CN103397312B - 一种lpcvd工艺生产环境的控制方法及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种LPCVD工艺生产环境的控制方法，包括：步骤S1，所述温度传感器采集所述反应腔室内的温度信息、所述真空度传感器采集所述反应腔室内的真空度信息；步骤S2，所述反馈控制装置获得所述温度信息和真空度信息，并根据所述温度信息和真空度信息计算得出反馈控制增益参数；步骤S3，所述反馈控制装置根据所述温度信息和对应的反馈控制增益参数生成温度控制信号，根据所述真空度信息和对应的反馈控制增益参数生成真空度控制信号，并发送至所述温度调节装置和真空度调节装置；步骤S4，所述温度调节装置根据所述温度控制信号调节所述反应腔室内的温度；所述真空度调节装置根据所述真空度控制信号调节所述反应腔室内的真空度。

Description

一种LPCVD工艺生产环境的控制方法及其控制系统

技术领域

本发明涉及半导体加工制造领域，尤其是一种LPCVD工艺生产环境的控制方法和系统。

背景技术

根据低压化学气相沉积工艺(LPCVD，LowPressureChemicalVaporDeposition)的要求，对工艺采用的设备反应腔室的温度和真空度有一定的要求，所以LPCVD设备中需要设计温度控制系统和真空控制系统，把温度和真空度控制在LPCVD工艺生产环境的标准内。

现有技术中，温度控制系统和真空控制系统是各自独立运行的，实现各自的控制指标。但是实际情况是真空度的改变会影响温度的变化，即系统之间有耦合关系，控制系统各自独立运行会彼此影响导致控制性能下降。目前的解决方法是分步进行，先进行温度控制，再抽取真空，缺点是耗费时间长，控制性能指标很难兼顾协调达到工艺条件的要求。将两个相对独立的控制系统联系起来，统一分析、协调，达到控制指标是有待解决的问题。

发明内容

本发明提供一种LPCVD工艺生产环境的控制方法和系统，用于解决现有技术中，对LPCVD工艺生产环境控制时，温度控制和真空度控制分别由各自独立的系统控制带来的控制精度低、控制花费时间长的技术问题。

本发明提供一种LPCVD工艺生产环境的控制方法，所述控制方法应用于LPCVD工艺生产环境的控制系统，所述控制系统包括密闭的反应腔室、反馈控制装置、G个温度控制子系统以及H个真空度控制子系统，G、H均为正整数；所述温度控制子系统包括温度传感器和与之对应的温度调节装置，所述真空度控制子系统包括真空度传感器和与之对应的真空度调节装置；

所述控制方法包括：

步骤S1，所述温度传感器采集所述反应腔室内的温度信息、所述真空度传感器采集所述反应腔室内的真空度信息；

步骤S2，所述反馈控制装置获得所述温度信息和真空度信息，并根据所述温度信息和真空度信息计算得出反馈控制增益参数；

步骤S3，所述反馈控制装置根据所述温度信息和对应的反馈控制增益参数生成温度控制信号，并发送至所述温度调节装置；

所述反馈控制装置根据所述真空度信息和对应的反馈控制增益参数生成真空度控制信号，并发送至所述真空度调节装置；

步骤S4，所述温度调节装置根据所述温度控制信号调节所述反应腔室内的温度；

所述真空度调节装置根据所述真空度控制信号调节所述反应腔室内的真空度。

进一步，本发明所述的LPCVD工艺生产环境的控制方法，所述步骤S2中，根据所述温度信息和真空度信息计算得出反馈控制增益参数的步骤具体包括：

步骤S201，设所述反应腔室内共有N个子系统，所述子系统由G个温度控制子系统和H个真空度控制子系统组成，N＝G+H；

步骤S202，设所述子系统的状态变量公式为：

$x_i(t+1)=A_i{x}_i\left(t\right)+B_i{u}_i\left(t\right)+\underset{j=1,j\≠i}{\overset{N}{\Σ}}{A}_{ij}{x}_j\left(t\right),i,j=1,2,...,N---\left(1\right)$

其中，x_i(t+1)表示在t+1时刻的第i个子系统的状态变量，x_i(t)表示t时刻的第i个子系统的状态变量，x_j(t)表示t时刻的第j个子系统的状态变量，所述子系统的状态变量表示所述温度信息或者所述真空度信息；A_i表示第i个子系统输入矩阵，B_i表示第i个子系统控制矩阵，u_i(t)表示第i个子系统的控制输入，表示第i个子系统和第j个子系统的联接项，i、j均为正整数且i≠j；

步骤S203，设反馈控制器公式为：

u_i(t)＝-K_ix_i(t)i＝1,2,…,N(2)

其中，u_i(t)表示第i个子系统的控制输入，x_i(t)表示t时刻的第i个子系统状态变量，K_i表示第i个子系统的反馈控制增益参数；所述第i个子系统将所述控制输入u_i(t)反馈回所述第i个子系统的输入端，对第i个子系统进行反馈控制；

步骤S204，把所述反馈控制器公式(2)带入所述子系统的状态变量公式(1)，得到如下公式：

$x_i(t+1)=(A_i-B_i{K}_i)x_i\left(t\right)+\underset{j=1,j\≠i}{\overset{N}{\Σ}}{A}_{ij}{x}_j\left(t\right),i,j=1,2,...,N---\left(3\right)$

步骤S205，选取Lyapunov函数为：

$V\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{x}_i^T\left(t\right)P_i{x}_i\left(t\right)---\left(4\right)$

其中，P_i表示能够使所述第i个子系统稳定的对称正定矩阵；表示第i个子系统的状态变量；T代表矩阵的转置；

使所述Lyapunov函数中的变量V(t)对时间差分，得到如下公式：

$\mathrm{\Δ}V\left(t\right)=V(t+1)-V\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{x}_i^T(t+1)P_i{x}_i(t+1)-\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{x}_i^T\left(t\right)P_i{x}_i\left(t\right)---\left(5\right)$

