金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積設(shè)備的智能化研究

王 亮，向曉靜

(1.季華科技有限公司，廣東 佛山 528000；2.廣東眾元半導(dǎo)體科技有限公司，廣東 佛山 528251)

0 引言

MOCVD(金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積)設(shè)備集精密機(jī)械、半導(dǎo)體材料、真空電子、流體力學(xué)、光學(xué)、化學(xué)、計(jì)算機(jī)多學(xué)科為一體，是一種自動(dòng)化程度高、技術(shù)集成度高、價(jià)格昂貴的高端光電子專(zhuān)用設(shè)備[1]。由于外延材料的生長(zhǎng)速率比較適中，可非常精確地控制膜厚，是制備納米到微米級(jí)薄膜新材料以及光電子器件的關(guān)鍵設(shè)備。作為生產(chǎn)半導(dǎo)體光電器件和微波器件的關(guān)鍵核心設(shè)備，MOCVD設(shè)備具有廣闊的應(yīng)用前景和產(chǎn)業(yè)化價(jià)值。

1 MOCVD設(shè)備的組成

MOCVD設(shè)備主要包括氣源輸運(yùn)與尾氣處理系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、反應(yīng)腔體和檢測(cè)及控制系統(tǒng)等幾個(gè)部分[2]，如圖1所示。氣源輸運(yùn)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)氣源的運(yùn)輸、精確混合和調(diào)控、快速切換以及廢氣的處理。加熱系統(tǒng)對(duì)反應(yīng)發(fā)生的襯底進(jìn)行加熱，提供反應(yīng)發(fā)生所需要的溫度，并滿足加熱均勻、升溫降溫速度快、溫度穩(wěn)定時(shí)間短等要求。反應(yīng)腔體為整個(gè)系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)，反應(yīng)氣體經(jīng)過(guò)輸運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)入腔體之后，在加熱的襯底表面分別發(fā)生氣相化學(xué)反應(yīng)和表面化學(xué)反應(yīng)，經(jīng)過(guò)擴(kuò)散、吸附、反應(yīng)和解吸附等幾個(gè)復(fù)雜的步驟之后在襯底上均勻地外延生長(zhǎng)出同質(zhì)或異質(zhì)的晶體薄膜。檢測(cè)及控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)腔體內(nèi)的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、薄膜厚度和均勻性等參數(shù)，并對(duì)輸運(yùn)與加熱系統(tǒng)進(jìn)行控制。在材料制備過(guò)程中，這一系列復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)以及控制動(dòng)作、程序要按照預(yù)定目標(biāo)完成，要求其設(shè)備系統(tǒng)必須能實(shí)現(xiàn)智能化控制[3]。

圖1 MOCVD設(shè)備的主要組成部分

2 設(shè)備互聯(lián)互通能力

MOCVD設(shè)備控制系統(tǒng)采用分級(jí)分布式現(xiàn)場(chǎng)控制總線結(jié)構(gòu)，主要分為監(jiān)控層、控制層、儀器儀表層三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并可以根據(jù)客戶需求開(kāi)放對(duì)外接口進(jìn)行設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。監(jiān)控層為安裝在計(jì)算機(jī)上的上位機(jī)軟件和觸摸屏用戶操作界面?？刂茖右訮LC作為控制核心，實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表設(shè)備的數(shù)據(jù)，上傳給監(jiān)控層上位機(jī)軟件和觸摸屏進(jìn)行顯示。PLC同時(shí)接收上位機(jī)軟件和觸摸屏上的用戶操作命令，對(duì)設(shè)備的閥門(mén)、氣缸、電機(jī)等幾百個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。

