热交换晶体生长系统、冷却气体流量控制方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及晶体生长技术领域，更为具体地说，涉及一种冷却气体流量控制方法及装置，本发明还涉及一种包括上述冷却气体流量控制装置的热交换晶体生长系统。
【背景技术】
[0002]自下而上方向生长晶体(例如蓝宝石)的方法有多种，例如热交换法、坩埚下降法、温梯法等。其中，热交换法以其自动化程度高、热场稳定、寿命长、对人工依赖较低等优势成为晶体生长的主要方法。
[0003]请参考附图1，图1是一种典型的采用热交换法进行晶体生长的热交换晶体生长系统示意图。图1所示的热交换晶体生长系统包括炉体1、上保温层2、发热体3、侧保温层4、下保温层5、热交换套管6、坩埚7、观察通孔8和观察窗9。其中，上保温层2、下保温层5和侧保温层4形成用于容纳坩埚7的加热腔。发热体3设置在加热腔中，且位于侧保温层4的内壁和坩埚7的侧壁之间，用于对坩埚7加热。上保温层2设置有观察通孔8，操作人员可以通过位于炉体1顶部的观察窗9和上保温层2上的观察通孔8观察坩埚7内的晶体生长情况。热交换套管6自所述炉体1的底部依次穿过炉体1和下保温层5直抵坩埚7的底部，热交换套管6由相互套设的两个管体组成以形成热交换通道。其中，热交换通道包括进气通道61、出气通道62以及连通两者的热交换腔(图1中与坩埚7接触的空间)。冷却气体(例如氦气)通过进气通道61进入到热交换腔后与坩埚7底部换热，然后从出气通道62排出。上述晶体生长系统通过冷却气体的冷却作用带走晶体生长所释放出来的潜热，从而促进晶体的不停生长，直至长晶完成。在热交换长晶的过程中，冷却气体流量随时间的变化对于晶体生长质量和生长效率至关重要。
[0004]目前，冷却气体流量控制通过试验确定出的冷却气体流量-时间关系曲线实现，即通过基本固定的冷却气体流量-时间关系曲线控制各个炉台及同一炉台不同炉次的晶体生长。但是，由于不同炉台或不同炉次之间设备、热场、原料、装炉方式、热交换系统存在差异，而且不同炉台或不同炉次内晶体生长的热历史也不尽相同，因此通过冷却气体流量-时间关系曲线控制冷却气体的流量进而实现对晶体生长的控制存在很强的经验性，无法适应不同炉台或不同炉次的差异化对晶体生长带来的影响，最终导致不同炉台或不同炉次所生长的晶体一致性较差。
【发明内容】
[0005]一方面，本发明提供了一种冷却气体流量控制方法，以解决目前通过冷却气体流量-时间关系曲线控制冷却气体的流量进而导致晶体生长存在的适应性和一致性较差的问题。
[0006]为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案:
[0007]冷却气体流量控制方法，用于热交换晶体生长系统的冷却气体流量控制，包括以下步骤:
[0008]11)获取冷却气体热交换后的温度以及冷却气体当前流量；
[0009]12)根据所述冷却气体热交换后的温度和预设传热速率计算冷却气体目标流量，所述冷却气体目标流量Fn = 22.4*q/ {C*m* (Τη-Τ0)},其中，q是预设传热速率，C是冷却气体的比热容，Τη是冷却气体热交换后的温度，TO是冷却气体热交换前的温度，m是冷却气体的摩尔质量；
[0010]13)调节所述冷却气体当前流量趋向于所述冷却气体目标流量。
[0011]优选的，上述冷却气体流量控制方法中，步骤12)和步骤13)之间还包括:
[0012]21)计算所述冷却气体当前流量与所述冷却气体目标流量的差值；
[0013]22)根据所述差值确定与所述差值相对应的流量调节幅度，所述流量调节幅度与所述差值的绝对值成正比。
[0014]优选的，上述冷却气体流量控制方法中，步骤21)和步骤22)之间还包括:
[0015]33)判断所述差值是否大于设定值，若是，则进入步骤22)，否则，结束操作。
