适用于半导体晶体生长的双温加热炉制造技术

一种适用于半导体晶体生长的双温加热炉，采用微机自动控温，在主温区温度变化过程中，副温区的位置和坪长能保持恒定，或者当主、副温区温度同时按预定的要求变化时，主温区和副温区的坪的位置和长度均保持不变。应用于半导体晶体材料合成、加热退火、扩散、薄膜生长等具有控温准确，成品率高，重复性好等优点。（*该技术在1998年保护过期，可自由使用*）

Double temperature heating furnace suitable for semiconductor crystal growth

A double heating furnace is suitable for the growth of semiconductor crystal, microcomputer automatic temperature control, temperature and temperature in the process of change, deputy zone position and Long Ping can maintain constant temperature, or when the main side temperature area at the same time according to the requirements of the changes, the position and length of the main zone and Ping vice temperature area remained unchanged. The utility model has the advantages of accurate temperature control, high yield, good repeatability and the like in the synthesis of semiconductor crystal materials, heating, annealing, diffusion and film growth.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种单晶生长、扩散、或掺杂诸工艺专用的一般设备。应用汽相或液相外延方法生长二元、三元或多元的Ⅲ－Y族化合物半导体薄膜晶体，如GaAs、GaP、GaAsP等，以及在特定气氛下进行加热退火、扩散或产生化学反应等多种场合，需要采用双温加热炉。加热时，在炉内建立一个温度较高的主温坪区和一个温度较低的副温坪区，要求每个温度坪区有足够的坪区长度，且当其中一个温度坪区的温度升高或降低时，对另一温度坪区的影响应尽可能地小，特别是主温度坪区的温度以较快的速度变化时，要维持副温度坪区温度场的恒定。在合成GaAs、ZnP2、Ga2S3等化合物时，预先将汽化温度较高的元素，如Ga或Zn置于主温坪区，汽化温度较低的元素如As、P、S等置于副温坪区，加热后，As、P、S等被汽化为蒸汽，由气体载带输送到温度较高区域处与Ga或Zn元素，反应合成为GaAs、ZnP2或Ga2S3等。常用的双温加热炉可分为两种类型，一种是由两个单坪区的加热炉连接组成双温加热炉；另一种是分段式双温加热炉，它主要由炉体、炉管、加热器及控温系统组成，炉管位于圆筒形炉体的轴心处，加热器由布置在炉管外侧的4段电热丝构成，其中3段用于建立主温坪区，工作温度600～1150℃，温区坪长300～400mm，另一段用于建立副温坪区，工作温度为400～700℃，温区坪长约为50mm，主、副温区间的间隔约为350mm。为在工作过程中按预定的规程改变温区的温度，其温控部份在采用温度自动控制仪控温的基础上，附加一个简单的变温仪，或者附加一个较为复杂的程序变温仪分档变温。这种控温方式，可使主温区变温过程中保持自身位置和坪区长度，但同时存在以下缺陷1、副温区温度会受到主温区温度变化产生的热量辐射的影响，使副温区的位置和坪长发生变化。尤其是在主、副温区间会出现下凹的温度场，使工艺失控，导致产品成品率下降或发生意外事故；2、所用的程序变温仪是一种分档式变温仪，其档数为3～5，这种非连续可调的变温方式难以满足不同的工艺要求，限制了设备的应用范围。3、当同时改变主温区和副温区温度时，无法保持各温区的位置和坪长不变。本专利技术的任务在于提供一种主温区、副温区的位置和坪长不随温区温度变化而变化，适合于半导体晶体生长的双温加热炉。图面说明图1为本双温加热炉的结构示意图。图中1－炉体，2－炉管，3－各加热器，31、32、33－主温区加热器，31′、32′－副温区加热器，a－自动控温热电偶，b－测温热电偶，X1、X2、X3、X1′、X2′－表示热电偶所在位置和计算机控温通道数字的输出量，4－IBM－PC计算机，5－12位精度16通道AD／DA板，6－耦合电路，7－自动控温仪，71－定值器，72－PID调节器，73－μv放大器，74－可控硅触发器，75－可控硅，76－温度显示器。图2为主温区温度与计算机各通道输出的数字量之间的关系图。横座标为主温区温度，纵座标为计算机输出的数字量。图3为主温区、副温区温度与计算机通道输出数字量的关系图。横座标为主、副温区温度Tm、Tn，纵座标为计算机通道输出数字量X1′、X2′，图中I表示实验规程确定的Tm－Tn关系曲线，J和K表示与I对应的X1′、X2′的曲线。以下结合附图，详细说明本方案的具体内容，但
