專利名稱：一種用于控制真空生長室內(nèi)氣體壓力的壓力自動(dòng)控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種用于控制晶體生長設(shè)備的真空生長室內(nèi)氣體壓力的壓力自 動(dòng)控制裝置，特別涉及一種用于以物理氣相傳輸沉淀法生長SiC單晶、A1N等單晶用的單晶 生長設(shè)備中真空生長室的氣體壓力自動(dòng)控制裝置。
背景技術(shù)：
物理氣相傳輸沉淀法是近年來發(fā)展起來的一種單晶生長技術(shù)，適用于生長某些在 高溫下會(huì)分解、升華而無法用通常使用的高溫熔液法單晶生長技術(shù)來長成單晶的一些化合 物單晶。例如SiC、AlN等化合物半導(dǎo)體材料。SiC單晶、AlN單晶都是具有優(yōu)良物理性質(zhì)
的半導(dǎo)體材料，特別適合于制作能在高溫、強(qiáng)輻射的惡劣條件下工作的高頻、高功率的微波 器件及光電子器件，在高技術(shù)領(lǐng)域中有非常重要的實(shí)用價(jià)值，SiC單晶就是用氣相傳輸沉淀
法技術(shù)成功地長成大尺寸優(yōu)質(zhì)單晶的典型實(shí)例。如圖l所示，為現(xiàn)有技術(shù)中物理氣相傳輸 沉淀法生長SiC單晶用的單晶生長設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)，包括真空(負(fù)壓)生長室l，高頻或中 頻電源2、真空系統(tǒng)3、氣壓控制系統(tǒng)4，石墨制作的坩堝5、感應(yīng)加熱線圈6、石墨坩堝5中放 有原料粉7、如SiC粉及適當(dāng)配置的絕熱材料，SiC籽晶及生長成的SiC晶體8位于坩鍋的 上方，坩鍋的周圍有保溫材料9，另外，在真空生長室的內(nèi)、外壁中充入有冷卻水10、真空生 長室1的上、下端面與金屬制作的上、下水冷法蘭盤11用真空封接的方式聯(lián)接。 生長SiC單晶時(shí)，多晶粉末SiC作為原料放置在石墨坩堝中，用感應(yīng)加熱技術(shù)加熱 到2000-250(TC的高溫，使SiC粉料升華為蒸氣并輸送到處于較低的合適溫度的籽晶上，凝 結(jié)并長成大尺寸的單晶。為防止氧化及防止^氣進(jìn)入晶體，石墨坩堝放置在與外圍空氣隔 離的生長室中，并用惰性氣體保護(hù)。在生長過程中各種工藝參數(shù)，如原料蒸發(fā)區(qū)，籽晶結(jié)晶 區(qū)的溫度分布、蒸發(fā)速度、結(jié)晶速度、坩堝的構(gòu)形等都會(huì)對(duì)生長過程有巨大的影響。其中，真 空生長室的氣壓對(duì)SiC的粉料蒸發(fā)-SiC蒸氣的輸送過程及結(jié)晶都有巨大影響。因此，嚴(yán)格 地按照單晶生長工藝的要求，高精度地控制生長室的氣體壓力，使之穩(wěn)定地、嚴(yán)格地保持在 按程序給定器給出的數(shù)值是獲得優(yōu)質(zhì)大尺寸單晶的關(guān)鍵技術(shù)之一。 物理氣相輸運(yùn)沉積法生長單晶時(shí)，為保持真空生長室的氣體壓力及氣體成份穩(wěn) 定，克服因溫度升、降，原料蒸發(fā)以及其它因素的變化導(dǎo)致的氣體壓力變化，是通過氣壓控 制系統(tǒng)4中的氣源對(duì)生長室充入新的惰性氣體的同時(shí)，用真空系統(tǒng)3中的泵抽走多余氣體、 從而達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的方法來實(shí)現(xiàn)的。其中，氣源通常是壓力瓶裝的高純氬(Ar)氣，通過調(diào) 節(jié)閥及流量計(jì)以合適的流量送入生長室。另外，又用一個(gè)抽氣泵(如機(jī)械真空泵)不斷地將 生長室的氣體抽出，如果送入及抽出的氣體量剛好相等，生長室內(nèi)的氣壓就能保持不變。