自动化光电晶体炉的生长前阶段控制方法技术

本发明专利技术涉及一种自动化光电晶体炉的生长前阶段控制方法，该晶体炉包括炉体及提拉杆，还包括加热模块、测温模块、温控模块、提拉模块、旋转模块、监控模块及控制系统，该方法包括以下步骤：将炉体晶料加热融化；提拉杆下晶，使提拉杆上籽晶进入炉体液面下，当液体吸附到籽晶时，进入下步骤；提拉及转动提拉杆，进入缩颈过程，监控模块读取炉体内剩余晶体重量，若监测晶体生长速率为负值，降低加热温度；若监测生长速率为正值且很大，升高加热温度；当缩颈部分达到预设长度，结束缩颈过程；加快晶体的生长速率，使晶体直径由小变大，直至达到预设晶体直径，完成生长前阶段。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种。
技术介绍
人工晶体在科学技术和工业生产领域中起到越来越重要的作用，而人工晶体的制备设备和制备技术，成为了制约人工晶体产量和质量的重要瓶颈。最先进的人工晶体制备 技术掌握在美国、德国等发达国家手中，相应的设备自动化程度高，易于实现批量生产。但 是其高昂的价格，令国内企业和科研院所望而却步。国内有少数企业也可以提供人工晶 体制备设备，但往往存在着自动化程度低，过分依赖操作者经验，批量生产中成品率低等问 题。晶体制备过程包括很多工艺流程，一般要持续几十个小时到几个星期不等。所谓 的生长前阶段，包括了固体多晶料加热、下晶、缩颈、放肩等流程。现有的晶体制备技术中，生长前阶段的工艺主要依靠操作者个人经验完成。把装 有多晶料的炉体放入保温罩，进行非接触式加热，操作者通过保温罩的观察窗观察炉体，以 判断多晶料是否熔化，下晶是否成功，能否成功缩颈、放肩等。传统工艺过于依赖操作者的 个人经验，难以实现工艺的自动化，更加难以大规模推广。由于保温罩的观察窗较小，操作 者观察炉体的视野就大受局限，难以准确判断保温罩内的情况。而且，保温罩上的观察窗， 会严重影响保温罩内的温度场分布，给晶体生长造成更大的不确定性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种操作简单、控制精确的自动 化光电晶体炉的生长前阶段控制方法。为实现上述目的，本专利技术的技术方案为一种自动化光电晶体炉的生长前阶段控 制方法，该晶体炉包括装有熔融晶体的炉体及用于提拉晶体的提拉杆，还包括对炉体进行 加热的加热模块、实时测量炉体温度的测温模块、根据炉体测量的温度控制加热模块的温 控模块、调节提拉杆提拉速度的提拉模块、调节提拉杆旋转速度的旋转模块、对炉体内剩余 晶体重量作监控的监控模块及与各个模块相连接的控制系统，该控制方法包括以下步骤a、通过加热模块将炉体内的晶料加热融化；b、提拉模块控制提拉杆下晶，使提拉杆上的籽晶的下端进入炉体液面以下，当部 分液体被吸附到籽晶上时，进入步骤c ；C、提拉模块及旋转模块提拉及转动提拉杆，进入缩颈过程，监控模块不断读取炉 体内剩余晶体的重量，如果监测到晶体生长速率为负值，则控制系统通过加热模块降低加 热温度；如果监测到生长速率为正值且超过一上限值时，则控制系统通过加热模块升高加 热温度；当缩颈部分达到预设长度，自动结束缩颈过程，进入步骤d ；d、通过提拉模块及旋转模块控制，不断加快晶体的生长速率，使晶体直径由小变 大，直至达到预设的晶体直径，完成生长前阶段。步骤a中，加热模块对晶料的加热分为两个升温阶段第一阶段从室温至目标温度之间通过相对高的升温速率来进行加热，且该目标温度低于晶料的熔点，达到目标温度后，加热进入恒温状态，并持续一段时间；第二阶段设定第二目标温度，该第二目标温度在熔点以上，和第一段相比，设定 一个相对缓慢的升温速率，并通过测温模块不断读取温度值，并且计算升温速率，如果程升 温速率远远小于设定的升温速率，或升温速率接近零，则判断此温度即为熔点。该监控模块包括设于炉体下方用于称量炉体内晶体重量的电子秤及与电子秤连 接的单片机驱动电路，步骤b中，当部分液体被吸附到籽晶上时，电子秤将出现读数的跳 变，控制系统扫描到电子秤的跳变后进入缩颈过程。步骤c中，控制系统不断扫描电子秤的读数，以最小二乘法将电子秤的读数转换 成晶体的实际生长速率。步骤d中，控制系统不断扫描电子秤读数，并实时计算出晶体实际生长速率，针对 速率的变化，调节降温速率。该旋转模块还包括旋转电机及其驱动电路，旋转电机将其实际转速形成反馈电压 反馈至控制子模块，当控制子模块检测到实际转速与预设值不同时，则将旋转电机转速调 整至预设值内。该提拉模块还包括提拉电机及其驱动电路，提拉模块的控制子模块中设有用于监 控提拉电机位移的光栅尺，当控制子模块检测到实际提拉速度与预设值不同时，则将提拉 电机速度调整至预设值内。该加热模块包括对炉体进行非接触式加热的中频线圈及连接至中频线圈的中频 电源。