ORANSAL BASINÇ REGÜLATÖRLERİ

1. Silisyum Karbür Tek Kristal Malzemesi Nedir?

Silisyum Karbür (SiC) tek kristal malzemesi, geniş bant aralıklı bir yarı iletken malzeme olarak bilinir. Mükemmel fiziksel ve elektriksel özelliklere sahiptir. Özellikle yüksek sıcaklık, yüksek frekans, yüksek güç, radyasyon direnci, kısa dalga boylu ışık yayan ve optoelektronik entegre cihazların üretiminde son derece uygundur. Bu nedenle havacılık, uzay, radar, iletişim ve diğer alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Günümüzde SiC tek kristal büyümesi genellikle PVT (Fiziksel Buhar Taşınımı) yöntemiyle gerçekleştirilmektedir.

SiC tek kristal büyütmenin nihai amacı, büyük boyutlu ve düşük kusurlu SiC tek kristali elde etmektir. SiC tek kristalinin boyutu arttıkça, tek kristal fırındaki vakum basınç kontrolü son derece kritik hale gelir. Proses gazı basıncındaki değişiklikler, SiC kristallerinin büyüme hızı ve kristal kalitesi üzerinde büyük bir etkiye sahiptir.

Tipik bir SiC tek kristal büyüme sürecindeki basınç, sıcaklık ve proses gazının zamana bağlı değişim eğrileri incelendiğinde, kristal büyüme fırınındaki basınç kontrolünün, tüm vakum derecesi aralığında hassas bir değişim süreci olduğu görülür. Tüm vakum derecesi değişim aralığı düşük vakum ile yüksek vakum arasında (10^-4 Pa ~ 10^5 Pa) değişir. Özellikle 10 Pa ~ 10^5 Pa arasındaki düşük vakum aralığında hassas kontrol gereklidir.

PVT yöntemiyle SiC tek kristal hazırlanırken şu sorunlar hala mevcuttur:

1. Tüm süreçteki vakum derecesi değişimi kontrol etmek için genellikle “akış aşağı modu” (gaz çıkış hızını ayarlama) kullanılır. 0.1 Pa ile 1000 Pa arasındaki daha yüksek vakum aralığında kontrol doğruluğu son derece düşüktür ve kristal büyüme kabındaki basınç dalgalanması yüksektir (yaklaşık %±10).
2. Vakum kontrol cihazında kullanılan düzenleyici valf ve PID kontrolörler, temel olarak Akış Yukarı Akış Kontrol Valfleri ve Akış Aşağı Egzoz Kısma Valfleri ile PID Valf Kontrolörlerini kullanır. Maliyeti düşürmek için PID kontrolörü entegre edilmiş çeşitli akış aşağı egzoz kısma valfleri bulunsa da, genel maliyet hala nispeten yüksektir.
3. Tayvan’daki vakum basıncı için ikame ürünler ortaya çıksa da, hala büyük valf kaçak oranı, uzun valf ayarlama tepki süresi ve farklı aralıklardaki vakum göstergelerini otomatik olarak değiştirememe gibi sorunlar bulunmaktadır. Bu durum, aralık dahilinde yüksek hassasiyetli vakum basıncı kontrolüne ulaşmak için hem akış yukarı hem de akış aşağı kontrol modlarının aynı anda kullanılmasını engeller.

Bu makale, PVT SiC tek kristal büyüme sürecinde mevcut vakum basıncı kontrol sorunlarına ilişkin detaylı bir teknik analiz yapacak ve ilgili çözümleri önerecektir. Çözümün çekirdeği, tam basınç aralığında kontrol doğruluğunu ve kararlılığını büyük ölçüde artırmak için akış yukarı ve akış aşağı eş zamanlı kontrol yöntemini benimsemektir. Ayrıca, düşük kaçak oranına ve yüksek tepki hızına sahip oransal regülatör ile ultra yüksek hassasiyetli endüstriyel PID kontrolörleri tanıtılacaktır. Bu sayede, başta Krones oransal regülatör veya Sidel oransal regülatör gibi ithal ürünlerin yerelleşmiş ikamesine ulaşılması hedeflenmektedir.

2. Silisyum Karbür Tek Kristal Büyümesinde Stres Değişim Süreci Analizi

PVT yöntemiyle üçüncü nesil SiC tek kristalinin büyümesi sırasındaki basınç, sıcaklık ve gaz akışının değişim eğrileri, vakum basıncı değişim sürecinin incelenmesiyle, PVT yöntemiyle SiC tek kristalinin büyümesi sırasında vakum basıncı değişim gereksinimleri derinlemesine anlaşılabilir.

