基于工业以太网的MOCVD反应腔压力控制

常依斌

(上海蓝宝光电材料有限公司，上海201616)

MOCVD(金属有机物化学气相沉积)是20世纪60年代末期发展起来的利用金属有机化合物进行金属输运的一种化合物半导体气相外延技术。它的技术优点在于：可以制成多种类型的薄膜材料;可精确控制膜的厚度、组成及掺杂浓度;可制成大面积、高均匀性的外延膜等。因此,成为当前世界各国都在大力发展的一种高新材料制备技术。目前,MOCVD技术不仅成为制备化合物半导体异质结、超晶结、量子阱等低维结构的主要手段，而且还是生产化合物半导体光电子、微电子器件的重要方法。用MOCVD生产半导体激光器、发光管、太阳能电池盒高频、高速电子器件等都已经形成产业，并且仍在继续发展之中。还需指出的是，今天它不仅应用于半导体领域，还扩展到金属、绝缘介质等多种材料体系，成为现代外延技术的重要组成部分。

1 压力控制需求及系统组成

在MOCVD技术生长过程中，反应腔压力是重要参数之一，它的压力高低直接影响生长质量。压力不同会影响气体粒子的迁移距离，在其它条件相同的前提下，压力增减会使停滞层厚度发生变化，影响生长速率以及外延层的平整性；而压力的变化有可能会使湍流的产生加剧，破坏生长所需的层流状态。

图1所示为典型的GaN生长过程压力变化过程。从图中可以看出生长过程中，对压力控制的要求非常高，主要体现在以下几个方面：一是控制过程复杂，压力变化较多，压力变化范围为1×104～5×104Pa；二是压力变化形式多样，控制的种类有立即响应和固定斜率两种形式；三是精度和稳定性要求较高，这两个指标会直接影响GaN的均匀性和生长速率，另外压力的波动还会对反应气体的层流带来影响。

图1 常规GaN生长过程的压力过程

常见的MOCVD反应腔压力控制系统包括反应腔本身、压力传感器、蝶阀和真空泵，见图2。将来自压力传感器的信号送入控制电路以调整下游蝶阀的张开角度来控制泵的抽气速率，达到恒定压力的目的。真空泵的抽气速率要与反应腔的最大流量相匹配。图中所示的过滤器和工厂尾气处理用来对反应后的尾气进行一次和二次处理，保证不对环境产生污染。

图2 压力控制系统组成图

2 工业以太网压力控制系统组成

图3为实际应用的组成框图，操控PC、温度控制系统、压力控制系统、水路控制系统和交换机组成MOCVD的上层管理系统，所有子系统的连接是通过工业以太网ProfiNet实现的。Profinet是一个整体的解决方案，它使用TCP/IP和IT标准，符合基于工业以太网的实时自动化体系。它是Profibus国际组织创新的自动化标准，用于实现基于工业以太网的集成、一致的自动化解决方案，它的一个关键特点是从现有的现场总线解决方案 (例如：Profibus-DP)到基于以太网的ProfiNet的无缝转换。

ProfiNet满足所有自动化的需求，它吸纳了多年积累的Profibus和工业以太网的技术精髓，现在ProfiNet已成为IEC 61158的组成部分 (IEC 61158第l0部分)。

图3 工业以太网压力控制系统组成

通过ProfiNet发送目标压力信息到压力控制PLC，由PLC根据压力控制信息统一转化为目标压力值，发送给T3BI。T3BI内部集成的压力控制器通过比较目标压力和压力传感器测量的实际压力，将压力差值转换为蝶阀的开度，从而实现反应腔内压力调整，最终使实际压力和目标压力相等。

MKS公司的蝶阀T3BI有以下特点：

(1)紧凑的压力控制系统阀，集成板载控制器；

(2)快速响应：全开到全关时间小于200ms；

(3)大力矩输出；

(4)双通道自动量程切换压力计输入。

MKS公司的压力传感器626B主要技术指标为：

(1)满量程压力/真空范围低到13.33 Pa，真空的精度测量为0.133 pa；

(2)腔体压力直接测量，不受气体种类、混合等查表和转换的因素；

(3)长期输出稳定性保证了反应过程的可重复性；

(4)高过压限制保证了偶然发生系统错误的可靠性。

3 调试及使用

在调试或实用过程中将T3BI通过RS232接口接入PC，用其自带软件获得响应曲线，如图4所示。

图4 压力控制曲线图

从图中可以看出，压力控制具有极快的响应速度，一次超调后即进入稳定范围，完全能够满足MOCVD反应腔压力控制的要求。

4 结束语

MOCVD设备集成了化学、物理、电气、机械等多学科，监控参数很多包括流量、压力、差压、温度、转速、湿度等等，通常采用“上位机+PLC”的方式，将现场数据采集与I/O控制的任务交给PLC完成，上位机负责工艺配方编辑、实时和历史数据处理等功能。采用工业以太网ProfiNet将温度、压力、水路、操控PC组成网络，可以减少硬件连接的复杂程度，保证数据传输的可靠性。

随着未来MOCVD工厂的集中化程度提高，甚至可以通过交换机将多台MOCVD设备组成工业以太网络，从而实现集中操控。

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