该温控模块为精确度小于或等于0. 1摄氏度的温控仪器。该测温模块为热电偶。与现有技术相比较，本专利技术具备如下优势，1、实现了提拉法制备晶体中，生长前阶段的自动化，避免了人为因素的干扰；2、在升温过程中实现了自动捕获晶体熔点，为成功下晶提供了可靠的参考温度；3、实现了下晶流程的自动化，能够准确确定下晶是否完成；4、实现了缩颈过程的自动化，保证缩颈效果；5、实现了放肩过程的自动化，为后续晶体生长铺垫基础。具体实施例方式本专利技术公开了 一种，该晶体炉包括装有 熔融晶体的炉体及用于提拉晶体的提拉杆，还包括对炉体进行加热的加热模块、实时测量 炉体温度的测温模块、根据炉体测量的温度控制加热模块的温控模块、调节提拉杆提拉速 度的提拉模块、调节提拉杆旋转速度的旋转模块、对炉体内剩余晶体重量作监控的监控模 块及与各个模块相连接的控制系统，该控制方法包括以下步骤a、通过加热模块将炉体内的晶料加热融化；b、提拉模块控制提拉杆下晶，使提拉杆上的籽晶的下端进入炉体液面以下，当部 分液体被吸附到籽晶上时，进入步骤c ；C、提拉模块及旋转模块提拉及转动提拉杆，进入缩颈过程，监控模块不断读取炉 体内剩余晶体的重量，如果监测到晶体生长速率为负值，则控制系统通过加热模块降低加 热温度；如果监测到生长速率为正值且超过一上限值时，则控制系统通过加热模块升高加 热温度；当缩颈部分达到预设长度，自动结束缩颈过程，进入步骤d ；d、通过提拉模块及旋转模块控制，不断加快晶体的生长速率，使晶体直径由小变大，直至达到预设的晶体直径，完成生长前阶段。晶体生长开始之初，操作者要首先打开提拉模块及旋转模块，开始以恒定的速度 进行提拉。在提拉速度确定的情况下，晶体的生长速率和晶体的直径是一一对应的。由于 监控模块能够不断读取炉体内剩余晶体的重量，并通过读数的变化速率来计算出晶体生长 速率，所以就可以进一步推算出当前状况下晶体的直径。所谓的缩颈过程，是控制晶体直径尽量变小的过程。在这一过程中，监控模块不断 检测晶体生长速率，并且通过升温或者降温，使得晶体的生长速率尽可能变小，也即直径尽 可能减小。放肩过程则是晶体直径有小变大的过程。对于光电晶体，目标直径一般在20 40mm之间。放肩过程就是直径从缩颈后的尺度增加到目标直径的过程。监控模块中已经预 设了晶体生长速率和晶体直径的计算公式，通过计算实际生长速率，很容易知道此时的晶 体直径。步骤a中，加热模块对晶料的加热分为两个升温阶段第一阶段从室温至目标温度之间通过相对高的升温速率来进行加热，且该目标 温度低于晶料的熔点，达到目标温度后，加热进入恒温状态，并持续一段时间；第二阶段设定第二目标温度，该第二目标温度在熔点以上，和第一段相比，设定 一个相对缓慢的升温速率，并通过测温模块不断读取温度值，并且计算升温速率，如果程升 温速率远远小于设定的升温速率，或升温速率接近零，则判断此温度即为熔点。在熔化之前，炉体内存放的是多晶原料。晶体是有固定的熔点的，在升温过程中， 当温度达到熔点时，温度不会进一步升高，而是维持在熔点温度。晶体不断吸热熔化，直至 熔化结束，固态多晶全部变成液态，温度才会进一步升高。本系统中设计的熔点捕获过程，就是充分利用了固态晶体熔化过程中温度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自动化光电晶体炉的生长前阶段控制方法，该晶体炉包括装有熔融晶体的炉体及用于提拉晶体的提拉杆，还包括对炉体进行加热的加热模块、实时测量炉体温度的测温模块、根据炉体测量的温度控制加热模块的温控模块、调节提拉杆提拉速度的提拉模块、调节提拉杆旋转速度的旋转模块、对炉体内剩余晶体重量作监控的监控模块及与各个模块相连接的控制系统，其特征在于，该控制方法包括以下步骤：　　ａ、通过加热模块将炉体内的晶料加热融化；　　ｂ、提拉模块控制提拉杆下晶，使提拉杆上的籽晶的下端进入炉体液面以下，当部分液体被吸附到籽晶上时，进入步骤ｃ；　　ｃ、提拉模块及旋转模块提拉及转动提拉杆，进入缩颈过程，监控模块不断读取炉体内剩余晶体的重量，如果监测到晶体生长速率为负值，则控制系统通过加热模块降低加热温度；如果监测到生长速率为正值且超过一上限值时，则控制系统通过加热模块升高加热温度；当缩颈部分达到预设长度，自动结束缩颈过程，进入步骤ｄ；　　ｄ、通过提拉模块及旋转模块控制，不断加快晶体的生长速率，使晶体直径由小变大，直至达到预设的晶体直径，完成生长前阶段。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王彪，周子凡，李一伦，朱允中，王云华，林少鹏，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]