Патент на изобретение №2331722

(54) УСТАНОВКА НАПРАВЛЕННОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ РАСПЛАВА

(57) Реферат:

Изобретение относится к автоматическим средствам направленной кристаллизации полупроводников. Сущность изобретения: установка направленной кристаллизации расплава содержит вакуумную камеру, теплоизоляционную камеру, размещенную в вакуумной камере, блок электрического питания, блок управления, датчики глубины вакуума и температуры, источник тепловой энергии, лодочку с шихтой полупроводника, электромеханический привод перемещения лодочки, оптический канал связи, задатчики значений глубины вакуума и температуры, два устройства сравнения, генератор тактовых импульсов, распределитель импульсов и элемент ИЛИ, причем датчик глубины вакуума выполнен на инверсно-магнетронном вакуумметре, датчик температуры – на радиационном многоканальном пирометре, а электромеханический привод – на шаговом двигателе. Установка направленной кристаллизации расплава обеспечивает повышенную точность технологического процесса выращивания кристаллов полупроводников, например сапфира, при минимизации временных и энергетических затрат. 1 ил.

Изобретение относится к автоматическим технологическим средствам, в частности к средствам автоматической направленной кристаллизации полупроводников в технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры.

Известна установка направленной кристаллизации расплава [1], содержащая вакуумную камеру, теплоизолированную камеру, размещенную в вакуумной камере, вакуумный насос, соединенный патрубком с вакуумной камерой, первый датчик, датчик глубины вакуума, соединенный патрубком с вакуумной камерой, индикатор глубины вакуума, соединенный входом с выходом первого датчика, резистивный источник тепловой энергии, расположенный в теплоизолированной камере, второй датчик, датчик температуры, индикатор значения температуры, соединенный входом со вторым датчиком, лодочку с шихтой или кристаллом полупроводника, размещенную в теплоизолированной камере, блок электрического питания, соединенный входом с электрической сетью общего назначения, блок управления, соединенный силовыми входами с выходами блока питания, а первым выходом – со входом источника тепловой энергии, канал оптической связи, проходящий через стенки теплоизолированной камеры и вакуумной камеры на ее внешнюю поверхность и ориентированный максимумом диаграммы направленности входа на содержимое лодочки, электромеханический привод лодочки, соединенный силовым входом со вторым выходом блока управления, а выходом, механически, с лодочкой, причем первый датчик выполнен на термоионизационном вакуумметре (с пределом измеряемых давлений до 2×10^-6 мм рт.ст.), второй датчик на термопаре (с пределом измеряемых температур до 3×10³ К), а электромеханический привод – на двигателе постоянного тока (с нерегламентированной точностью дискретизации перемещений).

Недостатки известной установки – ограниченные точность и достоверность результатов контроля технологических параметров, глубины вакуума, температуры и управления, что обусловлено субъективными факторами человека-оператора в контуре контроля и управления, при визуальном контроле технологических параметров и ручном их поддержании на заданном уровне, а также повышенные временные и энергетические затраты, по тем же причинам.

Известна, как более близкая по технической сущности к предлагаемому изобретению, установка направленной кристаллизации расплава [2], содержащая вакуумную камеру, теплоизолированную камеру, размещенную в вакуумной камере, вакуумный насос, соединенный патрубком с вакуумной камерой, первый датчик, датчик глубины вакуума, соединенный патрубком с вакуумной камерой, первый индикатор, индикатор глубины вакуума, соединенный входом с выходом первого датчика, источник тепловой энергии, расположенный в теплоизолированной камере, лодочку с шихтой или кристаллом полупроводника (сапфира), размещенную в теплоизолированной камере, блок электрического питания, соединенный входом с электрической сетью общего назначения, блок управления, соединенный силовыми входами с выходами блока питания, канал оптической связи, проходящий через стенки теплоизолированной камеры и вакуумной камеры на внешнюю поверхность последней и ориентированный максимумом диаграммы направленности входа на содержимое лодочки и второй датчик, датчик температуры, соединенный оптическим входом с выходом канала оптической связи, второй индикатор, индикатор температуры содержимого лодочки, соединенный входом с выходом второго датчика, электромеханический привод лодочки, соединенный входом с выходом блока управления, а выходом, механически, с лодочкой, причем первый датчик выполнен на альфатроне (с пределом измеряемых давлений до 10^-8 мм рт.ст.), второй датчик выполнен на фотоэлектрическом пирометре (с пределом измеряемых температур до 5×10³ К), а электромеханический привод – на двигателе постоянного тока (с нерегламентированной точностью дискретизации перемещений).

