盛飛龍　鐘新華　王鑫　伍三忠　戴科峰　仇禮欽

開發(fā)設(shè)計(jì)

碳化硅外延設(shè)備控制系統(tǒng)*

盛飛龍鐘新華王鑫伍三忠戴科峰仇禮欽

（季華實(shí)驗(yàn)室，廣東 佛山 528200）

碳化硅（SiC）作為第三代半導(dǎo)體的代表材料，其生長(zhǎng)需要精確穩(wěn)定地控制高溫、低壓、運(yùn)動(dòng)、氣流等。該文提出一種基于多種類現(xiàn)場(chǎng)總線的SiC外延設(shè)備控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了軟件架構(gòu)、流程、交互、控制零件等。經(jīng)反復(fù)的工藝運(yùn)行驗(yàn)證，該系統(tǒng)的最高測(cè)量溫度達(dá)到1 750 ℃；溫控精度≤1 ℃；壓力控制精度≤1 mbar；外延最高生長(zhǎng)速率≥60 um/h；厚度均勻性≤2%；摻雜濃度均勻性≤5%；平均修復(fù)時(shí)間（MTTR）≤8 h，以上指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

碳化硅；外延設(shè)備；多總線；模塊化；控制系統(tǒng)

0　引言

隨著新能源汽車、軌道交通、智能電網(wǎng)等產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，電力電子器件制造用碳化硅（SiC）外延產(chǎn)品的需求也大幅增加[1]。SiC作為第三代半導(dǎo)體的代表材料，具有更優(yōu)的電子遷移率、更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電壓和熱導(dǎo)率等特性，被廣泛認(rèn)可和使用[2]。目前，國內(nèi)芯片生產(chǎn)線較多采用進(jìn)口設(shè)備，尤其是SiC外延設(shè)備，不僅售價(jià)高，且存在禁運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)，國產(chǎn)SiC外延設(shè)備的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化日益迫切。

本文提出的SiC外延設(shè)備控制系統(tǒng)，滿足SiC外延生長(zhǎng)的加熱高溫均勻性控制、氣流的高精度控制、壓力的穩(wěn)定性控制等核心需求，達(dá)到外延設(shè)備的設(shè)計(jì)指標(biāo)，降低設(shè)備的故障率并提高SiC外延生長(zhǎng)效率和質(zhì)量，助力SiC外延設(shè)備國產(chǎn)化。

1　外延原理

SiC外延利用H2作為攜載氣體，將作為沉積的Si源氣體（如SiH4）和C源氣體（如C2H4）帶入反應(yīng)室。SiH4與C2H4在反應(yīng)室的高溫低壓環(huán)境中發(fā)生裂解，產(chǎn)生的碳原子、硅原子在襯底上吸附并逐步外延生長(zhǎng)出一層薄薄的沉積膜，即SiC外延層[3]。

SiC外延設(shè)備是一種由C源氣體和Si源氣體在 1 600 ℃以上高溫反應(yīng)的氣相外延設(shè)備，涉及到氣路、真空、加熱、水路冷卻、傳送、輔助等系統(tǒng)。其工作原理如下：首先，輔助系統(tǒng)檢查監(jiān)控水路、電路、氣路運(yùn)行是否正常，為設(shè)備安全穩(wěn)定地運(yùn)行提供保障；然后，傳送系統(tǒng)將襯底從負(fù)載鎖搬運(yùn)至反應(yīng)室；接著，氣路系統(tǒng)提供高精度的工藝氣體和保護(hù)氣體，進(jìn)行外延工藝；同時(shí)真空系統(tǒng)負(fù)責(zé)反應(yīng)室的低壓真空環(huán)境條件；加熱系統(tǒng)提供快速而穩(wěn)定的場(chǎng)溫條件；水路冷卻系統(tǒng)為石英腔、電源、干泵、匹配器等降溫；最后，外延工藝結(jié)束，傳送系統(tǒng)將襯底移出反應(yīng)室。

