доля
БОЛЕЕ ДЕТАЛЬНО
Решение для высокоточного контроля давления для процесса выращивания кристаллов SIC методом PVT и локализованной замены вспомогательного оборудования
1. Что такое монокристаллический материал карбида кремния?
Монокристаллический материал карбида кремния, который также известен как полупроводниковый материал с широкой запрещенной зоной. Он обладает превосходными физическими и электрическими свойствами, особенно подходит для производства высокотемпературных, высокочастотных, мощных, радиационных, коротковолновых светоизлучающих и оптоэлектронных интегрированных устройств, поэтому он широко используется в авиации, аэрокосмической отрасли, радиолокации, связи и других областях. В настоящее время для выращивания монокристалла карбида кремния обычно используется метод PVT.
Поскольку конечной целью выращивания монокристалла карбида кремния является получение монокристалла карбида кремния большого размера с низким уровнем дефектов, по мере увеличения размера монокристалла карбида кремния контроль вакуумного давления в монокристаллической печи становится чрезвычайно требовательным, и Технологический газ Изменения давления оказывают большое влияние на скорость роста и качество кристаллов SiC. На рисунке 1 показаны временные кривые давления, температуры и технологического газа в типичном процессе выращивания монокристалла SiC.
Из технологической кривой, показанной на рисунке 1, видно, что контроль давления в печи для выращивания кристаллов представляет собой процесс точного изменения во всем диапазоне степеней вакуума, а весь диапазон изменения степени вакуума находится между низким и высоким вакуумом (-4 5 -1 510 Па ~10 Па), особенно в диапазоне низкого вакуума 10 Па ~ 10 Па, который требует точного контроля. В настоящее время при использовании метода PVT для получения монокристалла SiC все еще существуют следующие проблемы:
(1) Режим ниже по потоку (регулировка скорости выпуска газа) обычно используется для контроля изменения степени вакуума во всем процессе. Точность управления чрезвычайно низкая в диапазоне более высокого вакуума 0,1 ~ 1000 Па, а колебания давления в камере для выращивания кристаллов велики (около ± 10%).
(2) Регулирующий клапан и ПИД-регулятор, используемые в устройстве регулирования вакуума, в основном используют клапаны регулирования расхода на входе, выпускные дроссельные клапаны на выходе и контроллеры ПИД-клапанов. Хотя существуют различные выпускные дроссельные клапаны на выходе, объединенные с ПИД-регулятором в единую конструкцию для снижения затрат, общая стоимость все еще относительно высока.
(3) Альтернативные продукты для вакуумного давления на Тайване также постепенно появляются, но все еще существуют такие проблемы, как большая скорость утечки клапана, длительное время реакции на регулировку клапана и невозможность автоматического переключения вакуумметров разных диапазонов, что делает невозможным использование режимы управления как вверх, так и вниз по потоку для достижения высокоточного контроля вакуумного давления в пределах диапазона.
В этой статье будет проведен подробный технический анализ проблем, существующих при контроле вакуумного давления в вышеупомянутом процессе выращивания монокристаллов PVT SiC, и предложены соответствующие решения. Суть решения заключается в применении метода одновременного управления вверх и вниз по потоку, чтобы значительно повысить точность и стабильность управления во всем диапазоне давлений, а также обеспечить соответствующую низкую скорость утечки и высокую скорость реагирования.Пропорциональный регулятор давления KAOLUи сверхвысокоточные промышленные ПИД-регуляторы, что позволяет заменить соответствующую импортную продукцию.
2. Анализ процесса изменения напряжений при выращивании монокристаллов карбида кремния.
На рисунке 1 показаны кривые изменения давления, температуры и расхода газа в ходе текущего метода PVT для выращивания монокристалла карбида кремния третьего поколения, где красная линия представляет собой очень типичный процесс изменения давления в вакууме. Анализируя процесс изменения вакуумного давления на каждом этапе, чтобы глубоко понять требования к изменению вакуумного давления во время роста монокристалла SiC методом PVT.
Как показано на рисунке 1, изменение вакуумного давления в процессе роста монокристалла SiC разделено на следующие этапы:
(1) Стадия высокого вакуума: на уровне высокого вакуума высокий вакуум (1xПа - 1x Па) для удаления воздуха и влаги из контейнеров и материалов. Этот высокий уровень вакуума требует, чтобы давление воздуха снижалось с медленной и постоянной скоростью, что позволяет избежать образования пыли из порошка карбида кремния.
