專利名稱：半導(dǎo)體襯底晶體材料生長(zhǎng)真空系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及真空技術(shù)、晶體生長(zhǎng)技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，是一種特別適用于半導(dǎo)體襯底晶體材料藍(lán)寶石生長(zhǎng)的真空系統(tǒng)及其計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。
半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的工藝要求必須有優(yōu)質(zhì)的潔凈環(huán)境和高精度的控制技術(shù)，這對(duì)真空系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)提出了極高的要求。現(xiàn)有晶體生長(zhǎng)設(shè)備目前普遍使用的是油擴(kuò)散泵和普通機(jī)械泵構(gòu)成抽真空系統(tǒng)，這種真空系統(tǒng)存在如下不足1、由于油擴(kuò)散泵的使用易造成對(duì)晶體生長(zhǎng)過程中的污染。即在抽真空過程中，擴(kuò)散泵油氣體存在于真空室內(nèi)，油在高溫中分解成為碳，造成污染。2、普通機(jī)械泵的振動(dòng)對(duì)晶體生長(zhǎng)的過程不利。3、真空室內(nèi)極限真空度只有3×10-3Pa)，不能創(chuàng)造一個(gè)優(yōu)質(zhì)的潔凈的超高真空環(huán)境，對(duì)晶體生長(zhǎng)不利。4、真空系統(tǒng)只能單臺(tái)工作，工作效率低。
現(xiàn)有控制系統(tǒng)1、目前，國(guó)內(nèi)外大多數(shù)溫控調(diào)節(jié)儀表內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換精度為12位(bit)，顯示精度為十進(jìn)制4位，在1000℃以上工作時(shí)其控溫和顯示精度顯得不足。2、通信機(jī)構(gòu)一般是溫控調(diào)節(jié)儀表的選件，構(gòu)成集散控制系統(tǒng)時(shí)采用異步通信方式，上位計(jì)算機(jī)主要用于數(shù)據(jù)采集處理，復(fù)雜控制算法的實(shí)現(xiàn)受到下位調(diào)節(jié)儀表控制規(guī)律的限制。3、晶體生長(zhǎng)過程的控制精度要求高，晶體生長(zhǎng)現(xiàn)場(chǎng)弱信號(hào)和強(qiáng)信號(hào)對(duì)比強(qiáng)烈，控制命令信號(hào)都亟易受到干擾，現(xiàn)有控制系統(tǒng)的抗干擾能力弱。
綜上所述，我國(guó)目前的晶體生長(zhǎng)真空系統(tǒng)及其計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)難以適用于半導(dǎo)體襯底晶體材料生長(zhǎng)工藝的需要，難以生產(chǎn)出高品質(zhì)的半導(dǎo)體材料，不能適應(yīng)飛速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)半導(dǎo)體材料的高品質(zhì)性能要求。
本發(fā)明的目的意在克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，為半導(dǎo)體襯底晶體材料生長(zhǎng)提供一個(gè)優(yōu)質(zhì)潔凈的超高真空環(huán)境，通過計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)對(duì)單臺(tái)或多臺(tái)高溫晶體生長(zhǎng)爐同時(shí)進(jìn)行高精度的計(jì)算機(jī)溫度控制。
實(shí)現(xiàn)上述目的的技術(shù)方案一種適用于半導(dǎo)體襯底晶體材料生長(zhǎng)的真空系統(tǒng)，包括晶體生長(zhǎng)真空室，其特征在于設(shè)置有用于抽真空的鈦離子泵、直聯(lián)旋片真空泵和用于對(duì)晶體生長(zhǎng)真空室內(nèi)部進(jìn)行離子清潔的離子轟擊裝置，直聯(lián)旋片真空泵經(jīng)預(yù)真空閥門和低真空管道接鈦離子泵，鈦離子泵經(jīng)閥門和真空管道接晶體生長(zhǎng)真空室。
晶體生長(zhǎng)真空室為左右結(jié)構(gòu)，左右晶體生長(zhǎng)真空室經(jīng)真空閥門與真空管道固定連接，真空管道經(jīng)閥門接鈦離子泵。
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。