2　SiC外延設(shè)備

2.1　結(jié)構(gòu)組成

SiC外延設(shè)備主要由反應(yīng)室、傳送室、緩存室、負(fù)載鎖等組成，每個(gè)腔室可進(jìn)行獨(dú)立控制，俯視圖如圖1所示。

圖1 SiC外延設(shè)備腔室俯視圖

反應(yīng)室是SiC外延設(shè)備的核心部分。反應(yīng)氣體導(dǎo)入反應(yīng)室，反應(yīng)室內(nèi)的石墨舟、石墨氈、石英套筒、石墨盤等通過感應(yīng)線圈，基于感應(yīng)加熱原理使溫度提高至1 600 ℃左右，使C源氣體和Si源氣體發(fā)生化學(xué)氣相沉積反應(yīng)。為減少掉落物缺陷，保證溫場(chǎng)的均勻性，石墨盤在氣流的作用下高速旋轉(zhuǎn)。

傳送室是反應(yīng)室和負(fù)載鎖的中轉(zhuǎn)站，其中的機(jī)械手負(fù)責(zé)搬運(yùn)襯底。為保證外延工藝效率，機(jī)械手能夠在900 ℃以上高溫環(huán)境下從反應(yīng)室中搬運(yùn)工藝后的外延片到負(fù)載鎖進(jìn)行冷卻，較常溫搬運(yùn)提升了工藝效率；傳送室內(nèi)有氣路管道，可進(jìn)行基本的抽充操作。

負(fù)載鎖包括基座和氣路。其中，基座為裝載和卸載基片的底座；氣路用于吹掃負(fù)載鎖，并冷卻工藝完成后的高溫外延片。

負(fù)載鎖具有裝卸和冷卻外延片的雙重作用。為提高外延工藝效率，當(dāng)襯底在反應(yīng)室進(jìn)行外延工藝時(shí)，先將尚未外延工藝的襯底從負(fù)載鎖搬運(yùn)至緩存室；待負(fù)載鎖冷卻后，再將緩存室的襯底送入反應(yīng)室。

由于外延工藝涉及高溫、易燃、易爆、有毒氣體，故在傳送室和反應(yīng)室、負(fù)載鎖之間有門閥隔離，以保證各個(gè)腔室內(nèi)部氣體壓力和溫度獨(dú)立及隔離；傳送室與緩存室之間直通。通常情況下，負(fù)載鎖和傳送室保持微正壓狀態(tài)。

2.2　控制系統(tǒng)

SiC外延設(shè)備控制系統(tǒng)采用工控機(jī)（IPC）、可編程邏輯控制器（PLC）控制方式。其中，IPC作為上位機(jī)，編寫人機(jī)界面（HMI）和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器系統(tǒng)；PLC負(fù)責(zé)控制電源、機(jī)械手、蝶閥、冷水機(jī)等器件并提供安全控制邏輯。SiC外延設(shè)備控制系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

PLC作為SiC外延設(shè)備工藝運(yùn)行、功能邏輯、安全互鎖、輔助控制的核心，通過以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。PLC搭載的AI/AO及DI/DO模塊分別采集和控制限位開關(guān)、電磁閥、塔燈、插板閥、溫度流量計(jì)、壓差計(jì)、薄膜規(guī)、真空規(guī)等的數(shù)字量或模擬量信號(hào)。為實(shí)現(xiàn)SiC外延設(shè)備各類不同接口器件的功能集成，PLC的通訊模塊分別采用EherCAT總線連接閥島和質(zhì)量流量控制器（MFC）；DeviceNet控制質(zhì)量流量計(jì)（MFM）和壓力控制器（EPC）；RS232與蝶閥和機(jī)械手通訊；RS485交互電源、溫控儀等數(shù)據(jù)；CanOpen開關(guān)分離電機(jī)。多總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)體現(xiàn)了系統(tǒng)的兼容性和冗余性，具有包容能力強(qiáng)、傳輸速度快、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能適應(yīng)復(fù)雜的工況環(huán)境。

圖2 SiC外延設(shè)備控制系統(tǒng)組成框圖

3　軟件設(shè)計(jì)

PLC控制軟件[4]分為上、下位機(jī)TCP/IP通訊、器件多總線串口通訊、流程邏輯主控制3大功能模塊。這些功能模塊通過數(shù)據(jù)采集和多總線控制，經(jīng)PLC邏輯處理后轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)狀態(tài)；再將設(shè)備運(yùn)行的數(shù)據(jù)（指令、報(bào)警、警告、事件、器件狀態(tài)）實(shí)時(shí)上傳給上位機(jī)，以便跟蹤、分析和查驗(yàn)。

3.1　框架設(shè)計(jì)