(2) Стадия предварительного роста: Аналогично, на стадии предварительного роста, с заполнением технологическим газом и постепенным повышением температуры, давление воздуха в контейнере также должно постепенно увеличиваться до нормального давления или слегка положительного давления при постоянная скорость и вытеснение газа для дальнейшего удаления воздуха и влаги.
(3) Стадия роста: На стадии роста кристаллов давление в контейнере необходимо постепенно снижать до определенного заданного значения (давление роста) с постоянной скоростью и поддерживать постоянным в течение длительного времени. Разное оборудование и процессы выращивания обычно используют разное давление роста.
(4) Стадия охлаждения: На стадии охлаждения, когда температура постепенно снижается, давление воздуха в контейнере должно постепенно увеличиваться до нормального давления или слегка положительного давления с постоянной скоростью.
Из нескольких этапов изменения давления во время вышеупомянутого процесса выращивания монокристалла видно, что устройство контроля вакуумного давления должно соответствовать следующим основным техническим показателям, и это в основном технические показатели, которых достигла импортная продукция:
(1) Скорость утечки: менее 1×Па./с.
(2) Точность управления и долговременная стабильность: при любом давлении вакуума точность управления лучше 1% (или даже 0,5%), а долговременная стабильность лучше 1% (или даже 0,1%).
(3) Скорость ответа: менее 1 секунды. Скорость реакции также определяет точность управления и долговременную стабильность. Вакуумное давление будет быстро меняться, особенно под совместным воздействием температуры и потока. Быстрая скорость реакции является ключом к обеспечению точного управления.
(4) Подключение вакуумметров с разными диапазонами: можно подключить 2 емкостных вакуумметра с разными диапазонами, чтобы охватить весь диапазон контроля измерения вакуумного давления, а датчик можно автоматически переключать и контролировать в соответствии с соответствующей степенью вакуума.
(5) Программируемое управление: можно запрограммировать настройку любой кривой управления давлением, а также можно сохранить несколько кривых управления для вызова различных систем управления процессом.
(6) Параметры ПИД: могут настраиваться самостоятельно, сохранять и вызывать несколько групп параметров ПИД.
(7) Связь с главным компьютером: связь с главным компьютером (например, ПЛК и компьютером) и имеет стандартный протокол связи.
3. Высокоточное решение для контроля вакуумного давления.
Из приведенного выше анализа видно, что давление, необходимое для различных процессов выращивания кристаллов карбида кремния, находится в широком диапазоне от 0,2 Па до 80 кПа. В настоящее время режим управления на выходе обычно используется в процессе выращивания кристаллов под давлением во всем мире. Между ростовыми сосудами устанавливают дроссельный клапан.
Регулирование давления вакуума достигается за счет постоянного потока на впуске на входе и регулирования потока выхлопных газов на выходе через дроссельный клапан. Для диапазона высокого давления, превышающего 1 кПа, этот режим управления на выходе очень эффективен и может обеспечить точное управление давлением, но для диапазона низкого давления (0,1 Па ~ 1 кПа) эффект управления в режиме ниже по потоку чрезвычайно низок, и необходимо отрегулировать поток всасываемого воздуха и постоянный выходной поток. Режим управления вверх по потоку предназначен для перекачивания потока.
Кроме того, режим управления вверх по потоку широко использовался в области контроля вакуума, и в предыдущих практических прикладных и проверочных испытаниях мы также подтвердили, что режим управления выше по потоку может обеспечить точный контроль низкого давления ниже 1 кПа.
Таким образом, для достижения точного контроля вакуумного давления в полном диапазоне от 0,2 Па до 80 кПа необходимо использовать режимы вверх и вниз по потоку соответственно. Поэтому мы предлагаем высокоточное решение для управления вакуумным давлением, которое может реализовывать как восходящий, так и нисходящий режимы. Структура системы регулирования вакуумного давления с одновременным регулированием на входе и выходе представлена на рисунке 2.
