金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積設(shè)備智能化

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摘要：金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）設(shè)備深度嵌入信息技術(shù)，是高端芯片、新型傳感器、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、智能儀器儀表與控制系統(tǒng)、工業(yè)軟件、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信息安全技術(shù)等的集成應(yīng)用。通過對(duì)MOCVD裝備的互聯(lián)互通能力、自感知能力、自適應(yīng)能力、自診斷能力、數(shù)據(jù)收集能力等五個(gè)方面的智能化水平進(jìn)行研究，使其具備自感知、自診斷、自適應(yīng)、自決策等功能。

關(guān)鍵詞：MOCVD；自感知；自診斷；自適應(yīng)

引言

MOCVD（金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積）設(shè)備集精密機(jī)械、半導(dǎo)體材料、真空電子、流體力學(xué)、光學(xué)、化學(xué)、計(jì)算機(jī)多學(xué)科為一體，是一種自動(dòng)化程度高、技術(shù)集成度高、價(jià)格昂貴的高端光電子專用設(shè)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(jí)薄膜新材料以及光電子器件的關(guān)鍵設(shè)備。作為生產(chǎn)半導(dǎo)體光電器件和微波器件的關(guān)鍵核心設(shè)備，MOCVD設(shè)備具有廣闊的應(yīng)用前景和產(chǎn)業(yè)化價(jià)值。

1MOCVD設(shè)備的組成

MOCVD設(shè)備主要包括氣源輸運(yùn)與尾氣處理系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、反應(yīng)腔體和檢測(cè)及控制系統(tǒng)等幾個(gè)部分［2］，如圖1所示。氣源輸運(yùn)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)氣源的運(yùn)輸、精確混合和調(diào)控、快速切換以及廢氣的處理。加熱系統(tǒng)對(duì)反應(yīng)發(fā)生的襯底進(jìn)行加熱，提供反應(yīng)發(fā)生所需要的溫度，并滿足加熱均勻、升溫降溫速度快、溫度穩(wěn)定時(shí)間短等要求。反應(yīng)腔體為整個(gè)系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)，反應(yīng)氣體經(jīng)過輸運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)入腔體之后，在加熱的襯底表面分別發(fā)生氣相化學(xué)反應(yīng)和表面化學(xué)反應(yīng)，經(jīng)過擴(kuò)散、吸附、反應(yīng)和解吸附等幾個(gè)復(fù)雜的步驟之后在襯底上均勻地外延生長出同質(zhì)或異質(zhì)的晶體薄膜。檢測(cè)及控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)腔體內(nèi)的流場、溫度場、薄膜厚度和均勻性等參數(shù)，并對(duì)輸運(yùn)與加熱系統(tǒng)進(jìn)行控制。在材料制備過程中，這一系列復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)以及控制動(dòng)作、程序要按照預(yù)定目標(biāo)完成，要求其設(shè)備系統(tǒng)必須能實(shí)現(xiàn)智能化控制［3］。

2設(shè)備互聯(lián)互通能力

MOCVD設(shè)備控制系統(tǒng)采用分級(jí)分布式現(xiàn)場控制總線結(jié)構(gòu)，主要分為監(jiān)控層、控制層、儀器儀表層三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并可以根據(jù)客戶需求開放對(duì)外接口進(jìn)行設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。監(jiān)控層為安裝在計(jì)算機(jī)上的上位機(jī)軟件和觸摸屏用戶操作界面?？刂茖右訮LC作為控制核心，實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場儀器儀表設(shè)備的數(shù)據(jù)，上傳給監(jiān)控層上位機(jī)軟件和觸摸屏進(jìn)行顯示。PLC同時(shí)接收上位機(jī)軟件和觸摸屏上的用戶操作命令，對(duì)設(shè)備的閥門、氣缸、電機(jī)等幾百個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。控制層與儀表層采用工業(yè)現(xiàn)場總線通訊方式?？刂葡到y(tǒng)選用行業(yè)主流PLC與儀表層的流量控制器、壓力計(jì)、溫控器、伺服驅(qū)動(dòng)器、水浴槽等現(xiàn)場設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)字通訊，采用RS485、Profibus以及DeviceNet等現(xiàn)場總線的通訊方式。這些現(xiàn)場總線為開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，均可實(shí)現(xiàn)多站點(diǎn)雙向通訊，網(wǎng)絡(luò)利用率高、響應(yīng)快、簡單可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，適用于分布式控制系統(tǒng)。用戶在維護(hù)更換儀表器件時(shí)也更加靈活方便，為系統(tǒng)的穩(wěn)定性及提高生產(chǎn)率提供了可靠保障?？刂茖优c監(jiān)控層采用實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通訊。PLC與上位機(jī)用戶操作軟件、PLC與觸摸屏人機(jī)交互界面均采用Ethernet／IP以太網(wǎng)通訊的方式，速度可達(dá)100Mb／s，使用屏蔽雙絞線、RJ45接頭，通過交換機(jī)等標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)組件互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)信息共享。圖2為MOCVD設(shè)備控制系統(tǒng)構(gòu)成。