步骤S206，把公式(3)带入公式(5)，得到如下公式：

$\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}V\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{x}_i^T\left(t\right)\[G_{ii}^T{P}_i{G}_{ii}-P_i\]x_i\left(t\right)+\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\underset{k=1,k\≠i}{\overset{N}{\Σ}}{x}_i^T\left(t\right)G_{ik}^T{P}_i{A}_{ik}{x}_k\left(t\right)\\ +\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\underset{j=1,j\≠i}{\overset{N}{\Σ}}{x}_j^T\left(t\right)A_{ij}^T{P}_i{G}_{ii}{x}_i\left(t\right)+\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\underset{j=1,j\≠i}{\overset{N}{\Σ}}\underset{k=1,k\≠j}{\overset{N}{\Σ}}{x}_j^T\left(t\right)A_{ij}^T{P}_i{A}_{ik}{x}_k\left(t\right)\\ \≤N\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{x}_i^T\left(t\right)\[G_{ii}^T{P}_i{G}_{ii}+\underset{j=1,j\≠i}{\overset{N}{\Σ}}{A}_{ij}^T{P}_i{A}_{ij}-\frac{1}{N}{P}_i\]x_i\left(t\right)\end{array}---\left(6\right)$

其中，G_ii＝A_i-B_iK_i；

步骤S207，设公式(6)的不等式右边的部分算式是负定的，使闭环的所述控制系统稳定，得到所述控制系统稳定的条件为：

$G_{ii}^T{P}_i{G}_{ii}+\underset{j=1,j\&NotEqual;i}{\overset{N}{\&Sigma;}}{A}_{ij}^T{P}_j{A}_{ij}-\frac{1}{N}{P}_i<0---\left(7\right)$

步骤S208，对上述公式(7)利用Schur分解方法求得如下公式：

$\left[\begin{array}{ccc}\frac{1}{N}{P}_i& *& *\\ A_i-B_i{K}_i& -P_i^{-1}& 0\\ {\underset{\&OverBar;}{A}}_{ij}& 0& -{\underset{\&OverBar;}{P}}_i^{-1}\end{array}\right]<0---\left(8\right)$

其中，*代表公式(8)中矩阵的对称项；

${\underset{\&OverBar;}{A}}_{ij}={\&lsqb;A_{1j}^T,...,A_{(i-1)j}^T,A_{(i+1)j}^T,...A_{Nj}^T\&rsqb;}^T;$

${\underset{\&OverBar;}{P}}_i^{-1}=diag\&lsqb;P_1^{-1},...,P_i^{-1},P_{i+1}^{-1},...,P_{iN}^{-1}\&rsqb;;$

diag表示对角阵；

步骤S209，设X_i＝P_i ^-1，对所述公式(8)的不等式左右同时乘以diag[P_i ^-1I…I]，得到如下公式：

$\left[\begin{array}{ccc}\frac{1}{N}{X}_i& *& *\\ A_i-B_i{K}_i& -X_i& 0\\ {\underset{\&OverBar;}{A}}_{ij}& 0& -{\underset{\&OverBar;}{X}}_i\end{array}\right]<0---\left(9\right)$

其中， ${\underset{\&OverBar;}{X}}_i=diag\&lsqb;X_1^{-1},...,X_i^{-1},X_{i+1}^{-1},...,X_{iN}^{-1}\&rsqb;;$

骤S210，设X_i＝P_i ^-1、M_i＝K_iX_i，将所述公式(9)改写为：

$\left[\begin{array}{ccc}\frac{1}{N}{X}_i& *& *\\ A_i{X}_i-B_i{K}_i& -X_i& 0\\ {\underset{\&OverBar;}{A}}_{ij}& 0& -{\underset{\&OverBar;}{X}}_i\end{array}\right]<0---\left(10\right)$

利用MATLAB的LMI工具对上述公式(10)求解，得到状态变量矩阵X，进而可求得使闭环的子系统稳定的矩阵P和反馈控制增益参数K_i。

进一步，本发明所述的LPCVD工艺生产环境的控制方法，步骤S3中，所述反馈控制装置根据所述温度信息和对应的反馈控制增益参数生成温度控制信号，以及所述反馈控制装置根据所述真空度信息和对应的反馈控制增益参数生成真空度控制信号的步骤具体包括：

根据反馈控制器公式：

u_i(t)＝-K_ix_i(t)i＝1,2,…,N(2)

如果第i个子系统是温度控制子系统，则把所述温度控制子系统的温度信息作为t时刻的第i个子系统的状态变量x_i(t)，同时根据第i个子系统求得的反馈控制增益参数K_i，计算得到所述温度控制子系统的反馈控制输入u_i(t)，利用所述反馈控制输入u_i(t)生成温度控制信号；

如果第i个子系统是真空度控制子系统，则把所述真空度控制子系统的真空度信息作为t时刻的第i个子系统的状态变量x_i(t)，同时根据第i个子系统求得的反馈控制增益参数K_i，计算得到所述真空度控制子系统的反馈控制输入u_i(t)，利用所述反馈控制输入u_i(t)生成真空度控制信号。

进一步，本发明所述的LPCVD工艺生产环境的控制方法，在步骤S2中，根据所述温度信息和真空度信息计算得出反馈控制增益参数的步骤具体还包括：

当跟踪期望目标时，设：

e_i(t)＝x_i(t)-x_ir(t)(11)

其中，e(t)表示误差值，x_i(t)为第i个子控制系统的状态变量，x_ir(t)为第i个子控制系统的期望目标；

当误差值e(t)趋近于0，得到x_i(t)＝x_ir(t)，将公式(1)改写为：

$x_i(t+1)=(A_i-B_i{K}_j)\left(x_i\right(t)-x_{ir}(t\left)\right)+x_{ir}(t+1)+\underset{j=1,j\&NotEqual;i}{\overset{N}{\&Sigma;}}{A}_{ij}{x}_j\left(t\right)---\left(12\right)$

