金屬有機物化學氣相沉積設(shè)備智能化

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摘要：金屬有機化合物化學氣相沉積（MOCVD）設(shè)備深度嵌入信息技術(shù)，是高端芯片、新型傳感器、工業(yè)控制計算機、智能儀器儀表與控制系統(tǒng)、工業(yè)軟件、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信息安全技術(shù)等的集成應(yīng)用。通過對MOCVD裝備的互聯(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)收集能力等五個方面的智能化水平進行研究，使其具備自感知、自診斷、自適應(yīng)、自決策等功能。

關(guān)鍵詞：MOCVD；自感知；自診斷；自適應(yīng)

引言

MOCVD（金屬有機化合物化學氣相沉積）設(shè)備集精密機械、半導(dǎo)體材料、真空電子、流體力學、光學、化學、計算機多學科為一體，是一種自動化程度高、技術(shù)集成度高、價格昂貴的高端光電子專用設(shè)備［1］。由于外延材料的生長速率比較適中，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)化價值。

1MOCVD設(shè)備的組成

MOCVD設(shè)備主要包括氣源輸運與尾氣處理系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、反應(yīng)腔體和檢測及控制系統(tǒng)等幾個部分［2］，如圖1所示。氣源輸運系統(tǒng)主要實現(xiàn)氣源的運輸、精確混合和調(diào)控、快速切換以及廢氣的處理。加熱系統(tǒng)對反應(yīng)發(fā)生的襯底進行加熱，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)定時間短等要求。反應(yīng)腔體為整個系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)，反應(yīng)氣體經(jīng)過輸運系統(tǒng)進入腔體之后，在加熱的襯底表面分別發(fā)生氣相化學反應(yīng)和表面化學反應(yīng)，經(jīng)過擴散、吸附、反應(yīng)和解吸附等幾個復(fù)雜的步驟之后在襯底上均勻地外延生長出同質(zhì)或異質(zhì)的晶體薄膜。檢測及控制系統(tǒng)實時檢測腔體內(nèi)的流場、溫度場、薄膜厚度和均勻性等參數(shù)，并對輸運與加熱系統(tǒng)進行控制。在材料制備過程中，這一系列復(fù)雜的物理化學反應(yīng)以及控制動作、程序要按照預(yù)定目標完成，要求其設(shè)備系統(tǒng)必須能實現(xiàn)智能化控制［3］。

