專利名稱：生產(chǎn)半導(dǎo)體純度級原料的高真空度電子束提純系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及真空技術(shù)、半導(dǎo)體純度級原料的提純技術(shù)。
晶體生長對原料純度的要求早已引起人們的注意，半導(dǎo)體及其有關(guān)高純度材料很早就采用“半導(dǎo)體純”的純度標(biāo)志。在研制大功率激光窗口和藍(lán)寶石晶體中也提出用RAP反應(yīng)制造雜質(zhì)含量PP的高純度三氧化二鋁原料，這表明晶體中的“雜質(zhì)效應(yīng)”已受到重視。藍(lán)寶石晶體的分析表明，晶體生長中雜質(zhì)的來源除了有添加的摻雜劑之外，主要是原料中所含雜質(zhì)以及由它與氣體、容器的化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的一些雜質(zhì)，應(yīng)當(dāng)控制的雜質(zhì)Pb、Sn、Fe、Cu、Mn、Cr、Co、Ni、Ag、Ti、V、Bi、Ca、Zn、Cd、Mg、O、特別是O(氧)的雜質(zhì)對晶體生長影響較大。因此，原料的純度是晶體高純化的關(guān)鍵，能夠直接影響晶體所需物理化學(xué)性質(zhì)的雜質(zhì)必須嚴(yán)格控制。
現(xiàn)有的提純?nèi)趸X方法為高純銨明礬熱解法，以低鐵硫酸鋁、硫酸銨為原料合成銨明礬，然后將銨明礬熱解得高純氧化鋁。但是，材料提純的純度不能達(dá)到半導(dǎo)體級！本發(fā)明的目的是為實現(xiàn)半導(dǎo)體級的提純創(chuàng)造了一個優(yōu)質(zhì)潔凈的超高真空環(huán)境，并在超高真空環(huán)境下，通過高精度計算機控制系統(tǒng)控制電子槍發(fā)射高功率密度電子束流對被提純材料進(jìn)行間接加熱提純，使被提純材料純度達(dá)到半導(dǎo)體級。
實現(xiàn)上述目的的技術(shù)方案一種生產(chǎn)半導(dǎo)體純度級原料的高真空度電子束提純系統(tǒng)，其特征在于在超高真空室內(nèi)設(shè)置提純爐，通過電子槍發(fā)射高功率密度電子束流對提純爐中被提純材料進(jìn)行間接加熱，使其金屬或非金屬雜質(zhì)達(dá)到其蒸發(fā)溫度后蒸發(fā)。
生產(chǎn)半導(dǎo)體純度級原料的高真空度電子束提純系統(tǒng)(1)真空系統(tǒng)包括直聯(lián)旋片真空泵和鈦離子泵；
(2)設(shè)置提純系統(tǒng)，提純系統(tǒng)包括通過電子槍發(fā)射高功率密度電子束流對被提純材料進(jìn)行間接加熱提純的電子束提純裝置、用于對提純真空室內(nèi)部進(jìn)行離子清潔避免提純真空室被提純原料二次沾污的離子轟擊裝置、用于收集被提純原料蒸發(fā)出的雜質(zhì)的雜質(zhì)收集器和用于檢測溫度、雜質(zhì)含量的檢測裝置。
(3)設(shè)置對提純系統(tǒng)進(jìn)行控制的計算機溫度控制系統(tǒng)，計算機溫度控制系統(tǒng)包括溫度控制器、前向通道溫度控制執(zhí)行機構(gòu)和反饋通道遠(yuǎn)程信號采集傳輸機構(gòu)。
設(shè)置冷卻系統(tǒng)，用于對鈦離子泵、直聯(lián)旋葉式機械泵、冷卻阱、提純真空室的箱體和電極進(jìn)行冷卻。
電子束提純裝置由電子槍、偏轉(zhuǎn)磁場裝置和坩堝組成，置于提純真空室內(nèi)。
離子轟擊裝置由離子轟擊電源和一棒狀陰極高壓電極組成。
在提純真空室的觀察窗外設(shè)置用于觀察提純過程的攝像機。
溫度控制器是控制計算機通過異步通信接口分時接收提純真空室內(nèi)提純爐的溫度信號，每路溫度信號都經(jīng)過PID控制算法，生成所需要的控制指令；前向通道溫度控制執(zhí)行機構(gòu)包括a、V/F變換多路計數(shù)器，用于將經(jīng)過PID控制算法生成的控制指令并行生成多路頻率與控制指令對應(yīng)的指令脈沖信號(V/F變換)，b、隔離變換電路，將上述經(jīng)多路計數(shù)器輸出的變頻指令脈沖信由隔離變換電路進(jìn)行信號濾波，然后經(jīng)積分轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，c、電流控制電路和功率輸出電路，經(jīng)隔離變換后的指令電壓信號用于調(diào)節(jié)晶闡管的導(dǎo)通狀態(tài)，對流過加熱電子槍燈絲的交流電源進(jìn)行電流控制；
