基于ASM E2000 外延炉温控系统的电压校准研究

徐卫东，任凯，何晶，肖健，冯萍

（1.南京国盛电子有限公司，南京 211111；2.南京洛普股份有限公司，南京 210032）

0 引言

ASM 公司Epsilon 2000 型单片外延炉（简称ASM E2000）[1]采用灯管加热的方式，相比于高频炉感应线圈加热[2]的方式，温度波动更小且温度控制更加精准，因此ASM 机台产品的厚度均匀性和电阻率均匀性都较好。使用灯管加热方式的机台能精准控制温度的前提是机台硬件系统的各项电压都经过正确、精细的校准。ASM E2000 硬件系统主要分为两个部分，一是基于热电偶（TC）测温的温控系统，二是基于可控硅（SCR）控制的电压输出系统。

随着全球集成电路的快速发展，虽然国外在硅外延设备的研发和生产方面处于领先地位，但对于设备本身性能的研究还比较少，一些国内学者研究了温度对产品性能的影响，但针对设备端是如何影响温度变化的研究也较少[3-4]。本文论述了ASM E2000 温控系统的基准电压校准、温度测量校准和SCR 校准的研究，相对于说明书上的校准方法，本研究可以更精确地控制设备温度以及设备之间的一致性，有助于提升温度校准的标准化水平。

1 TC 测温系统

外延炉的温度是一个很重要的参数，对其进行有效、精准的测量和控制才能使温度保持在预先设定的范围内[5]。ASM E2000 外延炉的温控系统电压主要分为两个部分：一是TC 测温系统使用的低压电压，二是SCR 电源系统使用的高压电压。图1 为TC 测温系统示意图，系统主要分为温度主控板、中心温度控制板（Center TC）、前温度控制板（Front TC）、侧温度控制板（Side TC）、后温度控制板（Rear TC）、SCR 信号输出板（10 个SCR）以及灯管通断检测板（10 个Lamp）。其中温度主控板为连接其他所有电路板的底板，并负责与设备的通信。4 个温度控制板分别对应4 根TC 所在的4 个区域，负责把TC 电信号转换为温度数据，同时把设置的温度转换为电信号。SCR 信号输出板依据主控板反馈的TC 测量温度和设置温度的差异，给10 组SCR 输入0～5 V 的信号电压。灯管检测板主要负责检测加热灯管的好坏，当检测到异常灯管电流时，及时发出报警。这套通过TC 监测温度的灯管红外加热系统高效、节能且控制精度高[6-8]，同时对电压信号的精度要求也比较高。

图1 TC 测温系统示意图

2 温度控制板电压校准

温度控制板连接在温度主控板上，该主控板上有13 组基准电压需要优先检查确认，温度主控板电压标准如表1 所示。

表1 温度主控板电压标准

4 块温度控制板上的基准电压需要校准基准0 V和基准5 V，温控板基准电压标准如表2 所示，由于信号远距离传输有损耗，所以5 V 的中心值设置为5.15 V，末端电压才比较符合要求。

表2 温控板基准电压标准

温控板的基准电压对照表2 正确校准之后，就需要使用4～20 mA 的发生器来模拟温度信号，测试温控板的TC 信号运算是否正确。TC 测得的温度信号首先是在热电偶两端形成一个毫伏电压差，由于电压信号传输会有损耗，所以通过TC 转换器把该毫伏电压转换为4～20 mA，代表0～1 600 ℃，用电流发生器输出标准的毫安电流，观察温控板显示的温度是否正确，如果发现温控板显示的温度和毫安表模拟的温度不一致，就需要对温度板的模数转换进行校准。温控板的厂家在设计之初提供了IN1 校准程序，电流和温度呈线性关系，只需要输入标准的4 mA 电流校准0 ℃，再输入标准的20 mA 电流校准1 600 ℃，再次对比温控板显示温度和毫安表模拟的温度，结果一致就可以确定温控板的信号处理正常，不一致温控板就可能需要维修或替换。在温控板正常的情况下，验证TC 测量值和机台实际值是否一致，会使用离子注入片来检测机台实际温度，对比机台实际温度和TC 测得温度的一致性，若不一致可以通过机台温度OFFSET 参数来修正机台的实际温度。

校准TC 测温结果就是校准信号电压的转换比例，也就是修正了温控板的模数转换程序，可以代表测量结果已经校准。但对于机台设置的温度，如何被温控板正确识别，还需要再检查温控板上的IN4 程序。机台设置的温度为数字信号，通过RS485 串口下达到中心温控板。中心温控板在厂家设计之初提供了一个名为IN4 的数模校准程序，校准的时候在中心温控板上分别设置0 ℃和1 600 ℃两个温度值，观察前、侧、后温控板显示温度是否一致。如不一致，则可以通过IN4 程序来校准温控板对机台设置温度的识别。数模校准的温度在第一遍校准流程后还不一致，可以再走一遍校准流程，直到显示的温度一致。假如一直出现校准不一致的情况，则需要维修或更换温度显示不一致的温控板。

