质量稳定的薄膜 化学方法制备铁电薄膜中分子束外延甩胶 工艺 溶胶凝胶和金属有机化合物热分解 能够精确地控制薄膜的化学计量比和掺杂浓度 而且工艺简单 成本低 并可制备大面积的薄膜 但是其显著的缺点是由于甩胶工艺导致 膜厚不均匀 热分解时体积变化大 因而易导致薄膜丌裂 使薄膜质量下降 性能变差 l 近年来 液态源m o c v d 己作为一种新方法用于制备会属氧化物薄膜 金属有机物 化学气相沉积 m o c v d 采用气态源供应方法 生长温度的可控性好 有利于大面积超薄 层材料生产 但一些含有铁电薄膜成分的易挥发会属有机物源较难获得 近来 人们采用 液体源固体源输运技术 使m o c v d 技术得到很快发展 采用该方法已制备出k n b 0 3 b i t i o p z t 等薄膜 因此 自动化程度高 操作灵活 性能可靠的液态源m o c v d 设备 成为研究中不可缺少的工具 3 p z t 薄膜的应用最早发现的压电陶瓷是b a t i o 1 9 5 4 年合成了锆钛酸铅并发现 其压电性能比b a t i o 更优异 因而p z t 系列陶瓷在压电陶瓷领域中 直占主要地位 与 其它电陶瓷相比 p z t 陶瓷具有居罩温度高 3 8 0 c b a t i o 居里点为1 3 0 压电性 强 易掺杂性和稳定性好等特点 从二十世纪七十年代jr 始 人们研制出p z t 陶瓷材料并得到了广泛应用 用该材料 4 两安 r 业大学硕十学位论文 研制出超声换能器 陶瓷滤波器 压电变压器和热释电红外探测器等材料器件 其电性能 虽然优异 但工作电压高 使用频率低 难与半导体集成电路兼容 随着微电子技术的高 度发展和电子整机产品的轻小型化 要求电子元件微型化 集成化 因而使其应用受到一 定的限制 二十世纪八十年代后期 铁电薄膜已成为铁电材料应用研究的重要方向之一 国内外 科学工作者采用脉冲激光沉积法 磁控溅射法 金属有机物化学气相沉积法和溶胶一凝胶 法等方法制备出p z t 铁电薄膜材料 p z t 铁电薄膜能制成非易失随机存取存储器 热释 电红外探测器 压电微型驱动器与执行器 与体块材料相e e 其优越性是尺寸小 重量轻 工作电压低 能与半导体集成电路兼容 利用p z t 等铁电薄膜的压电效应 热释电效应 光电效应 声光效应 非线性光学 效应和铁电畴的开关等效应制成的器件 已在热释电红外探测和热成像器件 非易失铁电 随机存取存储器 n o n f ra m s 光电波导器件 压电传感器 微电子机械系统 m e m s 器件等方面获得了越来越广泛的应用 铁电薄膜主要应用于制造各种存储器材 传感器与 换能器件以及光电子学器件 l 1 2m o c v d 控制系统概述 1 2 1 自动控制技术概述 1 自动控制技术简介自动化与控制是人们采用信息技术与电子机械相结合 在没 有人直接操纵的情况下 机器设备或生产管理过程通过自动检测 信息处理 分析判断 自动地实现预期的操作或某种过程 也就是能完成人们预定的目标的一切技术的科学 自 动化包括各种各样的自动机 机器人 比如自动取款机 自动包饺子机等 其实自动化技 术包括生产控制自动化 经营管理自动化两个方面 它们是相互联系 相互渗透 相互促 进的 自动化与控制的发生和发展有着深厚的科学基础 如果说蒸汽机 电力和原子能的应 用只是人手的延长和强化 电子计算机的应用是人脑部分思维的机械化 那么 自动控制 就是把这两种技术有机地结合起来 让电子机械能像人那样既能完成能量转换 又能完成 信息转换 把人类从繁杂的重复性劳动中解放出来 这样 许多人类过去所想像的工作 工程现在靠自动控制奇迹般地完成了 自动控制是立足在能量变换和计算机技术充分发展 的基础上 而当它向智能方向迈进时 它的发展又取决于生物学 心理学 神经生物学 医学 数理逻辑和数理统计等其它学科的发展 因此说 自动控制是一门综合性很强的技 术科学 自动控制应用十分广泛 计量测试检测中是离不丌自动化控制技术的 采用自动化控 制不但能提高产品质量 使科学研究的成果更加优良 还可应用于综合性的自动化钢铁企 业 采用计算机分级管理的全 f 4 性或区域性的铁路自动化调度系统 大电网自动调度系统 电子警戒饼达网 反导弹系统 