一種適用于半導(dǎo)體襯底晶體材料生長(zhǎng)的計(jì)算機(jī)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(jī)構(gòu)和反饋通道遠(yuǎn)程信號(hào)采集傳輸機(jī)構(gòu)，其特征在于(1)溫度控制器是控制計(jì)算機(jī)通過異步通信接口分時(shí)接收晶體生長(zhǎng)真空室內(nèi)的每個(gè)晶體生長(zhǎng)爐的溫度信號(hào)，每路溫度信號(hào)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(jī)構(gòu)包括a、V/F變換多路計(jì)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(duì)應(yīng)的指令脈沖信號(hào)(V/F變換)，b、隔離變換電路，將上述經(jīng)多路計(jì)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(hào)濾波，然后經(jīng)積分轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，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(hào)用于調(diào)節(jié)晶闡管的導(dǎo)通狀態(tài)，進(jìn)而通過對(duì)置于晶體真空室內(nèi)的晶體生長(zhǎng)爐電阻絲的電流控制，完成溫度調(diào)節(jié)；(3)反饋通道遠(yuǎn)程信號(hào)采集傳輸機(jī)構(gòu)包括a、溫度傳感器，測(cè)量晶體生長(zhǎng)爐的溫度信號(hào)，b、遠(yuǎn)程多通道數(shù)據(jù)采集模塊，實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)采集，c、隔離信號(hào)轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)溫度采集模塊與控制計(jì)算機(jī)的異步通信連接。
溫度控制器設(shè)置數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊(1)用于溫度控制規(guī)律的輸入處理與數(shù)據(jù)庫(kù)管理；(2)根據(jù)用戶命令執(zhí)行特定的溫度控制操作；(3)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)并進(jìn)行數(shù)據(jù)在線記錄；(4)啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)根據(jù)保留的狀態(tài)數(shù)據(jù)恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)或停電后自動(dòng)恢復(fù)原工作狀態(tài)數(shù)據(jù)。
溫度控制規(guī)律數(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(xiàng)目包括步序、目標(biāo)溫度、達(dá)到目標(biāo)溫度預(yù)定的時(shí)間間隔；(2)執(zhí)行時(shí)按定時(shí)采樣信號(hào)采用完全線性插補(bǔ)；(3)各個(gè)爐溫的控制分路獨(dú)立進(jìn)行；(4)計(jì)算機(jī)在停機(jī)后重新啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，自動(dòng)讀取各個(gè)晶體爐停機(jī)時(shí)的斷點(diǎn)數(shù)據(jù)恢復(fù)控制；(5)計(jì)算機(jī)停機(jī)期間由硬件電路鎖存電流控制指令信號(hào)，維持爐溫不變；(6)控制節(jié)拍由設(shè)置的定時(shí)器管理，以定時(shí)器軟件中斷服務(wù)的形式管理溫度控制規(guī)律的實(shí)施。
狀態(tài)監(jiān)控與斷點(diǎn)自動(dòng)恢復(fù)(1)在每次溫控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)操作完成后，都在狀態(tài)記錄文件中另行記錄有關(guān)溫度控制步的命令及有關(guān)信息；(2)利用微機(jī)的系統(tǒng)時(shí)鐘作為控制指令的指針；(3)啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)首先根據(jù)狀態(tài)記錄文件的數(shù)據(jù)恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，然后根據(jù)當(dāng)前時(shí)鐘計(jì)算各個(gè)晶體爐的溫度控制指令。
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。
在遠(yuǎn)程多通道數(shù)據(jù)采集模塊中設(shè)置了高階滑動(dòng)濾波和剔除極大偏離數(shù)據(jù)值的算法。
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(hào)，并獨(dú)立進(jìn)行電流PI控制，維持電流信號(hào)穩(wěn)定。
遠(yuǎn)程多通道數(shù)據(jù)采集模塊是智能型遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊ADAM4018。
指令脈沖信號(hào)在50～1000Hz的范圍內(nèi)傳輸控制指令，指令脈沖信號(hào)通過屏蔽線輸出至前向通道的隔離轉(zhuǎn)換電路，對(duì)通信線路和電路板設(shè)置屏蔽接地措施。
采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明突出的技術(shù)進(jìn)步在于在真空系統(tǒng)方面，為晶體生長(zhǎng)過程創(chuàng)造了一個(gè)優(yōu)質(zhì)潔凈的超高真空環(huán)境1、使用鈦離子泵隔絕了擴(kuò)散泵油的來源，在真空室內(nèi)沒有油氣體存在，不會(huì)造成對(duì)晶體生長(zhǎng)過程中的污染，使用鈦離子泵，真空室內(nèi)極限真空度可達(dá)3×10-8Pa。2、使用聯(lián)旋葉式機(jī)械泵減少振動(dòng)，大大降低了因機(jī)械振動(dòng)對(duì)晶體生長(zhǎng)過程的不利影響。3、通過離子轟擊裝置對(duì)提純真空室內(nèi)部進(jìn)行離子清潔，避免了晶體生長(zhǎng)真空室對(duì)被提純?cè)系亩握次邸?br> 在計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)方面，隨著半導(dǎo)體元器件和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，基于PC總線的工控技術(shù)在自動(dòng)化領(lǐng)域日益普及，特別是PC總線工控元件和WINDOWS平臺(tái)的工控軟件的性能價(jià)格比大幅提高，長(zhǎng)期工作的可靠性也大幅提高，為晶體生長(zhǎng)爐控制手段提供了基礎(chǔ)。本發(fā)明充分考慮控制系統(tǒng)性能和降低成本緒多因素，提出了適用于多臺(tái)高溫晶體生長(zhǎng)爐計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)1、控制精度高、控制參數(shù)調(diào)整都能完全滿足晶體生長(zhǎng)爐溫控的要求a、選用智能型遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊ADAM4018，該模塊可實(shí)現(xiàn)8路模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換，每路晶體生長(zhǎng)爐溫度傳感器檢測(cè)到的模擬量溫度信號(hào)直接被轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，其AD變換的分辨精度為16位，對(duì)于0～2500℃的溫度變化范圍，其溫度分辨率可達(dá)到±0.046℃；b、溫度控制功能在控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)采用增量形式的離散PID算法完成，因而具有很大的靈活性。可在運(yùn)行過程中直接調(diào)整系統(tǒng)控制參數(shù)；c、每一路功率放大電路都可以自保持輸入的電壓指令信號(hào)，并獨(dú)立進(jìn)行電流PI控制，維持電流信號(hào)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(jì)算機(jī)不改變輸入指令，就可以長(zhǎng)時(shí)間維持流經(jīng)晶體生長(zhǎng)爐電阻絲的電流恒定，維持爐溫基本不變，從而消除了因可能的計(jì)算機(jī)故障影響多路晶體生長(zhǎng)爐正常工作的危險(xiǎn)。d、各個(gè)爐溫的控制分路獨(dú)立進(jìn)行，在每次溫控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)操作完成后，都在狀態(tài)記錄文件中另行記錄有關(guān)溫度控制步的命令及有關(guān)信息，利用微機(jī)的系統(tǒng)時(shí)鐘作為控制指令的指針，計(jì)算機(jī)在停機(jī)后重新啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，自動(dòng)讀取各個(gè)晶體爐停機(jī)時(shí)記錄文件的斷點(diǎn)數(shù)據(jù)恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，并根據(jù)當(dāng)前時(shí)鐘計(jì)算各個(gè)晶體爐的溫度控制指令，計(jì)算機(jī)停機(jī)期間由硬件電路鎖存電流控制指令信號(hào)，維持爐溫不變。e、數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)于控制步數(shù)沒有數(shù)量限制，執(zhí)行時(shí)按定時(shí)采樣信號(hào)采用完全線性插補(bǔ)，每一步執(zhí)行中不分溫度臺(tái)階，可在操作中改動(dòng)當(dāng)前執(zhí)行步序，修改各步的溫度目標(biāo)和執(zhí)行時(shí)間間隔，保證所需的控制精度。