SiC tek kristal büyümesi sırasındaki vakum basıncı değişimi aşağıdaki aşamalara ayrılır:

1. Yüksek Vakum Aşaması: Yüksek vakum seviyesinde, kaplar ve malzemelerdeki hava ve nemi gidermek için yüksek vakum (örneğin 1×10^-4 Pa – 1×10^-3 Pa) uygulanır. Bu yüksek vakum seviyesi, Silisyum Karbür tozunun toz oluşumunu önlemek için hava basıncının yavaş ve sabit bir hızda düşürülmesini gerektirir.
2. Ön Büyüme Aşaması: Proses gazının dolması ve sıcaklığın kademeli olarak artmasıyla, kaptaki hava basıncının da sabit bir hızda normal basınca veya hafif pozitif basınca kademeli olarak yükseltilmesi ve gaz değişimi ile hava ve nemin daha da uzaklaştırılması gereklidir.
3. Büyüme Aşaması: Kristal büyüme aşamasında, kap basıncının sabit bir hızda belirli bir ayar değerine (büyüme basıncı) düşürülmesi ve uzun bir süre sabit tutulması istenir. Farklı büyüme ekipmanları ve süreçleri genellikle farklı büyüme basınçları kullanır. Burada, çok hassas bir basınç regülatörü işlevi kritik öneme sahiptir.
4. Soğutma Aşaması: Soğutma aşamasında, sıcaklık kademeli olarak azalırken, kaptaki hava basıncının sabit bir hızda normal basınca veya hafif pozitif basınca kademeli olarak yükseltilmesi gerekir.

Yukarıdaki tek kristal büyüme süreci sırasındaki basınç değişiminin çeşitli aşamalarından, vakum basınç regülatörü cihazının aşağıdaki ana teknik göstergeleri karşılaması gerektiği görülmektedir (bunlar ithal ürünlerin ulaştığı teknik göstergelerdir):

• Kaçak Oranı: 1×10^-4 Pa/s’den az.
• Kontrol Doğruluğu ve Uzun Süreli Kararlılık: Herhangi bir vakum basıncında, kontrol doğruluğu %1’den (hatta %0.5’ten) daha iyi ve uzun vadeli kararlılık %1’den (hatta %0.1’den) daha iyi olmalıdır.
• Tepki Hızı: 1 saniyeden az. Tepki hızı, kontrol doğruluğunu ve uzun vadeli kararlılığı da belirler. Özellikle sıcaklık ve akışın ortak etkisi altında vakum basıncı hızla dalgalanacaktır. Hızlı tepki hızı, hassas kontrolün anahtarıdır. Bu, lazer kesim gibi hızlı tepki gereken uygulamalarda kullanılan oksijen regülatörü gereksinimlerine benzer bir hassasiyet gerektirir.
• Farklı Aralıklarla Vakum Göstergelerinin Bağlanması: Tüm vakum basıncı ölçüm kontrol aralığını kapsamak için farklı aralıklara sahip 2 kapasitans vakum göstergesi bağlanabilir ve sensör, ilgili vakum derecesine göre otomatik olarak değiştirilip kontrol edilebilir.
• Programlanabilir Kontrol: Herhangi bir basınç kontrol eğrisinin ayarı programlanabilir ve farklı proses kontrol çağrıları için birden fazla kontrol eğrisi saklanabilir.
• PID Parametreleri: Kendi kendine ayarlanabilir olmalı ve birden fazla PID parametresi grubunu saklayıp çağırabilmelidir.
• Ana Bilgisayarla İletişim: Ana bilgisayarla (PLC ve bilgisayar gibi) iletişim kurabilmeli ve standart bir iletişim protokolüne sahip olmalıdır.

3. Yüksek Hassasiyetli Vakum Basıncı Kontrol Çözümü

Yukarıdaki analizden, farklı SiC kristal büyüme süreçleri için gereken basıncın 0.2 Pa ile 80 kPa arasında geniş bir aralık olduğu görülmektedir. Şu anda, dünya çapında kristal büyüme sürecinin basınç aşamasında genellikle akış aşağı kontrol modu kullanılmaktadır. Büyüme kapları arasına bir kısma valfi kurulur.

Vakum basıncı kontrolü, sabit akış yukarı giriş akışı ve kısma valfi aracılığıyla akış aşağı egzoz akışının ayarlanmasıyla sağlanır. 1 kPa’dan büyük yüksek basınç aralığı için bu akış aşağı kontrol modu çok etkilidir ve hassas basınç kontrolüne ulaşabilir. Ancak, düşük basınç aralığı (0.1 Pa ~ 1 kPa) için akış aşağı modunun kontrol etkisi son derece zayıftır ve akış yukarı giriş akışını ayarlamak ve akış aşağı pompalama akışını sabit tutmak gereklidir (Akış Yukarı kontrol modu).

Akış yukarı kontrol modu, vakum kontrolü alanında yaygın olarak kullanılmaktadır ve daha önceki pratik uygulama ve doğrulama testlerinde 1 kPa’nın altındaki düşük basıncın hassas kontrolüne ulaşabileceği de doğrulanmıştır.

Özetle, 0.2 Pa’dan 80 kPa’ya kadar olan tam aralıkta vakum basıncının hassas kontrolüne ulaşmak için sırasıyla akış yukarı ve akış aşağı modlarının kullanılması gerekir. Bu nedenle, hem akış yukarı hem de akış aşağı modlarını uygulayabilen yüksek hassasiyetli bir vakum basıncı kontrol çözümü öneriyoruz. Eş zamanlı akış yukarı ve akış aşağı kontrole sahip vakum basıncı kontrol sistemi yapısı Şekil 2’de gösterilmiştir.

