反馈晶体生长状态的方法、晶体生长控制方法及控制系统技术方案

本发明专利技术涉及一种反馈晶体生长状态的方法，通过采集晶体生长过程中的晶体和熔体间的界面相电动势，获得实时变化的电信号，由所述实时变化的电信号反馈晶体生长状态。本发明专利技术还涉及一种晶体生长控制方法，通过采集晶体生长过程中的晶体和熔体间的界面相电动势，获得实时变化的电信号，根据所述实时变化的电信号调整晶体生长的条件参数，从而控制晶体生长。本发明专利技术还涉及一种晶体生长控制系统，包括晶体生长控制装置、生长信号采集单元和信号处理单元。通过本发明专利技术的方法可以精确反馈晶体生长的整体状态，克服判断滞后的缺陷，实时控制晶体生长工作。

Method for feedback crystal growth state, crystal growth control method and control system

The invention relates to a method for crystal growth state feedback, phase through the acquisition of the crystal growth process and crystal melt interfacial force, electrical signals to obtain real-time change of the crystal from the signal changes of the growth of state feedback in real time. The invention also relates to a method for controlling crystal growth, phase through the acquisition of the crystal growth process and crystal melt interfacial force, electrical signals to obtain real-time changes, according to the electrical signal to adjust the real-time changes of crystal growth parameters, so as to control the crystal growth. The invention also relates to a crystal growth control system, which comprises a crystal growth control device, a growth signal acquisition unit and a signal processing unit. By the method of the invention, the whole state of crystal growth can be accurately feedback, the defect of judging the lag is overcome, and the crystal growth work is controlled in real time.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及晶体生长领域，特别是涉及一种反馈晶体生长状态的方法、晶体生长控制方法及控制系统。
技术介绍
提拉法是从熔体中提拉生长高质量单晶的方法。提拉法的基本原理是：将构成晶体的原料放在坩埚中加热熔化，在熔体表面接籽晶提拉熔体，在受控条件下，使籽晶和熔体在交界面上不断进行原子或分子的规则排列，随降温逐渐凝固而生长出单晶体。提拉法的生长工艺是：首先将待生长的晶体的原料放在耐高温的坩埚中加热熔化，调整炉内温度场，使熔体上方区域处于过冷状态；然后让安装于籽晶杆上的籽晶接触熔体表面，待籽晶表面稍熔后，提拉并转动籽晶杆，使熔体提拉至过冷区域时处于过冷状态而结晶于籽晶上，在不断提拉和旋转过程中，生长出晶体。提拉法晶体生长的操作流程一般包括下晶、放肩、等径、收尾、拉脱等。其中，下晶是籽晶进入熔体的阶段；放肩是将晶体直径放大至目标直径的阶段；等径是使晶体保持目标直径生长的阶段；收尾是将晶体直径慢慢缩小的阶段；拉脱是晶体与熔体分离的阶段。现有晶体产业中反馈生长状态主要通过热电偶(温度反馈)、称重传感器(重量反馈)和光学(CCD图像记录)这三种手段。