Недостатки известной установки – ограниченная точность и достоверность результатов контроля технологических параметров, вакуума и температуры, что обусловлено погрешностями вакуумметра и пирометра, из-за изменений во времени пропускной способности, прозрачности, накала оптической связи, визуальным отсчетом результатов контроля технологических параметров человеком-оператором и их сравнением с заданными значениями технологических параметров, и повышенные временные и энергетические затраты, что обусловлено ручным (человеком-оператором) управлением источником тепловой энергии и электромеханическим приводом лодочки.

Задача изобретения – повышение точности и производительности технологического оборудования, а также минимизация временных и энергетических затрат.

Технический результат состоит в исключении из контура управления человека-оператора, в автоматическом, инструментальном, контроле технологических параметров, глубины вакуума и температуры расплава, что повышает точность и достоверность результатов контроля технологических параметров, и в автоматическом управлении источником тепловой энергии и приводом лодочки, что ведет к минимизации временных и энергетических затрат на технологический процесс.

Технический результат обеспечивается тем, что в установку направленной кристаллизации расплава, содержащую вакуумную камеру, теплоизолированную камеру, размещенную в вакуумной камере, вакуумный насос, соединенный патрубком с вакуумной камерой, первый датчик, датчик глубины вакуума, соединенный патрубком с вакуумной камерой, источник тепловой энергии, расположенный в теплоизолированной камере, лодочку с шихтой или кристаллом полупроводника (сапфира), размещенную в теплоизолированной камере, блок электрического питания, соединенный входом с электрической сетью общего назначения, блок управления, соединенный силовыми входами с выходами блока питания, канал оптической связи, проходящий через стенки теплоизолированной камеры и вакуумной камеры на ее внешнюю поверхность и ориентированный максимумом диаграммы направленности входа на содержимое лодочки, второй датчик, датчик температуры, соединенный оптическим входом с выходом канала оптической связи, первый задатчик, задатчик температуры содержимого лодочки, первый элемент сравнения, соединенный поразрядно первыми входами с выходами второго датчика, вторыми входами – с выходами первого задатчика, а первым выходом – с первым управляющим входом блока управления, генератор тактовых импульсов, распределитель импульсов, соединенный первым, сигнальным, входом с выходом генератора импульсов, а входом управления – со вторым выходом первого элемента сравнения, электромеханический привод лодочки, соединенный входами, электрически, пофазно с выходами распределителя импульсов, а выходом, механически, – с лодочкой, аналого-цифровой преобразователь, соединенный входом с выходом первого датчика, второй задатчик, задатчик глубины вакуума в вакуумной камере, второй элемент сравнения, соединенный поразрядно первыми входами с выходами второго задатчика, а вторыми входами – с выходами первого датчика, и элемент ИЛИ, соединенный первым входом с выходом первого элемента сравнения, вторым входом – с первым выходом второго элемента сравнения, а выходом – со вторым управляющим входом блока управления, причем первый датчик выполнен на инверсно-магнетронном вакуумметре (с пределом измеряемых давлений до 10^-14 мм рт.ст.), второй датчик выполнен на радиационном многоканальном пирометре (с пределом измеряемых температур до 10¹⁵ К), а электромеханический привод – на шаговом двигателе (с дискретизацией перемещений до 10^-4 мм).

Функциональная схема установки направленной кристаллизации расплава представлена на чертеже.

