專利名稱：可程控硅片微區(qū)加熱控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種加熱控制裝置，尤其是一種大電壓、大電流范圍的恒流裝置，特別用于硅片微區(qū)加熱的控制裝置。
(2)背景技術(shù)化學(xué)氣相沉積(CVD)是利用氣態(tài)物質(zhì)在一固體表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成固態(tài)沉積物的過程，是近十年發(fā)展起來(lái)的制備無(wú)機(jī)新材料的新技術(shù)。在該制備方法中，無(wú)論是熱解反應(yīng)、化學(xué)合成反應(yīng)、化學(xué)運(yùn)輸反應(yīng)，都要使用加熱手段。而大多數(shù)的反應(yīng)都集中在1100℃以內(nèi)，管式爐是最常被采用的一種加熱方式。但管式爐不僅體積大、能耗高、價(jià)格昂貴，而且加熱中心溫度控制不準(zhǔn)確，溫度由中心向兩邊逐漸降低。這與現(xiàn)在化學(xué)合成的環(huán)保化、微量化、精確化趨勢(shì)極不相容。另外，其升溫降溫速度緩慢，無(wú)法適應(yīng)快速溫度變化的CVD合成實(shí)驗(yàn)的需要。
(3)發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種利用硅片在高溫下的穩(wěn)定性，直接以硅片為加熱負(fù)載，集硅片加熱與沉積于一體，不僅能耗低(小于240W)，加熱溫度范圍寬(常溫～1200℃)，溫度控制準(zhǔn)確(穩(wěn)定后溫度變化小于5℃)，溫度變化迅速(大于200℃/S)，而且可以通過計(jì)算機(jī)程控硅片溫度，大大提高CVD試驗(yàn)靈活性的可程控硅片微區(qū)加熱控制器。
本實(shí)用新型設(shè)有升壓電路，升壓電路輸出端外接被加熱硅片(負(fù)載)，用于在硅片處于冷狀態(tài)時(shí)，將電源電壓升壓以啟動(dòng)硅片，并隨著硅片升溫實(shí)時(shí)下調(diào)電壓。
脈寬調(diào)制電路，其脈寬調(diào)制信號(hào)輸出端接升壓電路控制信號(hào)輸入端，為升壓電路提供脈寬調(diào)制信號(hào)，過流信號(hào)輸入端接升壓電路的電流信號(hào)輸出端，為升壓電路提供過流保護(hù)。
超壓保護(hù)電路，其超壓判斷信號(hào)輸入端外接被加熱硅片，其超壓關(guān)閉信號(hào)輸出端接脈寬調(diào)制電路的調(diào)制信號(hào)輸入端，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控升壓電路的輸出電壓。
恒流電路，其輸入端外接被加熱硅片，用于控制硅片電流，以實(shí)現(xiàn)控制硅片溫度的目的。
升壓或降壓恒流自動(dòng)判斷切換電路，分別接升壓電路和恒流電路，用于升壓電路與恒流電路的工作切換。
接口電路，其電流采樣端口接恒流電路，被加熱硅片兩端電壓采樣端口外接被加熱硅片，為計(jì)算機(jī)或單片機(jī)控制溫度接口，以及監(jiān)控硅片兩端電壓、電流采樣端口。
電源，分別連接升壓電路、脈寬調(diào)制電路、超壓保護(hù)電路、恒流電路、升壓或降壓恒流自動(dòng)判斷切換電路和接口電路等。
本實(shí)用新型是通過控制流經(jīng)硅片電流(例如0～5A)實(shí)現(xiàn)控制硅片溫度的目的。一開始，硅片處于室溫狀態(tài)，電阻超過5000Ω(對(duì)于10mm×50mm見方，1mm厚的硅片)，必需通過升壓電路，將電源電壓(例如48V)升高至300V左右，才能使硅片獲得足夠的功率啟動(dòng)升溫。當(dāng)硅片溫度超過300℃后，硅片電阻快速下降，電流迅速增大，加熱功率也迅速增大，硅片溫度急劇升高，此時(shí)需要適時(shí)下調(diào)電壓，否則硅片將迅速紅熱并炸裂。當(dāng)硅片到達(dá)設(shè)定溫度(例如常溫～1200℃)時(shí)，硅片的電阻下降到3～10Ω左右，此時(shí)必需及時(shí)關(guān)閉升壓電路，并對(duì)硅片進(jìn)行恒流控制，并最終實(shí)現(xiàn)恒溫目的。