В решении, показанном на рисунке 2, используются два емкостных вакуумметра для покрытия полного диапазона вакуума от 0,2 Па до 80 кПа. Сигналы измерений вакуумметров передаются на ПИД-регулятор, который соответственно управляет входным электронным пропорциональным клапаном регулирования расхода. А расположенный ниже по потоку электрический шаровой клапан, контур управления с обратной связью обеспечивает точный контроль вакуумного давления во всем диапазоне. Конкретный процесс управления вакуумным давлением:
(1) Когда значение настройки управления давлением находится в диапазоне высокого давления, превышающем 1 кПа, ПИД-регулятор находится в режиме управления на выходе, ПИД-регулятор настраивает игольчатый клапан с электронным управлением на входе на постоянное открытие и выполняет автоматическое ПИД-регулирование на выходе клапан с электронным управлением. Значение измерения давления в сосуде для выращивания может быть быстро доведено до заданного значения путем быстрой регулировки изменения степени открытия шарового клапана с электронным управлением.
(2) Когда значение настройки управления давлением находится в диапазоне низкого давления менее 1 кПа, ПИД-регулятор находится в режиме управления вверх по потоку, ПИД-регулятор настраивает шаровой клапан с электронным управлением на выходе на постоянное открытие и выполняет автоматическое ПИД-регулирование на входе. игольчатый клапан с электронным управлением. Измеренное значение давления в сосуде для выращивания можно быстро сравнять с заданным значением путем быстрой регулировки открытия игольчатого клапана с электронным управлением.
4. Локальная замена поддерживающих устройств.
Решение, предложенное в этой статье, может обеспечить высокоточное управление вакуумным давлением при условии, что вакуумметр, клапан с электронным управлением и ПИД-регулятор соответствуют техническим требованиям. Высочайшая точность, стабильность может легко достигать ±0,5% от заданного значения, и даже в большинстве диапазонов вакуумного давления стабильность может достигать ±0,1% от заданного значения.
В процессе контроля степени вакуума в диапазоне 0,1 Па ~ 100 кПа в современной области применения вакуумных технологий широко используются зарубежные продукты. С развитием технологий локализации, помимо пленочных емкостных вакуумметров, основные вспомогательные устройства других систем контроля вакуумного давления полностью достигли прорыва в ключевых технологиях. Такие как локализация, низкая скорость утечек и быстрая реакция, благодаря чему общие технические показатели аналогичны зарубежным продуктам. ПИД-регулятор имеет более высокую точность измерения и управления, чем зарубежные продукты, а также имеет функцию двустороннего режима управления, которую иностранные продукты временно не могут достичь.
Ключевые вспомогательные устройства, замененные локализацией, включают игольчатые клапаны с электронным управлением и шаровые краны с электронным управлением для высокоскоростного вакуума с малыми утечками, а также многофункциональные сверхвысокоточные ПИД-регуляторы общего назначения, как показано на рисунке 3.
(Рисунок 3. Пропорциональный клапан регулирования расхода KAOLU )
Пропорциональный клапан регулирования расхода KAOLU , показанный на рисунке 3, полностью соответствует техническим требованиям раздела 2, особенно высокоточный промышленный ПИД-регулятор имеет отличные характеристики, среди которых 24-битное аналого-цифровое преобразование и 16-битное цифро-цифровое преобразование. -аналоговое преобразование. Минимальный выходной процент 0,01% при операциях с плавающей запятой двойной точности в настоящее время является высшим показателем промышленных ПИД-регуляторов во всем мире, которые могут достигать сверхвысокоточного управления параметрами процесса, такими как давление, температура и расход.
5. Вывод
Для процесса выращивания монокристаллов PVT предлагаемое в этой статье решение двунаправленного управления вверх и вниз по потоку может обеспечить быстрый и высокоточный контроль вакуумного давления во всем диапазоне. Это решение применяется во многих областях вакуумной техники, соответствующий электронный пропорциональный клапан регулирования потока и электрический шаровой кран имеют технические показатели, аналогичные зарубежным продуктам, а промышленный сверхточный ПИД-регулятор имеет превосходные характеристики. Эти вспомогательные устройства сочетают в себе различные датчики вакуумного давления и методы двунаправленного управления для достижения высокоточного контроля вакуумного давления.