3 SCR 电压校准

可控硅又被称作晶闸管，是广泛应用于电气控制房内的核心部件，与普通电磁式继电器相比，用SCR来通断电热丝电源具有开关速度快、所需控制电流小、电压低易于与计算机控制输出对接等优点[9-11]。ASM E2000 机台在TC 测温系统都校准正常后，下一步需要校准SCR 的控制电压信号，图2 为SCR 控制系统示意图。10 组主控板上的0～5 V 信号电压作为SCR 的控制电压，10 组480 V 高压作为SCR 的输入电压，经过10 组SCR 的控制后，高压输出到10 组加热灯管的两端。

图2 SCR 控制系统示意图

校准10 组SCR 的0～5 V 信号控制电压，首先需要把温控板调整为维护模式，然后把温控板的输出功率设置为0，测量调整SCR 信号电压端实际电压，误差在±0.001 V；把温控板的输出功率设置为100%，结合设备10 组灯管的输出比例，乘以5 V，满功率输出时SCR 端信号电压如表3 所示，测量调整该电压，误差在±0.001 V，需要优先调整0 V，再调整满功率下5 V 对应的理论电压。

表3 满功率输出时SCR 端信号电压

在SCR 正常运行时，根据机台温度检测结果，随时自动调整输入电压来控制灯管的加热电压，进而自动调整温度。为确保自动调整温度的精准，就需要校准10 组SCR 的控制电压和输出电压的比例，用高精度直流电压发生器输出标准的0.300 V、2.500 V、4.700 V 3 个档位的电压，SCR 输出理论电压分别为50 V、380 V、480 V，其中4.700 V 对应的480 V 不做校准要求，4.700 V 时只用来观察进电的最高电压。但在校准0.300 V 和2.500 V 的过程中，机台负载的变化和进网电压的波动会影响SCR 校准的输出比例，不同负载对SCR 输出的影响如表4 所示，同样的0.300 V 和2.500 V 下，不同机台不加热状态下的SCR 输出电压普遍比加热到900 ℃的时候高，所以校准SCR 时为了保证机台间的统一，可以设置机台加热到10 ℃，也就是机台通电，但是实际负载很低，这样可以减少负载变化对SCR 校准比例的影响。

表4 不同负载对SCR 输出的影响

观察进网电压的波动情况，图3 为进网电压波动图，一天中有好几个波峰波谷，在校准SCR 的时候，同样的控制电压、同样比例的可调电阻下，进网电压越大，输出电压越大，所以校准SCR 时需依据此时进网电压大小同步调整输出电压的大小，不能一味地依据理论电压比例来校准。

图3 进网电压波动

测量多组不同的进电电压与相对应的SCR 输出电压，研究进电实际电压与理论进电480 V 的差值及相对应的SCR 输出电压差值的关系。图4 为进电电压与SCR 输出电压差值图，图4（a）是在0.300 V 控制电压下2 台设备6 个不同时间段的测量结果，图4（b）是在2.500 V 控制电压下2 台设备6 个不同时间段的测量结果。

图4 进电电压与SCR 输出电压差值

依据收集的数据分析，测得进电平均电压差值为11.9 V，SCR 输出电压平均差值为12 V；2.500 V 时电压平均差值为14 V，SCR 输出电压平均差值为28 V。可以得出，0.300 V 时，进电电压差值和SCR 输出电压差值的比例取整是1∶1；2.500 V 时，进电电压差值和SCR 输出电压差值的比例取整是1∶2。

因此在校准SCR 输出电压的时候，应优先测量进电实际电压与理论电压480 V 的差值U1，校准0.300 V时，实际输出电压应在理论输出电压50 V 的基础上加减U1；校准2.500 V 时，实际输出电压应在理论输出电压380 V 的基础上加减2 倍的U1。

4 结论

在ASM E2000 机台上进行了温度控制系统的分析研究，结果表明，要更精准地控制机台温度，就需要对温度控制系统两大模块上的各项电压进行精准调整。对TC 测温结果的准确性校准，需要校准0 V 和5 V 基准电压，其精度应在±0.01 V，再用输出4～20 mA的温度模拟表对温控板的模数程序IN1 进行校准，对机台设定温度的识别采用温控板内置数模程序IN4来校准。对SCR 需要校准控制电压，其精度应在±0.001 V，还需校准输出电压，其精度在±1 V，且校准SCR 时应注意机台负载和进电电压对校准结果的影响，应依据实际电压与理论480 V 的差值来修正SCR 的输出电压。

本研究在实际运行中，SCR 的输出比例一致性更好，可以最大程度地消除机台间的功率偏差以及电网电压波动和负载波动带来的校准误差，提高机台间的标准化层次、机台内的高精度温度控制能力以及ASM E2000 外延平台的产业化水平。