专利名称：高温碳化硅单晶生长炉的加热温控装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及高温碳化硅单晶生长炉领域，特别是涉及一种高温碳化硅单晶生 长炉的加热温控装置。
背景技术：
在现有技术中，碳化硅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、大功率、抗辐照、短波长发光及光电集成器件，在微电 子和光电子领域具有极好的应用前景。目前，用来生长碳化硅单晶的方法是物理气相传输法，该生长方法的实现过程是 将碳化硅籽晶和碳化硅源粉分别置于同一个密闭坩埚的顶部和底部，底部的碳化硅源粉处 于高温区，顶部的碳化硅籽晶处于低温区，在2200°C以上的高温下，底部的碳化硅源粉升华 并向上输运，在低温的碳化硅籽晶处结晶。由此可见，单晶炉系统的加热能力的大小对于实 施碳化硅单晶的生长是非常重要的，而对于特定晶型的碳化硅来说，其生长温度的区间是 极为狭窄的，因此，对于生长系统温度的精确控制是急需解决的一个问题。
实用新型内容本实用新型提供一种高温碳化硅单晶生长炉的加热温控装置，以解决现有技术不 能够对生长系统的温度进行精确控制的问题。本实用新型提供一种高温碳化硅单晶生长炉的加热温控装置，包括感应线圈，用于接收无线射频发生器发射的中频交变电流，并对密闭坩埚内的生 长系统进行加热；感应线圈移动系统，连接至感应线圈，用于对感应线圈进行定位、和/或定速控 制；可编程逻辑控制器，连接至感应线圈移动系统，用于根据预先设置的控制程序控 制感应线圈移动系统；温度检测装置，用于检测生长系统的温度；欧陆表，连接至温度检测装置，用于控制生长系统的温度；终端计算机，连接至可编程逻辑控制器以及欧陆表，用于对可编程逻辑控制器以 及欧陆表进行控制。本实用新型有益效果如下通过采用呈大螺距均勻分布的多匝环形线圈，感生出的涡流能够对单晶炉系统进 行欧姆加热，本实用新型实施例在机械结构中增加了位置测量传感器，使步进电机成为闭 环控制，可以实现对线圈的位置和移动速度的精确控制；温控系统中利用欧路表来实现，使 系统能够实现自动加热和热功率控制的手动加热两种方式，根据不同的工艺设计或在生长 的不同阶段可以采取相宜的手段，此外，通过通讯控件，可以和上、下站之间保持数据交换， 保证了现场数据的随时显现和计算机指令的实时实施，本实用新型实施例解决了现有技术中不能够对生长系统的温度进行精确控制的问题，能够对温度进行及时监测和精确控制， 使得温度的自动调节相对偏差小于0. rc。
图1是本实用新型实施例的高温碳化硅单晶生长炉的加热温控装置框图；图2是本实用新型实施例的高温碳化硅单晶生长炉的加热温控装置的优选结构 示意图。
具体实施方式
为了解决现有技术物理气相传输法生长特定晶型的碳化硅单晶对生长系统的加 热能力有很高要求，因此需要对单晶生长温度进行精确的控制的问题，本实用新型提供了 一种高温碳化硅单晶生长炉的加热温控装置，本实用新型实施例将一种加热、温控系统应 用到小批量过程验证测试(Process Verification Test，简称为PVT)工艺之中，利用该系 统可以保证生长系统温度的幅度与精度均达到特定晶型的单晶生长要求，同时可以使温度 值以及加热的区域完全按照操纵者所设定指令作多斜率的线性变化。
以下结合附图以及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所 描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不限定本实用新型。根据本实用新型的实施例，提供了一种高温碳化硅单晶生长炉的加热温控装置， 图1是本实用新型实施例的高温碳化硅单晶生长炉的加热温控装置框图，如图1所示，根据 本实用新型实施例的高温碳化硅单晶生长炉的加热温控装置包括感应线圈10、感应线圈 移动系统11、可编程逻辑控制器12、温度检测装置13、欧陆表14、终端计算机15。感应线圈10用于接收无线射频发生器发射的中频交变电流，并对密闭坩埚内的 生长系统进行加热；优选地，感应线圈10为6匝蛇形环绕的中空铜管，中空铜管内通以循环 冷却水，循环冷却水的温度为小于15摄氏度。也就是说，在实际应用中，可以采用6匝蛇行 环绕铜管作为感应线圈，中空的管内需要通以15°C以下的循环冷却水。感应线圈移动系统11连接至感应线圈10，用于对感应线圈10进行定位、和/或定 速控制；具体地，感应线圈移动系统11包括直流电源、步进电机驱动器、步进电机、位置 传感器以及限位器。