[0016]优选的，上述冷却气体流量控制方法中，，周期性地获取冷却气体热交换后的温度以及冷却气体当前流量。
[0017]另一方面，本发明还提供了一种冷却气体流量控制装置，用于热交换晶体生长系统的冷却气体流量控制，所提供的冷却气体流量控制装置包括:
[0018]设置在所述热交换晶体生长系统的热交换通道的出气通道内，用于获取冷却气体热交换后的温度的温度获取单元；
[0019]用于获取冷却气体当前流量的流量检测单元；
[0020]与所述温度获取单元相连的第一计算单元，所述第一计算单元用于根据所述冷却气体热交换后的温度和预设传热速率计算冷却气体目标流量，所述冷却气体目标流量Fn=22.4*q/{C*m*(Tn-T0)}，其中，q是预设传热速率，C是冷却气体的比热容，Τη是冷却气体热交换后的温度，Τ0是冷却气体热交换前的温度，m是冷却气体的摩尔质量；
[0021]用于调节所述冷却气体当前流量趋向于所述冷却气体目标流量的控制单元。
[0022]优选的，上述冷却气体流量控制装置中，还包括:
[0023]第二计算单元，用于计算所述冷却气体当前流量与所述冷却气体目标流量的差值；
[0024]确定单元，用于根据所述差值确定与所述差值相对应的流量调节幅度，所述流量调节幅度与所述差值的绝对值成正比。
[0025]优选的，上述冷却气体流量控制装置中，所述温度获取单元设置在所述出气通道靠近所述热交换通道的热交换腔的一端。
[0026]优选的，上述冷却气体流量控制装置中，所述温度获取单元包括均匀分布在所述出气通道横截面上的多个温度计以及与多个所述温度计相连的第三计算单元，所述第三计算单元用于取多个所述温度计的检测数据的均值作为所述冷却气体热交换后的温度。
[0027]热交换晶体生长系统，所述热交换晶体生长系统具有上任意一项所述的冷却气体流量控制装置。
[0028]优选的，上述热交换晶体生长系统中，所述热交换晶体生长系统的热交换通道由两根套装配合的管体构成，位于内侧的管体的管腔为所述热交换通道的进气通道，两根所述管体之间形成所述出气通道，两根所述管体的顶部与坩埚形成连通所述进气通道和所述出气通道的所述热交换通道的热交换腔。
[0029]本发明提供的冷却气体流量控制方法中，通过冷却气体热交换后的温度以及预设传热速率计算冷却气体目标流量，然后将冷却气体当前流量向着趋向于冷却气体目标流量的方向调节。整个调节过程中以预设传热速率为依据，由于传热速率与晶体生长过程中的热交换量相对应，因此以预设速率为依据就相当于以晶体生长过程中的热交换量作为调节冷却气体流量的依据。相比于【背景技术】中以预设流量为依据调节冷却气体流量的方式而言，本发明实提供的方法根据能够代表热交换量大小的预设传热速率对冷却气体流量直接控制，最能够反应热交换法生长晶体的进程，进而能够解决通过冷却气体流量-时间关系曲线调节冷却气体当前流量这一流量控制方式所存在的适应性较差的问题，最终能够提高不同炉体或不同炉次晶体生长的一致性。
【附图说明】
[0030]为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0031]图1是一种典型的采用热交换法进行晶体生长的晶体生长系统示意图；
[0032]图2是本发明实施例一提供的冷却气体流量控制方法流程示意图；
[0033]图3是本发明实施例二提供的冷却气体流量控制方法流程示意图；
[0034]图4是本发明实施例三提供的冷却气体流量控制方法流程示意图；
[0035]图5是本发明实施例四提供的冷却气体流量控制装置的结构示意图；
[0036]图6是本发明实施例四提供的热交换晶体生长系统的部分结构示意图；
[0037]图7是本发明实施例五提供的冷却气体流量控制装置的结构示意图。
[0038]上图1和图6中:
[0039]炉体1、上保温层2、发热体3、侧保温层4、下保温层5、热交换套管6、坩埚7、观察通孔8、观察窗9、