專利名稱：高溫碳化硅單晶生長爐的加熱溫控裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及高溫碳化硅單晶生長爐領(lǐng)域，特別是涉及一種高溫碳化硅單晶生 長爐的加熱溫控裝置。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有技術(shù)中，碳化硅作為一種新型的寬禁帶半導體材料，具有優(yōu)異的物理和電 學性能，特別適合于制造高溫、高頻、大功率、抗輻照、短波長發(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。目前，用來生長碳化硅單晶的方法是物理氣相傳輸法，該生長方法的實現(xiàn)過程是 將碳化硅籽晶和碳化硅源粉分別置于同一個密閉坩堝的頂部和底部，底部的碳化硅源粉處 于高溫區(qū)，頂部的碳化硅籽晶處于低溫區(qū)，在2200°C以上的高溫下，底部的碳化硅源粉升華 并向上輸運，在低溫的碳化硅籽晶處結(jié)晶。由此可見，單晶爐系統(tǒng)的加熱能力的大小對于實 施碳化硅單晶的生長是非常重要的，而對于特定晶型的碳化硅來說，其生長溫度的區(qū)間是 極為狹窄的，因此，對于生長系統(tǒng)溫度的精確控制是急需解決的一個問題。

實用新型內(nèi)容本實用新型提供一種高溫碳化硅單晶生長爐的加熱溫控裝置，以解決現(xiàn)有技術(shù)不 能夠?qū)ιL系統(tǒng)的溫度進行精確控制的問題。本實用新型提供一種高溫碳化硅單晶生長爐的加熱溫控裝置，包括感應(yīng)線圈，用于接收無線射頻發(fā)生器發(fā)射的中頻交變電流，并對密閉坩堝內(nèi)的生 長系統(tǒng)進行加熱；感應(yīng)線圈移動系統(tǒng)，連接至感應(yīng)線圈，用于對感應(yīng)線圈進行定位、和/或定速控 制；可編程邏輯控制器，連接至感應(yīng)線圈移動系統(tǒng)，用于根據(jù)預(yù)先設(shè)置的控制程序控 制感應(yīng)線圈移動系統(tǒng)；溫度檢測裝置，用于檢測生長系統(tǒng)的溫度；歐陸表，連接至溫度檢測裝置，用于控制生長系統(tǒng)的溫度；終端計算機，連接至可編程邏輯控制器以及歐陸表，用于對可編程邏輯控制器以 及歐陸表進行控制。本實用新型有益效果如下通過采用呈大螺距均勻分布的多匝環(huán)形線圈，感生出的渦流能夠?qū)尉t系統(tǒng)進 行歐姆加熱，本實用新型實施例在機械結(jié)構(gòu)中增加了位置測量傳感器，使步進電機成為閉 環(huán)控制，可以實現(xiàn)對線圈的位置和移動速度的精確控制；溫控系統(tǒng)中利用歐路表來實現(xiàn)，使 系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動加熱和熱功率控制的手動加熱兩種方式，根據(jù)不同的工藝設(shè)計或在生長 的不同階段可以采取相宜的手段，此外，通過通訊控件，可以和上、下站之間保持數(shù)據(jù)交換， 保證了現(xiàn)場數(shù)據(jù)的隨時顯現(xiàn)和計算機指令的實時實施，本實用新型實施例解決了現(xiàn)有技術(shù)中不能夠?qū)ιL系統(tǒng)的溫度進行精確控制的問題，能夠?qū)囟冗M行及時監(jiān)測和精確控制， 使得溫度的自動調(diào)節(jié)相對偏差小于0. rc。

圖1是本實用新型實施例的高溫碳化硅單晶生長爐的加熱溫控裝置框圖；圖2是本實用新型實施例的高溫碳化硅單晶生長爐的加熱溫控裝置的優(yōu)選結(jié)構(gòu) 示意圖。
具體實施方式
為了解決現(xiàn)有技術(shù)物理氣相傳輸法生長特定晶型的碳化硅單晶對生長系統(tǒng)的加 熱能力有很高要求，因此需要對單晶生長溫度進行精確的控制的問題，本實用新型提供了 一種高溫碳化硅單晶生長爐的加熱溫控裝置，本實用新型實施例將一種加熱、溫控系統(tǒng)應(yīng) 用到小批量過程驗證測試(Process Verification Test，簡稱為PVT)工藝之中，利用該系 統(tǒng)可以保證生長系統(tǒng)溫度的幅度與精度均達到特定晶型的單晶生長要求，同時可以使溫度 值以及加熱的區(qū)域完全按照操縱者所設(shè)定指令作多斜率的線性變化。