然后顺序执行所述步骤S203至步骤S210，得出反馈控制增益参数K_i。

本发明还提供一种LPCVD工艺生产环境的控制系统，包括：密闭的反应腔室、反馈控制装置、G个温度控制子系统以及H个真空度控制子系统，G、H均为正整数；其中，

所述温度控制子系统包括温度传感器和与之对应的温度调节装置；

所述真空度控制子系统包括真空度传感器和与之对应的真空度调节装置；

所述反应腔室内设有所述温度传感器和所述温度调节装置，以及所述反应腔室内设有所述真空度传感器和所述真空度调节装置；所述温度传感器采集所述反应腔室内的温度信息、所述真空度传感器采集所述反应腔室内的真空度信息；

所述反馈控制装置获得所述温度信息和真空度信息，并根据所述温度信息和真空度信息计算得出反馈控制增益参数；而且所述反馈控制装置根据所述温度信息和对应的反馈控制增益参数生成温度控制信号，并发送至所述温度调节装置，所述反馈控制装置根据所述真空度信息和对应的反馈控制增益参数生成真空度控制信号，并发送至所述真空度调节装置；

所述温度调节装置根据所述温度控制信号调节所述反应腔室内的温度；所述真空度调节装置根据所述真空度控制信号调节所述反应腔室内的真空度。

进一步，本发明所述的LPCVD工艺生产环境的控制系统，所述反馈控制装置具体包括：

反馈控制增益参数计算模块，用于根据所述温度信息和真空度信息，结合子系统的状态变量公式和反馈控制器公式计算得出反馈控制增益参数。

进一步，本发明所述的LPCVD工艺生产环境的控制系统，所述反馈控制装置具体还包括：

温度控制信号生成模块，当第i个子系统是温度控制子系统时，把所述温度控制子系统的温度信息作为t时刻的第i个子系统的状态变量x_i(t)，同时根据第i个子系统求得的反馈控制增益参数K_i，计算得到所述温度控制子系统的反馈控制输入u_i(t)，利用所述反馈控制输入u_i(t)生成温度控制信号；

真空度控制信号生成模块，当第i个子系统是真空度控制子系统时，把所述真空度控制子系统的真空度信息作为t时刻的第i个子系统的状态变量x_i(t)，同时根据第i个子系统求得的反馈控制增益参数K_i，计算得到所述真空度控制子系统的反馈控制输入u_i(t)，利用所述反馈控制输入u_i(t)生成真空度控制信号。

进一步，本发明所述的LPCVD工艺生产环境的控制系统，所述反馈控制装置具体还包括：

期望目标跟踪模块，当跟踪期望目标时，根据期望目标得出反馈控制增益参数K_i。

进一步，本发明所述的LPCVD工艺生产环境的控制系统，所述反应腔室为1个，所述温度控制子系统为1个，所述真空控制子系统为1个。

本发明所述的一种LPCVD工艺生产环境的控制方法和系统，通过使温度控制子系统和真空控制子系统同时快速地实现各自的控制功能，节约达到工艺要求的时间，节省成本，可扩展性强，解决了现有技术中温度和真空度分别控制情况下的耗费时间长，控制性能指标很难兼顾协调达到工艺条件的要求的问题，实现了把相对独立的温度控制系统和真空控制系统联系起来，统一分析数据、协调温度和真空状态关系，达到更精确的控制精度和更短的控制时间。

附图说明

图1是本发明实施例所述的控制方法流程图；

图2是本发明实施例所述的控制系统结构图；

图3为本发明实施例所述的控制系统的反馈控制装置结构图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步描述。

本发明实施例提供一种LPCVD工艺生产环境的控制方法，所述控制方法应用于LPCVD工艺生产环境的控制系统，所述控制系统包括密闭的反应腔室、反馈控制装置、G个温度控制子系统以及H个真空度控制子系统，G、H均为正整数；所述温度控制子系统包括温度传感器和与之对应的温度调节装置，所述真空度控制子系统包括真空度传感器和与之对应的真空度调节装置；

图1是本发明实施例所述的控制方法流程图，如图1所示，所述控制方法包括：

步骤S1，所述温度传感器采集所述反应腔室内的温度信息、所述真空度传感器采集所述反应腔室内的真空度信息；

步骤S2，所述反馈控制装置获得所述温度信息和真空度信息，并根据所述温度信息和真空度信息计算得出反馈控制增益参数；

步骤S3，所述反馈控制装置根据所述温度信息和对应的反馈控制增益参数生成温度控制信号，并发送至所述温度调节装置；

所述反馈控制装置根据所述真空度信息和对应的反馈控制增益参数生成真空度控制信号，并发送至所述真空度调节装置；

步骤S4，所述温度调节装置根据所述温度控制信号调节所述反应腔室内的温度；

所述真空度调节装置根据所述真空度控制信号调节所述反应腔室内的真空度。

LPCVD工艺生产环境主要是在密闭的反应腔室内部，需要控制反应腔室内部的温度和真空度，以达到LPCVD工艺的生产要求。而现有技术中的温度和真空度控制分别由各自独立的温度控制系统和真空度控制系统完成，而温度和真空度具有耦合关系，分别进行控制会导致控制精度降低。因此，本发明实施例所述的控制方法将温度控制和真空度控制结合起来，通过大系统的分散控制原理，建立了温度和真空度的反馈控制的联系，同时对反应腔室内部的温度和真空度进行反馈控制，能够提高控制精度，节约控制时间。

进一步，本发明实施例所述的LPCVD工艺生产环境的控制方法，所述步骤S2中，根据所述温度信息和真空度信息计算得出反馈控制增益参数的步骤具体包括：

步骤S201，设所述反应腔室内共有N个子系统，所述子系统由G个温度控制子系统和H个真空度控制子系统组成，N＝G+H；

所述反应腔室包括至少一个子腔室，当所述反应腔室包括数个子腔室时，需要在所述反应腔室内，对每个子腔室的温度和真空度进行控制，这时就需要在每个子腔室都设有温度控制子系统和真空度控制子系统，这样，就需要在一个反应腔室内设有多个温度控制子系统和真空度控制子系统；由于温度和真空度在物理上具有耦合关系，因此，可以统一把所述温度控制子系统和真空度控制子系统都作为数学抽象模型的子系统，把温度控制子系统和真空度控制子系统采集或者控制的温度和真空度的物理量作为抽象数学模型中的数值，进行反馈控制；这样，不论是温度控制子系统，还是真空度控制子系统，都各自对应一个抽象数学模型意义上的子系统，如此就可以建立起温度和真空度的数学意义上的耦合关系；

