專(zhuān)利名稱(chēng)：一種碳化硅單晶生長(zhǎng)爐中的提純及壓力控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種碳化硅單晶生長(zhǎng)爐中的提純及壓 力控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
碳化硅作為一種新型的寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有優(yōu)異的物理和電學(xué)性能，特別適 合于制造高溫、高頻、大功率、抗輻照、短波長(zhǎng)發(fā)光及光電集成器件，在微電子和光電子領(lǐng)域 具有極好的應(yīng)用前景。通常碳化硅單晶的生長(zhǎng)采用物理汽相傳輸工藝PVT。由于PVT工藝 中碳化硅源粉的升華決定了單晶的生長(zhǎng)，而生長(zhǎng)室內(nèi)的氣壓值決定了源粉升華的速率，因 此對(duì)于壓力的控制就尤為重要。然而，目前在碳化硅單晶生長(zhǎng)爐中確沒(méi)有比較穩(wěn)定、可靠的 壓力控制系統(tǒng)。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型提供一種碳化硅單晶生長(zhǎng)爐中的提純及壓力控制系統(tǒng)，達(dá)到了能夠?qū)?碳化硅單晶生長(zhǎng)前的提純工藝以及對(duì)碳化硅單晶生長(zhǎng)過(guò)程中所涉及的各工藝提供穩(wěn)定可 靠的壓力控制的目的。具體的，本實(shí)用新型提供的一種碳化硅單晶生長(zhǎng)爐中的提純及壓力控制系統(tǒng)，包 括真空室，以及分別與真空室相連的抽真空鏈路和充氣鏈路，所述抽真空鏈路包括主要由 機(jī)械泵組成的低真空鏈路和主要由分子泵和真空計(jì)組成的高真空鏈路；所述充氣鏈路包括 針閥、質(zhì)量流量控制計(jì)和氣動(dòng)閥，其特征在于，所述碳化硅單晶生長(zhǎng)爐中的提純及壓力控制 系統(tǒng)還包括布置在所述機(jī)械泵與真空室間的壓力控制系統(tǒng)，所述壓力控制系統(tǒng)包括測(cè)量所述真空室內(nèi)壓力值的壓力傳感器；將預(yù)設(shè)的壓力值與所述壓力傳感器測(cè)量的壓力值進(jìn)行比較計(jì)算并輸出壓力控制 指令的比例-積分-微分PID控制電路；以及，根據(jù)所述PID控制電路輸出的壓力控制指令調(diào)節(jié)所述低真空鏈路與所述真 空室間閥門(mén)開(kāi)啟比例的壓力控制執(zhí)行部件。其中，所述壓力控制執(zhí)行部件包括驅(qū)動(dòng)器、電動(dòng)機(jī)和調(diào)節(jié)閥；所述驅(qū)動(dòng)器在所述PID控制電路輸出壓力控制指令的控制下驅(qū)動(dòng)所述電動(dòng)機(jī)調(diào) 節(jié)所述調(diào)節(jié)閥閥門(mén)的開(kāi)啟比例。進(jìn)一步地，本實(shí)用新型所述碳化硅單晶生長(zhǎng)爐中的提純及壓力控制系統(tǒng)，還包括 設(shè)置所述壓力控制系統(tǒng)的壓力值和壓力控制時(shí)間，以及設(shè)置所述質(zhì)量流量控制計(jì)的流量值 和流量控制時(shí)間的可編程控制下位機(jī)。進(jìn)一步地，本實(shí)用新型所述碳化硅單晶生長(zhǎng)爐中的提純及壓力控制系統(tǒng)中，所述 真空室是石英管，所述石英管的兩端采用法蘭結(jié)構(gòu)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型有益效果如下[0014]本實(shí)用新型所提供的碳化硅單晶生長(zhǎng)爐中的提純及壓力控制系統(tǒng)，能夠?qū)μ蓟?單晶生長(zhǎng)前的提純工藝以及對(duì)碳化硅單晶生長(zhǎng)過(guò)程中所涉及的各工藝提供穩(wěn)定可靠的壓 力控制，最大限度地降低充氣過(guò)程和減壓過(guò)程給單晶生長(zhǎng)室?guī)?lái)的壓力沖擊。

