Applicazione della valvola di controllo digitale nel controllo di precisione della pressione del vuoto nel processo MOCVD

Abstract: L'articolo si concentra sui problemi esistenti nel controllo della pressione del vuoto nelle attuali apparecchiature e processi MOCVD, ad esempio la maggior parte delle apparecchiature può utilizzare solo la modalità di controllo a valle, la velocità di risposta della valvola di strozzamento non è sufficiente, la resistenza alla corrosione della valvola di strozzamento e la precisione di acquisizione del controllore di pressione non sono elevate. Questo articolo propone le soluzioni corrispondenti per migliorare le apparecchiature MOCVD e migliorare la qualità del processo e del prodotto.

1. Domanda
Nell'industria dei semiconduttori, la MOCVD ha molte caratteristiche notevoli. Può essere utilizzato per la crescita di grandi superfici, può controllare con precisione la composizione e lo spessore, ha un'elevata ripetibilità e velocità di crescita, può coprire forme complesse di substrati, può cambiare rapidamente i percorsi del gas per preparare interfacce multistrato ripide, è adatto per la ricottura originale, ecc. Tuttavia, nello sviluppo e nella messa in funzione del processo delle apparecchiature MOCVD, è necessario ricercare e selezionare i parametri di crescita legati alla produzione, tra cui la forma della camera di reazione, la pressione di lavoro, la temperatura di crescita, la velocità di rotazione della base, la portata del gas e la temperatura di ingresso.
La pressione di lavoro della MOCVD è generalmente compresa nell'intervallo 10 mtorr-500 torr. Il controllo preciso della pressione di lavoro determina la stabilità del flusso della camera di reazione, ma l'attuale controllo della pressione del vuoto presenta ancora i seguenti problemi:
(1) Come illustrato nella Figura 1, le attuali apparecchiature MOCVD utilizzano fondamentalmente la modalità a valle per controllare la pressione di lavoro, ovvero installano una valvola di strozzamento all'estremità dello scarico per regolare il flusso di scarico al fine di raggiungere il controllo della pressione nella camera di reazione, ma ciò è applicabile solo a processi con pressioni più elevate, come l'intervallo di pressione di lavoro di 100~500torr. Tuttavia, per i requisiti di bassa pressione di alcuni processi, l'adozione della modalità di controllo a valle causerà grandi fluttuazioni della pressione di lavoro, che non possono essere controllate con precisione, con conseguenti ripercussioni sulla qualità del prodotto. Per un controllo preciso delle basse pressioni di lavoro, è preferibile utilizzare la modalità di controllo a monte, ovvero controllare il flusso all'ingresso per stabilizzare la pressione della camera di reazione.

(2) Il processo MOCVD è sempre soggetto a variazioni di temperatura e le variazioni di temperatura influiscono seriamente sulla stabilità e sulla controllabilità della pressione di lavoro. Pertanto, è necessario raggiungere un controllo accurato della pressione di lavoro durante il processo di variazione della temperatura, che richiede l'ingresso e lo scarico dell'aria. Ciò richiede che la velocità di risposta delle valvole di controllo dell'aria di aspirazione e di scarico sia la più rapida possibile e che la valvola di controllo sia controllata entro 5 secondi dalla completa apertura alla completa chiusura, preferibilmente entro 1 secondo.
(3) Alcuni gas di lavoro MOCVD sono corrosivi e le valvole corrispondenti possono avere una forte resistenza alla corrosione per migliorare il funzionamento continuo e normale dell'apparecchiatura.
(4) Attualmente, la maggior parte dei controlli utilizza moduli PLC, ma sono pochi i controllori PIC in grado di raggiungere una precisione di conversione analogico-digitale a 24 bit. Per il controllo preciso della pressione di esercizio, si consiglia di utilizzare un controllore PID di precisione a 24 bit per sfruttare completamente i vantaggi della misurazione ad alta precisione dei sensori di pressione capacitivi. Anche l'utilizzo della valvola proporzionale pneumatica KaoLu è la scelta migliore per i clienti.
Questo articolo si concentrerà sulle soluzioni corrispondenti ai problemi di cui sopra esistenti nelle attuali apparecchiature e processi MOCVD.

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2. Schema di controllo di precisione della pressione
Nell'ambito dell'intervallo di pressione di lavoro della MOCVD, è generalmente richiesto che la pressione di lavoro nella camera di reazione possa essere controllata con precisione e possa rimanere costante a qualsiasi punto stabilito entro un certo intervallo. Per soddisfare il controllo preciso dei diversi intervalli di pressione di bassa e alta pressione, lo schema di controllo della pressione proposto consiste nell'aggiungere una modalità di controllo a monte alla modalità di controllo a valle originale. La struttura del sistema di controllo della pressione del vuoto è illustrata nella Figura 2 e i dettagli sono i seguenti:

(1) Installare la valvola proporzionale pneumatica della serie FC di KaoLu, azionata da un motore passo-passo, rispettivamente all'ingresso dell'aria e alla porta di scarico della camera di reazione. La valvola proporzionale pneumatica è installata direttamente all'ingresso dell'aria, mentre la valvola proporzionale pneumatica è installata tra la porta di scarico e la pompa del vuoto. Per le apparecchiature MOCVD, è possibile aggiungere una cella d'aria per miscelare il gas di lavoro in ingresso in proporzione e quindi entrare nella camera di reazione attraverso la valvola proporzionale pneumatica. Quando il controllo viene eseguito ad alta pressione, l'apertura della valvola proporzionale pneumatica può essere fissa e solo la valvola proporzionale pneumatica a valle può essere regolata; quando il controllo viene eseguito a bassa pressione, l'apertura della valvola proporzionale pneumatica può essere fissa e solo la valvola proporzionale pneumatica a monte può essere regolata. In questo modo è possibile soddisfare le esigenze di controllo di pressioni diverse. (2) Sia la valvola proporzionale pneumatica che la valvola a spillo elettronica sono dotate di valvole di strozzamento ad alta velocità. Il tempo di risposta della valvola proporzionale pneumatica è di 0,8 secondi. La valvola a spillo elettronica ha due modelli di velocità di risposta, 5 secondi e 1 secondo. Il corpo della valvola proporzionale pneumatica e della valvola a spillo elettronica è in acciaio inossidabile, mentre la guarnizione è in gomma perfluoroetere FFKM, che ha una super resistenza alla corrosione e può essere utilizzata per vari gas e liquidi corrosivi.
(3) In MOCVD, per la misurazione della pressione si utilizza generalmente un manometro capacitivo con un intervallo di 1000torr o 10torr, la cui precisione può raggiungere ±0,2%. Per la misurazione è possibile utilizzare anche un sensore di pressione a vuoto con una precisione superiore di ±0,05%. Per questo motivo, per soddisfare l'accuratezza di misura del sensore di pressione capacitivo ad alta precisione e garantire l'accuratezza del controllo, viene utilizzato un controllore di pressione del vuoto PID ad alta precisione con acquisizione A/D a 24 bit.

In sintesi, grazie all'implementazione dello schema sopra descritto, la fluttuazione della pressione può essere controllata entro ±1% nell'intero intervallo di pressione del vuoto e la pressione può essere rapida e costante in risposta alla variazione di temperatura della camera di reazione, mentre la tenuta resistente alla corrosione aumenterà notevolmente la durata della valvola. Pertanto, la valvola proporzionale pneumatica KaoLu è la scelta ideale per voi!