步骤S202，设所述子系统的状态变量公式为：

$x_i(t+1)=A_i{x}_i\left(t\right)+B_i{u}_i\left(t\right)+\underset{j=1,j\&NotEqual;i}{\overset{N}{\&Sigma;}}{A}_{ij}{x}_j\left(t\right),i,j=1,2,...,N---\left(1\right)$

其中，x_i(t+1)表示在t+1时刻的第i个子系统的状态变量，x_i(t)表示t时刻的第i个子系统的状态变量，x_j(t)表示t时刻的第j个子系统的状态变量，所述子系统的状态变量表示所述温度信息或者所述真空度信息；A_i表示第i个子系统输入矩阵，B_i表示第i个子系统控制矩阵，u_i(t)表示第i个子系统的控制输入，表示第i个子系统和第j个子系统的联接项，i、j均为正整数且i≠j；

所述联接项是指第i个子系统和其余子系统之间的相互影响的耦合关系项，具体代表温度和真空度的耦合关系；

A_i，B_i和A_ij是事先通过系统辨识等方法来获得，是实现控制方法必要的先验条件，有几个子系统就有几个A_i、B_i和u_i(t)；

公式(1)中除了x(t)和x(t+1)是测量温度或者真空度得到的，u(t)是待求的，其余参数A_i、B_i、A_ij都为已知，可以通过系统辨识的方法得到；

步骤S203，设反馈控制器公式为：

u_i(t)＝-K_ix_i(t)i＝1,2,…,N(2)

其中，u_i(t)表示第i个子系统的控制输入，x_i(t)表示t时刻的第i个子系统状态变量，K_i表示第i个子系统的反馈控制增益参数；所述第i个子系统将所述控制输入u_i(t)反馈回所述第i个子系统的输入端，对第i个子系统进行反馈控制；

步骤S204，把所述反馈控制器公式(2)带入所述子系统的状态变量公式(1)，得到如下公式：

$x_i(t+1)=(A_i-B_i{K}_i)x_i\left(t\right)+\underset{j=1,j\&NotEqual;i}{\overset{N}{\&Sigma;}}{A}_{ij}{x}_j\left(t\right)i,j=1,2,...,N---\left(3\right)$

步骤S205，选取Lyapunov函数为：

$V\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{x}_i^T\left(t\right)P_i{x}_i\left(t\right)---\left(4\right)$

其中，P_i表示能够使所述第i个子系统稳定的对称正定矩阵；表示第i个子系统的状态变量；T代表矩阵的转置，例如x^T是x的对称阵；

使所述Lyapunov函数中的变量V(t)对时间差分，得到如下公式：

$\mathrm{\&Delta;}V\left(t\right)=V(t+1)-V\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{x}_i^T(t+1)P_i{x}_i(t+1)-\underset{i=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{x}_i^T\left(t\right)P_i{x}_i\left(t\right)---\left(5\right)$

步骤S206，把公式(3)带入公式(5)，得到如下公式：

$\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;}V\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{x}_i^T\left(t\right)\&lsqb;G_{ii}^T{P}_i{G}_{ii}-P_i\&rsqb;x_i\left(t\right)+\underset{i=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}\underset{k=1,k\&NotEqual;i}{\overset{N}{\&Sigma;}}{x}_i^T\left(t\right)G_{ik}^T{P}_i{A}_{ik}{x}_k\left(t\right)\\ +\underset{i=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}\underset{j=1,j\&NotEqual;i}{\overset{N}{\&Sigma;}}{x}_j^T\left(t\right)A_{ij}^T{P}_i{G}_{ii}{x}_i\left(t\right)+\underset{i=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}\underset{j=1,j\&NotEqual;i}{\overset{N}{\&Sigma;}}\underset{k=1,k\&NotEqual;j}{\overset{N}{\&Sigma;}}{x}_j^T\left(t\right)A_{ij}^T{P}_i{A}_{ik}{x}_k\left(t\right)\\ \&le;N\underset{i=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{x}_i^T\left(t\right)\&lsqb;G_{ii}^T{P}_i{G}_{ii}+\underset{j=1,j\&NotEqual;i}{\overset{N}{\&Sigma;}}{A}_{ij}^T{P}_i{A}_{ij}-\frac{1}{N}{P}_i\&rsqb;x_i\left(t\right)\end{array}---\left(6\right)$

其中，G_ii＝A_i-B_iK_i；

步骤S207，当公式(6)的不等式右边的部分算式是负定时，使闭环的所述控制系统稳定，得到所述控制系统稳定的条件为：

$G_{ii}^T{P}_i{G}_{ii}+\underset{j=1,j\&NotEqual;i}{\overset{N}{\&Sigma;}}{A}_{ij}^T{P}_j{A}_{ij}-\frac{1}{N}{P}_i<0---\left(7\right)$

其中，根据Lyapunov定理，当V(t)＞0且ΔV(t)＜0时，闭环控制系统处于稳定状态；所述控制系统是指包括N个子系统的整个控制系统，而且所述控制系统是闭环系统。

A_ik表示子系统之间的联接项；A_il与A_ik相同，只是符号不同，代表第l个子系统的联接项的具体取值与第k个子系统的联接项不同；

例如，A₁₂指第一个子系统和第二个子系统之间的耦合关系联接项，A₁₃指第一个子系统和第三个子系统之间的耦合关系联接项；

步骤S208，对上述公式(7)利用Schur分解方法求得如下公式：

$\left[\begin{array}{ccc}\frac{1}{N}{P}_i& *& *\\ A_i-B_i{K}_i& -P_i^{-1}& 0\\ {\underset{\&OverBar;}{A}}_{ij}& 0& -{\underset{\&OverBar;}{P}}_i^{-1}\end{array}\right]<0---\left(8\right)$

其中，*代表公式(8)中矩阵的对称项；

${\underset{\&OverBar;}{A}}_{ij}={\&lsqb;A_{1j}^T,...,A_{(i-1)j}^T,A_{(i+1)j}^T,...A_{Nj}^T\&rsqb;}^T;$