PLC程序框架如圖3所示。

圖3 PLC程序框架

PLC程序包括3個(gè)Task。其中，Task1為與服務(wù)器通訊的套接字模塊，此模塊接收上位機(jī)下發(fā)的指令并實(shí)時(shí)反饋設(shè)備狀態(tài)；Task2為邏輯控制的主程序，將收到的數(shù)據(jù)經(jīng)判斷、分析、處理后執(zhí)行對(duì)應(yīng)指令；Task3用于實(shí)現(xiàn)串口通訊，利用RS232和RS485通訊模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)接收和命令下發(fā)。

Task2根據(jù)SiC外延設(shè)備控制系統(tǒng)功能[5]可分為加熱、傳送、氣路、真空、水路冷卻、報(bào)警、配置、互鎖、輔助等控制模塊。其中，加熱、傳送、氣路、真空、水路冷卻、輔助等模塊之間不重復(fù)調(diào)用底層零部件的功能命令，確保程序開發(fā)具有高內(nèi)聚、低耦合，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

3.2　流程設(shè)計(jì)

加熱、傳送、氣路、真空、水路冷卻、輔助等模塊及底層零部件將接收的設(shè)置值及反饋值處理后轉(zhuǎn)化為各自對(duì)應(yīng)的狀態(tài)機(jī)[6]；其他模塊通過判斷該零部件或模塊狀態(tài)作為流程執(zhí)行的依據(jù)。采用狀態(tài)機(jī)使程序的可讀性更好，有利于程序的分析和維護(hù)，更加符合設(shè)計(jì)的思維習(xí)慣及相應(yīng)的邏輯處理。氣路控制流程圖如圖4所示。

圖4 氣路控制流程圖

初始狀態(tài)位“未知”接收到命令后變?yōu)椤懊β怠保淮龤饴烽y門、質(zhì)量流量控制器（MFC）全部打開到設(shè)定值后變?yōu)椤熬途w”；當(dāng)就緒出現(xiàn)突發(fā)干擾或異常時(shí)，通過“調(diào)整”回調(diào)到“忙碌”，在設(shè)定時(shí)間內(nèi)再次穩(wěn)定則認(rèn)為重新達(dá)到“就緒”。狀態(tài)之間能夠相互轉(zhuǎn)換，在收到“暫停”命令時(shí)，狀態(tài)變?yōu)椤皶和！?；“暫停”狀態(tài)時(shí)接收到“重新開始”指令，氣路重新開啟變?yōu)椤懊β怠保暨_(dá)到設(shè)定值再次變?yōu)椤熬途w”。

同理，高溫均勻性、壓力穩(wěn)定性控制亦是如此。采用此控制方式能夠有效增加設(shè)備的抗干擾特性，減少設(shè)備由于高頻、高壓、電磁輻射等偶然干擾帶來的故障率，增加設(shè)備的穩(wěn)定性。同時(shí)，可滿足高精度控制的要求，實(shí)時(shí)按照需求給出不同的設(shè)定值下發(fā)到器件，避免設(shè)定值出現(xiàn)過沖情況。

3.3　交互設(shè)計(jì)

上位機(jī)主要包括界面顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析、菜單編輯、命令下發(fā)等功能。其中，上、下位機(jī)的數(shù)據(jù)交互是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。上、下位機(jī)數(shù)據(jù)交互框圖如圖5所示。

圖5 上、下位機(jī)數(shù)據(jù)交互框圖

上位機(jī)“發(fā)送”模塊將“命令”下發(fā)給PLC，PLC的“分配”模塊進(jìn)行解析并分發(fā)相應(yīng)的命令到其他模塊[7]；同時(shí)將程序內(nèi)各模塊、零件的狀態(tài)以及警告、報(bào)警、提示的事件信息打包后，通過“上傳”模塊上傳到上位機(jī)的“接收”模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和保存。

供用戶配置修改的信息在PLC中保存為Json格式，上位機(jī)可以對(duì)其進(jìn)行修改、導(dǎo)入、導(dǎo)出，如圖6所示。Json格式的數(shù)據(jù)一方面能夠減小數(shù)據(jù)解析的工作量，方便上、下位機(jī)交互；另一方面將適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)參數(shù)開放給用戶，使人機(jī)交互更加友好，設(shè)備操作性更強(qiáng)。

3.4　控制零件設(shè)計(jì)