控制層與儀表層采用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線通訊方式?？刂葡到y(tǒng)選用行業(yè)主流PLC與儀表層的流量控制器、壓力計(jì)、溫控器、伺服驅(qū)動(dòng)器、水浴槽等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)字通訊，采用RS485、Profibus以及DeviceNet等現(xiàn)場(chǎng)總線的通訊方式。這些現(xiàn)場(chǎng)總線為開(kāi)放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，均可實(shí)現(xiàn)多站點(diǎn)雙向通訊，網(wǎng)絡(luò)利用率高、響應(yīng)快、簡(jiǎn)單可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，適用于分布式控制系統(tǒng)。用戶在維護(hù)更換儀表器件時(shí)也更加靈活方便，為系統(tǒng)的穩(wěn)定性及提高生產(chǎn)率提供了可靠保障。

控制層與監(jiān)控層采用實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通訊。PLC與上位機(jī)用戶操作軟件、PLC與觸摸屏人機(jī)交互界面均采用Ethernet/IP以太網(wǎng)通訊的方式，速度可達(dá)100 Mb/s，使用屏蔽雙絞線、RJ45接頭，通過(guò)交換機(jī)等標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)組件互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)信息共享。圖2為MOCVD設(shè)備控制系統(tǒng)構(gòu)成。

圖2 MOCVD設(shè)備控制系統(tǒng)構(gòu)成

3 設(shè)備自感知能力

MOCVD設(shè)備控制系統(tǒng)具備先進(jìn)的、智能化的全方位自感知能力，能自動(dòng)感知設(shè)備各器件的運(yùn)行狀態(tài)，如反應(yīng)腔蓋開(kāi)/關(guān)到位狀態(tài)、伺服電機(jī)和泵的運(yùn)行狀態(tài)；能自動(dòng)感知當(dāng)前配方的運(yùn)行狀態(tài)，包括運(yùn)行、暫停、停止；能自動(dòng)感知所有的工藝參數(shù)，包括流量、壓力、溫度，并對(duì)其進(jìn)行顯示和記錄；能自動(dòng)感知設(shè)備的報(bào)警狀態(tài)，并通過(guò)三顏色指示燈及蜂鳴聲告知用戶當(dāng)前是否產(chǎn)生報(bào)警。

MOCVD設(shè)備所配備的是由眾元半導(dǎo)體公司自主研發(fā)的智能化紅外在線測(cè)試儀表，可實(shí)時(shí)測(cè)量工作時(shí)石墨盤(pán)表面的溫度。測(cè)溫范圍為450 ℃～1 300 ℃，測(cè)量誤差<0.5 ℃@700 ℃，重復(fù)性誤差<1 ℃(t>500 ℃)。測(cè)溫響應(yīng)速度快，可實(shí)現(xiàn)工藝溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。并且，該儀表能有效抑制由于薄膜干涉效應(yīng)造成的測(cè)溫干擾，以及由于安裝位置及角度偏差而造成的測(cè)溫誤差。

該智能化在線測(cè)試儀表還集成有膜厚測(cè)量單元，可用來(lái)測(cè)量晶片反射率。數(shù)據(jù)采樣速率為30 kHz，測(cè)試誤差<0.5%；可同時(shí)測(cè)試多點(diǎn)反射率并自動(dòng)進(jìn)行比較，實(shí)時(shí)計(jì)算膜厚生長(zhǎng)速率；并可顯示整爐晶片反射率Mapping值，用戶通過(guò)軟件即可實(shí)時(shí)察看盤(pán)面單點(diǎn)、多點(diǎn)的膜厚數(shù)據(jù)。

4 設(shè)備自適應(yīng)能力

設(shè)備的自適應(yīng)能力主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1) PID溫度控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)熱電偶、紅外在線測(cè)試儀表自適應(yīng)控溫。溫度控制系統(tǒng)將溫度設(shè)定值和實(shí)際值傳輸給PID控制模塊，控制模塊就可以針對(duì)設(shè)定值與實(shí)際值的偏差進(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)算，并通過(guò)一定規(guī)律的線性組合來(lái)調(diào)節(jié)電源的輸出，最終達(dá)到精確控溫的目的。穩(wěn)定控制精度可以達(dá)到±1 ℃。