情报自动检索和数掘处理系统等等 它给人类提供了准确 两安丁业火学硕十学忙论文 高产 优质 低耗的物质实惠 极大地扩展了人类控制和改造自然的能力 现在各个国家 都在不遗余力地向高度的自动控制技术投资 期待取得更好更多的回报 比如无人化工厂 导弹 巡航 反导弹系统 航空航天 海洋开发 微观世界的探测 生物基因研究 生态 控制 交通运输 公益事业等等 这种采用自动化控制技术的局面竞争越来越激烈 2 常见的控制系统结构有两种形式 一种是反馈回路 为了获取控制的信号 要将被控 制量y 和预定控制值 相比较 以构成误差信号p w y 直接利用误差信号e 进行控制 设法使系统减小误差 甚至使误差趋于零 从而达到被控制量y 趋向稳定值缈的控制目的 如图1 2 所示 图1 2 负反馈控制系统结构图 另一种是直接输出模式 被控制量y 直接为系统输出 控制过程中产生的误差主要以 算法或程序的形式出现 大大减弱了复杂控制过程实现的难度 这种系统的灵活性和精确 度都大为提高 是自动化控制技术发展史上的巨大飞跃 如图1 3 所示 里一控制器卜一执行机构l 一被控对象l 兰 i ji ji j 图1 3 直接输出控制系统结构图 2 自动控制的发展趋势随着人类社会生产技术的发展和生产规模加大 生产中诸多 相关因素愈来愈多 对自动化技术提出了更高的要求 推动了自动化技术的发展 自动化在 工业领域的应用经历了就地检测控制 单元装置集中控制 工厂区域自动化等几个发展阶 段 我国2 0 世纪8 0 年代自动化以孤立地考虑一些工艺参数的简单回路控制进入了单元级 控制 取得了显著效益 进入2 0 世纪9 0 年代 八五 科技攻关项目 对自动化给予了应 有重视 通过攻关 取得了包括d c s 在内的一批新成果 提高了我国工业控制系统的技术 和应用水平 并为进一步发展打下了良好基础 工业自动化发展有以下趋势 a 低成本自动化从工业自动化诞生到2 0 世纪7 0 年代 发展和应用于工业的都属 于低成本自动化范畴 2 0 世纪5 0 年代起采用的常规模拟自动化系统 价格低廉 用户欢 迎 至今不少工业部门仍采用 2 0 世纪8 0 年代 低成本自动化重新得到重视 且赋予新 内涵 低成本自动化并非简单自动化 而是一种适度投资 采用新技术 低成本 高效益 低风险的自动化模式 当前的发展主要针对中小企业自动化和分级自动化的过程控制和监 控 实施低成本自动化产出比投入高 此外实施时不要求对已有生产制造工艺过程作重大 改变 系统丌放 功能模块化 能灵活地进行系统配置是保证系统低成本的重要措施 s t d 总线工业控制计算机作为一种低成本自动化产品 在我国得到了广泛应用 i p c 则是 适合低成本自动化的又一代表产品 目前国内正在加速发展之中 当前围际上低成本自动 化发展主要雌准先进控制技术 软测量技术 i p c 控制系统 以及低成本自动化在c i m s 和过程工业综合自动化的应用 6 两安 i 业大学硕十学位论文 b 综合自动化现代工业具有技术复杂 规模大 高速 高效的特点 因而对自动 化提出了越来越高的要求 为适应这种要求 2 0 世纪8 0 年代提出了建立高度集成的计算 机测量 控制 调度 管理 经营和决策一体化的综合自动化发展方向 2 0 世纪9 0 年代 这种综合自动化迅速发展 在国外成功实施 效果良好 当前 国外工业自动化发展总趋势 是规划和实施综合自动化 综合自动化具有集成化 层次化 开放化的特点 集成化 即 面向工厂企业的一切生产经营活动 横向把局部自动化 独立岛 连接起来 纵向控制与 经营管理一体化 层次化 即对 个企业来说 其实施的自动化形态体系是层次的 递阶 的 一般由过程控制级 生产监控管理级 工厂管理级三大层次组成 开放化 即综合自 动化的技术装备系统 必须是开放的 没有开放的系统 集成就无从做起 综合也难于实 施 据资料统计 综合自动化提高生产率4 0 7 0 提高产品质量2 3 倍 提高设备 利用率2 3 倍 减少人力费用5 2 0 c 开放自动化系统 开放 体系意味着对一种标准的信息交换规程的共同认识和支 持 按此标准设计的系统 可以实现不同厂家产品的妆容与互换 开放自动化系统通过工 业通信网络实现各种控制设备 管理计算机互连 实现控制与经营 