碳化硅工艺炉过温保护系统设计与研究_文正.pdf

（总第 300 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMJun 2023收稿日期：2023-03-20第三代半导体材料以碳化硅、氮化镓为代表，与前两代半导体材料相比最大的优势是有较宽的禁带宽度，保证了其可击穿更高的电场强度，适合制备耐高压、高频的功率器件。加工制造过程中，碳化硅工艺炉过温保护系统设计与研究文 正1，黄心沿1,2，杨 金1，盛 旭1,2，禹庆荣1，黄 影2(1.中国电子科技集团公司第四十八研究所，湖南 长沙410111；2.湖南红太阳光电科技有限公司，湖南 长沙410221)摘要：半导体材料加工的过程中，温度作为非常重要的因素将直接影响工艺质量及设备的稳定性与安全性。半导体工艺设备为防止超温，设计了过温保护系统。通过详述过温保护系统的工作原理、核心线路、控制回路与产品验证的相关过程，证明该过温保护系统性能良好,能安全、稳定、高效的运行。关键词：碳化硅；过温保护系统；半导体材料；半导体工艺设备中图分类号：TN304.05文献标志码：B文章编号：1004-4507(2023)03-0010-05Design and Research of Over-temp Protection System forSiC Process FurnaceWEN Zheng1，HUANG Xinyan1，2，YANG Jin1，SHENG Xu1，2，YU Qingrong1，HUANG Ying2(1.The 48thResearch Institute of CETC，Changsha 410111，China；2.Hunan Red Solar Photoelectricity Science and Technology Co.，Ltd.，Changsha 410221，China)Abstract:In the process of semiconductor material processing，temperature as a very important factor，will directly affect the process quality and the stability and safety of equipment.An over-tempprotection system is designed for semiconductor process equipment to prevent overheating.Theworking principle，core circuit，control loop，and product verification process of the over temperatureprotection system are elaborated in this paper，and proving that the over-temp protection system iseffective and can operate safely，stably，and efficiently.Key words:SiC；Over-tempprotectionsystem；Semiconductormaterial；Semiconductorprocessequipment材料制造工艺与设备10（总第 300 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMJun 2023如单晶及晶体外延生长、多重薄膜的物理气相沉积与化学气相沉积、杂质扩散、热氧化、快速退火、高温烧结与合金等技术，都需采用热工的方式1，通过工艺设备中的加热器把晶圆与载片机构从室温上升到工艺必要的温度后再进行反应。对于工艺反应过程，温度的精确控制一直非常重要。偏差不仅会影响工艺的最终效果，还会导致安全事故的可能性，如超温。以氢氧合成为例，氢气和氧气均是易燃易爆的气体，当两种气体间的反应温度超过临界值 850 时，将大概率发生爆炸，氢氧合成系统的安全可靠将直接影响到设备的正常运转。对于其他各种工艺设备，也存在类似的情况，如在淀积速率一定时制作薄膜，温度较高的条件下可外延生长单晶硅薄膜，而在温度较低的情况下，则会获得多晶硅薄膜，成膜种类与温度的精度与范围相关联。因此，从设备工艺效果及质量安全的角度出发，设计出一套通用于第三代半导体工艺设备的过温保护系统，十分必要。1工作原理以热电偶作为传感器，热电偶的补偿导线通常与仪表相连接，经射频滤波消除高频共模和差分噪声后接入放大器进行前置放大及热电偶的冷端补偿，再通过后置的低通滤波器解决其他的残余噪声。为了提高系统的稳定性与可靠性，避免外界电磁干扰信号对后级电路产生影响，信号经过线性光耦隔离器件进行接地隔离。之后，经过多重处理的电压信号 UB最终还需通过模拟量/数字量转换来转化为数字量信号的模数转换模块2，同时还有 1 个可通过按钮进行数值设定包含逻辑判断及开关的操作模块和通过译码将数值显示在LCD 上的显示模块，它们均属于仪表的辅助模块。