2、控制系統(tǒng)指令信號(hào)在傳輸過程中的抗干擾能力強(qiáng)a、在溫度采集軟件中設(shè)置了高階滑動(dòng)濾波和剔除極大偏離數(shù)據(jù)值的算法；b、對(duì)通信線路和電路板進(jìn)行屏蔽接地措施；c、在控制計(jì)算機(jī)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電流控制電路之間，采用V/F變換的變頻控制方案?jìng)鬏斂刂浦噶钚盘?hào)，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(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)(V/F變換)，指令脈沖信號(hào)通過屏蔽線輸出至前向通道的隔離轉(zhuǎn)換電路，使控制指令在傳輸中受到干擾影響形式由模擬電壓擾動(dòng)變?yōu)閿?shù)字脈沖擾動(dòng)。進(jìn)一步地，控制系統(tǒng)在50～1000Hz的范圍內(nèi)傳輸控制指令，避免了功率器件晶閘管工作時(shí)產(chǎn)生的主要集中在50Hz左右的范圍干擾信號(hào)能量。
3、通過RS485、RS232和信號(hào)隔離轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)溫度采集模塊與控制計(jì)算機(jī)的異步通信連接。
本發(fā)明是一種實(shí)現(xiàn)了晶體生長(zhǎng)工藝的系統(tǒng)化、專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化和多機(jī)聯(lián)動(dòng)的大規(guī)模晶體生長(zhǎng)設(shè)備。
下面通過實(shí)施例并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明

圖1是本發(fā)明的一種真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是圖1的側(cè)視圖。
圖3是計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
圖面說明1高真空室 9高真空閥 17預(yù)真空閥2離子轟擊裝置10高真空室充氣閥 18鈦離子泵3高真空測(cè)試管座 11高真空測(cè)試管座 19冷卻阱4高真空室充氣閥 12高真空室 20高真空閥5高真空閥13離子轟擊裝置 21低真空系統(tǒng)管道6真空系統(tǒng)連接管道14地樁 22低真空閥門7真空測(cè)試管座15直聯(lián)旋葉式機(jī)械泵 23低真空充氣閥8真空測(cè)試管座16低真空系統(tǒng)管道 24晶體生長(zhǎng)爐熱電偶實(shí)施例參照?qǐng)D1～圖4，一種半導(dǎo)體襯底藍(lán)寶石晶體材料生長(zhǎng)真空系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)，其中真空系統(tǒng)主要由高真空室(1、12)、真空系統(tǒng)連接管道6、冷卻阱19、15離子轟擊裝置(2、13)、鈦離子泵18和直聯(lián)旋葉式機(jī)械泵組成。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)由溫度控制器、前向通道溫度控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)和反饋通道遠(yuǎn)程信號(hào)采集傳輸機(jī)構(gòu)組成。前向通道溫度控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括多路計(jì)數(shù)器、隔離變換電路、電流控制電路和功率輸出電路。反饋通道遠(yuǎn)程信號(hào)采集傳輸機(jī)構(gòu)包括熱電偶、遠(yuǎn)程多通道數(shù)據(jù)采集模塊和隔離信號(hào)轉(zhuǎn)換器(見圖3)。
真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(見圖1和圖2)高真空室1和高真空閥5相互固定連接，并安裝固定真空系統(tǒng)連接管道6，在真空系統(tǒng)管道6上端安裝固定真空測(cè)試管座7和真空測(cè)試管座8，再相互固定連接高真空閥9和高真空室12，在真空系統(tǒng)管道6下端依次安裝固定高真空閥20、冷卻阱19、鈦離子泵18、預(yù)真空閥17、低真空系統(tǒng)管道16、直聯(lián)旋葉式機(jī)械泵15及地樁14，真空系統(tǒng)連接管道6后端(見圖2)依次安裝固定底真空閥22、低真空系統(tǒng)管道21和低真空充氣閥23，低真空系統(tǒng)管道21與低真空系統(tǒng)管道16連接，離子轟擊裝置(2、13)由離子轟擊電源和一棒狀陰極高壓電極組成，離子轟擊裝置2和離子轟擊裝置13(陰極高壓電極)分別安裝固定在高真空室1和高真空室12上端，用來對(duì)真空室內(nèi)部進(jìn)行離子清潔避免晶體生長(zhǎng)真空室對(duì)被二次沾污。
溫度傳感器分別固定于高真空室1和高真空室12上端的溫度傳感器用來測(cè)量真空室溫度。
