（电气工程专业论文）碳化硅晶体生长设备的研制.pdf

摘要 摘要 随着信息化社会和现代科技的迅速发展，对可以在s i 和g a a s 器件难以承受 的高温环境下工作的电子器件的需求越来越迫切。在寻求高温器件的同时，研制 高频大功率、抗辐射的高性能半导体器件也是上世纪9 0 年代以来微电子领域的 重点之一。以s i c 为代表的宽禁带半导体材料具有禁带宽、击穿场强高、热导率 高、抗辐照能力强、化学性能稳定等独特点，是研制这一类器件的理想材料。但 是，由于s i c 制各难度大、成本高，市场上还没有较为成熟的晶体生长工艺装备。 本课题依据s i c 晶体生长工艺的要求，在多年研究工作的基础上研制能满足s i c 半导体晶体生长需要的工艺设备。在设计过程中通过对机械、真空密封、电器 控制等关键部分的优化设计，解决了真空室石英管与金属法兰之问的高温高真空 密封、炉内坩埚温度的测量和控制以及高频电源的程序化稳定控制等方面的技术 难题，经过调试和晶体试样制备，对设备进行了参量优化，达到了较为理想的工 作状态，可满足s i c 晶体生长的要求。 【关键词】碳化硅晶体生长设备半导体材料 摘要 a b s t r a c t a l o n gw i t h t h er 印i dd e v e l o p m e mo fs o c i a li n f o m l a t i o na n d m o d e ms c i e m i 6 ct e c m l o l o g 吐l en e e df o re l e c n o 面cd e v i c e s ，w 蛐c hc a l l w o r ku n d e rt i l e “g ht e m p e r a t u r ee n v i m m e n tu n d e rw h j c hm es ia n d g a a sd e v i c e sa r eh a r dt ow o r kn o n a l l y ，b e c o m e sm o r ea i l dm o r eu r g e n t w 1 ew es e e k 山eh i 曲t e m p e r a n 鹏d e v i c e s ，t 1 1 er e s e a r c ho fp e m c t p e d - o m a n c ee l e c 仃o n i cd e v i c e s - o w l l i l l gm g h 丘e q u e n c y 、h i 曲p o w e r 、 h j 曲r e s k t a mt or a d i a t i o nd a 眦g e 锄dm g hp e r f i o r r m n c ei sa l s oo n eo f 龇k e ys u b j e c t si nm e 玎l i c m e l e c 订o i l i cf i e l ds i n c e19 9 0 s t n “sb m l l c h ， 幽e r e p r e s e n t a t i v e m a t e r i a ls i c - o w n i n gw i d e - b a n ds e 面c o n d u c t o r s ， h i 曲e l e c j cb r e a k d o w n 缸e l dp e 彘c tm e r i m lc o n d u c t i v i 吼s t r o n g r e s i s t a n c et or a d i a t i o na 1 1 dc h e m i c a ls t a b i l i 谚一i st h ei d e a lr e s e a r c hm a t e r i a j b u t ，i 1 1m ef a c t 恤r ei s n ts a t i s f i e ds i cc w s 诅lg m he q u i p m e n ti nt h e m a r k e ta tp r e s e mb e c a u s e o fi t sl _ i i 曲c o s ta i l dp m d u c t i o nd i 伍c u l 珥 b a s e do n 也es i cc r a rr e q u e s ta n dt h e e x p e e n c eo fp a s ty e a r s ，t 1 1 i s s u b j e c t sp u r p o s ei s t or e s e a r c ha n dd e v e l o ps i ce q u i p m e mt 1 1 a tc a l l s a t i s 母t h ec r a f tr e q u e s to fs i cc r y s t a lg r o 、v t h i nt h ec o u r s eo fm yd e s i 乳 b ym