為 了實(shí)現(xiàn)控制生長室壓力的目的，通常是用生長室的壓力傳感器輸出的信號(hào)與設(shè)定值比較， 通過PID控制器調(diào)整一個(gè)置于抽氣泵與生長室之間的電動(dòng)閥門的開合大小，從而改變抽氣 速率的方法來實(shí)現(xiàn)的。上述背景技術(shù)的內(nèi)容可參考美國專利申請(qǐng)US604184、 US6202681和 US6508268。 但是，上述現(xiàn)有技術(shù)的單晶生長設(shè)備中的氣體壓力控制裝置通常采用電動(dòng)閥門，進(jìn)行氣量調(diào)節(jié)，由于電動(dòng)閥門的線性度差，連續(xù)可調(diào)范圍小，導(dǎo)致存在氣體壓力控制的靈敏 度不高、波動(dòng)大等缺點(diǎn)，直接影響到生長出的單晶的質(zhì)量。
實(shí)用新型內(nèi)容為了有效地、準(zhǔn)確地控制單晶生長設(shè)備的真空生長室內(nèi)的壓力，本實(shí)用新型提供
了一種實(shí)用的，可以在很寬的壓力范圍內(nèi)對(duì)真空生長室內(nèi)的惰性氣體壓力進(jìn)行高精度自動(dòng)
控制的技術(shù)。從而滿足用氣相沉積技術(shù)生長某些化合物單晶材料，例如SiC單晶，AlN等單
晶時(shí)對(duì)真空生長室的氣體壓力進(jìn)行精密控制的工藝要求。本實(shí)用新型提供的單晶生長設(shè)備
所需的控制真空生長室內(nèi)壓力的壓力自動(dòng)控制裝置，包括與真空生長室連通的抽氣泵、氣
閥流量計(jì)、以及與氣閥流量計(jì)相連的氣源、其特征在于，在真空生長室與真空抽氣泵之間，
或真空生長室與氣體流量計(jì)之間設(shè)置有電磁閥，該電磁閥由一個(gè)PID控制器的輸出控制開
啟和關(guān)閉，在閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)中起到調(diào)節(jié)器的作用。PID控制器的輸出則通過由壓力傳感
器輸出與程序給定的設(shè)定值的差值經(jīng)PID運(yùn)算后得出。從而構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，
使真空生長室的壓力保持在一個(gè)精確地按工藝程序要求而穩(wěn)定變化的壓力狀態(tài)。 根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)方面，該壓力自動(dòng)控制裝置進(jìn)一步包括壓力傳感器、程序
給定器、PID控制器和多諧振蕩器，其中壓力傳感器用于測(cè)量生長室的氣壓，并將測(cè)得的壓
力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，該信號(hào)與程序給定器給出的壓力數(shù)值進(jìn)行比較，其差值被送入PID控制
器，PID控制器將輸出送到壓控多諧振蕩器，由該壓控多諧振蕩器的輸出信號(hào)控制所述電磁
閥的氣閥。 進(jìn)一步，所述壓力自動(dòng)控制裝置還包括壓力傳感器、程序給定器、PID調(diào)節(jié)器和壓
控多諧振蕩器，壓力傳感器一端與所述真空生長室相連、另一端與程序給定器和PID調(diào)節(jié)
器相連，壓控多諧振蕩器一端與PID調(diào)節(jié)器相連、另一端與電磁閥相連。 進(jìn)一步，當(dāng)所述多諧振蕩器輸出電壓在從高電位到低電位狀態(tài)變化時(shí)(或相反)，
電磁閥的氣閥也相應(yīng)地產(chǎn)生由開到關(guān)的不同狀態(tài)的變化(或相反)，進(jìn)而控制抽氣泵的抽
氣工作狀態(tài)、或氣源向真空生長室的充氣工作狀態(tài)，達(dá)到按PID控制器的輸出調(diào)節(jié)給真空