(3)反饋通道遠(yuǎn)程信號采集傳輸機構(gòu)包括a、溫度傳感器，用于測量提純爐的溫度信號，b、遠(yuǎn)程多通道數(shù)據(jù)采集模塊，實現(xiàn)多路數(shù)據(jù)采集，c、隔離信號轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)溫度采集模塊與控制計算機的異步通信連接。
溫度控制器的數(shù)據(jù)記錄格式(1)以控制步為基本單位輸入數(shù)據(jù)，記錄項目包括步序、目標(biāo)溫度、達(dá)到目標(biāo)溫度預(yù)定的時間間隔；(2)執(zhí)行時按定時采樣信號采用完全線性插補；(3)各個爐溫的控制分路獨立進(jìn)行；(4)計算機在停機后重新啟動運行時，自動讀取各個提純爐停機時的斷點數(shù)據(jù)恢復(fù)控制；(5)計算機停機期間由硬件電路鎖存電流控制指令信號，維持提純爐溫不變；(6)控制節(jié)拍由設(shè)置的定時器管理，以定時器軟件中斷服務(wù)的形式管理溫度控制規(guī)律的實施。
溫度控制器的PID算法采用增量形式的離散PID算法，基本算法為ΔU(k)＝KP[E(k)-E(k-1)]＋K1E(k)＋KD(E(k)-2E(k-1)＋E(k-2))/T其中ΔU(k)是控制命令的調(diào)整增量，KP為比例增益，K1為積分增益、KD為微分增益，T為采樣間隔，E(k)、E(k-1)、E(k-2)分別為當(dāng)前、前1次和前2次的溫度控制偏差。
每一路功率放大電路在功率輸出與電流控制之間設(shè)置電流反饋，自保持輸入的電壓指令信號，并獨立進(jìn)行電流PI控制，維持電流信號穩(wěn)定。
采用上述技術(shù)方案，其突出的技術(shù)進(jìn)步在于1、本發(fā)明為實現(xiàn)半導(dǎo)體級的提純創(chuàng)造了一個優(yōu)質(zhì)潔凈的超高真空環(huán)境通過選用由直聯(lián)旋片真空泵和F型渦輪分子泵構(gòu)成的抽真空系統(tǒng)，對提純真空室進(jìn)行抽真空，使提純真空室的真空度達(dá)到5×10-8pa的超高真空狀態(tài)。這種超真空狀態(tài)，不但可以避免由擴散泵油在高溫環(huán)境下的分解所造成的對被提純材料二次污染，同時保證被提純材料在高溫環(huán)境下不產(chǎn)生氧化。2、本發(fā)明創(chuàng)造性地在高真空狀態(tài)下通過電子束使被提純材料在系統(tǒng)環(huán)境下溶解，當(dāng)被提純材料中的金屬與非金屬雜質(zhì)達(dá)到其蒸發(fā)溫度后蒸發(fā)，從而實現(xiàn)被提純材料純度達(dá)到半導(dǎo)體級的目的。3、生產(chǎn)半導(dǎo)體純度級原料的高真空度電子束提純系統(tǒng)適用于金屬和非金屬固體原材料的提純。4、通過電子槍發(fā)射高功率密度電子束流對被提純材料進(jìn)行間接加熱提純，這樣可以避免直接加熱源在高溫環(huán)境下加熱源自身材料中雜質(zhì)的分解所造成的對被提純材料二次污染。5、控制軟件建立在Windows環(huán)境下，由Genie2.0圖控組件平臺和利用VB3.0開發(fā)的數(shù)據(jù)管理控制模塊兩個部分組成，通過光電、氣敏、壓敏等傳感器由計算機控制系統(tǒng)對材料提純過程進(jìn)行采樣、分析、統(tǒng)計、計算、控制和記錄，實現(xiàn)高精度計算機溫度控制。
下面通過實施例并結(jié)合附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明

圖1是本發(fā)明的提純系統(tǒng)的一種結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是水冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
圖3是控電柜結(jié)構(gòu)框圖。
圖4是提純系統(tǒng)的計算機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