eo p t i i n a ld e s i 印f o rt h ek e yp a n si 1 1 c l u d m gm a c h m e 叫、v j c u u m s e a la 1 1 de l e c t r i cc o n t m la i l ds oo 玛it r i e dm yb e s tt os o l v ed i 伍c u l t t e c h i l o l o 目p r o b l e l l l sa sf o u o w 加g ： 西安理工大学工程硕士学位论文 v a c u 啪s e a lp r o b l e mb e 铆e e nq u a n si 1 1 1 ev a c u 啪m o ma 1 1 d m e t a l 日a n g eu n d e rm eh i g ht e i n p e r a m r ec o n d 硒。珥 i t e m p e r a _ n j r em e a l s l a i l dc o m m io fm ec m c i b l ei 1 1t h e 如m a c e a n d 山ep r o g m ms t e a d yc o n n d lo f l l i g h 丘e q u e n c e p o w e r 嘶gd e b u g g 访gt h en e we q u i p m e ma n dm a k i i l gs i cc q s t a lg r o 、v t h e ) e 洒e n t s ，、v ec h o s em eo p t 证1 a lp a r a m e t e ra g a ma n da g a i nu n t i lw eg o t t h ei d e a lw o r kc o n d i t i o n w eb e l i e v eo u re q u i p m e n tc a i ls a t i s 母t h es i c g r o 卅hc r o f 【r e q u e s t 【k e yw o r d s 】 s i c c 叮s t a lg r o 刚he 牛却m e ms e i l l i c o n d u c t o r m a t 酣a 1 第一章绪论 第一章绪论 1 1s i c 晶体材料的发展、应用及其制备方法 半导体材料的发展过程中，先后出现了几次飞跃。首先，硅材料的发展给电 子学带来了划时代的变革，使半导体在微电子领域的应用获得突破性的发展，家 电和计算机的广泛应用都归功于硅材料的发展。而后，砷化镓材料的发展则使半 导体的应用进入光电子领域，由此带来了v c d 和多媒体等的飞速发展。 随着社会信息化的需要和现代电子系统的迅速发展，越来越迫切需要s i 和 ( h 虹器件难以承受的高温环境下工作的电子器件，取掉系统中现有的冷却装置， 适应电子装置的迸一步小型化。以s i c 、g 削、金刚石为代表的宽禁带半导体材 料具有禁带宽度大、击穿场强高、热导率大、电子饱和漂移速度高、抗辐射能力 强、化学稳定性良好等独特的特性，使其在光电器件、高频大功率器件、高温电 子器件等方面倍受青睐，被誉为前景十分广阔的第三代半导体材料。 高质量的s i c 晶体首先由荷兰飞利浦研究室的k l y 于1 9 5 5 年采用“升华再 结晶”技术生长成功。2 0 世纪7 0 年代，前苏联的尉d 0 v 和1 妣( o v 提出了“改 进升华”的理论。后来，又陆续产生了在s i 或其它衬底材料上生长s i c 单晶薄膜 的异质外延技术。近年来，宽禁带半导体材料碳化硅的研究开发及应用已成为 世界各国半导体材料研究机构争先研究的重点，许多国家投入了大量人力物力财 力进行研究开发。 由于s i c 有许多优于s i 和g a a s 的材料性能，所以，s i c 材料特别适用于制 造高频、大功率、抗辐射、抗腐蚀的电子器件，并可在几百度高的恶劣环境下工 作，广泛应用于人造卫星、火箭、雷达、通讯、高温传感器等重要领域，s i c 材 料母瞒4 的器件很多，如s i c 二极管、s i cj 聊、s i cm e s n 玎、s i cm o s h 玎、s i c h b t 、s i c 丑：m r 、s i c s r r 等。即使最低档的碳化硅晶体也可作为高逼真钻石桌 使用，其性能与天然钻石几乎无差别，使用般仪器很难鉴别，因此，具有很好 的经济价值。 s i c 晶体材料的生长是发展s i c 半导体技术的关键因素之一，尽管已有近半 西安理工大学工程硕士学位论文 个。咝己的发展历史，由于制备技术等方面的原因，只是在2 0 世纪9 0 年代s i c 才 得以飞速发展。目前，s 配晶体材料制各方法有“升华再结晶”法、“改进升华” 法、外延生长法。“升华再结晶”法是把s i c 晶体颗粒最于石墨坩埚内，在灯气 氛中升温到2 5 0 0 以上进行热解升华，并将其输送到低温处进行有序再结晶成为 高纯的s i c 单晶体。