熱交換晶體生長(zhǎng)系統(tǒng)、冷卻氣體流量控制方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及晶體生長(zhǎng)技術(shù)領(lǐng)域，更為具體地說(shuō)，涉及一種冷卻氣體流量控制方法及裝置，本發(fā)明還涉及一種包括上述冷卻氣體流量控制裝置的熱交換晶體生長(zhǎng)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]自下而上方向生長(zhǎng)晶體(例如藍(lán)寶石)的方法有多種，例如熱交換法、坩堝下降法、溫梯法等。其中，熱交換法以其自動(dòng)化程度高、熱場(chǎng)穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)、對(duì)人工依賴(lài)較低等優(yōu)勢(shì)成為晶體生長(zhǎng)的主要方法。
[0003]請(qǐng)參考附圖1，圖1是一種典型的采用熱交換法進(jìn)行晶體生長(zhǎng)的熱交換晶體生長(zhǎng)系統(tǒng)示意圖。圖1所示的熱交換晶體生長(zhǎng)系統(tǒng)包括爐體1、上保溫層2、發(fā)熱體3、側(cè)保溫層4、下保溫層5、熱交換套管6、坩堝7、觀察通孔8和觀察窗9。其中，上保溫層2、下保溫層5和側(cè)保溫層4形成用于容納坩堝7的加熱腔。發(fā)熱體3設(shè)置在加熱腔中，且位于側(cè)保溫層4的內(nèi)壁和坩堝7的側(cè)壁之間，用于對(duì)坩堝7加熱。上保溫層2設(shè)置有觀察通孔8，操作人員可以通過(guò)位于爐體1頂部的觀察窗9和上保溫層2上的觀察通孔8觀察坩堝7內(nèi)的晶體生長(zhǎng)情況。熱交換套管6自所述爐體1的底部依次穿過(guò)爐體1和下保溫層5直抵坩堝7的底部，熱交換套管6由相互套設(shè)的兩個(gè)管體組成以形成熱交換通道。其中，熱交換通道包括進(jìn)氣通道61、出氣通道62以及連通兩者的熱交換腔(圖1中與坩堝7接觸的空間)。冷卻氣體(例如氦氣)通過(guò)進(jìn)氣通道61進(jìn)入到熱交換腔后與坩堝7底部換熱，然后從出氣通道62排出。上述晶體生長(zhǎng)系統(tǒng)通過(guò)冷卻氣體的冷卻作用帶走晶體生長(zhǎng)所釋放出來(lái)的潛熱，從而促進(jìn)晶體的不停生長(zhǎng)，直至長(zhǎng)晶完成。在熱交換長(zhǎng)晶的過(guò)程中，冷卻氣體流量隨時(shí)間的變化對(duì)于晶體生長(zhǎng)質(zhì)量和生長(zhǎng)效率至關(guān)重要。
[0004]目前，冷卻氣體流量控制通過(guò)試驗(yàn)確定出的冷卻氣體流量-時(shí)間關(guān)系曲線實(shí)現(xiàn)，即通過(guò)基本固定的冷卻氣體流量-時(shí)間關(guān)系曲線控制各個(gè)爐臺(tái)及同一爐臺(tái)不同爐次的晶體生長(zhǎng)。但是，由于不同爐臺(tái)或不同爐次之間設(shè)備、熱場(chǎng)、原料、裝爐方式、熱交換系統(tǒng)存在差異，而且不同爐臺(tái)或不同爐次內(nèi)晶體生長(zhǎng)的熱歷史也不盡相同，因此通過(guò)冷卻氣體流量-時(shí)間關(guān)系曲線控制冷卻氣體的流量進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)晶體生長(zhǎng)的控制存在很強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)性，無(wú)法適應(yīng)不同爐臺(tái)或不同爐次的差異化對(duì)晶體生長(zhǎng)帶來(lái)的影響，最終導(dǎo)致不同爐臺(tái)或不同爐次所生長(zhǎng)的晶體一致性較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]一方面，本發(fā)明提供了一種冷卻氣體流量控制方法，以解決目前通過(guò)冷卻氣體流量-時(shí)間關(guān)系曲線控制冷卻氣體的流量進(jìn)而導(dǎo)致晶體生長(zhǎng)存在的適應(yīng)性和一致性較差的問(wèn)題。