管理 决策的建成 通过现场总线使现场仪表与控制室的设备互连 实现测量与控制一体化 开放自动化系统 是在d c s 基础上发展来的 虽说传统的d c s 将退出控制舞台 但它却为开放自动化打下 基础 当前一场用高科技改造传统产业的技术革命正在国际上展开 国家与国家之间 企业 与企业之间正展开激烈的竞争 围绕着综合自动化的方向和开放自动化系统与现场总线等 自动化技术的发展 自动化与仪表工业正在进行一场深刻的变革和调整 这对我国是一个 促进和挑战 根据我国国情 我国应采取重视低成本自动化 发展综合自动化的策略 在 国家的支持下 对于方向性的 影响大的工业控制系统精心规划 组织 多方协作 优势 集成 才能实现共同促进我国工业自动化的全面发展的目标 2 1 l 1 2 2m o c v d 自动控制系统的研究现状 m o c v d 控制系统是在整体自动控制领域的背景下发展起来的 也经历了从人工控制 到计算机自动控制的过程 g i 产效率 产品质量 设备稳定性大大提高 节省了人力资源 推动了m o c v d 技术的进一步发展 当前的m o c v d 设备研制发展很快 但是国外的设备处于保密状态 国内的m o c v d 设备基本依赖进口 价格比较昂贵 限制了我国m o c v d 技术和半导体工业的发展 为 了降低生产成本 拥有自主知识产权 国内许多研究机构 例如西安电子科技大学 长春 光学器械与物理研究所 两安交通大学 华南师范大学 中科院上海光机所 西安工业大 学等 纷纷丌展了m o c v d 发备的研制工作 经过对大量资料的分析和总结 可以看出 目内m o c v d 自动控制系统绝大多数采用充分丌发计算机强大的数据采集 运算和通信 功能的办法 设计出了各种弭样的以计算机为控制核心的控制系统 例如计算机直接数字 控制系统 d i r e c td i g i t a lc o n t r 0 1 该系统是计算机在工业生产过程控制中最典型 撮普 7 西安丁业大学硕十学位论文 遍的一种应用方式 它的构成如图1 4 所示1 8 1 0 n 源1 一 l 望卜 计 1 输入通道 a i d i 卜一 生 西1 一 算 声 机 过 l 拯作台k 一 1 输出通道 a o d o 卜 程 图1 4 计算机直接数字控制系统结构图 计算机首先通过输入通道进行实时数据采集 再按照给定的控制规律进行实时决策 产生控制指令 然后发出控制信息 通过输出通道直接控制生产过程 可进行单回路控制 也能实现多回路调节 既可完成比较简单的p i d 控制算法 也能实现最优控制等复杂规 律的控制 而且不需要改变硬件 只需要修改程序即可完成 除此之外 还有计算机控制 系统 计算机远程控制系统 数据采集处理系统 监督控制系统 集散控制系统以及计算 机结合可编程控制器的采集控制系统等等 在2 3 节系统选型时再作介绍 计算机强大的处理功能推动了m o c v d 自控系统的快速发展 由此产生出了如此众 多和各具特色的以工业计算机作为控制核心的m o c v d 自动控制系统 但是随着单片机 可编程控制器等专用控制器件功能的不断完善 软件的不断丰富 逐渐脱离了单一功能控 制器件的范畴 越来越接近一台专业化的微型电脑 在自动控制领域大有取代传统工控机 的趋势 如何设计控制系统 使m o c v d 设备具有最先进的控制功能 在该自控领域创 出自己的路子 是要认真总结和大胆创新的 1 3 课题背景与意义 1 课题的来源 a 项目来源国防9 7 3 与昆明物理研究所合作 b 项目名称p z t 薄膜的液态源m o c v d 制备 c 课题名称m o c v d 系统的自动控制研究 2 前人对m o c v d 设备的研究成果简介我国的m o c v d 设备的研制起步于8 0 年 代初 从事m o c v d 技术的研究也有几十年历史 一些单位 像中科院长春物理所 中科 院西安光机所 西安交大 北京理工大学 西安理工大学等 已经自行设计或制造m o c v d 设备 大多数单位则采取引进国外先进的m o c v d 设备高起点地开展m o c v d 技术的研 究和高质量外延片的批量生产工作 像华南师范大学 上海华亿公司 北京半导体所 石 家庄汇能公司等 