專(zhuān)利名稱(chēng)：適用于半導(dǎo)體晶體生長(zhǎng)的雙溫加熱爐的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種單晶生長(zhǎng)、擴(kuò)散、或摻雜諸工藝專(zhuān)用的一般設(shè)備。
應(yīng)用汽相或液相外延方法生長(zhǎng)二元、三元或多元的Ⅲ－Y族化合物半導(dǎo)體薄膜晶體，如GaAs、GaP、GaAsP等，以及在特定氣氛下進(jìn)行加熱退火、擴(kuò)散或產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)等多種場(chǎng)合，需要采用雙溫加熱爐。加熱時(shí)，在爐內(nèi)建立一個(gè)溫度較高的主溫坪區(qū)和一個(gè)溫度較低的副溫坪區(qū)，要求每個(gè)溫度坪區(qū)有足夠的坪區(qū)長(zhǎng)度，且當(dāng)其中一個(gè)溫度坪區(qū)的溫度升高或降低時(shí)，對(duì)另一溫度坪區(qū)的影響應(yīng)盡可能地小，特別是主溫度坪區(qū)的溫度以較快的速度變化時(shí)，要維持副溫度坪區(qū)溫度場(chǎng)的恒定。
在合成GaAs、ZnP2、Ga2S3等化合物時(shí)，預(yù)先將汽化溫度較高的元素，如Ga或Zn置于主溫坪區(qū)，汽化溫度較低的元素如As、P、S等置于副溫坪區(qū)，加熱后，As、P、S等被汽化為蒸汽，由氣體載帶輸送到溫度較高區(qū)域處與Ga或Zn元素，反應(yīng)合成為GaAs、ZnP2或Ga2S3等。
常用的雙溫加熱爐可分為兩種類(lèi)型，一種是由兩個(gè)單坪區(qū)的加熱爐連接組成雙溫加熱爐；另一種是分段式雙溫加熱爐，它主要由爐體、爐管、加熱器及控溫系統(tǒng)組成，爐管位于圓筒形爐體的軸心處，加熱器由布置在爐管外側(cè)的4段電熱絲構(gòu)成，其中3段用于建立主溫坪區(qū)，工作溫度600～1150℃，溫區(qū)坪長(zhǎng)300～400mm，另一段用于建立副溫坪區(qū)，工作溫度為400～700℃，溫區(qū)坪長(zhǎng)約為50mm，主、副溫區(qū)間的間隔約為350mm。為在工作過(guò)程中按預(yù)定的規(guī)程改變溫區(qū)的溫度，其溫控部份在采用溫度自動(dòng)控制儀控溫的基礎(chǔ)上，附加一個(gè)簡(jiǎn)單的變溫儀，或者附加一個(gè)較為復(fù)雜的程序變溫儀分檔變溫。這種控溫方式，可使主溫區(qū)變溫過(guò)程中保持自身位置和坪區(qū)長(zhǎng)度，但同時(shí)存在以下缺陷1、副溫區(qū)溫度會(huì)受到主溫區(qū)溫度變化產(chǎn)生的熱量輻射的影響，使副溫區(qū)的位置和坪長(zhǎng)發(fā)生變化。尤其是在主、副溫區(qū)間會(huì)出現(xiàn)下凹的溫度場(chǎng)，使工藝失控，導(dǎo)致產(chǎn)品成品率下降或發(fā)生意外事故；2、所用的程序變溫儀是一種分檔式變溫儀，其檔數(shù)為3～5，這種非連續(xù)可調(diào)的變溫方式難以滿(mǎn)足不同的工藝要求，限制了設(shè)備的應(yīng)用范圍。
3、當(dāng)同時(shí)改變主溫區(qū)和副溫區(qū)溫度時(shí)，無(wú)法保持各溫區(qū)的位置和坪長(zhǎng)不變。
本發(fā)明的任務(wù)在于提供一種主溫區(qū)、副溫區(qū)的位置和坪長(zhǎng)不隨溫區(qū)溫度變化而變化，適合于半導(dǎo)體晶體生長(zhǎng)的雙溫加熱爐。
