一种精确控制真空腔体压力的系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种精确控制真空腔体压力的系统，包括真空腔体，工艺气体供应系统，质量流量控制器，真空计，控制系统和真空获得系统；所述真空获得系统包括插板阀、分子泵、高真空角阀、低真空角阀、真空泵、电动蝶阀和电动针阀；所述电动蝶阀的进口连接真空腔体的出口，电动蝶阀的出口连接低真空角阀的进口，低真空角阀出口连接真空泵的进口；所述电动针阀进口连接真空腔体的出口，电动针阀的出口连接低真空角阀的进口；所述控制系统信号连接至真空计、电动蝶阀和电动针阀。实现在碳化硅长晶过程中各个工艺阶段的精确压力控制。程中各个工艺阶段的精确压力控制。程中各个工艺阶段的精确压力控制。

【技术实现步骤摘要】
一种精确控制真空腔体压力的系统及方法


[0001]本专利技术涉及碳化硅长晶设备，具体涉及一种精确控制真空腔体压力的系统及方法。

技术介绍

[0002]碳化硅具备耐高压、耐高温、高频、抗辐射等优良电气特性，突破硅基半导体材料物理限制，是第三代半导体核心材料。碳化硅材料主要可以制成碳化硅基氮化镓射频器和碳化硅功率器件。碳化硅晶体生长是碳化硅衬底制备的关键技术，目前行业采用主流的方法为物理气相传输法(PVT)。PVT法原理是在超过2000℃高温下将碳化硅粉料升华为气相物质，在温度梯度的驱动下，这些气相物质将被输运到温度较低的碳化硅籽晶上形成碳化硅晶体。PVT法对生长腔体内的真空压力控制要求极高，腔体内真空压力的变化将直接影响晶体的生长速度和生长状态。PVT法生长晶体通常要求真空压力在接近常压至100Pa区间进行高精度的斜率控压和恒压控压。
[0003]真空腔体压力控制的方法主要有两种方式：上游流量控制和下游流量控制。上游流量控制是通过调节进入腔体的气体流量来调节压力，下游控制则是通过调节真空抽速，从而稳定腔体压力。目前PVT法晶体生长设备控压方式普遍采用下游模式。调节真空抽速的方式，主要有以下几种方式：使用变频真空泵、使用单个调节阀、使用粗细不同的多路抽气管并联、使用多个调节阀串联等。现代长晶工艺对真空压力控制精度要求更高，传统的控压方式很多已不能满足更高的压力控制精度。