生長室送氣量的目的。 通過使用本實(shí)用新型電磁閥的控制，真空生長室內(nèi)的氣壓在晶體生長的整個(gè)過程 中，保持穩(wěn)定，并能按工藝要求逐漸變化，真空生長室內(nèi)的氣壓始終穩(wěn)定地保持在與程序給 出的設(shè)定值偏差小于0. 5%的范圍內(nèi)。真空生長室內(nèi)的氣體壓力連續(xù)控制范圍擴(kuò)大及控制 精度的提高，大幅度提高了生長的晶體質(zhì)量。
圖1是本實(shí)用新型壓力自動(dòng)控制裝置第一個(gè)實(shí)施例的原理圖； 圖2是本實(shí)用新型壓力自動(dòng)控制裝置第二個(gè)實(shí)施例的原理圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合圖2和圖3描述本實(shí)用新型的具體實(shí)施例。如圖2所述本實(shí)用新型單晶 生長設(shè)備壓力自動(dòng)控制裝置的第一個(gè)實(shí)施例原理示意圖，其中電磁閥置于真空生長室和真 空抽氣泵之間。氣源(通常是壓力瓶裝Ar氣)通過氣閥流量計(jì)給生長室按一定流量通入 新的惰性氣體。生長室的氣壓由高精度的氣體壓力傳感器測(cè)量并將測(cè)得的壓力轉(zhuǎn)換成電信 號(hào)并與程序給定器給出的壓力數(shù)值進(jìn)行比較，其差值送入PID控制器，PID控制器的輸出將被送到一個(gè)占空比按PID輸出值線性變化的壓控多諧振蕩器(這種占空比壓控多諧振蕩器
是常規(guī)的電子線路)。以壓控多諧振蕩器的輸出控制電磁控制的氣閥的通或斷，當(dāng)多諧振
蕩器輸出電壓在從高到低壓電位變化時(shí)，例如DC 5-0V，電磁閥的氣閥也相應(yīng)地發(fā)生由通到
斷(或相反)的變化。因此，抽氣泵的有效抽氣速率也將隨電磁氣閥通-斷時(shí)間比的不同
而線性地變化。由于控制多諧振蕩器的輸出為高電位或低電位的時(shí)間比可以在極大的范圍
內(nèi)變化，因此抽氣泵的有效抽氣速率也可以在極大范圍內(nèi)線性地有效地進(jìn)行控制。采用慣
量小、反應(yīng)速度快的電磁閥可以得到極高的控制精度和極寬的氣壓控制范圍。 另外，也可以將受多諧振蕩器控制的電磁氣閥裝在供氣系統(tǒng)一側(cè)，形成如圖3所
示的控制系統(tǒng)，其中電磁閥置于氣體流量計(jì)與真空生長室之間，也就是恒定抽氣速度，通過
由PID控制器控制的電磁閥的通、斷狀態(tài)來控制生長室的供氣量以達(dá)到控制生長室內(nèi)壓力
的目的。 下面對(duì)使用本實(shí)用新型帶有電磁閥的單晶生長設(shè)備生長單晶時(shí)的兩個(gè)實(shí)例進(jìn)行 詳細(xì)說明。 在一臺(tái)用來生長SiC單晶的氣相沉積法單晶生長設(shè)備中，使用Eurothern公司生 產(chǎn)的3504型控制器作為程序給定器及PID控制器。用量程為100-100KPa的薄膜式絕對(duì)壓 力傳感器測(cè)量生長室氣體壓力，由壓力瓶提供高純Ar氣，通過流量計(jì)以5升-100升/分的 速率向生長室通入Ar氣，用一個(gè)抽氣速率為l升/秒的真空機(jī)械泵作抽氣泵。 一個(gè)截面為 2. 5mm2的可用于真空系統(tǒng)的金器工業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的MUD-8型常閉電磁氣閥串接在 抽氣泵與真空生長室之間以調(diào)節(jié)實(shí)際抽氣量。3504型控制器的PID輸出信號(hào)控制一個(gè)由 "555"型集成電路構(gòu)成的壓控占空比可變的多諧振蕩器來控制電磁氣閥的工作狀態(tài)。SiC 單晶生長時(shí)，在供氣系統(tǒng)一直以10升/分的流量向生長室供氣的狀態(tài)下，按工藝要求通過 3504型控制器的程序給定器編程，真空生長室的氣壓由5000Pa隨生長過程在50小時(shí)內(nèi)逐 漸變化到100Pa。通過控制電磁氣閥的通-斷時(shí)間改變有效抽氣速率，生長室氣壓始終保持 在與程序給定器給出的設(shè)定值偏差小于0. 5%的范圍內(nèi)。 