Zabezpieczenie środowiska podczas syntezy związków

II Krajowa Konferencja Naukowo-Techniczna „EKOLOGIA W ELEKTRONICE”
Przemysłowy Instytut Elektroniki
Warszawa, 5-6.12.2002
ZABEZPIECZENIE ŚRODOWISKA PODCZAS
SYNTEZY ZWIĄZKÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH
Marek ORZYŁOWSKI, Zbigniew RUDOLF
Przemysłowy Instytut Elektroniki,
ul. Długa 44/50, 00-241 Warszawa, (+22)-831-61-70, [email protected]
Referat omawia zagadnienie zabezpieczenia środowiska podczas syntezy
związków półprzewodnikowych na przykładzie syntezy i polikrystalizacji InP.
Opisana jest konstrukcja urządzenia do tego celu oraz warunki przebiegu procesu
technologicznego. Awaria opisywanego urządzenia grozi zatruciem ludzi,
skażeniem środowiska oraz pożarem. Referat przedstawia środki zabezpieczenia
przed awarią związane z układem sterowania. W zabezpieczeniach zastosowano
autodiagnostykę, która bazuje na modelu cieplnym urządzenia o parametrach,
określonych w procesie identyfikacji.
1. WSTĘP
Zagadnienie zabezpieczenia środowiska podczas syntezy związków półprzewodnikowych,
takich jak fosforek indu lub arsenek galu, zostanie omówiony na przykładzie syntezy i
polikrystalizacji. fosforku indu (InP). Materiał ten należy grupy nowoczesnych materiałów
półprzewodnikowych, nad którymi trwają intensywne prace. Wytwarzane są z niego
bardzo szybkie układy elektroniczne i diody laserowe, używane miedzy innymi do
transmisji danych z szybkością 40Gb/s, oraz ogniwa słoneczne.
Głównym powodem występującego deficytu materiałów półprzewodnikowych jest
skomplikowana technologia ich wytwarzania, która na dodatek jest niebezpieczna dla
środowiska. W ostatnim okresie w Instytucie Technologii Materiałów Elektronicznych
trwają intensywne prace nad opanowaniem tych technologii na skalę przemysłową, zaś
w Przemysłowym Instytucie Elektroniki prowadzone są prace, związane z budową
urządzeń do produkcji tych materiałów.
W niniejszym referacie zostaną przedstawione główne problemy, związane z bezpieczeństwem produkcji polikryształów fosforku indu oraz planowane zabezpieczenia
związane ze sterowaniem tym procesem.
129
2. PROCES SYNTEZY FOSFORKU INDU
Monokryształy fosforku indu, które po obróbce mechanicznej stają się materiałem
wyjściowym do wytwarzania struktur półprzewodnikowych, są wytwarzane z
polikryształów InP w procesie monokrystalizacji. Materiał do tego procesu, czyli
polikryształy InP, powstaje w wyniku syntezy płynnego fosforku indu z fosforu i indu
oraz gradientowego schładzania tej cieczy.
Urządzenie do syntezy i polikrystalizacji InP metodą poziomego wędrującego
gradientu (HGF – Horizontal Gradient Freeze) jest schematycznie przedstawione na
rys. 1. Składa się ono z komory ciśnieniowej, w której umieszczony jest z dwustrefowy
rurowy poziomy piec o grzaniu oporowym. W piecu znajduje się kwarcowy reaktor w
postaci zaspawanej ampuły. Dla uzyskania odpowiedniego kształtowania temperatury
wzdłuż osi pieca, grzejnik pieca składa się z wielu sekcji o temperaturze programowanej
z komputera nadrzędnego. W strefie o temperaturze ok. 550°C (rys. 2) nagrzewana jest
łódka z fosforem, w wyniku czego reaktor wypełnia się parą fosforu. W drugiej strefie o
temperaturze ok. 1100°C znajduje się łódka z roztopionym indem.
