DJL-600型碳化硅單晶爐運(yùn)行維護(hù)與故障排除

（新疆天科合達(dá)藍(lán)光半導(dǎo)體有限公司，石河子市，832000）杜廣平

DJL-600型碳化硅單晶爐運(yùn)行維護(hù)與故障排除

（新疆天科合達(dá)藍(lán)光半導(dǎo)體有限公司，石河子市，832000）杜廣平

介紹了DJL-600型碳化硅單晶爐的基本結(jié)構(gòu)和電氣控制系統(tǒng)的工作原理，結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)和設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)闡述了DJL一600型單晶爐的維護(hù)和常見故障排除方法。

碳化硅單晶爐,運(yùn)行維護(hù)，故障

SiC（碳化硅）單晶體作為一種新型的半導(dǎo)體材料,SiC以其優(yōu)良的物理化學(xué)特性和電特性成為制造高溫器件、大功率／高頻電子器件最重要的半導(dǎo)體材料。在高頻大功率和高電壓器件領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮著重要作用。特別是在極端條件和惡劣條件下應(yīng)用時(shí)，SiC器件的特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了Si器件和GaAs器件。因此,SiC器件和其各類傳感器已步成為關(guān)鍵器件之一，發(fā)揮著越來越重要的作用.

SiC單晶體的生長條件苛刻

需在2 100℃以上保持高真空6～7天，因此對單晶爐系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很高要求。目前國內(nèi)市場上在運(yùn)行的DJL-600型SiC(碳化硅)單晶爐已超過200臺，為了更好地發(fā)揮利用設(shè)備的能力，保證設(shè)備正常運(yùn)行，必須了解設(shè)備的性能，做好日常維護(hù)保養(yǎng)工作，使設(shè)備始終處于良好的工作狀態(tài)，更好地滿足生產(chǎn)的需要。

1 單晶爐系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

本系統(tǒng)真空室及主要零部件材質(zhì)均為1Gr18Ni9Ti

極限真空度：6.6x10-5Pa/6.6x10-3Pa（冷態(tài)）

工作真空度:10～10 000Pa（精度±5%）

系統(tǒng)暴露大氣后開始抽氣，30分鐘內(nèi)真空度＜2Pa，60分鐘內(nèi)真空度＜2x10-3Pa

停泵關(guān)機(jī)12小時(shí)后，殘余氣體壓力≤10Pa

籽晶桿、坩堝桿拉送系統(tǒng)可移動(dòng)范圍分別為：390mm、560mm

拉送系統(tǒng)移動(dòng)速率分快慢兩檔，慢速檔速率范圍0.06～6mm/h，快速檔最高速率不小于50mm/min

中頻加熱功率：40KW

2 單晶爐系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

單晶爐系統(tǒng)由爐膛、真空獲得及測量系統(tǒng)、IGBT中頻感應(yīng)加熱系統(tǒng)、籽晶/坩堝桿拉伸控制系統(tǒng)、保護(hù)控制及報(bào)警系統(tǒng)等組成。

2.1 真空獲得及測量控制系統(tǒng)

真空獲得及測量控制系統(tǒng)由單室立式雙層水冷不銹鋼結(jié)構(gòu)的爐體、變頻器、真空計(jì)、真空泵、智能控壓儀表、真空控制器和密封設(shè)備等構(gòu)成。真空計(jì)采集爐腔內(nèi)的真空度，真空控制器根據(jù)真空度變化調(diào)節(jié)變頻器頻率，進(jìn)而改變真空泵的運(yùn)行頻率，以保證爐腔內(nèi)的真空度穩(wěn)定。

2.2 中頻感應(yīng)加熱系統(tǒng)

