CN103726033A - 一种用于控制等离子体增强化学气相沉积炉体温度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于控制等离子体增强化学气相沉积炉体温度的方法，预先设定温度目标值，实时采集炉体各个温区的实际温度，计算出与温度目标值的温度差值；根据该差值，通过模糊控制器控制炉体内的加热管的加热功率输出，以使得炉体各个温区的实际温度与温度目标值的偏差值小于预先设定的阈值，模糊控制器所采用的模糊控制决策包括温度偏差程度模糊规则，为针对实际的温度差值控制加热管的加热功率输出；当炉体各个温区的实际温度与温度目标值的偏差值小于预先设定的阈值后，启用增量型PID控制器控制加热管的加热功率输出。本发明的用于控制等离子体增强化学气相沉积炉体温度的方法，有效缩短开始加热工艺腔到达到工艺腔正常工艺时的时间。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池制备工艺领域，尤其涉及一种用于控制等离子体增强化学气相沉积炉体温度的方法。
背景技术
在太阳能电池或半导体制程的镀膜工艺中都会碰到如何有效加热工艺腔到指定工艺温度的问题。现有技术中，由于一般工艺腔在正常工艺时腔体内是真空的，这使得升温、降温过程极不对称。真空状态下工艺腔内温度定值控制时的腔内实际温度曲线为非对称的S曲线。即开始时腔体内温度缓慢上升，几分钟后腔体内温度快速上升并冲高至设定温度之上，然后再极其缓慢的下调至设定温度之下。由于升温、降温过程极不对称使得从开始加热工艺腔到达到工艺腔正常工艺时的时间大大延长，较长的温控时间影响了产量并加大了能耗。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于控制等离子体增强化学气相沉积炉体温度的方法，有效缩短开始加热工艺腔到达到工艺腔正常工艺时的时间，整个温度控制过程采用了模糊控制决策，模拟人的快速升温经验过程。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于控制等离子体增强化学气相沉积炉体温度的方法，包括以下步骤：
S1：预先设定温度目标值，实时采集所述炉体各个温区的实际温度，并计算出与所述温度目标值的温度差值；
S2：根据所述温度差值，通过模糊控制器控制所述炉体内的加热管的加热功率输出，以使得所述炉体各个温区的实际温度与所述温度目标值的偏差值小于预先设定的阈值，所述模糊控制器所采用的模糊控制决策包括温度偏差程度模糊规则，所述温度偏差程度模糊规则为针对实际的温度差值控制加热管的加热功率输出，温度差值越大，加热管的加热功率输出越大，温度差值越小，加热管的加工功率输出越小；
S3：当所述炉体各个温区的实际温度与所述温度目标值的偏差值小于预先设定的阈值后，启用增量型PID控制器控制所述炉体内的加热管的加热功率输出。
作为优选，所述预先设定的阈值为1～2℃。
作为优选，所述模糊控制决策还包括炉体状态模糊规则，所述炉体状态模糊控制规则为针对炉门开度控制加热管的加热功率输出，炉门开度越大，加热管的加热功率输出越大，炉门开度越小，加热管的加热功率输出越小。
作为优选，所述模糊控制决策还包括真空状态模糊规则，所述真空状态模糊规则为针对炉体内为真空状态与否来控制加热管的加热功率输出，包括：
炉体内为真空状态时，当炉体温度在预先设定温度目标值的100℃以下时，加热管的加热功率以全功率输出方式工作；当炉体温度在预先设定温度目标值的80℃以下时，加热管的加热功率输出按真空状态下非线性曲线加热炉体，在该真空状态下非线性曲线中，越接近预先设定温度目标值，加热管的加热功率越低；当炉体温度在预先设定温度目标值的10℃以下时，启用自动真空PID控制器控制炉体温度，
炉体内为非真空状态时，当炉体温度在预先设定温度目标值的85℃以下时，加热管的加热功率以全功率输出方式工作；当炉体温度在预先设定温度目标值的60℃以下时，加热管的加热功率输出按非真空状态下非线性曲线加热炉体，在该非真空状态下非线性曲线中，越接近预先设定温度目标值，加热管的加热功率越低；当炉体温度在预先设定温度目标值的20℃以下时，启用自动非真空PID控制器控制炉体温度，
