CN111101111B - 一种可稳定硅源浓度的自动控制系统及其控制方法 - Google Patents

一种可稳定硅源浓度的自动控制系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可稳定硅源浓度的自动控制系统及其控制方法，包括氢气输入阀组和TCS气源钢瓶，TCS气源钢瓶与氢气输入阀组、TCS输入管和TCS输出管均相连，PLC控制器与TCS输入管上的常闭控制阀以及TCS气源钢瓶内的液位传感器相连。外延生长过程结束后，进行自动充料，启动PLC控制器，液位传感器检测液面，如果处于低液位，开启常闭控制阀进行充料，反复充料至液位达到固定液位，液位传感器探测到固定液位，在充料过程中完成第一片衬底硅片的取下、基座净化和第二片衬底硅片的安装。本发明采用新的控制系统及方法，充分延长充料时间，且增加充料频率、减少充料量以获得相对固定的液面，保证均匀的小气泡饱和浓度压力相对稳定。

Description

一种可稳定硅源浓度的自动控制系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及硅片生产领域，特别是涉及一种可稳定硅源浓度的自动控制系统及其控制方法。
背景技术
现在在外延片的生产中需要用到外延炉，需要将氢气和三氯氢硅(TCS)通入到气源钢瓶中进行鼓泡蒸发，蒸发后的饱和气体硅源再通入到外延炉中，据拉乌尔定律，压力是决定浓度的主要因素；为稳定浓度，控制稳定的压力可有效改善硅源的浓度稳定性，而提高外延片厚度稳定，需要提高硅源浓度稳定性，硅源浓度稳定主要受载气压力影响，在实际使用过程中，载气动态和静态压力会引起硅源浓度变化，这种浓度的变化主要是氢气的进气压力造成的。
外延片的生长需要消耗TCS，所以在外延片依次进行生长的间隔时间中需要进行充料，原有工艺控制系统中，硅片进入生长工艺时，先升温至某一稳定温度，利用附加气路控制，开始充料，充料的时间是固定的，如图3所示，充料时间短且充料速率快，液位在传感器指示固定液面上下波动较大。在用料相对较多的情况下，充料时间可能不足，导致液位高度不稳定引起的压力不稳定，硅源的大气泡饱和浓度差异较大，生长厚度不稳定。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可稳定硅源浓度的自动控制系统及其控制方法，采用新的工艺控制系统及方法，充分延长充料时间，且增加充料频率、减少充料量以获得相对固定的液面，保证均匀的小气泡饱和浓度压力相对稳定。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种可稳定硅源浓度的自动控制系统，包括氢气输入阀组和TCS气源钢瓶，所述的TCS气源钢瓶与氢气输入阀组、TCS输入管和TCS输出管均相连，所述的TCS输入管上安装有常闭控制阀，所述的常闭控制阀与PLC控制器相连，所述的PLC控制器还与TCS气源钢瓶内的液位传感器相连。
进一步的，所述的氢气输入阀组包括氢气输入端相连的进气阀，所述的进气阀同时连接静态气路和载气气路，所述的静态气路上设置有静态手动阀、静态常开气动阀和静态调压阀，所述的载气气路上设置有常闭气动阀和载气调压阀，所述的静态气路和载气气路同时通入到TCS气源钢瓶中。
进一步的，所述的静态调压阀的调压数值为20PSI，所述的载气调压阀的调压数值为25PSI。
进一步的，所述的TCS气源钢瓶的底部设置有与通入到TCS气源钢瓶内的氢气输入管相连的多孔花洒头。
另外，本发明还提供一种可稳定硅源浓度的自动控制系统的控制方法，具体步骤如下：
S1、将第1片衬底硅片装入载台，经氮气置换后，被机械手传递进入生长腔体，此时TCS处于充满状态，液位传感器探测液面在固定液位位置，静态常开气动阀打开，常闭气动阀关闭，压力20Psi；
S2、根据不同外延工艺需求，生长腔体升温至1090-1120℃的某一特定温度，该温度稳定状态下通入氢气、TCS和特定掺杂气体进行外延生长；TCS通入腔体时，静态常开气动阀关闭，常闭气动阀打开，TCS在流动状态下，压力由25Psi下降至20Psi；
S3、进行外延生长，外延生长过程消耗TCS，导致TCS液位低于固定液位；
S4、外延生长过程结束后，进行自动充料：TCS通入腔体结束，静态常开气动阀打开，常闭气动阀关闭，TCS压力切至20Psi，常闭气动阀关闭时，同时启动PLC控制器，液位传感器检测液面，如果处于低液位，开启常闭控制阀进行充料，充料1-2sec，探测液位，再充料1-2sec，探测液位，如此反复充料至液位达到固定液位，液位传感器探测到固定液位，立刻停止充料，在充料过程中完成第一片衬底硅片的取下、基座净化和第二片衬底硅片的安装；
S5、第二片衬底硅片开始生长，以此循环。
步骤S4中TCS输入管的TCS进气压力在40-50Psi，高于氢气的进口压力20Psi。
