金屬有機物化學氣相沉積設備的智能化研究

王 亮，向曉靜

(1.季華科技有限公司，廣東 佛山 528000；2.廣東眾元半導體科技有限公司，廣東 佛山 528251)

0 引言

MOCVD(金屬有機化合物化學氣相沉積)設備集精密機械、半導體材料、真空電子、流體力學、光學、化學、計算機多學科為一體，是一種自動化程度高、技術集成度高、價格昂貴的高端光電子專用設備[1]。由于外延材料的生長速率比較適中，可非常精確地控制膜厚，是制備納米到微米級薄膜新材料以及光電子器件的關鍵設備。作為生產半導體光電器件和微波器件的關鍵核心設備，MOCVD設備具有廣闊的應用前景和產業化價值。

1 MOCVD設備的組成

MOCVD設備主要包括氣源輸運與尾氣處理系統、加熱系統、冷卻系統、反應腔體和檢測及控制系統等幾個部分[2]，如圖1所示。氣源輸運系統主要實現氣源的運輸、精確混合和調控、快速切換以及廢氣的處理。加熱系統對反應發生的襯底進行加熱，提供反應發生所需要的溫度，并滿足加熱均勻、升溫降溫速度快、溫度穩定時間短等要求。反應腔體為整個系統的主體結構，反應氣體經過輸運系統進入腔體之后，在加熱的襯底表面分別發生氣相化學反應和表面化學反應，經過擴散、吸附、反應和解吸附等幾個復雜的步驟之后在襯底上均勻地外延生長出同質或異質的晶體薄膜。檢測及控制系統實時檢測腔體內的流場、溫度場、薄膜厚度和均勻性等參數，并對輸運與加熱系統進行控制。在材料制備過程中，這一系列復雜的物理化學反應以及控制動作、程序要按照預定目標完成，要求其設備系統必須能實現智能化控制[3]。

圖1 MOCVD設備的主要組成部分

2 設備互聯互通能力

MOCVD設備控制系統采用分級分布式現場控制總線結構，主要分為監控層、控制層、儀器儀表層三層網絡結構，并可以根據客戶需求開放對外接口進行設備的遠程控制。監控層為安裝在計算機上的上位機軟件和觸摸屏用戶操作界面。控制層以PLC作為控制核心，實時采集現場儀器儀表設備的數據，上傳給監控層上位機軟件和觸摸屏進行顯示。PLC同時接收上位機軟件和觸摸屏上的用戶操作命令，對設備的閥門、氣缸、電機等幾百個執行機構進行控制。

控制層與儀表層采用工業現場總線通訊方式。控制系統選用行業主流PLC與儀表層的流量控制器、壓力計、溫控器、伺服驅動器、水浴槽等現場設備之間進行數字通訊，采用RS485、Profibus以及DeviceNet等現場總線的通訊方式。這些現場總線為開放式互聯網絡，均可實現多站點雙向通訊，網絡利用率高、響應快、簡單可靠、經濟實用，適用于分布式控制系統。用戶在維護更換儀表器件時也更加靈活方便，為系統的穩定性及提高生產率提供了可靠保障。

控制層與監控層采用實時以太網通訊。PLC與上位機用戶操作軟件、PLC與觸摸屏人機交互界面均采用Ethernet/IP以太網通訊的方式，速度可達100 Mb/s，使用屏蔽雙絞線、RJ45接頭，通過交換機等標準的以太網組件互聯，實現信息共享。圖2為MOCVD設備控制系統構成。

圖2 MOCVD設備控制系統構成

3 設備自感知能力

MOCVD設備控制系統具備先進的、智能化的全方位自感知能力，能自動感知設備各器件的運行狀態，如反應腔蓋開/關到位狀態、伺服電機和泵的運行狀態；能自動感知當前配方的運行狀態，包括運行、暫停、停止；能自動感知所有的工藝參數，包括流量、壓力、溫度，并對其進行顯示和記錄；能自動感知設備的報警狀態，并通過三顏色指示燈及蜂鳴聲告知用戶當前是否產生報警。

MOCVD設備所配備的是由眾元半導體公司自主研發的智能化紅外在線測試儀表，可實時測量工作時石墨盤表面的溫度。測溫范圍為450 ℃～1 300 ℃，測量誤差<0.5 ℃@700 ℃，重復性誤差<1 ℃(t>500 ℃)。測溫響應速度快，可實現工藝溫度的實時監測。并且，該儀表能有效抑制由于薄膜干涉效應造成的測溫干擾，以及由于安裝位置及角度偏差而造成的測溫誤差。

該智能化在線測試儀表還集成有膜厚測量單元，可用來測量晶片反射率。數據采樣速率為30 kHz，測試誤差<0.5%；可同時測試多點反射率并自動進行比較，實時計算膜厚生長速率；并可顯示整爐晶片反射率Mapping值，用戶通過軟件即可實時察看盤面單點、多點的膜厚數據。

4 設備自適應能力

設備的自適應能力主要體現在以下幾個方面：

(1) PID溫度控制系統能實現熱電偶、紅外在線測試儀表自適應控溫。溫度控制系統將溫度設定值和實際值傳輸給PID控制模塊，控制模塊就可以針對設定值與實際值的偏差進行比例、積分、微分運算，并通過一定規律的線性組合來調節電源的輸出，最終達到精確控溫的目的。穩定控制精度可以達到±1 ℃。