其中，步进电机用于产生对感应线圈进行定位、和/或定速控制的源 动力；步进电机驱动器用于驱动步进电机；直流电源用于通过步进电机驱动器为步进电机 供电；传动装置用于利用步进电机提供的源动力对感应线圈进行传动，优选地，传动装置包 括滚珠丝杠、导轨、以及连轴器，也就是说，在实际应用中，可以采用滚珠丝杠、精密导轨和 连轴器作为传动装置。位置传感器，用于检测感应线圈的当前位置，并发送给可编程逻辑控 制器；限位器，用于在感应线圈的移动超过预先设置的位置的情况下，强制停止感应线圈的 移动。在实际应用中，可以通过在可编程逻辑控制器12中添加控制程序控制该感应线圈移 动系统11，可以实现了感应线圈的定位、定速控制。可编程逻辑控制器12连接至感应线圈移动系统11，用于根据预先设置的控制程 序控制感应线圈移动系统11 ；温度检测装置13用于检测生长系统的温度；优选地，在本实用新型实施例中，温度检测装置13包括光学高温计、以及光学旋转台。欧陆表14连接至温度检测装置13，用于控制生长系统的温度；终端计算机15连接至可编程逻辑控制器12以及欧陆表14，用于对可编程逻辑控 制器12以及欧陆表14进行控制。也就是说，本实用新型实施例可以在温控系统中采用光学高温计作为温度监测 装置，配置以大扭矩承载能力、具有微调、粗调和锁定功能的二维精密光学旋转台。温 度控制由欧路表和终端计算机15中监控软件的通讯程序、监控程序和后台服务程序等 部分共同完成，通讯程序接收监控程序的输出数据下传给欧路表，同时查询接收欧路表 的现场数据上传给监控程序，联合对欧路表的比例积分微分(Proportion Integration Differentiation，简称为PID)调节电路的设置可实现自动加热控制。具体地，终端计算机15包括第一设置模块，用于设置感应线圈的最终位置以及 移动速率，并下发到可编程逻辑控制器；第二设置模块，用于设置感应线圈加热功率的目标 终值以及加热功率的攀升速率，并下发给可编程逻辑控制器；显示模块，用于根据欧陆表发 送的温度信息对生长系统的温度进行显示；第三设置模块，用于设置生长系统的最终生长 温度，并将最终生长温度发送到欧陆表。可编程逻辑控制器12具体包括第一控制模块，用于根据终端计算机下发的最终 位置、移动速率、以及位置传感器发送的感应线圈的当前位置，对感应线圈进行定位、和/ 或定速控制；第二控制模块，用于根据终端计算机下发的感应线圈加热功率的目标终值以 及加热功率的攀升速率，控制中频交变电流的功率。欧陆表14具体包括接收模块，用于接收温度检测装置以电信号形式发送的温度 信息，并将温度信息发送给终端计算机；第三控制模块，用于根据温度信息以及终端计算机 发送的最终生长温度，通过预先设置的比例积分微分PID控制感应线圈加热功率的大小， 使生长系统的温度达到最终生长温度。从上述处理可以看出，本实用新型实施例采用多匝环形线圈，呈大螺距均勻分布， 对坩埚系统有很好的电磁感应能力，感生出的涡流进行欧姆加热，最高温度可达到2650°C。 感应线圈的步进电机驱动器可以采用60细分技术，在机械结构中增加了位置测量传感器， 使步进电机成为闭环控制，可以实现对线圈的位置和移动速度的精确控制。温控系统中利 用欧路表来实现，使系统能够提供PID控制的自动加热和热功率控制的手动加热两种方 式，根据不同的工艺设计或在生长的不同阶段可以采取相宜的手段。加载了通讯控件，可以 和上、下站之间保持数据交换，保证了现场数据的随时显现和计算机指令的实时实施，做到 了对温度的及时监测和精确控制，温度的自动调节相对偏差小于0. 1°C。图2是本实用新型实施例的高温碳化硅单晶生长炉的加热温控装置的优选结构 示意图，如图2所示，包括滑轨1、感应线圈2、光学高温计3、欧路表4、终端计算机控制5、 可编程逻辑控制器(也可以称为可编程控制下位机)6、步进电机7、以及位置测量传感器8。具体地，在开炉之前将感应线圈2移到初始加热位置。首先在终端计算机控制5 上设定线圈的最终位置及移动速率，终端计算机控制5向可编程控制下位机6发出指令，由 可编程控制下位机6控制步进电机7以及步进电机驱动器，由它们最终实现感应线圈2的 移动。开炉之后对整个生长系统的升温过程包括在真空度达到标准之后，开启无线射频发生器，将中频交变电流送入感应线圈2之中。在终端计算机控制5上设定加热功率的目 标终值及加热功率的攀升速率，同样，它将指令发送可编程控制下位机6，由可编程控制下 位机6控制所输入的交流电压、电流的大小，使得加热功率不断增长，给生长系统加热。当 系统温度升高到光学高温计3的探测下阈时，调节光学高温计3使探测点归于系统探测位 置，其所探测到的温度以电信号的形式发送给欧路表4，再由欧路表4反馈至终端计算机控 制5，由计算机显示现场的系统温度值。在终端计算机控制5上设定最终生长温度，它将指 令发送给欧路表4，由欧路表4根据现场温度和目标温度之差自动控制加热功率的大小，通 过已经设置好的PID调节电路使生长系统的温度平缓、有效地达到生长时的设定值。