技术实现思路
不限于附图说明。如图1所示，该双温加热炉炉管外侧分别布置主温区加热器〔31〕〔32〕〔33〕和副温区加热器〔31′〕〔32′〕〔32〕为温度主控加热器，〔31〕〔33〕为温度补偿加热器，副温区加热器〔31′〕〔32′〕的个数为2个或3个；控温系统由IBM－PC计算机〔4〕、16通道AD／DA板〔5〕、耦合电路〔6〕、自动控温仪〔7〕、自动控温热电偶〔a〕以及测温热电偶〔b〕组成。自动控温热电偶〔a〕输出的电信号经导线输入自动控温仪〔7〕，与定值器〔71〕比较后，经μv放大器〔72〕、PID调节器〔73〕、可控硅触发器〔74〕、可控硅〔75〕供给各加热器〔3〕电流，测温热电偶〔b〕输出电信号经导线输入温度显示器〔76〕，显示出该处的温度值，由IBM－PC计算机〔4〕给出的数字量经耦合电路〔6〕，叠加在定值器〔71〕上，对各加热器〔3〕执行定值控温。如图1所示，主温区加热器〔31〕〔32〕〔33〕采用三点三段控制方式，居中的控温点〔X2〕控制主温区的温度，位于两旁的加热器〔31〕〔33〕起调节补偿作用，以保证主温区有足够的坪长。在主温区温度〔Tm〕一定时，对应的三个通道输出数字量〔X1〕〔X2〕〔X3〕，对于主温区的不同温度，相应的每一通道输出不同的数字量，即一组不同的数据，如图2中实线所示，将各组数据作曲线拟合，则得到一系列函数关系式X1＝A0＋A1Tm＋A2Tm2＋A3Tm3＋… (1)X2＝B0＋B1Tm＋B2Tm2＋B3Tm3＋… (2)X3＝C0＋C1Tm＋C2Tm2＋C3Tm3＋… (3)为便计算机实时控制，把X2作为自变量，将上式经过变形则得到一组以X2为自变量的函数关系式X1＝A0′＋A1′X2＋A2′X22＋A3′X32＋… (4)X3＝C0′＋C1′X2＋C2′X22＋C3′X32＋… (5)Tm＝B0′＋B1′X2＋B2′X22＋B3′X32＋… (6)当炉体结构，包括散热状况、热容量等参数确定后，在保证主温区位置和坪长恒定条件下，具体测出主温区温度Tm和各通道输出数值X1、X2、X3，称为定标工作，然后利用计算机算出(1)～(6)式中的系数值。将这些数据储存数据库中，供计算机实时控制应用。如图1所示，副温区采用二点二段控制方式，即控制副温区加热器〔31′〕、〔32′〕和数字量〔X1′〕〔X2′〕。加热器〔32′〕主要用于保证副温区的温度和炉端散失的热量，加热器〔31′〕主要为保证副温区的位置和坪长，同时适应主温区温度变化，确保副温区的温度场不出现凹点。所以数字量〔X1′〕〔X2′〕的大小既受副温区温度〔Tn〕制约，又受主温区〔Tm〕的影响，是〔Tm〕〔Tn〕的二元函数，图3以三维空间分布显示这种关系。同主温区处理方式相似，通过计算机处理，确定不同状态下的数字量〔X1′〕〔X2′〕的值。将有关数据储入数据库，供实时控制应用。根据生产或实验需要所确定的主温区温度随时间变化关系，在实时控制的不同时刻，由计算机算出不同的数字量〔X2〕〔X1〕〔X3〕〔X1′〕〔X2′〕，实现对双温加热炉的动态控制。必要时，副温区还可增加加热器〔33′〕。本设计的双温加热炉同已有方案比较具有以下优点1、主温区温度变化不会对副温区的位置和坪长产生影响，亦能避免温度场出现凹点，具有良好的重复性，与已有方案相比，可提高产品成品率。2、采用12位高精度AD／DA转换板〔5〕，控温精度优于0.5℃。3、采用16通道AD／DA转换板〔5〕，除满足双温区温度控制所需的通道外，尚有较大的余量可用来控制过程中的其他因素，利于提高自动化的程度。实施例1合成ZnP2晶体，应用本设计的双温加热炉，主温区以较快的速度升温至1050℃，副温区始终稳定在475℃～477℃，不出现温度场凹点，使单斜晶形ZnP2产率从60％提高到99％以上，并可避免发生反应系统爆炸事故。实施例2采用本设计的双温加热炉，以降温生长和过补偿方法制备GaP生长结外延薄膜材料，要求主温区和副温区本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于半导体晶体生长的双温加热炉，包含一个炉体，一个炉管，若干个加热器，一个控温系统，其特征在于加热器［３１］［３２］［３３］为主温区加热器，加热器［３１＇］［３２＇］为副温区加热器，控温系统由ＩＢＭ－ＰＣ计算机［４］、１６通过ＡＤ／ＤＡ转换板［５］、耦合电路［６］、自动控温仪［７］、自动控温热电偶［ａ］、以及测温热电偶［ｂ］组成，自动控温热电偶［ａ］输出的电信号经导线输入自动控温仪［７］，与定值器［７１］比较后，经μＶ放大器［７２］、ＰＩＤ调节器［７３］、可控硅触发器［７４］、可控硅［７５］供给各加热器［３］电流，测温热电偶［ｂ］输出的电信号经导线输入温度显示器［７６］，显示出该处的温度值，由ＩＢＭ－ＰＣ计算机［４］给出的数字量通过１６通道ＡＤ／ＤＡ转换板［５］转换成模拟电压量，经耦合电路［６］叠加在定值器［７１］上，对各加热器［３］执行定值控温。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：丁祖昌，华伟民，过云龙，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：实用新型
国别省市：33[中国|浙江]