非真空状态下非线性曲线与真空状态下非线性曲线的差别是，在相同炉体温度条件下，所述真空状态下非线性曲线比非真空状态下非线性曲线的曲线斜率更大。
作为优选，所述模糊控制决策还包括气体流量模糊控制规则，所述气体流量模糊控制规则为针对喷入炉体的气体流量的大小控制加热管的加热功率输出，根据喷入炉体的气体流量给加热管的加热功率值乘以气体流量系数，喷入炉体的气体流量越大，该气体流量系数越大。
作为优选，所述模糊控制决策还包括等离子状态模糊规则，所述等离子状态模糊规则包括，在开启等离子设备之前，判断炉体温度偏差是否在10℃以内，如偏差在10℃以内，则在打开等离子时，停止加热管的加热功率输出，同时继续监视炉体温度，当炉体温度低于预先设定温度目标值10℃以下，重新开始加热管的加热功率输出。
作为优选，所述模糊控制决策还包括各个温区的温度偏差程度模糊规则，所述各个温区的温度偏差程度模糊规则为在加热过程中，对最高、高、中、低、最低五个温区的实际温度进行温度跟踪，随时获取最高温区的温度与最低温区的温度，将各温区的温度与最高和最低温区的温度进行比较，计算出各个温区与最高温区温度的上偏差和各个温区与最低温区温度的下偏差，当最高温区与最低温区温度的最大下偏差大于30℃时，最高温区暂时停止加热，以等待最低温区温度提升；当高、中、低、最低四个温区的上偏差大于20℃时，将高、中、低、最低四个温区的加热曲线乘以温区上偏差修正系数，上偏差越大，该系数越大。
与现有技术相比，本发明的用于控制等离子体增强化学气相沉积炉体温度的方法的有益效果在于：通过对炉体加入模糊控制决策，包括炉体状态模糊规则、真空状态模糊规则、气体流量模糊控制规则、等离子状态模糊规则、各个温区的温度偏差程度模糊规则，有效缩短开始加热工艺腔到达到工艺腔正常工艺时的时间，整个温度控制过程采用了模糊控制决策，模拟人的快速升温经验过程。
附图说明
图1为本发明的实施例的用于控制等离子体增强化学气相沉积炉体温度的方法的控制框图；
图2为使用本发明的实施例的用于控制等离子体增强化学气相沉积炉体温度的方法的实验曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的实施例的用于控制等离子体增强化学气相沉积炉体温度的方法作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。
图1为本发明的实施例的用于控制等离子体增强化学气相沉积炉体温度的方法的控制框图，图2为使用本发明的实施例的用于控制等离子体增强化学气相沉积炉体温度的方法的实验曲线图。本发明的实施例的用于控制等离子体增强化学气相沉积炉体温度的方法，包括以下步骤：
S1：预先设定温度目标值，实时采集所述炉体各个温区的实际温度，并计算出与所述温度目标值的温度差值，
S2：根据所述温度差值，通过模糊控制器控制所述炉体内的加热管的加热功率输出，以使得所述炉体各个温区的实际温度与所述温度目标值的偏差值小于预先设定的阈值，所述模糊控制器所采用的模糊控制决策包括温度偏差程度模糊规则，所述温度偏差程度模糊规则为针对实际的温度差值控制加热管的加热功率输出，温度差值越大，加热管的加热功率输出越大，温度差值越小，加热管的加工功率输出越小，其中，温度目标值430℃到450℃左右，本实施例中阈值取1～2℃。
作为改进，由于工艺炉体的炉门在打开时,炉内的温度会由于空气对流而造成炉内温度下降,尤其是靠近炉口的加热区内的温度会急剧下降。为此，可在炉门打开和关闭这两种状态下对不同的温区设定不同的加热策略。模糊控制决策还包括炉体状态模糊规则，所述炉体状态模糊控制规则为针对炉门开度控制加热管的加热功率输出，炉门开度越大，加热管的加热功率输出越大，炉门开度越小，加热管的加热功率输出越小。