热电偶是最常用的晶体温度反馈设备，但仅能反馈整个温场中一个点的温度状态，并且这一测温点距离晶体生长核心位置较远，通过单点温度反馈无法反应整个晶体生长状态。继热电偶之后，重量传感器也已成为晶体生长设备的标配，尽管它能直接反馈晶体重量变化，但受制于晶体生长的较大重量跨度，现有设备的最高探测精度可达10mg，该探测精度仍无法反应晶体生长过程中诸如生长纹形成、生长界面扰动这一类较微弱却能左右晶体品质的问题。光学方法利用CCD图像记录，尽管可以整体呈现晶体生长轮廓，但其精度十分有限，而且不能反馈晶体生长界面(固液交界处)等无法直接“看”到的生长细节。在实际晶体生长设备中，这三种反馈方式往往相互辅助共同工作，但仍无法避免的产生检测精度低、判断滞后、机械结构复杂等问题，传统反馈方式的弊端为高品质晶体生长工作带来诸多额外困难。
技术实现思路
基于此，本专利技术的目的在于，提供一种反馈提拉法晶体生长状态的方法，可实现晶体生长界面总体状态的精确反馈。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种反馈晶体生长状态的方法，采集晶体生长过程中的晶体和熔体间的界面相电动势，以获得实时变化的电信号，由所述实时变化的电信号反馈晶体生长状态。相对于现有技术，本专利技术利用界面相电动势的变化情况来反馈晶体生长状态，由于界面相电动势由生长界面的电荷分布产生，该电荷来自晶体和熔体中的带电离子。而晶体和熔体中的带电离子在生长界面的分布情况则反映了晶体生长的实际情况，因此这一方式比其它反馈更准确，更接近晶体生长本质。进一步，从盛放晶体原料的坩埚和安放籽晶的籽晶杆分别引出电极，在提拉生长晶体的过程中，采集所述晶体和熔体间的界面相电动势。进一步，在下晶阶段，获得所述电信号从断开状态变为稳定状态的过程，以反馈晶体生长界面的形成过程；在放肩阶段，获得所述电信号增长，以反馈晶体直径增长的过程；在等径阶段，获得所述电信号增长率的变化，以反馈晶体直径的变化；在收尾阶段，获得所述电信号增长率变缓，以反馈晶体生长速度减小；在拉脱阶段，获得所述电信号变为断开状态，以反馈晶体生长完毕。本专利技术还提供了一种晶体生长控制方法，采集晶体生长过程中的晶体和熔体间的界面相电动势，获得实时变化的电信号；根据所述实时变化的电信号调整晶体生长的条件参数，从而控制晶体生长。相对于现有技术，本专利技术利用界面相电动势的变化情况来反馈晶体生长状态，由于电信号反馈非常敏感，可以实时的判断晶体的生长状态，克服判断滞后的缺陷，从而实现实时的控制晶体生长工作。进一步，从盛放晶体原料的坩埚和安放籽晶的籽晶杆分别引出电极，在提拉生长晶体的过程中，采集所述晶体和熔体间的界面相电动势。进一步，控制籽晶杆下晶动作时，检测所述电信号从断开状态变为稳定状态，以判断晶体生长界面的形成过程，确保下晶操作成功。进一步，当下晶动作到达下晶时间阈值时，进行放肩操作，当检测所述电信号稳定增长时，判断晶体直径正在增长，保持放肩控制一定时间。进一步，当放肩控制到达放肩时间阈值时，进行等径操作，检测所述电信号增长率的变化，根据所述电信号增长率的变化调整晶体生长的条件参数，从而控制晶体生长直径保持稳定。进一步，当检测晶体生长的长度到达长度阈值时，进行收尾操作，当检测所述电信号增长率变缓，判断晶体生长速度减小，保持收尾控制一定时间。进一步，当检测所述电信号变为断开状态，判断晶体生长完毕，控制籽晶杆进行拉脱动作。进一步，在获得实时变化的电信号之后，对该电信号进行处理，换算得出晶体生长状态的反馈信号；将该反馈信号与设定值比较，获得修正信号；根据所述修正信号调整晶体生长的条件参数，从而控制晶体生长。进一步，所述晶体生长的条件参数包括：坩埚的加热温度、或提拉速度、或旋转速度中的一种或几种。本专利技术还提供了一种晶体生长控制系统，包括晶体生长控制装置、生长信号采集单元和信号处理单元；所述生长信号采集单元采集晶体生长过程中的晶体和熔体间的界面相电动势，获得实时变化的电信号并将该电信号传输至所述信号处理单元，所述信号处理单元对该电信号进行处理获得晶体生长状态的反馈信号并将该反馈信号传输至所述晶体生长控制装置；所述晶体控制装置包括坩埚、籽晶杆、温控单元和籽晶杆控制单元，所述温控单元控制坩埚的加热温度，所述籽晶杆控制单元控制籽晶杆的提拉速度和旋转速度；所述生长信号采集单元包括微伏表和电极，所述电极从坩埚和籽晶杆分别引出并与所述微伏表连接；所述信号处理单元包括信号接收及分析模块，所述信号接收及分析模块接收所述微伏表输出的电信号并将该电信号转换为所述反馈信号传输至所述温控单元或籽晶杆控制单元。