以下結(jié)合附圖以及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所 描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不限定本實用新型。根據(jù)本實用新型的實施例，提供了一種高溫碳化硅單晶生長爐的加熱溫控裝置， 圖1是本實用新型實施例的高溫碳化硅單晶生長爐的加熱溫控裝置框圖，如圖1所示，根據(jù) 本實用新型實施例的高溫碳化硅單晶生長爐的加熱溫控裝置包括感應(yīng)線圈10、感應(yīng)線圈 移動系統(tǒng)11、可編程邏輯控制器12、溫度檢測裝置13、歐陸表14、終端計算機15。感應(yīng)線圈10用于接收無線射頻發(fā)生器發(fā)射的中頻交變電流，并對密閉坩堝內(nèi)的 生長系統(tǒng)進行加熱；優(yōu)選地，感應(yīng)線圈10為6匝蛇形環(huán)繞的中空銅管，中空銅管內(nèi)通以循環(huán) 冷卻水，循環(huán)冷卻水的溫度為小于15攝氏度。也就是說，在實際應(yīng)用中，可以采用6匝蛇行 環(huán)繞銅管作為感應(yīng)線圈，中空的管內(nèi)需要通以15°C以下的循環(huán)冷卻水。感應(yīng)線圈移動系統(tǒng)11連接至感應(yīng)線圈10，用于對感應(yīng)線圈10進行定位、和/或定 速控制；具體地，感應(yīng)線圈移動系統(tǒng)11包括直流電源、步進電機驅(qū)動器、步進電機、位置 傳感器以及限位器。其中，步進電機用于產(chǎn)生對感應(yīng)線圈進行定位、和/或定速控制的源 動力；步進電機驅(qū)動器用于驅(qū)動步進電機；直流電源用于通過步進電機驅(qū)動器為步進電機 供電；傳動裝置用于利用步進電機提供的源動力對感應(yīng)線圈進行傳動，優(yōu)選地，傳動裝置包 括滾珠絲杠、導軌、以及連軸器，也就是說，在實際應(yīng)用中，可以采用滾珠絲杠、精密導軌和 連軸器作為傳動裝置。位置傳感器，用于檢測感應(yīng)線圈的當前位置，并發(fā)送給可編程邏輯控 制器；限位器，用于在感應(yīng)線圈的移動超過預(yù)先設(shè)置的位置的情況下，強制停止感應(yīng)線圈的 移動。在實際應(yīng)用中，可以通過在可編程邏輯控制器12中添加控制程序控制該感應(yīng)線圈移 動系統(tǒng)11，可以實現(xiàn)了感應(yīng)線圈的定位、定速控制。可編程邏輯控制器12連接至感應(yīng)線圈移動系統(tǒng)11，用于根據(jù)預(yù)先設(shè)置的控制程 序控制感應(yīng)線圈移動系統(tǒng)11 ；溫度檢測裝置13用于檢測生長系統(tǒng)的溫度；優(yōu)選地，在本實用新型實施例中，溫度檢測裝置13包括光學高溫計、以及光學旋轉(zhuǎn)臺。歐陸表14連接至溫度檢測裝置13，用于控制生長系統(tǒng)的溫度；終端計算機15連接至可編程邏輯控制器12以及歐陸表14，用于對可編程邏輯控 制器12以及歐陸表14進行控制。也就是說，本實用新型實施例可以在溫控系統(tǒng)中采用光學高溫計作為溫度監(jiān)測 裝置，配置以大扭矩承載能力、具有微調(diào)、粗調(diào)和鎖定功能的二維精密光學旋轉(zhuǎn)臺。溫 度控制由歐路表和終端計算機15中監(jiān)控軟件的通訊程序、監(jiān)控程序和后臺服務(wù)程序等 部分共同完成，通訊程序接收監(jiān)控程序的輸出數(shù)據(jù)下傳給歐路表，同時查詢接收歐路表 的現(xiàn)場數(shù)據(jù)上傳給監(jiān)控程序，聯(lián)合對歐路表的比例積分微分(Proportion Integration Differentiation，簡稱為PID)調(diào)節(jié)電路的設(shè)置可實現(xiàn)自動加熱控制。具體地，終端計算機15包括第一設(shè)置模塊，用于設(shè)置感應(yīng)線圈的最終位置以及 移動速率，并下發(fā)到可編程邏輯控制器；第二設(shè)置模塊，用于設(shè)置感應(yīng)線圈加熱功率的目標 終值以及加熱功率的攀升速率，并下發(fā)給可編程邏輯控制器；顯示模塊，用于根據(jù)歐陸表發(fā) 送的溫度信息對生長系統(tǒng)的溫度進行顯示；第三設(shè)置模塊，用于設(shè)置生長系統(tǒng)的最終生長 溫度，并將最終生長溫度發(fā)送到歐陸表?？删幊踢壿嬁刂破?2具體包括第一控制模塊，用于根據(jù)終端計算機下發(fā)的最終 位置、移動速率、以及位置傳感器發(fā)送的感應(yīng)線圈的當前位置，對感應(yīng)線圈進行定位、和/ 或定速控制；第二控制模塊，用于根據(jù)終端計算機下發(fā)的感應(yīng)線圈加熱功率的目標終值以 及加熱功率的攀升速率，控制中頻交變電流的功率。