為了更清楚地說(shuō)明本實(shí)用新型實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例 或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作一簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅 僅是本實(shí)用新型的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的 前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本實(shí)用新型提供的一種碳化硅單晶生長(zhǎng)爐中的提純及壓力控制系統(tǒng)的結(jié) 構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例中的附圖，對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行 清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的 實(shí)施例?；诒緦?shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下 所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。本實(shí)用新型提供一種碳化硅單晶生長(zhǎng)爐中的提純及壓力控制系統(tǒng)，針對(duì)物理氣相 傳輸法生長(zhǎng)碳化硅單晶，利用該系統(tǒng)既可以保證生長(zhǎng)系統(tǒng)的氣壓每一時(shí)刻值都保持動(dòng)態(tài)平 衡，按照操縱者所設(shè)定指令依時(shí)變化，也可以實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)系統(tǒng)中的雜質(zhì)的去除。如圖1所示，為本實(shí)用新型提供的一種碳化硅單晶生長(zhǎng)爐中的提純及壓力控制系 統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，該控制系統(tǒng)具體包括真空室101、與真空室連接的充氣鏈路和與真空室連接 的抽真空鏈路；其中，充氣鏈路包括針閥102、質(zhì)量流量控制計(jì)103和氣動(dòng)閥104 ；抽真空鏈 路包括主要由機(jī)械泵105組成的低真空鏈路和主要由分子泵106和真空計(jì)107組成的高真 空鏈路；進(jìn)一步地，所述碳化硅單晶生長(zhǎng)爐中的提純及壓力控制系統(tǒng)還包括壓力控制系 統(tǒng)108，該壓力控制系統(tǒng)布置于真空室101與機(jī)械泵105之間，構(gòu)成低真空鏈路的一部分。其中，壓力控制系統(tǒng)108包括壓力傳感器109、PID控制電路110和壓力控制執(zhí)行 部件111 ；其中，壓力傳感器109，用于測(cè)量所述真空室101內(nèi)的壓力值；PID控制電路110，用于將預(yù)設(shè)的壓力值與所述壓力傳感器109測(cè)量的真空室內(nèi) 101的壓力值進(jìn)行比較計(jì)算，輸出壓力控制指令；壓力控制執(zhí)行部件111，基于所述PID控制電路110輸出的壓力控制指令，調(diào)節(jié)所 述低真空鏈路與所述真空室101間閥門(mén)的開(kāi)啟比例。其中，壓力控制執(zhí)行部件111具體包括驅(qū)動(dòng)器、電動(dòng)機(jī)和調(diào)節(jié)閥；所述驅(qū)動(dòng)器在所述PID控制電路110輸出的壓力控制指令控制下驅(qū)動(dòng)所述電動(dòng)機(jī) 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥閥門(mén)的開(kāi)啟比例。