摘  要  將HOLLiAS-LEC G3小型一體化PLC應(yīng)用于SiC晶體生長爐控制系統(tǒng)夜矗，根據(jù)碳化硅晶體生長工藝要求沈条，提供了一種降低成本匾委、增加可靠性的運(yùn)動(dòng)控制方案拖叙。該晶體生長爐運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的全套硬件設(shè)備及軟件設(shè)計(jì)工作由杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司完成。根據(jù)SiC的結(jié)晶工藝及其目前機(jī)械設(shè)備的特點(diǎn)，提出了更集中憋沿、更緊湊旺芽、更經(jīng)濟(jì)的優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞  SiC晶體生長爐辐啄；SiC采章；控制系統(tǒng)；PLC

1引言

1) 作為一種新型的半導(dǎo)體材料壶辜，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光電子器件悯舟、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)體材料砸民。特別是在極端條件和惡劣條件下應(yīng)用時(shí)抵怎，SiC器件的特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了Si器件和GaAs器件。因此岭参，SiC器件和其各類傳感器已逐步成為關(guān)鍵器件之一反惕，發(fā)揮著越來越重要的作用。

2) 從20世紀(jì)80年代起麸奇，特別是1989年第一種SiC襯底圓片進(jìn)入市場(chǎng)以來马怎，SiC器件和電路獲得了快速的發(fā)展。在某些領(lǐng)域票援，如發(fā)光二極管惰渐、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)用膊争，發(fā)展迅速校社。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，目前SiC器件工藝已經(jīng)可以制造商用器件渣碌。以Cree為代表的一批公司已經(jīng)開始提供SiC器件的商業(yè)產(chǎn)品欠怕。

3) 國內(nèi)的研究所和高校在SiC材料生長和器件制造工藝方面也取得了可喜的成果。目前SiC因片的體生長和外延生長技術(shù)已經(jīng)可以得到應(yīng)用于商業(yè)生產(chǎn)的SiC圓片饰样，市場(chǎng)上可以獲得3英寸的SiC圓片潘所，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年以來投入大量人力和物力進(jìn)行了SiC晶體關(guān)鍵生長技術(shù)的研發(fā)芋滔，憑借其多年在晶體生長的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)力雄厚的科研力量援雇，目前物理所已躋身于全球幾個(gè)有能力生長2英寸SiC半導(dǎo)體晶體的單位之一矛渴，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晶體生長爐椎扬，為規(guī)模化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)具温，并具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)蚕涤。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單晶材料生長爐規(guī)模化生產(chǎn)業(yè)務(wù)的公司揖铜。

2 生長爐的組成

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

2) 真空設(shè)備包括變頻器耻覆、真空計(jì)耐浙、真空泵、智能控制儀表营慷、真空控制器和密封設(shè)備等慢荧，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)變頻器頻率牺独，進(jìn)而改變真空泵的運(yùn)行頻率惊钮，以保證爐腔內(nèi)的真空度穩(wěn)定；加溫設(shè)備包括中頻加熱爐谬堕、中頻電源计员、電流/電壓傳感器、可控硅和PID智能調(diào)節(jié)溫控儀表等沈论，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）假仙，根據(jù)電流值和設(shè)定值進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，輸出給可控硅來調(diào)節(jié)中頻電源的電流簿煌，進(jìn)而保證爐內(nèi)溫度的穩(wěn)定氮唯；運(yùn)動(dòng)設(shè)備包括步進(jìn)電機(jī)、G3 PLC姨伟、絲杠惩琉、編碼器、限位開關(guān)和觸摸屏等夺荒，閉環(huán)調(diào)節(jié)籽晶桿和坩堝桿的運(yùn)動(dòng)瞒渠，調(diào)節(jié)坩堝自轉(zhuǎn)，各種參數(shù)可以設(shè)置技扼。生長爐外型結(jié)構(gòu)見下圖：

               圖-1 生長爐外型結(jié)構(gòu)圖

3 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)組成

在SiC結(jié)晶過程中伍玖，除了滿足溫度和真空度的條件外嫩痰，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)窍箍，否則晶體質(zhì)地滿足不了要求串纺。晶體生長過程見圖-2，籽晶桿與坩堝桿反向運(yùn)動(dòng)椰棘，同時(shí)坩堝桿旋轉(zhuǎn)纺棺。