圖面說明1下層部分機箱13偏轉(zhuǎn)磁場裝置25高真空閥2烘烤電源14坩堝水冷26冷卻阱3離子轟擊高壓電源15離子轟擊裝置27鈦離子泵4隔離鋼板16烘烤裝置28空閥5提純真空室箱體 17溫度傳感器29低真空系統(tǒng)管道6提純真空室門18雜質(zhì)收集器30低真空閥充氣閥7提純真空室 19雜質(zhì)氣體傳感器31直聯(lián)旋葉式機械泵8鉸鏈20八角測量座32低真空系統(tǒng)管道9凸輪壓緊機構(gòu)21真空測試管座 33低真空閥10觀察窗 22法蘭 34機座11電子束提純系統(tǒng) 23真空系統(tǒng)管道12電子槍 24真空室充氣閥實施例一種用于生產(chǎn)半導(dǎo)體純度級原料的高真空度電子束提純系統(tǒng)，由主機柜和控電柜組成，主機柜設(shè)置真空系統(tǒng)、提純系統(tǒng)、攝像機和冷卻系統(tǒng)，控電柜設(shè)置各種儀表和計算機控制系統(tǒng)。其中真空系統(tǒng)主要由機箱、直聯(lián)旋葉式機械泵31和鈦離子泵26組成。
如圖1所示，機箱分上下層，上層部分設(shè)置提純真空室箱體5，下層機箱1內(nèi)置烘烤電源2和離子轟擊電源3，上下層之間設(shè)置隔離鋼板4。提純真空室箱體5固定在上下結(jié)合部20mm厚的隔離鋼板4上，使機箱上下部集成為堅固的整體。
提純真空室7由提純真空室箱體5依靠“O”型真空橡膠圈密封和提純真空室門6組成，兩者用鉸鏈8連接，密封壓力主要依靠作用于門面上面的大氣壓力，預(yù)壓力通過門上面的凸輪壓緊機構(gòu)9作用和鉸鏈8彈簧產(chǎn)生。箱體底盤上有多個φ33.5m的孔，可用于光學(xué)測試的光路孔，傳感器接頭或引進(jìn)其它接頭或用法蘭封閉。門面上有一個直徑為125mm的觀察窗10，通過肉眼或攝影機，觀察記錄提純過程。
由提純真空室7、法蘭22、真空系統(tǒng)管道23、提純真空室充氣閥24、高真空閥門25、冷卻阱26、鈦離子泵27、預(yù)真空閥28、低真空系統(tǒng)管道29、低真空閥充氣閥30、直聯(lián)旋葉式機械泵31、低真空系統(tǒng)管道32、真空系統(tǒng)管道23依次連接組成真空系統(tǒng)。
在真空系統(tǒng)管道23上端安裝固定提純真空室充氣閥24，真空系統(tǒng)管道23下端安裝低真空閥門33，通過提純真空室充氣閥24，在關(guān)閉高真空閥25和低真空閥33的情況下對提純真空室7和真空系統(tǒng)管道23進(jìn)行充氣。
低真空閥33采用直徑φ63mm的氣動閥，固定安裝在真空系統(tǒng)管道24下端并與低真空系統(tǒng)管道32相互固定連接，并通過低真空系統(tǒng)管道32連接直聯(lián)旋片機械泵31、通過低真空系統(tǒng)管道29和預(yù)真空閥28相互固定連接。低真空閥33的作用是當(dāng)直聯(lián)旋片式機械泵31工作而鈦離子泵27關(guān)閉時，打開低真空閥33并關(guān)閉預(yù)真空閥28和高真空閥25時，可以實現(xiàn)對真空系統(tǒng)管道23和提純真空室7抽低真空；當(dāng)直聯(lián)旋片機械泵31和鈦離子泵27同時工作使用時，需關(guān)閉低真空閥門33實現(xiàn)對真空系統(tǒng)管道23和提純真空室7抽高真空。
高真空閥25是真空系統(tǒng)的主閥，直徑為φ400mm，一端連接真空系統(tǒng)管道23，另一端與冷卻阱26固定連接。高真空閥25的作用是當(dāng)打開高真空閥25和預(yù)真空閥28、并關(guān)閉低真空閥門33時，當(dāng)直聯(lián)旋片機械泵31和鈦離子泵27同時工作使用時實現(xiàn)對真空系統(tǒng)管道23和提純真空室7抽高真空。
冷卻阱28一端連接固定安裝于高真空閥25，一端連接固定安裝在鈦離子泵27一端，冷卻阱28的作用是通過水冷卻來防止輔集機械泵返油的裝置。
鈦離子泵27一端連接固定安裝在冷卻阱28上，另一端連接安裝預(yù)真空閥28，通過低真空系統(tǒng)管道29與直聯(lián)旋片式機械泵31固定連接。鈦離子泵27的作用是在直聯(lián)旋片式機械泵31和鈦離子泵27同時工作使用時，當(dāng)關(guān)閉低真空閥門33并打開預(yù)真空閥27和高真空閥25的情況下，通過真空系統(tǒng)管道23實現(xiàn)對提純真空室7抽高真空。預(yù)真空閥28的作用是在關(guān)閉低真空閥33的情況下，負(fù)責(zé)直聯(lián)旋片式機械泵31對低真空系統(tǒng)管道29、對鈦離子泵27的連通或關(guān)閉作用。
