摘要：ＳｉＣ外延设备工作过程中经常会遇到信号干扰的问题，会对生产造成不便，更严重的则会造成设备损毁从而危险人身安全。为此，从工程实践的角度出发，针对控制系统一般性干扰问题和ＳｉＣ外延设备特殊性干扰问题展开分析。基于目前已有的抗干扰技术，从干扰源、干扰途径入手，系统性地对碳化硅外延设备研发中出现的干扰问题进行分析解决。选取具有特点的通讯干扰、视频信号干扰、模拟信号干扰等干扰问题进行分析；通过ＲＳ４８５隔离集线器、双绞屏蔽线、接地铜带、抗干扰磁环等，提升设备生产过程中的抗干扰性能；使用示波器、万用表等仪器进行检测。结果表明：采用所提方法能够明显改善信号质量，所提方案稳定、可靠，研究结果为ＳｉＣ外延设备的研发与工作生产提供参考。

　　关键词：ＳｉＣ外延设备；电磁干扰；抗干扰；ＰＬＣ控制系

　　ＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅＰｒｏｂｌｅｍａｎｄＳｏｌｕｔｉｏｎｏｆＳｉｌｉｃｏｎＣａｒｂｉｄｅＥｐｉｔａｘｉａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔ

　　ＧａｏＳａｎｇｔａｎ，ＭａｏＣｈａｏｂｉｎ，ＤａｉＫｅｆｅｎｇ，ＳｈｅｎｇＦｅｉｌｏｎｇ，ＷａｎｇＸｉｎ，ＣｈｏｕＬｉｑｉｎ，ＬｉａｎｇＱｉｈｅｎｇ

　　（ＪｉＨｕａＬａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ｆｏｓｈａｎ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ５２８２００，Ｃｈｉｎａ）

　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＩｎｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆＳｉＣｅｐｉｔａｘｉａｌｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ｉｔｏｆｔｅｎｅｎｃｏｕｎｔｅｒｓｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｓｉｇｎａｌｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ｗｈｉｃｈｗｉｌｌｃａｕｓｅｉｎｃｏｎｖｅｎｉｅｎｃｅｔｏｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ａｎｄｍｏｒｅｓｅｒｉｏｕｓｌｙ，ｉｔｗｉｌｌｃａｕｓｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｄａｍａｇｅａｎｄｔｈｕｓｄａｎｇｅｒｏｕｓｐｅｒｓｏｎａｌｓａｆｅｔｙ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｆｒｏｍｔｈｅｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅｏｆｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｐｒａｃｔｉｃｅ，ｔｈｅｇｅｎｅｒａｌｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍａｎｄｔｈｅｓｐｅｃｉａｌｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆＳｉＣｅｐｉｔａｘｉａｌｅｑｕｉｐｍｅｎｔａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇａｎｔｉ－ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｐｒｏｂｌｅｍｓａｒｉｓｉｎｇｉｎｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｓｉｌｉｃｏｎｃａｒｂｉｄｅｅｐｉｔａｘｉａｌｅｑｕｉｐｍｅｎｔａｒｅｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｓｏｌｖｅｄｆｒｏｍｔｈｅｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅｏｆｔｈｅｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｓｏｕｒｃｅａｎｄｔｈｅｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｗａｙ．Ｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ｖｉｄｅｏｓｉｇｎａｌｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ａｎａｌｏｇｓｉｇｎａｌｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅａｎｄｏｔｈｅｒｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｐｒｏｂｌｅｍｓａｒｅｓｅｌｅｃｔｄｆｏｒａｎａｌｙｓｉｓ；ｔｈｒｏｕｇｈＲＳ４８５ｉｓｏｌａｔｉｏｎｈｕｂ，ｔｗｉｓｔｅｄｐａｉｒｓｈｉｅｌｄｉｎｇｗｉｒｅ，ｇｒｏｕｎｄｉｎｇｃｏｐｐｅｒｓｔｒｉｐ，ａｎｔｉ－ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｍａｇｎｅｔｉｃｒｉｎｇａｎｄｓｏｏｎ，ｔｈｅａｎｔｉ－ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｉｎｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｉｓｉｍｐｒｏｖｅｄ；ｏｓｃｉｌｌｏｓｃｏｐｅ，ｍｕｌｔｉｍｅｔｅｒａｎｄｏｔｈｅｒｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓａｒｅｕｓｅｄｆｏｒｄｅｔｅｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅｓｉｇｎａｌｑｕａｌｉｔｙｃａｎｂｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｉｍｐｒｏｖｅｄ，ｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｓｃｈｅｍｅｉｓｓｔａｂｌｅｄａｎｄｒｅｌｉａｂｌｅｄ，ａｎｄｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｐｒｏｖｉｄｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆＳｉＣｅｐｉｔａｘｉａｌｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．

