[实用新型]一种用于控制真空生长室内气体压力的压力自动控制装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种用于控制晶体生长设备的真空生长室内气体压力的压力自动控制装置，特别涉及一种用于以物理气相传输沉淀法生长SiC单晶、AlN等单晶用的单晶生长设备中真空生长室的气体压力自动控制装置。

背景技术

物理气相传输沉淀法是近年来发展起来的一种单晶生长技术，适用于生长某些在高温下会分解、升华而无法用通常使用的高温熔液法单晶生长技术来长成单晶的一些化合物单晶。例如：SiC、AlN等化合物半导体材料。SiC单晶、AlN单晶都是具有优良物理性质的半导体材料，特别适合于制作能在高温、强辐射的恶劣条件下工作的高频、高功率的微波器件及光电子器件，在高技术领域中有非常重要的实用价值，SiC单晶就是用气相传输沉淀法技术成功地长成大尺寸优质单晶的典型实例。如图1所示，为现有技术中物理气相传输沉淀法生长SiC单晶用的单晶生长设备的基本结构，包括真空(负压)生长室1，高频或中频电源2、真空系统3、气压控制系统4，石墨制作的坩埚5、感应加热线圈6、石墨坩埚5中放有原料粉7、如SiC粉及适当配置的绝热材料，SiC籽晶及生长成的SiC晶体8位于坩锅的上方，坩锅的周围有保温材料9，另外，在真空生长室的内、外壁中充入有冷却水10、真空生长室1的上、下端面与金属制作的上、下水冷法兰盘11用真空封接的方式联接。

生长SiC单晶时，多晶粉末SiC作为原料放置在石墨坩埚中，用感应加热技术加热到2000-2500℃的高温，使SiC粉料升华为蒸气并输送到处于较低的合适温度的籽晶上，凝结并长成大尺寸的单晶。为防止氧化及防止N₂气进入晶体，石墨坩埚放置在与外围空气隔离的生长室中，并用惰性气体保护。在生长过程中各种工艺参数，如原料蒸发区，籽晶结晶区的温度分布、蒸发速度、结晶速度、坩埚的构形等都会对生长过程有巨大的影响。其中，真空生长室的气压对SiC的粉料蒸发-SiC蒸气的输送过程及结晶都有巨大影响。因此，严格地按照单晶生长工艺的要求，高精度地控制生长室的气体压力，使之稳定地、严格地保持在按程序给定器给出的数值是获得优质大尺寸单晶的关键技术之一。

物理气相输运沉积法生长单晶时，为保持真空生长室的气体压力及气体成份稳定，克服因温度升、降，原料蒸发以及其它因素的变化导致的气体压力变化，是通过气压控制系统4中的气源对生长室充入新的惰性气体的同时，用真空系统3中的泵抽走多余气体、从而达到动态平衡的方法来实现的。其中，气源通常是压力瓶装的高纯氩(Ar)气，通过调节阀及流量计以合适的流量送入生长室。另外，又用一个抽气泵(如机械真空泵)不断地将生长室的气体抽出，如果送入及抽出的气体量刚好相等，生长室内的气压就能保持不变。为了实现控制生长室压力的目的，通常是用生长室的压力传感器输出的信号与设定值比较，通过PID控制器调整一个置于抽气泵与生长室之间的电动阀门的开合大小，从而改变抽气速率的方法来实现的。上述背景技术的内容可参考美国专利申请US604184、US6202681和US6508268。

但是，上述现有技术的单晶生长设备中的气体压力控制装置通常采用电动阀门，进行气量调节，由于电动阀门的线性度差，连续可调范围小，导致存在气体压力控制的灵敏度不高、波动大等缺点，直接影响到生长出的单晶的质量。

实用新型内容

为了有效地、准确地控制单晶生长设备的真空生长室内的压力，本实用新型提供了一种实用的，可以在很宽的压力范围内对真空生长室内的惰性气体压力进行高精度自动控制的技术。从而满足用气相沉积技术生长某些化合物单晶材料，例如SiC单晶，AlN等单晶时对真空生长室的气体压力进行精密控制的工艺要求。本实用新型提供的单晶生长设备所需的控制真空生长室内压力的压力自动控制装置，包括与真空生长室连通的抽气泵、气阀流量计、以及与气阀流量计相连的气源、其特征在于，在真空生长室与真空抽气泵之间，或真空生长室与气体流量计之间设置有电磁阀，该电磁阀由一个PID控制器的输出控制开启和关闭，在闭环自动控制系统中起到调节器的作用。PID控制器的输出则通过由压力传感器输出与程序给定的设定值的差值经PID运算后得出。从而构成一个闭环自动控制系统，使真空生长室的压力保持在一个精确地按工艺程序要求而稳定变化的压力状态。

根据本实用新型的一个方面，该压力自动控制装置进一步包括压力传感器、程序给定器、PID控制器和多谐振荡器，其中压力传感器用于测量生长室的气压，并将测得的压力转换成电信号，该信号与程序给定器给出的压力数值进行比较，其差值被送入PID控制器，PID控制器将输出送到压控多谐振荡器，由该压控多谐振荡器的输出信号控制所述电磁阀的气阀。