[0006]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
[0007]冷卻氣體流量控制方法，用于熱交換晶體生長(zhǎng)系統(tǒng)的冷卻氣體流量控制，包括以下步驟:
[0008]11)獲取冷卻氣體熱交換后的溫度以及冷卻氣體當(dāng)前流量；
[0009]12)根據(jù)所述冷卻氣體熱交換后的溫度和預(yù)設(shè)傳熱速率計(jì)算冷卻氣體目標(biāo)流量，所述冷卻氣體目標(biāo)流量Fn = 22.4*q/ {C*m* (Τη-Τ0)},其中，q是預(yù)設(shè)傳熱速率，C是冷卻氣體的比熱容，Τη是冷卻氣體熱交換后的溫度，TO是冷卻氣體熱交換前的溫度，m是冷卻氣體的摩爾質(zhì)量；
[0010]13)調(diào)節(jié)所述冷卻氣體當(dāng)前流量趨向于所述冷卻氣體目標(biāo)流量。
[0011]優(yōu)選的，上述冷卻氣體流量控制方法中，步驟12)和步驟13)之間還包括:
[0012]21)計(jì)算所述冷卻氣體當(dāng)前流量與所述冷卻氣體目標(biāo)流量的差值；
[0013]22)根據(jù)所述差值確定與所述差值相對(duì)應(yīng)的流量調(diào)節(jié)幅度，所述流量調(diào)節(jié)幅度與所述差值的絕對(duì)值成正比。
[0014]優(yōu)選的，上述冷卻氣體流量控制方法中，步驟21)和步驟22)之間還包括:
[0015]33)判斷所述差值是否大于設(shè)定值，若是，則進(jìn)入步驟22)，否則，結(jié)束操作。
[0016]優(yōu)選的，上述冷卻氣體流量控制方法中，，周期性地獲取冷卻氣體熱交換后的溫度以及冷卻氣體當(dāng)前流量。
[0017]另一方面，本發(fā)明還提供了一種冷卻氣體流量控制裝置，用于熱交換晶體生長(zhǎng)系統(tǒng)的冷卻氣體流量控制，所提供的冷卻氣體流量控制裝置包括:
[0018]設(shè)置在所述熱交換晶體生長(zhǎng)系統(tǒng)的熱交換通道的出氣通道內(nèi)，用于獲取冷卻氣體熱交換后的溫度的溫度獲取單元；
[0019]用于獲取冷卻氣體當(dāng)前流量的流量檢測(cè)單元；
[0020]與所述溫度獲取單元相連的第一計(jì)算單元，所述第一計(jì)算單元用于根據(jù)所述冷卻氣體熱交換后的溫度和預(yù)設(shè)傳熱速率計(jì)算冷卻氣體目標(biāo)流量，所述冷卻氣體目標(biāo)流量Fn=22.4*q/{C*m*(Tn-T0)}，其中，q是預(yù)設(shè)傳熱速率，C是冷卻氣體的比熱容，Τη是冷卻氣體熱交換后的溫度，Τ0是冷卻氣體熱交換前的溫度，m是冷卻氣體的摩爾質(zhì)量；
[0021]用于調(diào)節(jié)所述冷卻氣體當(dāng)前流量趨向于所述冷卻氣體目標(biāo)流量的控制單元。
[0022]優(yōu)選的，上述冷卻氣體流量控制裝置中，還包括:
[0023]第二計(jì)算單元，用于計(jì)算所述冷卻氣體當(dāng)前流量與所述冷卻氣體目標(biāo)流量的差值；
[0024]確定單元，用于根據(jù)所述差值確定與所述差值相對(duì)應(yīng)的流量調(diào)節(jié)幅度，所述流量調(diào)節(jié)幅度與所述差值的絕對(duì)值成正比。
[0025]優(yōu)選的，上述冷卻氣體流量控制裝置中，所述溫度獲取單元設(shè)置在所述出氣通道靠近所述熱交換通道的熱交換腔的一端。
