提拉单晶炉晶体恒组分生长控制系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及晶体生长，具体指提拉单晶炉晶体恒组分生长控制系统和方法，本发明能够生长出恒组分、高均匀性的晶体，属于晶体生长技术领域。
【背景技术】
[0002]目前，提拉单晶炉是应用最广泛的晶体生长设备，提拉法也是研宄历史最悠久、工艺最成熟、使用范围最广的一种晶体生长方法。但是晶体宏观缺陷的存在仍然影响着晶体的质量和利用，所以研宄晶体宏观缺陷的意义就显得十分重大。
[0003]在提拉法生长晶体时，多组分材料熔化结晶合成为一种新型材料，由于各溶质成分在固态和液态下的溶解浓度不同，因而结晶时随着结晶物的不断析出，溶质会在固态和液态中重新分布，即溶质的“分凝现象”。溶质的分凝特性使晶体的成分沿生长轴向不断变化，如果生长界面是曲面，还会产生径向的成分变化。在稳态生长的情况下，这种成分的变化是连续的，实际的提拉生长通常是在非稳态下进行的，生长率的波动将使晶体的成分产生不连续的变化。由于晶体许多物理性能是随成分变化的，因此成分的变化将使晶体的性能和可用性受到损坏，这样就会对晶体的工程化应用造成影响，特别是对晶体均匀性要求较高的场合影响更大。
【发明内容】
[0004]针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提出的一种提拉单晶炉晶体恒组分生长控制系统和方法，以解决晶体“分凝现象”造成的晶体沿轴向不均匀分布的问题，实现高效、高质量地生长大尺寸恒组分晶体。
[0005]本发明的技术方案是这样实现的:
[0006]提拉单晶炉晶体恒组分生长控制系统，由晶体自动生长控制系统和料棒自动补充控制系统两大部分组成；
[0007]晶体自动生长控制系统包括秤1、提拉系统、旋转系统和感应加热模块，秤1、提拉系统、旋转系统和感应加热模块分别与控制模块连接；秤I实时测量生长晶体的重量G1;提拉系统通过步进电机产生一定的提拉速度^使晶体不断向上生长；旋转系统通过力矩电机产生一定的旋转速度ω来实现晶体生长界面的稳定；感应加热模块提供晶体生长所需要的热能量；控制模块根据由秤I获得的晶体实际生长重量与由提拉速度获得的理论重量的差值来控制感应加热模块，以改变晶体生长界面的温度分布，进而反过来调节晶体的生长速度；
[0008]料棒自动补充控制系统包括秤II和下降系统；秤11实时测量补充料棒的重量G2;下降系统通过步进电机控制料棒的下降速度V2以实现原料的可控补充；秤II和下降系统分别与控制模块连接；控制模块根据晶体理论重量的增加控制下降系统的步进电机使料棒按需要速度V2下降，以(GJG2)测量误差作为调整^的调整源，始终保证长出的晶体重量与补充的原料重量一致，从而保证晶体结晶液面高度不变。
[0009]提拉单晶炉晶体恒组分生长控制方法，协同控制晶体生长速度和原料补充速度，保证长出的晶体重量与补充的原料重量一致，使晶体结晶液面高度始终保持不变；而补充原料的成分经过分析和理论计算与长出的晶体成分一致，进而保证了坩祸内液体成分不变。
[0010]本发明从晶体生长过程中形成熔液浓度差别的根源入手，在原提拉单晶炉的基础上设计了由两套自动控制系统组成的恒组分提拉单晶炉控制系统，使熔液组分浓度在整个生长过程中始终维持在一个较小的波动范围内，从而有效解决了晶体“分凝现象”造成的晶体沿轴向不均匀分布的问题，同时也大大改善了由于晶体持续生长而造成的结晶界面下移对晶体生长界面形状的影响。
【附图说明】
[0011]图1-本发明控制示意图。
[0012]图2-晶体自动生长控制示意图。
[0013]图3-料棒自动补充控制示意图。
【具体实施方式】
[0014]本发明是在原提拉单晶炉的基础上进行改进和优化设计，主要是由晶体自动生长控制系统和料棒自动补充控制系统两大部分组成，如图1所示。
[0015]晶体自动生长控制系统
[0016]晶体自动生长控制系统由秤I 1、提拉系统、旋转系统、感应加热模块6(即图1中感应线圈)等组成。秤I 1、提拉系统、旋转系统和感应加热模块6分别与控制模块连接。秤I I实时测量生长晶体4的重量G1;提拉系统通过步进电机产生一定的提拉速度V i使晶体不断向上生长；旋转系统通过力矩电机产生一定的旋转速度ω来实现晶体生长界面的稳定；感应加热模块6提供晶体生长所需要的热能量。该系统有别于传统提拉单晶炉的地方是晶体结晶液面高度始终保持不变，液面的高度是由料棒自动补充控制系统自动进行补偿和调整，因而晶体长度方向的理论速度就是提拉速度Vl。同时该系统克服了传统提拉系统由于坩祸内径尺寸不一致、液面下降导致的生长界面温场改变等主动性误差的影响。
[0017]晶体自动生长控制系统的流程图见图2，具体介绍如下:
[0018]由图2可见，晶体理论重量为实际所需尺寸的晶体重量，其计算公式为:
[0019]gj= P Ji r 2 V jt (I)
[0020]其中r为晶体半径，V1为提拉速度，t为累积时间(通常也叫生长时间)，P为晶体密度。由于有补料机构，理论上总是维持液面高度不变，所以81的计算公式里没有晶体原料液体密度与固体密度差值及坩祸内径与晶体直径不同造成的液面下降量，也不需要坩祸内径参数，排除了坩祸内径尺寸不一致产生的给定误差。
[0021]控制模块根据由秤I获得的晶体实际生长重量与由提拉速度获得的理论重量的差值来控制感应加热模块，以改变晶体生长界面的温度分布，进而反过来调节晶体的生长速度。G1为秤I测量的实时晶体重量。AG = G^g1S实际生长的重量大于理论重量的差值，它作为控制加热功率P的增量值，通过调节加热功率，改变晶体生产界面的温度分布，进而来调节了晶体的生长速度