低真空閥充氣閥30連接固定于低真空系統(tǒng)管道29與預(yù)真空閥門28和直聯(lián)旋片式機械泵31之間的位置上固定。它的作用是當(dāng)直聯(lián)旋片式機械泵31啟動時，該閥門自動打開(采用通用直徑為φ63mm的氣動閥)。泵停止工作時，同時自動關(guān)閉，與此同時自動向直聯(lián)旋片式機械泵放大氣，防止泵返油。
凸輪壓緊機構(gòu)9安裝在提純真空室門6上。當(dāng)門關(guān)閉時，轉(zhuǎn)動手柄，使門壓緊。當(dāng)提純真空室抽氣時，由于大氣的壓力使門進(jìn)一步壓緊，凸輪就自動松開，手柄自動回彈。
真空系統(tǒng)由直聯(lián)旋葉式機械泵31、鈦離子泵26、通過高真空閥門25、低真空閥門30、預(yù)真空閥28和提純真空室充氣閥24控制實現(xiàn)對提純真空室7抽真空和充氣工作。
提純系統(tǒng)包括電子束提純裝置、離子轟擊裝置、雜質(zhì)收集器、烘烤裝置、檢測裝置。
電子束提純裝置11由電子槍12、偏轉(zhuǎn)磁場裝置13、和水冷坩堝14三部分組成，電子束提純系統(tǒng)11固定在提純真空室7的底盤隔離鋼板4上，電子槍12工作時，由交流電源加熱電子槍燈絲，使燈絲發(fā)射電子，熱發(fā)電子在高壓電場作用下，熱發(fā)射電子匯集成束，以平均6×106m/s的速度穿過陽極孔。熱發(fā)射電子穿過陽極孔后，電子束受電、磁場綜合作用，偏轉(zhuǎn)270°角射入坩堝14。入射坩堝14的電子束沖擊坩堝14內(nèi)的被提純原料時，使6×106m/s的速度受到阻擊，幾千電子伏特的動能迅速變成熱能，使被提純原料的溫度急促升高，以達(dá)到雜質(zhì)蒸發(fā)溫度以后使其雜質(zhì)蒸發(fā)去達(dá)到提純目的。
離子轟擊裝置(陰極高壓電極)由離子轟擊電源3和一棒狀陰極高壓電極15組成，棒狀陰極高壓電極15固定于提純真空室箱體5的底盤隔離鋼板4上，并通過接頭連接主機下部機箱1內(nèi)的離子轟擊高壓電源3，用來對提純真空室7內(nèi)部進(jìn)行離子清潔避免提純真空室7對被提純原料二次沾污，轟擊功率可調(diào)(可自控)。
雜質(zhì)收集器18位于電子槍坩堝14上方150mm處，通過連接桿固定于提純真空室箱體5的底盤隔離鋼板4上，專門用來收集被提純原料蒸發(fā)出的雜質(zhì)，減少其雜質(zhì)對提純真空室個各部位的沾污，通過提純真空室箱體5的底盤接插件與外部連接。
烘烤裝置16固定于提純真空室7內(nèi)電子束提純系統(tǒng)11兩邊底盤隔離鋼板4上，采用碘鎢燈加熱，最高烘烤溫度可達(dá)300℃。烘烤裝置16通過電源線接頭連接主機下部的烘烤電源2。
檢測裝置包括溫度傳感器17、雜質(zhì)氣體傳感器19、真空測試管座21和八角測量座20溫度傳感器17用來測量提純真空室7的溫度，并固定于提純真空室箱體底盤隔離鋼板4，通過接頭與外部連接。
雜質(zhì)氣體傳感器19位于提純真空室7箱體頂部上，并通過提純真空室箱體底盤隔離鋼板4上接插件與外部連接。
八角測量座20固定于提純真空室箱體底盤隔離鋼板4上，它通過接插件與外部連接，用于備用連接其他測試線。
真空測試管座21共有兩個，固定于提純真空室7后部抽氣口一側(cè)上面，一個安裝熱偶管用來測量低真空；另一個安裝電離管用來測量高真空，通過接插件和測試線與控電柜真空測試儀連接。
攝像機(圖1中未畫)固定于提純真空室7正面的觀察窗10外壁上，通過數(shù)據(jù)線與控電柜顯示器連接，用于觀察、記錄、控制提純生產(chǎn)過程。
水冷卻系統(tǒng)如圖2所示，本發(fā)明可對鈦離子泵27、直聯(lián)旋葉式機械泵31、冷卻阱26、箱體(1、5)和電極15等進(jìn)行水冷卻。
控電柜部分控電柜部分的供電電源為220/380V50HZ的交流電源組成，是提純系統(tǒng)所有控制儀器的集中組合體，它的任務(wù)是對真空系統(tǒng)和提純系統(tǒng)的各個部分通過光電、壓力、氣敏等信息的采集，由人工式電子計算機系統(tǒng)進(jìn)行分析、統(tǒng)計、記錄的判斷來完成對主機柜系統(tǒng)各個部分的監(jiān)視、控制的目的，它由以下11部分組成。這11部分儀器集中固定安裝在圖3所標(biāo)控電柜的不同部位。
控電柜機箱是本發(fā)明所有控制儀器的集中組合的集裝箱體，與主機柜配合同時使用。