Дополнительная информация оПропорциональный клапан регулирования расхода KAOLU, пожалуйста, посетите нашВеб-сайт.
1. Что такое монокристаллический материал карбида кремния?
Монокристаллический материал карбида кремния, который также известен как полупроводниковый материал с широкой запрещенной зоной. Он обладает превосходными физическими и электрическими свойствами, особенно подходит для производства высокотемпературных, высокочастотных, мощных, радиационных, коротковолновых светоизлучающих и оптоэлектронных интегрированных устройств, поэтому он широко используется в авиации, аэрокосмической отрасли, радиолокации, связи и других областях. В настоящее время для выращивания монокристалла карбида кремния обычно используется метод PVT.
Поскольку конечной целью выращивания монокристалла карбида кремния является получение монокристалла карбида кремния большого размера с низким уровнем дефектов, по мере увеличения размера монокристалла карбида кремния контроль вакуумного давления в монокристаллической печи становится чрезвычайно требовательным, и Технологический газ Изменения давления оказывают большое влияние на скорость роста и качество кристаллов SiC. На рисунке 1 показаны временные кривые давления, температуры и технологического газа в типичном процессе выращивания монокристалла SiC.
Из технологической кривой, показанной на рисунке 1, видно, что контроль давления в печи для выращивания кристаллов представляет собой процесс точного изменения во всем диапазоне степеней вакуума, а весь диапазон изменения степени вакуума находится между низким и высоким вакуумом (-4 5 -1 510 Па ~10 Па), особенно в диапазоне низкого вакуума 10 Па ~ 10 Па, который требует точного контроля. В настоящее время при использовании метода PVT для получения монокристалла SiC все еще существуют следующие проблемы:
(1) Режим ниже по потоку (регулировка скорости выпуска газа) обычно используется для контроля изменения степени вакуума во всем процессе. Точность управления чрезвычайно низкая в диапазоне более высокого вакуума 0,1 ~ 1000 Па, а колебания давления в камере для выращивания кристаллов велики (около ± 10%).
(2) Регулирующий клапан и ПИД-регулятор, используемые в устройстве регулирования вакуума, в основном используют клапаны регулирования расхода на входе, выпускные дроссельные клапаны на выходе и контроллеры ПИД-клапанов. Хотя существуют различные выпускные дроссельные клапаны на выходе, объединенные с ПИД-регулятором в единую конструкцию для снижения затрат, общая стоимость все еще относительно высока.
(3) Альтернативные продукты для вакуумного давления на Тайване также постепенно появляются, но все еще существуют такие проблемы, как большая скорость утечки клапана, длительное время реакции на регулировку клапана и невозможность автоматического переключения вакуумметров разных диапазонов, что делает невозможным использование режимы управления как вверх, так и вниз по потоку для достижения высокоточного контроля вакуумного давления в пределах диапазона.
В этой статье будет проведен подробный технический анализ проблем, существующих при контроле вакуумного давления в вышеупомянутом процессе выращивания монокристаллов PVT SiC, и предложены соответствующие решения. Суть решения заключается в применении метода одновременного управления вверх и вниз по потоку, чтобы значительно повысить точность и стабильность управления во всем диапазоне давлений, а также обеспечить соответствующую низкую скорость утечки и высокую скорость реагирования.Пропорциональный регулятор давления KAOLUи сверхвысокоточные промышленные ПИД-регуляторы, что позволяет заменить соответствующую импортную продукцию.
2. Анализ процесса изменения напряжений при выращивании монокристаллов карбида кремния.
На рисунке 1 показаны кривые изменения давления, температуры и расхода газа в ходе текущего метода PVT для выращивания монокристалла карбида кремния третьего поколения, где красная линия представляет собой очень типичный процесс изменения давления в вакууме. Анализируя процесс изменения вакуумного давления на каждом этапе, чтобы глубоко понять требования к изменению вакуумного давления во время роста монокристалла SiC методом PVT.
Как показано на рисунке 1, изменение вакуумного давления в процессе роста монокристалла SiC разделено на следующие этапы:
(1) Стадия высокого вакуума: на уровне высокого вакуума высокий вакуум (1xПа - 1x Па) для удаления воздуха и влаги из контейнеров и материалов. Этот высокий уровень вакуума требует, чтобы давление воздуха снижалось с медленной и постоянной скоростью, что позволяет избежать образования пыли из порошка карбида кремния.