${\underset{\&OverBar;}{P}}_i^{-1}=diag\&lsqb;P_1^{-1},...,P_i^{-1},P_{i+1}^{-1},...,P_{iN}^{-1}\&rsqb;;$

diag表示对角阵，采用对角阵的目的是将公式(8)转化为标准的线性矩阵不等式；

对于Schur分解方法，例如，在Schur分解方法中对于给定的对称矩阵

$\left[\begin{array}{cc}{S}_{11}& S_{12}\\ S_{21}& S_{22}\end{array}\right]<0$

式中S₁₁是r×r维矩阵，以下3个条件等价：

1.S＜0

2. $S_{11}<0,S_{22}-S_{12}^T{S}_{11}^{-1}{S}_{12}<0$

3. $S_{22}<0,S_{11}-S_{12}{S}_{22}^{-1}{S}_{12}^T<0;$

步骤S209，设X_i＝P_i ^-1，对所述公式(8)的不等式左右同时乘以diag[P_i ^-1I…I]，得到如下公式：

$\left[\begin{array}{ccc}\frac{1}{N}{X}_i& *& *\\ A_i-B_i{K}_i& -X_i& 0\\ {\underset{\&OverBar;}{A}}_{ij}& 0& -{\underset{\&OverBar;}{X}}_i\end{array}\right]<0---\left(9\right)$

其中， ${\underset{\&OverBar;}{X}}_i=diag\&lsqb;X_1^{-1},...,X_i^{-1},X_{i+1}^{-1},...X_{iN}^{-1}\&rsqb;;$

I指与相同行列的项的维数相同的单位阵；

不等式左右同时乘以diag[P_i ^-1I…I]是为了将公式(9)转化为线性矩阵不等式的标准形式；

步骤S210，设X_i＝P_i ^-1、M_i＝K_iX_i，将所述公式(9)改写为：

$\left[\begin{array}{ccc}\frac{1}{N}{X}_i& *& *\\ A_i{X}_i-B_i{K}_i& -X_i& 0\\ {\underset{\&OverBar;}{A}}_{ij}& 0& -{\underset{\&OverBar;}{X}}_i\end{array}\right]<0---\left(10\right)$

利用MATLAB的LMI工具对上述公式(10)求解，得到状态变量矩阵X，进而可求得使闭环的子系统稳定的矩阵P和反馈控制增益参数K_i；

通过X_i＝P_i ^-1和M_i＝K_iX_i，可实现P和K的线性相关、M和X的线性相关，即转化为一个未知矩阵X；

所述公式(10)为线性矩阵不等式，利用MATLAB软件中的LMI工具对上述公式(10)求解，可以得出矩阵X_i和M_i；M是和X线性相关的量，同时可以求出；P和K可通过X和M解得，P是使闭环控制系统稳定的矩阵，K是反馈控制增益矩阵，是求解控制器的最终目的。

可得到使闭环子系统稳定的矩阵X_i和反馈控制增益参数K_i的矩阵；把所述矩阵X_i和反馈控制增益参数K_i的矩阵带入公式(2)，可以得出子系统的反馈控制输入u_i(t)。

上述技术方案是建立温度和真空度反馈控制联系的具体数学算法，其核心是求解反馈控制增益参数；将温度和真空度作为子系统的状态变量，通过反馈控制的抽象数学算法得到反馈控制增益参数，然后根据所述反馈控制增益参数提供反馈控制信号，控制温度和真空度。所述第i个控制子系统，可以是温度控制子系统，也可以是真空控制子系统，在抽象的数学模型中，仅需要考虑其数学数值，而不需要考虑具体的物理属性。但是必须保证在一个反应腔室内至少有一个温度控制子系统和真空控制子系统，并且对这两个子系统进行本发明所述的控制方法，以实现对温度和真空度的联合控制。

进一步，本发明实施例所述的LPCVD工艺生产环境的控制方法，步骤S3中，所述反馈控制装置根据所述温度信息和对应的反馈控制增益参数生成温度控制信号，以及所述反馈控制装置根据所述真空度信息和对应的反馈控制增益参数生成真空度控制信号的步骤具体包括：

根据反馈控制器公式：

u_i(t)＝-K_ix_i(t)i＝1,2,…,N(2)

如果第i个子系统是温度控制子系统，则把所述温度控制子系统的温度信息作为t时刻的第i个子系统的状态变量x_i(t)，同时根据第i个子系统求得的反馈控制增益参数K_i，计算得到所述温度控制子系统的反馈控制输入u_i(t)，利用所述反馈控制输入u_i(t)生成温度控制信号；

如果第i个子系统是真空度控制子系统，则把所述真空度控制子系统的真空度信息作为t时刻的第i个子系统的状态变量x_i(t)，同时根据第i个子系统求得的反馈控制增益参数K_i，计算得到所述真空度控制子系统的反馈控制输入u_i(t)，利用所述反馈控制输入u_i(t)生成真空度控制信号。

进一步，本发明实施例所述的LPCVD工艺生产环境的控制方法，在步骤S2中，根据所述温度信息和真空度信息计算得出反馈控制增益参数的步骤具体还包括：

当跟踪期望目标时，设：

e_i(t)＝x_i(t)-x_ir(t)(11)

其中，e(t)表示误差值，x_i(t)为第i个子控制系统的状态变量，x_ir(t)为第i个子控制系统的期望目标值；

当误差值e(t)趋近于0，得到x_i(t)＝x_ir(t)，这样就达到了跟踪控制的目的，可将公式(1)改写为：

$x_i(t+1)=(A_i-B_i{K}_j)\left(x_i\right(t)-x_{ir}(t\left)\right)+x_{ir}(t+1)+\underset{j=1,j\&NotEqual;i}{\overset{N}{\&Sigma;}}{A}_{ij}{x}_j\left(t\right)---\left(12\right)$

