关于MOCVD自动化云端系统开发的探讨

卢铃

开发晶照明（厦门）有限公司

摘要：

MOCVD是LED外延片生产最为关键的设备，不仅决定LED产品的性能，也决定LED的生产成本。公司研发的MOCVD自动化云端系统可实现MOCVD的配方修正、品质检测管理、制成品量测分析，将设备回馈的生产信息进行收集整理，建立完整的可回溯的生产档案，确保多台MOCVD机台生产的外延片光均性、寿命等指标保持一致。取代长期延用的人工控制晶体生长过程，解决了专业技术人员匮乏、产品一致性低、合格率较难控制等问题。

一、背景论述

随着LED 战略性新兴产业投资的持续升温，目前国内大量引进了MOCVD 机台，导致人才配置、生产制程、操作人员等方面都没办法保证现有MOCVD 的有效启动运转。MOCVD 设备是外延片生长及芯片生产最为关键的设备，不仅决定LED 产品的性能，而且也决定LED 的生产成本[1]。对于MOCVD 来说，未来LED 产业高速发展和外延片大规模生产特别是通用照明的高速发展主要靠低成本和高良率推动，提升生产力和提升产品性能将成为未来趋势，因而规模化、智能化、性能优越的新设备将更具发展空间。

目前国内MOCVD 机台逐年大规模的增加，外延片生长技术的人才显得尤为缺乏。国内外延片行业普遍存在技术人员不足和工艺水平偏低的问题，引进的MOCVD 设备大多处于大规模生产工艺摸索阶段。公司研制业界领先的MOCVD 自动化云端系统，有助于克服外延片生长工艺技术人才不足的普遍问题，促进大规模生产工艺的成熟，为国内外延片技术水平提升做出重要贡献。

二、如何实现MOCVD 自动化云端系统？

MOCVD 的自动化云端系统在现有生产工艺分析的基础上, 运用智能设计的原理, 构建出一个LED 外延片制造工艺的知识库和制造工艺的实例库, 实现制造工艺的知识库的管理以及基于实例的智能推理。

系统以网络作为传输媒介，不但人性化地改善了操作环境也扩大了控制能力。它可直观地分析反应炉的各个细节，根据制成品状态对设备参数调整和设置，更安全可靠地控制MOCVD 设备。

软件开发中采用模块化设计方法[2]，将系统划分为若干功能模块；监控界面采用图形用户界面，友好美观，便于操作。为了确保系统所需的高可靠性，在硬软件两方面都采取了一些严格的抗干扰措施。 根据系统测试的情况来看，本控制系统操作简便，控制精度高，运行稳定可靠。

图1 是MOCVD 自动化云端系统的工作流程图。一般厂商MOCVD 生产外延片时，作业人员需至机台前端操作接口，输入生产所需的制程程序后，启动MOCVD执行，故所有可接触机台的人员，都可直接在机台上取得生产用的配方与数据，且工程师需依照产出结果，手动调整下批生产参数。导入MOCVD 自动化云端技术后，工程人员在远程将生产配方建档后，生产作业人员仅需在机台前输入生产配方名称及部份参数后，通过自有开发的接口要求机台自动执行, 并将生产数据汇集到内部信息系统，除自动生成外延管理所需的监控报表外，也自动调整下批生产所需的参数，从而提高产品的合格率。

三、MOCVD 自动化云端系统的优势

MOCVD 自动化云端系统采用自主设计，综合国外MOCVD 控制系统的控制方式特点，结合LED 外延工艺的实践经验，运用数据库技术、多线程技术、网络技术及自动控制技术，实现对MOCVD 设备的全面控制，其中工艺智能控制是关键技术。

1、自动工艺设置

MOCVD 工艺步骤比较复杂，涉及的参数众多，例如，一个最简单的GaN 蓝光LED 单量子阱结构，工艺步骤达几十步，每一步需调整的工艺参数共有20 多个，各参数之间存在比较微妙的关系，工艺编辑人员需根据工艺要求，对各个参数进行逐一调整，必要时还要进行计算，如升温速度、升压速度、生长速率控制、载气与气源配比等。本系统已将MOCVD 的工艺参数数量化，并将整个工艺流程设置为固定模式，操作人员只需要将机器生产流程选定后，系统会自动进行参数配置。

2、参数模糊控制

设置出所有参数的模糊控制范围，保证烤盘内的衬底内外圈温度统一，产品的合格率提升，波段合格率保持稳定，不同批次产品都可以保证波段率一致。

3、模拟工艺运行

应用计算机技术对MOCVD 工艺全过程进行模拟，实现对MOCVD 工艺的调整和优化，可大大节省能源、源材料及人力。

4、机器保养

通过历史数据分析，将MOCVD 的维护周期和运行检修次数量化，设置出合理的检修和维护计划，减少突发状况造成的机器故障，保证产能供应。

5、远程监控/ 维护（规模化生产）

" 远程监控/ 维护" 是近年来半导体设备采用的新的技术热点，本系统利用云端技术可提供远程无延时响应控制，保证远程控制的可操作性，并能实时对系统内联网的MOCVD 设备在任何地方、任何时间进行升级监控。

四、MOCVD 自动化云端系统实现的功能

MOCVD 自动化云端系统可将MOCVD 设备中的各控制单元重点参数采集汇总，通过网络连接服务器统一管理和远程控制，并将异常数据上报管理中心，从而确保多台机台生产的外延片光均性、寿命等指标保持一致。其已实现如下功能：

1、根据生产工艺控制发光层厚度，保证产品光均性一致；

2、监测在制品产品参数，当参数出现落后指标或者超前指标异常后，及时通知技术人员维护调整；

3、根据产品的不同生产状态对MOCVD 温度进行调控，生产不同波段的外延产品时，系统会根据产品自动调整温度；

4、可提供远程访问系统内每台MOCVD 的参数、压力、温度和量测仪器的运行状态，并可以对MOCVD进行远程遥控生产。

5、通过对配方、温度、压力、流量、转数、成长速率等参数的调整，可提高外延片产品萃光亮度，确保多台机台生产的外延片光均性、光衰减等指标保持一致。

以下是传统厂商MOCVD 生产外延片与运用本云端系统生产外延片的主要技术指标对比表（表1）。从表中可以看出，产品性能有所提高，人力成本大幅度下降，机台调试时间也大大缩短。

五、小结

本MOCVD 自动化云端系统是为MOCVD 生产线量身打造的自动化云端控制系统，针对MO 源配方、工艺参数测量分析、设备维护、品质管理等功能整合一体，从而取代长期延用的人工控制晶体生长过程，解决了专业技术人员匮乏、产品一致性低、合格率较难控制等问题[3]。其在很大程度上提升了蓝光外延片和背光、照明芯片的国产化率，打破国际垄断，摆脱我国LED 封装产业使用的芯片受国外垄断及操纵的被动局面，推动LED产业链的持续健康发展。

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参考文献：

1、胡晓宇. GaN-MOCVD 设备的发展现状及产业化思考. 新材料产业. 2003-12-15.

2、胡晓宇, 何华云. 生产型GaN MOCVD 设备控制系统软件设计. 电子工业专用设备. 2006-11-10.

3、乐丽琴, 贺素霞. LED 照明市场爆发中的技术瓶颈分析. 电子元件与材料. 2014-03-05.