圖面說(shuō)明圖1為本雙溫加熱爐的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1－爐體，2－爐管，3－各加熱器，31、32、33－主溫區(qū)加熱器，31′、32′－副溫區(qū)加熱器，a－自動(dòng)控溫?zé)犭娕?，b－測(cè)溫?zé)犭娕迹琗1、X2、X3、X1′、X2′－表示熱電偶所在位置和計(jì)算機(jī)控溫通道數(shù)字的輸出量，4－IBM－PC計(jì)算機(jī)，5－12位精度16通道AD／DA板，6－耦合電路，7－自動(dòng)控溫儀，71－定值器，72－PID調(diào)節(jié)器，73－μv放大器，74－可控硅觸發(fā)器，75－可控硅，76－溫度顯示器。
圖2為主溫區(qū)溫度與計(jì)算機(jī)各通道輸出的數(shù)字量之間的關(guān)系圖。橫座標(biāo)為主溫區(qū)溫度，縱座標(biāo)為計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量。
圖3為主溫區(qū)、副溫區(qū)溫度與計(jì)算機(jī)通道輸出數(shù)字量的關(guān)系圖。橫座標(biāo)為主、副溫區(qū)溫度Tm、Tn，縱座標(biāo)為計(jì)算機(jī)通道輸出數(shù)字量X1′、X2′，圖中I表示實(shí)驗(yàn)規(guī)程確定的Tm－Tn關(guān)系曲線，J和K表示與I對(duì)應(yīng)的X1′、X2′的曲線。
以下結(jié)合附圖，詳細(xì)說(shuō)明本方案的具體內(nèi)容，但發(fā)明內(nèi)容不限于
。
如圖1所示，該雙溫加熱爐爐管外側(cè)分別布置主溫區(qū)加熱器〔31〕〔32〕〔33〕和副溫區(qū)加熱器〔31′〕〔32′〕〔32〕為溫度主控加熱器，〔31〕〔33〕為溫度補(bǔ)償加熱器，副溫區(qū)加熱器〔31′〕〔32′〕的個(gè)數(shù)為2個(gè)或3個(gè)；控溫系統(tǒng)由IBM－PC計(jì)算機(jī)〔4〕、16通道AD／DA板〔5〕、耦合電路〔6〕、自動(dòng)控溫儀〔7〕、自動(dòng)控溫?zé)犭娕肌瞐〕以及測(cè)溫?zé)犭娕肌瞓〕組成。自動(dòng)控溫?zé)犭娕肌瞐〕輸出的電信號(hào)經(jīng)導(dǎo)線輸入自動(dòng)控溫儀〔7〕，與定值器〔71〕比較后，經(jīng)μv放大器〔72〕、PID調(diào)節(jié)器〔73〕、可控硅觸發(fā)器〔74〕、可控硅〔75〕供給各加熱器〔3〕電流，測(cè)溫?zé)犭娕肌瞓〕輸出電信號(hào)經(jīng)導(dǎo)線輸入溫度顯示器〔76〕，顯示出該處的溫度值，由IBM－PC計(jì)算機(jī)〔4〕給出的數(shù)字量經(jīng)耦合電路〔6〕，疊加在定值器〔71〕上，對(duì)各加熱器〔3〕執(zhí)行定值控溫。
如圖1所示，主溫區(qū)加熱器〔31〕〔32〕〔33〕采用三點(diǎn)三段控制方式，居中的控溫點(diǎn)〔X2〕控制主溫區(qū)的溫度，位于兩旁的加熱器〔31〕〔33〕起調(diào)節(jié)補(bǔ)償作用，以保證主溫區(qū)有足夠的坪長(zhǎng)。在主溫區(qū)溫度〔Tm〕一定時(shí)，對(duì)應(yīng)的三個(gè)通道輸出數(shù)字量〔X1〕〔X2〕〔X3〕，對(duì)于主溫區(qū)的不同溫度，相應(yīng)的每一通道輸出不同的數(shù)字量，即一組不同的數(shù)據(jù)，如圖2中實(shí)線所示，將各組數(shù)據(jù)作曲線擬合，則得到一系列函數(shù)關(guān)系式X1＝A0＋A1Tm＋A2Tm2＋A3Tm3＋… (1)X2＝B0＋B1Tm＋B2Tm2＋B3Tm3＋… (2)X3＝C0＋C1Tm＋C2