中頻感應(yīng)加熱系統(tǒng)由IGBT中頻加熱源、電流／電壓傳感器、PID智能調(diào)節(jié)溫控儀表等構(gòu)成。由歐陸3504表溫控儀表采集電流傳感器的模擬量信號（此值與爐內(nèi)溫度成線性關(guān)系），根據(jù)電流值和設(shè)定值進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，輸出給IGBT來調(diào)節(jié)中頻電源的電壓，進(jìn)而保證爐內(nèi)溫度的穩(wěn)定。歐陸3504表參與控制，在表上設(shè)置好控制曲線，啟動(dòng)中頻電源后，再啟動(dòng)溫度控制程序，使加熱功率跟隨設(shè)定值運(yùn)行。

2.3 籽晶/坩堝桿拉伸控制系統(tǒng)

籽晶/坩堝桿拉伸控制系統(tǒng)由臺達(dá)伺服驅(qū)動(dòng)器及伺服電機(jī)、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器及步進(jìn)電機(jī)、諧波減速裝置、（OMRON）歐姆龍PLC主站、絲杠、導(dǎo)軌、編碼器和觸摸屏等構(gòu)成，閉環(huán)調(diào)節(jié)籽晶桿和坩堝桿的運(yùn)動(dòng)，根據(jù)生產(chǎn)工藝的需要調(diào)整設(shè)置運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

在SiC結(jié)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(zhuǎn)和拉伸運(yùn)動(dòng)，而且要?jiǎng)蛩龠\(yùn)動(dòng)。否則晶體質(zhì)地滿足不了要求。為了實(shí)現(xiàn)上面的運(yùn)動(dòng)過程選用了2個(gè)臺達(dá)伺服電機(jī)兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠帶動(dòng)坩堝桿和籽晶桿的上下移動(dòng)。選用（OMRON）歐姆龍CP1H一體化型PLC，該型號PLC可從CPU單元內(nèi)置輸出點(diǎn)發(fā)出固定占空比脈沖信號，脈沖輸入到伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器來達(dá)到定位／速度控制。主站PLC用來控制籽晶桿的伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和坩堝桿的伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)，再經(jīng)過籽晶桿的諧波減速裝置和坩堝桿的諧波減速裝置獲得需要的轉(zhuǎn)速。人機(jī)界面選用昆侖通態(tài)觸摸屏，進(jìn)行參數(shù)設(shè)定和顯示，通過RS一232通訊接口與PLC從站連接。

2.4 保護(hù)控制及報(bào)警系統(tǒng)

保護(hù)及報(bào)警系統(tǒng)是由（OMRON）歐姆龍PLC從站、電磁流量計(jì)、智能水流表、超程限位開關(guān)、智能水溫表以及各種電磁閥構(gòu)成，為保證設(shè)備安全運(yùn)行，減少操作人員的工作負(fù)擔(dān)，設(shè)備具有爐溫超溫保護(hù)、耔晶桿上下限位、爐膛氣壓超壓保護(hù)、斷水保護(hù)、水溫異常報(bào)警系統(tǒng)。

2.4.1 爐溫超溫保護(hù)

系統(tǒng)為了保護(hù)加熱線圈，設(shè)置有超溫保護(hù)功能，在控溫儀里設(shè)定最高溫度點(diǎn)，一旦爐溫超過此溫度，加熱功率就不再上升，同時(shí)系統(tǒng)就進(jìn)行聲光報(bào)警。這時(shí)要及時(shí)檢查報(bào)警原因，如有故障要及時(shí)排除，如果給定太大，只要將加熱功率降低，使?fàn)t溫低于報(bào)警點(diǎn)，報(bào)警即可解除。

2.4.2 籽晶/坩堝桿上下超程報(bào)警保護(hù)功能

設(shè)備在籽晶/坩堝桿上、下極限位置裝有限位開關(guān)，一旦超程就會(huì)自動(dòng)切斷驅(qū)動(dòng)器電源并報(bào)警，保護(hù)籽晶/坩堝桿不受損傷。

2.4.3 爐膛氣壓超壓保護(hù)

如果爐膛發(fā)生漏水/恒壓控制系統(tǒng)失靈的情況，導(dǎo)致爐膛內(nèi)部壓力突然升高超過設(shè)定數(shù)值，系統(tǒng)就進(jìn)行聲光報(bào)警，以保護(hù)設(shè)備和人身安全。