數(shù)據(jù)傳輸儀用于接收由傳感器(17、19)通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)來采集信息，通過各個測試儀判定后的信息集中由它傳輸給電子計算機和將電子計算機返回的信息命令傳輸給各個部分執(zhí)行指令的儀器。數(shù)據(jù)傳輸儀必須在電子計算機選擇手動或自動時啟動其電源。數(shù)據(jù)傳輸儀安裝固定在控電柜箱中。
真空測量儀通過數(shù)據(jù)線與測量裝置真空度測量傳感器20的電離管和熱偶管分別對真空系統(tǒng)真空度數(shù)值進(jìn)行測量的儀器，可獨立與計算機系統(tǒng)配合使用。
主機控制儀除電子計算機系統(tǒng)和電子束源控制系統(tǒng)之外的對主機柜系統(tǒng)執(zhí)行人工手動控制的顯示儀器，它與控電柜其它儀器真空測試儀、顯示器、電子束源控制儀、鈦離子泵電源配合使用。
顯示器包括顯示電子計算機運行信息客觀顯示的專業(yè)顯示器和用來接收、觀察提純真空室觀察窗10上兩部電視攝像圖象的顯示儀器。
電子束源控制儀是用來操作控制主機柜電子束源、電源和控制電子槍12的控制儀，是一獨立使用的控制儀。
鈦離泵電源專門為主機系統(tǒng)鈦離子泵27提供直流電源的設(shè)備。
殘余氣體分析儀專門為提純原料的生產(chǎn)過程中通過殘余氣體傳感器19采集蒸發(fā)氣體的信息并由它分析雜質(zhì)成分?jǐn)?shù)值，再傳輸給電子計算機判斷的分析儀器，可獨立或與電子計算機配合使用。
計算機控制系統(tǒng)如圖4所示，由溫度控制器，前向通道溫度控制執(zhí)行部件和反饋通道遠(yuǎn)程信號采集傳輸部件組成。前向通道包括多路計數(shù)器、隔離變換電路、電流控制電路和功率輸出電路；反饋通道包括熱電偶、遠(yuǎn)程多路數(shù)據(jù)采集模塊和信號隔離傳輸轉(zhuǎn)換模塊。
溫度信號采集模塊通過遠(yuǎn)程多通道數(shù)據(jù)采集模塊完成，選用智能型遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊ADAM4018，在采集模塊中設(shè)置了高階滑動濾波和剔除極大偏離數(shù)據(jù)值的算法，用于提高數(shù)據(jù)采集的抗干擾能力。智能型遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊ADAM4018將由溫度傳感器17測量的提純爐模擬量溫度信號直接被轉(zhuǎn)化成數(shù)字量。該模塊可實現(xiàn)8路模擬信號的轉(zhuǎn)換，其AD變換的分辨精度為16位，對于0～2500℃的溫度變化范圍，其溫度分辨率可達(dá)到±0.046℃。該智能模塊在內(nèi)部CPU及監(jiān)控程序的管理下獨立工作，自動完成遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集輸出的任務(wù)，其輸出采用RS422/485異步通信標(biāo)準(zhǔn)，而且可以根據(jù)需要掛接多個模塊進(jìn)行擴展。
溫度信號采集模塊配接RS485長線異步通信模塊，可以實現(xiàn)1000m范圍內(nèi)的遠(yuǎn)程通信，并完成由RS485到RS232的信號隔離轉(zhuǎn)換功能，實現(xiàn)溫度信號采集模塊與控制計算機的異步通信連接。通信速率可以設(shè)置，本系統(tǒng)設(shè)定的系統(tǒng)通信波特率為9600(位/s)。結(jié)合使用以上兩個模塊非常簡便地實現(xiàn)了反饋通道的遠(yuǎn)程信號采集與傳輸功能。
溫度控制器溫度控制功能在控制計算機系統(tǒng)內(nèi)以控制軟件算法的形式完成，因而具有很大的靈活性。計算機通過異步通信接口分時接收每個提純爐的溫度信號，每路溫度信號都經(jīng)過PID控制算法，生成所需要的控制指令，輸入插在PC總線上的V/F變換多路計數(shù)器。
PID控制算法為滿足提純爐溫控所要求的控制精度和控制參數(shù)調(diào)整，采用用戶程序的形式完成控制算法，具體采用增量形式的離散PID算法，基本算法為ΔU(k)＝KP[E(k)-E(k-1)]＋K1E(k)＋KD(E(k)-2E(k-1)＋E(k-2))/T其中ΔU(k)是控制命令的調(diào)整增量，KP為比例增益，K1為積分增益、KD為微分增益，T為采樣間隔，E(k)、E(k-1)、E(k-2)分別為當(dāng)前、前1次和前2次的溫度控制偏差。為了系統(tǒng)調(diào)整方便，利用圖控軟件平臺設(shè)計增益調(diào)整元件，可在運行過程中直接調(diào)整系統(tǒng)控制參數(shù)。