Tm2＋C3Tm3＋… (3)為便計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制，把X2作為自變量，將上式經(jīng)過(guò)變形則得到一組以X2為自變量的函數(shù)關(guān)系式X1＝A0′＋A1′X2＋A2′X22＋A3′X32＋… (4)X3＝C0′＋C1′X2＋C2′X22＋C3′X32＋… (5)Tm＝B0′＋B1′X2＋B2′X22＋B3′X32＋… (6)當(dāng)爐體結(jié)構(gòu)，包括散熱狀況、熱容量等參數(shù)確定后，在保證主溫區(qū)位置和坪長(zhǎng)恒定條件下，具體測(cè)出主溫區(qū)溫度Tm和各通道輸出數(shù)值X1、X2、X3，稱(chēng)為定標(biāo)工作，然后利用計(jì)算機(jī)算出(1)～(6)式中的系數(shù)值。將這些數(shù)據(jù)儲(chǔ)存數(shù)據(jù)庫(kù)中，供計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制應(yīng)用。
如圖1所示，副溫區(qū)采用二點(diǎn)二段控制方式，即控制副溫區(qū)加熱器〔31′〕、〔32′〕和數(shù)字量〔X1′〕〔X2′〕。加熱器〔32′〕主要用于保證副溫區(qū)的溫度和爐端散失的熱量，加熱器〔31′〕主要為保證副溫區(qū)的位置和坪長(zhǎng)，同時(shí)適應(yīng)主溫區(qū)溫度變化，確保副溫區(qū)的溫度場(chǎng)不出現(xiàn)凹點(diǎn)。所以數(shù)字量〔X1′〕〔X2′〕的大小既受副溫區(qū)溫度〔Tn〕制約，又受主溫區(qū)〔Tm〕的影響，是〔Tm〕〔Tn〕的二元函數(shù)，圖3以三維空間分布顯示這種關(guān)系。同主溫區(qū)處理方式相似，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理，確定不同狀態(tài)下的數(shù)字量〔X1′〕〔X2′〕的值。將有關(guān)數(shù)據(jù)儲(chǔ)入數(shù)據(jù)庫(kù)，供實(shí)時(shí)控制應(yīng)用。
根據(jù)生產(chǎn)或?qū)嶒?yàn)需要所確定的主溫區(qū)溫度隨時(shí)間變化關(guān)系，在實(shí)時(shí)控制的不同時(shí)刻，由計(jì)算機(jī)算出不同的數(shù)字量〔X2〕〔X1〕〔X3〕〔X1′〕〔X2′〕，實(shí)現(xiàn)對(duì)雙溫加熱爐的動(dòng)態(tài)控制。必要時(shí)，副溫區(qū)還可增加加熱器〔33′〕。
本設(shè)計(jì)的雙溫加熱爐同已有方案比較具有以下優(yōu)點(diǎn)1、主溫區(qū)溫度變化不會(huì)對(duì)副溫區(qū)的位置和坪長(zhǎng)產(chǎn)生影響，亦能避免溫度場(chǎng)出現(xiàn)凹點(diǎn)，具有良好的重復(fù)性，與已有方案相比，可提高產(chǎn)品成品率。
2、采用12位高精度AD／DA轉(zhuǎn)換板〔5〕，控溫精度優(yōu)于0.5℃。
3、采用16通道AD／DA轉(zhuǎn)換板〔5〕，除滿(mǎn)足雙溫區(qū)溫度控制所需的通道外，尚有較大的余量可用來(lái)控制過(guò)程中的其他因素，利于提高自動(dòng)化的程度。
實(shí)施例1合成ZnP2晶體，應(yīng)用本設(shè)計(jì)的雙溫加熱爐，主溫區(qū)以較快的速度升溫至1050℃，副溫區(qū)始終穩(wěn)定在475℃～477℃，不出現(xiàn)溫度場(chǎng)凹點(diǎn)，使單斜晶形ZnP2產(chǎn)率從60％提高到99％以上，并可避免發(fā)生反應(yīng)系統(tǒng)爆炸事故。
