Установка направленной кристаллизации расплава сапфира

(51) 05 В 23/02 (2006.01) 01 5/58 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ К ПАТЕНТУ Установка содержит вакуумную камеру, теплоизоляционную камеру, размещенную в вакуумной камере, блок электрического питания, блок управления, датчики глубины вакуума и температуры, источник тепловой энергии, лодочку с шихтой полупроводника, электромеханический привод перемещения лодочки, оптический канал связи, задатчики значений глубины вакуума и температуры, два устройства сравнения, генератор тактовых импульсов, распределитель импульсов и элемент ИЛИ, причем датчик глубины вакуума выполнен на инверсномагнетронном вакуумметре, датчик температуры - на радиационном многоканальном пирометре, а электромеханический привод - на шаговом двигателе. Установка направленной кристаллизации расплава сапфира обеспечивает повышенную точность технологического процесса выращивания кристаллов полупроводника (сапфира) при минимизации временных и энергетических затрат.(76) Лебедев Георгий Александрович , Малюков Сергей Павлович , Скубилин Михаил Демьянович , Чередниченко Дмитрий Иванович(56) Козлов Ю.Ф., Зотов В.В. Структуры кремния на сапфире технология, свойства, методы контроля,применение. - М. МИЭТ, 2004, с.140(54) УСТАНОВКА НАПРАВЛЕННОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ РАСПЛАВА САПФИРА(57) Установка направленной кристаллизации расплава сапфира относится к автоматическим технологическим средствам, а в частности - к средствам автоматической направленной кристаллизации полупроводников в технологии микро-и нано- электронной аппаратуры. 477 Полезная модель установка направленной кристаллизации расплава сапфира, относится к автоматическим технологическим средствам, а в частности к средствам автоматической направленной кристаллизации полупроводников в технологии микрои нано- электронной аппаратуры. Известна установка направленной кристаллизации расплава сапфира (Папков , Цыбульников М.Б. Эпитаксиальные кремневые слои на диэлектрических подложках и приборы на их основе. - М. Энергия, 1979.с.89), содержащая вакуумную камеру, теплоизолированную камеру, размещенную в вакуумной камере, вакуумный насос, соединенный патрубком с вакуумной камерой, первый датчик,датчик глубины вакуума, соединенный патрубком с вакуумной камерой, индикатор глубины вакуума,соединенный входом с выходом первого датчика,резистивный источник тепловой энергии, расположенный в теплоизолированной камере, второй датчик, датчик температуры, индикатор значения температуры, соединенный входом со вторым датчиком, лодочку с шихтой или кристаллом полупроводника, размещенную в теплоизолированной камере, блок электрического питания, соединенный входом с электрической сетью общего назначения, блок управления, соединенный силовыми входами с выходами блока питания, а первым выходом - со входом источника тепловой энергии, канал оптической связи, проходящий через стенки теплоизолированной камеры и вакуумной камеры на е внешнюю поверхность и ориентированный максимумом диаграммы направленности входа на содержимое лодочки, электромеханический привод лодочки, соединенный силовым входом со вторым выходом блока управления, а выходом, механически, с лодочкой, причем, первый датчик выполнен на термоионизационном вакуумметре (с пределом измеряемых давлений до 2106 мм р. ,), второй датчик на термопаре (с пределом измеряемых температур до 3 х 103 К), а электромеханический привод - на двигателе постоянного тока (с нерегламентированной точностью дискретизации перемещений). Недостатки известной установки - ограниченные точность и достоверность результатов контроля технологических параметров, глубины вакуума и температуры, и управления, что обусловлено субъективными факторами человека-оператора в контуре контроля и управления, при визуальном контроле технологических параметров и ручном их поддержании на заданном уровне, а так же повышенные временные и энергетические затраты, по тем же причинам. Известна, как более близкая по технической сущности к предполагаемому изобретению, установка направленной кристаллизации расплава сапфира Козлов Ю.