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    1 引言

    作為一種新型的半導體材料，SiC以其優良的物理化學特性和電特性成為制造短波長光電子器件、高溫器件、抗輻照器件和大功率/高額電子器件最重要的半導體材料。特別是在極端條件和惡劣條件下應用時，SiC器件的特性遠遠超過了Si器件和GaAs器件。因此，SiC器件和其各類傳感器已逐步成為關鍵器件之一，發揮著越來越重要的作用。

    從20世紀80年代起，特別是1989年第一種SiC襯底圓片進入市場以來，SiC器件和電路獲得了快速的發展。在某些領域，如發光二極管、高頻大功率和高電壓器件等，SiC器件已經得到較廣泛的商業應用，發展迅速。經過十幾年的發展，目前SiC器件工藝已經可以制造商用器件。以Cree為代表的一批公司已經開始提供SiC器件的商業產品。

    國內的研究所和高校在SiC材料生長和器件制造工藝方面也取得了可喜的成果。目前SiC因片的體生長和外延生長技術已經可以得到應用于商業生產的SiC圓片，市場上可以獲得3英寸的SiC圓片，4英寸的圓片生產技術也不斷研制成熟。中科院物理研究所從2000年以來投入大量人力和物力進行了SiC晶體關鍵生長技術的研發，憑借其多年在晶體生長的經驗和實力雄厚的科研力量，目前物理所已躋身于全球幾個有能力生長2英寸SiC半導體晶體的單位之一，同時已設計并制造出具有自主知識產權的SiC晶體生長爐，為規模化生產奠定了基礎，并具有明顯的價格優勢。目前本研究組響應把科學技術轉化為生產力的號召，集多方資源建立了從事SiC單晶材料生長爐規?；a業務的公司。

    2 生長爐的組成

    SiC晶體的生長條件苛刻，需在2100℃以上保持高真空一周以上，且對籽晶質量、固定方式等也有很高要求。物理所利用長期研究工作中積累的單晶生長經驗，結合自行設計的獨特的坩堝和溫場，設計并制造出具有自主知識產權的SiC晶體生長爐。除爐體以外，生長爐具有大量控制設備來確保晶體生長苛刻的環境要求，這樣控制設備大體上可以分為真空設備、加溫設備和運動設備。

    真空設備包括變頻器、真空計、真空泵、智能控制儀表、真空控制器和密封設備等，真空計采集爐腔內的真空度，真空控制器根據真空度變化調節變頻器頻率，進而改變真空泵的運行頻率，以保證爐腔內的真空度穩定；加溫設備包括中頻加熱爐、中頻電源、電流/電壓傳感器、可控硅和PID智能調節溫控儀表等，溫控儀表采集電流傳感器的模擬量信號（此值與爐內溫度成線性關系），根據電流值和設定值進行PID調節，輸出給可控硅來調節中頻電源的電壓，進而保證爐內溫度的穩定；運動設備包括步進電機、G3 PLC、絲杠、導軌、編碼器、限位開關和觸摸屏等，閉環調節籽晶桿和坩堝桿的運動，調節坩堝自轉，各種參數可以設置。生長爐外型結構見下圖：

        

                               圖-1 生長爐外型結構圖

    3 運動控制系統組成

    在SiC結晶過程中，除了滿足溫度和真空度的條件外，另外還要保證籽晶和坩堝之間有相對的旋轉和拉伸運動，而且要勻速運動，否則晶體質地滿足不了要求。晶體生長過程見圖-2，籽晶桿與坩堝桿反向運動，同時坩堝桿旋轉。

           

                                   圖-2 晶體生長過程圖

    為了實現上面的運動過程，本爐中選用了三個步進電機，兩個步進電機驅動絲杠帶動坩堝桿和籽晶桿的上下移動，另一個電機帶動坩堝自轉，再選兩個編碼器反饋坩堝桿和籽晶桿的位置；選用兩個LM3106ACPU模塊，一個用來控制坩堝桿和籽晶桿的步進電機，另一個控制坩堝自轉的電機；在坩堝桿和籽晶桿的步進電機和絲杠之間選用兩個兩極減速器，一級為80：1，二級為100：1，當快速調節坩堝桿和籽晶桿平移位置時只使用一級減速，當慢速調節或者拉晶過程中兩級都使用，那減速比為8000：1，坩堝自轉選用12：1的一級減速器；選用Hetech的觸摸屏，進行參數設定和顯示，通過RS485口以ModBus協議連接兩個PLC從站。運動系統的結構圖見圖-3。

