提拉單晶爐晶體恒組分生長(zhǎng)控制系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及晶體生長(zhǎng)，具體指提拉單晶爐晶體恒組分生長(zhǎng)控制系統(tǒng)和方法，本發(fā)明能夠生長(zhǎng)出恒組分、高均勻性的晶體，屬于晶體生長(zhǎng)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，提拉單晶爐是應(yīng)用最廣泛的晶體生長(zhǎng)設(shè)備，提拉法也是研宄歷史最悠久、工藝最成熟、使用范圍最廣的一種晶體生長(zhǎng)方法。但是晶體宏觀缺陷的存在仍然影響著晶體的質(zhì)量和利用，所以研宄晶體宏觀缺陷的意義就顯得十分重大。
[0003]在提拉法生長(zhǎng)晶體時(shí)，多組分材料熔化結(jié)晶合成為一種新型材料，由于各溶質(zhì)成分在固態(tài)和液態(tài)下的溶解濃度不同，因而結(jié)晶時(shí)隨著結(jié)晶物的不斷析出，溶質(zhì)會(huì)在固態(tài)和液態(tài)中重新分布，即溶質(zhì)的“分凝現(xiàn)象”。溶質(zhì)的分凝特性使晶體的成分沿生長(zhǎng)軸向不斷變化，如果生長(zhǎng)界面是曲面，還會(huì)產(chǎn)生徑向的成分變化。在穩(wěn)態(tài)生長(zhǎng)的情況下，這種成分的變化是連續(xù)的，實(shí)際的提拉生長(zhǎng)通常是在非穩(wěn)態(tài)下進(jìn)行的，生長(zhǎng)率的波動(dòng)將使晶體的成分產(chǎn)生不連續(xù)的變化。由于晶體許多物理性能是隨成分變化的，因此成分的變化將使晶體的性能和可用性受到損壞，這樣就會(huì)對(duì)晶體的工程化應(yīng)用造成影響，特別是對(duì)晶體均勻性要求較高的場(chǎng)合影響更大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明的目的在于提出的一種提拉單晶爐晶體恒組分生長(zhǎng)控制系統(tǒng)和方法，以解決晶體“分凝現(xiàn)象”造成的晶體沿軸向不均勻分布的問題，實(shí)現(xiàn)高效、高質(zhì)量地生長(zhǎng)大尺寸恒組分晶體。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0006]提拉單晶爐晶體恒組分生長(zhǎng)控制系統(tǒng)，由晶體自動(dòng)生長(zhǎng)控制系統(tǒng)和料棒自動(dòng)補(bǔ)充控制系統(tǒng)兩大部分組成；
[0007]晶體自動(dòng)生長(zhǎng)控制系統(tǒng)包括秤1、提拉系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)和感應(yīng)加熱模塊，秤1、提拉系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)和感應(yīng)加熱模塊分別與控制模塊連接；秤I實(shí)時(shí)測(cè)量生長(zhǎng)晶體的重量G1;提拉系統(tǒng)通過步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生一定的提拉速度^使晶體不斷向上生長(zhǎng)；旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)通過力矩電機(jī)產(chǎn)生一定的旋轉(zhuǎn)速度ω來實(shí)現(xiàn)晶體生長(zhǎng)界面的穩(wěn)定；感應(yīng)加熱模塊提供晶體生長(zhǎng)所需要的熱能量；控制模塊根據(jù)由秤I獲得的晶體實(shí)際生長(zhǎng)重量與由提拉速度獲得的理論重量的差值來控制感應(yīng)加熱模塊，以改變晶體生長(zhǎng)界面的溫度分布，進(jìn)而反過來調(diào)節(jié)晶體的生長(zhǎng)速度；
[0008]料棒自動(dòng)補(bǔ)充控制系統(tǒng)包括秤II和下降系統(tǒng)；秤11實(shí)時(shí)測(cè)量補(bǔ)充料棒的重量G2;下降系統(tǒng)通過步進(jìn)電機(jī)控制料棒的下降速度V2以實(shí)現(xiàn)原料的可控補(bǔ)充；秤II和下降系統(tǒng)分別與控制模塊連接；控制模塊根據(jù)晶體理論重量的增加控制下降系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)使料棒按需要速度V2下降，以(GJG2)測(cè)量誤差作為調(diào)整^的調(diào)整源，始終保證長(zhǎng)出的晶體重量與補(bǔ)充的原料重量一致，從而保證晶體結(jié)晶液面高度不變。