(2) Стадия предварительного роста: Аналогично, на стадии предварительного роста, с заполнением технологическим газом и постепенным повышением температуры, давление воздуха в контейнере также должно постепенно увеличиваться до нормального давления или слегка положительного давления при постоянная скорость и вытеснение газа для дальнейшего удаления воздуха и влаги.
(3) Стадия роста: На стадии роста кристаллов давление в контейнере необходимо постепенно снижать до определенного заданного значения (давление роста) с постоянной скоростью и поддерживать постоянным в течение длительного времени. Разное оборудование и процессы выращивания обычно используют разное давление роста.
(4) Стадия охлаждения: На стадии охлаждения, когда температура постепенно снижается, давление воздуха в контейнере должно постепенно увеличиваться до нормального давления или слегка положительного давления с постоянной скоростью.
Из нескольких этапов изменения давления во время вышеупомянутого процесса выращивания монокристалла видно, что устройство контроля вакуумного давления должно соответствовать следующим основным техническим показателям, и это в основном технические показатели, которых достигла импортная продукция:
(1) Скорость утечки: менее 1×Па./с.
(2) Точность управления и долговременная стабильность: при любом давлении вакуума точность управления лучше 1% (или даже 0,5%), а долговременная стабильность лучше 1% (или даже 0,1%).
(3) Скорость ответа: менее 1 секунды. Скорость реакции также определяет точность управления и долговременную стабильность. Вакуумное давление будет быстро меняться, особенно под совместным воздействием температуры и потока. Быстрая скорость реакции является ключом к обеспечению точного управления.
(4) Подключение вакуумметров с разными диапазонами: можно подключить 2 емкостных вакуумметра с разными диапазонами, чтобы охватить весь диапазон контроля измерения вакуумного давления, а датчик можно автоматически переключать и контролировать в соответствии с соответствующей степенью вакуума.
(5) Программируемое управление: можно запрограммировать настройку любой кривой управления давлением, а также можно сохранить несколько кривых управления для вызова различных систем управления процессом.
(6) Параметры ПИД: могут настраиваться самостоятельно, сохранять и вызывать несколько групп параметров ПИД.
(7) Связь с главным компьютером: связь с главным компьютером (например, ПЛК и компьютером) и имеет стандартный протокол связи.
3. Высокоточное решение для контроля вакуумного давления.
Из приведенного выше анализа видно, что давление, необходимое для различных процессов выращивания кристаллов карбида кремния, находится в широком диапазоне от 0,2 Па до 80 кПа. В настоящее время режим управления на выходе обычно используется в процессе выращивания кристаллов под давлением во всем мире. Между ростовыми сосудами устанавливают дроссельный клапан.
Регулирование давления вакуума достигается за счет постоянного потока на впуске на входе и регулирования потока выхлопных газов на выходе через дроссельный клапан. Для диапазона высокого давления, превышающего 1 кПа, этот режим управления на выходе очень эффективен и может обеспечить точное управление давлением, но для диапазона низкого давления (0,1 Па ~ 1 кПа) эффект управления в режиме ниже по потоку чрезвычайно низок, и необходимо отрегулировать поток всасываемого воздуха и постоянный выходной поток. Режим управления вверх по потоку предназначен для перекачивания потока.
Кроме того, режим управления вверх по потоку широко использовался в области контроля вакуума, и в предыдущих практических прикладных и проверочных испытаниях мы также подтвердили, что режим управления выше по потоку может обеспечить точный контроль низкого давления ниже 1 кПа.
Таким образом, для достижения точного контроля вакуумного давления в полном диапазоне от 0,2 Па до 80 кПа необходимо использовать режимы вверх и вниз по потоку соответственно. Поэтому мы предлагаем высокоточное решение для управления вакуумным давлением, которое может реализовывать как восходящий, так и нисходящий режимы. Структура системы регулирования вакуумного давления с одновременным регулированием на входе и выходе представлена на рисунке 2.