在另一個(gè)實(shí)例中，在一臺(tái)用來生長SiC單晶的氣相沉積法單晶生長設(shè)備中，使 用Eurothern公司生產(chǎn)的3504型控制器作為程序給定器及PID控制單元。用量程為 100-100KPa的薄膜式絕對(duì)壓力傳感器測(cè)量真空生長室氣體壓力，由壓力瓶提供高純Ar氣， 通過流量計(jì)以5升-100升/分的速率向生長室通入Ar氣，用一臺(tái)1升/秒的真空機(jī)械泵 作抽氣泵。一個(gè)截面為2. 5mn^的可用于真空系統(tǒng)的金器工業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的MUD-8型 常閉電磁氣閥串接在供氣流量計(jì)與真空生長室之間以控制實(shí)際供氣量。3504型PID控制器 輸出的信號(hào)控制一個(gè)由"555"型集成電路構(gòu)成的壓控占空比可變的多諧振蕩器來控制電磁 氣閥的工作狀態(tài)。SiC單晶生長時(shí)，在供氣系統(tǒng)一直以10升/分的流量向生長室供氣的狀 態(tài)下，按工藝要求通過3504型PID控制器編程，真空生長室的氣壓由5000Pa隨生長過程在 50小時(shí)內(nèi)逐漸變化到100Pa。通過控制電磁氣閥的通_斷時(shí)間改變有效供氣速率，生長室 氣壓始終保持在與設(shè)定值偏差小于0. 5%的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求一種用于控制單晶生長設(shè)備中真空生長室內(nèi)壓力的壓力自動(dòng)控制裝置，包括與真空生長室連通的抽氣泵、氣閥流量計(jì)、以及與氣閥流量計(jì)相連的氣源，其特征為在真空生長室與抽氣泵之間，或真空生長室與氣體流量計(jì)之間設(shè)置有電磁閥，該電磁閥由預(yù)定的程序控制其開啟和關(guān)閉，使真空生長室的壓力保持在工藝要求的穩(wěn)定的壓力狀態(tài)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的壓力自動(dòng)控制裝置，其特征為進(jìn)一步包括壓力傳感器、程序 給定器、PID調(diào)節(jié)器和壓控多諧振蕩器，壓力傳感器一端與所述真空生長室相連、另一端與 程序給定器和PID調(diào)節(jié)器相連，壓控多諧振蕩器一端與PID調(diào)節(jié)器相連、另一端與電磁閥相 連。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力自動(dòng)控制裝置，其特征為所述氣源是提供高純氬氣的 壓力瓶。
專利摘要本申請(qǐng)公開了一種用于控制單晶生長設(shè)備的真空生長室內(nèi)氣體壓力的壓力自動(dòng)控制裝置，包括與真空生長室連通的抽氣泵、氣閥流量計(jì)、以及與氣閥流量計(jì)相連的氣源、其特征在于，在真空生長室與真空抽氣泵之間，或真空生長室與氣體流量計(jì)之間設(shè)置有電磁閥，該裝置進(jìn)一步包括壓力傳感器、程序給定器、PID控制器和多諧振蕩器，壓力傳感器測(cè)量生長室的氣壓，并將測(cè)得的壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，該信號(hào)與程序給定器給出的壓力數(shù)值進(jìn)行比較，其差值被送入PID控制器，PID控制器將輸出到壓控多諧振蕩器，該壓控多諧振蕩器的輸出信號(hào)控制所述電磁閥的氣閥的通、斷，進(jìn)而控制真空生長室的進(jìn)氣和出氣，使真空生長室內(nèi)的壓力保持在晶體生長工藝要求的穩(wěn)定狀態(tài)。
文檔編號(hào)F16K51/02GK201545935SQ20092022234
公開日2010年8月11日 申請(qǐng)日期2009年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月2日
發(fā)明者吳晟 申請(qǐng)人:吳晟