高溫外延爐氣體壓力控制系統的實現

毛朝斌，高桑田，盛飛龍，仇禮欽，王 鑫

(季華實驗室，廣東 佛山 528251)

隨著5G、智能電網、軌道交通、光伏逆變、充電樁和新能汽車等領域的快速發展，第一代以Si為代表的半導體材料和第二代以GaAs為代表的化合物半導體材料已經很難滿足大功率、高溫、高壓及高頻器件制造的需求。第三代半導體材料碳化硅（SiC）作為寬禁帶半導體材料的代表，具有禁帶寬度大、電子遷移率高、擊穿電壓高以及熱導率高等優勢，其產業得到了快速發展，在5G、光伏逆變、特別是新能源汽車等領域中相繼得到應用[1]。近年來，世界各國高度重視SiC器件研發，我國“十四五”規劃將SiC作為重要的發展方向，這將進一步推動我國SiC芯片產業的快速發展[2]。我國在生產SiC材料、芯片和器件等制造的很多關鍵設備依賴進口，其中SiC高溫外延爐設備是SiC襯底外延的關鍵設備之一。目前，國內半導體設備研究機構開始了SiC高溫外延設備的研究。本文針對SiC高溫外延工藝過程中腔內壓力控制進行了研究。

SiC外延常采用化學氣相沉積（CVD）法進行外延工藝，在氫氣（H2）中充入丙烷（C3H8）和三氯氫硅（TCS），可實現4H-SiC同質外延片高速率（100 μm/h）生長。其中，H2為載體，C3H8和TCS分別為碳源和硅源，氮氣（N2）為n型摻雜源。通常在腔內溫度800～900℃、H2流量30～50 L/min、壓力90～100 kPa的狀態下進行裝卸片，裝卸片完成后將溫度從800～900℃升到1 550～1 650℃，H2流量從30～50 L/min升到80～120 L/min，而壓力從90～100 kPa降到5～20 kPa[3-4]。整個過程需要對壓力從90～100 kPa降到外延生長壓力的跟隨性、外延生長過程的壓力穩定性進行精確控制，而外延生長壓力控壓不穩定性要求≤±2%。

1 壓力控制系統

1.1 真空系統構成

SiC高溫外延真空系統主要由真空獲得系統和進氣系統構成，主要包括真空反應室、薄膜規、蝶閥、PID控制器、干泵、流量控制器等，其中干泵為真空反應室的真空獲得設備；真空反應室是SiC外延的腔室，在一定的壓力和溫度條件下SiC襯底在真空反應室進行同質外延；薄膜規用于測定真空反應室的真空度，PID根據薄膜規測得真空值調節蝶閥的開度以達到真空度滿足工藝的要求；氣體質量流量計在同質外延過程中提供工藝氣體；如圖1所示。

圖1 SiC外延爐真空系統構成

1.2 控制原理

SiC高溫外延的壓力控制對象具有負載結構非線性、時變性的特點，難以建立精確的數學模型，采用傳統的PID控制無法達到較好的控制效果。模糊控制是一種通過采用模糊概念對系統進行描述、處理、控制的方法。模糊控制的算法適用于被控對象無明確數學模型且具有非線性與滯后性等，能夠有效地克服復雜系統的不確定性和非線性的特性。模糊自適應PID控制器的系統結構由真空控制系統壓力傳感器檢測到的壓力的反饋值與目標值的偏差e和偏差變化率ec為輸入，通過采用模糊推理的方法在線對PID的參數Kp、Ki、Kd進行自整定，實現不同階段e和ec對PID參數自整定的要求[5]。將圖1控制系統原理圖畫成系統方框圖，如圖2所示。再根據圖2，作傳遞函數方框圖，如圖3所示。

圖2 控制系統框圖

圖3 控制系統傳遞函數

1.3 模糊自適應PID控制器設計

壓力控制系統將壓力設定值與壓力反饋值分別設置為2值輸入(系統壓力給定值與測量反饋值的偏差e(t)，偏差信號變化率ec(t)。首先根據隸屬度函數曲線尋找它們的隸屬度；然后根據模糊控制規則表進行推理計算，得出3值輸出(比例系數Kp、積分系數Ki、微分系數Kd)各語言值的對應隸屬度，最后采用加權平均法精確化計算，得出Kp、Ki、Kd的修正值△Kp、△Ki、△Kd，各修正值與相應的初始值相加得到精確調整值，進而優化其控制性能。

