LM在SiC（碳化硅）晶体生长炉控制系统中的应用

1引言         作为一种新型的半导体材料，SiC以其优良的物理化学特性和电特性成为制造短波长光电子器件、高温器件、抗辐照器件和大功率／高额电子器件最重要的半导体材料。特别是在极端条件和恶劣条件下应用时，SiC器件的特性远远超过了Si器件和GaAs器件。因此，SiC器件和其各类传感器已逐步成为关键器件之一，发挥着越来越重要的作用。         从20世纪80年代起，特别是1989年第一种SiC衬底圆片进入市场以来，SiC器件和电路获得了快速的发展。在某些领域，如发光二极管、高频大功率和高电压器件等，SiC器件已经得到较广泛的商业应用，发展迅速。经过十几年的发展，目前SiC器件工艺已经可以制造商用器件。以Cree为代表的一批公司已经开始提供SiC器件的商业产品。         国内的研究所和高校在SiC材料生长和器件制造工艺方面也取得了可喜的成果。目前SiC因片的体生长和外延生长技术已经可以得到应用于商业生产的SiC圆片，市场上可以获得3英寸的SiC圆片，4英寸的圆片生产技术也不断研制成熟。中科院物理研究所从2000年以来投入大量人力和物力进行了SiC晶体关键生长技术的研发，凭借其多年在晶体生长的经验和实力雄厚的科研力量，目前物理所已跻身于全球几个有能力生长2英寸SiC半导体晶体的单位之一，同时已设计并制造出具有自主知识产权的SiC晶体生长炉，为规模化生产奠定了基础，并具有明显的价格优势。目前本研究组响应把科学技术转化为生产力的号召，集多方资源建立了从事SiC单晶材料生长炉规模化生产业务的公司。

2 生长炉的组成         SiC晶体的生长条件苛刻，需在2100℃以上保持高真空一周以上，且对籽晶质量、固定方式等也有很高要求。物理所利用长期研究工作中积累的单晶生长经验，结合自行设计的独特的坩埚和温场，设计并制造出具有自主知识产权的SiC晶体生长炉。除炉体以外，生长炉具有大量控制设备来确保晶体生长苛刻的环境要求，这样控制设备大体上可以分为真空设备、加温设备和运动设备。         真空设备包括变频器、真空计、真空泵、智能控制仪表、真空控制器和密封设备等，真空计采集炉腔内的真空度，真空控制器根据真空度变化调节变频器频率，进而改变真空泵的运行频率，以保证炉腔内的真空度稳定；加温设备包括中频加热炉、中频电源、电流/电压传感器、可控硅和PID智能调节温控仪表等，温控仪表采集电流传感器的模拟量信号（此值与炉内温度成线性关系），根据电流值和设定值进行PID调节，输出给可控硅来调节中频电源的电压，进而保证炉内温度的稳定；运动设备包括步进电机、LM PLC、丝杠、导轨、编码器、限位开关和触摸屏等，闭环调节籽晶杆和坩埚杆的运动，调节坩埚自转，各种参数可以设置。生长炉外型结构见下图：

图-1 生长炉外型结构图

3 运动控制系统组成       在SiC结晶过程中，除了满足温度和真空度的条件外，另外还要保证籽晶和坩埚之间有相对的旋转和拉伸运动，而且要匀速运动，否则晶体质地满足不了要求。晶体生长过程见图-2，籽晶杆与坩埚杆反向运动，同时坩埚杆旋转。

图-2 晶体生长过程图

      为了实现上面的运动过程，本炉中选用了三个步进电机，两个步进电机驱动丝杠带动坩埚杆和籽晶杆的上下移动，另一个电机带动坩埚自转，再选两个编码器反馈坩埚杆和籽晶杆的位置；选用两个LM3106A CPU模块，一个用来控制坩埚杆和籽晶杆的步进电机，另一个控制坩埚自转的电机；在坩埚杆和籽晶杆的步进电机和丝杠之间选用两个两极减速器，一级为80：1，二级为100：1，当快速调节坩埚杆和籽晶杆平移位置时只使用一级减速，当慢速调节或者拉晶过程中两级都使用，那减速比为8000：1，坩埚自转选用12：1的一级减速器；选用Hetech的触摸屏，进行参数设定和显示，通过RS485口以ModBus协议连接两个PLC从站。运动系统的结构图见图-3。

