基于工業(yè)以太網(wǎng)的MOCVD反應(yīng)腔壓力控制

常依斌

(上海藍(lán)寶光電材料有限公司，上海201616)

MOCVD(金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積)是20世紀(jì)60年代末期發(fā)展起來(lái)的利用金屬有機(jī)化合物進(jìn)行金屬輸運(yùn)的一種化合物半導(dǎo)體氣相外延技術(shù)。它的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)在于：可以制成多種類型的薄膜材料;可精確控制膜的厚度、組成及摻雜濃度;可制成大面積、高均勻性的外延膜等。因此,成為當(dāng)前世界各國(guó)都在大力發(fā)展的一種高新材料制備技術(shù)。目前,MOCVD技術(shù)不僅成為制備化合物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)、超晶結(jié)、量子阱等低維結(jié)構(gòu)的主要手段，而且還是生產(chǎn)化合物半導(dǎo)體光電子、微電子器件的重要方法。用MOCVD生產(chǎn)半導(dǎo)體激光器、發(fā)光管、太陽(yáng)能電池盒高頻、高速電子器件等都已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)，并且仍在繼續(xù)發(fā)展之中。還需指出的是，今天它不僅應(yīng)用于半導(dǎo)體領(lǐng)域，還擴(kuò)展到金屬、絕緣介質(zhì)等多種材料體系，成為現(xiàn)代外延技術(shù)的重要組成部分。

1 壓力控制需求及系統(tǒng)組成

在MOCVD技術(shù)生長(zhǎng)過(guò)程中，反應(yīng)腔壓力是重要參數(shù)之一，它的壓力高低直接影響生長(zhǎng)質(zhì)量。壓力不同會(huì)影響氣體粒子的遷移距離，在其它條件相同的前提下，壓力增減會(huì)使停滯層厚度發(fā)生變化，影響生長(zhǎng)速率以及外延層的平整性；而壓力的變化有可能會(huì)使湍流的產(chǎn)生加劇，破壞生長(zhǎng)所需的層流狀態(tài)。

圖1所示為典型的GaN生長(zhǎng)過(guò)程壓力變化過(guò)程。從圖中可以看出生長(zhǎng)過(guò)程中，對(duì)壓力控制的要求非常高，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是控制過(guò)程復(fù)雜，壓力變化較多，壓力變化范圍為1×104～5×104Pa；二是壓力變化形式多樣，控制的種類有立即響應(yīng)和固定斜率兩種形式；三是精度和穩(wěn)定性要求較高，這兩個(gè)指標(biāo)會(huì)直接影響GaN的均勻性和生長(zhǎng)速率，另外壓力的波動(dòng)還會(huì)對(duì)反應(yīng)氣體的層流帶來(lái)影響。

圖1 常規(guī)GaN生長(zhǎng)過(guò)程的壓力過(guò)程

常見(jiàn)的MOCVD反應(yīng)腔壓力控制系統(tǒng)包括反應(yīng)腔本身、壓力傳感器、蝶閥和真空泵，見(jiàn)圖2。將來(lái)自壓力傳感器的信號(hào)送入控制電路以調(diào)整下游蝶閥的張開(kāi)角度來(lái)控制泵的抽氣速率，達(dá)到恒定壓力的目的。真空泵的抽氣速率要與反應(yīng)腔的最大流量相匹配。圖中所示的過(guò)濾器和工廠尾氣處理用來(lái)對(duì)反應(yīng)后的尾氣進(jìn)行一次和二次處理，保證不對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染。

圖2 壓力控制系統(tǒng)組成圖

2 工業(yè)以太網(wǎng)壓力控制系統(tǒng)組成

圖3為實(shí)際應(yīng)用的組成框圖，操控PC、溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、水路控制系統(tǒng)和交換機(jī)組成MOCVD的上層管理系統(tǒng)，所有子系統(tǒng)的連接是通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)ProfiNet實(shí)現(xiàn)的。Profinet是一個(gè)整體的解決方案，它使用TCP/IP和IT標(biāo)準(zhǔn)，符合基于工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)自動(dòng)化體系。它是Profibus國(guó)際組織創(chuàng)新的自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)，用于實(shí)現(xiàn)基于工業(yè)以太網(wǎng)的集成、一致的自動(dòng)化解決方案，它的一個(gè)關(guān)鍵特點(diǎn)是從現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線解決方案 (例如：Profibus-DP)到基于以太網(wǎng)的ProfiNet的無(wú)縫轉(zhuǎn)換。

ProfiNet滿足所有自動(dòng)化的需求，它吸納了多年積累的Profibus和工業(yè)以太網(wǎng)的技術(shù)精髓，現(xiàn)在ProfiNet已成為IEC 61158的組成部分 (IEC 61158第l0部分)。

圖3 工業(yè)以太網(wǎng)壓力控制系統(tǒng)組成

通過(guò)ProfiNet發(fā)送目標(biāo)壓力信息到壓力控制PLC，由PLC根據(jù)壓力控制信息統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為目標(biāo)壓力值，發(fā)送給T3BI。T3BI內(nèi)部集成的壓力控制器通過(guò)比較目標(biāo)壓力和壓力傳感器測(cè)量的實(shí)際壓力，將壓力差值轉(zhuǎn)換為蝶閥的開(kāi)度，從而實(shí)現(xiàn)反應(yīng)腔內(nèi)壓力調(diào)整，最終使實(shí)際壓力和目標(biāo)壓力相等。

MKS公司的蝶閥T3BI有以下特點(diǎn)：

(1)緊湊的壓力控制系統(tǒng)閥，集成板載控制器；

(2)快速響應(yīng)：全開(kāi)到全關(guān)時(shí)間小于200ms；

(3)大力矩輸出；

(4)雙通道自動(dòng)量程切換壓力計(jì)輸入。

MKS公司的壓力傳感器626B主要技術(shù)指標(biāo)為：

(1)滿量程壓力/真空范圍低到13.33 Pa，真空的精度測(cè)量為0.133 pa；

(2)腔體壓力直接測(cè)量，不受氣體種類、混合等查表和轉(zhuǎn)換的因素；

(3)長(zhǎng)期輸出穩(wěn)定性保證了反應(yīng)過(guò)程的可重復(fù)性；

(4)高過(guò)壓限制保證了偶然發(fā)生系統(tǒng)錯(cuò)誤的可靠性。

3 調(diào)試及使用

在調(diào)試或?qū)嵱眠^(guò)程中將T3BI通過(guò)RS232接口接入PC，用其自帶軟件獲得響應(yīng)曲線，如圖4所示。

圖4 壓力控制曲線圖

從圖中可以看出，壓力控制具有極快的響應(yīng)速度，一次超調(diào)后即進(jìn)入穩(wěn)定范圍，完全能夠滿足MOCVD反應(yīng)腔壓力控制的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

MOCVD設(shè)備集成了化學(xué)、物理、電氣、機(jī)械等多學(xué)科，監(jiān)控參數(shù)很多包括流量、壓力、差壓、溫度、轉(zhuǎn)速、濕度等等，通常采用“上位機(jī)+PLC”的方式，將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與I/O控制的任務(wù)交給PLC完成，上位機(jī)負(fù)責(zé)工藝配方編輯、實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)處理等功能。采用工業(yè)以太網(wǎng)ProfiNet將溫度、壓力、水路、操控PC組成網(wǎng)絡(luò)，可以減少硬件連接的復(fù)雜程度，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

隨著未來(lái)MOCVD工廠的集中化程度提高，甚至可以通過(guò)交換機(jī)將多臺(tái)MOCVD設(shè)備組成工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)集中操控。

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