Şekil 2’de gösterilen çözümde, 0.2 Pa’dan 80 kPa’ya kadar olan tam vakum aralığını kapsamak için iki kapasitans vakum göstergesi kullanılır. Vakum göstergelerinin ölçüm sinyalleri, sırasıyla akış yukarı elektronik oransal valfi ve akış aşağı elektrikli küresel valfi süren PID kontrolörüne gönderilir. Kapalı döngü kontrol sistemi, tam aralıkta vakum basıncının hassas kontrolüne ulaşır.

Vakum basıncının spesifik kontrol süreci şöyledir:

1. Yüksek Basınç ( > 1 kPa): Basınç kontrol ayar değeri 1 kPa’dan büyük yüksek basınç aralığında olduğunda, PID kontrolör akış aşağı kontrol modundadır. PID kontrolörü, akış yukarı elektronik kontrollü iğne valfini sabit bir açıklığa ayarlar ve akış aşağı elektronik kontrollü valf üzerinde otomatik PID kontrolü gerçekleştirir. Elektronik kontrollü küresel valfin açıklık değişiminin hızla ayarlanmasıyla, büyüme kabındaki basınç ölçüm değeri hızla ayar değerine eşitlenebilir.
2. Düşük Basınç ( < 1 kPa): Basınç kontrol ayar değeri 1 kPa’dan küçük düşük basınç aralığında olduğunda, PID kontrolör akış yukarı kontrol modundadır. PID kontrolörü, akış aşağı elektronik kontrollü küresel valfi sabit bir açıklığa ayarlar ve akış yukarı elektronik kontrollü iğne valfi üzerinde otomatik PID kontrolü gerçekleştirir. Elektronik kontrollü iğne valfinin açıklığının hızla ayarlanmasıyla, büyüme kabındaki basınç ölçüm değeri hızla ayar değerine eşitlenebilir.

4. Destekleyici Cihazların Yerelleştirilmiş İkamesi

Bu makalede önerilen çözüm, vakum göstergesi, elektronik kontrollü valf ve PID kontrolörün teknik gereksinimleri karşılaması koşuluyla yüksek hassasiyetli vakum basıncı kontrolüne ulaşabilir. En yüksek doğruluk ve kararlılık, ayar değerinin %±0.5’ine kolayca ulaşabilir ve hatta çoğu vakum basıncı aralığında kararlılık, ayar değerinin %±0.1’ine ulaşabilir. Bu hassasiyet, 40 bar oransal regülatör veya 100 bar oransal regülatör gibi yüksek basınç sistemlerinin gerektirdiği hassasiyetten farklı bir boyuttadır.

Vakum teknolojisi uygulama alanında şu anda yaygın olarak yabancı ürünler kullanılmaktadır. Ancak yerelleştirme teknolojisinin gelişimiyle birlikte, film kapasitans vakum göstergeleri haricindeki temel destekleyici cihazlarda anahtar teknolojilerde (düşük kaçak oranı ve hızlı tepki süresi gibi) atılımlar sağlanmıştır. Bu yerelleştirilmiş ikameler şunları içerir:

• Yüksek hızlı ve düşük kaçaklı vakum için elektronik kontrollü iğne valfleri ve elektronik kontrollü küresel valfler (KaoLu’nun Oransal Akış Kontrol Valfi gibi).
• Çok fonksiyonlu ultra yüksek hassasiyetli genel amaçlı PID kontrolörleri.

KaoLu’nun Şekil 3’te gösterilen oransal valfleri, Bölüm 2’deki tüm teknik gereksinimleri karşılamaktadır. Özellikle yüksek hassasiyetli endüstriyel PID kontrolörü üstün performansa sahiptir. 24-bit analogdan dijitale dönüşüm ve 16-bit dijitalden analoğa dönüşüm, çift hassasiyetli kayan nokta işleminin minimum %0.01’lik çıkış yüzdesi, basınç, sıcaklık ve akış gibi proses parametrelerinin ultra yüksek hassasiyetli kontrolüne ulaşabilen, endüstriyel PID kontrolörleri arasında şu anda dünya çapında en üst düzey göstergelerdir.

5. Sonuç

PVT tek kristal büyüme süreci için bu makalede önerilen akış yukarı ve akış aşağı çift yönlü kontrol çözümü, tüm aralıkta vakum basıncının hızlı ve yüksek hassasiyetli kontrolüne ulaşabilir. Bu çözüm birçok vakum teknolojisi alanında uygulanmıştır. İlgili elektronik oransal akış kontrol valfi ve elektrikli küresel valf, ithal ürünlerle benzer teknik göstergelere sahipken, endüstriyel ultra yüksek hassasiyetli PID kontrolörü üstün performansa sahiptir. Bu destekleyici cihazlar, çeşitli vakum basınç sensörleri ve çift yönlü kontrol yöntemleriyle birleşerek vakum basıncının yüksek hassasiyetli kontrolünü mümkün kılmaktadır.