　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＳｉＣｅｐｉｔａｘｙｅｑｕｉｐｍｅｎｔ；ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ；ａｎｔｉ－ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ；ＰＬＣｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ

　　０引言

　　碳化硅（ＳｉＣ）因具有禁带宽、击穿电压高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强等优越性能，已逐渐替代硅（Ｓｉ）、锗（Ｇｅ）等材料，成为新一代半导体材料的代表［１－２］。同时碳化硅及其衍生品还是支撑新能源汽车、高速列车、能源互联网、国防军工等产业创新发展和转型升级的重点核心材料和关键电子元器件，其发展壮大对国民经济、国防安全、社会民生等领域均具有重要战略意义［３－５］。国内形成了从ＳｉＣ衬底、外延、芯片到应用的完整产业链，但是关键装备依赖进口，成本高昂，且有被卡脖子的风险，而国产装备在高性能、高产量、低能耗、可靠性、重复性等方面与国外差距较大，规模化应用水平亟待提高。国家将此项目纳入十四五规划，并启动立项，将极大地促进国内ＳｉＣ产业更好更快地发展。

　　ＳｉＣ产业链可以分为ＳｉＣ单晶生长、外延层生长、芯片制造、模块制造、系统应用等环节［６－８］，涉及单晶炉、外延炉、离子注入机、光刻机、多线切割机等关键高端半导体装备，目前主要被国外少数几家公司垄断，国际半导体企业都在加大研发投入，但还未形成专利、标准和规模的垄断，是我国发展的战略机遇期。本文作者所在实验室“宽禁带半导体ＳｉＣ高温外延生长装备开发与产业化”项目旨在针对大尺寸碳化硅芯片制造装备关键技术进行产业公关，突破国外技术专利垄断，促进我国碳化硅产业健康发展。

　　外延设备由真空系统、传片系统、气路系统、加热系统等部分组成［９－１０］，它们大多处在强电电路和中高频设备所形成的恶劣电磁环境中，在设备运行中受环境影响往往会出现数据采集波动、通信中断、信号异常等现象［１１－１２］。因此，提高系统的稳定性以及抗干扰能力是保证外延设备正常运行的前提条件。本文从工程实践中出现的问题出发，提出一套适用于碳化硅外延设备的提升抗干扰能力的解决方案，经实验验证，该方案可以很好地满足设备的运行要求。

　　１常见的干扰源及其分类

　　１．１电源的干扰

　　设备的正常工作供电来源于电网供电，导致电源电路产生干扰的主要因素有：供电线缆上大功率电器的频繁启动、电网短路瞬时冲击、电网运行方式改变而引起的阻抗变化、电力负荷因季节性及昼夜不同时间而变化等。碳化硅外延设备用电类型有ＡＣ３８０Ｖ、ＡＣ２２０Ｖ、ＤＣ２４Ｖ等，其中直流部分需经过设备内部开关电源进行变压，然后供给控制系统使用。虽然开关电源有一定的隔离抗干扰功能，但受其结构及工艺参数的影响，其隔离性能并不十分理想，并不能实现完全隔离。

　　１．２信号线引入的干扰

　　ＰＬＣ在正常工作中需要采集传感器端口的电压、电流信号，进而通过模数转换获取当前数据，有一些还需要输出电信号实现对器件的控制，这一切都需要通过信号导线实现。由于一般ＰＬＣ距离传感器在空间上都有一定的距离，信号在传输过程中极易受到干扰，主要是空间中电磁辐射产生的干扰即信号线上的外部感应干扰形成的共模电压，会造成诸如信号丢失、精度下降、数据忽高忽低等不良影响，严重时将造成元器件损坏。

