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    1 引言

    作為一種新型的半導體材料，SiC以其優良的物理化學特性和電特性成為制造短波長光電子器件、高溫器件、抗輻照器件和大功率/高額電子器件最重要的半導體材料。特別是在極端條件和惡劣條件下應用時，SiC器件的特性遠遠超過了Si器件和GaAs器件。因此，SiC器件和其各類傳感器已逐步成為關鍵器件之一，發揮著越來越重要的作用。

    從20世紀80年代起，特別是1989年第一種SiC襯底圓片進入市場以來，SiC器件和電路獲得了快速的發展。在某些領域，如發光二極管、高頻大功率和高電壓器件等，SiC器件已經得到較廣泛的商業應用，發展迅速。經過十幾年的發展，目前SiC器件工藝已經可以制造商用器件。以Cree為代表的一批公司已經開始提供SiC器件的商業產品。

    國內的研究所和高校在SiC材料生長和器件制造工藝方面也取得了可喜的成果。目前SiC因片的體生長和外延生長技術已經可以得到應用于商業生產的SiC圓片，市場上可以獲得3英寸的SiC圓片，4英寸的圓片生產技術也不斷研制成熟。中科院物理研究所從2000年以來投入大量人力和物力進行了SiC晶體關鍵生長技術的研發，憑借其多年在晶體生長的經驗和實力雄厚的科研力量，目前物理所已躋身于全球幾個有能力生長2英寸SiC半導體晶體的單位之一，同時已設計并制造出具有自主知識產權的SiC晶體生長爐，為規模化生產奠定了基礎，并具有明顯的價格優勢。目前本研究組響應把科學技術轉化為生產力的號召，集多方資源建立了從事SiC單晶材料生長爐規模化生產業務的公司。

    2 生長爐的組成

    SiC晶體的生長條件苛刻，需在2100℃以上保持高真空一周以上，且對籽晶質量、固定方式等也有很高要求。物理所利用長期研究工作中積累的單晶生長經驗，結合自行設計的獨特的坩堝和溫場，設計并制造出具有自主知識產權的SiC晶體生長爐。除爐體以外，生長爐具有大量控制設備來確保晶體生長苛刻的環境要求，這樣控制設備大體上可以分為真空設備、加溫設備和運動設備。

    真空設備包括變頻器、真空計、真空泵、智能控制儀表、真空控制器和密封設備等，真空計采集爐腔內的真空度，真空控制器根據真空度變化調節變頻器頻率，進而改變真空泵的運行頻率，以保證爐腔內的真空度穩定；加溫設備包括中頻加熱爐、中頻電源、電流/電壓傳感器、可控硅和PID智能調節溫控儀表等，溫控儀表采集電流傳感器的模擬量信號（此值與爐內溫度成線性關系），根據電流值和設定值進行PID調節，輸出給可控硅來調節中頻電源的電壓，進而保證爐內溫度的穩定；運動設備包括步進電機、G3 PLC、絲杠、導軌、編碼器、限位開關和觸摸屏等，閉環調節籽晶桿和坩堝桿的運動，調節坩堝自轉，各種參數可以設置。生長爐外型結構見下圖：

        

                               圖-1 生長爐外型結構圖

    3 運動控制系統組成

    在SiC結晶過程中，除了滿足溫度和真空度的條件外，另外還要保證籽晶和坩堝之間有相對的旋轉和拉伸運動，而且要勻速運動，否則晶體質地滿足不了要求。晶體生長過程見圖-2，籽晶桿與坩堝桿反向運動，同時坩堝桿旋轉。

           

                                   圖-2 晶體生長過程圖

    為了實現上面的運動過程，本爐中選用了三個步進電機，兩個步進電機驅動絲杠帶動坩堝桿和籽晶桿的上下移動，另一個電機帶動坩堝自轉，再選兩個編碼器反饋坩堝桿和籽晶桿的位置；選用兩個LM3106ACPU模塊，一個用來控制坩堝桿和籽晶桿的步進電機，另一個控制坩堝自轉的電機；在坩堝桿和籽晶桿的步進電機和絲杠之間選用兩個兩極減速器，一級為80：1，二級為100：1，當快速調節坩堝桿和籽晶桿平移位置時只使用一級減速，當慢速調節或者拉晶過程中兩級都使用，那減速比為8000：1，坩堝自轉選用12：1的一級減速器；選用Hetech的觸摸屏，進行參數設定和顯示，通過RS485口以ModBus協議連接兩個PLC從站。運動系統的結構圖見圖-3。