“改进升华”法同样也是在晶体生长腔中产生一定的温度，在 高温下s i c 源升华，然后在籽品上凝结成体单品。外延生长法是采用异质外延技 术在s i 或其它衬底材料上生长s i c 单晶薄膜，外延s i c 单晶薄膜的方法很多，包 括化学气相沉积( c ) 、液相外延生长( l p e ) 、汽相外延生长( v p e ) 、气源分子 柬外延( m b e ) 、电子回旋谐振等离子体淀积等方法。 1 2 本课题的意义 在众多人工晶体材料的制备方法中，碳化硅单晶体的制各方法很特殊，困难 较大，是当今世界人工晶体生长技术的难点之一。尽管如此，目前已有一些发达 日家能生产碳化硅晶体，而其关键工艺装备一晶体生长设备，则基本属于实验装 置且都是自制自用。 因此，本项目的实施，开发具有自主知识产权的碳化硅人工晶体生长关键技 术与设备，首先可以打破发达国家的这种垄断，从根本上改变受制于人的被动局 面，填补国内碳化硅晶体生长设备的空白，为信息科学领域中的微电子技术和光 电子技术以及能源与自动化领域中的电力电子技术的进一步发展奠定坚实的物质 和技术基础。同时，碳化硅人工晶体和单晶片本身也具有很高的经济价值。 第二章s i c 晶体生长工艺对设备的基本要求 第二章s ic 晶体生长工艺 对设备的基本要求 2 1基本要求 本项目是根据“改进升华”法的工艺技术要求并考虑到外延生长的工艺需要 进行设计的，由于s i c 晶体生长需要有多方面的工艺条件保证，其中最重要的工 艺参数及其特点是：工作温度高、温度梯度大和反应室密封性及隔热性强，因此， 设备须采用稳定的超音频电源感应加热、高效冷却及高温密封，并具备对晶体生 长室高真空度的获得与检测、加热温度的精确测量与控制、加热温度的程序化控 制、石墨坩埚与加热器的相对位置调整以及m 等多种气体的定量供给等功能。 根据晶体生长炉有关标准的规定，对该设备定名为：) o 1 6 型晶体生长设 备，缩写为：t 1 6 2 2 设备主要技术规范 电源功率： 3 0 k w 电源工作频率 3 0 七 极限真空度的保证：4 l o 。p a ； 温度测量控制范围：1 0 0 0 _ 2 6 0 0 ： 温度控制精度：在2 0 0 0 下o - 5 ； 四种气体的精确提供； a r 、h 2 、s 讧丑、c 1 4 ； 加热电源的稳定性：稳定可靠的连续运行时问超过7 2 小时； 坩埚相对于加热器的调整位移：1 0 0 咖： 反应室尺寸：中1 6 0 + 6 6 0 ； 冷却水压力： 0 1 0 2m p a ： 2 3 设备主要配置与功用 西安理工大学工程硕士擘位论文 s i c 晶体生长设备的主要配置框图如图2 1 所示 超纯a2 发生嚣 惰性保护气体 昌体生长皇 盖度葛控系缠 加善电霉 真空机组 图2 1s i c 晶体生长系统简图 s i c 晶体生长设备包括8 个子系统：晶体生长室系统：坩埚及保温系统；加 热系统；温度检测与控制系统；真空获得与检测系统；反应气体供给系统；蝎位 调整系统：水冷却系统。 晶体生长室系统由大直径高纯度石英管、两端的密封法兰和过渡真空室组成， 主要为晶体生长提供一个理想的工艺环境条件，保证s i c 晶体的稳定生长。 加热系统采用超音频电源感应加热方式，感应线圈置于晶体生长室( 石英管) 外部，这样在晶体生长室得到充分加热的时候避免了加热器对晶体的“污染”同 时乜相对增加了工作空间。加热电源为i g b t 超音频感应加热功率电源，电源功 率3 0 k w ，电源工作频率3 0 z 。 4 镕&寺&t#h l 第二章s i c 晶体生长工艺对设备的基本要求 温度检测与控制系统主要对晶体生长室内的温度进行精确检测、温度升降程 序控制和温度精确稳定控制。晶体生长室内的温度检测传感器选用红外测温仪， 透过顶部和底部的窗口对温度进行精确测量，温度控制单元选用英国欧陆8 1 8 p 型温度调节器进行闭环控制，该控制器控制稳定、精度高，具有分段设定自动程 序控制功能、自适应和自整定功能，可连续监视过程偏差并及时分析回路响应。 真空获得与检测系统包括真空机组和复合真空计。真空机组由一个2 x z 一8 型 机械泵和一个j k 2 0 0 型扩散泵组成。保证品体生长室内获得足够高的真空度和足 够低的压升率，保证晶体生长室内的高洁净度。 反应气体供给系统为晶体生长室提供晶体生长工艺需要的一定组份的气体。 坩埚位置调整系统主要是根据需要调整坩蜗与加热器的相对位置，使之形成 工艺温度梯度，同时也可实现方便装取料。 水冷却系统提供晶体生长室、超音频电源、真空机组的冷却，保证真空炉室 的密封及超音频电源、真空机组的稳定工作。 坩埚及保温系统是晶体生长工艺的最重要组成部分，是满足晶体生长工艺条 件、保证晶体生长成功与否的关键。主要包括坩埚杆、石墨坩埚、坩埚盖及保温 罩等部分。 第三章机械、真空部分的设计 第三章机械、真空部分的设计 3 1 机械部分设计 如图3 1 所示，机械部分主要由底座、立柱、直线导轨、丝杠丝母、滑座、 坩埚轴、齿轮副、手轮、真空室支撑板( 图中没有画出) 等组成。 