　　１．３接地引入的干扰

　　设备接地主要是为电磁干扰提供低阻抗通路，防止电磁干扰在传播过程中互相耦合。ＰＬＣ控制系统的接地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等，需要在使用时分清不同接地点的功能，若混用不同接地点可能会影响ＰＬＣ内部电路的正常工作。而如果各个接地点的电阻不同则将造成电位分布不匀，接地点之间形成电位差，从而引起地线环流，影响控制系统正常工作。当多个零部件将接地点串联在一起共用一段地线时，由于各电路中的工作电流情况不同，会对地电位产生影响，这样不同电路中的信号会发生耦合，从而产生较大的公共阻抗，形成电位差，造成地线环流，最后影响系统正常工作。

　　１．４ＰＬＣ控制系统自身的干扰

　　ＰＬＣ系统自身元器件与内部电路之间会产生电磁辐射影响，进而对ＰＬＣ控制系统造成干扰，如系统内部逻辑电路之间相互形成辐射，同时其也会对模拟电路造成影响。除此以外，部分ＰＬＣ控制系统中的元器件之间也存在相互不匹配的现象。形成该类型干扰的主要原因是系统自身电磁兼容设计存在问题，属于ＰＬＣ制造企业问题，较为复杂，难以处理。

　　２碳化硅外延设备ＰＬＣ控制系统干扰类型及现象

　　本文探讨的干扰问题出现于某碳化硅外延设备项目开发过程中，干扰类型根据传播途径的不同可以分为传导干扰和辐射干扰。传导干扰是指由连接线（电源线、控制线、信号线等）传播的电磁干扰，如来自电源及控制信号的干扰等；辐射干扰是指通过空间以电磁波的方式进行的干扰，如感应线圈产生的磁感线等。

　　由于工艺的需要，硅片需在１７００℃的温度下进行外延生长，因此高温系统作为碳化硅外延装备的关键组成部分，其工程应用一直是重要的研究课题。碳化硅外延设备的加热方式是使用感应线圈加热石墨坩埚，即系统中的感应线圈是感应加热电源的执行器，线圈中流过交流电流，通过线圈的磁通量随着电流变化而改变，在闭合的导体内部会产生感应电流，利用涡流效应产生的焦耳热对坩埚进行加热，然后再由坩埚传热给内部的硅片，坩埚本身不导磁，因此不存在磁滞损耗与涡流损耗，感应电源可提供最高６０ｋＷ的额定输出功率，功率控制精度为０．１％，三相３８０ＶＡＣ、５０Ｈｚ的额定输入电压，感应线圈为单组铜管螺旋结构，截面由２０ｍｍ×１０ｍｍ×１ｍｍ方铜管绕制而成，一共１２匝，内部中空通入冷却水冷却，如图１所示。据观察，干扰现象往往出现在感应电源工作过程中。

　　现象主要有以下几种。

　　（１）设备正常运行，加热很稳定，控温精度维持在１℃左右，温控仪上可以实时显示当前反应腔室内部温度，但是测温模块ＢＡＳＦ－ＥＸＡＣＴＵＳ会在加热开始后的１０ｍｉｎ后信号丢失，此时ＰＬＣ只能从温控仪处读取温度，而无法直接读取高温计的读数。

　　（２）在加热过程中，发现千级净化间操作台显示屏上出现波浪纹，并随着感应加热电源工作功率的增加而变得密集，当加热结束，波浪纹随之消失。

　　（３）在加热过程中排气管道压力计ＩＮＦＩＣＯＮ－ＣＤＧ０１００Ｄ出现上报的读数跳动、信号丢失等现象。

　　３干扰问题解决方案

　　通过对干扰源的理论分析，同时联系碳化硅外延设备上出现的干扰现象，本文认为应从减少或抑制干扰源、切断电磁干扰的传播途径、提高装置和系统的抗干扰能力这３个方面入手解决碳化硅外延设备的干扰问题，在具体应用中应从以下几个方面采取措施。

　　３．１针对ＢＡＳＦ高温计无法正确读数的措施

　　因为在整个加热过程中，欧陆温控仪可以实时与高温计完成通信，并读取当前温度，所以首先排除高温计本身的问题，将范围缩小至高温计与ＰＬＣ的连接上，供电方面由欧姆龙Ｓ８ＶＫＣ４８０２４提供稳定的ＤＣ２４Ｖ工作电压给ＰＬＣ和高温计，ＰＬＣ和高温计的通信方式是ＲＳ４８５，由于设备在工艺生产中出现信号丢失的现象，使用示波器观察ＲＳ４８５波形如图２所示，可见干扰非常严重。

