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    1 引言

    作為一種新型的半導(dǎo)體材料，SiC以其優(yōu)良的物理化學(xué)特性和電特性成為制造短波長(zhǎng)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(dǎo)體材料。特別是在極端條件和惡劣條件下應(yīng)用時(shí)，SiC器件的特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了Si器件和GaAs器件。因此，SiC器件和其各類(lèi)傳感器已逐步成為關(guān)鍵器件之一，發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

    從20世紀(jì)80年代起，特別是1989年第一種SiC襯底圓片進(jìn)入市場(chǎng)以來(lái)，SiC器件和電路獲得了快速的發(fā)展。在某些領(lǐng)域，如發(fā)光二極管、高頻大功率和高電壓器件等，SiC器件已經(jīng)得到較廣泛的商業(yè)應(yīng)用，發(fā)展迅速。經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，目前SiC器件工藝已經(jīng)可以制造商用器件。以Cree為代表的一批公司已經(jīng)開(kāi)始提供SiC器件的商業(yè)產(chǎn)品。

    國(guó)內(nèi)的研究所和高校在SiC材料生長(zhǎng)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(zhǎng)和外延生長(zhǎng)技術(shù)已經(jīng)可以得到應(yīng)用于商業(yè)生產(chǎn)的SiC圓片，市場(chǎng)上可以獲得3英寸的SiC圓片，4英寸的圓片生產(chǎn)技術(shù)也不斷研制成熟。中科院物理研究所從2000年以來(lái)投入大量人力和物力進(jìn)行了SiC晶體關(guān)鍵生長(zhǎng)技術(shù)的研發(fā)，憑借其多年在晶體生長(zhǎng)的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)力雄厚的科研力量，目前物理所已躋身于全球幾個(gè)有能力生長(zhǎng)2英寸SiC半導(dǎo)體晶體的單位之一，同時(shí)已設(shè)計(jì)并制造出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的SiC晶體生長(zhǎng)爐，為規(guī)模化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)，并具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。目前本研究組響應(yīng)把科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的號(hào)召，集多方資源建立了從事SiC單晶材料生長(zhǎng)爐規(guī)模化生產(chǎn)業(yè)務(wù)的公司。

    2 生長(zhǎng)爐的組成

    SiC晶體的生長(zhǎng)條件苛刻，需在2100℃以上保持高真空一周以上，且對(duì)籽晶質(zhì)量、固定方式等也有很高要求。物理所利用長(zhǎng)期研究工作中積累的單晶生長(zhǎng)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合自行設(shè)計(jì)的獨(dú)特的坩堝和溫場(chǎng)，設(shè)計(jì)并制造出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的SiC晶體生長(zhǎng)爐。除爐體以外，生長(zhǎng)爐具有大量控制設(shè)備來(lái)確保晶體生長(zhǎng)苛刻的環(huán)境要求，這樣控制設(shè)備大體上可以分為真空設(shè)備、加溫設(shè)備和運(yùn)動(dòng)設(shè)備。

    真空設(shè)備包括變頻器、真空計(jì)、真空泵、智能控制儀表、真空控制器和密封設(shè)備等，真空計(jì)采集爐腔內(nèi)的真空度，真空控制器根據(jù)真空度變化調(diào)節(jié)變頻器頻率，進(jìn)而改變真空泵的運(yùn)行頻率，以保證爐腔內(nèi)的真空度穩(wěn)定；加溫設(shè)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(diào)節(jié)溫控儀表等，溫控儀表采集電流傳感器的模擬量信號(hào)（此值與爐內(nèi)溫度成線性關(guān)系），根據(jù)電流值和設(shè)定值進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，輸出給可控硅來(lái)調(diào)節(jié)中頻電源的電壓，進(jìn)而保證爐內(nèi)溫度的穩(wěn)定；運(yùn)動(dòng)設(shè)備包括步進(jìn)電機(jī)、G3 PLC、絲杠、導(dǎo)軌、編碼器、限位開(kāi)關(guān)和觸摸屏等，閉環(huán)調(diào)節(jié)籽晶桿和坩堝桿的運(yùn)動(dòng)，調(diào)節(jié)坩堝自轉(zhuǎn)，各種參數(shù)可以設(shè)置。生長(zhǎng)爐外型結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖：

        

                               圖-1 生長(zhǎng)爐外型結(jié)構(gòu)圖

    3 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)組成

    在SiC結(jié)晶過(guò)程中，除了滿(mǎn)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(duì)的旋轉(zhuǎn)和拉伸運(yùn)動(dòng)，而且要?jiǎng)蛩龠\(yùn)動(dòng)，否則晶體質(zhì)地滿(mǎn)足不了要求。晶體生長(zhǎng)過(guò)程見(jiàn)圖-2，籽晶桿與坩堝桿反向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)坩堝桿旋轉(zhuǎn)。

           

                                   圖-2 晶體生長(zhǎng)過(guò)程圖

    為了實(shí)現(xiàn)上面的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，本爐中選用了三個(gè)步進(jìn)電機(jī)，兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠帶動(dòng)坩堝桿和籽晶桿的上下移動(dòng)，另一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)坩堝自轉(zhuǎn)，再選兩個(gè)編碼器反饋坩堝桿和籽晶桿的位置；選用兩個(gè)LM3106ACPU模塊，一個(gè)用來(lái)控制坩堝桿和籽晶桿的步進(jìn)電機(jī)，另一個(gè)控制坩堝自轉(zhuǎn)的電機(jī)；在坩堝桿和籽晶桿的步進(jìn)電機(jī)和絲杠之間選用兩個(gè)兩極減速器，一級(jí)為80：1，二級(jí)為100：1，當(dāng)快速調(diào)節(jié)坩堝桿和籽晶桿平移位置時(shí)只使用一級(jí)減速，當(dāng)慢速調(diào)節(jié)或者拉晶過(guò)程中兩級(jí)都使用，那減速比為8000：1，坩堝自轉(zhuǎn)選用12：1的一級(jí)減速器；選用Hetech的觸摸屏，進(jìn)行參數(shù)設(shè)定和顯示，通過(guò)RS485口以ModBus協(xié)議連接兩個(gè)PLC從站。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖-3。