步骤S4中衬底硅片外延生长结束至基座净化处理开始的间隔时间约60sec，基座净化处理开始至结束时间一般在90-300sec，基座净化处理结束至第2片衬底硅片开始生长的时间间隔约60sec，则第1片硅片生长结束至第2片硅片开始生长之间的时间间隔一般大于210sec，大于最长充料时间180sec。
有益效果：本发明涉及一种可稳定硅源浓度的自动控制系统及其控制方法，采用新的工艺控制系统及方法，在第一片生长结束开始充料，至第二片开始生长前都处于充料状态，充分利用升降温和净化基座时间，可获得足够的时间完成充料过程，通过和常闭控制阀联动，取闭合信号开启TCS充料采用间隔充料模式，充料和检测交替进行，降低充料速率，保证液面达到固定液面后及时停止，保证液面位置稳定，保证均匀的小气泡饱和浓度压力相对稳定。
附图说明
图1是本发明的气路结构图；
图2是本发明的改进前后的外延片厚度变化示意图；
图3是本发明的外延工艺时间和外延温度坐标图。
图示：A、氢气输入阀组；1、进气阀，2、静态手动阀，3、静态常开气动阀，4、静态调压阀，5、常闭气动阀，6、载气调压阀；7、TCS气源钢瓶；8、TCS输出管；9、TCS输入管；10、常闭控制阀；11、液位传感器；12、PLC控制器。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
如图1-3所示，本发明的实施方式涉及一种可稳定硅源浓度的自动控制系统，包括氢气输入阀组A和TCS气源钢瓶7，所述的TCS气源钢瓶7与氢气输入阀组A、TCS输入管9和TCS输出管8均相连，所述的TCS输入管9上安装有常闭控制阀10，所述的常闭控制阀10与PLC控制器12相连，所述的PLC控制器12还与TCS气源钢瓶7内的液位传感器11相连。
所述的氢气输入阀组A包括氢气输入端相连的进气阀1，所述的进气阀1同时连接静态气路和载气气路，所述的静态气路上设置有静态手动阀2、静态常开气动阀3和静态调压阀4，所述的载气气路上设置有常闭气动阀5和载气调压阀6，所述的静态气路和载气气路同时通入到TCS气源钢瓶7中。
所述的静态调压阀4的调压数值为20PSI，所述的载气调压阀6的调压数值为25PSI。
使用时和设备联动，用常闭气动阀5驱动打开载气气路，而实际流动时气压压力下降至20Psi，通入到气源钢瓶中的氢气气压为20Psi。
而不使用设备时，氢气的进气气路切换至静态气路，保证管道内浓度都是20Psi浓度。根据拉乌尔定律，浓度和压力正比关系，可以通过控制压力稳定有效控浓度稳定。
从图2中可以看到，采用本专利所述的阀门组件后的外延片的厚度波动明显减少。
为了减少气泡大小，降低压力波动造成的影响，在TCS气源钢瓶7的底部设置有与通入到TCS气源钢瓶7内的氢气输入管相连的多孔花洒头，通过多孔花洒头出气可以提高气泡浓度的一致性。
通过PLC控制器12、液位传感器11和常闭控制阀10形成一个闭环，可以对液面进行控制，具体的控制方法，具体步骤如下：
S1、将第1片衬底硅片装入载台，经氮气置换后，被机械手传递进入生长腔体，此时TCS处于充满状态，液位传感器11探测液面在固定液位位置，静态常开气动阀3打开，常闭气动阀5关闭，压力为20Psi；
S2、根据不同外延工艺需求，生长腔体升温至1090-1120℃的某一特定温度，该温度稳定状态下通入氢气、TCS和特定掺杂气体进行外延生长；TCS通入腔体时，静态常开气动阀3关闭，常闭气动阀5打开，TCS在流动状态下，压力由25Psi下降至20Psi；
S3、进行外延生长，外延生长过程消耗TCS，导致TCS液位低于固定液位；
S4、外延生长过程结束后，进行自动充料：TCS通入腔体结束，静态常开气动阀3打开，常闭气动阀5关闭，TCS压力切至20Psi，常闭气动阀5关闭时，同时启动PLC控制器12，液位传感器11检测液面，如果处于低液位，开启常闭控制阀10进行充料，TCS输入管9的TCS进气压力在40-50Psi，高于氢气的进口压力20Psi，充料1-2sec，探测液位，再充料1-2sec，探测液位，如此反复充料至液位达到固定液位，液位传感器11探测到固定液位，立刻停止充料，在充料过程中完成第一片衬底硅片的取下、基座净化和第二片衬底硅片的安装，其中衬底硅片外延生长结束至基座净化处理开始的间隔时间约60sec，基座净化处理开始至结束时间一般在90-300sec，基座净化处理结束至第2片衬底硅片开始生长的时间间隔约60sec，则第1片硅片生长结束至第2片硅片开始生长之间的时间间隔一般大于210sec，大于最长充料时间180sec。
本发明采用新的工艺控制系统及方法，在第一片生长结束开始充料，至第二片开始生长前都处于充料状态，充分利用升降温和净化基座时间，可获得足够的时间完成充料过程，通过和常闭控制阀联动，取闭合信号开启TCS充料采用间隔充料模式，充料和检测交替进行，降低充料速率，保证液面达到固定液面后及时停止，保证液面位置稳定，保证均匀的小气泡饱和浓度压力相对稳定。

