晶体生长炉控制系统

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1、HOLLIAS-LECG3PLC在SiC晶体生长炉控制系统中的应用作为一种新型的半导体材料，SiC以其优良的物理化学特性和电特性成为制造短波长光电子器件、高温器件、抗辐照器件和大功率/高额电子器件最重要的半导体材料。特别是在极端条件和恶劣条件下应用时，SiC器件的特性远远超过了Si器件和GaAs器件。因此，SiC器件和其各类传感器已逐步成为关键器件之一，发挥着越来越重要的作用。从20世纪80年代起，特别是1989年第一种SiC衬底圆片进入市场以来，SiC器件和电路获得了快速的发展。在某些领域，如发光二极管、高频大功率和高电压器件等，SiC器件已经得到较广泛的商业

2、应用，发展迅速。经过十几年的发展，目前SiC器件工艺己经可以制造商用器件。以Cree为代表的一批公司已经开始提供SiC器件的商业产品。国内的研究所和高校在SiC材料生长和器件制造工艺方面也取得了可喜的成果。目前SiC因片的体生长和外延生长技术已经可以得到应用于商业生产的SiC圆片，市场上可以获得3英寸的SiC圆片，4英寸的圆片牛产技术也不断研制成熟。中科院物理研究所从2000年以来投入大量人力和物力进行了SiC晶体关键生长技术的研发，凭借其多年在晶体生长的经验和实力雄厚的科研力量，目前物理所已跻身于全球几个有能力生长2英寸SiC半导体晶体的单位之一，同时己设计并

3、制造出具有口主知识产权的SiC晶体生长炉，为规模化生产奠定了基础，并具有明显的价格优势。目前本研究组响应把科学技术转化为生产力的号召，集多方资源建立了从事SiC单晶材料生长炉规模化生产业务的公司。[2生长炉的组成SiC晶体的生长条件苛刻，需在2100°C以上保持高真空一周以上，且对籽晶质量、固定方式等也有很高要求。物理所利用长期研究工作中积累的单晶生长经验，结合自行设计的独特的ttt烟和温场，设计并制造出具有自主知识产权的SiC晶体生长炉。除炉体以外，生长炉具有大量控制设备来确保晶体生长苛刻的环境要求，这样控制设备大体上可以分为真空设备、加温设备和运动设备。真空

4、设备包括变频器、真空计、真空泵、智能控制仪表、真空控制器和密封设备等，真空计采集炉腔内的真空度，真空控制器根据真空度变化调节变频器频率，进而改变真空泵的运行频率，以保证炉腔内的真空度稳定：加温设备包括中频加热炉、中频电源、电流/电压传感器、可控硅和PID智能调节温控仪表等，温控仪表采集电流传感器的模拟量信号（此值与炉内温度成线性关系），根据电流值和设定值进行PID调节，输出给可控硅来调节中频电源的电压，进而保证炉内温度的稳定；运动设备包插步进电机、G3PLC、丝杠、导轨、编码器、限位开关和触摸屏等，闭环调节籽晶杆和圮竭杆的运动，调节圮埸自转，各种参数可以设置。3

5、运动控制系统组成在SiC结晶过程中，除了满足温度和真空度的条件外，另外还要保证籽晶和±tt埸之间有相对的旋转和拉伸运动，而II要匀速运动，否则晶体质地满足不了要求。晶体生长过程见图-2,籽晶杆与圮璃杆反向运动，同时圮堀杆旋转。籽晶杆SiC晶体为了实现上面的运动过程，本炉中选用了三个步进电机，两个步进电机驱动丝杠带动土甘圳杆和籽晶杆的上下移动，另一个电机带动圮圳自转，再选两个编码器反馈圮圳杆和籽晶杆的位置；选用两个LM3106ACPU模块，一个用來控制ttt垠杆和籽晶杆的步进电机，另一个控制坦竭自转的电机；在堪竭杆和籽晶杆的步进电机和丝杠Z间选用两个两极减速器，一

6、级为80：1,二级为100：1,当快速调节±tt埸杆和籽晶杆平移位置时只使用一级减速，当慢速调节或者拉晶过程屮两级都使用，那减速比为8000：1,圮埸自转选用12：1的一级减速器；选用Hetech的触摸屏，进行参数设定和显示，通过RS485口以ModBus协议连接两个PLC从站。系统采用触摸屏与两台PLC通讯，控制三台步进电机，其中两台步进电机•为平移，一台为旋转。平移两轴需要使用编码器反馈作全部闭环控制和显示。均坍杠編£籽晶杠編E均塀自转电机坦塀杠电机籽晶杠电机触摸屏需要连接两台PLC,只能占用一个COM口，因此必须采用RS485的方式连接。圮埸杆和籽晶杆步进

7、电机参数设为2000Pulse/r,丝杠导程为5mm，减速比为慢速1：8000，快速1：80（快慢档通过离合器切换）,因此速度范围慢速为0.002〜0.50mm/hour,快速为编码器解析度为100ppr,也就是100个脉冲对应5毫米。ttt烟杆平移可分别设定快/慢档速度，当前档位通过外接按钮切换，触摸屏画面上进行当前状态的显示，当前位置显示当前的坐标值，当点击设为原点按钮时，当前位置清零。用户可设定目标位置，点击启动按钮，程序会将当前位置自动保存到起点位置上，并且运行电机直到到达目标位置。上下点动按钮可快速点动堆埸上下平移。堆埸杆运行过程中，切换快慢档位无效，

8、口运行期间不可更改任何速