     

                                     圖-3系統結構圖

    4 工藝過程描述

    系統采用觸摸屏與兩臺PLC通訊，控制三臺步進電機，其中兩臺步進電機為平移，一臺為旋轉。平移兩軸需要使用編碼器反饋作全部閉環控制和顯示。

    觸摸屏需要連接兩臺PLC，只能占用一個COM口，因此必須采用RS485的方式連接。

    坩堝桿和籽晶桿步進電機參數設為2000Pulse/r，絲杠導程為5mm，減速比為慢速 1：8000 ，快速 1：80（快慢檔通過離合器切換），因此速度范圍慢速為0.002~0.50mm/hour，快速為1~60mm/min。編碼器解析度為100ppr，也就是100個脈沖對應5毫米。

    坩堝桿平移可分別設定快/慢檔速度，當前檔位通過外接按鈕切換，觸摸屏畫面上進行當前狀態的顯示，當前位置顯示當前的坐標值，當點擊設為原點按鈕時，當前位置清零。用戶可設定目標位置，點擊啟動按鈕，程序會將當前位置自動保存到起點位置上，并且運行電機直到到達目標位置。上下點動按鈕可快速點動坩堝上下平移。 坩堝桿運行過程中，切換快慢檔位無效，且運行期間不可更改任何速度/位置等相關設定，變動無效。籽晶桿平移過程與坩堝桿平移過程相同。

    坩堝自轉步進電機為2000Pulse/r，減速比為1：12，速度范圍為0~30rpm?？赏ㄟ^按鈕選擇旋轉方向（順時針/逆時針），可通過按鈕選擇啟動/停止。

    5 結論

    本案例利用LM系列 PLC為核心完成了碳化硅晶體的生長爐運動控制功能，電機轉速穩定，定位準確，充分體現了G3 PLC高速輸出和高速計數的功能。
與中科院物理所合作完成這具有國際科技先進水平的項目，說明了我們團隊具有配合研究院所完成科研項目的能力，體現了團隊的綜合素質。

    6 提高

    本案例介紹的晶體生長爐為中科院物理所碳化硅晶體規?；a的第一批設備，主要目的是為了完成生長爐的功能，實現晶體生長的工藝。而降低成本和控制方式的改進是下一步的工作，對此我給出以下幾點建議：

    1、 要實現規模化生產，那么應該實行集中監控。把現在單機系統連接起來有多種方式，無論是采用ProfiBus DP現場總線的方式，還是采用工業以太網的方式，LM系列 PLC都提供了相應的通訊模塊，監控中心選用組態軟件實現工藝工程監控、報警顯示、歷史數據的存儲與檢索等功能。

    2、 本案例中溫度PID調節是通過溫控儀表來實現的，為了降低成本，提高系統的集成度，應該將電流傳感器的信號通過PLC模擬量模塊采集，然后在PLC中進行PID調節，通過模擬量輸出控制可控硅，完成晶體生長爐的溫度控制。

    3、 本案例中的真空度的控制是通過真空控制器實現的，同樣為了降低成本和提高系統集成度，應該采用PLC來完成，通過采集真空計的模擬信號測得爐腔內的真空度，根據要求調節變頻器的頻率使其改變真空泵的轉速，來調節爐腔中真空度。完成2和3的功能只需添加一個模擬量輸入模塊LM3310和一個模擬量輸出模塊LM3320就可以實現了。

    4、 本案例中觸摸屏具有兩個COM口，采用RS485的方式連接兩組PLC只能占用一個COM口，因此，另一個COM口可以連接其它的儀表設備，然后在屏中通過宏指令將采集的數據傳到PLC中，PLC再通過網絡將數據傳到監控中心，實現數據的上傳與集中顯示。