(2) 反應(yīng)腔體壓力自動(dòng)抽充功能。當(dāng)用戶給腔體壓力一個(gè)設(shè)定值后，真空泵前端的蝶閥會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)開(kāi)度以控制真空泵抽氣量的大小，使腔壓逐漸達(dá)到用戶設(shè)定值?？刂凭葹樵O(shè)定值的0.25%，控制范圍為(0.000 1%～100%)FS。

(3) 石墨盤(pán)與噴淋間距自動(dòng)調(diào)整功能。石墨盤(pán)為前述襯底的承載托盤(pán)，噴淋即利用反應(yīng)氣體噴頭使反應(yīng)氣體均勻噴射到襯底表面。用戶啟動(dòng)此功能后，系統(tǒng)能根據(jù)反應(yīng)腔壓力的變化自動(dòng)調(diào)整石墨盤(pán)與噴淋間距，使其維持在用戶設(shè)定值，偏差在±0.02 mm以內(nèi)。

(4) 反應(yīng)源輸送管路(簡(jiǎn)稱Run管路)流量恒定控制。通過(guò)Run管路流量恒定功能，根據(jù)用戶設(shè)定的進(jìn)入腔體的三族源和五族源Run管路總流量以及當(dāng)前進(jìn)入腔體的氣體流量變化，系統(tǒng)可不斷調(diào)節(jié)相應(yīng)管路流量控制器的設(shè)定值，來(lái)保持三族源和五族源Run管路的流量恒定。

(5) 反應(yīng)源切換補(bǔ)償管路(簡(jiǎn)稱Make up管路)自動(dòng)補(bǔ)償控制。當(dāng)反應(yīng)氣體在Run管路和Vent管路(旁通排放管路，此管路氣體直接被真空泵抽走，不進(jìn)入反應(yīng)腔內(nèi))之間切換時(shí)，會(huì)造成反應(yīng)腔壓力的波動(dòng)。為維持反應(yīng)腔壓力的穩(wěn)定，必須使進(jìn)入反應(yīng)腔的氣體流量保持恒定，通過(guò)Make up管路不斷切入和切出載氣來(lái)實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)自動(dòng)補(bǔ)償控制功能。同樣，系統(tǒng)的Run和Vent管路壓差自動(dòng)調(diào)節(jié)功能能維持Run管路和Vent管路之間的壓差在設(shè)計(jì)的±133 Pa以內(nèi)。

(6) 手套箱壓力自動(dòng)控制。手套箱是一個(gè)充滿高純惰性氣體的箱體，反應(yīng)腔體置于其中，用于保證反應(yīng)腔體打開(kāi)時(shí)環(huán)境的潔凈。啟動(dòng)該功能后，系統(tǒng)會(huì)在手套箱壓力過(guò)高時(shí)自動(dòng)打開(kāi)手套箱抽氣閥，降低手套箱壓力；在手套箱壓力過(guò)低時(shí)打開(kāi)充氣閥，自動(dòng)向手套箱充氣，以此維持手套箱壓力在合理范圍內(nèi)。

5 設(shè)備自診斷能力

MOCVD設(shè)備控制系統(tǒng)內(nèi)集成有安全互鎖程序，且該程序運(yùn)行的優(yōu)先級(jí)別高于其他程序模塊。安全互鎖程序可實(shí)時(shí)在線監(jiān)視PLC的工作狀態(tài)以及所有閥門(mén)、傳感器信號(hào)及其他數(shù)字模擬器件的狀態(tài)。根據(jù)狀態(tài)判斷當(dāng)前是否出現(xiàn)硬件故障或其他異常。其自診斷功能主要包括以下幾方面：

(1) PLC從站故障，包括診斷中斷、CPU硬件故障、擴(kuò)展機(jī)架故障、模塊熱插拔中斷報(bào)警、時(shí)間錯(cuò)誤報(bào)警、IO存儲(chǔ)故障、程序錯(cuò)誤等。