В решении, показанном на рисунке 2, используются два емкостных вакуумметра для покрытия полного диапазона вакуума от 0,2 Па до 80 кПа. Сигналы измерений вакуумметров передаются на ПИД-регулятор, который соответственно управляет входным электронным пропорциональным клапаном регулирования расхода. А расположенный ниже по потоку электрический шаровой клапан, контур управления с обратной связью обеспечивает точный контроль вакуумного давления во всем диапазоне. Конкретный процесс управления вакуумным давлением:
(1) Когда значение настройки управления давлением находится в диапазоне высокого давления, превышающем 1 кПа, ПИД-регулятор находится в режиме управления на выходе, ПИД-регулятор настраивает игольчатый клапан с электронным управлением на входе на постоянное открытие и выполняет автоматическое ПИД-регулирование на выходе клапан с электронным управлением. Значение измерения давления в сосуде для выращивания может быть быстро доведено до заданного значения путем быстрой регулировки изменения степени открытия шарового клапана с электронным управлением.
(2) Когда значение настройки управления давлением находится в диапазоне низкого давления менее 1 кПа, ПИД-регулятор находится в режиме управления вверх по потоку, ПИД-регулятор настраивает шаровой клапан с электронным управлением на выходе на постоянное открытие и выполняет автоматическое ПИД-регулирование на входе. игольчатый клапан с электронным управлением. Измеренное значение давления в сосуде для выращивания можно быстро сравнять с заданным значением путем быстрой регулировки открытия игольчатого клапана с электронным управлением.
4. Локальная замена поддерживающих устройств.
Решение, предложенное в этой статье, может обеспечить высокоточное управление вакуумным давлением при условии, что вакуумметр, клапан с электронным управлением и ПИД-регулятор соответствуют техническим требованиям. Высочайшая точность, стабильность может легко достигать ±0,5% от заданного значения, и даже в большинстве диапазонов вакуумного давления стабильность может достигать ±0,1% от заданного значения.
В процессе контроля степени вакуума в диапазоне 0,1 Па ~ 100 кПа в современной области применения вакуумных технологий широко используются зарубежные продукты. С развитием технологий локализации, помимо пленочных емкостных вакуумметров, основные вспомогательные устройства других систем контроля вакуумного давления полностью достигли прорыва в ключевых технологиях. Такие как локализация, низкая скорость утечек и быстрая реакция, благодаря чему общие технические показатели аналогичны зарубежным продуктам. ПИД-регулятор имеет более высокую точность измерения и управления, чем зарубежные продукты, а также имеет функцию двустороннего режима управления, которую иностранные продукты временно не могут достичь.
Ключевые вспомогательные устройства, замененные локализацией, включают игольчатые клапаны с электронным управлением и шаровые краны с электронным управлением для высокоскоростного вакуума с малыми утечками, а также многофункциональные сверхвысокоточные ПИД-регуляторы общего назначения, как показано на рисунке 3.
(Рисунок 3. Пропорциональный клапан регулирования расхода KAOLU )
Пропорциональный клапан регулирования расхода KAOLU , показанный на рисунке 3, полностью соответствует техническим требованиям раздела 2, особенно высокоточный промышленный ПИД-регулятор имеет отличные характеристики, среди которых 24-битное аналого-цифровое преобразование и 16-битное цифро-цифровое преобразование. -аналоговое преобразование. Минимальный выходной процент 0,01% при операциях с плавающей запятой двойной точности в настоящее время является высшим показателем промышленных ПИД-регуляторов во всем мире, которые могут достигать сверхвысокоточного управления параметрами процесса, такими как давление, температура и расход.
5. Вывод
Для процесса выращивания монокристаллов PVT предлагаемое в этой статье решение двунаправленного управления вверх и вниз по потоку может обеспечить быстрый и высокоточный контроль вакуумного давления во всем диапазоне. Это решение применяется во многих областях вакуумной техники, соответствующий электронный пропорциональный клапан регулирования потока и электрический шаровой кран имеют технические показатели, аналогичные зарубежным продуктам, а промышленный сверхточный ПИД-регулятор имеет превосходные характеристики. Эти вспомогательные устройства сочетают в себе различные датчики вакуумного давления и методы двунаправленного управления для достижения высокоточного контроля вакуумного давления.
Дополнительная информация оПропорциональный клапан регулирования расхода KAOLU, пожалуйста, посетите нашВеб-сайт.