Установка направленной кристаллизации расплава содержит вакуумную камеру 1, теплоизолированную камеру 2, размещенную в вакуумной камере 1, вакуумный насос 3, соединенный патрубком 4 с вакуумной камерой 1, первый датчик 5, датчик. глубины вакуума, соединенный патрубком 4 с вакуумной камерой 1, источник 6 тепловой энергии, расположенный в теплоизолированной камере 2, лодочку 7 с шихтой 8 или кристаллом 9 полупроводника (сапфира), размещенную в теплоизолированной камере 2, блок 10 электрического питания, соединенный входом с электрической сетью общего назначения, блок 11 управления, соединенный силовыми входами с выходами блока 10 питания, канал 12 оптической связи, проходящий через стенки теплоизолированной камеры 2 и вакуумной камеры 1 на ее внешнюю поверхность и ориентированный максимумом диаграммы направленности на содержимое лодочки 7, второй датчик 13, датчик температуры, соединенный оптическим входом с выходом канала 12 оптической связи, первый задатчик 14, задатчик температуры содержимого лодочки 7, первый элемент 15 сравнения, соединенный поразрядно первыми входами с выходами первого задатчика 14, вторыми входами – с выходами второго датчика 13, а первым выходом – с первым управляющим входом блока 11 управления, генератор 16 тактовых импульсов, распределитель 17 импульсов, соединенный первым, сигнальным, входом с выходом генератора 16 импульсов, а вторым входом, входом управления, – со вторым выходом первого элемента 15 сравнения, электромеханический привод 18 лодочки 7, соединенный входами, электрически, пофазно с выходами распределителя 17 импульсов, а выходом, механически, с лодочкой 7, аналого-цифровой преобразователь 19, соединенный входом с выходом первого датчика 5, второй задатчик 20, задатчик глубины вакуума в вакуумной камере 1, второй элемент 21 сравнения, соединенный поразрядно первыми входами с выходами второго задатчика 20, а вторыми входами – с выходами первого датчика 5, и элемент 22 ИЛИ, соединенный первым входом с первым выходом первого элемента 15 сравнения, вторым входом – с выходом второго элемента 21 сравнения, а выходом – со вторым управляющим входом блока 11 управления, причем первый датчик 5 выполнен на инверсно-магнетронном вакуумметре, второй датчик 13 выполнен на радиационном многоканальном пирометре, а электромеханический привод 18 – на шаговом двигателе.

Установка направленной кристаллизации расплава работает следующим образом.

Задатчиками 20 и 14 устанавливаются заданные значения глубины вакуума N₂₀P_з в камере 1 и температуры N₁₄T_з содержимого лодочки 7, соответственно (здесь знак – знак пропорциональности). Шихта 8 полупроводникового материала (сапфира) загружается в лодочку 7, а лодочка 7 размещается в исходной позиции в теплоизолированной камере 2. После закрытия шлюзов теплоизолированной 2 и вакуумной 1 камер запуск установки деблокируется (цепи блокировки электропитания установки не показаны). Содержимое выходов задатчиков 14 N₁₄T_з и 20 N₂₀Р_з сравнивается с содержимым выходов датчика 13 N₁₃Т(t) и аналого-цифрового преобразователя 19 N₁₉P(t), соответственно. При условии N₁₉20 по сигналу запуска на силовой вход вакуумного насоса 3, через блок 11 управления, с соответствующего его выхода поступает питание. Вакуумный насос 3 понижает давление в вакуумной камере 1. Давление в вакуумной камере 1 контролируется постоянно, в масштабе реального времени, первым датчиком 5. Первый датчик 5 способен оценивать давление P(t) на интервале до 10^-14 мм рт.ст. Аналоговое значение глубины вакуума P(t) в камере 1 преобразуется аналого-цифровым преобразователем 19 в его цифровое значение N₁₉P(t). Элемент 21 сравнения на своем выходе генерирует высокий потенциал при P(t)P_з, при N₁₉N₂₀, и низкий потенциал при Р>Р_з, N₁₉>N₂₀, что обеспечивает работу насоса до выполнения условия P(t)=P_з и исключает его работу при Р(t)Р_з. Датчиком 13 непрерывно измеряется температура T(t) содержимого лодочки 7. Датчик 13 обеспечивает измерение температуры содержимого лодочки 7 по T(t)=q|(I_1T(t)-I_2T(t))/(₁–₂)|, до Т=10¹⁵°С с точностью не ниже ±20°С, где: q – коэффициент пропорциональности, ₁ и ₂ – длина волны излучений, регистрируемых пирометром, а I_1T(t) и I_2T(t) – интенсивности излучений на длинах волн ₁ и ₂ соответственно при произвольной температуре T(t) излучающей поверхности. Инерционность датчика 13 не превышает 0,001 сек. Содержимое выходов датчика 13 N₁₃T_з и задатчика 14 N₁₄T(t) непрерывно сравнивается элементом 15 сравнения. При N₁₃14 (при T(t)з), но при N₁₉N₂₀ (при P(t)P_з), на выходе элемента 22 ИЛИ устанавливается высокий потенциал, а блок 11 управления по своему второму выходу соединяет соответствующий выход блока 10 питания с источником 6 тепловой энергии, содержимое лодочки нагревается, его температура T(t) повышается. По достижении равенства N₁₃=N₁₄ (T(t)=T_з), на втором выходе элемента 15 сравнения устанавливается высокий потенциал, по переднему фронту которого срабатывает распределитель 17 импульсов и привод 18 лодочки 7. Приводом 18, пошагово с частотой f₁₆, определяемой генератором 16, перемещается лодочка 7 до момента наступления неравенства N₁₃14 (T(t)з), а по достижении неравенства N₁₃=N₁₄ (Т(t)=T_з) привод 18 вновь перемещает лодочку. И так до достижения лодочкой точки ее финиша, после чего вакуумный насос 4, источник 6 тепловой энергии и привод 18 лодочки 7 через распределитель 17, элемент 22 ИЛИ и блок 11 управления, соответственно, обесточиваются, а кристалл 8, после остывания, может быть извлечен из установки.