溫度控制器的數(shù)據(jù)記錄格式以控制步為基本單位輸入數(shù)據(jù)(也可以根據(jù)要求另行設(shè)計改進(jìn))，記錄項目包括步序、目標(biāo)溫度、達(dá)到目標(biāo)溫度預(yù)定的時間間隔，數(shù)據(jù)庫對于控制步數(shù)沒有數(shù)量限制，執(zhí)行時按定時采樣信號采用完全線性插補，每一步執(zhí)行中不分溫度臺階，可在操作中改動當(dāng)前執(zhí)行步序，修改各步的溫度目標(biāo)和執(zhí)行時間間隔。各個爐溫的控制分路獨立進(jìn)行，計算機在停機后重新啟動運行時，自動讀取各個提純爐停機時的斷點數(shù)據(jù)恢復(fù)控制。計算機停機期間由硬件電路鎖存電流控制指令信號，維持爐溫不變。
V/F變換多路計數(shù)器采用V/F變換PCL830多路計數(shù)器卡和驅(qū)動程序，將經(jīng)過PID控制算法生成的控制指令并行生成多路頻率與控制指令對應(yīng)的脈沖信號(V/F變換)，指令脈沖信號通過屏蔽線輸出至前向通道的隔離轉(zhuǎn)換電路。采用V/F變換的方式輸出溫度控制信號，提高了指令信號傳輸?shù)目垢蓴_能力。溫度控制采樣周期可以在工控軟件平臺下設(shè)定。
隔離變換經(jīng)計數(shù)器輸出的變頻脈沖序列形式的溫度控制命令，首先由隔離變換電路進(jìn)行信號濾波，然后經(jīng)積分轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枴?br> 電流控制和功率輸出經(jīng)隔離變換后的指令電壓信號用于調(diào)節(jié)晶闡管的導(dǎo)通狀態(tài)，對流過加熱電子槍12燈絲的交流電源進(jìn)行電流控制，從而控制燈絲發(fā)射的熱發(fā)電子。每一路功率放大電路在功率輸出與電流控制之間設(shè)置電流反饋，可以自保持輸入的電壓指令信號，并獨立進(jìn)行電流PI控制，維持電流信號穩(wěn)定。這一措施保證在環(huán)境溫度狀況不變的情況下，只要計算機不改變輸入指令，就可以長時間維持流經(jīng)加熱電子槍12燈絲的電流恒定，使熱發(fā)電子束基本不變，維持提純爐的蒸發(fā)溫度恒定，以使相應(yīng)蒸發(fā)溫度的雜質(zhì)蒸發(fā)達(dá)到提純的目的。但是，由于雜質(zhì)不同，相應(yīng)的蒸發(fā)溫度不同，在提純的過程中，應(yīng)逐一對不同雜質(zhì)分別進(jìn)行蒸發(fā)提純，最終實現(xiàn)被提純材料純度達(dá)到半導(dǎo)體級的目的。
提純系統(tǒng)的工作過程(1)設(shè)備使用時打開提純真空室門6清潔提純真空室7，并將被提純原料放入水冷坩堝14內(nèi)，并關(guān)閉提純真空室門6。
(2)打開總水源1。
(3)打開總電源，并啟動電子計算機運行執(zhí)行檢測程序?qū)υO(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)測試。
(4)打開直聯(lián)旋葉式機械泵31的冷卻水閥門，操作直聯(lián)旋葉式機械泵31啟動按鈕，啟動直聯(lián)旋葉式機械泵31后，操作預(yù)真空閥28按鈕，打開預(yù)真空閥28，對鈦離子泵27抽氣，同時，打開鈦離子泵27的冷卻水閥，啟動其供電系統(tǒng)，啟動鈦離子泵27。
(5)啟動真空測試儀，當(dāng)系統(tǒng)真空度達(dá)到3×10-2Pa時，操作低真空閥33按鈕打開低真空閥33對提純真空室7抽低真空。
(6)測試提純真空室7的真空度，當(dāng)達(dá)到3×10-2Pa時，操作高真空閥25按鈕，打開高真空閥25，對提純真空室7抽高真空。
(7)提純前需對提純真空室7進(jìn)行烘烤，打開烘烤電源2，烘烤溫度可控可調(diào)。在此過程中，可打開提純真空室7的外壁冷卻水閥門，通過冷水進(jìn)行冷卻。
(8)當(dāng)測試提純真空室7的真空度當(dāng)達(dá)到3×10-8Pa時，可進(jìn)行提純準(zhǔn)備。