此部分主要实现温度显示和逻辑判断的功能，实际应用中通过软件和手动设定到仪表中的最高温度为设定值 SV，对应温区的热电偶所探测到的温度经模拟量/数字量转换模块所得的测量值为PV，这两个值均通过译码后在 LCD 上显示数值。操作模块中的开关触点为常闭状态，只有当 PVSV时，才会断开，需要通过仪表上的按钮进行复位。结合实际，对应五温区炉管，用电气绘图软件设计出了如图 1 所示的过温保护装置电气图，每个仪表都有配套的热电偶，采用各仪表并联直流24 V 供电的模式。图1过温保护装置2核心线路仪表中共有 2 个核心电路，分别为信号调理电路和线性光耦隔离电路，是通信及调制的关键。信号调理电路由射频抑制滤波器、放大补偿器、二阶低通滤波器 3 个部分组成，如图 2 所示。由于热电偶产生的电压信号为毫伏级，非常小，因此在通过补偿导线接入放大回路的过程中会引起射频干扰噪声和线路串扰噪声。高频噪声若不滤除，经由放大器输出，最终会表现出较大的温度波动变化，从而影响测温系统的精度与稳定0 V24 V-J1-J2-J3-J4-J5-B1温区一过温-B2温区二过温-B3温区三过温-B4温区四过温-B5温区五过温11 1211 1211 1211 1211 121 23 41 23 41 23 41 23 41 23 4材料制造工艺与设备11（总第 300 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMJun 2023性，所以需要在输入回路上设置 1 个射频抑制滤波器。射频抑制滤波器如图 2 所示，其中必须满足电阻 R1等于 R2，电容 C1等于 C2，电容 Cg的容量为 C1、C2的几十倍或 100 倍以上，这样才能有效保障滤波电路的共模截止频率和差模截止频率的范围，使频率大于差模截止频率的差模电压和频率大于共模截止频率的共模电压成分并具有很好的衰减作用，可有效地滤除信号里叠加的高频噪声。传递函数是线性系统理论中的概念，它适宜分析线性的、空间不变的系统对信号的影响。而为了得到线性关系，必须使放大回路具有非线性特性，放大器非线性特性一般是使反馈回路非线性来达到3。经过滤波输出的信号先进入运算放大器 OP1 进行放大，再进入二阶低通滤波线路。此滤波电路是为了消除电路中的线路串扰噪声而设计，其中电阻 R3等于 R4，电容 C4等于 C5，这样可使二阶低通滤波器的通带增益为 1，让输出电压与放大补偿器的输出电压大小相等，设为 UA。图2信号调理电路为了使信号调理电路的输出信号 UA进行线性传输且不把现场的噪声干扰引人控制系统，需要采用如图 3 所示以线性光耦合器为核心的线性光耦隔离电路。选择光耦合器，是因为它的输入与输出间无电气联接，能实现相互隔离，使电信号在传输过程中具有单向性、绝缘性、抗干扰性，且输入回路和输出回路间能够承受数千伏特的高电压，有好的安全保障性。线性光耦与普通光耦的隔离原理差别不大，不同在于线性光耦合器增加了一个用于反馈的光电二极管，可以通过反馈电路的非线性来抵消通路的非线性，从而实现线性传递，能起到大大增加线性区域的作用。图3线性光耦隔离电路线性光耦隔离电路中，考虑到电压不稳、波形失真等隐患，首先在输入端加入了一个电压跟随器，可以起到缓冲和进行隔离的作用。由于光耦合器是电流器件，所以电压信号在进入光耦合器前要进行电压/电流变换，当电流信号离开光耦合器后需要再进行电流/电压变换。同时，为了减少光耦合器与前后电路间负载的相互影响，在电路末端再增加了电压跟随器进行隔离与缓冲保护，最终从线性光耦隔离电路输出的模拟电压信号为US。光耦合器存在传输增益，因此 US与 UA的表GND3GND4GND1GND2R3R1R2C2C3C1OP1OP2R4R5C4R6C6C5UA射频抑制滤波器放大补偿器二阶低通滤波器OP3OP4UAR7C7GND5GND6GND7GND8OP5OP6R8C8R9电压跟随器电压/电流交换光耦合器电流/电压变换器电压跟随器材料制造工艺与设备12（总第 300 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMJun 2023达式为：US=R8R7 UA(1)当 R7等于 R8，且光耦的传输增益 为典型值时，此线性光耦隔离电路实现了热电偶经信号调理输出模拟量电压信号后以增益为 1 的隔离输出。3控制回路从实现过温保护系统的功能出发，还需要设计配套的控制回路，具体如图 4 所示，图中 KM1为加热交流接触器，K1为加热使能继电器，K2为过温保护继电器。回路的主加热电路中，采用单相交流供电，火线经过温保护继电器的辅助常闭触点 2、3 端和加热使能继电器的辅助常闭触点 2、3 端接入加热交流接触器的主触点 A1端。由于过温时需要停止加热，因此图 4 中第一个仪表 J1内开关未串联的一脚需要与单相交流电的零线相接，第 5 个仪表 J5内开关未串联的一脚需要与加热交流接触器的从触点 A2端相接。回路的弱电部分采用 24 V 供电，分为 2 条回路。