優(yōu)選地，所述碳化硅單晶生長(zhǎng)爐中的提純及壓力控制系統(tǒng)還包括可編程控制下 位機(jī)112，該可編程控制下位機(jī)112，用于設(shè)置所述壓力控制系統(tǒng)108的壓力值和壓力控制 時(shí)間，以及設(shè)置所述質(zhì)量流量控制計(jì)103的流量值和流量控制時(shí)間。[0027]其中，可編程控制下位機(jī)112通過(guò)向所述壓力控制系統(tǒng)108和質(zhì)量流量控制計(jì)103 發(fā)送函數(shù)控制指令，即采用函數(shù)數(shù)化控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力控制系統(tǒng)108和質(zhì)量流量控制 計(jì)103的控制。進(jìn)一步地，本實(shí)用新型所述碳化硅單晶生長(zhǎng)爐中的提純及壓力控制系統(tǒng)中，采用 石英管為碳化硅生長(zhǎng)爐中的真空室101，該真空室101采用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，即石英管兩端均采 用石英管外壁、耐高溫0型膠圈、金屬套圈和金屬壓圈的密封結(jié)構(gòu)。其中，金屬套圈設(shè)計(jì)有 冷卻水管道、氣路管道和真空管道。真空管道中采用硬管與波紋管的組合結(jié)構(gòu)。下面就結(jié)合本實(shí)用新型提供的碳化硅單晶生長(zhǎng)爐中的提純及壓力控制系統(tǒng)的結(jié) 構(gòu)，對(duì)碳化硅單晶生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明，以更好的說(shuō)明本實(shí)用新型所述控制系統(tǒng)中各部件的 功能。在碳化硅單晶生長(zhǎng)前，首先對(duì)生長(zhǎng)爐內(nèi)實(shí)施提純工藝，因?yàn)?，PVT工藝的生長(zhǎng)爐的 側(cè)內(nèi)壁是由石墨材料制成的，該石磨材料為泡沫狀，通常含有較多雜質(zhì)，例如，硼、鐵、鋁、銅 等，在晶體生長(zhǎng)時(shí)，這些系統(tǒng)中的雜質(zhì)最終將摻入到碳化硅單晶中，這將極大降低碳化硅的 半絕緣特性，并影響晶體的完整性。因此，為了保障碳化硅晶體的高純度高完整性，就需要 盡可能的降低這些雜質(zhì)的含量，需要對(duì)生長(zhǎng)系統(tǒng)進(jìn)行提純。本實(shí)用新型中，對(duì)生長(zhǎng)爐內(nèi)實(shí)施提純工藝的具體過(guò)程如下對(duì)生長(zhǎng)爐進(jìn)行加熱處理，當(dāng)爐內(nèi)溫度達(dá)到預(yù)設(shè)的提純溫度2000°C時(shí)啟動(dòng)機(jī)械泵 105，同時(shí)通過(guò)可編程控制下位機(jī)112設(shè)定壓力控制系統(tǒng)108的純化氣壓值，機(jī)械泵105 正常運(yùn)轉(zhuǎn)之后，開(kāi)啟氣動(dòng)閥104，由可編程控制下位機(jī)112輸出特定函數(shù)向質(zhì)量流量控制 計(jì)103發(fā)出流量控制指令，質(zhì)量流量控制計(jì)103基于接收到的流量控制指令以設(shè)定的速率 0. 2L/min的速率將氬氣平穩(wěn)有效地輸入真空室101之中，同時(shí)以50ml/min的速率將氯氣輸 入到真空室101中。當(dāng)通過(guò)壓力控制系統(tǒng)108的壓力傳感器109監(jiān)測(cè)到真空室101內(nèi)氣壓 達(dá)到設(shè)定值后，控制質(zhì)量流量控制計(jì)103持續(xù)通入氬氣和氯氣，并利用機(jī)械泵105和壓力控 制系統(tǒng)108共同控制維持所設(shè)定的氣壓值，直到純化氣體與雜質(zhì)反應(yīng)完畢。然后，實(shí)施抽真空工藝流程，具體過(guò)程如下啟動(dòng)機(jī)械泵105，設(shè)定為降壓模式，待機(jī)械泵105正常運(yùn)轉(zhuǎn)之后，由可編程控制下 位機(jī)112控制壓力控制系統(tǒng)108按照設(shè)定的程序緩慢降壓。