CN217231024U - 一种碳化硅晶体生长炉的压力串级控制系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种碳化硅晶体生长炉的压力串级控制系统，涉及PVT法碳化硅单晶生长炉技术领域，主要结构包括主回路；主回路包括设置于炉腔上的第一真空装置、流量控制器、副回路以及第一控制器；副回路包括第二真空装置、第二控制器、比例阀、真空泵和真空管道，真空管道一端与炉腔相连通，真空管道另一端与真空泵的进口相连通，第二真空装置和比例阀均设置于真空管道上。本实用新型中的碳化硅晶体生长炉的压力串级控制系统，能够在用户设定的压力值变化、真空泵抽速波动的情况下快速使容器内压力控制在设定压力数值，提高了比例阀的调节频率和系统响应速度，减少了炉腔内压力震荡周期，缩短了压力调节时间。
Description
技术领域
本实用新型涉及PVT法碳化硅单晶生长炉技术领域，特别是涉及一种碳化硅晶体生长炉的压力串级控制系统。
背景技术
以SiC为代表的第三代半导体材料，以其宽禁带，高击穿临界电、高导热性、高最大电流密度且结实耐磨等特性成为制作高频、大功率、耐高温和抗辐射器件的理想材料。现有技术在利用PVT法制备碳化硅单晶时，对生产容器的控压要求极高，工艺气体的压强变化对SiC晶体的生长速度和晶体质量产生极大影响。
现有方案在利用PVT法制备SiC单晶时，对炉腔内压力的监测和控制系统控压精度差，炉内压力震荡周期长，调压时间较长。
发明内容
为解决以上技术问题，本实用新型提供一种碳化硅晶体生长炉的压力串级控制系统，提高控压精度以缩短炉腔内压力震荡周期，缩短压力调节时间。
为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：
本实用新型提供一种碳化硅晶体生长炉的压力串级控制系统，包括主回路；所述主回路包括设置于炉腔上的第一真空装置、流量控制器、副回路以及第一控制器；所述副回路包括第二真空装置、第二控制器、比例阀、真空泵和真空管道，所述真空管道一端与所述炉腔相连通，所述真空管道另一端与所述真空泵的进口相连通，所述第二真空装置和所述比例阀均设置于所述真空管道上；所述第一控制器与所述第一真空装置信号连接，所述第二控制器与所述第二真空装置信号连接，所述第一控制器与所述第二控制器信号连接，所述第二控制器与所述比例阀的阀门控制器信号连接。
可选的，所述第二真空装置和所述比例阀均位于所述真空管道上靠近所述真空泵的一端。
可选的，所述比例阀位于所述第二真空装置与所述真空泵之间。
可选的，所述第一真空装置和所述第二真空装置均为真空计。
本实用新型相对于现有技术取得了以下技术效果：
本实用新型中的碳化硅晶体生长炉的压力串级控制系统，能够在用户设定的压力值变化、真空泵抽速波动的情况下快速使容器内压力控制在设定压力数值，提高了比例阀的调节频率和系统响应速度，提高了对炉腔内压力的的控制精度、减少了炉腔内压力震荡周期，缩短了压力调节时间，对泵或者进气量改变带来的影响有一定的自适应能力。
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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，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为本实用新型碳化硅晶体生长炉的压力串级控制系统的结构示意图；
图2为本实用新型碳化硅晶体生长炉的压力串级控制系统的串级控制回路图；
图3为本实用新型碳化硅晶体生长炉的压力串级控制系统与现有技术相比动态响应曲线图；
图4为本实用新型碳化硅晶体生长炉的压力串级控制系统与现有技术相比动态平衡曲线图。
附图标记说明：1、流量控制器；2、第一真空计；3、炉腔；4、第二真空计；5、比例阀；6、真空泵；7、真空管道。
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。
如图1和2所示，本实施例提供一种碳化硅晶体生长炉的压力串级控制系统，包括主回路；所述主回路包括设置于炉腔上的第一真空装置、流量控制器、副回路以及第一控制器；所述副回路包括第二真空装置、第二控制器、比例阀5、真空泵6和真空管道7，所述真空管道7一端与所述炉腔3相连通，所述真空管道7另一端与所述真空泵6的进口相连通，所述第二真空装置和所述比例阀5均设置于所述真空管道7上；所述第一控制器与所述第一真空装置信号连接，所述第二控制器与所述第二真空装置信号连接，所述第一控制器与所述第二控制器信号连接，所述第二控制器与所述比例阀5的阀门控制器信号连接。