[0026]優(yōu)選的，上述冷卻氣體流量控制裝置中，所述溫度獲取單元包括均勻分布在所述出氣通道橫截面上的多個(gè)溫度計(jì)以及與多個(gè)所述溫度計(jì)相連的第三計(jì)算單元，所述第三計(jì)算單元用于取多個(gè)所述溫度計(jì)的檢測(cè)數(shù)據(jù)的均值作為所述冷卻氣體熱交換后的溫度。
[0027]熱交換晶體生長(zhǎng)系統(tǒng)，所述熱交換晶體生長(zhǎng)系統(tǒng)具有上任意一項(xiàng)所述的冷卻氣體流量控制裝置。
[0028]優(yōu)選的，上述熱交換晶體生長(zhǎng)系統(tǒng)中，所述熱交換晶體生長(zhǎng)系統(tǒng)的熱交換通道由兩根套裝配合的管體構(gòu)成，位于內(nèi)側(cè)的管體的管腔為所述熱交換通道的進(jìn)氣通道，兩根所述管體之間形成所述出氣通道，兩根所述管體的頂部與坩堝形成連通所述進(jìn)氣通道和所述出氣通道的所述熱交換通道的熱交換腔。
[0029]本發(fā)明提供的冷卻氣體流量控制方法中，通過(guò)冷卻氣體熱交換后的溫度以及預(yù)設(shè)傳熱速率計(jì)算冷卻氣體目標(biāo)流量，然后將冷卻氣體當(dāng)前流量向著趨向于冷卻氣體目標(biāo)流量的方向調(diào)節(jié)。整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程中以預(yù)設(shè)傳熱速率為依據(jù)，由于傳熱速率與晶體生長(zhǎng)過(guò)程中的熱交換量相對(duì)應(yīng)，因此以預(yù)設(shè)速率為依據(jù)就相當(dāng)于以晶體生長(zhǎng)過(guò)程中的熱交換量作為調(diào)節(jié)冷卻氣體流量的依據(jù)。相比于【背景技術(shù)】中以預(yù)設(shè)流量為依據(jù)調(diào)節(jié)冷卻氣體流量的方式而言，本發(fā)明實(shí)提供的方法根據(jù)能夠代表熱交換量大小的預(yù)設(shè)傳熱速率對(duì)冷卻氣體流量直接控制，最能夠反應(yīng)熱交換法生長(zhǎng)晶體的進(jìn)程，進(jìn)而能夠解決通過(guò)冷卻氣體流量-時(shí)間關(guān)系曲線調(diào)節(jié)冷卻氣體當(dāng)前流量這一流量控制方式所存在的適應(yīng)性較差的問(wèn)題，最終能夠提高不同爐體或不同爐次晶體生長(zhǎng)的一致性。
【附圖說(shuō)明】
[0030]為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。
[0031]圖1是一種典型的采用熱交換法進(jìn)行晶體生長(zhǎng)的晶體生長(zhǎng)系統(tǒng)示意圖；
[0032]圖2是本發(fā)明實(shí)施例一提供的冷卻氣體流量控制方法流程示意圖；
[0033]圖3是本發(fā)明實(shí)施例二提供的冷卻氣體流量控制方法流程示意圖；
[0034]圖4是本發(fā)明實(shí)施例三提供的冷卻氣體流量控制方法流程示意圖；
[0035]圖5是本發(fā)明實(shí)施例四提供的冷卻氣體流量控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036]圖6是本發(fā)明實(shí)施例四提供的熱交換晶體生長(zhǎng)系統(tǒng)的部分結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037]圖7是本發(fā)明實(shí)施例五提供的冷卻氣體流量控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0038]上圖1和圖6中:
[0039]爐體1、上保溫層2、發(fā)熱體3、側(cè)保溫層4、下保溫層5、熱交換套管6、坩堝7、觀察通孔8、觀察窗9、