當(dāng)真空度達(dá)到Ombar時(shí)，關(guān)閉 機(jī)械泵105，啟動(dòng)分子泵106，開(kāi)始第2階段的抽高真空，由真空計(jì)107顯示最終的真空值是 否達(dá)到所要求的標(biāo)準(zhǔn)。第三，實(shí)施充氣保護(hù)工藝流程，具體過(guò)程如下啟動(dòng)機(jī)械泵105，由可編程控制下位機(jī)112設(shè)定真空室101內(nèi)氣壓最終值，待機(jī)械 泵105正常運(yùn)轉(zhuǎn)之后，開(kāi)啟氣動(dòng)閥104，由可編程控制下位機(jī)112輸出特定函數(shù)向質(zhì)量流量 控制計(jì)103發(fā)出流量控制指令，質(zhì)量流量控制計(jì)103按照流量控制指令以lL/min的速率將 保護(hù)氣體平穩(wěn)有效地輸入真空室101之中。當(dāng)通過(guò)壓力控制系統(tǒng)108的壓力傳感器109監(jiān) 測(cè)到真空室101內(nèi)的氣壓達(dá)到設(shè)定值后，關(guān)閉質(zhì)量流量控制計(jì)103，利用機(jī)械泵105和壓力 控制系統(tǒng)108共同控制維持所設(shè)定的保護(hù)氣壓值。第四，實(shí)施降壓生長(zhǎng)碳化硅單晶工藝流程，具體過(guò)程如下設(shè)定生長(zhǎng)單晶所需氣壓值以及設(shè)定減壓速率，由可編程控制下位機(jī)112向壓力控 制系統(tǒng)108發(fā)出壓力控制指令，壓力控制系統(tǒng)108根據(jù)壓力控制指令按照特定的函數(shù)路線進(jìn)行減壓。當(dāng)減壓速率小于所設(shè)定的速率值時(shí)，自動(dòng)或者手動(dòng)調(diào)節(jié)針閥102。通過(guò)壓力控 制系108中壓力傳感器109監(jiān)測(cè)真空室101內(nèi)的氣壓值，當(dāng)達(dá)到生長(zhǎng)所需氣壓值時(shí)，停止調(diào) 節(jié)針閥102，由壓力控制系109自動(dòng)控制真空室101內(nèi)的壓力值。于此同時(shí)，開(kāi)啟氣動(dòng)閥 104，向真空室101內(nèi)通入生長(zhǎng)所在氣氛下的氣體，由質(zhì)量流量控制計(jì)103控制在20ml/min， 以保證生長(zhǎng)所需氣壓。在碳化硅單晶生長(zhǎng)完成后，進(jìn)行升壓停爐工藝流程，具體為設(shè)定停爐氣壓值，開(kāi)啟氣動(dòng)閥104，由可編程控制下位機(jī)112輸出最大函數(shù)，向質(zhì) 量流量控制計(jì)103發(fā)出流量控制指令，質(zhì)量流量控制計(jì)103按照流量控制指令以lOL/min 的速率將保護(hù)氣體輸入真空室之中。當(dāng)通過(guò)壓力控制系統(tǒng)108的壓力傳感器109監(jiān)測(cè)到真 空室101內(nèi)的氣壓達(dá)到設(shè)定值后，關(guān)閉質(zhì)量流量控制計(jì)103和氣動(dòng)閥104。本實(shí)用新型所提供的碳化硅單晶生長(zhǎng)爐中的提純及壓力控制系統(tǒng)，能夠?qū)μ蓟?單晶生長(zhǎng)前的提純工藝以及對(duì)碳化硅單晶生長(zhǎng)過(guò)程中所涉及的各工藝提供穩(wěn)定可靠的壓 力控制，最大限度地降低充氣過(guò)程和減壓過(guò)程給單晶生長(zhǎng)室?guī)?lái)的壓力沖擊。另外，本實(shí)用新型所提供的系統(tǒng)中的石英管結(jié)構(gòu)中，金屬套圈的外端采用耐高溫O 型膠圈與金屬法蘭的密封結(jié)構(gòu)，使得系統(tǒng)有很高的真空度，可達(dá)3X 10-6mbar。并且，本實(shí)用新型所提供系統(tǒng)同時(shí)使用針閥與氣動(dòng)閥門(mén)，保證了減壓速率，可以獨(dú) 立完成壓力的過(guò)程控制和恒壓控制，通過(guò)調(diào)節(jié)針閥孔徑還可以進(jìn)一步提高速率。顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本實(shí)用 新型的精神和范圍。