Claims (5)

1.一种可稳定硅源浓度的自动控制系统，包括氢气输入阀组(A)和TCS气源钢瓶(7)，所述的TCS气源钢瓶(7)与氢气输入阀组(A)、TCS输入管(9)和TCS输出管(8)均相连，其特征在于，所述的TCS输入管(9)上安装有常闭控制阀(10)，所述的常闭控制阀(10)与PLC控制器(12)相连，所述的PLC控制器(12)还与TCS气源钢瓶(7)内的液位传感器(11)相连，所述的氢气输入阀组(A)包括氢气输入端相连的进气阀(1)，所述的进气阀(1)同时连接静态气路和载气气路，所述的静态气路上设置有静态手动阀(2)、静态常开气动阀(3)和静态调压阀(4)，所述的载气气路上设置有常闭气动阀(5)和载气调压阀(6)，所述的静态气路和载气气路同时通入到TCS气源钢瓶(7)中，所述的静态调压阀(4)的调压数值为20PSI，所述的载气调压阀(6)的调压数值为25PSI。
2.根据权利要求1所述的可稳定硅源浓度的自动控制系统，其特征在于：所述的TCS气源钢瓶(7)的底部设置有与通入到TCS气源钢瓶(7)内的氢气输入管相连的多孔花洒头。
3.一种根据权利要求2所述的可稳定硅源浓度的自动控制系统的控制方法，具体步骤如下：
S1、将第1片衬底硅片装入载台，经氮气置换后，被机械手传递进入生长腔体，此时TCS处于充满状态，液位传感器(11)探测液面在固定液位位置，静态常开气动阀(3)打开，常闭气动阀(5)关闭，压力20Psi；
S2、根据不同外延工艺需求，生长腔体升温至1090-1120℃的设定温度，该温度稳定状态下通入氢气、TCS和掺杂气体进行外延生长；TCS通入腔体时，静态常开气动阀(3)关闭，常闭气动阀(5)打开，TCS在流动状态下，压力由25Psi下降至20Psi；
S3、进行外延生长，外延生长过程消耗TCS，导致TCS液位低于固定液位；
S4、外延生长过程结束后，进行自动充料：TCS通入腔体结束，静态常开气动阀(3)打开，常闭气动阀(5)关闭，TCS压力切至20Psi，常闭气动阀(5)关闭时，同时启动PLC控制器(12)，液位传感器(11)检测液面，如果处于低液位，开启常闭控制阀(10)进行充料，充料1-2sec，探测液位，再充料1-2sec，探测液位，如此反复充料至液位达到固定液位，液位传感器(11)探测到固定液位，立刻停止充料，在充料过程中完成第一片衬底硅片的取下、基座净化和第二片衬底硅片的安装；
S5、第二片衬底硅片开始生长，以此循环。
4.根据权利要求3所述的可稳定硅源浓度的自动控制系统的控制方法，其特征在于：
步骤S4中TCS输入管(9)的TCS进气压力在40-50Psi，高于氢气的进口压力20Psi。
5.根据权利要求3所述的可稳定硅源浓度的自动控制系统的控制方法，其特征在于：
步骤S4中衬底硅片外延生长结束至基座净化处理开始的间隔时间60sec，基座净化处理开始至结束时间在90-300sec，基座净化处理结束至第2片衬底硅片开始生长的时间间隔60sec，则第1片硅片生长结束至第2片硅片开始生长之间的时间间隔大于210sec，大于最长充料时间180sec。
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