CN201842897U

CN201842897U - 一种碳化硅单晶生长炉中的提纯及压力控制系统

Info

Publication number: CN201842897U
Application number: CN2010205310694U
Authority: CN
Inventors: 王利杰; 郝建民; 王香泉; 孟大磊; 洪颖; 郭俊敏
Original assignee: CETC 46 Research Institute
Current assignee: CETC 46 Research Institute
Priority date: 2010-09-16
Filing date: 2010-09-16
Publication date: 2011-05-25
Anticipated expiration: 2020-09-16

Abstract

本实用新型公开了一种碳化硅单晶生长炉中的提纯及压力控制系统，包括：真空室、机械泵、分子泵、真空计、气动阀、质量流量控制计和针阀；进一步地，所述提纯及压力控制系统还包括：布置在机械泵与真空室间的压力控制系统，所述压力控制系统包括：测量所述真空室内压力值的压力传感器；将预设的压力值与所述压力传感器测量的压力值进行比较计算并输出压力控制指令的PID控制电路；以及，根据所述PID控制电路输出的压力控制指令调节所述低真空链路与所述真空室间阀门开启比例的压力控制执行部件。本实用新型能够对碳化硅单晶生长前的提纯工艺以及对碳化硅单晶生长过程中所涉及的各工艺提供稳定可靠的压力控制。

Description

一种碳化硅单晶生长炉中的提纯及压力控制系统

技术领域

本实用新型涉及半导体技术领域，尤其涉及一种碳化硅单晶生长炉中的提纯及压力控制系统。

背景技术

碳化硅作为一种新型的宽禁带半导体材料，具有优异的物理和电学性能，特别适合于制造高温、高频、大功率、抗辐照、短波长发光及光电集成器件，在微电子和光电子领域具有极好的应用前景。通常碳化硅单晶的生长采用物理汽相传输工艺PVT。由于PVT工艺中碳化硅源粉的升华决定了单晶的生长，而生长室内的气压值决定了源粉升华的速率，因此对于压力的控制就尤为重要。然而，目前在碳化硅单晶生长炉中确没有比较稳定、可靠的压力控制系统。

实用新型内容

本实用新型提供一种碳化硅单晶生长炉中的提纯及压力控制系统，达到了能够对碳化硅单晶生长前的提纯工艺以及对碳化硅单晶生长过程中所涉及的各工艺提供稳定可靠的压力控制的目的。

具体的，本实用新型提供的一种碳化硅单晶生长炉中的提纯及压力控制系统，包括：真空室，以及分别与真空室相连的抽真空链路和充气链路，所述抽真空链路包括主要由机械泵组成的低真空链路和主要由分子泵和真空计组成的高真空链路；所述充气链路包括针阀、质量流量控制计和气动阀，其特征在于，所述碳化硅单晶生长炉中的提纯及压力控制系统还包括：

布置在所述机械泵与真空室间的压力控制系统，所述压力控制系统包括：

测量所述真空室内压力值的压力传感器；

将预设的压力值与所述压力传感器测量的压力值进行比较计算并输出压力控制指令的比例-积分-微分PID控制电路；

以及，根据所述PID控制电路输出的压力控制指令调节所述低真空链路与所述真空室间阀门开启比例的压力控制执行部件。

其中，所述压力控制执行部件包括：驱动器、电动机和调节阀；

所述驱动器在所述PID控制电路输出压力控制指令的控制下驱动所述电动机调节所述调节阀阀门的开启比例。

进一步地，本实用新型所述碳化硅单晶生长炉中的提纯及压力控制系统，还包括：设置所述压力控制系统的压力值和压力控制时间，以及设置所述质量流量控制计的流量值和流量控制时间的可编程控制下位机。