1
2
3
7
4
6
5
Rys. 1. Urządzenie do syntezy i polikrystalizacji fosforku indu: 1 – komora ciśnieniowa, 2 –
izolacja pieca rurowego, 3 – wielosekcyjny grzejnik, 4 – reaktor w postaci zamkniętej ampuły
kwarcowej, 5 – łódka z roztopionym fosforem, 6 – przegroda termiczna przepuszczająca pary
fosforu, 7 – łódka z indem
W trakcie etapu syntezy, na skutek wnikania par fosforu, w łódce z roztopionym
indem powstaje płynny fosforek indu. W następnym etapie procesu należy obniżać
stopniowo temperaturę poszczególnych sekcji grzejnych pieca tak, aby stworzyć w
strefie reaktora o wyższej temperaturze wędrujący gradient temperatury, który powoduje
kierunkową krystalizację fosforku indu wzdłuż łódki. W trakcie całego procesu w strefie
fosforu powinna być utrzymywana stała temperatura. Początkowy i końcowy rozkład
temperatury w reaktorze przedstawia rys. 2.
130
1200
[°C]
1000
800
600
400
0
20
40
60
80
100
120
[cm]
Rys. 2. Rozkład temperatury w reaktorze przed krystalizacją (linia górna) i po niej (linia dolna)
Bardzo istotnym problemem w trakcie omawianego procesu jest odpowiednie
nasycenie atmosfery ampuły parami fosforu. Pożądana jest prężność par fosforu o
ciśnieniu 2÷3 MPa (20÷30 atm.). Ponieważ kwarcowa ampuła wytrzymuje jedynie
niewielkie różnice ciśnień pomiędzy wnętrzem i zewnętrzem, występuje konieczność
kompensacji ciśnienia wewnętrznego przez utrzymywanie zbliżonego ciśnienia na
zewnątrz ampuły. W przypadku niespełnienia odpowiednich warunków ciśnieniowych
lub w przypadku wady materiałowej ampuły może nastąpić jej eksplozja lub implozja.
W efekcie nie tylko ulega uszkodzeniu konstrukcja pieca, ale ponadto wydostają się do
wnętrz komory ciśnieniowej pary fosforu. Pary te osadzają się na zimnych częściach w
postaci stałej.
Trzeba tu podkreślić, że fosfor jest materiałem agresywnym, trującym, a ponadto
palnym w normalnej atmosferze. Na dodatek w urządzeniu znajduje się kilka
kilogramów tego materiału.
Wprawdzie konstrukcja komory ciśnieniowej zabezpiecza przed wydostaniem się par
na zewnątrz, jednak konieczne jest jej opróżnienie po wystudzeniu urządzenia. Otwarcie
komory może spowodować pożar i skażenie otoczenia na terenie fabryki.
Jak wspomniano, aby uniknąć eksplozji lub implozji zamkniętej hermetycznie
ampuły, w której znajdują się gorące pary agresywnego fosforu pod wysokim
ciśnieniem, należy w komorze ciśnieniowej, otaczającej ampułę, wytwarzać nadciśnienie
względem wnętrza ampuły rzędu. 0.1 MPa. Przy realizacji tego celu pojawiają się jednak
istotne trudności związane z możliwościami bezpośredniego pomiaru ciśnienia wewnątrz
ampuły. Powodem jest to, że nie są oferowane na rynku czujniki ciśnienia, pracujące w
opisanych warunkach. Pomiar ciśnienia wewnątrz ampuły jest wprawdzie możliwy w
warunkach laboratoryjnych, jednak używane do tego celu metody i aparatura niebyt
nadają się do wykorzystania w warunkach produkcyjnych. Jednym ze sposobów
rozwiązania tego problemu jest wykorzystanie zjawiska fizycznego, które polega na tym,
że ciśnienie wewnątrz ampuły jest zależne od temperatury najchłodniejszego jej obszaru,
bowiem w obszarze tym następuje kondensacja par.
131
Wykres na rys. 3 przedstawia zależność ciśnienia par fosforu od temperatury tego
obszaru. Warto zwrócić uwagę na to, że wzrost ciśnienia w funkcji temperatury jest typu
wykładniczego. Świadczy to o tym, że dla stabilizacji ciśnienia w ampule na określonym
poziomie, konieczna jest bardzo dokładna regulacja i kontrola temperatury w
chłodniejszej strefie ampuły, w której znajduje się łódka z fosforem.
