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)，根據(jù)碳化硅晶體生長工藝要求，提供了一種降低成本、增加可靠性的運動控制方案。該晶體生長爐運動控制系統(tǒng)的全套硬件設(shè)備及軟件設(shè)計工作由杭州和利時自動化有限公司完成。根據(jù)SiC的結(jié)晶工藝及其目前機(jī)械設(shè)備的特點，提出了更集中、更緊湊、更經(jīng)濟(jì)的優(yōu)化方案。 關(guān)鍵詞 SiC晶體生長爐；SiC；控制系統(tǒng)；PLC 1、引言 作為一種新型的半導(dǎo)體材料，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、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。特別是在極端條件和惡劣條件下應(yīng)用時，SiC器件的特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了Si器件和GaAs器件。因此，SiC器件和其各類傳感器已逐步成為關(guān)鍵器件之一，發(fā)揮著越來越重要的作用。 從20世紀(jì)80年代起，特別是1989年第一種SiC襯底圓片進(jìn)入市場以來，SiC器件和電路獲得了快速的發(fā)展。在某些領(lǐng)域，如發(fā)光二極管、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，發(fā)展迅速。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。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。 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，市場上可以獲得3英寸的SiC圓片，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)，憑借其多年在晶體生長的經(jīng)驗和實力雄厚的科研力量，目前物理所已躋身于全球幾個有能力生長2英寸SiC半導(dǎo)體晶體的單位之一，同時已設(shè)計并制造出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的SiC晶體生長爐，為規(guī)模化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)，并具有明顯的價格優(yōu)勢。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。 2、生長爐的組成 SiC晶體的生長條件苛刻，需在2100℃以上保持高真空一周以上，且對籽晶質(zhì)量、固定方式等也有很高要求。物理所利用長期研究工作中積累的單晶生長經(jīng)驗，結(jié)合自行設(shè)計的獨特的坩堝和溫場，設(shè)計并制造出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的SiC晶體生長爐。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，這樣控制設(shè)備大體上可以分為真空設(shè)備、加溫設(shè)備和運動設(shè)備。 真空設(shè)備包括變頻器、真空計、真空泵、智能控制儀表、真空控制器和密封設(shè)備等，真空計采集爐腔內(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，進(jìn)而改變真空泵的運行頻率，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、中頻電源、電流/電壓傳感器、可控硅和PID智能調(diào)節(jié)溫控儀表等，溫控儀表采集電流傳感器的模擬量信號（此值與爐內(nèi)溫度成線性關(guān)系），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)中頻電源的電壓，進(jìn)而保證爐內(nèi)溫度的穩(wěn)定；運動設(shè)備包括步進(jìn)電機(jī)、G3 PLC、絲杠、導(dǎo)軌、編碼器、限位開關(guān)和觸摸屏等，閉環(huán)調(diào)節(jié)籽晶桿和坩堝桿的運動，調(diào)節(jié)坩堝自轉(zhuǎn)，各種參數(shù)可以設(shè)置。 3、運動控制系統(tǒng)組成 在SiC結(jié)晶過程中，除了滿足溫度和真空度的條件外，另外還要保證籽晶和坩堝之間有相對的旋轉(zhuǎn)和拉伸運動，而且要勻速運動，否則晶體質(zhì)地滿足不了要求。晶體生長過程見圖-2，籽晶桿與坩堝桿反向運動，同時坩堝桿旋轉(zhuǎn)。 