进一步地，本实用新型所述碳化硅单晶生长炉中的提纯及压力控制系统中，所述真空室是石英管，所述石英管的两端采用法兰结构。

与现有技术相比，本实用新型有益效果如下：

本实用新型所提供的碳化硅单晶生长炉中的提纯及压力控制系统，能够对碳化硅单晶生长前的提纯工艺以及对碳化硅单晶生长过程中所涉及的各工艺提供稳定可靠的压力控制，最大限度地降低充气过程和减压过程给单晶生长室带来的压力冲击。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型提供的一种碳化硅单晶生长炉中的提纯及压力控制系统的结构图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型提供一种碳化硅单晶生长炉中的提纯及压力控制系统，针对物理气相传输法生长碳化硅单晶，利用该系统既可以保证生长系统的气压每一时刻值都保持动态平衡，按照操纵者所设定指令依时变化，也可以实现生长系统中的杂质的去除。

如图1所示，为本实用新型提供的一种碳化硅单晶生长炉中的提纯及压力控制系统的结构图，该控制系统具体包括：真空室101、与真空室连接的充气链路和与真空室连接的抽真空链路；其中，充气链路包括针阀102、质量流量控制计103和气动阀104；抽真空链路包括主要由机械泵105组成的低真空链路和主要由分子泵106和真空计107组成的高真空链路；

进一步地，所述碳化硅单晶生长炉中的提纯及压力控制系统还包括：压力控制系统108，该压力控制系统布置于真空室101与机械泵105之间，构成低真空链路的一部分。

其中，压力控制系统108包括：压力传感器109、PID控制电路110和压力控制执行部件111；其中，压力传感器109，用于测量所述真空室101内的压力值；

PID控制电路110，用于将预设的压力值与所述压力传感器109测量的真空室内101的压力值进行比较计算，输出压力控制指令；

压力控制执行部件111，基于所述PID控制电路110输出的压力控制指令，调节所述低真空链路与所述真空室101间阀门的开启比例。

其中，压力控制执行部件111具体包括：驱动器、电动机和调节阀；

所述驱动器在所述PID控制电路110输出的压力控制指令控制下驱动所述电动机调节调节阀阀门的开启比例。

优选地，所述碳化硅单晶生长炉中的提纯及压力控制系统还包括：可编程控制下位机112，该可编程控制下位机112，用于设置所述压力控制系统108的压力值和压力控制时间，以及设置所述质量流量控制计103的流量值和流量控制时间。

其中，可编程控制下位机112通过向所述压力控制系统108和质量流量控制计103发送函数控制指令，即采用函数数化控制技术，实现对压力控制系统108和质量流量控制计103的控制。

进一步地，本实用新型所述碳化硅单晶生长炉中的提纯及压力控制系统中，采用石英管为碳化硅生长炉中的真空室101，该真空室101采用传统的结构，即石英管两端均采用石英管外壁、耐高温O型胶圈、金属套圈和金属压圈的密封结构。其中，金属套圈设计有冷却水管道、气路管道和真空管道。真空管道中采用硬管与波纹管的组合结构。

下面就结合本实用新型提供的碳化硅单晶生长炉中的提纯及压力控制系统的结构，对碳化硅单晶生长过程进行说明，以更好的说明本实用新型所述控制系统中各部件的功能。

在碳化硅单晶生长前，首先对生长炉内实施提纯工艺，因为，PVT工艺的生长炉的侧内壁是由石墨材料制成的，该石磨材料为泡沫状，通常含有较多杂质，例如，硼、铁、铝、铜等，在晶体生长时，这些系统中的杂质最终将掺入到碳化硅单晶中，这将极大降低碳化硅的半绝缘特性，并影响晶体的完整性。因此，为了保障碳化硅晶体的高纯度高完整性，就需要尽可能的降低这些杂质的含量，需要对生长系统进行提纯。

