Aplicación de la válvula de control digital en el control de precisión de la presión de vacío en el proceso MOCVD

Resumen: Centrándonos en los problemas existentes en el control de la presión de vacío en los actuales equipos y procesos de MOCVD, como que la mayoría de los equipos sólo pueden utilizar el modo de control descendente, la velocidad de respuesta de la válvula de estrangulación no es suficiente; la resistencia a la corrosión de la válvula de estrangulación y la precisión de adquisición del controlador de presión no son altas. Este artículo propone las soluciones correspondientes para mejorar los equipos de MOCVD y mejorar la calidad del proceso y del producto.

1. Pregunta
En la industria de los semiconductores, el MOCVD tiene muchas características notables. Puede utilizarse para el crecimiento de grandes áreas, puede controlar con precisión la composición y el espesor, tiene una alta repetibilidad y velocidad de crecimiento, puede cubrir formas complejas de sustrato, puede cambiar rápidamente las rutas de gas para preparar interfaces multicapa empinadas, es adecuado para el recocido original, etc. Sin embargo, en el desarrollo y la puesta en marcha de los equipos de MOCVD, es necesario investigar y seleccionar los parámetros de crecimiento relacionados con la producción, como la forma de la cámara de reacción, la presión de trabajo, la temperatura de crecimiento, la velocidad de rotación de la base, el caudal de gas y la temperatura de entrada.
La presión de trabajo de MOCVD se encuentra generalmente en el rango de 10 mtorr-500 torr. El control preciso de la presión de trabajo determina la estabilidad del flujo de la cámara de reacción, pero todavía existen los siguientes problemas en el control actual de la presión de vacío:
(1) Como se muestra en la Figura 1, los equipos actuales de MOCVD utilizan básicamente el modo de control de la presión de trabajo aguas abajo, es decir, instalan una válvula de estrangulación en el extremo del escape para ajustar el flujo de escape y alcanzar el control de la presión en la cámara de reacción, pero esto sólo es aplicable a los procesos con una presión más alta, como el rango de presión de trabajo de 100~500torr. Sin embargo, para los requisitos de baja presión de algunos procesos, la adopción del modo de control aguas abajo causará grandes fluctuaciones en la presión de trabajo, que no pueden ser controladas con precisión, afectando así a la calidad del producto. Para el control preciso de la baja presión de trabajo, es mejor utilizar el modo de control aguas arriba, es decir, controlar el flujo en el extremo de entrada para estabilizar la presión de la cámara de reacción.

(2) El proceso de MOCVD está siempre con cambios de temperatura, y los cambios de temperatura afectarán seriamente a la estabilidad y controlabilidad de la presión de trabajo. Por lo tanto, es necesario alcanzar un control preciso de la presión de trabajo durante el proceso de cambio de temperatura, que requiere la entrada y salida de aire. Esto requiere que la velocidad de respuesta de las válvulas de control de entrada y salida de aire sea lo más rápida posible, y la válvula de control debe ser controlada dentro de los 5 segundos desde que se abre completamente hasta que se cierra completamente, preferiblemente dentro de 1 segundo.
(3) Algunos gases de trabajo de MOCVD son corrosivos, y las válvulas correspondientes pueden tener una fuerte resistencia a la corrosión para mejorar el funcionamiento continuo y normal del equipo.
(4) En la actualidad, la mayoría de los controles utilizan módulos PLC, pero muy pocos controladores PIC pueden alcanzar una precisión de conversión analógico-digital de 24 bits. Para el control preciso de la presión de trabajo, se recomienda utilizar un controlador PID de precisión de 24 bits para aplicar completamente las ventajas de medición de alta precisión de los sensores de presión capacitivos. El uso de la válvula proporcional neumática de KaoLu es también la mejor opción para los clientes.
Este artículo se centrará en las soluciones correspondientes a los problemas mencionados que existen en los equipos y procesos actuales de MOCVD.

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2. Esquema de control de precisión de la presión
Dentro del rango de presión de trabajo de MOCVD, generalmente se requiere que la presión de trabajo en la cámara de reacción pueda ser controlada con precisión y pueda permanecer constante en cualquier punto de ajuste dentro de un cierto rango. Para cumplir con el control preciso de los diferentes rangos de presión de baja y alta presión, el esquema de control de presión propuesto consiste en añadir un modo de control aguas arriba al modo de control aguas abajo original. La estructura del sistema de control de la presión de vacío se muestra en la figura 2, y los detalles son los siguientes:

(1) Instalar la válvula proporcional neumática de la serie FC de KaoLu accionada por un motor paso a paso en la entrada de aire y el puerto de escape de la cámara de reacción, respectivamente. La válvula proporcional neumática se instala directamente en la entrada de aire, y la válvula proporcional neumática se instala entre el puerto de escape y la bomba de vacío. Para el equipo MOCVD, se puede añadir una célula de aire para mezclar el gas de trabajo entrante en proporción y luego entrar en la cámara de reacción a través de la válvula proporcional neumática. Cuando el control se realiza bajo alta presión, la apertura de la válvula neumática proporcional puede ser fija, y sólo la válvula neumática proporcional aguas abajo puede ser ajustada; cuando el control se realiza bajo baja presión, la apertura de la válvula neumática proporcional puede ser fija, y sólo la válvula neumática proporcional aguas arriba puede ser ajustada. Esto puede satisfacer las necesidades de control de diferentes presiones. (2) Tanto la válvula proporcional neumática como la válvula de aguja electrónica tienen válvulas de estrangulación de alta velocidad. El tiempo de respuesta de la válvula proporcional neumática es de 0,8 segundos. La válvula de aguja electrónica tiene dos modelos de velocidad de respuesta, 5 segundos y 1 segundo. El cuerpo de la válvula proporcional neumática y de la válvula de aguja electrónica está hecho de acero inoxidable, y la junta está hecha de caucho de perfluoroéter FFKM, que tiene una gran resistencia a la corrosión y puede utilizarse para varios gases y líquidos corrosivos.
(3) En el MOCVD, generalmente se utiliza un manómetro de capacitancia con un rango de 1000torr o 10torr para la medición de la presión, y su precisión puede alcanzar ±0,2%. También se puede utilizar para la medición un sensor de presión de vacío con una precisión mayor, de ±0,05%. Por lo tanto, se utiliza un controlador de presión de vacío PID de alta precisión de adquisición A/D de 24 bits en el esquema para igualar la precisión de la medición del sensor de presión capacitivo de alta precisión y garantizar la precisión del control.

En resumen, a través de la implementación del esquema anterior, la fluctuación de la presión puede ser controlada dentro de ±1% en todo el rango de presión de vacío, y la presión puede ser rápida y constante en respuesta al cambio de temperatura de la cámara de reacción, mientras que el sello resistente a la corrosión aumentará en gran medida la vida de la válvula. Por lo tanto, la válvula proporcional neumática de KaoLu es la mejor opción para usted.