考虑到装料、取料及坩埚位置的调整的方便性，将机座设计为“ ”形结 构。 转动手动手轮可以调整坩埚位置，其传动路线为： 手轮一齿轮副一丝杠一丝母一滑座一坩埚轴一坩埚。 机械传动系统主要用来保证设备装料、卸料的方便以及坩埚与加热器的相对 位置调整，达到理想的工作条件。 坩蠕移动的平稳性由直线运动导轨保证，直线运动导轨有以下特征： 1 它为四方向等载荷结构，垂直向上、向f 和左右水平额定载荷相等。 2 额定载荷大，刚性好、刚度高，三个方向抗倾覆力矩能力大。 3 摩擦阻力小，运动精度高，能保证运动的平稳可靠。 4 结构简单，使用方便。 3 2 真空部分设计 晶体材料的生长需要有较高的真空度和较低的泄漏率，以满足晶体材料生长 的需要。 真空系统由真空获得系统、真空室与检测系统组成，真空获得系统与检测系 统前面已经提及，现重点对真空室加以说明。真空室由大直径石英管、石英管上 法兰、过渡副室、波纹管副室、下法兰、上取光玻璃、下去光玻璃及各部分的密 封圈组成。 西安理工夫攀工程顾奄学位论史 一 一一1 ”。_ _ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ 。- _ _ _ _ * “_ 。_ _ _ 。_ - _ _ _ _ n 。_ - _ _ _ _ _ - - 。“w 一 童 囊 圈3 * 1t 6 炉瓿缀传动示慧弱 第三章机械、真空部分的设计 由于该设备对真空度及泄漏率指标的要求都很高，且主要炉室部分为大直径 石英管，因此对密封结构、密封件材质的选用十分重要，在设计时应进行认真的 考虑。 密封件材质的选用： 用于真空密封橡胶材料，除要求具有光洁表面、无划伤、无裂纹外，还要求 有低的渗透率和出气率，良好的耐热性耐油性，同时要有一定的强度、硬度和弹 性等。 各种橡胶材料的主要性能如表3 1 表3 3 根据表3 1 表3 3 所表述的情况，选用氟橡胶密封材料。 表3 - 1 各种橡胶对空气的渗透性能 橡胶种类氰橡胶聚氯丁橡胶天然橡胶硅橡胶 渗透系数【c i n3 0 8 l o 7o 9 8 l o “4 4 1 0 。4 5 1 0 。7 ( s c 【na n2 ) 1 橡胶种类聚氨脂橡胶丁苯橡胶氟橡胶2 6氟橡胶2 3 渗透系数 c 【f l3 o 9 7 1 0 “2 9 lo - 7o 8 8 l o “o 8 1o - 7 ( s c r n 饥2 ) 1 注：在压力差为l a n ，温度为8 0 时测定；值为标准状态下换算 表3 2 橡胶的出气速率 出气速率 1 0 4 p a l s a n2 】 名称 1 2 m m4 2 m i l li h1 5 h 硅橡胶8 ，7 25 7 丁氰橡胶 3 21 71 41 1 天然橡胶 2 41 31 l7 氟橡胶 84 53 ，8 西安理工太学工程硕士学位论文 表3 3 橡胶的耐热老化性 橡胶名称具有工作能力的极限温度 硅橡胶 3 2 0 丁氰橡胶 1 8 0 天然橡胶 1 3 0 氟橡胶 3 2 0 氟橡胶是一种具有耐高温、耐各种介质的密封材料。各种气体在氟橡胶中有 较小的扩散速度和较大的溶解度，透气性很小，如表3 2 所示，在高温、真空中 放气速率很低( 在2 6 1 0 。p a 的失重为2 3 ) ，可用于1 0 4 1 0 7 p a 的真空密封； 采用合理的密封结构，烘烤到2 0 0 ，并加上冷却措臆，可达到1 0 4 p a 的高真空。 氟橡胶的稳定性能也相当好，在低于2 0 0 的温度下可以长时间工作。缺点是价 格昂贵，通常只限于需要烘烤的高真空及超高真空系统中。 密封结构： 橡胶密封圈长期处于过大的压缩状态，会发生永久变形，及残余变形从而影 响密封性能。因此，在设计密封槽时，应合理地设计沟槽尺寸。一般选取压缩1 5 3 0 。详见图3 - 2 、图3 3 。 图3 2 9 图3 3 一 彩c 彩笏 第三章机械，真空部分的设计 真空室的密封关键是解决石英管真空室与金属法兰的密封，由于石英材料属 于易碎材料且石英材料与不锈钢材料的热膨胀系数有很大差别，因此，应该处理 好这部分的结构，既要考虑密封的可靠，又要保证不会造成石英管的损坏。考虑 到石英管真空室的安装拆卸方便、密封稳定可靠、热涨冷缩变形等情况，石英管 真空室与金属法兰的密封一端采用端面缓冲型密封结构，另一端采用外圆抱紧式 密封结构，详见图3 _ 4 。 由于在实际的工艺操作过程中，需要进行坩埚位置的调整，因此，增设段 不锈钢伸缩波纹管过渡室，实现坩埚位置调整的动密封。 o 西安墁工犬学工程硕士学位论文 璐尊絮 j 1 激避糍秣潞斜斌嚣撩罨叶n藏 第三章机械、真空部分的设计 3 3冷却系统设计 该设备为高温加热电炉设备，炉室内温度最高可达2 6 0 0 ，真空系统两端法 兰在热辐射、热传导、电磁感应涡流产生的热能的作用下，会发热升温，必然会 造成密封元件的发热，造成密封元件的过早老化，影响系统的密封性。为了保证 系统的真空密封性，必须对密封环节进行冷却，使各处密刻那能处于正常稳定工 作状态，保证系统的币常运行。 