計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)溫度信號(hào)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(dòng)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。該模塊可實(shí)現(xiàn)8路模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換，晶體生長(zhǎng)爐熱電偶的模擬量溫度信號(hào)直接被轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，其AD變換的分辨精度為16位，對(duì)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(dú)立工作，自動(dòng)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(gè)模塊進(jìn)行擴(kuò)展。
溫度信號(hào)采集模塊配接RS485長(zhǎng)線異步通信模塊，可以實(shí)現(xiàn)1000m范圍內(nèi)的遠(yuǎn)程通信，并完成由RS485到RS232的信號(hào)隔離轉(zhuǎn)換功能，實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)采集模塊與控制計(jì)算機(jī)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(gè)模塊非常簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)了反饋通道的遠(yuǎn)程信號(hào)采集與傳輸功能。
溫度控制器溫度控制功能在控制計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)通過異步通信接口分時(shí)接收每個(gè)晶體爐的溫度信號(hào)，每路溫度信號(hào)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(jì)數(shù)器。
V/F變換多路計(jì)數(shù)器采用V/F變換PCL830多路計(jì)數(shù)器卡和驅(qū)動(dòng)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(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)(V/F變換)，指令脈沖信號(hào)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(hào)，提高了指令信號(hào)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(tái)下設(shè)定。
隔離變換經(jīng)多路計(jì)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(hào)濾波，然后經(jīng)積分轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)。
電流控制和功率輸出經(jīng)隔離變換后的指令電壓信號(hào)用于調(diào)節(jié)晶闡管的導(dǎo)通狀態(tài)，進(jìn)而通過對(duì)晶體生長(zhǎng)爐電阻絲的電流控制，完成溫度調(diào)節(jié)。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(hào)，并獨(dú)立進(jìn)行電流PI控制，維持電流信號(hào)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(jì)算機(jī)不改變輸入指令，就可以長(zhǎng)時(shí)間維持流經(jīng)晶體生長(zhǎng)爐電阻絲的電流恒定，維持爐溫基本不變，從而消除了因可能的計(jì)算機(jī)故障影響多路晶體生長(zhǎng)爐正常工作的危險(xiǎn)。在執(zhí)行機(jī)構(gòu)電路中還設(shè)計(jì)了對(duì)電流信號(hào)和溫度輸入信號(hào)監(jiān)視的功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)功率器件、電阻絲的工作狀態(tài)監(jiān)控，出現(xiàn)故障時(shí)，功率驅(qū)動(dòng)單元自動(dòng)實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警。
由于晶體生長(zhǎng)作為一個(gè)長(zhǎng)周期控制過程，計(jì)算機(jī)溫度控制器包括數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊用于溫度控制規(guī)律的輸入處理與數(shù)據(jù)庫(kù)管理；根據(jù)用戶命令執(zhí)行特定的溫度控制操作；監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)并進(jìn)行數(shù)據(jù)在線記錄；啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)根據(jù)保留的狀態(tài)數(shù)據(jù)恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)或停電后自動(dòng)恢復(fù)原工作狀態(tài)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊在整個(gè)溫控系統(tǒng)中起著控制規(guī)律實(shí)施和狀態(tài)監(jiān)控雙重職責(zé)。
