基于工業以太網的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，而且還是生產化合物半導體光電子、微電子器件的重要方法。用MOCVD生產半導體激光器、發光管、太陽能電池盒高頻、高速電子器件等都已經形成產業，并且仍在繼續發展之中。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，成為現代外延技術的重要組成部分。

1 壓力控制需求及系統組成

在MOCVD技術生長過程中，反應腔壓力是重要參數之一，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生加劇，破壞生長所需的層流狀態。

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GaN生長過程的壓力過程

常見的MOCVD反應腔壓力控制系統包括反應腔本身、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，保證不對環境產生污染。

圖2 壓力控制系統組成圖

2 工業以太網壓力控制系統組成

圖3為實際應用的組成框圖，操控PC、溫度控制系統、壓力控制系統、水路控制系統和交換機組成MOCVD的上層管理系統，所有子系統的連接是通過工業以太網ProfiNet實現的。Profinet是一個整體的解決方案，它使用TCP/IP和IT標準，符合基于工業以太網的實時自動化體系。它是Profibus國際組織創新的自動化標準，用于實現基于工業以太網的集成、一致的自動化解決方案，它的一個關鍵特點是從現有的現場總線解決方案 (例如：Profibus-DP)到基于以太網的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和工業以太網的技術精髓，現在ProfiNet已成為IEC 61158的組成部分 (IEC 61158第l0部分)。

圖3 工業以太網壓力控制系統組成

通過ProfiNet發送目標壓力信息到壓力控制PLC，由PLC根據壓力控制信息統一轉化為目標壓力值，發送給T3BI。T3BI內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，從而實現反應腔內壓力調整，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生系統錯誤的可靠性。

3 調試及使用

在調試或實用過程中將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，一次超調后即進入穩定范圍，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，監控參數很多包括流量、壓力、差壓、溫度、轉速、濕度等等，通常采用“上位機+PLC”的方式，將現場數據采集與I/O控制的任務交給PLC完成，上位機負責工藝配方編輯、實時和歷史數據處理等功能。采用工業以太網ProfiNet將溫度、壓力、水路、操控PC組成網絡，可以減少硬件連接的復雜程度，保證數據傳輸的可靠性。

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設備組成工業以太網絡，從而實現集中操控。

[1]陸大成,段樹坤.金屬有機化合物氣相外延基礎及應用[M].北京：科學出版社，2009.5.

[2]胡曉宇,王建成,鄒春艷.基于串行通訊協議宏的MOCVD反應室壓力控制[J].電子工業專用設備,2008,156(1):38

[3]楊宏偉,章麒麟,閆發旺.GaN的低壓MOCVD生長模型[J].半導體情報,2001,38(6):52-54.

[4]趙恒,杜凱.GaN系半導體材料生長的MOCVD控制系統設計與實現[J].陜西理工學院學報,2005,21(3):28-32.

[5](德)Raimond Pigan,Mark Metter著,湯亞鋒 譯.西門子PROFINET工業通信指南[M].北京：人民郵電出版社出版，2007.11

[6]胡昊.Profibus和Profinet在聚酯薄膜生產線控制系統中的應用[J].系統集成與工程應用,2008,89(8):61～63.

[7]陳俊，張書明，張寶順,等.緩沖層生長壓力對MOCVDGaN性能的影響[J].中國科學E輯,2004,34(1):58～63.[8]陳新亮，薛俊明,張德坤等.反應壓力對MOCVD法沉積ZnO薄膜性質的影響[J].光電子激光,2007,18(7):763～766.

[9]Types 622B,623B,&626B absolute baratrons ambient temperature capacitancemanometers instruction manual，MKSInstruments,Inc.[Z].

[10]MKS Type T3BI Intelligent Exhaust Throttle Valve in structionmanual，MKS Instruments,Inc.[Z].

[11]Multi-stage dry vacuum pump ESA25-D instruction manual,EBARA Cooperation[Z].