DJL-600型碳化硅单晶炉运行维护与故障排除

2016-06-05新疆天科合达蓝光半导体有限公司石河子市832000杜广平

石河子科技 2016年2期

关键词：籽晶碳化硅坩埚

（新疆天科合达蓝光半导体有限公司，石河子市，832000）杜广平

（新疆天科合达蓝光半导体有限公司，石河子市，832000）杜广平

介绍了DJL-600型碳化硅单晶炉的基本结构和电气控制系统的工作原理，结合实际工作经验和设备的结构特点阐述了DJL一600型单晶炉的维护和常见故障排除方法。

碳化硅单晶炉,运行维护，故障

SiC（碳化硅）单晶体作为一种新型的半导体材料,SiC以其优良的物理化学特性和电特性成为制造高温器件、大功率／高频电子器件最重要的半导体材料。在高频大功率和高电压器件领域内发挥着重要作用。特别是在极端条件和恶劣条件下应用时，SiC器件的特性远远超过了Si器件和GaAs器件。因此,SiC器件和其各类传感器已步成为关键器件之一，发挥着越来越重要的作用.

SiC单晶体的生长条件苛刻

需在2 100℃以上保持高真空6～7天，因此对单晶炉系统的稳定性有很高要求。目前国内市场上在运行的DJL-600型SiC(碳化硅)单晶炉已超过200台，为了更好地发挥利用设备的能力，保证设备正常运行，必须了解设备的性能，做好日常维护保养工作，使设备始终处于良好的工作状态，更好地满足生产的需要。

1 单晶炉系统技术指标

本系统真空室及主要零部件材质均为1Gr18Ni9Ti

极限真空度：6.6x10-5Pa/6.6x10-3Pa（冷态）

工作真空度:10～10 000Pa（精度±5%）

系统暴露大气后开始抽气，30分钟内真空度＜2Pa，60分钟内真空度＜2x10-3Pa

停泵关机12小时后，残余气体压力≤10Pa

籽晶杆、坩埚杆拉送系统可移动范围分别为：390mm、560mm

拉送系统移动速率分快慢两档，慢速档速率范围0.06～6mm/h，快速档最高速率不小于50mm/min

中频加热功率：40KW

2 单晶炉系统基本结构

单晶炉系统由炉膛、真空获得及测量系统、IGBT中频感应加热系统、籽晶/坩埚杆拉伸控制系统、保护控制及报警系统等组成。

2.1 真空获得及测量控制系统

真空获得及测量控制系统由单室立式双层水冷不锈钢结构的炉体、变频器、真空计、真空泵、智能控压仪表、真空控制器和密封设备等构成。真空计采集炉腔内的真空度，真空控制器根据真空度变化调节变频器频率，进而改变真空泵的运行频率，以保证炉腔内的真空度稳定。

2.2 中频感应加热系统

中频感应加热系统由IGBT中频加热源、电流／电压传感器、PID智能调节温控仪表等构成。由欧陆3504表温控仪表采集电流传感器的模拟量信号（此值与炉内温度成线性关系），根据电流值和设定值进行PID调节，输出给IGBT来调节中频电源的电压，进而保证炉内温度的稳定。欧陆3504表参与控制，在表上设置好控制曲线，启动中频电源后，再启动温度控制程序，使加热功率跟随设定值运行。

2.3 籽晶/坩埚杆拉伸控制系统

籽晶/坩埚杆拉伸控制系统由台达伺服驱动器及伺服电机、步进驱动器及步进电机、谐波减速装置、（OMRON）欧姆龙PLC主站、丝杠、导轨、编码器和触摸屏等构成，闭环调节籽晶杆和坩埚杆的运动，根据生产工艺的需要调整设置运动参数。

在SiC结晶过程中，除了满足温度和真空度的条件外，另外还要保证籽晶和坩埚之间有相对的旋转和拉伸运动，而且要匀速运动。否则晶体质地满足不了要求。为了实现上面的运动过程选用了2个台达伺服电机两个步进电机驱动丝杠带动坩埚杆和籽晶杆的上下移动。选用（OMRON）欧姆龙CP1H一体化型PLC，该型号PLC可从CPU单元内置输出点发出固定占空比脉冲信号，脉冲输入到伺服电动机驱动器来达到定位／速度控制。主站PLC用来控制籽晶杆的伺服电机、步进电机和坩埚杆的伺服电机、步进电机，再经过籽晶杆的谐波减速装置和坩埚杆的谐波减速装置获得需要的转速。人机界面选用昆仑通态触摸屏，进行参数设定和显示，通过RS一232通讯接口与PLC从站连接。

2.4 保护控制及报警系统

保护及报警系统是由（OMRON）欧姆龙PLC从站、电磁流量计、智能水流表、超程限位开关、智能水温表以及各种电磁阀构成，为保证设备安全运行，减少操作人员的工作负担，设备具有炉温超温保护、耔晶杆上下限位、炉膛气压超压保护、断水保护、水温异常报警系统。

2.4.1 炉温超温保护

系统为了保护加热线圈，设置有超温保护功能，在控温仪里设定最高温度点，一旦炉温超过此温度，加热功率就不再上升，同时系统就进行声光报警。这时要及时检查报警原因，如有故障要及时排除，如果给定太大，只要将加热功率降低，使炉温低于报警点，报警即可解除。

2.4.2 籽晶/坩埚杆上下超程报警保护功能

设备在籽晶/坩埚杆上、下极限位置装有限位开关，一旦超程就会自动切断驱动器电源并报警，保护籽晶/坩埚杆不受损伤。

2.4.3 炉膛气压超压保护

如果炉膛发生漏水/恒压控制系统失灵的情况，导致炉膛内部压力突然升高超过设定数值，系统就进行声光报警，以保护设备和人身安全。

2.4.4 断水、水温异常报警系统

当冷却循环供水系统出现故障的时候，系统回立刻切断中频加热电源停止加热，以保护设备安全，当冷却循环水恢复供水警报自动消除；水温异常报警设定在58℃，如果假如加热线圈出水温度超过58℃，报警系统就进行声光报警，提醒工作人员处理。

3 运行维护与保养

单晶炉在使用时，由于炉内温度高、工作时间长、投人成本高等因素，必须要求各个部分工作稳可靠。因此，对设备合理的使用与维护保养就显得十分重要。

首先，对于籽晶/坩埚传动部分要定期清洗润滑导柱、直线轴承、丝杠、丝母等运动部分，籽晶/坩埚的谐波减速器，每月打开清洗润滑一次，坩埚轴旋转轴承处每6个月润滑1次。所有动密封的位置要定期涂真空硅脂，以保证良好的密封性和运动的灵活性。

单晶炉的电极和加热线圈部位，运行一段时间后，要进行清理，如果出现碳粉堆积的情况,就会产生中频掉电放电的现象,所以不允许出现电极与绝缘环之间的碳粉堆积情况。每次单晶炉运行结束，将炉内清理干净，然后抽好真空，使炉内尽量少暴露在大气中。

在每炉装炉前，要检查各水路是否畅通，特别是坩埚轴、电极、炉底、炉盖、电极等部位的水冷情况。由于单晶炉长时间工作在高温状态下，水冷夹层内的结垢、沉淀、腐蚀等对真空炉室的工作稳定性影响极大。因此，单晶炉对冷却水的各项要求很高，如果经过检验水质没有达到要求，则必须更换冷却水，防止炉体发生腐蚀。具体循环冷却水控制指标。（详见表1）