2設(shè)備互聯(lián)互通能力

MOCVD設(shè)備控制系統(tǒng)采用分級分布式現(xiàn)場控制總線結(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)客戶需求開放對外接口進行設(shè)備的遠程控制。監(jiān)控層為安裝在計算機上的上位機軟件和觸摸屏用戶操作界面?？刂茖右訮LC作為控制核心，實時采集現(xiàn)場儀器儀表設(shè)備的數(shù)據(jù)，上傳給監(jiān)控層上位機軟件和觸摸屏進行顯示。PLC同時接收上位機軟件和觸摸屏上的用戶操作命令，對設(shè)備的閥門、氣缸、電機等幾百個執(zhí)行機構(gòu)進行控制?？刂茖优c儀表層采用工業(yè)現(xiàn)場總線通訊方式?？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、溫控器、伺服驅(qū)動器、水浴槽等現(xiàn)場設(shè)備之間進行數(shù)字通訊，采用RS485、Profibus以及DeviceNet等現(xiàn)場總線的通訊方式。這些現(xiàn)場總線為開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，均可實現(xiàn)多站點雙向通訊，網(wǎng)絡(luò)利用率高、響應(yīng)快、簡單可靠、經(jīng)濟實用，適用于分布式控制系統(tǒng)。用戶在維護更換儀表器件時也更加靈活方便，為系統(tǒng)的穩(wěn)定性及提高生產(chǎn)率提供了可靠保障?？刂茖优c監(jiān)控層采用實時以太網(wǎng)通訊。PLC與上位機用戶操作軟件、PLC與觸摸屏人機交互界面均采用Ethernet／IP以太網(wǎng)通訊的方式，速度可達100Mb／s，使用屏蔽雙絞線、RJ45接頭，通過交換機等標準的以太網(wǎng)組件互聯(lián)，實現(xiàn)信息共享。圖2為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)具備先進的、智能化的全方位自感知能力，能自動感知設(shè)備各器件的運行狀態(tài)，如反應(yīng)腔蓋開／關(guān)到位狀態(tài)、伺服電機和泵的運行狀態(tài)；能自動感知當前配方的運行狀態(tài)，包括運行、暫停、停止；能自動感知所有的工藝參數(shù)，包括流量、壓力、溫度，并對其進行顯示和記錄；能自動感知設(shè)備的報警狀態(tài)，并通過三顏色指示燈及蜂鳴聲告知用戶當前是否產(chǎn)生報警。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試儀表，可實時測量工作時石墨盤表面的溫度。測溫范圍為450℃～1300℃，測量誤差＜0．5℃＠700℃，重復(fù)性誤差＜1℃（t＞500℃）。測溫響應(yīng)速度快，可實現(xiàn)工藝溫度的實時監(jiān)測。并且，該儀表能有效抑制由于薄膜干涉效應(yīng)造成的測溫干擾，以及由于安裝位置及角度偏差而造成的測溫誤差。該智能化在線測試儀表還集成有膜厚測量單元，可用來測量晶片反射率。數(shù)據(jù)采樣速率為30kHz，測試誤差＜0．5％；可同時測試多點反射率并自動進行比較，實時計算膜厚生長速率；并可顯示整爐晶片反射率Mapping值，用戶通過軟件即可實時察看盤面單點、多點的膜厚數(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)在以下幾個方面：（1）PID溫度控制系統(tǒng)能實現(xiàn)熱電偶、紅外在線測試儀表自適應(yīng)控溫。溫度控制系統(tǒng)將溫度設(shè)定值和實際值傳輸給PID控制模塊，控制模塊就可以針對設(shè)定值與實際值的偏差進行比例、積分、微分運算，并通過一定規(guī)律的線性組合來調(diào)節(jié)電源的輸出，最終達到精確控溫的目的。穩(wěn)定控制精度可以達到±1℃。（2）反應(yīng)腔體壓力自動抽充功能。當用戶給腔體壓力一個設(shè)定值后，真空泵前端的蝶閥會自動調(diào)節(jié)開度以控制真空泵抽氣量的大小，使腔壓逐漸達到用戶設(shè)定值?？刂凭葹樵O(shè)定值的0．25％，控制范圍為（0．0001％～100％）FS。（3）石墨盤與噴淋間距自動調(diào)整功能。石墨盤為前述襯底的承載托盤，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。用戶啟動此功能后，系統(tǒng)能根據(jù)反應(yīng)腔壓力的變化自動調(diào)整石墨盤與噴淋間距，使其維持在用戶設(shè)定值，偏差在±0．02mm以內(nèi)。（4）反應(yīng)源輸送管路（簡稱Run管路）流量恒定控制。通過Run管路流量恒定功能，根據(jù)用戶設(shè)定的進入腔體的三族源和五族源Run管路總流量以及當前進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)源切換補償管路（簡稱Makeup管路）自動補償控制。當反應(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，不進入反應(yīng)腔內(nèi)）之間切換時，會造成反應(yīng)腔壓力的波動。為維持反應(yīng)腔壓力的穩(wěn)定，必須使進入反應(yīng)腔的氣體流量保持恒定，通過Makeup管路不斷切入和切出載氣來實現(xiàn)此項自動補償控制功能。同樣，系統(tǒng)的Run和Vent管路壓差自動調(diào)節(jié)功能能維持Run管路和Vent管路之間的壓差在設(shè)計的±133Pa以內(nèi)。（6）手套箱壓力自動控制。手套箱是一個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)腔體打開時環(huán)境的潔凈。啟動該功能后，系統(tǒng)會在手套箱壓力過高時自動打開手套箱抽氣閥，降低手套箱壓力；在手套箱壓力過低時打開充氣閥，自動向手套箱充氣，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，且該程序運行的優(yōu)先級別高于其他程序模塊。安全互鎖程序可實時在線監(jiān)視PLC的工作狀態(tài)以及所有閥門、傳感器信號及其他數(shù)字模擬器件的狀態(tài)。根據(jù)狀態(tài)判斷當前是否出現(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、擴展機架故障、模塊熱插拔中斷報警、時間錯誤報警、IO存儲故障、程序錯誤等。（2）傳感器探測報警，包括氫氣和氮氣主管路露點過高、主管路氣壓過低、氫氣濃度超限、排風系統(tǒng)故障、冷卻水水流量過低、冷卻水溫度過高、真空泵出口壓力過高等。（3）設(shè)備異常報警，包括加熱電源異常、真空泵異常、低壓開關(guān)電源異常、伺服電機異常、水浴槽異常報警等；通訊異常報警，包括PLC與上位機通訊異常、紅外測溫儀與PLC通訊異常、觸摸屏通訊異常、流量計／蝶閥等儀表通訊異常報警；外部觸發(fā)報警，包括緊急停止按鈕按下、工藝停止按鈕按下等。（4）工藝運行異常報警，例如加熱器三區(qū)功率不平衡、石墨盤轉(zhuǎn)速過快、反應(yīng)腔溫度過高、熱電偶異常等。當設(shè)備內(nèi)部或外部報警被觸發(fā)時，根據(jù)報警級別不同，系統(tǒng)會通過在上位機彈出報警提示框、設(shè)備報警指示燈閃爍、蜂鳴聲報警來通知用戶。用戶可以在上位機的“警報”頁面中查看報警產(chǎn)生原因及處理方法。嚴重報警時，系統(tǒng)將自動做出安全處理，停止工藝，關(guān)閉危險氣體閥門，緩慢降溫，將整機恢復(fù)到待機吹掃模式。如果報警一直存在，設(shè)備會被鎖定為安全狀態(tài)，禁止工藝運行，直到解除報警為止。