第一条回路为加热运行，过温保护继电器的辅助常闭触点 7 端接入 24 V 直流电压，接着过温保护继电器的触点 6 端再与加热使能继电器的从触点 8 端相接，最终经加热使能继电器的主触点 1端接入 PLC。第二条回路为过温报警，加热交流接触器的辅助常开触点 13 端接入 24 V 直流电压，另一个触点 14 端与过温保护继电器的从触点 8端相接，过温保护继电器的主触点 1 端则与 PLC相连。当 5 个温区都处于临界温度值以下时，各仪表内开关为常闭状态，主加热电路导通，加热交流接触器主触点吸合，辅助触点 13 端与 14 端为常开状态，此时过温报警回路未导通，该回路 PLC的数字输入信号将中断，加热回路中过温保护继电器的辅助触点 6 端和 7 端保持常闭，加热使能继电器的主触点吸合，转而上位机程序界面会显示加热正常。若五温区中任意一个温区的温度高于温度临界值，都会导致该温区相对应的仪表内部开关的常闭触点断开，使得加热交流接触器所在的主加热回路断开，加热交流接触器辅助触点13 端与 14 端将由常闭转为常开，导致过温保护继电器动作，过温保护继电器的两组辅助触点将由常闭转为常开，加热使能继电器断电不吸合，从而其在主加热回路的一组辅助触点由常闭转为常开，此时电路中的加热信号将中断，过温保护继电器的主触点得电吸合，此时 PLC 将接收到过温回路的输入信号，在上位机界面显示过温报警。4验证与结论此过温保护系统在完成设计与部件选型后便迅速应用在了多种碳化硅工艺设备上，进行功能验证，严格按照 PDCA 流程。在内场测试的过程中，系统性能稳定，当任意一段热偶过温时，系统内部加热电源立刻被切断，且在上位机界面显示过温报警；设备发货至各现场后，在进行工艺过程控制时，当发生过温现象时，加热输出相关接触器迅速跳闸切断加热电源，设备提示过温报警并通过蜂鸣器响实现效果；设备运行 8 个月均未出现问题。综上所述，此碳化硅工艺设备过温保护系统方案的准确性与有效性得到验证，有效地提高设备性能并保障了设备运行时的安全性和稳定性，符合设计与研究期望。图4控制回路220 V24 VK2K1K2K1KM12342344658181A1A21314PLC HeatonPLC Hea torerJ5材料制造工艺与设备13（总第 300 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMJun 2023参考文献:1云正宽.机电设备与工业炉窑设计M.北京：冶金工业出版社，2006.2林伯奇，何华云，毛朝斌，等.高温 MOCVD 温度控制系统研究与设计J.工业计算机，2015，28(6)：55-56+59.3童诗白，华成英.模拟电子技术基础M.第四版.北京：高等教育出版社，2006.作者简介：文 正（1981），男，湖南长沙人，本科，工程师，主要从事半导体工艺设备的电气设计工作。黄心沿（1996），男，湖南长沙人，本科，高级工程师、IEEE Member，主要从事复杂工业过程优化决策、电气装备与系统信息化、薄膜制备工艺与设备、电子线路设计、红外工程技术等研究。以学增智 以学促干 开拓科技创新新局面45所举办首期学术报告交流会2023 年 5 月 25 日，中国电子科技集团公司第四十五研究所（以下简称 45 所）举办首期学术报告交流会，拉开了 65 周年所庆系列活动的序幕。45 所科技部主任刘玄博主持会议。集团公司首席科学家、电科装备首席技术官王志越以 以学增智 以学促干 开拓科技创新新局面 为题作专题学术报告（如图 1 所示），围绕习近平总书记关于科技创新的核心要义，阐述建设创新强国战略的重大意义，科学分析了科技创新存在的差距。就如何做好科技创新工作，他提出 5 点意见建议：一要解放思想，自主创新；摒弃“跟仿”模式，加强基础研究和原理探索，搭建创新平台，开启“正向创新”的新阶段；二要立足使命，聚焦主业；积极履行强军首责，立足使命定位，加大科技创新投入，破解受制于人的局面；三要整线集成，能力提升；以整线关键装备自立自强为发展思路，兼顾软硬件配套集成能力，增强我国半导体装备产业链的安全性稳定性；四要实干笃行，内外兼修；对标世界一流先进企业加强管理体系、管理能力，强化信息化、智能化管理，形成管理高地、创新高地、人才高地；五要创新文化，创新生态；坚持人才是第一资源、创新是第一动力，充分发挥人才创新的主动性，营造尊重劳动、尊重知识、尊重创造的文化氛围，实施更加积极、更加开放的创新生态，成为产业链的核心企业。王志越表示，过去的 65 年是栉风沐雨、砥砺奋斗，坚守家国情怀的 65 年，广大干部职工要传承发扬前辈的优良作风，要以清晰的思路谋定而后动，以强烈的使命担当全身心投入科研生产与改革发展实践中，勇立潮头，不断开创高质量发展新局面！后续，45 所将持续开展集成电路制造装备学术交流活动，共享 65 年来的奋斗历程和学术积淀成果，汇聚磅礴力量，再书华美篇章。45 所高级技术专家技术专家、高级工程师、技术人员参会。45 所通讯员 马进 郭澳然图1报告进行中 行业快讯 材料制造工艺与设备14