模糊自適應PID控制器輸入和輸出語言變量的模糊集均采用“負大（NB）”、“負中（NM）”、“負?。∟S）”、“零（ZE）”、“正?。≒S）”、“正中（PM）”、“正大（PB）”語言變量進行描述。輸入e和ec的基本 論 域 設 為{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。對其采用三角形和正態形隸屬函數。壓力偏差e(t)的實際范圍可達到-0.5～0.5 kPa，因此其論域定為[-5，5]，壓力變化響應較慢，壓力偏差變化率的基本論域大致[-2，2]，經參數整定分析輸出量Kp、Ki、Kd實 際 論 域 設 為[-1，1]、[-0.2，0.2]、[-0.03，0.03]。

1.4 建立模糊控制規則

根據工程實踐，建立模糊規則：(1)如果壓力控制系統處于響應階段，需盡快消除偏差e以提高響應速度，此時Kp取較大值，同時防止積分飽和，Ki取較小值，Kp隨e變小也相應減小。(2)如果e·ec＜0時，則偏差|e|向減小的方向變化。當偏差|e|較大，Kp取中間值，Ki取較大值，Kd取較小值，以提高動態和穩態性能。若偏差|e|較小，為避免壓力控制系統在設定值附近振蕩，且考慮抗干擾性能，應減小Kp和Ki，取中等的Kd。(3)如果e×ec＞0時，表明偏差|e|向增大的方向變化。當偏差|e|較大，為提高壓力控制系統動態和穩態性能，Kp取較大值，Ki取較小值，Kd取中等值。當偏差|e|較小，為提高壓力控制系統的穩態性能及避免振蕩的產生，Kp取中等值，Ki取較大值，Kd取較小值。

在總結工程技術人員技術知識和實際操作經驗的基礎上，根據以上參數自適應調整的原則設計模糊自適應PID控制器，建立合適的模糊規則表。表1、表2、表3分別列出了模糊自適應PID控制器Kp、Ki、Kd模糊控制規則。

表1 Kp的調整規則

表2 Ki的調整規則

表3 Kd的調整規則

2 SiC外延流程

2.1 SiC外延工藝流程

4H-SiC外延生長包括如下步驟：在反應室壓力90～100 kPa狀態下，通過機械手將4H-SiC襯底放入反應腔，逐步提高H2流量并對反應室進行加溫，同時將反應室壓力降到5～20 kPa，達到設定的生長溫度后，在100 L/min流量的氫氣氣氛下恒溫對4H-SiC襯底進行原位刻蝕，同時通入生長源氣TCS和C3H8，最后通入n型摻雜氣源N2，進入反應室的源氣在高溫下發生分解并在襯底表面成核生長，形成4H-SiC外延膜層。

2.2 SiC外延壓力控制

SiC高溫外延爐壓力控制系統的PID控制器采用自適應模糊PID參數控制，輸出的控制信號變化比較緩慢，且在小范圍的內變化，避免了比例微調閥由于控制信息變化區間大而引起閥門頻繁的開關。控制壓力較為穩定，該控制器采用了自適應模糊PID控制算法。壓力控制過程為：壓力薄膜傳感器將反應室的真空壓力檢測值傳遞到PLC控制器，PLC計算每次采樣的誤差e和誤差的變化率ec，通過查詢模糊控制規則計算出來的Kp、Ki、Kd的調整范圍獲得PID增量，PLC將新的PID參數發給蝶閥執行器進行蝶閥開度的調節，以達到控制反應室內壓力的目的。

3 實驗結果及分析

利用國產SiC高溫外延設備進行壓力模糊自適應控制測試，圖4、圖5、圖6分別是SiC外延過程中溫度的測試曲線、工藝氣體曲線、壓力控制測試曲線。從圖6可以看出，SiC外延階段壓力控制很穩定。圖7為SiC外延階段壓力波動測試曲線，從圖7可以看出，SiC外延階段壓力控制在10 kPa±0.1 kPa。從圖7曲線還可以看出，中間波動比兩端要大，這是因為這個階段為外延生長階段，即通入了TCS和C3H8和摻雜N2進行化學氣相沉積，而這個波動在控制范圍內。

圖4 SiC外延工藝過程溫度測試曲線

圖5 SiC外延工藝過程工藝氣體測試曲線

圖6 SiC外延工藝過程壓力控制測試曲線

圖7 SiC外延階段壓力波動測試

4 結 論

針對SiC外延過程中的壓力控制問題，本文簡述了壓力控制系統的結構，系統采用模糊PID壓力自動控制方法，消除擾動影響，實現了真空系統的自動控制，可滿足SiC外延的要求，提高了設備生產效率，為實現全自動SiC外延爐的國產化起到了推動作用。