然后顺序执行所述步骤S203至步骤S210，得出反馈控制增益参数K_i。

如果希望跟踪期望目标，可以设定期望目标值x_ir(t)，使公式(10)中的e(t)趋近0，当误差值e(t)趋近于0的时候，即可达到跟踪控制的目的，这时第i个子系统的状态变量x_i(t)和期望目标值x_ir(t)相等，那么跟踪目的就达到了。

本发明实施例还提供一种LPCVD工艺生产环境的控制系统，图2是本发明实施例所述的控制系统结构图，如图2所示，所述系统包括：密闭的反应腔室、反馈控制装置、G个温度控制子系统以及H个真空度控制子系统，G、H均为正整数；其中，

所述温度控制子系统包括温度传感器和与之对应的温度调节装置；

所述真空度控制子系统包括真空度传感器和与之对应的真空度调节装置；

所述反应腔室内设有所述温度传感器和所述温度调节装置，以及所述反应腔室内设有所述真空度传感器和所述真空度调节装置；所述温度传感器采集所述反应腔室内的温度信息、所述真空度传感器采集所述反应腔室内的真空度信息；

所述反馈控制装置获得所述温度信息和真空度信息，并根据所述温度信息和真空度信息计算得出反馈控制增益参数；而且所述反馈控制装置根据所述温度信息和对应的反馈控制增益参数生成温度控制信号，并发送至所述温度调节装置，所述反馈控制装置根据所述真空度信息和对应的反馈控制增益参数生成真空度控制信号，并发送至所述真空度调节装置；

所述温度调节装置根据所述温度控制信号调节所述反应腔室内的温度；所述真空度调节装置根据所述真空度控制信号调节所述反应腔室内的真空度。

上述技术方案是实现本发明实施例所述的控制方法的具体系统，通过传感器检测反应腔室内的温度和真空度信息，然后在所述反馈控制模块中，把温度信息和真空度信息作为抽象的数学变量，得出反馈控制增益参数，然后根据所述反馈控制增益参数计算得出温度控制信号和真空度控制信号，并把控制信号反馈回相应的温度调节装置和真空度调节装置，根据控制信号进一步控制温度调节装置和真空度调节装置的具体工作，使所述反应腔室的温度和真空度达到LPCVD工艺的生产要求。其中，所述温度调节装置包括：可编程逻辑控制器(PLC，ProgrammableLogicController)，可控硅整流器(SCR，SiliconControlledRectifier)；SCR是温度调节执行单元；所述真空度调节装置包括：真空泵；真空泵是真空抽取执行单元；所述温度传感器包括：热偶传感器；所述真空传感器包括：真空规。

进一步，本发明实施例所述的LPCVD工艺生产环境的控制系统，图3为本发明实施例所述的控制系统的反馈控制装置结构图，如图3所示，所述反馈控制装置具体包括：

反馈控制增益参数计算模块，用于根据所述温度信息和真空度信息，结合子系统的状态变量公式和反馈控制器公式计算得出反馈控制增益参数；

温度控制信号生成模块，获取反馈控制增益参数计算模块发送的反馈控制增益参数和第i个子系统的状态变量，当第i个子系统是温度控制子系统时，把所述温度控制子系统的温度信息作为t时刻的第i个子系统的状态变量x_i(t)，同时根据第i个子系统求得的反馈控制增益参数K_i，计算得到所述温度控制子系统的反馈控制输入u_i(t)，利用所述反馈控制输入u_i(t)生成温度控制信号；

真空度控制信号生成模块，获取反馈控制增益参数计算模块发送的反馈控制增益参数和第i个子系统的状态变量，当第i个子系统是真空度控制子系统时，把所述真空度控制子系统的真空度信息作为t时刻的第i个子系统的状态变量x_i(t)，同时根据第i个子系统求得的反馈控制增益参数K_i，计算得到所述真空度控制子系统的反馈控制输入u_i(t)，利用所述反馈控制输入u_i(t)生成真空度控制信号。

进一步，本发明实施例所述的LPCVD工艺生产环境的控制系统，所述反馈控制装置具体还包括：

期望目标跟踪模块，当跟踪期望目标时，根据期望目标得出反馈控制增益参数K_i，并发送所述反馈控制增益参数K_i至温度控制信号生成模块和真空度控制信号生成模块，使所述温度控制信号生成模块和所述真空度控制信号生成模块根据期望目标跟踪模块生成的所述反馈控制增益参数K_i，结合第i个子系统的状态变量生成基于期望目标值的温度控制信号和真空度控制信号。

进一步，本发明实施例所述的LPCVD工艺生产环境的控制系统，所述反应腔室为1个，所述温度控制子系统为1个，所述真空控制子系统为1个。

优选地，本发明实施例所述的控制系统仅仅针对一个反应腔室，这样可以简化结构，节约成本。

本发明所述的控制系统还可以控制多个腔室的温度和真空度，需要满足每个腔室各都配备一套温度控制子系统和真空度控制子系统，而所有的反应腔室只需要一个反馈控制模块分别为不同反应腔室的温度控制子系统或者真空度控制子系统提供各自相应的反馈控制增益参数，就可实现控制多个反应腔室生产环境的目的。反馈控制模块的功能主要是实现本发明所述的控制方法的步骤S2和步骤S3的数学算法，数学算法可以通过计算机程序进行控制，把计算机程序写入相应的计算装置中，就可以形成本发明实施例所述的反馈控制模块，实现本发明所述的控制方法。

以上仅为本发明的优选实施例，当然，本发明还可以有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种LPCVD工艺生产环境的控制方法，其特征在于，所述控制方法应用于LPCVD工艺生产环境的控制系统，所述控制系统包括密闭的反应腔室、反馈控制装置、G个温度控制子系统以及H个真空度控制子系统，G、H均为正整数；所述温度控制子系统包括温度传感器和与之对应的温度调节装置，所述真空度控制子系统包括真空度传感器和与之对应的真空度调节装置；

