DJL-600型碳化硅單晶爐運行維護與故障排除

（新疆天科合達藍光半導體有限公司，石河子市，832000）杜廣平

DJL-600型碳化硅單晶爐運行維護與故障排除

（新疆天科合達藍光半導體有限公司，石河子市，832000）杜廣平

介紹了DJL-600型碳化硅單晶爐的基本結構和電氣控制系統的工作原理，結合實際工作經驗和設備的結構特點闡述了DJL一600型單晶爐的維護和常見故障排除方法。

碳化硅單晶爐,運行維護，故障

SiC（碳化硅）單晶體作為一種新型的半導體材料,SiC以其優良的物理化學特性和電特性成為制造高溫器件、大功率／高頻電子器件最重要的半導體材料。在高頻大功率和高電壓器件領域內發揮著重要作用。特別是在極端條件和惡劣條件下應用時，SiC器件的特性遠遠超過了Si器件和GaAs器件。因此,SiC器件和其各類傳感器已步成為關鍵器件之一，發揮著越來越重要的作用.

SiC單晶體的生長條件苛刻

需在2 100℃以上保持高真空6～7天，因此對單晶爐系統的穩定性有很高要求。目前國內市場上在運行的DJL-600型SiC(碳化硅)單晶爐已超過200臺，為了更好地發揮利用設備的能力，保證設備正常運行，必須了解設備的性能，做好日常維護保養工作，使設備始終處于良好的工作狀態，更好地滿足生產的需要。

1 單晶爐系統技術指標

本系統真空室及主要零部件材質均為1Gr18Ni9Ti

極限真空度：6.6x10-5Pa/6.6x10-3Pa（冷態）

工作真空度:10～10 000Pa（精度±5%）

系統暴露大氣后開始抽氣，30分鐘內真空度＜2Pa，60分鐘內真空度＜2x10-3Pa

停泵關機12小時后，殘余氣體壓力≤10Pa

籽晶桿、坩堝桿拉送系統可移動范圍分別為：390mm、560mm

拉送系統移動速率分快慢兩檔，慢速檔速率范圍0.06～6mm/h，快速檔最高速率不小于50mm/min

中頻加熱功率：40KW

2 單晶爐系統基本結構

單晶爐系統由爐膛、真空獲得及測量系統、IGBT中頻感應加熱系統、籽晶/坩堝桿拉伸控制系統、保護控制及報警系統等組成。

2.1 真空獲得及測量控制系統

真空獲得及測量控制系統由單室立式雙層水冷不銹鋼結構的爐體、變頻器、真空計、真空泵、智能控壓儀表、真空控制器和密封設備等構成。真空計采集爐腔內的真空度，真空控制器根據真空度變化調節變頻器頻率，進而改變真空泵的運行頻率，以保證爐腔內的真空度穩定。

2.2 中頻感應加熱系統

中頻感應加熱系統由IGBT中頻加熱源、電流／電壓傳感器、PID智能調節溫控儀表等構成。由歐陸3504表溫控儀表采集電流傳感器的模擬量信號（此值與爐內溫度成線性關系），根據電流值和設定值進行PID調節，輸出給IGBT來調節中頻電源的電壓，進而保證爐內溫度的穩定。歐陸3504表參與控制，在表上設置好控制曲線，啟動中頻電源后，再啟動溫度控制程序，使加熱功率跟隨設定值運行。

2.3 籽晶/坩堝桿拉伸控制系統

籽晶/坩堝桿拉伸控制系統由臺達伺服驅動器及伺服電機、步進驅動器及步進電機、諧波減速裝置、（OMRON）歐姆龍PLC主站、絲杠、導軌、編碼器和觸摸屏等構成，閉環調節籽晶桿和坩堝桿的運動，根據生產工藝的需要調整設置運動參數。

在SiC結晶過程中，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和拉伸運動，而且要勻速運動。否則晶體質地滿足不了要求。為了實現上面的運動過程選用了2個臺達伺服電機兩個步進電機驅動絲杠帶動坩堝桿和籽晶桿的上下移動。選用（OMRON）歐姆龍CP1H一體化型PLC，該型號PLC可從CPU單元內置輸出點發出固定占空比脈沖信號，脈沖輸入到伺服電動機驅動器來達到定位／速度控制。主站PLC用來控制籽晶桿的伺服電機、步進電機和坩堝桿的伺服電機、步進電機，再經過籽晶桿的諧波減速裝置和坩堝桿的諧波減速裝置獲得需要的轉速。人機界面選用昆侖通態觸摸屏，進行參數設定和顯示，通過RS一232通訊接口與PLC從站連接。