     

                                     圖-3系統結構圖

    4 工藝過程描述

    系統采用觸摸屏與兩臺PLC通訊，控制三臺步進電機，其中兩臺步進電機為平移，一臺為旋轉。平移兩軸需要使用編碼器反饋作全部閉環控制和顯示。

    觸摸屏需要連接兩臺PLC，只能占用一個COM口，因此必須采用RS485的方式連接。

    坩堝桿和籽晶桿步進電機參數設為2000Pulse/r，絲杠導程為5mm，減速比為慢速 1：8000 ，快速 1：80（快慢檔通過離合器切換），因此速度范圍慢速為0.002~0.50mm/hour，快速為1~60mm/min。編碼器解析度為100ppr，也就是100個脈沖對應5毫米。

    坩堝桿平移可分別設定快/慢檔速度，當前檔位通過外接按鈕切換，觸摸屏畫面上進行當前狀態的顯示，當前位置顯示當前的坐標值，當點擊設為原點按鈕時，當前位置清零。用戶可設定目標位置，點擊啟動按鈕，程序會將當前位置自動保存到起點位置上，并且運行電機直到到達目標位置。上下點動按鈕可快速點動坩堝上下平移。 坩堝桿運行過程中，切換快慢檔位無效，且運行期間不可更改任何速度/位置等相關設定，變動無效。籽晶桿平移過程與坩堝桿平移過程相同。

    坩堝自轉步進電機為2000Pulse/r，減速比為1：12，速度范圍為0~30rpm。可通過按鈕選擇旋轉方向（順時針/逆時針），可通過按鈕選擇啟動/停止。

    5 結論

    本案例利用LM系列 PLC為核心完成了碳化硅晶體的生長爐運動控制功能，電機轉速穩定，定位準確，充分體現了G3 PLC高速輸出和高速計數的功能。
與中科院物理所合作完成這具有國際科技先進水平的項目，說明了我們團隊具有配合研究院所完成科研項目的能力，體現了團隊的綜合素質。

    6 提高

    本案例介紹的晶體生長爐為中科院物理所碳化硅晶體規模化生產的第一批設備，主要目的是為了完成生長爐的功能，實現晶體生長的工藝。而降低成本和控制方式的改進是下一步的工作，對此我給出以下幾點建議：

    1、 要實現規模化生產，那么應該實行集中監控。把現在單機系統連接起來有多種方式，無論是采用ProfiBus DP現場總線的方式，還是采用工業以太網的方式，LM系列 PLC都提供了相應的通訊模塊，監控中心選用組態軟件實現工藝工程監控、報警顯示、歷史數據的存儲與檢索等功能。

    2、 本案例中溫度PID調節是通過溫控儀表來實現的，為了降低成本，提高系統的集成度，應該將電流傳感器的信號通過PLC模擬量模塊采集，然后在PLC中進行PID調節，通過模擬量輸出控制可控硅，完成晶體生長爐的溫度控制。

    3、 本案例中的真空度的控制是通過真空控制器實現的，同樣為了降低成本和提高系統集成度，應該采用PLC來完成，通過采集真空計的模擬信號測得爐腔內的真空度，根據要求調節變頻器的頻率使其改變真空泵的轉速，來調節爐腔中真空度。完成2和3的功能只需添加一個模擬量輸入模塊LM3310和一個模擬量輸出模塊LM3320就可以實現了。

    4、 本案例中觸摸屏具有兩個COM口，采用RS485的方式連接兩組PLC只能占用一個COM口，因此，另一個COM口可以連接其它的儀表設備，然后在屏中通過宏指令將采集的數據傳到PLC中，PLC再通過網絡將數據傳到監控中心，實現數據的上傳與集中顯示。