Ф., Зотов В. В. Структуры кремния на сапфире технология, свойства, методы контроля,применение. - М. МИЭТ, 2004. - с.140), содержащая вакуумную камеру, теплоизолированную камеру,размещенную в вакуумной камере, вакуумный насос, соединенный патрубком с вакуумной камерой,первый датчик, датчик глубины вакуума, соединен 2 ный патрубком с вакуумной камерой, первый индикатор, индикатор глубины вакуума, соединенный входом с выходом первого датчика, источник тепловой энергии, расположенный в теплоизолированной камере, лодочку с шихтой или кристаллом полупроводника (сапфира), размещенную в теплоизолированной камере, блок электрического питания,соединенный входом с электрической сетью общего назначения, блок управления, соединенный силовыми входами с выходами блока питания, канал оптической связи, проходящий через стенки теплоизолированной камеры и вакуумной камеры на внешнюю поверхность последней и ориентированный максимумом диаграммы направленности входа на содержимое лодочки и, второй датчик, датчик температуры, соединенный оптическим входом с выходом канала оптической связи, второй индикатор, индикатор температуры содержимого лодочки,соединенный входом с выходом второго датчика,электромеханический привод лодочки, соединенный входом с выходом блока управления, а выходом,механически, с лодочкой, причем, первый датчик выполнен на альфатроне (с пределом измеряемых давлений до 10 мм рт ,), второй датчик выполнен на фотоэлектрическом пирометре (с пределом измеряемых температур до 5 Х 103 К), а электромеханический привод - на двигателе постоянного тока(с нерегламентированной точностью дискретизации перемещений). Недостатки известной установки - ограниченная точность и достоверность результатов контроля технологических параметров, вакуума и температуры,что обусловлено погрешностями вакуумметра и пирометра, из-за изменений во времени пропускной способности, прозрачности, какала оптической связи, визуальным отсчетом результатов контроля технологических параметров человеком-оператором и их сравнением с заданными значениями технологических параметров, и повышенные временные и энергетические затраты, что обусловлено ручным,человеком-оператором, управлением источником тепловой энергии и электромеханическим приводом лодочки. Задача полезной модели - повышение точности и производительности технологического оборудования, а также минимизация временных и энергетических затрат. Технический результат состоит в исключении из контура управления человека-оператора, в автоматическом, инструментальном, контроле технологических параметров, глубины вакуума и температуры расплава сапфира, что повышает точность и достоверность результатов контроля технологических параметров, и в автоматическом управлении источником тепловой энергии и приводом лодочки, что ведет к минимизации временных и энергетических затрат на технологический процесс. Технический результат обеспечивается тем, что в установку направленной кристаллизации расплава сапфира, содержащую вакуумную камеру, теплоизолированную камеру, размещенную в вакуумной камере, вакуумный насос, соединенный патрубком с 477 вакуумной камерой, первый датчик, датчик глубины вакуума, соединенный патрубком с вакуумной камерой, источник тепловой энергии, расположенный в теплоизолированной камере, лодочку с шихтой или кристаллом полупроводника (сапфира), размещенную в теплоизолированной камере, блок электрического питания, соединенный входом с электрической сетью общего назначения, блок управления, соединенный силовыми входами с выходами блока питания, канал оптической связи, проходящий через стенки теплоизолированной камеры и вакуумной камеры на е внешнюю поверхность и ориентированный максимумом диаграммы направленности входа на содержимое лодочки, второй датчик, датчик температуры, соединенный оптическим входом с выходом канала оптической связи,первый задатчик, задатчик температуры содержимого лодочки, первый элемент сравнения, соединенный поразрядно первыми входами с выходами второго датчика, вторыми входами - с выходами первого задатчика, а первым выходом - с первым управляющим входом блока управления, генератор тактовых импульсов, распределитель импульсов, соединенный первым, сигнальным, входом с выходом генератора импульсов, а входом управления - со вторым выходом первого элемента сравнения, электромеханический привод лодочки, соединенный входами, электрически, пофазно с выходами распределителя импульсов, а выходом, механически, с лодочкой, аналого-цифровой преобразователь,соединенный входом с выходом первого датчика,второй задатчик, задатчик глубины вакуума в вакуумной камере, второй элемент сравнения, соединенный поразрядно первыми