0.1%超高精度真空控制技術在單晶生長工藝中的應用

來源：追夢娛樂圈 釋出時間：2023-04-07 17:40

摘要：針對晶體生長和CVD等半導體裝置中對0.1%超高精度真空壓力控制的要求，本文對相關專利技術進行了分析，以為採用低精度的真空度感測器、調節閥門和PID控制器，以及使用各種下游控制方法基本不太可能實現超高精度的長時間不亂控制。要滿意超高精度要求，必需採用0.05%左右精度的感測器和相應精度的PID控制器，結合1s以內開合時間的高速電動針閥和電動球閥，同時還需採用上游進氣控制模式。另外，本文提出的超高精度解決方案中，還創新性的提出了進氣混合後的減壓恆壓措施，消除進氣壓力波動對超高精度控制的影響。

1. 問題的提出

在晶體生長和CVD等半導體裝置領域，普遍要求對反應腔室的真空壓力進行快速和正確控制。目前很多半導體工藝裝置的真空壓力基本在絕對壓力10~400Torr的真空度範圍內，透過使用下游節流閥（電動球閥或電動蝶閥）的開度自動變化來調節抽氣速率基本能達到1%以內的控制精度。但對於有些特殊晶體生長等生產工藝，往往會要求在0.1~10Torr真空度範圍內進行控制，並要求實現0.1%的更高精度控制。

最近有使用者提出對現有晶體生長爐進行技術升級的要求，但願晶體爐的真空壓力控制精度從當前的1%改造進級到0.1%，客戶進行改造進級的依據是寧波恆普真空科技股份有限公司的低造價的壓力控制系統，且技術指標是“公司研發的壓力感測器和控制閥門及配套的自適應演算法，可將壓力不亂控制在±0.3Pa（設定壓力在100~500Pa間）”。

我們分析了寧波恆普在真空壓力控制方面的兩個相關專利，CN115113660A（一種透過多比例閥進行壓力控制的系統及方法）和CN217231024U（一種碳化矽晶體生長爐的壓力串級控制系統），以為採用所示的專利技術可能無法實現100~500Pa全量程範圍內0.1%的長時間不亂的控制精度，最多隻可能在個別真空點和個別時間段內委曲內達到。本文將對這兩項專利所設計的控制方法進行具體技術分析說明無法達到0.1%控制精度的原因，並提出相應的解決方案。

2. 專利技術分析

寧波恆普公司申報的發明專利“一種透過多比例閥進行壓力控制的系統及方法”，其壓力控制系統結構如圖1所示，所採用的控制技術是一種真空壓力動態平衡控制方法中典型的下游控制模式，即固定進氣流量，透過調節排氣流量實現真空壓力控制。

在動態平衡法控制中，這種下游模式的特點是：

（1）非常合用於10~760Torr範圍內的高氣壓精確控制，抽氣流量的變化可以很快改變真空腔體內部氣壓的變化，不存在滯後性，這對於高精度的高壓氣體控制非常重要，因此這種下游控制模式也是目前國內外絕大多數晶體爐的真空壓力控制方法。

（2）並不適用於0.1~10Torr範圍內低氣壓控制，這是因為在低氣壓控制過程中，抽氣速率對低氣壓變化的影響較為緩慢，存在一定的滯後性，調節抽氣速率很難實現低氣壓範圍內的真空度高精度控制。因此，對於低氣壓高真空的精密控制普遍採用的是上游控制模式，即調節進氣流量，利用了低氣壓對進氣流量非常敏感的特性。

寧波恆普公司所申報的發明專利“一種透過多比例閥進行壓力控制的系統及方法——CN 115113660A”，如圖1所示，所採用的下游控制模式是透過分程（或粗調和細調）形式來詳細實現，即透過次控制閥開度改變抽氣口徑大小後，再用主控制閥開度變化進行細調，本質仍是為了解決抽氣速率的精細化調節問題。

這種抽氣速率分段調節的類似方法在海內用的比較普遍，較典型的如圖2所示的浙江晶盛公司專利“一種用於碳化矽爐爐腔壓力控制的控壓裝置——CN210089430U”，採用的就是多個分支管路進行下游模式控制，多個分支管路組合目的就是調節抽氣口徑大小。

寧波恆普公司另一個實用新型專利CN217231024U（一種碳化矽晶體生長爐的壓力串級控制系統），如圖3所示，也是採用下游控制模式。

在晶體生長和其他半導體工藝的真空壓力控制中，國內外普遍都採用下游控制模式而很少用上游控制模式，主要原因如下：

（1）絕大多數工藝對氣氛環境的要求是高氣壓（低真空）範圍內控制，如10~500Torr（絕對壓力），且控制精度能達到1%即可。這種要求，最適合的控制方法就是下游模式。

（2）絕大多數半導體工藝都需要輸入多種工作氣體，而且各種工作氣體還要保持嚴格的質量和比例，所以進氣控制基本都採用氣體質量流量計。假如在質量和比例控制之後，再對進氣流量進行控制，一是沒有必要，二是會增加技術難度和裝置本錢。