6設(shè)備數(shù)據(jù)自采集能力

MOCVD設(shè)備控制系統(tǒng)上位機服務(wù)器通過與PLC建立以太網(wǎng)通訊，每隔500ms讀取PLC采集到的數(shù)字、模擬器件的值以及報警信息。設(shè)備能對接收到的數(shù)據(jù)進行分析處理，記錄各器件的屬性值，存入數(shù)據(jù)庫，將數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶端，并自動對數(shù)據(jù)進行備份。MOCVD設(shè)備控制系統(tǒng)上位機客戶端能提供完整的用戶操作界面，實時顯示當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)備所有器件以及報警歷史數(shù)據(jù)值及曲線圖。另外，在客戶端還提供統(tǒng)計分析功能，設(shè)備可根據(jù)壓力、流量、溫度和時間自動進行MO源消耗量統(tǒng)計。用戶可以在客戶端上選擇對數(shù)據(jù)庫進行自動和手動備份。MOCVD設(shè)備歷史數(shù)據(jù)查詢軟件可以查詢設(shè)備使用以來所有時間數(shù)據(jù)以及操作記錄，并可導(dǎo)出這些數(shù)據(jù)，便于進行分析。MOCVD設(shè)備上位機軟件構(gòu)架如圖3所示。

7結(jié)束語

通過對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)收集能力等五個方面的智能化水平進行研究，使其具備自感知、自診斷、自適應(yīng)、自決策等功能。設(shè)備運行可靠、穩(wěn)定，遇到異常時能及時記錄并自行調(diào)整，在長達8h的工藝運行過程中基本可實現(xiàn)無人值守。

參考文獻：

［1］文尚勝，廖常俊，范廣涵，等．現(xiàn)代MOCVD技術(shù)的發(fā)展與展望［J］．華南師范大學學報，1999（3）：99－107．

［2］劉昌軍，過潤秋．基于工業(yè)控制計算機的MOCVD控制系統(tǒng)設(shè)計［J］．現(xiàn)代電子技術(shù)，2004（10）：101－102．

［3］王亮，甘志銀．淺談MOCVD控制系統(tǒng)［J］．大科技，2010（12）：519－520．

作者：王亮 向曉靜 單位：季華科技有限公司