HOLLIAS-LECG3PLC在SiC碳化硅晶体生长炉控制系统中的应用.PDF

HOLLIAS-LEC G3 PLC 在 SiC（碳化硅）晶体生长炉控 制系统中的应用 北京和利时公司， 王国锋 摘 要 将 HOLLiAS-LEC G3 小型一体化 PLC 应用于 SiC 晶体生长炉控制系统， 根据碳化硅晶体生长工艺要求，提供了一种降低成本、增加可靠性的运动控制方 案。该晶体生长炉运动控制系统的全套硬件设备及软件设计工作由杭州和利时自 动化有限公司完成。根据SiC的结晶工艺及其目前机械设备的特点，提出了更集 中、更紧凑、更经济的优化方案。 关键词 SiC晶体生长炉；SiC；控制系统；PLC 1 引言 1) 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。 2) 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。 3) 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 1 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 1) 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。 2) 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 源的电流，进而保证炉内温度的稳定；运动设备包括步进电机、G3 PLC、丝 杠、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： 2 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