同時(shí)為保證本實(shí)用新型工作的安全可靠，電路設(shè)計(jì)了1)防止硅片空載或斷裂時(shí)的350V超壓保護(hù)電路，防止電壓過高燒毀元件；2)電路對(duì)升壓電路和恒流電路的過流保護(hù)；3)為了方便計(jì)算機(jī)/單片機(jī)程控硅片溫度，電路設(shè)計(jì)了接口電路，接上計(jì)算機(jī)/單片機(jī)D/A(數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換)輸出(0～5V)即可控制硅片溫度；4)接口電路還提供硅片兩端電壓、電流采樣接口(0～5V)，不僅可以方便地控制硅片溫度，還可以方便地通過計(jì)算機(jī)/單片機(jī)的A/D(模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換)輸入實(shí)時(shí)監(jiān)控硅片的狀態(tài)。
本實(shí)用新型是為了適應(yīng)硅片特殊的電阻特性(電阻隨溫度變化很大)而設(shè)計(jì)的硅片加熱全自動(dòng)控制裝置，集硅片的啟動(dòng)、控溫、保護(hù)等多種功能于一體。由于硅片體積熱容小，不僅可靈活控制溫度，還達(dá)到環(huán)保節(jié)約能源的目的(管式爐多為1000-2000W，而本裝置最大功率為240W)。具有溫度變化迅速、溫度控制準(zhǔn)確、溫度范圍寬等特點(diǎn)，尤其適合需快速溫度變化或需準(zhǔn)確控制溫度的CVD試驗(yàn)體系。本裝置用于實(shí)際的CVD試驗(yàn)，效果良好。此外本裝置還可以作為大電壓范圍(0～300V)大電流(0～5A)的恒流裝置，可應(yīng)用于一些大負(fù)載變化的恒流控制場(chǎng)合。
(4)
圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例電路框圖。
圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例的電路原理圖。
(5)具體實(shí)施方式
如圖1，2所示，本實(shí)施例采用48V 5A的開關(guān)電源1，提供給降壓電路2、升壓電路3和恒流電路4。降壓電路2將48V電壓降壓為18V，提供給脈寬調(diào)制電路5、過壓保護(hù)電路6、恒流電路4、接口電路7、升壓或降壓恒流自動(dòng)判斷切換電路8。降壓電路2主要由達(dá)林頓管Q4(TIP122型)、穩(wěn)壓管Z3(18V)、電解電容C7(1000μF/25V)等組成。
升壓電路3在硅片處于冷狀態(tài)時(shí)，將48V升壓至300V左右，以啟動(dòng)硅片，隨硅片升溫，實(shí)時(shí)下調(diào)電壓。升壓電路3主要由場(chǎng)效應(yīng)管Q1、Q2(IRF830型)，電感L1、L2，二極管D1、D2和電容C2(10μF)等組成。
脈寬調(diào)制電路5采用集成電路U2(S63524型)脈寬調(diào)制芯片，為升壓電路的Q1、Q2提供脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)，工作頻率設(shè)定在10KHz，同時(shí)提供Q1、Q2的過流保護(hù)。脈寬調(diào)制電路5主要由U2，電阻R1～R3、R7、R8，穩(wěn)壓管Z1、Z2，電容C3、C4等組成。
超壓保護(hù)電路6實(shí)時(shí)監(jiān)控輸出電壓，當(dāng)輸出電壓超過350V時(shí)，即給U2一個(gè)關(guān)閉信號(hào)，U2及時(shí)切斷供給Q1、Q2的PWM信號(hào)，停止升壓電路工作，保護(hù)元器件，并由發(fā)光二極管LED3給出超壓(over voltage)指示；當(dāng)電壓低于350V時(shí)，關(guān)閉信號(hào)自動(dòng)解除，恢復(fù)升壓電路工作。超壓保護(hù)電路6主要由四運(yùn)算放大器U1(LM324型)的運(yùn)放(1)，發(fā)光二極管LED3，電阻R4～R6、R22等組成。