[0009]提拉單晶爐晶體恒組分生長(zhǎng)控制方法，協(xié)同控制晶體生長(zhǎng)速度和原料補(bǔ)充速度，保證長(zhǎng)出的晶體重量與補(bǔ)充的原料重量一致，使晶體結(jié)晶液面高度始終保持不變；而補(bǔ)充原料的成分經(jīng)過分析和理論計(jì)算與長(zhǎng)出的晶體成分一致，進(jìn)而保證了坩禍內(nèi)液體成分不變。
[0010]本發(fā)明從晶體生長(zhǎng)過程中形成熔液濃度差別的根源入手，在原提拉單晶爐的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了由兩套自動(dòng)控制系統(tǒng)組成的恒組分提拉單晶爐控制系統(tǒng)，使熔液組分濃度在整個(gè)生長(zhǎng)過程中始終維持在一個(gè)較小的波動(dòng)范圍內(nèi)，從而有效解決了晶體“分凝現(xiàn)象”造成的晶體沿軸向不均勻分布的問題，同時(shí)也大大改善了由于晶體持續(xù)生長(zhǎng)而造成的結(jié)晶界面下移對(duì)晶體生長(zhǎng)界面形狀的影響。
【附圖說明】
[0011]圖1-本發(fā)明控制示意圖。
[0012]圖2-晶體自動(dòng)生長(zhǎng)控制示意圖。
[0013]圖3-料棒自動(dòng)補(bǔ)充控制示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]本發(fā)明是在原提拉單晶爐的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要是由晶體自動(dòng)生長(zhǎng)控制系統(tǒng)和料棒自動(dòng)補(bǔ)充控制系統(tǒng)兩大部分組成，如圖1所示。
[0015]晶體自動(dòng)生長(zhǎng)控制系統(tǒng)
[0016]晶體自動(dòng)生長(zhǎng)控制系統(tǒng)由秤I 1、提拉系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、感應(yīng)加熱模塊6(即圖1中感應(yīng)線圈)等組成。秤I 1、提拉系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)和感應(yīng)加熱模塊6分別與控制模塊連接。秤I I實(shí)時(shí)測(cè)量生長(zhǎng)晶體4的重量G1;提拉系統(tǒng)通過步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生一定的提拉速度V i使晶體不斷向上生長(zhǎng)；旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)通過力矩電機(jī)產(chǎn)生一定的旋轉(zhuǎn)速度ω來實(shí)現(xiàn)晶體生長(zhǎng)界面的穩(wěn)定；感應(yīng)加熱模塊6提供晶體生長(zhǎng)所需要的熱能量。該系統(tǒng)有別于傳統(tǒng)提拉單晶爐的地方是晶體結(jié)晶液面高度始終保持不變，液面的高度是由料棒自動(dòng)補(bǔ)充控制系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償和調(diào)整，因而晶體長(zhǎng)度方向的理論速度就是提拉速度Vl。同時(shí)該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)提拉系統(tǒng)由于坩禍內(nèi)徑尺寸不一致、液面下降導(dǎo)致的生長(zhǎng)界面溫場(chǎng)改變等主動(dòng)性誤差的影響。
[0017]晶體自動(dòng)生長(zhǎng)控制系統(tǒng)的流程圖見圖2，具體介紹如下:
[0018]由圖2可見，晶體理論重量為實(shí)際所需尺寸的晶體重量，其計(jì)算公式為:
[0019]gj= P Ji r 2 V jt (I)
[0020]其中r為晶體半徑，V1為提拉速度，t為累積時(shí)間(通常也叫生長(zhǎng)時(shí)間)，P為晶體密度。由于有補(bǔ)料機(jī)構(gòu)，理論上總是維持液面高度不變，所以81的計(jì)算公式里沒有晶體原料液體密度與固體密度差值及坩禍內(nèi)徑與晶體直徑不同造成的液面下降量，也不需要坩禍內(nèi)徑參數(shù)，排除了坩禍內(nèi)徑尺寸不一致產(chǎn)生的給定誤差。
[0021]控制模塊根據(jù)由秤I獲得的晶體實(shí)際生長(zhǎng)重量與由提拉速度獲得的理論重量的差值來控制感應(yīng)加熱模塊，以改變晶體生長(zhǎng)界面的溫度分布，進(jìn)而反過來調(diào)節(jié)晶體的生長(zhǎng)速度。G1為秤I測(cè)量的實(shí)時(shí)晶體重量。AG = G^g1S實(shí)際生長(zhǎng)的重量大于理論重量的差值，它作為控制加熱功率P的增量值，通過調(diào)節(jié)加熱功率，改變晶體生產(chǎn)界面的溫度分布，進(jìn)而來調(diào)節(jié)了晶體的生長(zhǎng)速度