摘 要 將HOLLiAS-LEC G3小型一體化PLC應用于SiC晶體生長爐控制系統(tǒng)，根據碳化硅晶體生長工藝要求，提供了一種降低成本、增加可靠性的運動控制方案。該晶體生長爐運動控制系統(tǒng)的全套硬件設備及軟件設計工作由杭州和利時自動化有限公司完成。根據SiC的結晶工藝及其目前機械設備的特點，提出了更集中、更緊湊、更經濟的優(yōu)化方案。

關鍵詞 SiC晶體生長爐；SiC；控制系統(tǒng)；PLC

1、引言
作為一種新型的半導體材料，SiC以其優(yōu)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(fā)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(fā)展。在某些領域，如發(fā)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(yè)應用，發(fā)展迅速。經過十幾年的發(fā)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(yè)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(yè)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(fā)，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(guī)模化生產奠定了基礎，并具有明顯的價格優(yōu)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(guī)模化生產業(yè)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(huán)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(jié)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(wěn)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(jié)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(jié)，輸出給可控硅來調節(jié)中頻電源的電壓，進而保證爐內溫度的穩(wěn)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(huán)調節(jié)籽晶桿和坩堝桿的運動，調節(jié)坩堝自轉，各種參數可以設置。

3、運動控制系統(tǒng)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。
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(jié)坩堝桿和籽晶桿平移位置時只使用一級減速，當慢速調節(jié)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。

4、工藝過程描述
系統(tǒng)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(huán)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(tài)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。可通過按鈕選擇旋轉方向（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HOLLIAS-LEC G3 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(wěn)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(guī)模化生產的第一批設備，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(guī)模化生產，那么應該實行集中監(jiān)控。把現在單機系統(tǒng)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(yè)以太網的方式，HOLLIAS-LEC G3 PLC都提供了相應的通訊模塊，監(jiān)控中心選用組態(tài)軟件實現工藝工程監(jiān)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(jié)是通過溫控儀表來實現的，為了降低成本，提高系統(tǒng)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(jié)，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(tǒng)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(jié)變頻器的頻率使其改變真空泵的轉速，來調節(jié)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(jiān)控中心，實現數據的上傳與集中顯示。