溫度控制規(guī)律數(shù)據(jù)記錄格式設(shè)計(jì)為采用類似溫控器的形式，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(jì)改進(jìn))，記錄項(xiàng)目包括步序、目標(biāo)溫度、達(dá)到目標(biāo)溫度預(yù)定的時(shí)間間隔，數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)于控制步數(shù)沒有數(shù)量限制，執(zhí)行時(shí)按定時(shí)采樣信號(hào)采用完全線性插補(bǔ)，每一步執(zhí)行中不分溫度臺(tái)階，可在操作中改動(dòng)當(dāng)前執(zhí)行步序，修改各步的溫度目標(biāo)和執(zhí)行時(shí)間間隔。各個(gè)爐溫的控制分路獨(dú)立進(jìn)行，計(jì)算機(jī)在停機(jī)后重新啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，自動(dòng)讀取各個(gè)晶體爐停機(jī)時(shí)的斷點(diǎn)數(shù)據(jù)恢復(fù)控制。計(jì)算機(jī)停機(jī)期間由硬件電路鎖存電流控制指令信號(hào)，維持爐溫不變。其他的軟件功能還包括各種曲線顯示、自動(dòng)記錄、定時(shí)、口令保護(hù)等，都可以進(jìn)行設(shè)定調(diào)整?？刂乒?jié)拍由設(shè)置的定時(shí)器管理，以定時(shí)器軟件中斷服務(wù)的形式管理溫度控制規(guī)律的實(shí)施。該控制模塊的插補(bǔ)精度、控制步數(shù)無限制、當(dāng)前執(zhí)行調(diào)整等性能均優(yōu)于普通溫控器。
狀態(tài)監(jiān)控與斷點(diǎn)自動(dòng)恢復(fù)功能的實(shí)現(xiàn)人工晶體生長(zhǎng)是一個(gè)長(zhǎng)周期的不可逆的過程，在生長(zhǎng)過程周期內(nèi)控制系統(tǒng)必須始終對(duì)晶體的生長(zhǎng)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，一旦出現(xiàn)控制間斷必須能夠在上電后自動(dòng)恢復(fù)原控制狀態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，在每次溫控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)操作完成后，都在狀態(tài)記錄文件中另行記錄有關(guān)溫度控制步的命令及有關(guān)信息，利用微機(jī)的系統(tǒng)時(shí)鐘作為控制指令的指針，啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)則首先根據(jù)狀態(tài)記錄文件的數(shù)據(jù)恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，并根據(jù)當(dāng)前時(shí)鐘計(jì)算各個(gè)晶體爐的溫度控制指令。
控制算法溫度控制器最常用的是PID控制算法，為滿足晶體生長(zhǎng)爐溫控的要求控制精度和控制參數(shù)調(diào)整，采用了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(tái)設(shè)計(jì)增益調(diào)整元件，可在運(yùn)行過程中直接調(diào)整系統(tǒng)控制參數(shù)。
此外，為了提高控制系統(tǒng)對(duì)指令信號(hào)傳輸?shù)目垢蓴_能力，對(duì)通信線路和電路板設(shè)置屏蔽接地措施。
綜上所述，由于晶體生長(zhǎng)過程的控制精度要求高，晶體生長(zhǎng)現(xiàn)場(chǎng)弱信號(hào)和強(qiáng)信號(hào)對(duì)比強(qiáng)烈，無論是熱電偶提供的溫度信號(hào)電平，還是輸出給功率驅(qū)動(dòng)單元的命令信號(hào)都亟易受到干擾，要求晶體生長(zhǎng)爐溫度控制系統(tǒng)必須具有抗干擾能力強(qiáng)的特性。在本發(fā)明中，除了采取在溫度采集軟件中設(shè)置了高階滑動(dòng)濾波和剔除極大偏離數(shù)據(jù)值的算法，對(duì)通信線路和電路板進(jìn)行屏蔽接地措施之外，在控制計(jì)算機(jī)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電流控制電路之間，還采用了V/F變換的變頻控制方案?jìng)鬏斂刂浦噶钚盘?hào)，使控制指令在傳輸中受到干擾影響形式由模擬電壓擾動(dòng)變?yōu)閿?shù)字脈沖擾動(dòng)。