歐陸表14具體包括接收模塊，用于接收溫度檢測裝置以電信號形式發(fā)送的溫度 信息，并將溫度信息發(fā)送給終端計算機；第三控制模塊，用于根據(jù)溫度信息以及終端計算機 發(fā)送的最終生長溫度，通過預(yù)先設(shè)置的比例積分微分PID控制感應(yīng)線圈加熱功率的大小， 使生長系統(tǒng)的溫度達到最終生長溫度。從上述處理可以看出，本實用新型實施例采用多匝環(huán)形線圈，呈大螺距均勻分布， 對坩堝系統(tǒng)有很好的電磁感應(yīng)能力，感生出的渦流進行歐姆加熱，最高溫度可達到2650°C。 感應(yīng)線圈的步進電機驅(qū)動器可以采用60細分技術(shù)，在機械結(jié)構(gòu)中增加了位置測量傳感器， 使步進電機成為閉環(huán)控制，可以實現(xiàn)對線圈的位置和移動速度的精確控制。溫控系統(tǒng)中利 用歐路表來實現(xiàn)，使系統(tǒng)能夠提供PID控制的自動加熱和熱功率控制的手動加熱兩種方 式，根據(jù)不同的工藝設(shè)計或在生長的不同階段可以采取相宜的手段。加載了通訊控件，可以 和上、下站之間保持數(shù)據(jù)交換，保證了現(xiàn)場數(shù)據(jù)的隨時顯現(xiàn)和計算機指令的實時實施，做到 了對溫度的及時監(jiān)測和精確控制，溫度的自動調(diào)節(jié)相對偏差小于0. 1°C。圖2是本實用新型實施例的高溫碳化硅單晶生長爐的加熱溫控裝置的優(yōu)選結(jié)構(gòu) 示意圖，如圖2所示，包括滑軌1、感應(yīng)線圈2、光學高溫計3、歐路表4、終端計算機控制5、 可編程邏輯控制器(也可以稱為可編程控制下位機)6、步進電機7、以及位置測量傳感器8。具體地，在開爐之前將感應(yīng)線圈2移到初始加熱位置。首先在終端計算機控制5 上設(shè)定線圈的最終位置及移動速率，終端計算機控制5向可編程控制下位機6發(fā)出指令，由 可編程控制下位機6控制步進電機7以及步進電機驅(qū)動器，由它們最終實現(xiàn)感應(yīng)線圈2的 移動。開爐之后對整個生長系統(tǒng)的升溫過程包括在真空度達到標準之后，開啟無線射頻發(fā)生器，將中頻交變電流送入感應(yīng)線圈2之中。在終端計算機控制5上設(shè)定加熱功率的目 標終值及加熱功率的攀升速率，同樣，它將指令發(fā)送可編程控制下位機6，由可編程控制下 位機6控制所輸入的交流電壓、電流的大小，使得加熱功率不斷增長，給生長系統(tǒng)加熱。當 系統(tǒng)溫度升高到光學高溫計3的探測下閾時，調(diào)節(jié)光學高溫計3使探測點歸于系統(tǒng)探測位 置，其所探測到的溫度以電信號的形式發(fā)送給歐路表4，再由歐路表4反饋至終端計算機控 制5，由計算機顯示現(xiàn)場的系統(tǒng)溫度值。在終端計算機控制5上設(shè)定最終生長溫度，它將指 令發(fā)送給歐路表4，由歐路表4根據(jù)現(xiàn)場溫度和目標溫度之差自動控制加熱功率的大小，通 過已經(jīng)設(shè)置好的PID調(diào)節(jié)電路使生長系統(tǒng)的溫度平緩、有效地達到生長時的設(shè)定值。生長中系統(tǒng)的控溫以及加熱區(qū)域的改變具體處理包括將溫度隨時間的變化規(guī)律 設(shè)定在終端計算機控制5上，經(jīng)由歐路表4按照特定的函數(shù)方式進行PID自動控制加熱功 率，使得系統(tǒng)溫度依令而變。同樣將感應(yīng)線圈2的移動方式設(shè)定在終端計算機控制5上，經(jīng) 由可編程控制下位機6控制步進電機7以及步進電機驅(qū)動器，同時位置測量傳感器8把感 應(yīng)線圈2的移動速率和所處的位置反饋給可編程控制下位機6，由其對感應(yīng)線圈2的運動狀 態(tài)進行判斷、調(diào)整，使之依令而行。通過采用呈大螺距均勻分布的多匝環(huán)形線圈，該多匝環(huán)形線圈對坩堝系統(tǒng)有很好 的電磁感應(yīng)能力，感生出的渦流能夠?qū)尉t系統(tǒng)進行歐姆加熱，此外，本實用新型實施例 在機械結(jié)構(gòu)中增加了位置測量傳感器，使步進電機成為閉環(huán)控制，可以實現(xiàn)對線圈的位置 和移動速度的精確控制；溫控系統(tǒng)中利用歐路表來實現(xiàn)，使系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動加熱和熱功 率控制的手動加熱兩種方式，根據(jù)不同的工藝設(shè)計或在生長的不同階段可以采取相宜的手 段，此外，通過通訊控件，可以和上、下站之間保持數(shù)據(jù)交換，保證了現(xiàn)場數(shù)據(jù)的隨時顯現(xiàn)和 計算機指令的實時實施，解決了現(xiàn)有技術(shù)中不能夠?qū)ιL系統(tǒng)的溫度進行精確控制的問 題，能夠?qū)囟冗M行及時監(jiān)測和精確控制，使得溫度的自動調(diào)節(jié)相對偏差小于0. rc。