恒流電路4控制硅片電流(0～5A)以實(shí)現(xiàn)控制硅片溫度目的，并對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管Q3(IRF830型)進(jìn)行過流保護(hù)；恒流電路4主要由U1的運(yùn)放(4)、Q3、電阻R15～R17等組成。
升壓或降壓恒流自動(dòng)判斷切換電路8在硅片處于冷狀態(tài)時(shí)，開通升壓電路，關(guān)閉恒流電路工作，使升壓后的電壓(48～350V)直接提供給硅片以啟動(dòng)硅片；當(dāng)硅片達(dá)到預(yù)定溫度時(shí)，切斷升壓電路工作，開通恒流電路，控制提供硅片的電流，并通過發(fā)光二極管LED2指示當(dāng)前狀態(tài)。升壓或降壓恒流自動(dòng)判斷切換電路8主要由四運(yùn)算放大器U3(LM324型)的運(yùn)放(4)、LED2、電阻R18～R21等組成。
接口電路7提供計(jì)算機(jī)/單片機(jī)控制溫度接口(0～5V輸入)，計(jì)算機(jī)/單片機(jī)監(jiān)控硅片兩端電壓、電流采樣端口(0～5V輸出)。接口電路7主要由U3的運(yùn)放(3)，U1的運(yùn)放(3)和運(yùn)放(2)，控制采集接口J2(V/I out & control in)，電容C5(1000μF/6.3V)，電阻R9、R13、R14、R23～R26等組成。
加熱硅片9為本實(shí)用新型實(shí)施例外接的加熱負(fù)載。
以下給出圖2中部分元器件的型號(hào)和參數(shù)發(fā)光二極管LED148V，LED418V；電阻R1、R2、R105.1K，R3、R150.1Ω，R4620K，R5、R16、R17、R2710K，R6、R202.2K，R750K，R8、R1912K，R9510K，R11180K，R12、R141K，R139.1K，R186.2K，R21、R223.5K，R23、R241M，R25、R2620K，R282K電容C110μF，C30.001μF，C40.01μF，C61000μF/50V；電位器Rj50K；輸出接口J1(+48V電源輸入與硅片加熱輸出接口)+48V；參考電壓輸出與脈寬調(diào)制信號(hào)頻率輸出接口J3(+5V/OSC out)。
權(quán)利要求1.可程控硅片微區(qū)加熱控制器，其特征在于設(shè)有升壓電路，升壓電路輸出端外接被加熱硅片；脈寬調(diào)制電路，其脈寬調(diào)制信號(hào)輸出端接升壓電路控制信號(hào)輸入端，過流信號(hào)輸入端接升壓電路的電流信號(hào)輸出端；超壓保護(hù)電路，其超壓判斷信號(hào)輸入端外接被加熱硅片，其超壓關(guān)閉信號(hào)輸出端接脈寬調(diào)制電路的調(diào)制信號(hào)輸入端；恒流電路，其輸入端外接被加熱硅片；升壓或降壓恒流自動(dòng)判斷切換電路，分別接升壓電路和恒流電路；接口電路，其電流采樣端口接恒流電路，被加熱硅片兩端電壓采樣端口外接被加熱硅片；電源，分別連接升壓電路、脈寬調(diào)制電路、超壓保護(hù)電路、恒流電路、升壓或降壓恒流自動(dòng)判斷切換電路和接口電路。
專利摘要涉及一種可程控硅片微區(qū)加熱控制器。設(shè)有升壓電路，升壓電路輸出端接硅片；脈寬調(diào)制電路輸出端接升壓電路輸入端，過流信號(hào)輸入端接升壓電路輸出端；超壓保護(hù)電路輸入端接硅片，輸出端接脈寬調(diào)制電路輸入端；恒流電路輸入端接硅片；升降壓恒流自動(dòng)判斷切換電路分別接升壓和恒流電路；接口電路接恒流電路，硅片兩端電壓采樣端口接硅片。適應(yīng)硅片特殊的電阻特性，集硅片的啟動(dòng)、控溫、保護(hù)等于一體。由于硅片體積熱容小，不僅可靈活控制溫度，而且節(jié)約能源。具有溫度變化迅速、溫度控制準(zhǔn)確、溫度范圍寬等特點(diǎn)，尤其適合需快速溫度變化或需準(zhǔn)確控制溫度的CVD試驗(yàn)體系。還可作為大電壓大電流的恒流裝置，應(yīng)用于大負(fù)載變化的恒流控制場(chǎng)合。
文檔編號(hào)G05D23/19GK2655310SQ0323794
公開日2004年11月10日 申請(qǐng)日期2003年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月11日
發(fā)明者林水潮 申請(qǐng)人:廈門大學(xué)