　　正常的ＲＳ４８５通信方式是通过Ａ、Ｂ两个引脚，通过检测两者之间电压的差值，判断逻辑１和逻辑０，通常认为接收端ＡＢ间的电压差大于２００ｍＶ表示１，小于－２００ｍＶ表示０，ＡＢ之间的电压差至少应为２００ｍＶ。

　　由于除高温计之外还有其他部件需要使用ＲＳ４８５通信，而ＰＬＣ接口有限，所以全部并接在一起，现在将高温计单独连接到ＰＣ上位机进行调试，并更改安装位置，减少因相邻部件而带来的电磁干扰。经过测试，信号不存在丢失的问题，由此排除高温计模块自身的硬件通信接口问题。由于ＰＬＣ与其他部件通信时也不存在信号丢失问题，将问题锁定在ＲＳ４８５信号线连接、布线两个方面。

　　信号传输电路因为选用线材的不同，特性阻抗也有差异，当信号传输到末端时，由于阻抗不匹配会造成信号反射，影响信号质量。因此为避免该问题，需要在接收端接入终端匹配电阻，其终端匹配电阻值取决于电缆的阻抗特性，根据实验测得所使用的线缆阻抗值为１２０Ω。在配置时，将终端电阻连接在信号传输的起始端与终止端，而中间的节点不需要再额外接入。

　　接地对ＲＳ４８５也十分重要，接地方式为单点接地，接地的目的是给共模部分提供一个低阻抗的返回通路，否则信号将以辐射的形式反过来影响信号源端。最后，增加了一个ＲＳ４８５集线器，其作用是将多路ＲＳ４８５信号输入整合为１路信号输出，接口之间采用光电隔离及浪涌保护，能够有效抑制共模、浪涌干扰，在简化接线方式的同时提升通信的可靠性。文中采用的是科美Ｍ－２０６集线器，原理如图３所示。使用示波器实时监测波形，结果如图４所示。

　　３．２针对操作台显示屏波浪纹的措施

　　碳化硅外延设备使用的上位机服务器为联想ＴｈｉｎｋＳｙｓｔｅｍＳＲ５３０，预留ＤＶＩ视频接口，显示器为ＶＧＡ接口，当感应电源开始工作时，使用手持式电磁波辐射检测仪可以发现服务器周围的电场和磁场急剧上升，因此需要减少空间中的电磁辐射，采用高导电率和高导磁率的金属材料做成柜体将ＰＬＣ控制系统装起来，以及将与ＰＬＣ控制系统相邻的干扰源用高导电率和高导磁率的金属材料包围起来。这样能切断辐射干扰的传播途径以及回路间的电磁耦合，同时能够消除两个电路间由于分布电容耦合的干扰和互感耦合（磁耦合）的干扰，从而屏蔽来自加热电源的干扰和ＰＬＣ相邻设备的电磁辐射干扰。

　　将机柜等电器设备的保护接地接入工厂的接地网，使机柜上感应的高频干扰电压有一个低阻抗的泄漏通道，使之不存在因电荷积蓄而使机柜电压升高的可能。这样有利于保证人员安全，而且有利于抑制干扰的冲击。

　　同时，应使用大截面的铜带，即使用横截面较大的通线，将各个设备柜体中心的接地点相连，之后将接地母线与接地极相连。其中，用于接地线的铜制导线的横截面面积不得小于２２ｍ２，作为总母线的铜排面积不得小于６０ｍ２，同时控制接地极的接地电阻，一般不得令其超过２Ω。

　　采用上述方法后，服务器抗干扰能力得到明显提升，但是显示器和视频信号线依然暴露在高强度杂散信号空间中，为提高传输效率及稳定性，在信号线上安装磁环。磁环也叫做ＥＭＩ滤波器，一般由铁氧体材料组成，材料特点是在低频段呈现极低的阻抗值，让低频信号顺利通过，而从１０ＭＨｚ开始，阻抗急剧增加，当有高频信号通过时可被磁环转化为热量消耗掉，所以在实际使用中会观察到磁环发热。另外，应该尽可能地将磁环安装在靠近干扰源的地方或是电路中靠近屏蔽层的出、入口处。

　　通过以上方法，显示器波浪纹的问题得到有效解决，同时在感应电源工作时使用电磁波辐射检测仪检测时，发现服务器周围的电场与磁场数值也有了明显降低。

　　３．３针对真空压力计读数跳动的措施

　　压力计为三线制信号传感器，即电源正极、信号输出正极、电源负端与信号负端三者各一根线，供电为２４ＶＤＣ，输出信号为０～１０Ｖ，工艺开始后压力读数出现１Ｖ左右的跳动。为解决该问题，从以下几个方面改进优化。

