基于工業(yè)以太網(wǎng)的MOCVD反應腔壓力控制

常依斌

(上海藍寶光電材料有限公司，上海201616)

MOCVD(金屬有機物化學氣相沉積)是20世紀60年代末期發(fā)展起來的利用金屬有機化合物進行金屬輸運的一種化合物半導體氣相外延技術。它的技術優(yōu)點在于：可以制成多種類型的薄膜材料;可精確控制膜的厚度、組成及摻雜濃度;可制成大面積、高均勻性的外延膜等。因此,成為當前世界各國都在大力發(fā)展的一種高新材料制備技術。目前,MOCVD技術不僅成為制備化合物半導體異質結、超晶結、量子阱等低維結構的主要手段，而且還是生產(chǎn)化合物半導體光電子、微電子器件的重要方法。用MOCVD生產(chǎn)半導體激光器、發(fā)光管、太陽能電池盒高頻、高速電子器件等都已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)，并且仍在繼續(xù)發(fā)展之中。還需指出的是，今天它不僅應用于半導體領域，還擴展到金屬、絕緣介質等多種材料體系，成為現(xiàn)代外延技術的重要組成部分。

1 壓力控制需求及系統(tǒng)組成

在MOCVD技術生長過程中，反應腔壓力是重要參數(shù)之一，它的壓力高低直接影響生長質量。壓力不同會影響氣體粒子的遷移距離，在其它條件相同的前提下，壓力增減會使停滯層厚度發(fā)生變化，影響生長速率以及外延層的平整性；而壓力的變化有可能會使湍流的產(chǎn)生加劇，破壞生長所需的層流狀態(tài)。

圖1所示為典型的GaN生長過程壓力變化過程。從圖中可以看出生長過程中，對壓力控制的要求非常高，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：一是控制過程復雜，壓力變化較多，壓力變化范圍為1×104～5×104Pa；二是壓力變化形式多樣，控制的種類有立即響應和固定斜率兩種形式；三是精度和穩(wěn)定性要求較高，這兩個指標會直接影響GaN的均勻性和生長速率，另外壓力的波動還會對反應氣體的層流帶來影響。

圖1 常規(guī)GaN生長過程的壓力過程

常見的MOCVD反應腔壓力控制系統(tǒng)包括反應腔本身、壓力傳感器、蝶閥和真空泵，見圖2。將來自壓力傳感器的信號送入控制電路以調(diào)整下游蝶閥的張開角度來控制泵的抽氣速率，達到恒定壓力的目的。真空泵的抽氣速率要與反應腔的最大流量相匹配。圖中所示的過濾器和工廠尾氣處理用來對反應后的尾氣進行一次和二次處理，保證不對環(huán)境產(chǎn)生污染。

圖2 壓力控制系統(tǒng)組成圖

2 工業(yè)以太網(wǎng)壓力控制系統(tǒng)組成

圖3為實際應用的組成框圖，操控PC、溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、水路控制系統(tǒng)和交換機組成MOCVD的上層管理系統(tǒng)，所有子系統(tǒng)的連接是通過工業(yè)以太網(wǎng)ProfiNet實現(xiàn)的。Profinet是一個整體的解決方案，它使用TCP/IP和IT標準，符合基于工業(yè)以太網(wǎng)的實時自動化體系。它是Profibus國際組織創(chuàng)新的自動化標準，用于實現(xiàn)基于工業(yè)以太網(wǎng)的集成、一致的自動化解決方案，它的一個關鍵特點是從現(xiàn)有的現(xiàn)場總線解決方案 (例如：Profibus-DP)到基于以太網(wǎng)的ProfiNet的無縫轉換。

ProfiNet滿足所有自動化的需求，它吸納了多年積累的Profibus和工業(yè)以太網(wǎng)的技術精髓，現(xiàn)在ProfiNet已成為IEC 61158的組成部分 (IEC 61158第l0部分)。

圖3 工業(yè)以太網(wǎng)壓力控制系統(tǒng)組成

通過ProfiNet發(fā)送目標壓力信息到壓力控制PLC，由PLC根據(jù)壓力控制信息統(tǒng)一轉化為目標壓力值，發(fā)送給T3BI。T3BI內(nèi)部集成的壓力控制器通過比較目標壓力和壓力傳感器測量的實際壓力，將壓力差值轉換為蝶閥的開度，從而實現(xiàn)反應腔內(nèi)壓力調(diào)整，最終使實際壓力和目標壓力相等。

MKS公司的蝶閥T3BI有以下特點：

(1)緊湊的壓力控制系統(tǒng)閥，集成板載控制器；

(2)快速響應：全開到全關時間小于200ms；

(3)大力矩輸出；

(4)雙通道自動量程切換壓力計輸入。

MKS公司的壓力傳感器626B主要技術指標為：

(1)滿量程壓力/真空范圍低到13.33 Pa，真空的精度測量為0.133 pa；

(2)腔體壓力直接測量，不受氣體種類、混合等查表和轉換的因素；

(3)長期輸出穩(wěn)定性保證了反應過程的可重復性；

(4)高過壓限制保證了偶然發(fā)生系統(tǒng)錯誤的可靠性。

3 調(diào)試及使用

在調(diào)試或實用過程中將T3BI通過RS232接口接入PC，用其自帶軟件獲得響應曲線，如圖4所示。

圖4 壓力控制曲線圖

從圖中可以看出，壓力控制具有極快的響應速度，一次超調(diào)后即進入穩(wěn)定范圍，完全能夠滿足MOCVD反應腔壓力控制的要求。

4 結束語

MOCVD設備集成了化學、物理、電氣、機械等多學科，監(jiān)控參數(shù)很多包括流量、壓力、差壓、溫度、轉速、濕度等等，通常采用“上位機+PLC”的方式，將現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與I/O控制的任務交給PLC完成，上位機負責工藝配方編輯、實時和歷史數(shù)據(jù)處理等功能。采用工業(yè)以太網(wǎng)ProfiNet將溫度、壓力、水路、操控PC組成網(wǎng)絡，可以減少硬件連接的復雜程度，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

隨著未來MOCVD工廠的集中化程度提高，甚至可以通過交換機將多臺MOCVD設備組成工業(yè)以太網(wǎng)絡，從而實現(xiàn)集中操控。

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