Способ управления процессом выращивания кристаллов и устройство для управления процессом выращивания кристаллов

 

Использование: управление технологическими процессами получения полупроводниковых материалов для управления выращиванием монокристаллов в космических условиях без оператора. Сущность предложенного способа заключается в том, что в процессе нагрева образца периодически прерывают силовое питание нагревателя расплава для подачи на контур высокочастотного измерительного напряжения, формируют сигнал о достижении фазового перехода материала образца и корректируют показания термопары зоны расплава по разнице текущего и истинного значений температуры и, обеспечив градиент температур в зоне нагрева, перемещают градиентную зону нагрева по всей длине образца. Указанный способ осуществляется устройством управления процессом выращивания кристаллов, состоящего из нагревателей расплава 1 и кристаллизации 2, ампулы с образцом 3, усилителей мощности 4 и 5, многоканального регулятора температуры 6, термопар нагревателей 7 и 8, блока управления 9, привода перемещения 10, регулятора скорости перемещения 11, датчиков начального и конечного положений 12 и 13. В разрыв силовой цепи питания нагревателя расплава включены размыкающиеся контакты управляемого переключателя 14, конденсатор 15, который вместе с нагревателем расплава через замыкающие контакты переключателя составляет измерительный контур, включенный к входу формирователя сигнала фазового перехода 16, который питается от генератора 17 и фиксирует момент начала расплавления. Изобретение гарантирует получение полупроводниковых кристаллических материалов. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области автоматизации управления технологическими процессами получения полупроводниковых материалов и может использоваться для выращивания кристаллов в космических условиях при отсутствии оператора.

Известен способ комплексного автоматического регулирования мощности высокочастотных установок бестигельной зонной плавки (см. а.с. СССР, 139380, кл. Н 05 В 6/30).

Недостатком способа является низкая чувствительность контроля изменения напряжения на индукторе, пропорционального изменению индуктивного сопротивления при образовании расплава. Кроме того, необходимое условие работы устройств по известному способу - наличие балластной индуктивности, представляющей собой плечо мостовой схемы, по которой протекает ток, сравнимый с током нагрузки, приводит к значительным потерям в измерительной цепи, что снижает кпд.

Наиболее близок к предложенному по технической сущности способ управления выращиванием кристаллов, реализованный в установках зонной перекристаллизации "Зона-01" (см. Оборудование космического производства, под редакцией академика В. П. Бармина. М. : Машиностроение, 1988, стр. 69-72, 200-202, 221-223), заключающийся в том, что управляют нагревом образца, помещенного в кварцевую ампулу, изменением подводимой мощности к зонам нагрева и контролируемых по сигналам термопар, поддерживают градиент температур между зонами расплава и кристаллизации, перемещают градиентную зону нагрева по всей длине образца.

Известный способ реализуется устройством, которое содержит нагреватели расплава и кристаллизации, охватывающие ампулу с образцом, входы которых связаны с выходами их усилителей мощности, входы которых соединены с выходами многоканального регулятора температуры, термопары, помещенные в рабочие зоны нагревателей и связанные с измерительными входами многоканального регулятора температуры, измерительный выход которого связан с входом блока управления, привод перемещения с датчиками начального и конечного положений, выходы которых связаны соответственно со вторым и третьим входами блока управления, первый выход которого соединен с управляющим входом многоканального регулятора температуры, а второй через регулятор скорости перемещения с приводом перемещения.

Существенным недостатком известного способа и реализующего его устройства является невозможность непосредственного контроля температуры испытуемого материала ввиду того, что образец с материалом заключен в герметичную ампулу из кварцевого стекла, а зона нагрева перемещается по всей ее длине, следовательно, термопара, как датчик температуры, не может иметь прямого контакта с объектом контроля. Поэтому термопары монтируются в теле нагревателя и с ним перемещаются, контролируя не температуру образца, а нагревателя.

Косвенный контроль температуры, а также погрешности термопар при длительных процессах эксплуатации снижают вероятность фиксирования начала расплавления материала образца, и соответственно мала вероятность получения кристалла, так как технологический процесс выращивания полупроводниковых кристаллических материалов требует после фиксации момента расплавления образца обеспечения градиента температуры в зоне нагрева и перемещение градиентной зоны по всей длине образца.

Задачей изобретения является гарантированное получение полупроводниковых кристаллических материалов.

Требуемый технический результат достигается благодаря тому, что в способе управления процессом выращивания кристаллов, заключающемся в том, что управляют нагревом образца изменением подводимой мощности к зонам нагрева по сигналам термопар, поддерживают градиент температур между зонами расплава и кристаллизации, перемещают градиентную зону нагрева по всей длине образца, в процессе нагрева образца периодически прерывают питание нагревателя зоны расплава для подачи на контур высокочастотного измерительного напряжения, формируют сигнал о достижении фазового перехода материала образца и корректируют показания термопары зоны расплава по разнице текущего и истинного значений температур.

Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что устройство для управления процессом выращивания кристаллов, содержащее нагреватели расплава и кристаллизации, охватывающие ампулу с образцом, входы которых связаны с выходами их усилителей мощности, входы которых соединены с выходами многоканального регулятора температуры, термопары, помещенные в рабочие зоны нагревателей и связанные с измерительными входами многоканального регулятора температуры, измерительный выход которого связан с входом блока управления, привод перемещения с датчиками начального и конечного положений, выходы которых связаны соответственно со вторым и третьим входами блока управления, первый выход которого соединен с управляющим входом многоканального регулятора температуры, а второй через регулятор скорости перемещения - с приводом перемещения, согласно изобретению снабжено управляемым переключателем, включенным в разрыв цепи питания нагревателя расплава размыкающими контактами, подключенным через конденсатор и замыкающие контакты управляемого переключателя к входу формирователя сигнала фазового перехода и соединенным с ним генератором высокой частоты, причем выход формирователя сигнала фазового перехода соединен с четвертым входом блока управления, третий выход которого связан с входом управляемого переключателя.

Авторам предлагаемого способа управления процессом выращивания кристаллов и реализующего его устройства не известны аналогичные технические решения, в связи с чем, по мнению авторов, заявляемая совокупность существенных признаков, обеспечивающих достижение требуемого технического результата, соответствует критериям изобретения "существенные отличия" и "положительный эффект".

Сущность изобретения поясняется структурной схемой устройства управления процессом выращивания кристаллов.

Устройство представляет собой замкнутую систему управления процессом выращивания кристаллов, в которую входят как звенья контуров управления спиральные нагреватели расплава 1 и кристаллизации 2, охватывающие образец в ампуле 3 из кварцевого стекла. Питание нагревателей осуществляется модулированным напряжением с выходов соответствующих усилителей мощности расплава 4 и кристаллизации 5, входы которых связаны с выходами многоканального регулятора температуры 6. В цепях обратной связи контуров управления температур расплава и кристаллизации включены соответственно термопары 7 и 8, выходы которых связаны с измерительными входами многоканального регулятора температуры 6, вход которого связан с выходом блока управления 9. Привод перемещения 10 (ампулы относительно нагревателей или нагревателей относительно ампулы) через регулятор скорости перемещения 11 соединен со вторым выходом блока управления 9, второй и третий входы которого связаны с датчиками соответственно начального 12 и конечного 13 положений ампулы.

В разрыв цепи силового питания нагревателя расплава 1 модулированным напряжением включены размыкающие контакты управляемого переключателя 14, вход которого связан с третьим выходом блока управления 9. Нагреватель расплава 1 и конденсатор 15, подключенные через замыкающие контакты управляемого переключателя 14 на вход формирователя сигнала фазового перехода 16, образуют измерительный контур. При этом формирователь сигнала фазового перехода 16 питается измерительным напряжением высокой частоты от генератора 17, и его выход соединен с четвертым входом блока управления.

Способ управления процессом выращивания кристаллов и работа устройства его реализации осуществляются следующим образом.

По команде из блока управления 9 многоканальный регулятор температуры 6 начинает подачу модулированного (фазоимпульсного или широтно-импульсного) регулируемого сигнала на входы усилителей мощности 4 и 5, и через их силовые ключи на нагреватели расплава 1 и кристаллизации 2 поступает модулированное напряжение питания. В процессе нагрева образца периодически путем перекоммутации контактов управляемого переключателя 14 осуществляется подключение спирального нагревателя расплава, представляющего катушку индуктивности, через конденсатор 15 к входу формирователя сигнала фазового перехода 16, образуя измерительный контур. Сердечником катушки является образец в ампуле 3 - сырье для получения полупроводниковых монокристаллов. По значению проводимости полупроводники занимают среднее положение между диэлектриками и проводниками - от 10^-10 до 10⁴ См. (см. А.А. Штернов. Физические основы конструирования, технологии РЭА и микроэлектроники. М.: Радио и связь, 1981, стр. 56). Металлы обладают большей проводимостью - 10⁴...10⁶ См. Таким образом, проводимость полупроводников в твердом состоянии близка к проводимости изоляторов 10^-10 См, а при переходе в жидкое агрегатное состояние - расплавление близка к проводимости металлов 10⁴ См. Изменение проводимости полупроводников при фазовом переходе достигает до 14 порядков.

Образец является сердечником катушки измерительного контура и в процессе нагрева по достижении температуры фазового перехода (величина реперная, конкретная для каждого вещества) расплавляется и скачкообразно изменяется его проводимость, вызывая изменение добротности измерительного контура. Формирователь сигнала фазового перехода 16 фиксирует это и выдает сигнал в блок управления 9. Блок управления производит коррекцию показаний термопары 7 нагревателя расплава 1 по величине истинного значения температуры, соответствующего температуре расплавления материала образца, устанавливает необходимую разность температуры в зоне нагрева (градиент температур) путем регулирования напряжения питания нагревателя кристаллизации 2 и через регулятор скорости перемещения 11 включает привод перемещения 10 с учетом начального положения образца, определяемого датчиком 12. Завершение процесса получения кристалла определяется достижением привода конечного положения по сигналу датчика 13 о прохождении всей длины образца в ампуле 3.