3.5
3
[MPa]
2.5
2
1.5
1
0.5
0
450
470
490
510
530
550
570
590
[°C]
Rys. 3. Zależność ciśnienia par fosforu od temperatury obszaru kondensacji
Innym istotnym faktem, na który należy zwrócić uwagę jest to, że zmiany ciśnienia
wewnątrz ampuły na skutek parowania i kondensacji par fosforu zachodzą stosunkowo
wolno, w związku z czym przedstawiony na rys. 3 związek temperatury i ciśnienia
odnosi się do stanów temperaturowo ustalonych. W efekcie ewentualna estymacja
ciśnienia na podstawie temperatury musi wiązać się odpowiednim sterowaniem
procesem nagrzewania i schładzania ampuły z fosforem.
3. ZABEZPIECZENIA W UKŁADZIE REGULACJI
Podczas projektowania urządzeń technologicznych należy rozważyć dwa bardzo
istotne zagadnienia:
1. Prawidłowej realizacji przebiegu procesu technologicznego,
2. Zapewnienia bezpieczeństwa w stanach normalnej pracy i stanach awaryjnych.
W omawianym przypadku oba zagadnienia są ze sobą ściśle powiązane. Dotyczy to
zwłaszcza ciśnienia, bowiem dla właściwego przebiegu procesu powinno być
zapewnione właściwe ciśnienie par fosforu, zaś dla zapewnienia bezpieczeństwa
powinna być zapewniona odpowiednia kompensacja tego ciśnienia poprzez regulację
ciśnienia na zewnątrz ampuły.
W celu regulacji ciśnienia na zewnątrz ampuły w stanach normalnej pracy i stanach
awaryjnych przewiduje się zastosowanie środków sprzętowych możliwie
najprostszych, a jednocześnie skutecznych. Wiąże się to faktem, że układ o mniejszej
132
liczbie elementów oraz połączeń zewnętrznych jest z zasady bardziej niezawodny od
układów złożonych z wielu elementów i bloków oddzielonych konstrukcyjnie.
Przy rozwiązywaniu zagadnienia bezpiecznej regulacji uwzględniono komplikacje
związane z bezpośrednim pomiarem zarówno ciśnienia jak i temperatury wewnątrz
ampuły. Problem braku rozwiązania pomiaru ciśnienia wewnątrz ampuły, możliwego do
zastosowania w warunkach normalnej eksploatacji urządzenia, omówiono już w
poprzednim rozdziale. Warto dodać, że umieszczanie czujników temperatury w ampule
na czas procesu produkcyjnego byłoby także bardzo kłopotliwe. Ponadto każdy przepust
pomiarowy ciśnienia lub temperatury w ampule to potencjalne miejsce ewentualnego
rozszczelnienia ampuły, a więc zwiększenie prawdopodobieństwa awarii.
W wyniku przeprowadzonej analizy założono wykorzystanie pośredniego pomiaru
ciśnienia w ampule przy wykorzystaniu możliwie najmniej złożonych efektów zjawisk
fizycznych oraz dotychczasowej wiedzy i doświadczenia. związanych ze sterowaniem
procesów termicznych w przemyśle półprzewodnikowym.
W efekcie w układzie regulacji ciśnienia, zakłada się estymację ciśnienia wewnątrz
ampuły na podstawie pomiaru rozkładu temperatury wokół niej. Ze względu na
istotne różnice temperatury w obu strefach ampuły oraz zjawisko kondensacji par,
pomiar dotyczyć będzie jedynie strefy o znacząco niższej temperaturze, a więc strefy
odparowywania fosforu. Zakłada się, że estymacja uwzględniała będzie zarówno stan
normalnej pracy jak i stany awaryjne.