作为改进，由于在真空下，炉内加热主要靠辐射来完成，而在非真空状态下炉内加热靠传导和辐射来完成。为此，可对炉内为真空状态与否设定不同的加热策略。因此，所述模糊控制决策还可以包括真空状态模糊规则，所述真空状态模糊规则为针对炉体内为真空状态与否来控制加热管的加热功率输出，包括：
炉体内为真空状态时，当炉体温度在预先设定温度目标值的100℃以下时，加热管的加热功率以全功率输出方式工作；当炉体温度在预先设定温度目标值的80℃以下时，加热管的加热功率输出按真空状态下非线性曲线加热炉体，在该真空状态下非线性曲线中，越接近预先设定温度目标值，加热管的加热功率越低；当炉体温度在预先设定温度目标值的10℃以下时，启用自动真空PID控制器控制炉体温度；
炉体内为非真空状态时，当炉体温度在预先设定温度目标值的85℃以下时，加热管的加热功率以全功率输出方式工作；当炉体温度在预先设定温度目标值的60℃以下时，加热管的加热功率输出按非真空状态下非线性曲线加热炉体，在该非真空状态下非线性曲线中，越接近预先设定温度目标值，加热管的加热功率越低；当炉体温度在预先设定温度目标值的20℃以下时，启用自动非真空PID控制器控制炉体温度；
非真空状态下非线性曲线与真空状态下非线性曲线的差别是，在相同炉体温度条件下，所述真空状态下非线性曲线比非真空状态下非线性曲线的曲线斜率更大。
作为改进，由于喷入的气体是常温的，气体在进入炉体后会冷却腔体，有气体喷入与没有气体喷入的加热曲线不一样，即，当有气体喷入时，加热曲线必须乘以一个气体流量系数（此系数＞1），此系数与气体的流量大小相关。所述模糊控制决策还包括气体流量模糊控制规则，所述气体流量模糊控制规则为针对喷入炉体的气体流量的大小控制加热管的加热功率输出，根据喷入炉体的气体流量给加热管的加热功率值乘以气体流量系数，喷入炉体的气体流量越大，该气体流量系数越大。
作为改进，由于等离子体本身会产生热量，并且离子体产生的热量一般大于炉体散失的热量，故在打开等离子时，基本上断开炉体的加热系统（但仍继续监视炉体温度，如温度低于设定温度10℃以下，则必须重启加热系统）。所述模糊控制决策还包括等离子状态模糊规则，所述等离子状态模糊规则包括，在打开等离子之前，判断炉体温度偏差是否在10℃以内，如偏差在10℃以内，则在打开等离子时，断开加热管的加热功率输出，同时继续监视炉体温度，当炉体温度低于预先设定温度目标值10℃以下，重新打开加热管的加热功率输出。
作为改进，由于炉体内分为五个温区，即最高、高、中、低、最低五个温区，炉体内五个温区的温度应该一致。但在实际的加热过程中，五个温区的温度往往不一致。为此，为各个温区的温度偏差制定控制规则。总体原则为：温度高的温区等待温度低的温区。所述模糊控制决策还包括各个温区的温度偏差程度模糊规则，所述各个温区的温度偏差程度模糊规则为在加热过程中，对最高、高、中、低、最低五个温区的实际温度进行温度跟踪，随时获取最高温区的温度与最低温区的温度，将五个温区的温度与最高温区的温度进行比较，计算出各个温区与最高温区温度的上偏差和各个温区与最高低温区温度的下偏差，当最高温区与最低温区温度的最大下偏差大于30℃时，最高温区暂时停止加热，以等待最低温区温度提升；当高、中、低、最低四个温区的上偏差大于20℃时，将高、中、低、最低四个温区的加热曲线乘以温区上偏差非线性修正系数，上偏差越大，该系数越大。
最终的炉体五个温区的温度加热曲线是设定温度、炉内温度、炉壁温度、炉门状态、真空状态、气体流量、等离子状态加热管位置的函数。此函数由反复多次的实践逐步逼近来获取。
如图2所示，在图示的温度曲线中，设定温度为430℃，实际温度为429℃～430℃，整个温度控制过程采用了上述的模糊控制决策，模拟人的快速升温经验过程，达到了快速、稳定的有益控制效果。
以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种用于控制等离子体增强化学气相沉积炉体温度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：预先设定温度目标值，实时采集所述炉体各个温区的实际温度，并计算出与所述温度目标值的温度差值；