所述控制方法包括：

步骤S1，所述温度传感器采集所述反应腔室内的温度信息、所述真空度传感器采集所述反应腔室内的真空度信息；

步骤S2，所述反馈控制装置获得所述温度信息和真空度信息，并根据所述温度信息和真空度信息计算得出反馈控制增益参数；

步骤S3，所述反馈控制装置根据所述温度信息和对应的反馈控制增益参数生成温度控制信号，并发送至所述温度调节装置；

所述反馈控制装置根据所述真空度信息和对应的反馈控制增益参数生成真空度控制信号，并发送至所述真空度调节装置；

步骤S4，所述温度调节装置根据所述温度控制信号调节所述反应腔室内的温度；

所述真空度调节装置根据所述真空度控制信号调节所述反应腔室内的真空度；

其中，所述步骤S2中，将温度信息和真空度信息作为子系统的状态变量，通过反馈控制的抽象数学算法得到反馈控制增益参数,具体包括：

步骤S201，设所述反应腔室内共有N个子系统，所述子系统由G个温度控制子系统和H个真空度控制子系统组成，N＝G+H；

步骤S202，设所述子系统的状态变量公式为：

$x_i(t+1)=A_i{x}_i\left(t\right)+B_i{u}_i\left(t\right)+\underset{j=1,j\&NotEqual;i}{\overset{N}{\&Sigma;}}{A}_{ij}{x}_j\left(t\right),i,j=1,2,...,N---\left(1\right)$

其中，x_i(t+1)表示在t+1时刻的第i个子系统的状态变量，x_i(t)表示t时刻的第i个子系统的状态变量，x_j(t)表示t时刻的第j个子系统的状态变量，所述子系统的状态变量表示所述温度信息或者所述真空度信息；A_i表示第i个子系统输入矩阵，B_i表示第i个子系统控制矩阵，u_i(t)表示第i个子系统的控制输入，表示第i个子系统和第j个子系统的联接项，i、j均为正整数且i≠j；

步骤S203，设反馈控制器公式为：

u_i(t)＝-K_ix_i(t)i＝1,2,…,N(2)

其中，u_i(t)表示第i个子系统的控制输入，x_i(t)表示t时刻的第i个子系统状态变量，K_i表示第i个子系统的反馈控制增益参数；所述第i个子系统将所述控制输入u_i(t)反馈回所述第i个子系统的输入端，对第i个子系统进行反馈控制；

步骤S204，把所述反馈控制器公式(2)带入所述子系统的状态变量公式(1)，得到如下公式：

$x_i(t+1)=\left(A_i-B_i{K}_i\right)x_i\left(t\right)+\underset{j=1,j\&NotEqual;i}{\overset{N}{\&Sigma;}}{A}_{ij}{x}_j\left(t\right),i,j=1,2,...,N---\left(3\right)$

步骤S205，选取Lyapunov函数为：

$V\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{x}_i^T\left(t\right)P_i{x}_i\left(t\right)---\left(4\right)$

其中，P_i表示能够使所述第i个子系统稳定的对称正定矩阵；表示第i个子系统的状态变量；T代表矩阵的转置；

使所述Lyapunov函数中的变量V(t)对时间差分，得到如下公式：

$\mathrm{\&Delta;}V\left(t\right)=V(t+1)-V\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{x}_i^T(t+1)P_i{x}_i(t+1)-\underset{i=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{x}_i^T\left(t\right)P_i{x}_i\left(t\right)---\left(5\right)$

步骤S206，把公式(3)带入公式(5)，得到如下公式：

$\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;}V\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{x}_i^T\left(t\right)\&lsqb;G_{ii}^T{P}_i{G}_{ii}-P_i\&rsqb;x_i\left(t\right)+\underset{i=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}\underset{k=1,k\&NotEqual;i}{\overset{N}{\&Sigma;}}{x}_i^T\left(t\right)G_{ik}^T{P}_i{A}_{ik}{x}_k\left(t\right)\\ +\underset{i=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}\underset{j=1,j\&NotEqual;i}{\overset{N}{\&Sigma;}}{x}_j^T\left(t\right)A_{ik}^T{P}_i{G}_{ii}{x}_i\left(t\right)+\underset{i=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}\underset{j=1,j\&NotEqual;i}{\overset{N}{\&Sigma;}}\underset{k=1,k\&NotEqual;j}{\overset{N}{\&Sigma;}}{x}_j^T\left(t\right)A_{ij}^T{P}_i{A}_{ik}{x}_k\left(t\right)\\ \&le;N\underset{i=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{x}_i^T\left(t\right)\&lsqb;G_{ii}^T{P}_i{G}_{ii}+\underset{j=1,j\&NotEqual;i}{\overset{N}{\&Sigma;}}{A}_{ij}^T{P}_j{A}_{ij}-\frac{1}{N}{P}_i\&rsqb;x_i\left(t\right)\end{array}---\left(6\right)$

其中，G_ii＝A_i-B_iK_i；

步骤S207，当公式(6)的不等式右边的部分算式是负定时，使闭环的所述控制系统稳定，得到所述控制系统稳定的条件为：

$G_{ii}^T{P}_i{G}_{ii}+\underset{j=1,j\&NotEqual;i}{\overset{N}{\&Sigma;}}{A}_{ij}^T{P}_j{A}_{ij}-\frac{1}{N}{P}_i<0---\left(7\right)$

步骤S208，对上述公式(7)利用Schur分解方法求得如下公式：

$\left[\begin{array}{ccc}\frac{1}{N}{P}_i& *& *\\ A_i-B_i{K}_i& -P_i^{-1}& 0\\ {\underset{\&OverBar;}{A}}_{ij}& 0& -{\underset{\&OverBar;}{P}}_i^{-1}\end{array}\right]<0---\left(8\right)$

其中，*代表公式(8)中矩阵的对称项；

${\underset{\&OverBar;}{A}}_{ij}={\&lsqb;A_{1j}^T,...,A_{\left(i-1\right)j}^T,A_{\left(i+1\right)j}^T,...A_{Nj}^T\&rsqb;}^T;$

${\underset{\&OverBar;}{P}}_i^{-1}=diag\&lsqb;P_1^{-1},...,P_i^{-1},P_{i+1}^{-1},...,P_{iN}^{-1}\&rsqb;;$

diag表示对角阵；

步骤S209，设对所述公式(8)的不等式左右同时乘以 $\mathrm{diag}\left[\begin{array}{cc}{P}_i^{-1}& I...I\end{array}\right],$ 得到如下公式：