盡管為示例目的，已經(jīng)公開了本實用新型的優(yōu)選實施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將意 識到各種改進、增加和取代也是可能的，因此，本實用新型的范圍應(yīng)當不限于上述實施例。
權(quán)利要求1.一種高溫碳化硅單晶生長爐的加熱溫控裝置，其特征在于，包括感應(yīng)線圈，用于接收無線射頻發(fā)生器發(fā)射的中頻交變電流，并對密閉坩堝內(nèi)的生長系 統(tǒng)進行加熱；感應(yīng)線圈移動系統(tǒng)，連接至所述感應(yīng)線圈，用于對所述感應(yīng)線圈進行定位、和/或定速 控制；可編程邏輯控制器，連接至所述感應(yīng)線圈移動系統(tǒng)，用于根據(jù)預(yù)先設(shè)置的控制程序控 制所述感應(yīng)線圈移動系統(tǒng)；溫度檢測裝置，用于檢測所述生長系統(tǒng)的溫度； 歐陸表，連接至所述溫度檢測裝置，用于控制所述生長系統(tǒng)的溫度； 終端計算機，連接至所述可編程邏輯控制器以及所述歐陸表，用于對所述所述可編程 邏輯控制器以及所述歐陸表進行控制。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述感應(yīng)線圈為蛇形環(huán)繞的中空銅管，所述 中空銅管內(nèi)通以循環(huán)冷卻水。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述循環(huán)冷卻水的溫度為小于15攝氏度。
4.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述感應(yīng)線圈為6匝所述蛇形環(huán)繞的中空銅管。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述感應(yīng)線圈移動系統(tǒng)具體包括 步進電機，用于產(chǎn)生對所述感應(yīng)線圈進行定位、和/或定速控制的源動力； 步進電機驅(qū)動器，用于驅(qū)動所述步進電機；直流電源，用于通過所述步進電機驅(qū)動器為所述步進電機供電； 傳動裝置，用于利用所述步進電機提供的所述源動力對所述感應(yīng)線圈進行傳動； 位置傳感器，用于檢測所述感應(yīng)線圈的當前位置，并發(fā)送給所述可編程邏輯控制器； 限位器，用于在所述感應(yīng)線圈的移動超過預(yù)先設(shè)置的位置的情況下，強制停止所述感 應(yīng)線圈的移動。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述傳動裝置包括滾珠絲杠、導軌、以及連軸器。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述溫度檢測裝置包括光學高溫計、以及 光學旋轉(zhuǎn)臺。
專利摘要本實用新型公開了一種高溫碳化硅單晶生長爐的加熱溫控裝置。該裝置包括感應(yīng)線圈，用于接收無線射頻發(fā)生器發(fā)射的中頻交變電流，并對密閉坩堝內(nèi)的生長系統(tǒng)進行加熱；感應(yīng)線圈移動系統(tǒng)，連接至感應(yīng)線圈，用于對感應(yīng)線圈進行定位、和/或定速控制；可編程邏輯控制器，連接至感應(yīng)線圈移動系統(tǒng)，用于根據(jù)預(yù)先設(shè)置的控制程序控制感應(yīng)線圈移動系統(tǒng)；溫度檢測裝置，用于檢測生長系統(tǒng)的溫度；歐陸表，連接至溫度檢測裝置，用于控制生長系統(tǒng)的溫度；終端計算機，連接至可編程邏輯控制器以及歐陸表，用于對可編程邏輯控制器以及歐陸表進行控制。借助于本實用新型的技術(shù)方案，能夠?qū)ιL系統(tǒng)的溫度進行精確控制。
文檔編號C30B23/06GK201924102SQ201020531080
公開日2011年8月10日 申請日期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 申請人:中國電子科技集團公司第四十六研究所