(2) 反應腔體壓力自動抽充功能。當用戶給腔體壓力一個設定值后，真空泵前端的蝶閥會自動調節開度以控制真空泵抽氣量的大小，使腔壓逐漸達到用戶設定值。控制精度為設定值的0.25%，控制范圍為(0.000 1%～100%)FS。

(3) 石墨盤與噴淋間距自動調整功能。石墨盤為前述襯底的承載托盤，噴淋即利用反應氣體噴頭使反應氣體均勻噴射到襯底表面。用戶啟動此功能后，系統能根據反應腔壓力的變化自動調整石墨盤與噴淋間距，使其維持在用戶設定值，偏差在±0.02 mm以內。

(4) 反應源輸送管路(簡稱Run管路)流量恒定控制。通過Run管路流量恒定功能，根據用戶設定的進入腔體的三族源和五族源Run管路總流量以及當前進入腔體的氣體流量變化，系統可不斷調節相應管路流量控制器的設定值，來保持三族源和五族源Run管路的流量恒定。

(5) 反應源切換補償管路(簡稱Make up管路)自動補償控制。當反應氣體在Run管路和Vent管路(旁通排放管路，此管路氣體直接被真空泵抽走，不進入反應腔內)之間切換時，會造成反應腔壓力的波動。為維持反應腔壓力的穩定，必須使進入反應腔的氣體流量保持恒定，通過Make up管路不斷切入和切出載氣來實現此項自動補償控制功能。同樣，系統的Run和Vent管路壓差自動調節功能能維持Run管路和Vent管路之間的壓差在設計的±133 Pa以內。

(6) 手套箱壓力自動控制。手套箱是一個充滿高純惰性氣體的箱體，反應腔體置于其中，用于保證反應腔體打開時環境的潔凈。啟動該功能后，系統會在手套箱壓力過高時自動打開手套箱抽氣閥，降低手套箱壓力；在手套箱壓力過低時打開充氣閥，自動向手套箱充氣，以此維持手套箱壓力在合理范圍內。

5 設備自診斷能力

MOCVD設備控制系統內集成有安全互鎖程序，且該程序運行的優先級別高于其他程序模塊。安全互鎖程序可實時在線監視PLC的工作狀態以及所有閥門、傳感器信號及其他數字模擬器件的狀態。根據狀態判斷當前是否出現硬件故障或其他異常。其自診斷功能主要包括以下幾方面：

(1) PLC從站故障，包括診斷中斷、CPU硬件故障、擴展機架故障、模塊熱插拔中斷報警、時間錯誤報警、IO存儲故障、程序錯誤等。

(2) 傳感器探測報警，包括氫氣和氮氣主管路露點過高、主管路氣壓過低、氫氣濃度超限、排風系統故障、冷卻水水流量過低、冷卻水溫度過高、真空泵出口壓力過高等。

(3) 設備異常報警，包括加熱電源異常、真空泵異常、低壓開關電源異常、伺服電機異常、水浴槽異常報警等；通訊異常報警，包括PLC與上位機通訊異常、紅外測溫儀與PLC通訊異常、觸摸屏通訊異常、流量計/蝶閥等儀表通訊異常報警；外部觸發報警，包括緊急停止按鈕按下、工藝停止按鈕按下等。

(4) 工藝運行異常報警，例如加熱器三區功率不平衡、石墨盤轉速過快、反應腔溫度過高、熱電偶異常等。

當設備內部或外部報警被觸發時，根據報警級別不同，系統會通過在上位機彈出報警提示框、設備報警指示燈閃爍、蜂鳴聲報警來通知用戶。用戶可以在上位機的“警報”頁面中查看報警產生原因及處理方法。嚴重報警時，系統將自動做出安全處理，停止工藝，關閉危險氣體閥門，緩慢降溫，將整機恢復到待機吹掃模式。如果報警一直存在，設備會被鎖定為安全狀態，禁止工藝運行，直到解除報警為止。

6 設備數據自采集能力

MOCVD設備控制系統上位機服務器通過與PLC建立以太網通訊，每隔500 ms讀取PLC采集到的數字、模擬器件的值以及報警信息。設備能對接收到的數據進行分析處理，記錄各器件的屬性值，存入數據庫，將數據發送給客戶端，并自動對數據進行備份。

MOCVD設備控制系統上位機客戶端能提供完整的用戶操作界面，實時顯示當前各器件的值和狀態，也可以顯示模擬器件的曲線圖。用戶可查詢一周內設備所有器件以及報警歷史數據值及曲線圖。另外，在客戶端還提供統計分析功能，設備可根據壓力、流量、溫度和時間自動進行MO源消耗量統計。用戶可以在客戶端上選擇對數據庫進行自動和手動備份。

MOCVD設備歷史數據查詢軟件可以查詢設備使用以來所有時間數據以及操作記錄，并可導出這些數據，便于進行分析。MOCVD設備上位機軟件構架如圖3所示。

圖3 MOCVD設備上位機軟件構架

7 結束語

通過對MOCVD設備的互聯互通能力、自感知能力、自適應能力、自診斷能力、數據收集能力等五個方面的智能化水平進行研究，使其具備自感知、自診斷、自適應、自決策等功能。設備運行可靠、穩定，遇到異常時能及時記錄并自行調整，在長達8 h的工藝運行過程中基本可實現無人值守。