高频加热电源部分的耦合线圈( l c 谐振回路中的线圈) 、变压器、感应月u 热 线圈在工作时都会产生大量热量，为保证高频加热电源部分的工作稳定，也必须 进行冷却。冷却系统如削3 5 图3 5 冷却系统臼 主机分水器主要用柬对真空室密封法兰、过渡室、坩甥轴、感应线蛋、扩散 泵、电源耦合憎路等提供冷却用水，高频电源内部自身的冷却配备专用的冷却水 西安理工大学工程硕士学位论文 系统进行冷却。 主机总进水分水器上安装有电接点压力表，一旦出现端水或供水压力偏低，则 立即切断加热电源并报警，以保护加热电源、感应线圈等关键部件。 由于设备工作温度高，热辐射强，加之超音频感应的影响，系统中的密封法兰、 密封座、压板、坩埚杆等金属密封件就需要进行充分的冷却，提高设备长期工作的 稳定性。图3 6 所示是上密封法兰的水冷却结构示意图。 图3 _ _ 6 上密封法兰的水冷却结构示意图 严格的讲，设备对冷却水也有严格的要求，由于加热电源是超音频谐振电 源，所以，冷却水需要有较高的阻止( 高阻水) ，同时考虑到结垢的影响，最好选 第三章机械、真空部分的设计 用去离子软化水进行循环供水冷却为好。 其具体要求为： 压力：0 1 0 2 m p a 流量：4 m 3 m 水质： p h = 6 9 碳酸钙含量： 5 0 p p m 进水温度： 2 5 3 4供气系统设计 由于材料生长工艺的需要，该设备应能精确提供a r 、h 2 、s i 1 4 、c 地等气体， 因此专门设计了一个气源桓，以实现工艺需要气体的精确提供。该气源柜所设计 的气体回路，可以单独使用一路，也可以多种气体按一定的比例提供，每一路都 有一个手动阀和个电磁阀进行i 体回路的，i ：启、闭合，气体流量通过个质量 流量控制器进行气体精确定量供给。 供气系统主要技术指标： 1 流量测量范围( 氮气标定) h 1 s i h a a r c h l ：流量测量精度 ：工作压力范围 4 工作环境温度 5 系统单点漏率 ( 卜_ 2 0 0 s c c m o _ 一1 0 0 s c c m m 一2 s c c m 啦一2 0 s c c m 2 f s o 0 s _ 0 3 m p a 5 4 5 1x 1 0 s c c mh e 西安理工大学工程硕士学位论文 供气系统中h 2 源为h 2 发生器，a r 、s i i 、c a 等气体源为瓶装高纯气体 四种气源均放置在气源柜内。由于一定浓度的h 2 、c h 遇到氧气后容易发生爆炸， 为防治气源柜中由于气体的泄漏而出现爆炸的隐患，在气源柜上方开设有排气孔 和排风机，通过管道直接排出室外。 控制柜由d 0 7 - 7 a 尼m 型质量流量控制器、d 0 8 1 d 亿m 型流量显示仪、手动 截止阀、常闭电磁阀等部分组成。采用d 0 7 7 a z d 型质量流量控制器精确控制 气体流量，通过手动截止阀、常闭电磁阀对气路实现可靠的控制来满足顾客特殊 的工艺要求。气路系统原理图如图3 7 c h 图3 7t 1 6 炉气路系统原理图 第四章电器控制系统设计 第四章电器控制系统设计 不言而喻，为了满足s i c 体单晶的正常生长，有效的控制其料室内【炉室内 热场温度的变化范围，和高温下的热场恒温精度，是研制该设备的关键之一。 控制系统框图如图4 1 ： 图4 1 ：电器控制系统框圈 4 1 热场的温度检测部分 弘1 1 概要 要想得到商品质的热场，并使其长时间依照s i c 单品生长规律要求而变化。 那么对于热场关键点的选择及其温度的测量则显的至关重要。 考虑到s i c 单品对温度的要求高达2 2 0 0 以上，其温度范围在9 0 0 一2 5 0 0 左右，当温度升至2 2 0 0 以上时一般用于测量温度的传感器，例如热电偶一娄 的接触式的温度测引专感器就显得无能为力了。本设备设计采用了非接触式的；【 外测温仪，与接触式测温仪相比具有响应速度快，测量范围宽，测量温度高，测 量时不破坏被测量目标的温场分布，且在长时间不间断测量时具有极高的稳定性 等优点。另外还具有安装方便，便于清理，能承受较高温度的冲击和良好的温度 系数，达到了该设备硪品度测量传感器的严格要求。 西哥理工大学工程硕士学位论文 4 1 2 技术原理 任何高于热力学温度零度( + 2 7 3 1 5 ) 的物体由于其分子的热运动都会发射各 种波长的电磁辐劓，对于理想的辐射源一黑体而言，其辐射能量弓其温度及光谱 波长遵循以下规律： + 物体的温度越高各个光谱波段上的辐射强度就越大。 + 随物体温度的增加，最高辐射峰值所在的波长向短波方向移动。 + 短波长处的辐射能量随温度的变化比k 波长处的变化快，测量灵敏皮高； 4 1 3 结构 测温仪由红外光学探头，传光光纤及电子转换模块信号传输电缆组件组成。 被测物体的红外辐射经光学探头透镜聚射到光纤前端。通过光纤传输及红外滤光 片滤光的红外能量被红外检测器接收并转换成对应的电信号，此电信号被自日放电 路放大，线性化处理后，得到与被测温度信号成线性关系的电压信号并转换成标 准信号输出。