Таким образом, установка направленной кристаллизации расплава обеспечивает повышенные диапазоны технологических параметров, температуры и глубины вакуума, процесса, точности поддержания технологического процесса выращивания кристаллов полупроводника (сапфира) при одновременной минимизации временных и энергетических затрат.

Источники информации

1. Папков B.C., Цыбульников М.Б. Эпитаксиальные кремневые слои на диэлектрических подложках и приборы на их основе. – М.: Энергия, 1979. – 89 с.

2. Козлов Ю.Ф., Зотов В.В. Структуры кремния на сапфире: технология, свойства, методы контроля, применение. – М.: МИЭТ, 2004. – 140 с.

Формула изобретения

Установка направленной кристаллизации расплава, содержащая вакуумную камеру, теплоизолированную камеру, размещенную в вакуумной камере, вакуумный насос, соединенный патрубком с вакуумной камерой, первый датчик, датчик глубины вакуума, соединенный патрубком с вакуумной камерой, источник тепловой энергии, расположенный в теплоизолированной камере, лодочку с шихтой или кристаллом полупроводника, размещенную в теплоизолированной камере, блок электрического питания, соединенный входом с электрической сетью общего назначения, блок управления, соединенный силовыми входами с выходами блока питания, канал оптической связи, проходящий через стенки теплоизолированной камеры и вакуумной камеры на ее внешнюю поверхность и ориентированный максимумом диаграммы направленности входа на содержимое лодочки, второй датчик, датчик температуры, соединенный оптическим входом с выходом канала оптической связи, и электромеханический привод перемещения лодочки, соединенный выходом, механически, с лодочкой, отличающаяся тем, что в нее введены первый задатчик, задатчик температуры содержимого лодочки, первый элемент сравнения, соединенный поразрядно первыми входами с выходами второго датчика, вторыми входами – с выходами первого задатчика, а первым выходом – с первым управляющим входом блока управления, генератор тактовых импульсов, распределитель импульсов, соединенный сигнальным входом с выходом генератора импульсов, управляющим входом – со вторым выходом первого элемента сравнения, а выходом – пофазно со входами электромеханического привода перемещения лодочки, аналого-цифровой преобразователь, соединенный входом с выходом первого датчика, второй задатчик, задатчик глубины вакуума в вакуумной камере, второй элемент сравнения, соединенный поразрядно первыми входами с выходами второго задатчика, а вторыми входами – с выходами первого датчика, и элемент ИЛИ, соединенный первым входом с выходом второго элемента сравнения, вторым входом – с первым выходом первого элемента сравнения, а выходом – со вторым управляющим входом блока управления, причем первый датчик выполнен на инверсно-магнетронном вакуумметре, второй датчик выполнен на многоканальном, радиационном пирометре, а электромеханический привод – на шаговом двигателе.

РИСУНКИ