从美国 日本 德国及瑞典引进设备 目前国际上生产m o c v d 设备的厂家以德国a i x t r o n 公司和美国e m c o r e 二家公 司最为著名 它们生产的a i x 2 4 0 0 型 g s 3 2 0 0 型等系列m o c v d 设备己成功地用于各 类量子阱 超品格等优质外延片的生产 在光电材料l e d 方面 高亮度红色 橙色 黄色 绿色 蓝色l e d 能进行大批量商业化7 产 当前 先进的m o c v d 设备有两大类 一类是行星式旋转大面积均匀生长设备 该 设备基本上是常压水平式生长结构 以德 日a i x t r o n 公司的设备为代表 该设备衬底盘 r 两安1 业人学硕十学位论文 可以做得很大 且缓慢均匀旋转 衬底盘上装载的衬底在生长材料过程中 被自下向上流 入的氢气流轻轻托起并匀速旋转 保证了衬底上的材料可大面积 均匀地生长 这就是著 名的气体轴承式结构 最新发展的a i x t r o n 生长室还吸收了立式生长方式的优点 源材 料气流从室顶部注入 再在衬底上方变成平流方式 这样就能及时补充因材料生长过程中 源材料逐渐消耗引起的不均匀性 使得a i x t r o n 公司的设备成为优质外延片生长规模最 大的设备 另一类是高速涡轮立式生长设备 该设备基本上是低压立式结构 以美国e m c o r e 公司的设备为代表 该设备的衬底盘转速达1 0 0 0 r m i n 或更高 基座旋转不仅改善了温度 均匀性 而且还由于固气态问界面粘性拽力 高速旋转的基座还起了泵的作用 改善了基 座上方温度和反应剂浓度分布均匀性 有助于获得均匀的外延层和较高的生长速度 除了 衬底随基座旋转外 衬底自身没有自转 这种设备还有如下一些显著的特点 系统内气流为角速流动 记忆效应小 记忆时间短 因而源材料切换非常快捷 特别 适用于突变异质结量子阱和超品格等结构的生长 衬底基座旋转 反应室上部总是保持很清洁的状态 从而大大减少了反复停机清洗 产生的抽吸作用 除生长的外延材料外的其他反应产物全部被甩掉 抽走 一般 反应室一年清洗一次就可以了 衬底表面温度的均匀性好 梯度很大 反应仅在表面上进行 这不仅使得材料生长 的均匀性很好 而且还可节省昂贵的原材料 设备采用了平衡气压控制 任何一种气流的切换均不影响总体气流的均衡流动 没 有湍流 涡流等造成的不良影响 由于受衬底尺寸的限制 涡轮m o c v d 的生产规 模有一定的局限性 2 1 m o c v d 技术解决了高难的生长技术与大批量生产所要求的低廉价格之问的尖锐矛 盾 m o c v d 技术的发展与各种功能和结构材料研究和器件制造的需求紧密相关 反过来 又促进了新型器件的研制 最近几年 m o c v d 技术得到了长足发展 取得了多项新进展 主要体现在下面几个方面 2 3 1 设计了新的反应器结构 改善了大面积生产时膜层组分和厚度的均匀性 将光子引入沉积过程 开发了光诱导m o c v d 技术 m o c v d 的选择生长 利用低毒性的化合物替代剧毒气体 提高了膜层生长系统的安全性 通过计算机辅助设计技术 现在已经丌发出相应的软件及工艺模拟系统 m o c v d 技术的这些新进展已经或将会对光电器件的研制和结构材料的成型产生巨 大的影响 另一个具有挑战性的领域是生长高温超导层 用原子层外延的逐层沉积办法达 到控制原子位形的目的 2 4 i m o c v d 技术在半导体材料和器件及结构材料制备方面取得 了巨大的成功 尽管如此 m o c v d 仍是一种发展中的超精细加工技术 仍然1 字在一些没 有解决的技术难题 如缺乏m o c v d 实时原位监测生长过程的技术 设备昂贵 还不能 9 两安t 业大学硕十学何论文 广泛应用 控制系统自动化程度不高 但总体来讲 m o c v d 技术的进一步发展将会给功 能材料和结构材料的制备带来更广阔的前景 3 目的及意义目前全球的m o c v d 系统市场主要垄断国外少数几家公司手中 如 美国的e m c o r e 德国的a i x t r o n 英国的t h o m a ss w a n 日本的n i p p o ns a n s o 和 n i s s i ne