     

                                     圖-3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    4 工藝過(guò)程描述

    系統(tǒng)采用觸摸屏與兩臺(tái)PLC通訊，控制三臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，其中兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)為平移，一臺(tái)為旋轉(zhuǎn)。平移兩軸需要使用編碼器反饋?zhàn)魅块]環(huán)控制和顯示。

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

    坩堝桿和籽晶桿步進(jìn)電機(jī)參數(shù)設(shè)為2000Pulse/r，絲杠導(dǎo)程為5mm，減速比為慢速 1：8000 ，快速 1：80（快慢檔通過(guò)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(gè)脈沖對(duì)應(yīng)5毫米。

    坩堝桿平移可分別設(shè)定快/慢檔速度，當(dāng)前檔位通過(guò)外接按鈕切換，觸摸屏畫(huà)面上進(jìn)行當(dāng)前狀態(tài)的顯示，當(dāng)前位置顯示當(dāng)前的坐標(biāo)值，當(dāng)點(diǎn)擊設(shè)為原點(diǎn)按鈕時(shí)，當(dāng)前位置清零。用戶(hù)可設(shè)定目標(biāo)位置，點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕，程序會(huì)將當(dāng)前位置自動(dòng)保存到起點(diǎn)位置上，并且運(yùn)行電機(jī)直到到達(dá)目標(biāo)位置。上下點(diǎn)動(dòng)按鈕可快速點(diǎn)動(dòng)坩堝上下平移。 坩堝桿運(yùn)行過(guò)程中，切換快慢檔位無(wú)效，且運(yùn)行期間不可更改任何速度/位置等相關(guān)設(shè)定，變動(dòng)無(wú)效。籽晶桿平移過(guò)程與坩堝桿平移過(guò)程相同。

    坩堝自轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)為2000Pulse/r，減速比為1：12，速度范圍為0~30rpm。可通過(guò)按鈕選擇旋轉(zhuǎn)方向（順時(shí)針/逆時(shí)針），可通過(guò)按鈕選擇啟動(dòng)/停止。

    5 結(jié)論

    本案例利用LM系列 PLC為核心完成了碳化硅晶體的生長(zhǎng)爐運(yùn)動(dòng)控制功能，電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，定位準(zhǔn)確，充分體現(xiàn)了G3 PLC高速輸出和高速計(jì)數(shù)的功能。
與中科院物理所合作完成這具有國(guó)際科技先進(jìn)水平的項(xiàng)目，說(shuō)明了我們團(tuán)隊(duì)具有配合研究院所完成科研項(xiàng)目的能力，體現(xiàn)了團(tuán)隊(duì)的綜合素質(zhì)。

    6 提高

    本案例介紹的晶體生長(zhǎng)爐為中科院物理所碳化硅晶體規(guī)模化生產(chǎn)的第一批設(shè)備，主要目的是為了完成生長(zhǎng)爐的功能，實(shí)現(xiàn)晶體生長(zhǎng)的工藝。而降低成本和控制方式的改進(jìn)是下一步的工作，對(duì)此我給出以下幾點(diǎn)建議：

    1、 要實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，那么應(yīng)該實(shí)行集中監(jiān)控。把現(xiàn)在單機(jī)系統(tǒng)連接起來(lái)有多種方式，無(wú)論是采用ProfiBus DP現(xiàn)場(chǎng)總線的方式，還是采用工業(yè)以太網(wǎng)的方式，LM系列 PLC都提供了相應(yīng)的通訊模塊，監(jiān)控中心選用組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)工藝工程監(jiān)控、報(bào)警顯示、歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與檢索等功能。

    2、 本案例中溫度PID調(diào)節(jié)是通過(guò)溫控儀表來(lái)實(shí)現(xiàn)的，為了降低成本，提高系統(tǒng)的集成度，應(yīng)該將電流傳感器的信號(hào)通過(guò)PLC模擬量模塊采集，然后在PLC中進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，通過(guò)模擬量輸出控制可控硅，完成晶體生長(zhǎng)爐的溫度控制。

    3、 本案例中的真空度的控制是通過(guò)真空控制器實(shí)現(xiàn)的，同樣為了降低成本和提高系統(tǒng)集成度，應(yīng)該采用PLC來(lái)完成，通過(guò)采集真空計(jì)的模擬信號(hào)測(cè)得爐腔內(nèi)的真空度，根據(jù)要求調(diào)節(jié)變頻器的頻率使其改變真空泵的轉(zhuǎn)速，來(lái)調(diào)節(jié)爐腔中真空度。完成2和3的功能只需添加一個(gè)模擬量輸入模塊LM3310和一個(gè)模擬量輸出模塊LM3320就可以實(shí)現(xiàn)了。

    4、 本案例中觸摸屏具有兩個(gè)COM口，采用RS485的方式連接兩組PLC只能占用一個(gè)COM口，因此，另一個(gè)COM口可以連接其它的儀表設(shè)備，然后在屏中通過(guò)宏指令將采集的數(shù)據(jù)傳到PLC中，PLC再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳到監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳與集中顯示。