　　（１）线材的选用

　　使用特性匹配为１２０Ω的双绞屏蔽通信电缆，磁屏蔽利用高导材料的低磁阻特性，使得磁场进行分路，减少线缆受到的磁场影响。双绞线可以降低导线之间的互相干扰，但是要注意屏蔽层需要单端良好接地，否则传输性能将大打折扣。

　　（２）布线

　　走线槽中的电缆线路种类繁多，且传输的信号类型之间存在差别，所以存在互相干扰的可能性，因此重新设计电路走线，将信号线按照输送信号的种类分层实施铺设，并且使信号线路远离动力电缆，两者避免水平铺设。

　　（３）软件滤波

　　虽然电磁干扰极为复杂，但也是有一定的规律，因此在确定干扰的类型以及波形数据后，可以采取相应的滤波算法去除干扰，获取其中有用的数据。经典滤波技术的基础是傅里叶变换，它建立在信号和噪声频率分离的基础上，通过衰减噪声所在频率区域幅值来达到提高信噪比的效果，于是针对不同的频率段就有了低通、高通、带通等滤波器之分。由于碳化硅外延设备的感应电源是中频加热，根据干扰的频率段选取使用带通滤波算法。

　　４结束语

　　本文通过分析碳化硅外延设备研发工作过程中的干扰现象，指出电磁干扰是导致信号波动的主要原因，探究干扰的来源以及传播途径，从工程实践的角度出发，针对通信干扰、视频信号干扰、模拟信号干扰等具体问题进行分析，提出了一套适用于碳化硅外延设备的提升抗干扰能力的解决方案。该方案利用了电磁学的特性，从远离干扰源、切断传播途径入手，使用接地编制铜带、磁环、ＲＳ４８５集线器、软件滤波等技术手段降低干扰带来的影响。结果表明：文中所提方法可以很好地满足设备的运行要求，为ＳｉＣ外延设备的研发与工作生产提供参考。

   　［１］赵婉雨．聚焦产业关键技术，把握第三代半导体发展机遇———第三代半导体材料产业技术分析报告［Ｊ］．高科技与产业化，２０１９（５）：２８－４０．

　　［２］陈硕翼，张丽，唐明生，等．碳化硅电力电子器件技术发展现状与趋势［Ｊ］．科技中国，２０１８（６）：４－７．

　　［３］杨金，文正，仲啸，等．第三代半导体ＳｉＣ功率器件栅氧制备设备及工艺研究［Ｊ］．中国集成电路，２０２２，３１（８）：８１－８５．

　　［４］打造驱动第三代功率半导体转换器背后的ＩＣ生态系统［Ｊ］．电子产品世界，２０２２，２９（７）：１０－１１．

　　［５］第三代半导体与硅器件将长期共存［Ｊ］．电子产品世界，２０２２，２９（７）：１２－１３．

　　［６］杨金，巩小亮，何永平．第三代半导体ＳｉＣ芯片关键装备现状及发展趋势［Ｊ］．电子工业专用设备，２０２２，５１（３）：８－１３．

　　［７］李英峰，林华健．山东省第三代半导体产业“十四五”发展研究［Ｊ］．信息技术与信息化，２０２２（２）：４５－４８．

　　［８］李丽婷．碳化硅半导体材料研究进展及其产业发展建议［Ｊ］．厦门科技，２０１６（５）：１－１１．

　　［９］戴科峰，仇礼钦，盛飞龙，等．碳化硅外延设备控制系统的设计与实现［Ｊ］．机电工程技术，２０２２，５１（９）：１３２－１３６．

　　［１０］韩跃斌，蒲勇，施建新．化学气相沉积法碳化硅外延设备技术进展［Ｊ］．人工晶体学报，２０２２，５１（７）：１３００－１３０８．

　　［１１］钱豫平，朱立国，孙昊，等．ＰＬＣ控制系统的可靠性设计［Ｊ］．中国仪器仪表，２０２２（５）：６８－７１．

　　［１２］陈冠斌，陈卫乾，刘耸．锅炉ＰＬＣ控制系统干扰问题解决方案［Ｊ］．工业锅炉，２０２１（２）：２６－２９．