SiC 外延生長(zhǎng)設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周立平，林伯奇，吳 限，袁祖浩

( 中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所， 湖南長(zhǎng)沙 410111)

隨著節(jié)能減排、智能電網(wǎng)和5G 通信等領(lǐng)域的快速發(fā)展，行業(yè)對(duì)功率半導(dǎo)體器件的性能指標(biāo)提出了更高更嚴(yán)的要求[1]。以SiC 為代表的第三代半導(dǎo)體具有寬禁帶、高電子速度和高擊穿電場(chǎng)等特點(diǎn)[2]，與以Si 為代表的第一代半導(dǎo)體與以GaAs 為代表的第二代半導(dǎo)體相比，更能適用于能源轉(zhuǎn)換、智能電網(wǎng)和5G 通信等領(lǐng)域。

SiC 外延生長(zhǎng)是SiC 功率半導(dǎo)體器件制造的關(guān)鍵工序，提高外延質(zhì)量是保證器件成品率、降低器件制造成本的關(guān)鍵所在，而設(shè)備控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及對(duì)關(guān)鍵因素的控制精度直接決定外延生長(zhǎng)質(zhì)量的好壞[3]。本文研究設(shè)計(jì)了一套SiC 外延生長(zhǎng)設(shè)備控制系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)際工藝驗(yàn)證，該控制系統(tǒng)操作便捷、功能全面、性能穩(wěn)定，能很好地滿足SiC外延生長(zhǎng)的需要。

1 設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成

該設(shè)備為單片單腔水平式，具有晶片自動(dòng)傳送功能。設(shè)備主要包含Loadlock（基片裝/卸室）、傳輸室和反應(yīng)室3 個(gè)腔室，工作原理如圖1 所示。晶片置于由石墨制成的耐高溫載片盤內(nèi)，首先在Loadlock 內(nèi)進(jìn)行裝載，然后由機(jī)械手傳送到反應(yīng)室進(jìn)行工藝，工藝完成后反應(yīng)室降到一定溫度后再傳回到Loadlock。

圖1 SiC 外延生長(zhǎng)設(shè)備工作原理

2 設(shè)備控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與硬件組成

2.1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

因SiC 外延生長(zhǎng)涉及1 600 ℃以上的高溫、H2/SiHCl3/C2H4等易燃易爆氣體，對(duì)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求極高。本控制系統(tǒng)由主控計(jì)算機(jī)和高可靠性PLC（可編程邏輯控制器）等構(gòu)成。主控計(jì)算機(jī)主要負(fù)責(zé)人機(jī)交互工作，底層硬件數(shù)據(jù)采集和控制、實(shí)際運(yùn)行邏輯運(yùn)算和調(diào)度工作均由PLC 具體負(fù)責(zé)，這極大地規(guī)避了因主控計(jì)算機(jī)引起的設(shè)備不安全動(dòng)作，從控制系統(tǒng)架構(gòu)上提高了設(shè)備安全性和穩(wěn)定性?？刂葡到y(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 SiC 外延生長(zhǎng)設(shè)備控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.2 控制系統(tǒng)硬件組成

該SiC 外延設(shè)備有3 個(gè)獨(dú)立腔室，且需要定期進(jìn)行維護(hù)，維護(hù)期間反應(yīng)室與傳輸室需要脫離。因此，其控制系統(tǒng)采用集中控制和分布式控制相結(jié)合的方式。采用總線系統(tǒng)和PLC 來實(shí)現(xiàn)，總線控制系統(tǒng)方便應(yīng)用于分布式控制系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)接線，模塊化組合，可靠性高。系統(tǒng)的硬件組成如圖3 所示。

圖3 SiC 外延生長(zhǎng)設(shè)備控制系統(tǒng)硬件組成

主控計(jì)算機(jī)和PLC 實(shí)時(shí)交互、又相互獨(dú)立，在保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備水、電、氣、溫度、壓力、流量、旋轉(zhuǎn)、運(yùn)動(dòng)等參數(shù)的全面實(shí)時(shí)控制，并通過多層次安全聯(lián)鎖監(jiān)控，確保人員安全和設(shè)備安全。