相对于现有技术，本专利技术的晶体生长控制系统的硬件设施装配简单，避免了复杂的机械结构对设备造成的负担，可有效减小晶体生长系统的不稳定因素。进一步，所述信号处理单元还包括一PID控制器，所述PID控制器接收所述信号接收及分析模块输出的反馈信号并将该反馈信号与设定值比较，获得修正信号并将该修正信号传输至所述温控单元或籽晶杆控制单元。进一步，所述籽晶杆控制单元控制籽晶杆下晶动作时，所述信号接收及分析模块检测所述电信号从断开状态变为稳定状态，输出反馈信号至所述籽晶杆控制单元保持一定时间的下晶动作；当下晶动作到达下晶时间阈值时，所述温控单元控制晶体生长进入放肩阶段，所述信号接收及分析模块检测所述电信号稳定增长时，输出反馈信号至所述温控单元保持放肩控制一定时间；当放肩控制到达放肩时间阈值时，所述温控单元控制晶体生长进入等径阶段，所述信号接收及分析模块检测所述电信号增长率的变化，输出反馈信号至所述温控单元控制晶体生长直径保持稳定；当晶体生长的长度到达长度阈值时，所述温控单元控制晶体生长进入收尾阶段，所述信号接收及分析模块检测所述电信号增长率变缓，输出反馈信号至所述温控单元保持收尾控制一定时间；所述信号接收及分析模块检测所述电信号增长率变为断开状态，输出反馈信号至所述籽晶杆控制籽晶杆进行拉脱动作。为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本专利技术。附图说明图1为本专利技术的反馈晶体生长状态的方法与晶体生长对应的操作流程。图2为本专利技术的晶体生长过程中，电信号(EMF)、重量(Weig本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种反馈晶体生长状态的方法，其特征在于：采集晶体生长过程中的晶体和熔体间的界面相电动势，以获得实时变化的电信号，由所述实时变化的电信号反馈晶体生长状态。

【技术特征摘要】
1.一种反馈晶体生长状态的方法，其特征在于：采集晶体生长过程中的晶体和熔体间的界面相电动势，以获得实时变化的电信号，由所述实时变化的电信号反馈晶体生长状态。2.根据权利要求1所述的反馈晶体生长状态的方法，其特征在于：从盛放晶体原料的坩埚和安放籽晶的籽晶杆分别引出电极，在提拉生长晶体的过程中，采集所述晶体和熔体间的界面相电动势。3.根据权利要求2所述的反馈晶体生长状态的方法，其特征在于：在下晶阶段，获得所述电信号从断开状态变为稳定状态的过程，以反馈晶体生长界面的形成过程；在放肩阶段，获得所述电信号增长，以反馈晶体直径增长的过程；在等径阶段，获得所述电信号增长率的变化，以反馈晶体直径的变化；在收尾阶段，获得所述电信号增长率变缓，以反馈晶体生长速度减小；在拉脱阶段，获得所述电信号变为断开状态，以反馈晶体生长完毕。4.一种晶体生长控制方法，其特征在于：采集晶体生长过程中的晶体和熔体间的界面相电动势，获得实时变化的电信号；根据所述实时变化的电信号调整晶体生长的条件参数，从而控制晶体生长。5.根据权利要求4所述的晶体生长控制方法，其特征在于：从盛放晶体原料的坩埚和安放籽晶的籽晶杆分别引出电极，在提拉生长晶体的过程中，采集所述晶体和熔体间的界面相电动势。6.根据权利要求5所述的晶体生长控制方法，其特征在于：控制籽晶杆下晶动作时，检测所述电信号从断开状态变为稳定状态，以判断晶体生长界面的形成过程，确保下晶操作成功。7.根据权利要求6所述的晶体生长控制方法，其特征在于：当下晶动作到达下晶时间阈值时，进行放肩操作，当检测所述电信号稳定增长时，判断晶体直径正在增长，保持放肩控制一定时间。8.根据权利要求7所述的晶体生长控制方法，其特征在于：当放肩控制到达放肩时间阈值时，进行等径操作，检测所述电信号增长率的变化，根据所述电信号增长率的变化调整晶体生长的条件参数，从而控制晶体生长直径保持稳定。9.根据权利要求8所述的晶体生长控制方法，其特征在于：当检测晶体生长的长度到达长度阈值时，进行收尾操作，当检测所述电信号增长率变缓，判断晶体生长速度减小，保持收尾控制一定时间。10.根据权利要求9所述的晶体生长控制方法，其特征在于：当检测所述电信号变为断开状态，判断晶体生长完毕，控制籽晶杆进行拉脱动作。11.根据权利要求4、5或8所述的晶体生长控制方法，其特征在于：在获得实时变化的电信号之后，对该电信...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱允中，王彪，林少鹏，马德才，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东;44