входами с выходами второго задатчика, а вторыми входами - с выходами первого датчика, и элемент ИЛИ, соединенный первым входом с выходом первого элемента сравнения, вторым входом - с первым выходом второго элемента сравнения, а выходом - со вторым управляющим входом блока управления, причем, первый датчик выполнен на инверсно-магнетронном вакуумметре (с пределом измеряемых давлений до 1014 мм р. с.), второй датчик выполнен на радиационном многоканальном пирометре (Патент 12122, 01 5/58, 01 21/66, б. 10, 15.10.2002,Патент 18654, 01 5/58, 01 21/66, б. 7,16.07.2007.) (с пределом измеряемых температур до 1015 К а электромеханический привод - на шаговом двигателе (с дискретизацией перемещений до 104 мм). Функциональная схема установки направленной кристаллизации расплава сапфира представлена на фиг. 1. Установка направленной кристаллизации расплава сапфира содержит вакуумную камеру 1, теплоизолированную камеру 2, размещенную в вакуумной камере 1, вакуумный насос 3, соединенный патрубком 4 с вакуумной камерой 1, первый датчик 5, датчик глубины вакуума, соединенный патрубком 4 с вакуумной камерой 1, источник 6 тепловой энергии, расположенный в теплоизолированной камере 2, лодочку 7 с шихтой 8 или кристаллом 9 полупро водника (сапфира), размещенную в теплоизолированной камере 2, блок 10 электрического питания,соединенный входом с электрической сетью общего назначения, блок управления, соединенный силовыми входами с выходами блока 10 питания, канал 12 оптической связи, проходящий через стенки теплоизолированной камеры 2 и вакуумной камеры 1 на е внешнюю поверхность и ориентированный максимумом диаграммы направленности на содержимое лодочки 7, второй датчик 13, датчик температуры, соединенный оптическим входом с выходом канала оптической связи, первый задатчик 14,задатчик температуры содержимого лодочки 7, первый элемент 15 сравнения, соединенный поразрядно первыми входами с выходами первого задатчика 14,вторыми входами - с выходами второго датчика 13,а первым выходом - с первым управляющим входом блока И управления, генератор 16 тактовых импульсов, распределитель 17 импульсов, соединенный первым, сигнальным, входом с выходом генератора 16 импульсов, а вторым входом, входом управления, - со вторым выходом первого элемента 15 сравнения, электромеханический привод 18 лодочки 7, соединенный входами, электрически, пофазно с выходами распределителя 17 импульсов, а выходом,механически, с лодочкой 7, аналого-цифровой преобразователь 19, соединенный входом с выходом первого датчика 5, второй задатчик 20, задатчик глубины вакуума в вакуумной камере 1, второй элемент 21 сравнения, соединенный поразрядно первыми входами с выходами второго задатчика 20, а вторыми входами - с выходами первого датчика 5, и элемент 22 ИЛИ, соединенный первым входом с первым выходом первого элемента 15 сравнения,вторым входом - с выходом второго элемента 21 сравнения, а выходом -со вторым управляющим входом блока 11 управления, причем, первый датчик 5 выполнен на инверсно-магнитронном вакуумметре, второй датчик 13 выполнен на радиационном многоканальном пирометре, а электромеханический привод 18 - на шаговом двигателе. Установка направленной кристаллизации расплава сапфира работает следующим образом. Задатчиками 20 и 14 устанавливаются заданные значения глубины вакуума 203 В камере 1 и температуры 143 содержимого лодочки 7, соответственно (здесь знак- знак пропорциональности). Шихта 8 полупроводникового материала (сапфира) загружается в лодочку 7, а лодочка 7 размещается в исходной позиции в теплоизолированной камере 2. После закрытия шлюзов теплоизолированной 2 и вакуумной 1 камер, запуск установки деблокируется (цепи блокировки электропитания установки на фиг. 1 не показаны). Содержимое выходов задатчиков 14 14 Т 3 и 20 20 Р 3 сравнивается с содержимым выходов датчика 13 13 и аналогоцифрового преобразователя 19 19, соответственно. При условии 1920, по сигналу запуска,на силовой вход вакуумного насоса 3, через блок 11 управления, с соответствующего его выхода поступает питание. Вакуумный насос 3 понижает давление в вакуумной камере 1. Давление в вакуумной 3 477 камере 1 контролируется постоянно, в масштабе реального времени, первым датчиком 5. Первый датчик 5 способен оценивать давлениена интервале до 10-14 мм . . Аналоговое значение глубины вакуумав камере 1 преобразуется аналого-цифровым преобразователем 19 в его цифровое