一种SiC单晶生长压力自动控制装置 【技术领域】
本发明涉及一种SiC单晶生长压力自动控制装置。
背景技术
SiC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、高功率、抗辐照、短波长发光及光电集成器件，在微电子、光电子等领域具有独特而极好的应用前景。目前，生长大尺寸优质SiC单晶唯一成熟的方法是PVT法，即物理气相传输法，又称改进的Lely法。该法由Yu.M.Tairov和V.E.Tsvetkov首先提出(Journal of Crystal Growth，43(1978)pp209-212；J.Crystal Growth 52(1981)pp.146-150)，后经G.Ziegler等(IEEE Transactions on ElectronDevices，30(1983)pp277-281)、D.L Barret等(Journal of Crystal Growth，128(1993)pp358-362)以及R.F.Davis等(U.S.Patent No.Re34861)做了进一步改进。其基本原理是将SiC粉料加热到1800-2500℃，使其升华到冷端籽晶上生成单晶，需要控制的工艺因素包括生长温度、温度梯度、惰性气体压力以及单晶生长面-SiC粉料间距。其中，惰性气体压力的选择与控制直接关系到单晶生长速率的大小与稳定性问题。生长速率大小不合适以及稳定性差，是诱发形成微管(SiC单晶最主要缺陷)等缺陷的最主要动力学因素。因而，SiC单晶生长过程中压力控制问题至关重要。如何实现在生长过程中使压力恒定在给定值以及使其按程序给定连续变化是生长大尺寸优质SiC单晶的关键技术之一。
实际上，压力控制问题可归结为真空室出气量和进气量的平衡问题。目前国内外一般是使进气量恒定，在真空室和真空泵之间设置电动阀门，通过调节电动阀门的开合程度来调节经由真空泵的出气量，从而达到控制压力的目的，如美国专利(U.S.Patent No.6041814，U.S.Patent No.6202681和U.S.Patent No.6508268)。采用电动阀门来调节气量，线性度差，连续可调空间小，因而压力控制灵敏度不高，波动性较大，不易控制。
【发明内容】
针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种能够对SiC单晶生长过程中真空室内的惰性气体压力进行自动控制，从而满足SiC单晶生长需要地SiC单晶生长压力自动控制装置。
本发明的目的是这样实现的：
本发明SiC单晶生长压力自动控制装置包括真空室、进气气源、真空泵、变频器、控制单元，进气气源通过管道与真空室上的进气口相连，真空泵通过管道与真空室上的抽气口相连，采用压力传感器来测量真空室内压力，控制单元按设定程序并根据压力传感器的反馈信号自动控制变频器的工作，变频器直接控制真空泵的工作。
进一步地，所述进气气源与所述真空室之间的连接管路上设置有流量计。
进一步地，所述进气气源与所述真空室之间的连接管路上还设置有安全阀门。
进一步地，所述控制单元可编程序并具有PID调节功能。
通过变频器对真空泵进行控制后，因变频器的频率可在0～50之间连续变化，相应地，真空泵的抽速也可在0～额定抽速之间进行连续变化，线性度高，因而压力控制灵敏度高，波动性小，可进行自动控制。
【附图说明】
附图为本发明一种SiC单晶生长压力自动控制装置构成及工作原理框图。
【具体实施方式】
如附图所示，本发明一种SiC单晶生长压力自动控制装置包括真空室1、进气气源2、安全阀门3、流量计4、真空泵5、变频器6、控制单元7，进气气源2通过管道(图中未示出)与真空室1上的进气口相连，真空泵5通过管道(图中未示出)与真空室1上的抽气口相连，压力传感器8与真空室1相连，控制单元7按设定程序并根据压力传感器8的反馈信号自动控制变频器6的工作，变频器6直接控制真空泵5的工作。其中在真空室1内进行SiC单晶生长，进气气源2为高纯氩气瓶，控制单元7采用Eurotherm818控制器，压力传感器8采用薄膜真空计。
工作时，通过控制单元7进行压力程序设定，同时控制单元7根据真空压力计8的反馈信号对真空泵5的工作进行实时控制，以实现对真空室1内压力的实时控制。进气气源2输往真空室1的氩气流量由流量计4来控制，而当停电或真空泵5发生故障时，安全阀门3将自动切断进气气源2，以保证系统的运行安全。控制单元7在获取设定压力值信号和真空室1内压力信号后，对两者的失配情况进行分析，并将调节信号传递给变频器6，从而使真空泵5的抽气速度发生改变，以使实际测定压力值向程序给定压力值靠近。
下面是本发明的实际使用示例：
示例1