由于功率器件晶閘管工作時(shí)產(chǎn)生的干擾信號(hào)能量主要集中在50Hz左右的范圍，所以，研制的控制系統(tǒng)在50～1000Hz的范圍內(nèi)傳輸控制指令，并結(jié)合硬件的屏蔽和濾波措施，從而提高了指令信號(hào)傳輸過程的抗干擾能力?？刂浦噶钚盘?hào)的V/F變換傳輸由軟件和硬件結(jié)合完成，經(jīng)過溫度控制器PID運(yùn)算輸出的控制指令，首先折算成相應(yīng)頻率的脈沖寬度，然后通過寫入多路計(jì)數(shù)器PCL830的脈沖寬度控制字，完成計(jì)數(shù)器設(shè)置，由多路計(jì)數(shù)器硬件實(shí)現(xiàn)監(jiān)控溫度控制命令脈沖序列輸出，經(jīng)隔離變換電路進(jìn)行信號(hào)濾波，然后經(jīng)積分轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)用于調(diào)節(jié)晶闡管的導(dǎo)通狀態(tài)，進(jìn)而通過對(duì)晶體生長(zhǎng)爐電阻絲的電流控制，完成溫度調(diào)節(jié)。而且，每一路功率放大電路都可以自保持輸入的電壓指令信號(hào)，并獨(dú)立進(jìn)行電流PI控制，維持電流信號(hào)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(jì)算機(jī)不改變輸入指令，就可以長(zhǎng)時(shí)間維持流經(jīng)晶體生長(zhǎng)爐電阻絲的電流恒定，維持爐溫基本不變，從而消除了因可能的計(jì)算機(jī)故障影響多路晶體生長(zhǎng)爐正常工作的危險(xiǎn)。
權(quán)利要求
1.一種適用于半導(dǎo)體襯底晶體材料生長(zhǎng)的真空系統(tǒng)，包括晶體生長(zhǎng)真空室，其特征在于設(shè)置有用于抽真空的鈦離子泵、直聯(lián)旋片真空泵和用于對(duì)晶體生長(zhǎng)真空室內(nèi)部進(jìn)行離子清潔的離子轟擊裝置，直聯(lián)旋片真空泵經(jīng)預(yù)真空閥門和低真空管道接鈦離子泵，鈦離子泵經(jīng)閥門和真空管道接晶體生長(zhǎng)真空室。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于半導(dǎo)體襯底晶體材料生長(zhǎng)的真空系統(tǒng)，其特征在于晶體生長(zhǎng)真空室為左右結(jié)構(gòu)，左右晶體生長(zhǎng)真空室經(jīng)真空閥門與真空管道固定連接，真空管道經(jīng)閥門接鈦離子泵。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的適用于半導(dǎo)體襯底晶體材料生長(zhǎng)的真空系統(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。
4.一種適用于半導(dǎo)體襯底晶體材料生長(zhǎng)的計(jì)算機(jī)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(jī)構(gòu)和反饋通道遠(yuǎn)程信號(hào)采集傳輸機(jī)構(gòu)，其特征在于(1)溫度控制器是控制計(jì)算機(jī)通過異步通信接口分時(shí)接收晶體生長(zhǎng)真空室內(nèi)的每個(gè)晶體生長(zhǎng)爐的溫度信號(hào)，每路溫度信號(hào)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(jī)構(gòu)包括a、V/F變換多路計(jì)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(duì)應(yīng)的指令脈沖信號(hào)(V/F變換)，b、隔離變換電路，將上述經(jīng)多路計(jì)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(hào)濾波，然后經(jīng)積分轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，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(hào)用于調(diào)節(jié)晶闡管的導(dǎo)通狀態(tài)，進(jìn)而通過對(duì)置于晶體真空室內(nèi)的晶體生長(zhǎng)爐電阻絲的電流控制，完成溫度調(diào)節(jié)；反饋通道遠(yuǎn)程信號(hào)采集傳輸機(jī)構(gòu)包括a、熱電偶，測(cè)量晶體生長(zhǎng)爐的溫度信號(hào)，b、遠(yuǎn)程多通道數(shù)據(jù)采集模塊，實(shí)現(xiàn)多路溫度數(shù)據(jù)采集，c、隔離信號(hào)轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)溫度采集模塊與控制計(jì)算機(jī)的異步通信連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的適用于半導(dǎo)體襯底晶體材料生長(zhǎng)的計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)，其特征在于溫度控制器包括數