(9)打開電子槍12的供電開關(guān)，啟動電子槍12的供電高壓電源。
(10)測試提純真空室7，當(dāng)真空度當(dāng)達(dá)到3×10-8Pa時，對電子槍12燈絲進(jìn)行預(yù)熱。
(12)啟動電子槍操作系統(tǒng)，接通電子槍高壓電源調(diào)整電子束流，控制掃描系統(tǒng)，向被提純材料發(fā)射高密度電子束流，對其進(jìn)行提純，依次對四個坩堝重復(fù)本程序。
(13)當(dāng)完成提純后，關(guān)閉電子槍供電高壓電源。
(14)當(dāng)提純真空室達(dá)到室溫后，關(guān)閉真空測試儀，操作高真空閥按鈕關(guān)閉高真空閥，操作低真空閥按鈕關(guān)閉低真空閥，關(guān)閉提純真空室外壁冷卻水閥門。
(15)關(guān)閉鈦離子泵冷卻水閥，關(guān)閉其供電系統(tǒng)，關(guān)閉鈦離子泵。
(16)啟動提純真空室按鈕，對提純真空室充氣。
(17)打開提純真空室門清潔提純真空室，被提純原料分別依次取出，清潔提純真空室，并關(guān)閉提純真空室門。
(18)操作低真空閥按鈕打開低真空閥，對提純真空室抽低真空，如要繼續(xù)進(jìn)行提純，則重復(fù)執(zhí)行上述程序。
(19)若關(guān)機，則操作低真空閥按鈕打開低真空閥，對提純真空室抽低真空；之后，操作預(yù)真空閥按鈕，關(guān)閉預(yù)真空閥，操作直聯(lián)旋葉式機械泵關(guān)閉按鈕，關(guān)閉直聯(lián)旋葉式機械泵，關(guān)閉直聯(lián)旋葉式機械泵冷卻水閥門。
(20)關(guān)閉電子計算機，運行執(zhí)行檢測程序；關(guān)閉總電源，關(guān)閉總水源。
權(quán)利要求
1.生產(chǎn)半導(dǎo)體純度級原料的高真空度電子束提純系統(tǒng)，其特征在于在超高真空室內(nèi)設(shè)置提純爐，通過電子槍發(fā)射高功率密度電子束流對提純爐中被提純材料進(jìn)行間接加熱，使其金屬或非金屬雜質(zhì)達(dá)到其蒸發(fā)溫度后蒸發(fā)生產(chǎn)半導(dǎo)體純度級原料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)半導(dǎo)體純度級原料的高真空度電子束提純系統(tǒng)，包括真空系統(tǒng)，其特征在于(1)真空系統(tǒng)包括直聯(lián)旋片真空泵和鈦離子泵；(2)設(shè)置提純系統(tǒng)，提純系統(tǒng)包括通過電子槍發(fā)射高功率密度電子束流對被提純材料進(jìn)行間接加熱提純的電子束提純裝置、用于對提純真空室內(nèi)部進(jìn)行離子清潔避免提純真空室被提純原料二次沾污的離子轟擊裝置、用于收集被提純原料蒸發(fā)出的雜質(zhì)的雜質(zhì)收集器和用于檢測溫度、雜質(zhì)含量的檢測裝置；(3)設(shè)置對提純系統(tǒng)進(jìn)行控制的計算機溫度控制系統(tǒng)，計算機溫度控制系統(tǒng)包括溫度控制器、前向通道溫度控制執(zhí)行機構(gòu)和反饋通道遠(yuǎn)程信號采集傳輸機構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述生產(chǎn)半導(dǎo)體純度級原料的高真空度電子束提純系統(tǒng)，其特征在于設(shè)置冷卻系統(tǒng)，用于對鈦離子泵、直聯(lián)旋葉式機械泵、冷卻阱、提純真空室的箱體和電極進(jìn)行冷卻。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述生產(chǎn)半導(dǎo)體純度級原料的高真空度電子束提純系統(tǒng)，其特征在于電子束提純裝置由電子槍、偏轉(zhuǎn)磁場裝置和坩堝組成，置于提純真空室內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述生產(chǎn)半導(dǎo)體純度級原料的高真空度電子束提純系統(tǒng)，其特征在于離子轟擊裝置由離子轟擊電源和一棒狀陰極高壓電極組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述生產(chǎn)半導(dǎo)體純度級原料的高真空度電子束提純系統(tǒng)，其特征在于在提純真空室的觀察窗外設(shè)置用于觀察提純過程的攝像機。