3設(shè)備自感知能力

MOCVD設(shè)備控制系統(tǒng)具備先進(jìn)的、智能化的全方位自感知能力，能自動(dòng)感知設(shè)備各器件的運(yùn)行狀態(tài)，如反應(yīng)腔蓋開／關(guān)到位狀態(tài)、伺服電機(jī)和泵的運(yùn)行狀態(tài)；能自動(dòng)感知當(dāng)前配方的運(yùn)行狀態(tài)，包括運(yùn)行、暫停、停止；能自動(dòng)感知所有的工藝參數(shù)，包括流量、壓力、溫度，并對(duì)其進(jìn)行顯示和記錄；能自動(dòng)感知設(shè)備的報(bào)警狀態(tài)，并通過三顏色指示燈及蜂鳴聲告知用戶當(dāng)前是否產(chǎn)生報(bào)警。MOCVD設(shè)備所配備的是由眾元半導(dǎo)體公司自主研發(fā)的智能化紅外在線測(cè)試儀表，可實(shí)時(shí)測(cè)量工作時(shí)石墨盤表面的溫度。測(cè)溫范圍為450℃～1300℃，測(cè)量誤差＜0．5℃＠700℃，重復(fù)性誤差＜1℃（t＞500℃）。測(cè)溫響應(yīng)速度快，可實(shí)現(xiàn)工藝溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。并且，該儀表能有效抑制由于薄膜干涉效應(yīng)造成的測(cè)溫干擾，以及由于安裝位置及角度偏差而造成的測(cè)溫誤差。該智能化在線測(cè)試儀表還集成有膜厚測(cè)量單元，可用來測(cè)量晶片反射率。數(shù)據(jù)采樣速率為30kHz，測(cè)試誤差＜0．5％；可同時(shí)測(cè)試多點(diǎn)反射率并自動(dòng)進(jìn)行比較，實(shí)時(shí)計(jì)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(shí)時(shí)察看盤面單點(diǎn)、多點(diǎn)的膜厚數(shù)據(jù)。

4設(shè)備自適應(yīng)能力

設(shè)備的自適應(yīng)能力主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）PID溫度控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)熱電偶、紅外在線測(cè)試儀表自適應(yīng)控溫。溫度控制系統(tǒng)將溫度設(shè)定值和實(shí)際值傳輸給PID控制模塊，控制模塊就可以針對(duì)設(shè)定值與實(shí)際值的偏差進(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)算，并通過一定規(guī)律的線性組合來調(diào)節(jié)電源的輸出，最終達(dá)到精確控溫的目的。穩(wěn)定控制精度可以達(dá)到±1℃。（2）反應(yīng)腔體壓力自動(dòng)抽充功能。當(dāng)用戶給腔體壓力一個(gè)設(shè)定值后，真空泵前端的蝶閥會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)開度以控制真空泵抽氣量的大小，使腔壓逐漸達(dá)到用戶設(shè)定值。控制精度為設(shè)定值的0．25％，控制范圍為（0．0001％～100％）FS。（3）石墨盤與噴淋間距自動(dòng)調(diào)整功能。石墨盤為前述襯底的承載托盤，噴淋即利用反應(yīng)氣體噴頭使反應(yīng)氣體均勻噴射到襯底表面。用戶啟動(dòng)此功能后，系統(tǒng)能根據(jù)反應(yīng)腔壓力的變化自動(dòng)調(diào)整石墨盤與噴淋間距，使其維持在用戶設(shè)定值，偏差在±0．02mm以內(nèi)。（4）反應(yīng)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(jù)用戶設(shè)定的進(jìn)入腔體的三族源和五族源Run管路總流量以及當(dāng)前進(jìn)入腔體的氣體流量變化，系統(tǒng)可不斷調(diào)節(jié)相應(yīng)管路流量控制器的設(shè)定值，來保持三族源和五族源Run管路的流量恒定。（5）反應(yīng)源切換補(bǔ)償管路（簡稱Makeup管路）自動(dòng)補(bǔ)償控制。當(dāng)反應(yīng)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(jìn)入反應(yīng)腔內(nèi)）之間切換時(shí)，會(huì)造成反應(yīng)腔壓力的波動(dòng)。為維持反應(yīng)腔壓力的穩(wěn)定，必須使進(jìn)入反應(yīng)腔的氣體流量保持恒定，通過Makeup管路不斷切入和切出載氣來實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)自動(dòng)補(bǔ)償控制功能。同樣，系統(tǒng)的Run和Vent管路壓差自動(dòng)調(diào)節(jié)功能能維持Run管路和Vent管路之間的壓差在設(shè)計(jì)的±133Pa以內(nèi)。（6）手套箱壓力自動(dòng)控制。手套箱是一個(gè)充滿高純惰性氣體的箱體，反應(yīng)腔體置于其中，用于保證反應(yīng)腔體打開時(shí)環(huán)境的潔凈。啟動(dòng)該功能后，系統(tǒng)會(huì)在手套箱壓力過高時(shí)自動(dòng)打開手套箱抽氣閥，降低手套箱壓力；在手套箱壓力過低時(shí)打開充氣閥，自動(dòng)向手套箱充氣，以此維持手套箱壓力在合理范圍內(nèi)。