框图如图4 j 一2 ： 4 1 4 性能指标 + 温度范围3 5 0 2 7 0 0 分段 + 测量精度 1 + 重复精度 o 5 + 响应时间 1 0 m s + 距离系数4 0 ：1 ( 能量9 0 ) + 波长o 8 5 1 0 8 微米 + 输出方式线性输出牟2 0 m a 4 2 热场温度控制系统 适应s i c 晶体生长的温度在2 3 0 0 左右，要想在此高温下获得稳定的热场温 度而决非是轻而易举的，而把热场温度变化值控制在0 5 内，加之根据工艺需 第四章电器控制睾娩设计 黉，舞滏、保澄、麓遂舔震要蔹一定豹麓络遗行控割，因瑟陵了采矮上述静毁努 溢凄测量仪之卦温度控制器翡优劣剽疆得十分重要。 l 定波长采集光密度卜一 三三垂圣 三三 光 电 转 医丑亟互h 零一调整卜 换 銎4 2 ：红夕 淤菠溯鲎铰筵黉 这里我们采用的是英国欧陆公磁产品的欧陆控制器t 三渺f 讴r m c o n t r o l s ) 。 其工作原理是：将从红外温度传感嚣采集到的温度变化量，通过控制器内部 进行自动温度补偿及线性化后，和标准温度没定值进行比较并将误差温度信号送 入1 4 位的微处理器中进行运算，然后将结粜放大并被赋予各项凋节参数，通过 驯a 输出送至输出适配嚣。这里值得一摁的是本控制器内部包含了三矛5 控制算法： s t ：交动调谐控裁。 鑫调谐是一种篓法，它是透过对系绫邋纾阶段激秘后，捡测其鞠癍益线，诗 霪蠢系统懿f 呸d 及其它参鼗，这个舞法可以鸯动计算鲞p d 参数。 * 甜：自适应控制。 自适应也是一种算法，它基本上是种妊视的算法，当系统按照原有的p d 参数运行正常时，这个算法不改变系统任何参数。当认为不正常时，这个算法爿 起动，并修改系统的相应参数。 * s a t ：这是个自适应加自调谐的合成算法控制。 所以具有以上两种算法的功能。图4 3 是其控制曲线，及系统分析。 西安理工大学工程项士擘住论文 本控制系统是一个具有主控闭环回路和一个时控闭环回路组成的串级调节系 统，用以控制石墨加热器的加热功率，稳定加热温度，使其温度控制在2 0 0 0 氆0 0 o 5 范围之内( 生长室内可是真空，也可充 惰性气体) 系统由红外温度传 感器，欧陆控温仪，输出温度控制适配器，超音频功率电源，加热线圈，及石墨 加热器组成。框图见图4 一l 。 _ ，一 图4 38 1 8 欧陆控制器控制曲线 考虑到晶体生长工艺对温度控制的要求，如果电路设计成一般程式的单环 p d 控制系统，则构成的对京特性仍然具有很大的难控程度，因而也达不到晶体 生长工艺对温度的要求。由于外界干扰进入后使得调节质量达不到应有的水平， 而被控对象又具有较大的滞后。因此在被控量之外在选取一个辅助被控量构成一 个副回路，则我们可将副回路等效成一个环节，视其为等效对象的一部分，只要 辅助被控变量选择得当则可望得到一个比原来对象更易于控制的等效对象特性， 下面是串级调节系统的框图( 图a 图b 图c ) 为了简便，动态增益的拉氏算子都 省略掉。 1 9 第四章电器控制系统设计 图a 图b 图c 实际上它是按照等效方框图图b 来实施的，其工作原理是以测量出的y i 作辅 助被控变量，经实际的微分环节后得y d ，y d 与被控变量y 相加后形成 ，在反 馈至输入端与给定值r 进行比较，当我们适当调整k d 与t d 使得： 二坠竖+ 兰二兰兰：二 i s + l s + 1五s + l 正s + l正s + 1 西簧理工太学工程硕士学位论文 则我们进一步把框图简化成图c 形式，于是得到： 】，( s )”( i s 十1 ) e 一1 5 r ( s ) 1 + 吖“r 十1 ) 疋s + l 引入辅助被控变量y 。形成副回路之后，使得闭环的纯滞后时间由原来的( 没 有副回路) tl + t2 减小为t ，而环内的两阶滞后也刚氐为一阶，因此显著的改善 了对象的难控成度，由图a 看出无论干扰从那早进入都在反馈环内，而图c 若直 接实施则有可能让干扰在环外加入起不到调节作用，总的来说：实现串级调节的 重要条件是必须有一个可以测量的中问变量作为辅助被控变量，为了充分发挥串 级技术的作用应该让主要干扰和尽可能多的干扰置于副回路之内，使得把干扰的 影响尽量消除在副环之内。同时为了让串级系统能有效的工作必须使副回路的响 应比主回路快的多，本系统在超音频功率电源中，电压反馈副环便是e 述的具体 应用。见图4 _ 一1 ，采用的是比例调节器，没有时间上的滞后，因而把外来干扰快 速的消除在副环之内有效的配合了主环，起到了稳定炉温的作用。 综上所述，本控制器可以根据热场的容积和所设定的温度进行准确快速稳定 的温度控制。并根据工艺需要可利用仪表自带的程序功能编制程序控制曲线可达 3 2 段，完全可满足升、降温及恒温的不同需要。 4 3 输出温度控制适配器 此适配器的原理图见插图二作用为，将控制器输出的控制信号合理的传输至 超音频功率电源，并起到阻抗匹配，缓冲及激励放大。并可适应要求不同极性输 入的超音频功率电源。 