Dla realizacji postawionego celu właściwej regulacji ciśnienia przewiduje się
następujące działania:
• identyfikację zależności rozkładu temperatury wewnątrz ampuły od temperatury
grzejnika otaczającego ampułę,
• stworzenie odpowiedniego modelu matematycznego tej zależności,
• opracowanie algorytmu decyzyjnego w stanach awaryjnych.
W ramach identyfikacji zostaną dokonane pomiary wzdłużnego rozkładu
temperatury w strefie odparowywania fosforu. Na podstawie pomiarów przy użyciu tego
czujnika określone będą wartości temperatury regulacji sekcji grzejnych tej strefy, przy
których uzyskuje się właściwy rozkład temperatury w ampule z zapewnieniem
jednoznacznego usytuowania obszaru o najniższej temperaturze.
W trakcie identyfikacji zostaną określone także funkcje czułości zmian temperatury
w strefie odparowywania fosforu na zmiany temperatury stref grzejnych tej strefy.
Ponieważ, interesujące z punktu widzenia regulacji ciśnienia, zmiany temperatury
wewnątrz ampuły ∆Ta i na zewnątrz ampuły ∆Tg nie są duże w stosunku do średniej
temperatury pracy w tej strefie, przyjęty zostanie model liniowy zmian temperatury
wewnętrznej ∆Ta w funkcji zmian temperatury zewnętrznej ∆Tg.
Oznaczając:
∆Ta(l) - zmiana temperatury wewnątrz ampuły w odległości l wzdłuż osi ampuły,
- zmiana temperatury na zewnątrz ampuły w miejscu zainstalowania czujnika i∆Tgi
tej sekcji regulacji temperatury,
n
- liczba sekcji regulacji temperatury w strefie odparowywania fosforu,
fi(l)
- funkcja czułości zmian temperatury wewnątrz ampuły na zmiany temperatury
i-tej sekcji grzejnej
133
można będzie wspomniany model rozkładu temperatury w reaktorze określić jako
superpozycję wpływu temperatury poszczególnych sekcji grzejnych i opisać zależnością
[1]:
n
∆Ta (l ) = ∑ f i (l )∆Tgi
(1)
i =1
Przy opracowywaniu algorytmu decyzyjnego w przypadkach awarii,
wykorzystującego powyższy model, można osobno rozpatrzyć zagadnienia:
• wiarygodnego pomiaru temperatury poszczególnych sekcji grzejnych, np. podczas
awarii czujnika temperatury układu regulacji,
• kontroli ciśnienia w stanach awaryjnych, np. podczas zaniku napięcia w linii
energetycznej, zasilającej urządzenie.
Aby wyeliminować skutki awarii czujnika temperatury lub układu regulacji
temperatury założono ich zdublowanie w strefie o niższej temperaturze. Zwiększy to
liczbę użytych czujników i regulatorów, a więc i ich koszt o ok. 20%, co nie jest jednak
dużą zwyżką ceny, zważywszy względy bezpieczeństwa.
W przypadku awarii czujnika pomiarowego lub układu regulacji temperatury
następować będzie automatyczne przełączanie na zapasowy układ regulacji. Jako
jedno z kryteriów proponuje się porównywanie wskazań temperatury czujników.
Innym kryterium, które pozwoli wyeliminować uszkodzone układy regulacyjne jest
brak utrzymywania przez dłuższy czas zaprogramowanego poziomu temperatury. Czas
ten powinien być jednocześnie być ograniczony od góry, aby uniemożliwić nadmierne
zmiany temperatury np. na skutek sterowania danej sekcji pełną mocą lub na skutek
wyłączenia mocy grzejnej.
Jeśli awaria ogranicza się tylko do układu regulacji temperatury zamiana regulatora
powinna przywrócić normalną pracę urządzenia. Nie da się jednak tego uzyskać np. w
przypadku awarii doprowadzeń mocy zasilającej, grzejnika lub przy zaniku napięcia w
sieci energetycznej zasilającej urządzenie. Aby zapewnić kontrolę nad urządzeniem w
tego rodzaju sytuacjach przewiduje się zastosowanie dla układu regulacji zasilacza
awaryjnego (UPS).