S2：根据所述温度差值，通过模糊控制器控制所述炉体内的加热管的加热功率输出，以使得所述炉体各个温区的实际温度与所述温度目标值的偏差值小于预先设定的阈值，所述模糊控制器所采用的模糊控制决策包括温度偏差程度模糊规则，所述温度偏差程度模糊规则为针对实际的温度差值控制加热管的加热功率输出，温度差值越大，加热管的加热功率输出越大，温度差值越小，加热管的加工功率输出越小；
S3：当所述炉体各个温区的实际温度与所述温度目标值的偏差值小于预先设定的阈值后，启用增量型PID控制器控制所述炉体内的加热管的加热功率输出。
2.根据权利要求1所述的用于控制等离子体增强化学气相沉积炉体温度的方法，其特征在于，所述预先设定的阈值为1～2℃。
3.根据权利要求2所述的用于控制等离子体增强化学气相沉积炉体温度的方法，其特征在于，所述模糊控制决策还包括炉体状态模糊规则，所述炉体状态模糊控制规则为针对炉门开度控制加热管的加热功率输出，炉门开度越大，加热管的加热功率输出越大，炉门开度越小，加热管的加热功率输出越小。
4.根据权利要求3所述的用于控制等离子体增强化学气相沉积炉体温度的方法，其特征在于，所述模糊控制决策还包括真空状态模糊规则，所述真空状态模糊规则为针对炉体内为真空状态与否来控制加热管的加热功率输出，包括：
炉体内为真空状态时，当炉体温度在预先设定温度目标值的100℃以下时，加热管的加热功率以全功率输出方式工作；当炉体温度在预先设定温度目标值的80℃以下时，加热管的加热功率输出按真空状态下非线性曲线加热炉体，在该真空状态下非线性曲线中，越接近预先设定温度目标值，加热管的加热功率越低；当炉体温度在预先设定温度目标值的10℃以下时，启用自动真空PID控制器控制炉体温度，
炉体内为非真空状态时，当炉体温度在预先设定温度目标值的85℃以下时，加热管的加热功率以全功率输出方式工作；当炉体温度在预先设定温度目标值的60℃以下时，加热管的加热功率输出按非真空状态下非线性曲线加热炉体，在该非真空状态下非线性曲线中，越接近预先设定温度目标值，加热管的加热功率越低；当炉体温度在预先设定温度目标值的20℃以下时，启用自动非真空PID控制器控制炉体温度，
非真空状态下非线性曲线与真空状态下非线性曲线的差别是，在相同炉体温度条件下，所述真空状态下非线性曲线比非真空状态下非线性曲线的曲线斜率更大。
5.根据权利要求4所述的用于控制等离子体增强化学气相沉积炉体温度的方法，其特征在于，所述模糊控制决策还包括气体流量模糊控制规则，所述气体流量模糊控制规则为针对喷入炉体的气体流量的大小控制加热管的加热功率输出，根据喷入炉体的气体流量给加热管的加热功率值乘以气体流量系数，喷入炉体的气体流量越大，该气体流量系数越大。
6.根据权利要求5所述的用于控制等离子体增强化学气相沉积炉体温度的方法，其特征在于，所述模糊控制决策还包括等离子状态模糊规则，所述等离子状态模糊规则包括，在开启等离子设备之前，判断炉体温度偏差是否在10℃以内，如偏差在10℃以内，则在打开等离子时，停止加热管的加热功率输出，同时继续监视炉体温度，当炉体温度低于预先设定温度目标值10℃以下，重新开始加热管的加热功率输出。
7.根据权利要求6所述的用于控制等离子体增强化学气相沉积炉体温度的方法，其特征在于，所述模糊控制决策还包括各个温区的温度偏差程度模糊规则，所述各个温区的温度偏差程度模糊规则为在加热过程中，对最高、高、中、低、最低五个温区的实际温度进行温度跟踪，随时获取最高温区的温度与最低温区的温度，将各温区的温度与最高和最低温区的温度进行比较，计算出各个温区与最高温区温度的上偏差和各个温区与最低温区温度的下偏差，当最高温区与最低温区温度的最大下偏差大于30℃时，最高温区暂时停止加热，以等待最低温区温度提升；当高、中、低、最低四个温区的上偏差大于20℃时，将高、中、低、最低四个温区的加热曲线乘以温区上偏差修正系数，上偏差越大，该系数越大。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20140416 |