2.4 保護控制及報警系統

保護及報警系統是由（OMRON）歐姆龍PLC從站、電磁流量計、智能水流表、超程限位開關、智能水溫表以及各種電磁閥構成，為保證設備安全運行，減少操作人員的工作負擔，設備具有爐溫超溫保護、耔晶桿上下限位、爐膛氣壓超壓保護、斷水保護、水溫異常報警系統。

2.4.1 爐溫超溫保護

系統為了保護加熱線圈，設置有超溫保護功能，在控溫儀里設定最高溫度點，一旦爐溫超過此溫度，加熱功率就不再上升，同時系統就進行聲光報警。這時要及時檢查報警原因，如有故障要及時排除，如果給定太大，只要將加熱功率降低，使爐溫低于報警點，報警即可解除。

2.4.2 籽晶/坩堝桿上下超程報警保護功能

設備在籽晶/坩堝桿上、下極限位置裝有限位開關，一旦超程就會自動切斷驅動器電源并報警，保護籽晶/坩堝桿不受損傷。

2.4.3 爐膛氣壓超壓保護

如果爐膛發生漏水/恒壓控制系統失靈的情況，導致爐膛內部壓力突然升高超過設定數值，系統就進行聲光報警，以保護設備和人身安全。

2.4.4 斷水、水溫異常報警系統

當冷卻循環供水系統出現故障的時候，系統回立刻切斷中頻加熱電源停止加熱，以保護設備安全，當冷卻循環水恢復供水警報自動消除；水溫異常報警設定在58℃，如果假如加熱線圈出水溫度超過58℃，報警系統就進行聲光報警，提醒工作人員處理。

3 運行維護與保養

單晶爐在使用時，由于爐內溫度高、工作時間長、投人成本高等因素，必須要求各個部分工作穩可靠。因此，對設備合理的使用與維護保養就顯得十分重要。

首先，對于籽晶/坩堝傳動部分要定期清洗潤滑導柱、直線軸承、絲杠、絲母等運動部分，籽晶/坩堝的諧波減速器，每月打開清洗潤滑一次，坩堝軸旋轉軸承處每6個月潤滑1次。所有動密封的位置要定期涂真空硅脂，以保證良好的密封性和運動的靈活性。

單晶爐的電極和加熱線圈部位，運行一段時間后，要進行清理，如果出現碳粉堆積的情況,就會產生中頻掉電放電的現象,所以不允許出現電極與絕緣環之間的碳粉堆積情況。每次單晶爐運行結束，將爐內清理干凈，然后抽好真空，使爐內盡量少暴露在大氣中。

在每爐裝爐前，要檢查各水路是否暢通，特別是坩堝軸、電極、爐底、爐蓋、電極等部位的水冷情況。由于單晶爐長時間工作在高溫狀態下，水冷夾層內的結垢、沉淀、腐蝕等對真空爐室的工作穩定性影響極大。因此，單晶爐對冷卻水的各項要求很高，如果經過檢驗水質沒有達到要求，則必須更換冷卻水，防止爐體發生腐蝕。具體循環冷卻水控制指標。（詳見表1）

表1 循環冷卻水控制指標

總之，影響單晶爐穩定可靠性的因素很多，在實際運行過程中，要根據現場現象分析和處理故障。

表2 常見故障的排除方法表

4 常見故障及排除方法

根據多年的實際工作經驗和單晶爐的結構特點,歸納總結以下出解決故障的方法。（見表2）

3 結論

碳化硅單晶爐在我國的應用越來越廣泛，結合多年的實際工作經驗，針對DJL-600型碳化硅單晶爐的現場故障特點進行分析和研究探討，并歸納總結出了解決故障的對策，必須不斷強化日常的維護保養工作，提高工作人員的專業技術素質，才能使單晶爐設備始終處于良好的工作狀態，促進單晶生產的成品率進一步提高。

[1]王國鋒.HOLLIAS-LEC PLC在SiC晶體生長爐控制系統中的應用[J].世界儀表與自動化,2008,1；42～43

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1008-0899（2016）04-0056-03