4 4 lg b t 超音频感应加热功率电源 为了将根据热场变化的温度误差信号，经过控制器处理后，如实的馈送至感 应加热器，以便得到一个经过及时调整至需要的温度。那么一个稳定的加热功率 电源是必不可少的。系统对电源的要求为： + 足够大的加热功率： 第四章电器控制系统设计 + 能够长时间提供稳定的功率输出： * 抗电磁干扰能力强： + 高的转换效率： + 高的功率因数： + 好的输出波形： 这里我们采用的是新型的模块式的1 g b t 数字式集成超音频感应加热电源。其型 号为t g 3 0 a 2 5 即工作频率为2 0 3 0 k h z 功率为3 0 k w 。整体由以下部分组成： 控制单元： 电子控制单元用于整流部分和i g b t 逆变部分的控制和输出功率的调整。其 中包括各种保护电路和辅助继电器电路以及其它使电源动作的程控回路。 + 输入电源部分： 包括主开关，主接触器，滤波电容器及隔离变压器等。 + 整流单元： 使用水冷却式晶闸管模块构成三相桥式整流电路，触发控制电路，晶闸管保 护电路，平滑滤波阻流圈电路，大容量的平滑储能电解电容及直流电压表，电流 表等。 + 逆变单元： 逆变器是由水冷的i g b t 晶体管组成的单相桥式回路。还有驱动i g b t 的驱 动回路，i g b t 的保护回路及反向恢复二极管电路。 + 逆变器的负载回路： 两组逆变器的输出经高频变压器进行功率合成后加到l c 组成的串跌谐振电 路，为增大加热线圈与负载的耦合系数，并对感应加热线圈的结构进行了优化设 计。提高加热线圈的效率，使用了高频变压器及必要的保护回路。 操作部分： 操作按钮设置在面板上，同时有相应的指示灯及相关的仪表用来监视电源的 工作状态正常与否。 + 显示部分： 西安理工大学工程硕士学位论文 设有各种必要的故障显示发光二极管，它们将分别指示出电源的具体故障。 下面是电源的框图其简单工作原理如图4 _ _ 4 ： 如上图4 _ _ 4 所示：三相交流电源经过空气开关，电抗器，和主接触器控制 后进入可控整流，变三相交流电为连续可调的直流电。输出功率调节主要靠改变 直流电压高低来实现，由于本电源的控制系统采用了软启动技术，所以直流高压 的接通与关断不用通断主接触器，而是靠控制晶闸管门极触发信号来实现的。 整流后的直流电源经直流平滑滤波装置向逆变器提供稳定的直流电压，从而 保证电压型逆变器稳定可靠地工作。在整流器和逆变器之间加有直流电压表和直 流电流表，可随时观察逆变器的工作状态。 图扣一超音频电源框图 逆变器部分接成单相桥式电路，开关元件使用绝缘丰珊双极晶体管i g b t ，工作 时在四支i g 田的对角线上的晶体管两两交替加丰珊极信号( 驱动或关断) ，使一组 对角线上的i g b t 交替导通( 关断) ，从而产生高频电压，与i g b t 晶体管反向并联 2 3 第四章电器控制系统设计 的两支二极管的作用是流过反向无功电流。 振荡器采用l c 串联谐振电路。振荡器的震荡频率由槽路电容和槽路电感所决 定。在槽路电感两端并有取样电容，将取出的高频电压信号送入中心控制板上， 经相位变换后输出到驱动板，驱动i g b t 以保证振荡器的工作为稳定的自激状态， 这样就会把凹路的功率因数做的足够高。 另外，振荡器的输出短路，高频变压器的初级线圈相碰，无负载或动作造成 的频率偏高或偏低，过电流，及逆变失败时电子控制电路都能自动地切断主电源， 并显示故障部位。从而保护主要器件不致损坏。通过后面的系统调试，证明了该 电源达到了我们在上面所提到的要求，满足了晶体生长的条件。 4 5 继电控制部分 为了使整套系统协调有序的工作，因而为该系统设计了与之相对应的继电控 制系统。下面分述如下：( 原理图见插图一) + 总电源控制： 总电源的启、停，控制了系统各部分仪器仪表的上电工作，只有总电源开启 后各部才能上电工作。 + 机械泵启、停： 机械泵担负着炉室内的低真空操作，机械泵启动后可将炉室内的真空度予抽 至3 p a 。 t 扩散泵启、停： 扩散泵担负着炉室内的高真空操作。扩散泵启动后在一定时间内可将炉室内 的真空抽至6 6 8 1o 3 p a 。 + 超音频接口板的工作及欧陆控温仪的工作，保护显示电路的启、停。 + 超音频电源故障时的紧急停止动作。 + 停水，保护报警。 由于冷却水的停止可导致系统受损，因而设置了停水保护报警功能。旦水 源停止则保护报警功能启动，便可有效的保护系统不受损害。保护功能启动后控 2 4 西安理工大学工程硕士学位论文 制面板上有指示灯开启及声音报警。 4 6 系统的综合调试 为了使整个系统达到设计要求，整机调试则是必不可少的一个环节，许多问 题可以在调试的过程中发现和及时得到解决。经过调试的系统，可很好的工作在 一个较为理想的条件下，可以使系统达到并发挥其应有的设计指标，和各项技术 条件。因而系统的调试过程是必不可少的，且是极其重要的。系统的调试可分为 几个部分。 