В качестве примера рассмотрим систему управления процессом выращивания кристаллов арсенида галлия с применением для измерения температуры вольфрам-рениевых термопар ТВР-1338.

Система состоит из технологического блока, блока согласования, блока управления, кабелей питания, управления и измерения.

В технологический блок входят ампула с образцом, нагреватели с термопарами, привод перемещения с датчиками.

Блок согласования включает в себя усилители мощности, регулятор скорости перемещения, управляемый переключатель, конденсатор измерительного контура, формирователь сигнала фазового перехода и высокочастотный измерительный генератор.

Многоканальный регулятор температуры конструктивно входит в состав блока управления, являющегося компьютерной конфигурацией.

Из блока управления 9 в задающие устройства многоканального цифрового регулятора температуры 6, управляющие нагревателями 1 и 2, вводятся уставки на максимальный нагрев. Многоканальный регулятор температуры вырабатывает ШИМ-сигнал со скважностью, близкой к 1,0, и подает на вход усилителей мощности 4 и 5, силовые ключи которых полностью открываются. Модулированное напряжение питания подается на нагреватели.

В процессе работы управляемый переключатель 14 периодически переводит нагреватель расплава 1 из режима нагрева в измерительный. В режиме измерения нагреватель расплава 1 становится катушкой измерительного контура, в который входят также конденсатор 15 и входные цепи формирователя сигнала фазового перехода 16.

Момент достижения температуры образца фиксируется изменением добротности измерительного контура, и формирователь сигнала фазового перехода выдает информацию об этом в блок управления. Формирователь сигнала фазового перехода питается от измерительного генератора, частота которого меняется в пределах 50-500 МГц в зависимости от числа витков нагревателя расплава.

По поступлении сигнала о расплавлении материала арсенида галлия блок управления фиксирует как температуру 1237^oС и э.д.с. 12,673 мВ (что соответствовало бы условию встроенности термопары непосредственно в образец, а это невозможно), производит сравнение с э.д.с. термопары нагревателя расплава, вводит откорректированные уставки в задающие устройства каналов многоканального регулятора температуры, управляющих нагревателей расплава и кристаллизации.

Введенные уставки обеспечивают выработку ШИМ-сигналов с разной скважностью на входы усилителей мощности 4 и 5. Подводимые к нагревателям 1 и 2 мощности будут отличаться, обеспечивая градиент температур.

Блок управления 9 включает через регулятор скорости перемещения 11 привод перемещения 10 и по сигналу с датчика конечного положения 13 процесс завершается.

Положительный эффект предлагаемого способа управления процессом выращивания кристаллов, осуществляемый устройством управления процессом выращивания кристаллов, заключается в создании измерительного контура, и его периодическим включением фиксируют момент фазового перехода материала образца, корректируют тепловой режим процесса, чем обеспечивают гарантированное получение кристаллов полупроводников.

В устройстве, реализующем способ, сам образец, входя в состав чувствительного органа и являясь сердечником измерительной катушки, при достижении температуры плавления материала образца вызывает изменение добротности измерительного контура, информируя о переходе в другое агрегатное состояние.

В настоящее время способ и устройство управления процессом выращивания кристаллов прошли лабораторные испытания с созданием натурного макета, и в дальнейшем предполагается опытно-конструкторская разработка с изготовлением образцов для использования на борту космического беспилотного комплекса "Фотон".

Формула изобретения

1. Способ управления процессом выращивания кристаллов, заключающийся в том, что управляют нагревом образца изменением подводимой мощности к зонам нагрева по сигналам термопар, поддерживают градиент температур между зонами расплава и кристаллизации, перемещают градиентную зону нагрева по всей длине образца, отличающийся тем, что в процессе нагрева образца периодически прерывают силовое питание нагревателя зоны расплава для подачи на контур высокочастотного измерительного напряжения, формируют сигнал о достижении фазового перехода материала образца и корректируют показания термопары зоны расплава по разнице текущего и истинного значений температур.

2. Устройство для управления процессом выращивания кристаллов, содержащее нагреватели расплава и кристаллизации, охватывающие ампулу с образцом, входы которых связаны с выходами их усилителей мощности, входы которых соединены с выходами многоканального регулятора температуры, термопары, помещенные в рабочие зоны нагревателей и связанные с измерительными входами многоканального регулятора температуры, измерительный выход которого связан с входом блока управления, привод перемещения с датчиками начального и конечного положений, выходы которых связаны соответственно с вторым и третьим входами блока управления, первый выход которого соединен с входом многоканального регулятора температуры, а второй через регулятор скорости перемещения - с приводом перемещения, отличающееся тем, что оно снабжено управляемым переключателем, включенным в разрыв цепи питания нагревателя расплава размыкающими контактами, подключенным через конденсатор и замыкающие контакты управляемого переключателя к входу формирователя сигнала фазового перехода и соединенным с ним генератором высокой частоты, причем выход формирователя сигнала фазового перехода соединен с четвертым входом блока управления, третий выход которого связан с входом управляемого переключателя.

РИСУНКИ

Рисунок 1