實(shí)施例2采用本設(shè)計(jì)的雙溫加熱爐，以降溫生長(zhǎng)和過(guò)補(bǔ)償方法制備GaP生長(zhǎng)結(jié)外延薄膜材料，要求主溫區(qū)和副溫區(qū)溫度均隨時(shí)變化，并保證坪區(qū)的位置和坪長(zhǎng)不變，以及不出現(xiàn)溫度場(chǎng)凹點(diǎn)，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，均獲得優(yōu)質(zhì)的GaP液相外延材料，重復(fù)性良好。
權(quán)利要求1.一種適用于半導(dǎo)體晶體生長(zhǎng)的雙溫加熱爐，包含一個(gè)爐體，一個(gè)爐管，若干個(gè)加熱器，一個(gè)控溫系統(tǒng)，其特征在于加熱器[31][32][33]為主溫區(qū)加熱器，加熱器[31′][32′]為副溫區(qū)加熱器，控溫系統(tǒng)由IBM-PC計(jì)算機(jī)[4]、16通道AD/DA轉(zhuǎn)換板[5]、耦合電路[6]、自動(dòng)控溫儀[7]、自動(dòng)控溫?zé)犭娕糩a]、以及測(cè)溫?zé)犭娕糩b]組成，自動(dòng)控溫?zé)犭娕糩a]輸出的電信號(hào)經(jīng)導(dǎo)線輸入自動(dòng)控溫儀[7]，與定值器[71]比較后，經(jīng)μV放大器[72]、PID調(diào)節(jié)器[73]、可控硅觸發(fā)器[74]、可控硅[75]供給各加熱器[3]電流，測(cè)溫?zé)犭娕糩b]輸出的電信號(hào)經(jīng)導(dǎo)線輸入溫度顯示器[76]，顯示出該處的溫度值，由IBM-PC計(jì)算機(jī)[4]給出的數(shù)字量通過(guò)16通道AD/DA轉(zhuǎn)換板[5]轉(zhuǎn)換成模擬電壓量，經(jīng)耦合電路[6]疊加在定值器[71]上，對(duì)各加熱器[3]執(zhí)行定值控溫。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙溫加熱器，其特征在于所述的主溫區(qū)加熱器〔31〕〔32〕〔33〕，其〔32〕為溫度主控加熱器，〔31〕〔33〕為溫度補(bǔ)償加熱器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙溫加熱爐，其特征在于所述的副溫區(qū)加熱器〔31′〕〔32′〕，其個(gè)數(shù)為2個(gè)或者3個(gè)。
專(zhuān)利摘要一種適用于半導(dǎo)體晶體生長(zhǎng)的雙溫加熱爐，采用微機(jī)自動(dòng)控溫，在主溫區(qū)溫度變化過(guò)程中，副溫區(qū)的位置和坪長(zhǎng)能保持恒定，或者當(dāng)主、副溫區(qū)溫度同時(shí)按預(yù)定的要求變化時(shí)，主溫區(qū)和副溫區(qū)的坪的位置和長(zhǎng)度均保持不變。應(yīng)用于半導(dǎo)體晶體材料合成、加熱退火、擴(kuò)散、薄膜生長(zhǎng)等具有控溫準(zhǔn)確，成品率高，重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G05D23/22GK2034176SQ8820632
公開(kāi)日1989年3月15日 申請(qǐng)日期1988年5月27日 優(yōu)先權(quán)日1988年5月27日
發(fā)明者丁祖昌, 華偉民, 過(guò)云龍 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)