$\left[\begin{array}{ccc}\frac{1}{N}{X}_i& *& *\\ A_i-B_i{K}_i& -X_i& 0\\ {\underset{\&OverBar;}{A}}_{ij}& 0& -{\underset{\&OverBar;}{X}}_i\end{array}\right]<0---\left(9\right)$

其中， ${\underset{\&OverBar;}{X}}_i=diag\&lsqb;X_1^{-1},...,X_i^{-1},X_{i+1}^{-1},...,X_{iN}^{-1}\&rsqb;;$

骤S210，设M_i＝K_iX_i，将所述公式(9)改写为：

$\left[\begin{array}{ccc}\frac{1}{N}{X}_i& *& *\\ A_i{X}_i-B_i{K}_i& -X_i& 0\\ {\underset{\&OverBar;}{A}}_{ij}& 0& -{\underset{\&OverBar;}{X}}_i\end{array}\right]<0---\left(9\right)$

利用MATLAB的LMI工具对上述公式(10)求解，得到状态变量矩阵X，进而可求得使闭环的子系统稳定的矩阵P和反馈控制增益参数K_i。

2.根据权利要求1所述的LPCVD工艺生产环境的控制方法，其特征在于，步骤S3中，所述反馈控制装置根据所述温度信息和对应的反馈控制增益参数生成温度控制信号，以及所述反馈控制装置根据所述真空度信息和对应的反馈控制增益参数生成真空度控制信号的步骤具体包括：

根据反馈控制器公式：

u_i(t)＝-K_ix_i(t)i＝1,2,…,N(2)

如果第i个子系统是温度控制子系统，则把所述温度控制子系统的温度信息作为t时刻的第i个子系统的状态变量x_i(t)，同时根据第i个子系统求得的反馈控制增益参数K_i，计算得到所述温度控制子系统的反馈控制输入u_i(t)，利用所述反馈控制输入u_i(t)生成温度控制信号；

如果第i个子系统是真空度控制子系统，则把所述真空度控制子系统的真空度信息作为t时刻的第i个子系统的状态变量x_i(t)，同时根据第i个子系统求得的反馈控制增益参数K_i，计算得到所述真空度控制子系统的反馈控制输入u_i(t)，利用所述反馈控制输入u_i(t)生成真空度控制信号。

3.根据权利要求2所述的LPCVD工艺生产环境的控制方法，其特征在于，在步骤S2中，根据所述温度信息和真空度信息计算得出反馈控制增益参数的步骤具体还包括：

当跟踪期望目标时，设：

e_i(t)＝x_i(t)-x_ir(t)(11)

其中，e_i(t)表示误差值，x_i(t)为第i个子控制系统的状态变量，x_ir(t)为第i个子控制系统的期望目标值；

当误差值e(t)趋近于0，得到x_i(t)＝x_ir(t)，将公式(1)改写为：

$x_i(t+1)=(A_i-B_i{K}_j)\left(x_i\right(t)-x_{ir}(t\left)\right)+x_{ir}(t+1)+\underset{j=1,j\&NotEqual;i}{\overset{N}{\&Sigma;}}{A}_{ij}{x}_j\left(t\right)---\left(12\right)$

然后顺序执行所述步骤S203至步骤S210，得出反馈控制增益参数K_i。

4.一种LPCVD工艺生产环境的控制系统，其特征在于，包括：密闭的反应腔室、反馈控制装置、G个温度控制子系统以及H个真空度控制子系统，G、H均为正整数；其中，

所述温度控制子系统包括温度传感器和与之对应的温度调节装置；

所述真空度控制子系统包括真空度传感器和与之对应的真空度调节装置；

所述反应腔室内设有所述温度传感器和所述温度调节装置，以及所述反应腔室内设有所述真空度传感器和所述真空度调节装置；所述温度传感器采集所述反应腔室内的温度信息、所述真空度传感器采集所述反应腔室内的真空度信息；

所述反馈控制装置获得所述温度信息和真空度信息，并根据所述温度信息和真空度信息计算得出反馈控制增益参数；而且所述反馈控制装置根据所述温度信息和对应的反馈控制增益参数生成温度控制信号，并发送至所述温度调节装置，所述反馈控制装置根据所述真空度信息和对应的反馈控制增益参数生成真空度控制信号，并发送至所述真空度调节装置；

所述温度调节装置根据所述温度控制信号调节所述反应腔室内的温度；所述真空度调节装置根据所述真空度控制信号调节所述反应腔室内的真空度；所述反馈控制装置具体包括：

反馈控制增益参数计算模块，用于根据所述温度信息和真空度信息，结合子系统的状态变量公式和反馈控制器公式计算得出反馈控制增益参数。

5.根据权利要求4所述的LPCVD工艺生产环境的控制系统，其特征在于，所述反馈控制装置具体还包括：

温度控制信号生成模块，当第i个子系统是温度控制子系统时，把所述温度控制子系统的温度信息作为t时刻的第i个子系统的状态变量x_i(t)，同时根据第i个子系统求得的反馈控制增益参数K_i，计算得到所述温度控制子系统的反馈控制输入u_i(t)，利用所述反馈控制输入u_i(t)生成温度控制信号；

真空度控制信号生成模块，当第i个子系统是真空度控制子系统时，把所述真空度控制子系统的真空度信息作为t时刻的第i个子系统的状态变量x_i(t)，同时根据第i个子系统求得的反馈控制增益参数K_i，计算得到所述真空度控制子系统的反馈控制输入u_i(t)，利用所述反馈控制输入u_i(t)生成真空度控制信号。

6.根据权利要求5所述的LPCVD工艺生产环境的控制系统，其特征在于，所述反馈控制装置具体还包括：

期望目标跟踪模块，当跟踪期望目标时，根据期望目标得出反馈控制增益参数K_i。

7.根据权利要求4～6任一项所述的LPCVD工艺生产环境的控制系统，其特征在于，所述反应腔室为1个，所述温度控制子系统为1个，所述真空控制子系统为1个。