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊(1)用于溫度控制規(guī)律的輸入處理與數(shù)據(jù)庫(kù)管理；(2)根據(jù)用戶命令執(zhí)行特定的溫度控制操作；(3)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)并進(jìn)行數(shù)據(jù)在線記錄；(4)啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)根據(jù)保留的狀態(tài)數(shù)據(jù)恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)或停電后自動(dòng)恢復(fù)原工作狀態(tài)數(shù)據(jù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的適用于半導(dǎo)體襯底晶體材料生長(zhǎng)的計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)，其特征在于溫度控制規(guī)律的數(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(xiàng)目包括步序、目標(biāo)溫度、達(dá)到目標(biāo)溫度預(yù)定的時(shí)間間隔；(2)執(zhí)行時(shí)按定時(shí)采樣信號(hào)采用完全線性插補(bǔ)；(3)各個(gè)爐溫的控制分路獨(dú)立進(jìn)行；(4)計(jì)算機(jī)在停機(jī)后重新啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，自動(dòng)讀取各個(gè)晶體爐停機(jī)時(shí)的斷點(diǎn)數(shù)據(jù)恢復(fù)控制；(5)計(jì)算機(jī)停機(jī)期間由硬件電路鎖存電流控制指令信號(hào)，維持爐溫不變；(6)控制節(jié)拍由設(shè)置的定時(shí)器管理，以定時(shí)器軟件中斷服務(wù)的形式管理溫度控制規(guī)律的實(shí)施。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的適用于半導(dǎo)體襯底晶體材料生長(zhǎng)的計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)，其特征在于狀態(tài)監(jiān)控與斷點(diǎn)自動(dòng)恢復(fù)包括(1)在每次溫控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)操作完成后，都在狀態(tài)記錄文件中另行記錄有關(guān)溫度控制步的命令及有關(guān)信息；(2)利用微機(jī)的系統(tǒng)時(shí)鐘作為控制指令的指針；(3)啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)首先根據(jù)狀態(tài)記錄文件的數(shù)據(jù)恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，然后根據(jù)當(dāng)前時(shí)鐘計(jì)算各個(gè)晶體爐的溫度控制指令。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的適用于半導(dǎo)體襯底晶體材料生長(zhǎng)的計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)，其特征在于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。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的適用于半導(dǎo)體襯底晶體材料生長(zhǎng)的計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)，其特征在于在遠(yuǎn)程多通道數(shù)據(jù)采集模塊中設(shè)置了高階滑動(dòng)濾波和剔除極大偏離數(shù)據(jù)值的算法。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的適用于半導(dǎo)體襯底晶體材料生長(zhǎng)的計(jì)算機(jī)溫度控制系統(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(hào)，并獨(dú)立進(jìn)行電流PI控制，維持電流信號(hào)穩(wěn)定。
全文摘要
一種適用于半導(dǎo)體襯底晶體材料生長(zhǎng)的真空系統(tǒng)及其控制系統(tǒng),真空系統(tǒng)主要包括直聯(lián)旋片真空泵、鈦離子泵和離子轟擊裝置,真空室內(nèi)極限真空度可達(dá)3×10
文檔編號(hào)C30B25/16GK1323923SQ0111465
公開日2001年11月28日 申請(qǐng)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(qǐng)人:李明遠(yuǎn)