于本具体实施例中，第二真空装置和比例阀5均位于真空管道7上靠近真空泵6的一端，且比例阀5位于第二真空装置与真空泵6之间。
于更进一步的实施例中，第一真空装置和第二真空装置均为真空计。
第一真空计2用于测量炉腔3内真空度，第一真空计2可以检测到到炉腔3内压力实时的变化，第一真空计2与炉腔3构成主回路，第二真空计4位于真空管道7上，且靠近比例阀5，更容易检测到比例阀5开度和真空泵6抽速波动导致的真空管道7内压力变化情况，构成副回路系统。
第一控制器通过用户工艺设定数值SV1与第一真空计2的读数进行自动计算生成一个数值SV2，第二控制器根据第一控制器输出的SV2与第二真空计4读数进行自动运算，通过加入真空管道7上压力读数的第二次运算，有效的减少了副回路中真空管道7由于靠近泵导致的管道内压力低、比例阀5开度变化对炉腔3内压力影响的滞后和真空泵6抽速不稳定对炉腔3内压力的影响。通过该输出来控制比例阀5开度来改变真空泵6对容器内的抽速，通过串级控制，改善了过程的动态控制，可以使炉腔3内压力值快速到达用户设定值，提高了控压过程中的动态响应速度，控制精度，减少了控压过程中的压力波动，利于改进工艺，能迅速克服真空管道7压力值偏差导致的的二次扰动，如图1所示。
SIC生长容器在控压过程中，通过流量控制器1控制进气，通过比例阀5控制抽速进行抽气，如仅使用单第一真空计2与第一控制器，例如用户设定值为3mbar，此时炉腔3内真空度为2mbar，此时比例阀5开度将开启较小角度，通过流量控制器的进气，由于真空管道更加靠近泵口，泵口抽速快压力低，真空管道细长，受到抽速影响导致真空管道内压力值变化迅速，炉腔容积大，炉腔内压力在比例阀开度变化导致泵抽速变化一定延时后才会影响到炉体上真空计读数，当炉腔3内真空度达到用户设定值3mbar时，此时比例阀5会增大开度，以增加抽速。但此时真空管道7由于更加靠近泵，真空管道7内压力往往会小于3mbar炉腔3内压力受真空管道7内压力影响后往往会使炉腔3内压力小于3mbar，此时比例阀5开度的增加导致抽速增加，炉腔3内压力会小于用户设定值3mbar。导致此时比例阀5开度减小，使得抽速降低，又会炉腔3内压力大于3mbar此过程会循环数次，造成炉腔3内压力反复波动，趋于稳定后才达到用户设定值，如图3所示。真空泵的抽速变化在一定延时后才会影响到炉腔内真空计的读数，造成炉腔3内压力控制精度低，反应滞后，压力调节缓慢，对SiC晶体的生长造成影响。通过双回路控制，使得容器内压力变化滞后减小，比例阀反应速度加快，控制更为及时，提高系统的快速反应能力。
在要求控制一定压力的工艺过程中，如图4所示，单循环控制系统中，由于对真空管道7内压力产生的影响无法进行测量，炉腔3内压力计读数和真空管道7内压力不统一、真空泵6抽速的波动对炉腔3内压力的影响无法消除，导致工艺过程中压力波动大，控压精度差。由于串级控制回路能通过测量真空管道7内压力的变化情况，提前对比例阀5开度进行调整，减少了于容器内压力计读数和真空管道7内实际压力不统一、真空泵6抽速的波动产生的影响，大幅减少了控压过程中炉腔3内压力的波动，通过增加的真空计2对副回路变化的反馈，改善了动态特性，提高了响应速度和工作频率，使得控压精度得到提高。
需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
本说明书中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。
Claims (4)
1.一种碳化硅晶体生长炉的压力串级控制系统，其特征在于，包括主回路；所述主回路包括设置于炉腔上的第一真空装置、流量控制器、副回路以及第一控制器；所述副回路包括第二真空装置、第二控制器、比例阀、真空泵和真空管道，所述真空管道一端与所述炉腔相连通，所述真空管道另一端与所述真空泵的进口相连通，所述第二真空装置和所述比例阀均设置于所述真空管道上；所述第一控制器与所述第一真空装置信号连接，所述第二控制器与所述第二真空装置信号连接，所述第一控制器与所述第二控制器信号连接，所述第二控制器与所述比例阀的阀门控制器信号连接。
2.根据权利要求1所述的碳化硅晶体生长炉的压力串级控制系统，其特征在于，所述第二真空装置和所述比例阀均位于所述真空管道上靠近所述真空泵的一端。
3.根据权利要求1或2所述的碳化硅晶体生长炉的压力串级控制系统，其特征在于，所述比例阀位于所述第二真空装置与所述真空泵之间。
4.根据权利要求1所述的碳化硅晶体生长炉的压力串级控制系统，其特征在于，所述第一真空装置和所述第二真空装置均为真空计。
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