(2) 傳感器探測(cè)報(bào)警，包括氫氣和氮?dú)庵鞴苈仿饵c(diǎn)過(guò)高、主管路氣壓過(guò)低、氫氣濃度超限、排風(fēng)系統(tǒng)故障、冷卻水水流量過(guò)低、冷卻水溫度過(guò)高、真空泵出口壓力過(guò)高等。

(3) 設(shè)備異常報(bào)警，包括加熱電源異常、真空泵異常、低壓開(kāi)關(guān)電源異常、伺服電機(jī)異常、水浴槽異常報(bào)警等；通訊異常報(bào)警，包括PLC與上位機(jī)通訊異常、紅外測(cè)溫儀與PLC通訊異常、觸摸屏通訊異常、流量計(jì)/蝶閥等儀表通訊異常報(bào)警；外部觸發(fā)報(bào)警，包括緊急停止按鈕按下、工藝停止按鈕按下等。

(4) 工藝運(yùn)行異常報(bào)警，例如加熱器三區(qū)功率不平衡、石墨盤(pán)轉(zhuǎn)速過(guò)快、反應(yīng)腔溫度過(guò)高、熱電偶異常等。

當(dāng)設(shè)備內(nèi)部或外部報(bào)警被觸發(fā)時(shí)，根據(jù)報(bào)警級(jí)別不同，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)在上位機(jī)彈出報(bào)警提示框、設(shè)備報(bào)警指示燈閃爍、蜂鳴聲報(bào)警來(lái)通知用戶。用戶可以在上位機(jī)的“警報(bào)”頁(yè)面中查看報(bào)警產(chǎn)生原因及處理方法。嚴(yán)重報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)做出安全處理，停止工藝，關(guān)閉危險(xiǎn)氣體閥門(mén)，緩慢降溫，將整機(jī)恢復(fù)到待機(jī)吹掃模式。如果報(bào)警一直存在，設(shè)備會(huì)被鎖定為安全狀態(tài)，禁止工藝運(yùn)行，直到解除報(bào)警為止。

6 設(shè)備數(shù)據(jù)自采集能力

MOCVD設(shè)備控制系統(tǒng)上位機(jī)服務(wù)器通過(guò)與PLC建立以太網(wǎng)通訊，每隔500 ms讀取PLC采集到的數(shù)字、模擬器件的值以及報(bào)警信息。設(shè)備能對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，記錄各器件的屬性值，存入數(shù)據(jù)庫(kù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶端，并自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行備份。

MOCVD設(shè)備控制系統(tǒng)上位機(jī)客戶端能提供完整的用戶操作界面，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前各器件的值和狀態(tài)，也可以顯示模擬器件的曲線圖。用戶可查詢一周內(nèi)設(shè)備所有器件以及報(bào)警歷史數(shù)據(jù)值及曲線圖。另外，在客戶端還提供統(tǒng)計(jì)分析功能，設(shè)備可根據(jù)壓力、流量、溫度和時(shí)間自動(dòng)進(jìn)行MO源消耗量統(tǒng)計(jì)。用戶可以在客戶端上選擇對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行自動(dòng)和手動(dòng)備份。

MOCVD設(shè)備歷史數(shù)據(jù)查詢軟件可以查詢?cè)O(shè)備使用以來(lái)所有時(shí)間數(shù)據(jù)以及操作記錄，并可導(dǎo)出這些數(shù)據(jù)，便于進(jìn)行分析。MOCVD設(shè)備上位機(jī)軟件構(gòu)架如圖3所示。

圖3 MOCVD設(shè)備上位機(jī)軟件構(gòu)架

7 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)MOCVD設(shè)備的互聯(lián)互通能力、自感知能力、自適應(yīng)能力、自診斷能力、數(shù)據(jù)收集能力等五個(gè)方面的智能化水平進(jìn)行研究，使其具備自感知、自診斷、自適應(yīng)、自決策等功能。設(shè)備運(yùn)行可靠、穩(wěn)定，遇到異常時(shí)能及時(shí)記錄并自行調(diào)整，在長(zhǎng)達(dá)8 h的工藝運(yùn)行過(guò)程中基本可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守。