l e c t r i c 等 2 4 而这几家大公司的m o c v d 系统价格均在1 0 0 万美元以上 且国外 制备设备的研究仍处于保密状态 同时 我国在2 0 0 3 年底紧急启动了 十五 国家科技攻关计划 半导体照明产业化 技术开发 重大项目 简称国家半导体照明工程 使我国半导体照明工程进入实质性推 进阶段 随着 国家半导体照明工程 的启动 m o c v d 设备开发已变得非常紧迫 面对 国外的激烈竞争 加快国产化步伐 并争取与企业合作 尽快实现产业化 打破国外在 m o c v d 设备长期垄断局面 满足我国光电子产业的发展和 国家半导体照明工程 需求 已经成为当务之急 另一方面 利用m o c v d 设备制备铁电薄膜也有很大的市场价值 铁电薄膜具有优 越的电极化特性 热释电效应 压电效应 光电效应 高解电系数和非线性光学性质等一 系列特殊性质 可以利用这些性质制作不同的功能器件 并渴望通过铁电薄膜材料与其它 材料的集成或复合 制作集成性器件 比如利用其电滞回线特性可以制作非挥发性随机存 取存储器 利用压电效应可制作声表面波延迟线及微型压电马达 利用热释电效应可制作 红外热释电探测器 利用光电效应制作光波导等器件 同时 铁电薄膜在铁电存储器及热释电红外探测器方面也有很重要的应用 例如 f e r a m 它是利用铁电薄膜的双稳态极化特性电滞回线制备的非易失性存储器 具有高速 度 抗辐照性 挥发性和高密度存储等优点 并且与i c 工艺丰h 兼容 是一种理想的存储器 在计算机 航天航空 军工等领域具有广阔的应用前景 f e r a m 是当 铁电薄膜存储器 的主要研究和开发方向 世界上许多大的半导体公司对此都十分重视 如美国的r a m t r o n 公司在1 9 9 5 年开发出4 6 k b i t 的并行和串行结构的f e r a m 产品 该公司与s y m e t r i x 共同 组建联合体 并在1 9 9 8 年推出1 6 m b i t f e r a m 产品 投放市场 d r a m 是目前计算机中用 量最大的半导体存储器 是在集成电路的硅平面工艺基础上发展起来的 为了提高其存储 密度 必须采用高密度的平面布图 目前限制d r a m 存贮能力的关键因素是存储单元 电 容器 的单位面积电荷存储密度 只有采用高介电常数的铁电薄膜材料作为电容器介质才 能达到要求 铁电薄膜在红外上的应用尤其是军用一直受到人们的关注 传统的红外探测器是 h g x c d l x t e 等半导体光量子型探测器 为提高探测的信噪比 这类探测器需要在低温下工 作 成像系统必须配有制冷装置 使用极其不便 与之相比 热释电红外探测器具有响应 光谱宽 可在室温下操作等优点 能满足常温下对物体热成像的需要 热释电薄膜相对于 热释电体材料 又具有小 鬯轻量分辨率高 反应快 能与微电子技术相集成的优点 因此 铁电薄膜成为制作高性能薄膜型热释电红外探测器的首选材料 l o 两安丁业大学硕十学位论文 m o c v d 已经成为制作铁电薄膜以及g a n 等薄膜的主要技术 m o c v d 是化合物半 导体材料研究和生产的重要手段 作为微电子工业半导体结构材料批量化生产型设备 其 高质量 稳定性 重复性及规模化是其他的半导体材料生长设备无法替代的 m o c v d 的 生长速率中等 且薄膜厚度的控制相对比较精确 最适合于大批量生产l e d 和l d 等 生长的材料和器件质量最高 迄今为止 m o c v d 是包含i i l v i i 族化合物半导体和 i i i 族氮化物半导体的高质量器件多层结构生长的最灵活 费用最低 效率最高的技术 应 用非常广泛 2 5 本课题正是在这种大环境下选定的 希望能够开展这方面的研究 同时寻求多方的合 作 克服困难 迎接挑战 抓住机遇 为我国的半导体制备产业化尽心尽力 同时 铁电 材料制备设备的研制 在半导体研发领域有着不可替代的作用 将会产生巨大的市场价值 和效益 必将有着广阔的发展i j i 景 2 6 j 1 4 课题的主要任务 首先对系统的工作过程加以分析 在此基础上总结系统的控制需求 整理现有的自动 控制方案 努力创新 在一定的资金条件下 努力得到系统整体