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述生產(chǎn)半導(dǎo)體純度級原料的高真空度電子束提純系統(tǒng)，其特征在于(1)溫度控制器是控制計算機通過異步通信接口分時接收提純真空室內(nèi)提純爐的溫度信號，每路溫度信號都經(jīng)過PID控制算法，生成所需要的控制指令；(2)前向通道溫度控制執(zhí)行機構(gòu)包括a、V/F變換多路計數(shù)器，用于將經(jīng)過PID控制算法生成的控制指令并行生成多路頻率與控制指令對應(yīng)的指令脈沖信號(V/F變換)，b、隔離變換電路，將上述經(jīng)多路計數(shù)器輸出的變頻指令脈沖信由隔離變換電路進(jìn)行信號濾波，然后經(jīng)積分轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，c、電流控制電路和功率輸出電路，經(jīng)隔離變換后的指令電壓信號用于調(diào)節(jié)晶闡管的導(dǎo)通狀態(tài)，對流過加熱電子槍12燈絲的交流電源進(jìn)行電流控制；反饋通道遠(yuǎn)程信號采集傳輸機構(gòu)包括a、溫度傳感器，用于測量提純爐的溫度信號，b、遠(yuǎn)程多通道數(shù)據(jù)采集模塊，實現(xiàn)多路數(shù)據(jù)采集，c、隔離信號轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)溫度采集模塊與控制計算機的異步通信連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述生產(chǎn)半導(dǎo)體純度級原料的高真空度電子束提純系統(tǒng)，其特征在于，溫度控制器的數(shù)據(jù)記錄格式是(1)以控制步為基本單位輸入數(shù)據(jù)，記錄項目包括步序、目標(biāo)溫度、達(dá)到目標(biāo)溫度預(yù)定的時間間隔；(2)執(zhí)行時按定時采樣信號采用完全線性插補；(3)各個提純爐的度溫控制分路獨立進(jìn)行；(4)計算機在停機后重新啟動運行時，自動讀取各個提純爐停機時的斷點數(shù)據(jù)恢復(fù)控制；(5)計算機停機期間由硬件電路鎖存電流控制指令信號，維持提純爐溫不變；(6)控制節(jié)拍由設(shè)置的定時器管理，以定時器軟件中斷服務(wù)的形式管理溫度控制規(guī)律的實施。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述生產(chǎn)半導(dǎo)體純度級原料的高真空度電子束提純系統(tǒng)，其特征在于，溫度控制器的PID算法采用增量形式的離散PID算法，基本算法為ΔU(k)＝KP[E(k)-E(k-1)]＋K1E(k)＋KD(E(k)-2E(k-1)＋E(k-2))/T其中ΔU(k)是控制命令的調(diào)整增量，KP為比例增益，K1為積分增益、KD為微分增益，T為采樣間隔，E(k)、E(k-1)、E(k-2)分別為當(dāng)前、前1次和前2次的溫度控制偏差。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述生產(chǎn)半導(dǎo)體純度級原料的高真空度電子束提純系統(tǒng)，其特征在于每一路功率放大電路在功率輸出與電流控制之間設(shè)置電流反饋， 自保持輸入的電壓指令信號，并獨立進(jìn)行電流PI控制，維持電流信號穩(wěn)定。
全文摘要
本發(fā)明涉及生產(chǎn)半導(dǎo)體純度級原料的高真空度電子束提純系統(tǒng),其特征在于:在超高真空室內(nèi)設(shè)置提純爐,通過高精度計算機控制系統(tǒng)控制電子槍發(fā)射高功率密度電子束流對提純爐中被提純材料進(jìn)行間接加熱,使其金屬或非金屬雜質(zhì)達(dá)到其蒸發(fā)溫度后蒸發(fā)生產(chǎn)半導(dǎo)體純度級原料。
文檔編號B01J19/08GK1336325SQ0111465
公開日2002年2月20日 申請日期2001年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月26日
發(fā)明者李明遠(yuǎn), 陳迎春, 陳錦來, 李欣洋 申請人:李明遠(yuǎn)