           圖-2 晶體生長過程圖

為了實(shí)現(xiàn)上面的運(yùn)動(dòng)過程，本爐中選用了三個(gè)步進(jìn)電機(jī)丰倾，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)杰泡，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颖怕；選用兩個(gè)LM3106ACPU模塊朋丢，一個(gè)用來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)剔撮；坩堝桿和籽晶桿的步進(jìn)電機(jī)連接兩個(gè)兩極減速器请癣，一級(jí)為80：1，二級(jí)為100：1母边，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)減速砍倾，當(dāng)慢速調(diào)節(jié)或者拉晶過程中兩級(jí)都使用，那減速比為8000：1蒲姥，坩堝自轉(zhuǎn)選用12：1的一級(jí)減速器乎叫；選用Hitech的觸摸屏，進(jìn)行參數(shù)設(shè)定和顯示六泞，通過RS485口以ModBus協(xié)議連接兩個(gè)PLC從站语但。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖見圖-3。

圖-3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 工藝過程描述

1) 系統(tǒng)采用觸摸屏與兩臺(tái)PLC通訊急黎，控制三臺(tái)步進(jìn)電機(jī)扎狱，其中兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)坩堝和籽晶桿平移，一臺(tái)為坩堝旋轉(zhuǎn)勃教。平移兩軸需要使用編碼器反饋?zhàn)魅块]環(huán)控制和顯示淤击。 

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

3) 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绳军，減速比為慢速 1：8000 印机，快速 1：80（快慢檔通過離合器切換），因此速度范圍慢速為0.002~0.50mm/hour删铃，快速為1~60mm/min耳贬。編碼器解析度為100ppr，也就是100個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)5毫米猎唁。

4) 坩堝桿平移可分別設(shè)定快/慢檔速度咒劲，當(dāng)前檔位通過外接按鈕切換，觸摸屏畫面上進(jìn)行當(dāng)前狀態(tài)的顯示拄渣，當(dāng)前位置顯示當(dāng)前的坐標(biāo)值轴布，當(dāng)點(diǎn)擊設(shè)為原點(diǎn)按鈕時(shí)，當(dāng)前位置清零浦砚。用戶可設(shè)定目標(biāo)位置缓捂，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)位置上亚滑，并且運(yùn)行電機(jī)直到到達(dá)目標(biāo)位置茄妇。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)行過程中还做，切換快慢檔位無效晨丸，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)無效裕甸。籽晶桿平移過程與坩堝桿平移過程相同云卤。

5) 坩堝自轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)為2000Pulse/r，減速比為1：12碳扯，速度范圍為0~30rpm城也。可通過按鈕選擇旋轉(zhuǎn)方向（順時(shí)針/逆時(shí)針）窃躲，可通過按鈕選擇啟動(dòng)/停止计贰。

5 結(jié)論

本案例利用HOLLIAS-LEC G3 PLC為核心完成了碳化硅晶體的生長爐運(yùn)動(dòng)控制功能，電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定蒂窒，定位準(zhǔn)確蹦玫，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際科技先進(jìn)水平的項(xiàng)目刘绣，說明了我們團(tuán)隊(duì)具有配合研究院所完成科研項(xiàng)目的能力樱溉，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爐為中科院物理所碳化硅晶體規(guī)奈撤铮化生產(chǎn)的第一批設(shè)備福贞，主要目的是為了完成生長爐的功能，實(shí)現(xiàn)晶體生長的工藝停士。而降低成本和控制方式的改進(jìn)是下一步的工作挖帘，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)恋技，那么應(yīng)該實(shí)行集中監(jiān)控拇舀。把現(xiàn)在單機(jī)系統(tǒng)連接起來有多種方式漱屁，無論是采用ProfiBus DP現(xiàn)場(chǎng)總線的方式，還是采用工業(yè)以太網(wǎng)的方式株矩，HOLLIAS-LEC G3 PLC都提供了相應(yīng)的通訊模塊茧津，監(jiān)控中心選用組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)工藝過程監(jiān)控、報(bào)警顯示碱跃、歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與檢索等功能营鸽。

2) 本案例中溫度PID調(diào)節(jié)是通過溫控儀表來實(shí)現(xiàn)的，為了降低成本园湘，提高系統(tǒng)的集成度奴万，應(yīng)該將電流傳感器的信號(hào)通過PLC模擬量模塊采集，然后在PLC中進(jìn)行PID調(diào)節(jié)单墓，通過模擬量輸出控制可控硅个荔，完成晶體生長爐的溫度控制。

3) 本案例中的真空度的控制是通過真空控制器實(shí)現(xiàn)的返工，同樣為了降低成本和提高系統(tǒng)集成度擦钾，應(yīng)該采用PLC來完成，通過采集真空計(jì)的模擬信號(hào)測(cè)得爐腔內(nèi)的真空度抽碌，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)速悍赢，來調(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)了货徙。

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

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