這樣，倘若本實(shí)用新型的這些修改和變型屬于本實(shí)用新型權(quán)利要求及 其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本實(shí)用新型也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種碳化硅單晶生長(zhǎng)爐中的提純及壓力控制系統(tǒng)，包括真空室，以及分別與真空 室相連的抽真空鏈路和充氣鏈路，所述抽真空鏈路包括主要由機(jī)械泵組成的低真空鏈路和 主要由分子泵和真空計(jì)組成的高真空鏈路；所述充氣鏈路包括針閥、質(zhì)量流量控制計(jì)和氣 動(dòng)閥，其特征在于，所述碳化硅單晶生長(zhǎng)爐中的提純及壓力控制系統(tǒng)還包括布置在所述機(jī)械泵與真空室間的壓力控制系統(tǒng)，所述壓力控制系統(tǒng)包括測(cè)量所述真空室內(nèi)壓力值的壓力傳感器；將預(yù)設(shè)的壓力值與所述壓力傳感器測(cè)量的壓力值進(jìn)行比較計(jì)算并輸出壓力控制指令 的比例-積分-微分PID控制電路；以及，根據(jù)所述PID控制電路輸出的壓力控制指令調(diào)節(jié)所述低真空鏈路與所述真空室 間閥門(mén)開(kāi)啟比例的壓力控制執(zhí)行部件。
2.如權(quán)利要求1所述的碳化硅單晶生長(zhǎng)爐中的提純及壓力控制系統(tǒng)，其特征在于，所 述壓力控制執(zhí)行部件包括驅(qū)動(dòng)器、電動(dòng)機(jī)和調(diào)節(jié)閥；所述驅(qū)動(dòng)器在所述PID控制電路輸出壓力控制指令的控制下驅(qū)動(dòng)所述電動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)所 述調(diào)節(jié)閥閥門(mén)的開(kāi)啟比例。
3.如權(quán)利要求1或2所述的碳化硅單晶生長(zhǎng)爐中的提純及壓力控制系統(tǒng)，其特征在于， 還包括設(shè)置所述壓力控制系統(tǒng)的壓力值和壓力控制時(shí)間，以及設(shè)置所述質(zhì)量流量控制計(jì) 的流量值和流量控制時(shí)間的可編程控制下位機(jī)。
4.如權(quán)利要求1所述的碳化硅單晶生長(zhǎng)爐中的提純及壓力控制系統(tǒng)，其特征在于，所 述真空室是石英管，所述石英管的兩端采用法蘭結(jié)構(gòu)。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種碳化硅單晶生長(zhǎng)爐中的提純及壓力控制系統(tǒng)，包括真空室、機(jī)械泵、分子泵、真空計(jì)、氣動(dòng)閥、質(zhì)量流量控制計(jì)和針閥；進(jìn)一步地，所述提純及壓力控制系統(tǒng)還包括布置在機(jī)械泵與真空室間的壓力控制系統(tǒng)，所述壓力控制系統(tǒng)包括測(cè)量所述真空室內(nèi)壓力值的壓力傳感器；將預(yù)設(shè)的壓力值與所述壓力傳感器測(cè)量的壓力值進(jìn)行比較計(jì)算并輸出壓力控制指令的PID控制電路；以及，根據(jù)所述PID控制電路輸出的壓力控制指令調(diào)節(jié)所述低真空鏈路與所述真空室間閥門(mén)開(kāi)啟比例的壓力控制執(zhí)行部件。本實(shí)用新型能夠?qū)μ蓟鑶尉L(zhǎng)前的提純工藝以及對(duì)碳化硅單晶生長(zhǎng)過(guò)程中所涉及的各工藝提供穩(wěn)定可靠的壓力控制。
文檔編號(hào)C30B29/36GK201842897SQ201020531069
公開(kāi)日2011年5月25日 申請(qǐng)日期2010年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月16日
發(fā)明者孟大磊, 洪穎, 王利杰, 王香泉, 郝建民, 郭俊敏 申請(qǐng)人:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所