W opisanej sytuacji braku sterowania temperatura reaktora spada, a wraz z nią
ciśnienie w ampule. Estymacja temperatury na podstawie jej pomiarów w
poszczególnych sekcjach grzejnych oraz modelu (1) oraz wykorzystanie zależności,
przedstawionej na rys 3, pozwolą na odpowiednie bezpieczne obniżanie ciśnienia w
komorze ciśnieniowej urządzenia.
Dodatkowym zabezpieczeniem przed awarią urządzenia będzie kontrola
poprawności pracy urządzenia przed zasadniczym procesem syntezy i
polikrystalizacji. W tym celu wprowadzone będą następujące działania
autodiagnostyczne:
• Automatyczna kontrola poprawności pomiarów temperatury i ciśnienia w komorze
ciśnieniowej przed startem procesu.
• Automatyczna kontrola poprawności przebiegu wstępnej fazy nagrzewania
urządzenia, bazująca na warunku powtarzalności przebiegu tego procesu.
134
•
Automatyczna kontrola rozkładu temperatury w strefie odparowywania fosforu
podczas nagrzewania w zakresie temperatury, w którym zachodzą istotne
zmiany ciśnienia w ampule.
4. PODSUMOWANIE
Podjęte zabezpieczenia, takie jak wprowadzenie nadmiarowych układów regulacji
strefy ampuły, w której jest odparowywany fosfor, powinny wpłynąć na niezawodność
pracy całego urządzenia.
Model estymacji rozkładu temperatury w ampule na podstawie rozkładu temperatury
na zewnątrz ampuły powinien umożliwić stosunkowo dokładną estymację ciśnienia w
ampule, a zatem umożliwić efektywną regulację ciśnienia wokół ampuły.
Ponadto przewiduje się, że opisane działania zabezpieczające i diagnostyczne
mogą być rozbudowane w miarę postępów konstrukcji i prowadzonych badań
urządzenia i jego układu regulacji.
LITERATURA
1. Łobodziński W., Automatyzacja operacji profilowania pieców dyfuzyjnych do
produkcji półprzewodników z zastosowaniem EMC, Prace PIE nr 74, 1980
2. Orzyłowski M., Kałużniacki T., Rudolf Z., Precise Temperature Control for
Measurement Purposes, The 16th IEEE Instrumentation and Measurement
Technology Conference, IMTC’99, pp. 16-21, 24-26 May 1999, Venice, Italy
3. Orzylowski M., Hering M., Kaluzniacki T., Temperature Field Shaping in
Systems for Thermometric Sensors Calibration, Proc. of XVI IMEKO World
Congress IMEKO 2000, 25-28 Sept. 2000, vol. VI, pp. 403-408, Vienna, Austria
4. Orzyłowski M., Precise Control of Temperature Fields in Measurement of
Thermal Parameters, Metrologia i Systemy Pomiarowe, Nr 1, pp. 115-131, 2000,
Warszawa
5. Orzyłowski M., Łobodziński W., Sankowski D., Identyfikacja obiektów cieplnych
metodami czasowymi i częstotliwościowymi dla celów regulacji, Cześć I:
Charakterystyki obiektów i identyfikacja metoda czasową, „Pomiary,
Automatyka, Kontrola”, Nr 3, str. 12-14, 2001
6. Orzyłowski M., Łobodziński W., Sankowski D., Identyfikacja obiektów cieplnych
metodami czasowymi i częstotliwościowymi dla celów regulacji, Cześć II:
Identyfikacja metodami częstotliwościowymi i wyniki badań, „Pomiary,
Automatyka, Kontrola”, Nr 4, str. 14-17, 2001
ENVIRONMENT PROTECTION DURING SYNTHESIS OF
SEMICONDUCTOR COMPOUNDS
The paper describes the environment protection during the synthesis of
semiconductor compounds exemplified by synthesis and polycrystallization of InP. It
presents the construction of the system for this purpose and the conditions of
technological process. The process accident is risk of people poisoning, environment
pollution and fire. The paper presents the means of protection against failure realized by
control system. The protection system uses autodiagnostics based on thermal model of
the system of parameters determined during identification process.
135