為了實現(xiàn)上面的運動過程，本爐中選用了三個步進(jìn)電機(jī)，兩個步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動絲杠帶動坩堝桿和籽晶桿的上下移動，另一個電機(jī)帶動坩堝自轉(zhuǎn)，再選兩個編碼器反饋坩堝桿和籽晶桿的位置；選用兩個LM3106ACPU模塊，一個用來控制坩堝桿和籽晶桿的步進(jìn)電機(jī)，另一個控制坩堝自轉(zhuǎn)的電機(jī)；在坩堝桿和籽晶桿的步進(jìn)電機(jī)和絲杠之間選用兩個兩極減速器，一級為80：1，二級為100：1，當(dāng)快速調(diào)節(jié)坩堝桿和籽晶桿平移位置時只使用一級減速，當(dāng)慢速調(diào)節(jié)或者拉晶過程中兩級都使用，那減速比為8000：1，坩堝自轉(zhuǎn)選用12：1的一級減速器；選用Hetech的觸摸屏，進(jìn)行參數(shù)設(shè)定和顯示，通過RS485口以ModBus協(xié)議連接兩個PLC從站。 4、工藝過程描述 系統(tǒng)采用觸摸屏與兩臺PLC通訊，控制三臺步進(jìn)電機(jī)，其中兩臺步進(jìn)電機(jī)為平移，一臺為旋轉(zhuǎn)。平移兩軸需要使用編碼器反饋作全部閉環(huán)控制和顯示。 觸摸屏需要連接兩臺PLC，只能占用一個COM口，因此必須采用RS485的方式連接。 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，減速比為慢速 1：8000 ，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，快速為1～60mm/min。編碼器解析度為100ppr，也就是100個脈沖對應(yīng)5毫米。 坩堝桿平移可分別設(shè)定快/慢檔速度，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，當(dāng)前位置顯示當(dāng)前的坐標(biāo)值，當(dāng)點擊設(shè)為原點按鈕時，當(dāng)前位置清零。用戶可設(shè)定目標(biāo)位置，點擊啟動按鈕，程序會將當(dāng)前位置自動保存到起點位置上，并且運行電機(jī)直到到達(dá)目標(biāo)位置。上下點動按鈕可快速點動坩堝上下平移。 坩堝桿運行過程中，切換快慢檔位無效，且運行期間不可更改任何速度/位置等相關(guān)設(shè)定，變動無效。籽晶桿平移過程與坩堝桿平移過程相同。 坩堝自轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)為2000Pulse/r，減速比為1：12，速度范圍為0～30rpm。可通過按鈕選擇旋轉(zhuǎn)方向（順時針/逆時針），可通過按鈕選擇啟動/停止。 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動控制功能，電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，定位準(zhǔn)確，充分體現(xiàn)了G3 PLC高速輸出和高速計數(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)水平的項目，說明了我們團(tuán)隊具有配合研究院所完成科研項目的能力，體現(xiàn)了團(tuán)隊的綜合素質(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)模化生產(chǎn)的第一批設(shè)備，主要目的是為了完成生長爐的功能，實現(xiàn)晶體生長的工藝。而降低成本和控制方式的改進(jìn)是下一步的工作，對此我給出以下幾點建議： 1、要實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，那么應(yīng)該實行集中監(jiān)控。把現(xiàn)在單機(jī)系統(tǒng)連接起來有多種方式，無論是采用ProfiBus DP現(xiàn)場總線的方式，還是采用工業(yè)以太網(wǎng)的方式，HOLLIAS-LEC G3 PLC都提供了相應(yīng)的通訊模塊，監(jiān)控中心選用組態(tài)軟件實現(xiàn)工藝工程監(jiān)控、報警顯示、歷史數(shù)據(jù)的存儲與檢索等功能。 2、本案例中溫度PID調(diào)節(jié)是通過溫控儀表來實現(xiàn)的，為了降低成本，提高系統(tǒng)的集成度，應(yīng)該將電流傳感器的信號通過PLC模擬量模塊采集，然后在PLC中進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，通過模擬量輸出控制可控硅，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現(xiàn)的，同樣為了降低成本和提高系統(tǒng)集成度，應(yīng)該采用PLC來完成，通過采集真空計的模擬信號測得爐腔內(nèi)的真空度，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，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模擬量輸入模塊LM3310和一個模擬量輸出模塊LM3320就可以實現(xiàn)了。 4、本案例中觸摸屏具有兩個COM口，采用RS485的方式連接兩組PLC只能占用一個COM口，因此，另一個COM口可以連接其它的儀表設(shè)備，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，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳與集中顯示。