（3）在下游控制模式中安裝節流閥（電動蝶閥）比較利便，可以在真空泵和腔體之間的真空管路上安裝節流閥，而且對節流閥的拆卸和清洗維護也較利便。

海內有些廠家在下游模式中採用上述分程控制方法的念頭主要是為了規避使用高速和高精度但價格相對較貴的下游節流閥（電動蝶閥），這種高速高精度下游節流閥主要是具有1秒以內的全程閉合時間，直接使用這種高速蝶閥就可以在高氣壓範圍內實現低真空度控制。而絕大多數國產真空用電動球閥和電動蝶閥儘管價格便宜，但響應速度普遍在幾十秒左右，這使得壓力控制的波動性很大。所以為了使用國產慢速電動蝶閥，且保證控制精度，只能在下游管路上想辦法。

假如採用高速電動球閥或電動蝶閥，且真空計和控制器達到一定精度，則採用任何形式的下游模式控制方式都可以在低氣壓範圍內輕鬆實現1%的控制精度，但無法達到0.1%的控制精度。而假如採用低速閥門和上述專利所述的控制方法，也有可能達到1%控制精度，但更是無法實現更高精度0.1%的真空壓力控制。

3. 超高精度真空壓力控制方法及其技術

晶體生長爐的真空壓力控制也是一種典型的閉環PID控制迴路，迴路中包括真空泵、真空計、電動閥門和PID控制器。其中真空泵提供真空源，真空計作為真空壓力丈量感測器，電動閥門作為執行器調節進氣或出氣流量，PID控制器接收感測器訊號並與設定值進行比較和PID計算後輸出控制訊號給執行器。

這裡我們重點討論在0.1~10Torr的低氣壓（高真空）範圍內實現0.1%超高精度的控制方法和相關技術。依據動態平衡法控制理論以及大量的實際控制試驗和成功應用經驗，假如要實現上述低壓範圍內（0.1~10Torr）的高精度控制，必需滿意以下幾個前提，且缺一不可：

（1）真空泵要具備籠蓋此真空度範圍的抽取能力，並儘可能保持較大的抽速，由此在高溫加熱過程中的氣體受熱膨脹壓力突增時，能及時抽走多餘的氣體。

（2）真空計和PID控制器要具有相應的丈量和控制精度。

（3）採用上游控制模式，並需採用高速電動針閥自動和快速的調節進氣流量大小。

國內外晶體生長爐和半導體工藝的真空壓力控制，普遍採用的是薄膜電容真空計，價格在一萬元人民幣左右的這種入口真空計，丈量精度基本在0.25%左右。這種真空計完全可以實現0.5 ~ 1%的控制精度，但無法滿意更高精度控制（如0.1%）中的丈量要求，更高精度的真空度丈量則需要採用0.05%以上精度的昂貴的薄膜電容真空計。

同樣，對於PID控制器，也需要相應的丈量精度和控制精度。如對於0.25%精度的真空計，採用16位AD、12位DA和0.1%最小輸出百分比的PID控制器，可以實現1%以內的控制精度，這在相關研究呈文中進行過專門分析和報道。若要進行更高精度的控制，則在採用0.05%精度真空計基礎上，還需採用24位AD、16位DA和0.01%最小輸出百分比的PID控制器。

寧波恆普公司在其官網的壓力控制技術先容中提到，採用恆普自己研發的壓力感測器和控制閥門及配套的自適應演算法，在絕對壓力100~500Pa範圍內可將國內外現有技術的±3Pa壓力波動（控制精度在1%左右）晉升到±0.3Pa（控制精度在0.1%左右），控制精度進步了一個數量級。我們分析以為：在絕對壓力100~500Pa的低壓範圍內，假如不能同時滿意上述的三個前提，基本不太可能實現0.1%的超高精度控制。

4. 超高精度真空壓力控制技術方案

對於超高精度真空壓力控制解決方案，我們只關心前述前提的第二和第三點，不再涉及真空泵內容。

（1）超高精度真空計的選擇

目前國際上能達到0.05%丈量精度的薄膜電容真空計有英福康和MKS兩個品牌，如圖4所示。這類超高精度的真空計都有模擬訊號0~10V輸出，數模轉換是20位。

（a）INFICON Cube CDGsci；（b）MKS AA06A

（2）超高精度PID控制器的選擇

從上述真空計指標可以看出，真空計的DAC輸出是20位的0~10V模擬型號，那麼真空壓力控制器的資料採集精度ADC至少要20位。為此，解決方案選擇了目前最高精度的工業用PID控制器，如圖5所示，其中24位AD、16位DA和0.01%最小輸出百分比。所選控制器具有單通道和雙通道兩種規格，這樣可以分別用來滿意不同真空度量程的控制，雙通道控制器可以用來同時採集兩隻不同量程的真空計而分別控制進氣閥和抽氣閥實現真空壓力全量程的籠蓋控制。另外PID控制器還具有尺度的RS485通訊和隨機配套計算機軟體。