5設(shè)備自診斷能力

MOCVD設(shè)備控制系統(tǒng)內(nèi)集成有安全互鎖程序，且該程序運(yùn)行的優(yōu)先級(jí)別高于其他程序模塊。安全互鎖程序可實(shí)時(shí)在線監(jiān)視PLC的工作狀態(tài)以及所有閥門、傳感器信號(hào)及其他數(shù)字模擬器件的狀態(tài)。根據(jù)狀態(tài)判斷當(dāng)前是否出現(xiàn)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(kuò)展機(jī)架故障、模塊熱插拔中斷報(bào)警、時(shí)間錯(cuò)誤報(bào)警、IO存儲(chǔ)故障、程序錯(cuò)誤等。（2）傳感器探測(cè)報(bào)警，包括氫氣和氮?dú)庵鞴苈仿饵c(diǎn)過高、主管路氣壓過低、氫氣濃度超限、排風(fēng)系統(tǒng)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(shè)備異常報(bào)警，包括加熱電源異常、真空泵異常、低壓開關(guān)電源異常、伺服電機(jī)異常、水浴槽異常報(bào)警等；通訊異常報(bào)警，包括PLC與上位機(jī)通訊異常、紅外測(cè)溫儀與PLC通訊異常、觸摸屏通訊異常、流量計(jì)／蝶閥等儀表通訊異常報(bào)警；外部觸發(fā)報(bào)警，包括緊急停止按鈕按下、工藝停止按鈕按下等。（4）工藝運(yùn)行異常報(bào)警，例如加熱器三區(qū)功率不平衡、石墨盤轉(zhuǎn)速過快、反應(yīng)腔溫度過高、熱電偶異常等。當(dāng)設(shè)備內(nèi)部或外部報(bào)警被觸發(fā)時(shí)，根據(jù)報(bào)警級(jí)別不同，系統(tǒng)會(huì)通過在上位機(jī)彈出報(bào)警提示框、設(shè)備報(bào)警指示燈閃爍、蜂鳴聲報(bào)警來通知用戶。用戶可以在上位機(jī)的“警報(bào)”頁面中查看報(bào)警產(chǎn)生原因及處理方法。嚴(yán)重報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)做出安全處理，停止工藝，關(guān)閉危險(xiǎn)氣體閥門，緩慢降溫，將整機(jī)恢復(fù)到待機(jī)吹掃模式。如果報(bào)警一直存在，設(shè)備會(huì)被鎖定為安全狀態(tài)，禁止工藝運(yùn)行，直到解除報(bào)警為止。

6設(shè)備數(shù)據(jù)自采集能力

MOCVD設(shè)備控制系統(tǒng)上位機(jī)服務(wù)器通過與PLC建立以太網(wǎng)通訊，每隔500ms讀取PLC采集到的數(shù)字、模擬器件的值以及報(bào)警信息。設(shè)備能對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，記錄各器件的屬性值，存入數(shù)據(jù)庫，將數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶端，并自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行備份。MOCVD設(shè)備控制系統(tǒng)上位機(jī)客戶端能提供完整的用戶操作界面，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前各器件的值和狀態(tài)，也可以顯示模擬器件的曲線圖。用戶可查詢一周內(nèi)設(shè)備所有器件以及報(bào)警歷史數(shù)據(jù)值及曲線圖。另外，在客戶端還提供統(tǒng)計(jì)分析功能，設(shè)備可根據(jù)壓力、流量、溫度和時(shí)間自動(dòng)進(jìn)行MO源消耗量統(tǒng)計(jì)。用戶可以在客戶端上選擇對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行自動(dòng)和手動(dòng)備份。MOCVD設(shè)備歷史數(shù)據(jù)查詢軟件可以查詢?cè)O(shè)備使用以來所有時(shí)間數(shù)據(jù)以及操作記錄，并可導(dǎo)出這些數(shù)據(jù)，便于進(jìn)行分析。MOCVD設(shè)備上位機(jī)軟件構(gòu)架如圖3所示。

7結(jié)束語

通過對(duì)MOCVD設(shè)備的互聯(lián)互通能力、自感知能力、自適應(yīng)能力、自診斷能力、數(shù)據(jù)收集能力等五個(gè)方面的智能化水平進(jìn)行研究，使其具備自感知、自診斷、自適應(yīng)、自決策等功能。設(shè)備運(yùn)行可靠、穩(wěn)定，遇到異常時(shí)能及時(shí)記錄并自行調(diào)整，在長達(dá)8h的工藝運(yùn)行過程中基本可實(shí)現(xiàn)無人值守。

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作者：王亮 向曉靜 單位：季華科技有限公司