значение 19. Элемент 21 сравнения на свом выходе генерирует высокий потенциал при 3 при 1920, и низкий потенциал при РР 3,1920, что обеспечивает работу насоса до выполнения условия 3 и исключает его работу при 3. Датчиком 13 непрерывно измеряется температурасодержимого лодочки 7. Датчик 13 обеспечивает измерение температуры содержимого лодочки 7 по(12(/(1 - 2), до Т 1015 С с точностью не ниже 20 С, где -коэффициент пропорциональности, 1 и 2 - длина волны излучений регистрируемых пирометром, а 1 и 2 интенсивности излучений на длинах волн 1 и 2 соответственно при произвольной температуреизлучающей поверхности. Инерционность датчика 13 не превышает 0,001 сек. Содержимое выходов датчика 13 133 и задатчика 14 14 непрерывно сравнивается элементом 15 сравнения. При 1314 (при 3, но при 1920 (при 3),на выходе элемента 22 ИЛИ устанавливается высокий потенциал, а блок 11 управления, по своему второму выходу, соединяет соответствующий выход блока 10 питания с источником 6 тепловой энергии,содержимое лодочки нагревается, его температура повышается. По достижении равенства 1314(3) втором выходе элемента 15 сравнения устанавливается высокий потенциал, по переднему фронту которого срабатывает распределитель 17 импульсов и привод 18 лодочки 7. Приводом 18,пошагово с частотой 16, определяемой генератором 16, перемещается лодочка 7 до момента наступления неравенства 1314 (3), а по достижении неравенства 1314 (3) привод 18 вновь перемещает лодочку. И так до достижения лодочкой точки е финиша, после чего вакуумный насос 4,источник 6 тепловой энергии и привод 18 лодочки 7, через распределитель 17, элемент 22 ИЛИ и блок 11 управления, соответственно, обесточиваются, а кристалл 8, после остывания, может быть извлечен из установки. Т.о., установка направленной, кристаллизации расплава сапфира обеспечивает повышенные диапазоны технологических параметров, температуры и глубины вакуума, процесса, точности поддержания технологического процесса выращивания кристаллов полупроводника (сапфира) при одновременной минимизации временных и энергетических затрат. ФОРМУЛА ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ Установка направленной кристаллизации расплава сапфира, содержащая вакуумную камеру, теплоизолированную камеру, размещенную в вакуумной камере, вакуумный насос, соединенный патрубком с вакуумной камерой, первый датчик, датчик глубины вакуума, соединенный патрубком с вакуумной камерой, источник тепловой энергии, расположенный в теплоизолированной камере, лодочку с шихтой или кристаллом полупроводника, размещенную в теплоизолированной камере, блок электрического питания, соединенный входом с электрической сетью общего назначения, блок управления, соединенный силовыми входами с выходами блока питания, канал оптической связи, проходящей через стенки теплоизолированной камеры и вакуумной камеры на е внешнюю поверхность и ориентированный максимумом диаграммы направленности входа на содержимое лодочки, второй датчик, датчик температуры, соединенный оптическим входом с выходом канала оптической связи, и электромеханический привод перемещения лодочки, соединенный выходом, механически, с лодочкой, отличающаяся тем, что в нее введены первый задатчик, задатчик температуры содержимого лодочки, первый элемент сравнения, соединенный поразрядно первыми входами с выходами второго датчика, вторыми входами - с выходами первого задатчика, а первым выходом - с первым управляющим входом блока управления, генератор тактовых импульсов, распределитель импульсов, соединенный сигнальным входом с выходом генератора импульсов, управляющим входом - со вторым выходом первого элемента сравнения, а выходом пофазно со входами электромеханического привода перемещения лодочки, аналого-цифровой преобразователь, соединенный входом с выходом первого датчика, второй задатчик, задатчик глубины вакуума в вакуумной камере, второй элемент сравнения, соединенный поразрядно первыми входами с выходами второго задатчика, а вторыми входами - с выходами первого датчика, и элемент ИЛИ, соединенный первым входом с выходом второго элемента сравнения, вторым входом - с первым выходом первого элемента сравнения, а выходом - со вторым управляющим входом блока управления, причем, первый датчик выполнен на инверсно-магнетронном вакуумметре, второй датчик выполнен на многоканальном радиационном пирометре, а электромеханический привод - на шаговом двигателе.