l ：调试前的准备工作： t 主机部分： 主机与电控柜各部电气联线正确无误，真空仪表与主机上的高低真空管联接 正确，扩散泵加热电炉及机械泵与电器控常0 柜联接正确，测量温度的红外测温仪 探头在炉室上方固定好，待加热温度到达到一定时在进行细调整。 + 电柜与超音频电源之间的控制线联接好，即可准备上电调试。 2 ：炉室抽真空： 检查炉室各密封口密封良好后即可开启机械泵，同时给扩散泵通冷却水，扩 散泵加热电炉上电，待低真空到达3 p a 时可打开扩散泵阀，使高真空达到6 6 8 1o _ 3 p a 后，炉室通入惰性气体此时即可歼启超音频功率电源加热。 3 ：温度系统调试： 开启超音频功率电源，手动调节给定电位器使超音频功率电源输出一定的功 率，观察欧陆测量显示值待显示温度升至8 0 0 以上时显示值开始增加，此时用 欧陆上的手动给定进行升温至1 0 0 0 ，待温度显示稳定后用标准测稳仪测量炉室 温度，若标准测量仪与欧陆显示值有误差时则调整欧陆输入电阻的变比值，直到 使欧陆显示值与标准值显示一致。用同样的方法在温度为2 0 0 0 时在与标准值比 较如有误差时在按上述方法调整，直至标准显示与欧陆显示一致为止。至此仪表 显示已经较准。 第四章电器控制系统设计 ，温度系统的闭环调试： 用欧陆手动升温至2 0 0 0 时，将欧陆仪参数h l 选为最大加热功率值，例如最大 加热功率为1 5 k w 时欧陆输出值o p = 2 0 则将m 选为2 0 。此时投入自动控温待 温度稳定后，用欧陆的菜单选出s t ( 自调谐功能) 将s t 运行待系统稳定后用菜 单选看欧陆内p d 参数记下后在加减设定值s p l ，观察系统过度过程时间，达到 系统即无超调又无滞后的稳定状态。如不满意可人为的对p i d 参数进行修改使之 达到要求即可。至此温度系统以调试好，然后进行长时问的稳定性测试。即将温 度升至1 8 0 0 - 2 0 0 0 左右使之处于洹温状态，长时间观察2 4 _ 4 8 小时温受变化不 应超过1 。此时即可装料试长晶体。至此系统工作即告完毕。 第五章津题总结 第五章课题总结 5 1 系统运行结果 设备安装齐备，完成机电联调后，进行加热试验。在工艺人员的配合下， 第次使用直径为巾7 0 的高纯石墨坩埚，周边及l 部包裹4 层( 厚3 0 r 衄左右) 的保温碳毡，进行加热。1 4 ：4 0 开始加热，手动给定，加热至石墨坩埚火红( 约 第四次加热实验纪录 时闻m i n加热电压v加热电流a加热温度备注 【o ：( o ：3 1 2 03 0 毫温开始女热 0 ：i 5 1 3 03 si 3 8 s o ：3 。1 6 001 8 5 3 舞功率 o ：哇52 0 04 71 9 7 8控溢 l ：o o2 0 0吐72 0 0 0 l ：1 52 3 55 02 1 0 6 1 ：3 02 6 05 82 1 8 9 1 ：4 52 6 05 82 3 0 0 升功率 2 ：0 0 2 6 05 8 2 3 0 0控温 2 ：1 52 6 05 82 3 0 0 2 ：3 0 2 8 0 6 2 3 0 0 2 ：s2 8 0s 02 3 3 2 3 ：0 02 8 08 02 3 5 e 3 ：1 52 8 06 02 3 5 0 3 ：3 02 8 06 02 3 5 0 3 ：4 5 2 8 0 6 02 3 5 0 4 ：0 02 8 06 02 3 5 0 4 二1 5 2 8 0 6 02 3 5 0 41 3 02 8 06 02 3 5 0 西安理工大学工程硕士学位论文 1 2 0 0 ) ，此时，缠绕保温碳毡的金属钼丝发红，因此，1 5 ：1 0 停止加热。 第二次使用直径为由1 0 0 的高纯石墨坩埚，周边及e 部包裹3 层( 厚2 5 m m 左右) 的保温碳毡，去掉缠绕保温碳毡的金属钼丝，只再保温层接缝处进行缝合，充入 气保护进行加热。设定温度1 0 0 0 ，加热2 7 分钟，温度升至1 0 0 0 ，温度控制器控 制稳定。继续升温，至1 9 7 8 时，工作室内出现放电现象，停止加热后分析原因，发 现所充a r 气纯度不够，从而出现放电现象。 第三次试验，条件同第二次，进行各方面调整后进行加热。稳定控制在2 2 0 0 ， 保温l 小时，而后，进行程序自动控制降温，效果良好，系统各处稳定。 第四次试验，改用直径为巾7 0 的高纯石墨坩埚，充入a r 气进行保护，其它条件 同第一次试验。进行分段升温控制，第一骱段控温在2 0 0 0 ，第二阶段控温在2 3 0 0 ，最后稳定控制在2 3 5 0 ，系统一切正常。 5 2 课题研发过程中遇到的问题 在课题研制、钧游嶂龟、机电联调过程中，基本上比划| 匝利，但是也出现了一 o ；问题。首先，在设计时对辐射热的影响重视不够，设计石英管上部压紧金属法兰斟 时没有考虑水冷，进行加热实验时，压紧会属法兰盘发热温度过高，最后进行了改进， 增加r 水冷，解决了发热问题。其次，由于与加热电源目d 套厂家在设计时沟通不够， 理解不一致，造成机电接口出现偏差，只好进行临时改造设计。再者，设备所配用的 高频加热电源，对周边的弱电设备有