待真空室1内压力达到10-3Pa后，停止抽空，向真空室1内充氩至6.5×104Pa，然后将真空室1升温至2400～2450℃。真空室1内温度达到平衡后，氩气压力达到8×104Pa。随后使控制单元7按设定程序工作。设定程序分两段：首先由800(对应8×104Pa)以1000/小时的速度降到600(对应6×104Pa)，然后由600以600/小时的降速降到40(对应4000Pa)，随后停留10小时。在程序运行期间，采用的进气流量为3升/分钟，上下波动不超过0.2。运行第一段程序时，变频器6的工作频率在0～8.5之间变化，真空室1内的压力数值不断下降，在12分钟内降到6×104Pa，上下波动不超过3％，随即转入下一段程序。运行第二段程序时，变频器6的工作频率在0～5.6之间变化，真空室1内的压力数值继续下降，在56分钟内降到4000Pa，上下波动不超过2.5％，10分钟后压力值逐渐稳定并进入恒压阶段，恒压过程中压力波动不超过2％。
示例2
待真空室1内压力达到10-3Pa后，停止抽空，向真空室1内充氩至6.5×104Pa，然后将真空室1升温至2400～2450℃。真空室1内温度达到平衡后，氩气压力达到8×104Pa。随后进行降压过程。首先采用手动控制，使变频器6的工作频率维持在9～9.5之间，真空泵5以相应的转速运转，在5分钟内真空室1压力降到6×104Pa。随后使控制单元7按设定程序工作。设定程序分两段：首先由600(对应6×104Pa)以1000/小时的降速降到60(对应6000Pa)，然后由60以1.0/小时的降速降到30(对应3000Pa)。在程序运行期间，采用的进气流量为4.5升/分钟，上下波动不超过0.25。运行第一段程序时，变频器6的工作频率在0～6.8之间变化，真空室1内的压力数值不断下降，在32.4分钟内降到6000Pa，上下波动不超过3％，随即转入下一段程序。运行第二段程序时，变频器6的工作频率开始时在5.4～5.9之间变化，真空室1内的压力数值严格按程序设定不断下降，在30小时内降到3000Pa，上下波动不超过2％，变频器6的工作频率最终为9.1～9.7。
示例3
待真空室1内压力达到10-3Pa后，停止抽空，向真空室1内充氩至6.5×104Pa，然后将真空室1升温至2400～2450℃。真空室1内温度达到平衡后，氩气压力达到8×104Pa。随后进行降压过程。首先采用手动控制，使变频器6的工作频率维持在42.0～46.1之间，真空泵5以相应较高的转速运转，在10分钟内真空室1内的压力降到1000Pa。随后使控制单元7按设定程序工作，真空室1内的压力由10以0.5/小时的速度升到20。启动压力控制程序的同时启动温度控制程序，使真空室1内的温度在20小时内下降200℃。在压力控制程序运行期间，采用的进气流量为8.5升/分钟，上下波动不超过0.3，变频器6的工作频率开始时在11.5～11.9之间变化，真空室1内的压力数值严格按程序设定不断上升，在20小时内升到2000Pa，上下波动不超过2％，变频器6的工作频率最终为5.4～5.8。示例4
待真空室1内压力达到10-3Pa后，停止抽空，向真空室1内充氩至6.5×104Pa，然后将真空室1升温至2400～2450℃。真空室1内温度达到平衡后，氩气压力达到8×104Pa。随后使控制单元7按设定程序工作，由800(对应8×104Pa)以1000/小时的降到0.1(对应10Pa)，停留10小时。在程序运行期间，开始时采用的进气流量为3升/分钟，上下波动不超过0.2。在真空室1内的压力下降到6×104Pa之前，变频器6的工作频率在0～8.5之间变化，压力数值上下波动不超过3％；当真空室1内的压力处于6×104Pa和1000Pa之间时，变频器6的工作频率在0～15.6之间变化；压力低于1000Pa之后，改变进气流量为0.5升/分钟，上下波动不超过0.1；开始时变频器6的工作频率在15.6～17.2之间变化，当压力达到10Pa后，压力上下波动不超过2％，变频器6的工作频率在43.6～45.2之间变化；12分钟后真空室1内的压力值逐渐稳定，恒压过程中压力波动不超过2％。
示例5
待真空室1内压力达到10-3Pa后，停止抽空，在真空室1内充氩至9.5×104Pa，然后将真空室1升温至2400～2450℃。真空室1内温度达到平衡后，氩气压力达到1.1×105Pa。随后使控制单元7按设定程序工作，真空室1内的压力由1100(对应1.1×105Pa)以200/小时的速度降到1000(对应105Pa)，停留10小时。在程序运行期间，采用的进气流量为2升/分钟，上下波动不超过0.15。变频器6的工作频率在0～7.2之间变化，真空室1内的压力数值不断下降，在30分钟内降到105Pa，上下波动不超过4.5％，8分钟后压力值逐渐稳定，恒压过程中压力波动不超过2％。