2.4.4 斷水、水溫異常報(bào)警系統(tǒng)

當(dāng)冷卻循環(huán)供水系統(tǒng)出現(xiàn)故障的時(shí)候，系統(tǒng)回立刻切斷中頻加熱電源停止加熱，以保護(hù)設(shè)備安全，當(dāng)冷卻循環(huán)水恢復(fù)供水警報(bào)自動(dòng)消除；水溫異常報(bào)警設(shè)定在58℃，如果假如加熱線圈出水溫度超過58℃，報(bào)警系統(tǒng)就進(jìn)行聲光報(bào)警，提醒工作人員處理。

3 運(yùn)行維護(hù)與保養(yǎng)

單晶爐在使用時(shí)，由于爐內(nèi)溫度高、工作時(shí)間長、投人成本高等因素，必須要求各個(gè)部分工作穩(wěn)可靠。因此，對設(shè)備合理的使用與維護(hù)保養(yǎng)就顯得十分重要。

首先，對于籽晶/坩堝傳動(dòng)部分要定期清洗潤滑導(dǎo)柱、直線軸承、絲杠、絲母等運(yùn)動(dòng)部分，籽晶/坩堝的諧波減速器，每月打開清洗潤滑一次，坩堝軸旋轉(zhuǎn)軸承處每6個(gè)月潤滑1次。所有動(dòng)密封的位置要定期涂真空硅脂，以保證良好的密封性和運(yùn)動(dòng)的靈活性。

單晶爐的電極和加熱線圈部位，運(yùn)行一段時(shí)間后，要進(jìn)行清理，如果出現(xiàn)碳粉堆積的情況,就會(huì)產(chǎn)生中頻掉電放電的現(xiàn)象,所以不允許出現(xiàn)電極與絕緣環(huán)之間的碳粉堆積情況。每次單晶爐運(yùn)行結(jié)束，將爐內(nèi)清理干凈，然后抽好真空，使?fàn)t內(nèi)盡量少暴露在大氣中。

在每爐裝爐前，要檢查各水路是否暢通，特別是坩堝軸、電極、爐底、爐蓋、電極等部位的水冷情況。由于單晶爐長時(shí)間工作在高溫狀態(tài)下，水冷夾層內(nèi)的結(jié)垢、沉淀、腐蝕等對真空爐室的工作穩(wěn)定性影響極大。因此，單晶爐對冷卻水的各項(xiàng)要求很高，如果經(jīng)過檢驗(yàn)水質(zhì)沒有達(dá)到要求，則必須更換冷卻水，防止?fàn)t體發(fā)生腐蝕。具體循環(huán)冷卻水控制指標(biāo)。（詳見表1）

表1 循環(huán)冷卻水控制指標(biāo)

總之，影響單晶爐穩(wěn)定可靠性的因素很多，在實(shí)際運(yùn)行過程中，要根據(jù)現(xiàn)場現(xiàn)象分析和處理故障。

表2 常見故障的排除方法表

4 常見故障及排除方法

根據(jù)多年的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)和單晶爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),歸納總結(jié)以下出解決故障的方法。（見表2）

3 結(jié)論

碳化硅單晶爐在我國的應(yīng)用越來越廣泛，結(jié)合多年的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，針對DJL-600型碳化硅單晶爐的現(xiàn)場故障特點(diǎn)進(jìn)行分析和研究探討，并歸納總結(jié)出了解決故障的對策，必須不斷強(qiáng)化日常的維護(hù)保養(yǎng)工作，提高工作人員的專業(yè)技術(shù)素質(zhì)，才能使單晶爐設(shè)備始終處于良好的工作狀態(tài)，促進(jìn)單晶生產(chǎn)的成品率進(jìn)一步提高。

[1]王國鋒.HOLLIAS-LEC PLC在SiC晶體生長爐控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].世界儀表與自動(dòng)化,2008,1；42～43

[2]宋瑩.CP1H型PLC通信接口設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備,2007,4；80～84

TQ163+.4

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1008-0899（2016）04-0056-03