熱交換晶體生長系統(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)明涉及晶體生長技術(shù)領(lǐng)域，更為具體地說，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系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]自下而上方向生長晶體(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，熱交換法以其自動化程度高、熱場穩(wěn)定、壽命長、對人工依賴較低等優(yōu)勢成為晶體生長的主要方法。
[0003]請參考附圖1，圖1是一種典型的采用熱交換法進行晶體生長的熱交換晶體生長系統(tǒng)示意圖。圖1所示的熱交換晶體生長系統(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)的晶體生長情況。熱交換套管6自所述爐體1的底部依次穿過爐體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)的兩個管體組成以形成熱交換通道。其中，熱交換通道包括進氣通道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)通過進氣通道61進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。上述晶體生長系統(tǒng)通過冷卻氣體的冷卻作用帶走晶體生長所釋放出來的潛熱，從而促進晶體的不停生長，直至長晶完成。在熱交換長晶的過程中，冷卻氣體流量隨時間的變化對于晶體生長質(zhì)量和生長效率至關(guān)重要。
[0004]目前，冷卻氣體流量控制通過試驗確定出的冷卻氣體流量-時間關(guān)系曲線實現(xiàn)，即通過基本固定的冷卻氣體流量-時間關(guān)系曲線控制各個爐臺及同一爐臺不同爐次的晶體生長。但是，由于不同爐臺或不同爐次之間設(shè)備、熱場、原料、裝爐方式、熱交換系統(tǒng)存在差異，而且不同爐臺或不同爐次內(nèi)晶體生長的熱歷史也不盡相同，因此通過冷卻氣體流量-時間關(guān)系曲線控制冷卻氣體的流量進而實現(xiàn)對晶體生長的控制存在很強的經(jīng)驗性，無法適應(yīng)不同爐臺或不同爐次的差異化對晶體生長帶來的影響，最終導(dǎo)致不同爐臺或不同爐次所生長的晶體一致性較差。

【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，以解決目前通過冷卻氣體流量-時間關(guān)系曲線控制冷卻氣體的流量進而導(dǎo)致晶體生長存在的適應(yīng)性和一致性較差的問題。
[0006]為了解決上述技術(shù)問題，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)前流量的流量檢測單元；
[0020]與所述溫度獲取單元相連的第一計算單元，所述第一計算單元用于根據(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]第二計算單元，用于計算所述冷卻氣體當(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溫度計以及與多個所述溫度計相連的第三計算單元，所述第三計算單元用于取多個所述溫度計的檢測數(shù)據(jù)的均值作為所述冷卻氣體熱交換后的溫度。
[0027]熱交換晶體生長系統(tǒng)，所述熱交換晶體生長系統(tǒng)具有上任意一項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系統(tǒng)中，所述熱交換晶體生長系統(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，通過冷卻氣體熱交換后的溫度以及預(yù)設(shè)傳熱速率計算冷卻氣體目標(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)。整個調(diào)節(jié)過程中以預(yù)設(shè)傳熱速率為依據(jù)，由于傳熱速率與晶體生長過程中的熱交換量相對應(yīng)，因此以預(yù)設(shè)速率為依據(jù)就相當(dāng)于以晶體生長過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)傳熱速率對冷卻氣體流量直接控制，最能夠反應(yīng)熱交換法生長晶體的進程，進而能夠解決通過冷卻氣體流量-時間關(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)性較差的問題，最終能夠提高不同爐體或不同爐次晶體生長的一致性。
【附圖說明】
[0030]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，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行晶體生長的晶體生長系統(tǒng)示意圖；
[0032]圖2是本發(fā)明實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)明實施例四提供的熱交換晶體生長系統(tǒng)的部分結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037]圖7是本發(fā)明實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、