SiC 外延生長設備控制系統設計

周立平，林伯奇，吳 限，袁祖浩

( 中國電子科技集團公司第四十八研究所， 湖南長沙 410111)

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

SiC 外延生長是SiC 功率半導體器件制造的關鍵工序，提高外延質量是保證器件成品率、降低器件制造成本的關鍵所在，而設備控制系統的穩(wěn)定性及對關鍵因素的控制精度直接決定外延生長質量的好壞[3]。本文研究設計了一套SiC 外延生長設備控制系統，經實際工藝驗證，該控制系統操作便捷、功能全面、性能穩(wěn)定，能很好地滿足SiC外延生長的需要。

1 設備的結構組成

該設備為單片單腔水平式，具有晶片自動傳送功能。設備主要包含Loadlock（基片裝/卸室）、傳輸室和反應室3 個腔室，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，首先在Loadlock 內進行裝載，然后由機械手傳送到反應室進行工藝，工藝完成后反應室降到一定溫度后再傳回到Loadlock。

圖1 SiC 外延生長設備工作原理

2 設備控制系統總體設計與硬件組成

2.1 控制系統總體設計

因SiC 外延生長涉及1 600 ℃以上的高溫、H2/SiHCl3/C2H4等易燃易爆氣體，對控制系統的穩(wěn)定性要求極高。本控制系統由主控計算機和高可靠性PLC（可編程邏輯控制器）等構成。主控計算機主要負責人機交互工作，底層硬件數據采集和控制、實際運行邏輯運算和調度工作均由PLC 具體負責，這極大地規(guī)避了因主控計算機引起的設備不安全動作，從控制系統架構上提高了設備安全性和穩(wěn)定性。控制系統總體設計如圖2 所示。

圖2 SiC 外延生長設備控制系統總體設計

2.2 控制系統硬件組成

該SiC 外延設備有3 個獨立腔室，且需要定期進行維護，維護期間反應室與傳輸室需要脫離。因此，其控制系統采用集中控制和分布式控制相結合的方式。采用總線系統和PLC 來實現，總線控制系統方便應用于分布式控制系統，現場接線，模塊化組合，可靠性高。系統的硬件組成如圖3 所示。

圖3 SiC 外延生長設備控制系統硬件組成

主控計算機和PLC 實時交互、又相互獨立，在保證控制系統穩(wěn)定的前提下，實現對設備水、電、氣、溫度、壓力、流量、旋轉、運動等參數的全面實時控制，并通過多層次安全聯鎖監(jiān)控，確保人員安全和設備安全。

3 設備控制系統主要分系統設計

3.1 溫度控制系統

SiC 外延工藝對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。溫控系統升降溫速率直接決定設備的生產效率；穩(wěn)定性不僅影響反應速率，同時影響外延膜的質量。

本系統采用中頻感應電源實現對反應室的快速加熱，根據目標溫度與紅外測溫探頭檢測的實際溫度差，采用多段PID 調節(jié)加變斜率溫度控制方法，實時調節(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‰。溫度控制系統原理如圖4 所示。

圖4 溫度控制系統原理圖

3.2 壓力控制系統

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

根據SiC 外延工藝的特點，本系統基于蝶閥開度趨勢數據，在壓力處于預設閾值范圍內時，按照預定周期對蝶閥開度實施調節(jié)，實現蝶閥開度的低頻次智能控制，即開度調節(jié)模式；此預定周期遠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節(jié)；在壓力超出閾值時，從開度調節(jié)模式立即切換進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，如此重復調節(jié)過程，在滿足工藝需要的基礎上，將蝶閥密封圈的維護周期延長了1 倍以上。壓力控制原理如圖5 所示。

圖5 壓力控制系統原理圖

3.3 晶片傳送控制系統

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

系統采用智能調度算法，以緩存室作為中轉腔室，采取雙傳感檢測措施和智能記憶方法，能準確無誤的實現連續(xù)兩片晶片傳送調度的工藝過程。具體調度流程如圖6 所示。

圖6 晶片傳送調度原理圖

4 結束語

SiC 外延生長設備已成功研制，設備連續(xù)運行超過半年，控制系統經過了實際運行的考驗，目前系統運行穩(wěn)定、可靠，能有效應對突然斷電、斷氣、斷水等極端意外情況的發(fā)生，摻雜濃度均勻性達到3.5%～5%，首批流片驗證良品率達到94%以上。