3 設(shè)備控制系統(tǒng)主要分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 溫度控制系統(tǒng)

SiC 外延工藝對(duì)溫度控制有著很高的要求，既要求快速升降溫，又要求溫度控制具有極高的穩(wěn)定性。溫控系統(tǒng)升降溫速率直接決定設(shè)備的生產(chǎn)效率；穩(wěn)定性不僅影響反應(yīng)速率，同時(shí)影響外延膜的質(zhì)量。

本系統(tǒng)采用中頻感應(yīng)電源實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)室的快速加熱，根據(jù)目標(biāo)溫度與紅外測(cè)溫探頭檢測(cè)的實(shí)際溫度差，采用多段PID 調(diào)節(jié)加變斜率溫度控制方法，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)RF 電源的輸出功率。溫度過沖小于1 ℃，恒溫過程中溫控精度≤0.06‰。溫度控制系統(tǒng)原理如圖4 所示。

圖4 溫度控制系統(tǒng)原理圖

3.2 壓力控制系統(tǒng)

反應(yīng)室壓力控制的穩(wěn)定性直接決定著SiC 外延工藝質(zhì)量的好壞。電動(dòng)蝶閥是壓力控制的主要工具，但由于SiC 外延尾氣具有高溫、強(qiáng)腐蝕性以及高流速的特點(diǎn)，僅采用電動(dòng)蝶閥自身的控制算法，不能很好地兼顧維護(hù)周期與對(duì)壓力穩(wěn)定的高要求。

根據(jù)SiC 外延工藝的特點(diǎn)，本系統(tǒng)基于蝶閥開度趨勢(shì)數(shù)據(jù)，在壓力處于預(yù)設(shè)閾值范圍內(nèi)時(shí)，按照預(yù)定周期對(duì)蝶閥開度實(shí)施調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)蝶閥開度的低頻次智能控制，即開度調(diào)節(jié)模式；此預(yù)定周期遠(yuǎn)大于正常壓力控制模式的切換周期，從而保證低頻次的開度調(diào)節(jié)；在壓力超出閾值時(shí)，從開度調(diào)節(jié)模式立即切換進(jìn)入正常壓力控制模式，待壓力穩(wěn)定后再切回低頻次的開度控制模式，如此重復(fù)調(diào)節(jié)過程，在滿足工藝需要的基礎(chǔ)上，將蝶閥密封圈的維護(hù)周期延長(zhǎng)了1 倍以上。壓力控制原理如圖5 所示。

圖5 壓力控制系統(tǒng)原理圖

3.3 晶片傳送控制系統(tǒng)

高溫全自動(dòng)傳片能大幅節(jié)省工藝升降溫時(shí)間和降低過程沾污。根據(jù)SiC 外延高溫、穩(wěn)壓、低擾動(dòng)的工藝環(huán)境特性，本系統(tǒng)采用R-θ 型三軸高精度機(jī)械手，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)圓周、水平直線及垂直三個(gè)方向的精準(zhǔn)定位。配備石英手指能很好地滿足高溫取放片要求，無縫變速運(yùn)動(dòng)控制能最大限度地減少氣流擾動(dòng)。

系統(tǒng)采用智能調(diào)度算法，以緩存室作為中轉(zhuǎn)腔室，采取雙傳感檢測(cè)措施和智能記憶方法，能準(zhǔn)確無誤的實(shí)現(xiàn)連續(xù)兩片晶片傳送調(diào)度的工藝過程。具體調(diào)度流程如圖6 所示。

圖6 晶片傳送調(diào)度原理圖

4 結(jié)束語

SiC 外延生長(zhǎng)設(shè)備已成功研制，設(shè)備連續(xù)運(yùn)行超過半年，控制系統(tǒng)經(jīng)過了實(shí)際運(yùn)行的考驗(yàn)，目前系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，能有效應(yīng)對(duì)突然斷電、斷氣、斷水等極端意外情況的發(fā)生，摻雜濃度均勻性達(dá)到3.5%～5%，首批流片驗(yàn)證良品率達(dá)到94%以上。