技术实现思路

[0004]为解决以上技术问题，本专利技术提供了一种精确控制真空腔体压力的系统及方法，实现在碳化硅长晶过程中各个工艺阶段的精确压力控制。
[0005]本专利技术的技术方案是：一种精确控制真空腔体压力的系统，包括真空腔体，工艺气体供应系统，质量流量控制器，真空计，控制系统和真空获得系统；
[0006]所述质量流量控制器的进口连接工艺气体供应系统，质量流量控制器的出口连接真空腔体的进口；
[0007]所述真空计与真空腔体相连，实时测量真空腔体的压力，并反馈给控制系统进行压力调节的PID控制；
[0008]所述真空获得系统包括插板阀、分子泵、高真空角阀、低真空角阀、真空泵、电动蝶阀和电动针阀；
[0009]所述插板阀的进口连接真空腔体的出口，插板阀的出口连接分子泵的进口，分子泵的出口连接高真空角阀的进口，高真空角阀的出口连接真空泵的进口，真空泵的出口连接排放管路；
[0010]所述电动蝶阀的进口连接真空腔体的出口，电动蝶阀的出口连接低真空角阀的进口，低真空角阀出口连接真空泵的进口；
[0011]所述电动针阀进口连接真空腔体的出口，电动针阀的出口连接低真空角阀的进口；
[0012]所述控制系统信号连接至真空计、电动蝶阀和电动针阀。
[0013]进一步的，还包括安全泄放系统，所述安全泄放系统包括安全阀，所述安全阀进口连接真空腔体的出口，安全阀的出口连接排放管路。
[0014]进一步的，所述电动蝶阀能够采用电动球阀来代替。
[0015]本专利技术还提供一种精确控制真空腔体压力的方法，包括如下步骤：
[0016]步骤一、抽极限真空：打开真空泵、低真空角阀和电动蝶阀，所述电动蝶阀保持开度100％，真空计用于实时监测真空腔体内的真空度；
[0017]将真空腔体抽真空至低于10Pa，然后关闭低真空角阀和电动蝶阀，打开高真空角阀、分子泵和插板阀，抽极限真空到第一阈值真空度；如1
×
10
‑4Pa～1
×
10
‑5Pa。然后关闭插板阀、分子泵、高真空角阀和真空泵；
[0018]步骤二、充工艺气体：通过控制质量流量控制器，向真空腔体内通入工艺气体，至真空腔体内压力达到接近常压或设定的初始压力值；如80kPa。有时为了2真空腔体内的杂质气体充分释放和清理干净，需要重复抽极限真空和充工艺气体。
[0019]步骤三、斜率控压：打开真空泵、低真空角阀和电动针阀，通过质量流量控制器控制工艺气体按照设定流量以恒定值流入到真空腔体内；在一定时间，如30分钟内，将真空腔体内压力从接近常压或设定的初始压力值，如80kPa，保持一定的压降斜率将压力降至设定压力值；如10kPa。真空计用于实时监测真空腔体的压力，并与控制系统进行信号连接；控制系统通过对电动针阀进行PID控制，即改变电动针阀的开度进而改变抽气管路的流导，来实现压力的斜率下降；
[0020]步骤四、恒压控制：打开真空泵、低真空角阀和电动蝶阀，通过质量流量控制器控制工艺气体按照设定流量以恒定值流入到真空腔体内，真空计用于实时监测真空腔体的压力，并与控制系统进行信号连接；控制系统通过对电动蝶阀进行PID控制，即改变电动蝶阀的开度进而改变抽气管路的流导，来实现压力维持恒定值，如500Pa。
[0021]进一步的，所述第一阈值真空度为1
×
10
‑4Pa～1
×
10
‑5Pa。
[0022]本专利技术的有益效果是：提供了一种精确控制真空腔体压力的系统及方法，实现在碳化硅长晶过程中各个工艺阶段的精确压力控制。
附图说明
[0023]图1为光滑圆形管的流导与管中平均压力的关系图；
[0024]图2为调节阀流量特性曲线图；a为直线型、b为等百分比型、c为快开型、d为抛物线型；
[0025]图3为精确控制真空腔体压力的系统图。
[0026]图中标记说明如下：
[0027]1.真空计
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2.真空腔体3.质量流量控制器4.插板阀
[0028]5.分子泵
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6.高真空角阀7.低真空角阀
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8.真空泵
[0029]9.安全阀
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10.电动蝶阀11.电动针阀
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12.控制系统
具体实施方式
[0030]下面结合附图对本专利技术做进一步的说明。
[0031]真空腔体都是通过管道连接至真空泵，气体分子与壁面之间的外部摩擦以及气体分子之间的内部摩擦(粘性)产生流阻。在真空技术中，常用流导(Conductance)表示真空管道、孔及挡板、阱、阀门等元件传输气体的能力。气体沿真空管道的流动的基本形式，根据其流动状态，分为粘滞流和分子流以及介于二者之间的过渡流。
[0032]通过图1发现，在粘滞流状态下，光滑圆形管中的流导随着管中压力的降低而快速下降。
[0033]分析现有的PVT法晶体生长设备控压方式可以发现，其控压的原理主要分为以下两种：
①
管道大小保持不变，通过改变抽速来控压；
②
保持抽速恒定，通过改变调节阀口流导大小来调节腔体真空度。目前绝大多数都采用方式
②
来控压。
[0034]在PVT法晶体生长设备中，真空的获得需要用到真空泵和分子泵，根据腔体大小、所要求的极限真空度、达到时间等，经过计算确定真空泵抽速S0。S0往往留有足够的余量，因本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种精确控制真空腔体压力的系统，其特征在于：包括真空腔体(2)，工艺气体供应系统，质量流量控制器(3)，真空计(1)，控制系统(12)和真空获得系统；所述质量流量控制器(3)的进口连接工艺气体供应系统，质量流量控制器(3)的出口连接真空腔体(2)的进口；所述真空计(1)与真空腔体(2)相连，实时测量真空腔体的压力，并反馈给控制系统(12)进行压力调节的PID控制；所述真空获得系统包括插板阀(4)、分子泵(5)、高真空角阀(6)、低真空角阀(7)、真空泵(8)、电动蝶阀(10)和电动针阀(11)；所述插板阀(4)的进口连接真空腔体(2)的出口，插板阀(4)的出口连接分子泵(5)的进口，分子泵(5)的出口连接高真空角阀(6)的进口，高真空角阀(6)的出口连接真空泵(8)的进口，真空泵(8)的出口连接排放管路；所述电动蝶阀(10)的进口连接真空腔体(2)的出口，电动蝶阀(10)的出口连接低真空角阀(7)的进口，低真空角阀(7)出口连接真空泵(8)的进口；所述电动针阀(11)进口连接真空腔体(2)的出口，电动针阀(11)的出口连接低真空角阀(7)的进口；所述控制系统(12)信号连接至真空计(1)、电动蝶阀(10)和电动针阀(11)。2.根据权利要求1所述的一种精确控制真空腔体压力的系统，其特征在于：还包括安全泄放系统，所述安全泄放系统包括安全阀(9)，所述安全阀(9)进口连接真空腔体(2)的出口，安全阀(9)的出口连接排放管路。3.根据权利要求1所述的一种精确控制真空腔体压力的系统，其特征在于：所述电动蝶阀(10)能够采用电动球阀来代替。4.一...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈士利，贺贤汉，赖章田，唐明，陆炜，夏孝平，
申请(专利权)人：上海汉虹精密机械有限公司，
类型：发明
国别省市：