生长中系统的控温以及加热区域的改变具体处理包括将温度随时间的变化规律 设定在终端计算机控制5上，经由欧路表4按照特定的函数方式进行PID自动控制加热功 率，使得系统温度依令而变。同样将感应线圈2的移动方式设定在终端计算机控制5上，经 由可编程控制下位机6控制步进电机7以及步进电机驱动器，同时位置测量传感器8把感 应线圈2的移动速率和所处的位置反馈给可编程控制下位机6，由其对感应线圈2的运动状 态进行判断、调整，使之依令而行。通过采用呈大螺距均勻分布的多匝环形线圈，该多匝环形线圈对坩埚系统有很好 的电磁感应能力，感生出的涡流能够对单晶炉系统进行欧姆加热，此外，本实用新型实施例 在机械结构中增加了位置测量传感器，使步进电机成为闭环控制，可以实现对线圈的位置 和移动速度的精确控制；温控系统中利用欧路表来实现，使系统能够实现自动加热和热功 率控制的手动加热两种方式，根据不同的工艺设计或在生长的不同阶段可以采取相宜的手 段，此外，通过通讯控件，可以和上、下站之间保持数据交换，保证了现场数据的随时显现和 计算机指令的实时实施，解决了现有技术中不能够对生长系统的温度进行精确控制的问 题，能够对温度进行及时监测和精确控制，使得温度的自动调节相对偏差小于0. rc。尽管为示例目的，已经公开了本实用新型的优选实施例，本领域的技术人员将意 识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本实用新型的范围应当不限于上述实施例。
权利要求1.一种高温碳化硅单晶生长炉的加热温控装置，其特征在于，包括感应线圈，用于接收无线射频发生器发射的中频交变电流，并对密闭坩埚内的生长系 统进行加热；感应线圈移动系统，连接至所述感应线圈，用于对所述感应线圈进行定位、和/或定速 控制；可编程逻辑控制器，连接至所述感应线圈移动系统，用于根据预先设置的控制程序控 制所述感应线圈移动系统；温度检测装置，用于检测所述生长系统的温度； 欧陆表，连接至所述温度检测装置，用于控制所述生长系统的温度； 终端计算机，连接至所述可编程逻辑控制器以及所述欧陆表，用于对所述所述可编程 逻辑控制器以及所述欧陆表进行控制。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述感应线圈为蛇形环绕的中空铜管，所述 中空铜管内通以循环冷却水。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述循环冷却水的温度为小于15摄氏度。
4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述感应线圈为6匝所述蛇形环绕的中空铜管。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述感应线圈移动系统具体包括 步进电机，用于产生对所述感应线圈进行定位、和/或定速控制的源动力； 步进电机驱动器，用于驱动所述步进电机；直流电源，用于通过所述步进电机驱动器为所述步进电机供电； 传动装置，用于利用所述步进电机提供的所述源动力对所述感应线圈进行传动； 位置传感器，用于检测所述感应线圈的当前位置，并发送给所述可编程逻辑控制器； 限位器，用于在所述感应线圈的移动超过预先设置的位置的情况下，强制停止所述感 应线圈的移动。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述传动装置包括滚珠丝杠、导轨、以及连轴器。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述温度检测装置包括光学高温计、以及 光学旋转台。
专利摘要本实用新型公开了一种高温碳化硅单晶生长炉的加热温控装置。该装置包括感应线圈，用于接收无线射频发生器发射的中频交变电流，并对密闭坩埚内的生长系统进行加热；感应线圈移动系统，连接至感应线圈，用于对感应线圈进行定位、和/或定速控制；可编程逻辑控制器，连接至感应线圈移动系统，用于根据预先设置的控制程序控制感应线圈移动系统；温度检测装置，用于检测生长系统的温度；欧陆表，连接至温度检测装置，用于控制生长系统的温度；终端计算机，连接至可编程逻辑控制器以及欧陆表，用于对可编程逻辑控制器以及欧陆表进行控制。借助于本实用新型的技术方案，能够对生长系统的温度进行精确控制。
文档编号C30B23/06GK201924102SQ201020531080
公开日2011年8月10日 申请日期2010年9月16日 优先权日2010年9月16日
发明者孟大磊, 洪颖, 王利杰, 王香泉, 郝建民, 郭俊敏 申请人:中国电子科技集团公司第四十六研究所