图-3系统结构图

4 工艺过程描述      系统采用触摸屏与两台PLC通讯，控制三台步进电机，其中两台步进电机为平移，一台为旋转。平移两轴需要使用编码器反馈作全部闭环控制和显示。         触摸屏需要连接两台PLC，只能占用一个COM口，因此必须采用RS485的方式连接。 坩埚杆和籽晶杆步进电机参数设为2000Pulse/r，丝杠导程为5mm，减速比为慢速 1：8000 ，快速 1：80（快慢档通过离合器切换），因此速度范围慢速为0.002~0.50mm/hour，快速为1~60mm/min。编码器解析度为100ppr，也就是100个脉冲对应5毫米。       坩埚杆平移可分别设定快/慢档速度，当前档位通过外接按钮切换，触摸屏画面上进行当前状态的显示，当前位置显示当前的坐标值，当点击设为原点按钮时，当前位置清零。用户可设定目标位置，点击启动按钮，程序会将当前位置自动保存到起点位置上，并且运行电机直到到达目标位置。上下点动按钮可快速点动坩埚上下平移。 坩埚杆运行过程中，切换快慢档位无效，且运行期间不可更改任何速度/位置等相关设定，变动无效。籽晶杆平移过程与坩埚杆平移过程相同。      坩埚自转步进电机为2000Pulse/r，减速比为1：12，速度范围为0~30rpm。可通过按钮选择旋转方向（顺时针/逆时针），可通过按钮选择启动/停止。 5 结论      本案例利用HOLLIAS LM PLC为核心完成了碳化硅晶体的生长炉运动控制功能，电机转速稳定，定位准确，充分体现了LM PLC高速输出和高速计数的功能。 与中科院物理所合作完成这具有国际科技先进水平的项目，说明了我们团队具有配合研究院所完成科研项目的能力，体现了团队的综合素质。 6 提高      本案例介绍的晶体生长炉为中科院物理所碳化硅晶体规模化生产的第一批设备，主要目的是为了完成生长炉的功能，实现晶体生长的工艺。而降低成本和控制方式的改进是下一步的工作，对此我给出以下几点建议： 1、要实现规模化生产，那么应该实行集中监控。把现在单机系统连接起来有多种方式，无论是采用ProfiBus DP现场总线的方式，还是采用工业以太网的方式，HOLLIAS LM PLC都提供了相应的通讯模块，监控中心选用组态软件实现工艺工程监控、报警显示、历史数据的存储与检索等功能。 2、本案例中温度PID调节是通过温控仪表来实现的，为了降低成本，提高系统的集成度，应该将电流传感器的信号通过PLC模拟量模块采集，然后在PLC中进行PID调节，通过模拟量输出控制可控硅，完成晶体生长炉的温度控制。 3、本案例中的真空度的控制是通过真空控制器实现的，同样为了降低成本和提高系统集成度，应该采用PLC来完成，通过采集真空计的模拟信号测得炉腔内的真空度，根据要求调节变频器的频率使其改变真空泵的转速，来调节炉腔中真空度。完成2和3的功能只需添加一个模拟量输入模块LM3310和一个模拟量输出模块LM3320就可以实现了。 4、本案例中触摸屏具有两个COM口，采用RS485的方式连接两组PLC只能占用一个COM口，因此，另一个COM口可以连接其它的仪表设备，然后在屏中通过宏指令将采集的数据传到PLC中，PLC再通过网络将数据传到监控中心，实现数据的上传与集中显示。