本实用新型中，对生长炉内实施提纯工艺的具体过程如下：

对生长炉进行加热处理，当炉内温度达到预设的提纯温度2000℃时启动机械泵105，同时通过可编程控制下位机112设定压力控制系统108的纯化气压值，机械泵105正常运转之后，开启气动阀104，由可编程控制下位机112输出特定函数向质量流量控制计103发出流量控制指令，质量流量控制计103基于接收到的流量控制指令以设定的速率0.2L/min的速率将氩气平稳有效地输入真空室101之中，同时以50ml/min的速率将氯气输入到真空室101中。当通过压力控制系统108的压力传感器109监测到真空室101内气压达到设定值后，控制质量流量控制计103持续通入氩气和氯气，并利用机械泵105和压力控制系统108共同控制维持所设定的气压值，直到纯化气体与杂质反应完毕。

然后，实施抽真空工艺流程，具体过程如下：

启动机械泵105，设定为降压模式，待机械泵105正常运转之后，由可编程控制下位机112控制压力控制系统108按照设定的程序缓慢降压。当真空度达到0mbar时，关闭机械泵105，启动分子泵106，开始第2阶段的抽高真空，由真空计107显示最终的真空值是否达到所要求的标准。

第三，实施充气保护工艺流程，具体过程如下：

启动机械泵105，由可编程控制下位机112设定真空室101内气压最终值，待机械泵105正常运转之后，开启气动阀104，由可编程控制下位机112输出特定函数向质量流量控制计103发出流量控制指令，质量流量控制计103按照流量控制指令以1L/min的速率将保护气体平稳有效地输入真空室101之中。当通过压力控制系统108的压力传感器109监测到真空室101内的气压达到设定值后，关闭质量流量控制计103，利用机械泵105和压力控制系统108共同控制维持所设定的保护气压值。

第四，实施降压生长碳化硅单晶工艺流程，具体过程如下：

设定生长单晶所需气压值以及设定减压速率，由可编程控制下位机112向压力控制系统108发出压力控制指令，压力控制系统108根据压力控制指令按照特定的函数路线进行减压。当减压速率小于所设定的速率值时，自动或者手动调节针阀102。通过压力控制系108中压力传感器109监测真空室101内的气压值，当达到生长所需气压值时，停止调节针阀102，由压力控制系109自动控制真空室101内的压力值。于此同时，开启气动阀104，向真空室101内通入生长所在气氛下的气体，由质量流量控制计103控制在20ml/min，以保证生长所需气压。

在碳化硅单晶生长完成后，进行升压停炉工艺流程，具体为：

设定停炉气压值，开启气动阀104，由可编程控制下位机112输出最大函数，向质量流量控制计103发出流量控制指令，质量流量控制计103按照流量控制指令以10L/min的速率将保护气体输入真空室之中。当通过压力控制系统108的压力传感器109监测到真空室101内的气压达到设定值后，关闭质量流量控制计103和气动阀104。

另外，本实用新型所提供的系统中的石英管结构中，金属套圈的外端采用耐高温O型胶圈与金属法兰的密封结构，使得系统有很高的真空度，可达3×10-6mbar。

并且，本实用新型所提供系统同时使用针阀与气动阀门，保证了减压速率，可以独立完成压力的过程控制和恒压控制，通过调节针阀孔径还可以进一步提高速率。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种碳化硅单晶生长炉中的提纯及压力控制系统，包括：真空室，以及分别与真空室相连的抽真空链路和充气链路，所述抽真空链路包括主要由机械泵组成的低真空链路和主要由分子泵和真空计组成的高真空链路；所述充气链路包括针阀、质量流量控制计和气动阀，其特征在于，所述碳化硅单晶生长炉中的提纯及压力控制系统还包括：

测量所述真空室内压力值的压力传感器；

2.如权利要求1所述的碳化硅单晶生长炉中的提纯及压力控制系统，其特征在于，所述压力控制执行部件包括：驱动器、电动机和调节阀；

3.如权利要求1或2所述的碳化硅单晶生长炉中的提纯及压力控制系统，其特征在于，还包括：设置所述压力控制系统的压力值和压力控制时间，以及设置所述质量流量控制计的流量值和流量控制时间的可编程控制下位机。

4.如权利要求1所述的碳化硅单晶生长炉中的提纯及压力控制系统，其特征在于，所述真空室是石英管，所述石英管的两端采用法兰结构。