SiC外延設(shè)備控制零件包含柜門開關(guān)、光電開關(guān)、水溫計(jì)、壓力計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)、加熱電源、分子泵、機(jī)械手等。若采用常規(guī)的控制方式，冗余繁雜，可維護(hù)性差。本文采用控制零件分類模塊化設(shè)計(jì)。

SiC外延設(shè)備控制零件分類如表1所示，可根據(jù)信號(hào)點(diǎn)狀態(tài)和模式的不同，將控制零件劃分為以下類型：DISensor（DI=1）、AISensor（AI=1）、Switch（2≥DO≥1，2≥DI≥0）、Controller（AO=1，AI≤1）、Pump（DI≥3，DO≥1）。分類后編輯各自的狀態(tài)機(jī)，上層驅(qū)動(dòng)模塊根據(jù)控制零件的狀態(tài)機(jī)進(jìn)行判斷和控制，使程序更簡(jiǎn)潔穩(wěn)定[8]，實(shí)現(xiàn)端口和零件的逐級(jí)封裝，使程序的可讀性和移植性更好。

4　工藝結(jié)果

SiC外延設(shè)備的工藝指標(biāo)主要包括溫度、壓力、外延生長(zhǎng)良率、可靠性、厚度均勻性、摻雜濃度均勻性等。經(jīng)過數(shù)月反復(fù)調(diào)試、工藝研究和驗(yàn)證，SiC外延設(shè)備控制系統(tǒng)的最高測(cè)量溫度達(dá)到1 750 ℃；控制、壓力精度和均勻性等指標(biāo)均達(dá)到以下設(shè)計(jì)要求：溫控精度≤1 ℃；壓力控制精度≤1 mbar；外延最高生長(zhǎng)速率≥60 um/h；厚度均勻性≤2%；摻雜濃度均勻性≤5%；平均修復(fù)時(shí)間（MTTR）≤8 h。

5　結(jié)語

本文通過對(duì)碳化硅外延設(shè)備的原理及組成介紹，闡述控制系統(tǒng)、程序架構(gòu)、數(shù)據(jù)交互和控制零件的設(shè)計(jì)。在程序及設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，外延參數(shù)精度、生長(zhǎng)速率、摻雜濃度等工藝指標(biāo)都達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

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Control System for SiC Epitaxy Equipment

SHENG Feilong ZHONG Xinhua WANG Xin WU Sanzhong DAI Kefeng QIU Liqin

(JI HUA Laboratory, Foshan 528200, China)

Silicon carbide (SiC), as the representative material of the third generation semiconductor, its growth requires accurate and stable control of high temperature, low pressure, movement, air flow, etc. This paper proposes a SiC epitaxy equipment control system based on multi class fieldbus, and designs the software architecture, flow, interaction, control parts, etc. Through repeated process operation verification, the maximum measurement temperature of the system reaches 1 750 ℃; temperature control accuracy ≤ 1 ℃; pressure control accuracy ≤ 1 mbar; the highest epitaxial growth rate ≥ 60 um/h; thickness uniformity ≤ 2%; doping concentration uniformity ≤ 5%; mean time to repair (MTTR) ≤ 8 h, and the above indicators meet the design requirements.

silicon carbide; epitaxy equipment; multibus; modularization; control system

TN304.05

A

1674-2605(2022)06-0007-06

10.3969/j.issn.1674-2605.2022.06.007

盛飛龍,鐘新華,王鑫,等.碳化硅外延設(shè)備控制系統(tǒng)[J].自動(dòng)化與信息工程,2022,43(6):41-45;51.

SHENG Feilong, ZHONG Xinhua, WANG Xin, et al. Control system for SiC epitaxy equipment[J]. Automation & Information Engineering, 2022,43(6):41-45;51.

季華實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目（X210241TC210）

盛飛龍，男，1988年生，碩士，工程師，主要研究方向：半導(dǎo)體設(shè)備電氣控制研究。E-mail: shengfeilong123@126.com

鐘新華，男，1975年生，碩士，研究員，主要研究方向：半導(dǎo)體設(shè)備研究與開發(fā)。

王鑫，男，1994年生，碩士，主要研究方向：半導(dǎo)體設(shè)備電氣控制研究。

伍三忠，男，1968年生，碩士，正高級(jí)工程師，主要研究方向：半導(dǎo)體設(shè)備自動(dòng)控制研究。

戴科峰，男，1983年生，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向：算法和自動(dòng)控制。

仇禮欽，男，1995年生，碩士，主要研究方向：算法和自動(dòng)控制。