適用于高溫氧化物晶體生長的輔助監測系統技術方案

本發明專利技術涉及一種適用于高溫氧化物晶體生長的輔助監測系統，包括：夾持籽晶的籽晶夾持單元；設計為與所述籽晶夾持單元和所述籽晶絕緣的生長爐，所述生長爐容納有用于生長晶體的熔體；以及一端連接到所述籽晶夾持單元，并且另一端連接到所述生長爐的電容監測單元，所述電容監測單元用于在晶體生長過程中監測隨著晶體和熔體的相對比例變化而變化的電容值而輸出電容信號。在晶體生長過程中，晶體和熔體的比例不斷變化，由于熔體和晶體的介電常數不同，晶體生長過程中測得的電容值不同，從而監控電容值可以即時監控晶體和熔體混合物的介電常數，進而推導出晶體和熔體的比例，在一定程度上可即時反饋晶體生長狀況，從而可以輔助監控晶體的生長狀況。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于晶體生長監測技術，涉及單晶爐中的晶體生長過程的監測系統。具體涉及，利用電容信號的變化監測高溫氧化物晶體生長的系統和方法。
技術介紹
到目前為止，提拉法、泡生法、助溶劑法等晶體生長過程的反饋監測主要通過兩個途徑:光學孔觀察法和稱重法。光學孔觀察法是通過構造一個或多個由外爐殼直接通向晶體生長區域的光路，通過人眼或CCD采集爐內的圖像信息而反映晶體生長狀況的監測方法，該方法在晶體生長過程中起著至關重要的作用。目前，在提拉法、泡生法、助溶劑法等晶體生長過程中，普遍需要光學孔觀察來完成下種過程。此外，該方法還可應用在晶體直徑的測量上。很多重要的工業應用晶體的ADC (自動直徑控制)技術都是依賴于光學孔觀察法得到的數據。然而光學孔觀察法在高溫氧化物晶體(熔點大于1900°C)生長的應用卻受到限制。一方面，由于生長過程在高溫條件下進行，要求爐體具有較高的隔熱條件。一般需要在坩堝周圍的各個位置都安置多層的隔熱屏。而開辟觀察光路需要穿破多層的隔熱屏，于是觀察孔的安置勢必會使得局部的隔熱環境發生突變，從而破壞了溫場的對稱性。為了盡可能降低這樣的破壞，一般觀察孔的尺寸都會做得盡量較小，而這樣又將引起觀察的不便和觀察范圍的受限，觀察孔可反饋的信息也大大減少。比如在泡生法藍寶石晶體的生長過程中，由于尺寸較小，觀察孔僅能在引晶階段提供有用的圖像信息。另一方面，高溫條件下熔體和發熱體會輻射很強的光，對于半透明的氧化物晶體材料，強光的干擾將降低了采集圖像的對比度，進一步限制了采集圖像數據的可靠性。在生長的過程中，可能由于觀察不便，導致長晶操作失誤，影響晶體的質量，嚴重時可能引發事故。目前觀察孔法在監測高溫氧化物晶體生長過程中存在許多不足。因此，有必要發展一種有效的輔助手段而對其進行彌補。
技術實現思路
面對現有技術存在的問題，本專利技術的目的是提供一種氧化物晶體生長過程的輔助監測系統，該系統可以輔助傳統的晶體生長監測方法，彌補觀察孔法在特殊條件下的缺陷，為晶體生長提供更多有價值的參考數據。本專利技術提供一種適用于高溫氧化物晶體生長的輔助監測系統，包括:夾持籽晶的籽晶夾持單元；設計為與所述籽晶夾持單元和所述籽晶絕緣的生長爐，所述生長爐容納有用于生長晶體的熔體；以及一端連接到所述籽晶夾持單元，并且另一端連接到所述生長爐的電容監測單元，所述電容監測單元用于在晶體生長過程中監測隨著晶體和熔體的相對比例變化而變化的電容值而輸出電容信號。在本專利技術中，將籽晶夾持單元和生長爐進行絕緣設計，使兩者構成一個電容器，其中籽晶和籽晶夾持單元為電容器的一極，生長爐為電容器的另一極，位于這兩極之間的氧化物晶體和熔體作為介電體，在晶體生長過程中，晶體和熔體的比例不斷變化，由于熔體和晶體的介電常數不同，晶體生長過程中測得的電容值不同，從而監控電容值可以即時監控晶體和熔體混合物的介電常數，進而推導出晶體和熔體的比例，這樣在一定程度上可即時反饋晶體生長狀況，從而可以輔助監控晶體的生長狀況。例如將本專利技術提供的輔助監控系統結合傳統的光學觀察法，一定程度上解決了由于觀察孔尺寸限制而導致的反饋信息不足的缺陷。此外本專利技術提供的輔助監控系統還可以輔助結合稱重法使用。本專利技術中，所述輔助監測系統還可包括與所述電容監測單元通信連接的數據處理單元，所述數據處理單元將所述電容監測單元輸出的電容信號轉變為反應晶體生長狀況的數據。其中，反應晶體生長狀況的數據可包括晶體生長速度、晶體體積(晶體體積可以通過晶體質量除以晶體密度計算)和晶體質量。較佳地，所述數據處理單元包括濾波調制裝置以去除電磁場干擾并將來自所述電容監測單元的電容信號轉變為電壓信號。 較佳地，所述輔助監測系統還包括與所述數據處理單元通信連接的用于測量所述熔體的溫度的測溫單元，所述數據處理單元根據所述測溫單元測得的溫度校正來自所述電容監測單元的電容信號。這樣，可以去除由于溫度變化導致的晶體與熔體的介電常數的變化對電容值的影響。本專利技術中，所述籽晶夾持單元包括籽晶桿和籽晶夾頭。附圖說明圖1示意性示出本專利技術的晶體生長的輔助監測系統； 圖2示意性示出用于絕緣設計的絕緣塊； 圖3示出電容隨晶體生長時間變化的示意 圖4不出電容和晶體質量之間的關系不意圖。具體實施例方式以下，參照附圖，并結合下述實施方式進一步說明本專利技術。應理解這些實施方式和實施例僅用于說明本專利技術，而不用于限制本專利技術。本專利技術采用的技術方案是:通過一定的設計，使得籽晶夾持單元(例如籽晶提拉設備，具體地，例如籽晶桿、籽晶夾具)和籽晶與生長爐(包括整個爐體和其他附屬設備，例如加熱設備)絕緣，以上部分(籽晶夾持單元)與爐體構成一個電容器。氧化物晶體和熔體作為介電體，其生長過程可以看作是晶體與熔體比例不斷變化的過程，由于熔體與晶體的介電常數不同，晶體生長的過程會導致上述電容值的改變，通過監測電容值的變化，可即時反映長晶狀況，從而為長晶控制提供更多有價值的信息。參見圖1，其示意性示出本專利技術的晶體生長的輔助監測系統的一個示例。該示例的晶體生長的輔助監測系統包括籽晶桿和籽晶夾具I以及坩堝3等爐體部分，通過絕緣設計，使得籽晶桿和籽晶夾具I與坩堝3等爐體的其他部分絕緣，從而構成一個電容器。又參見圖2，籽晶桿、籽晶夾具以及籽晶桿傳動裝置，通過絕緣塊5和絕緣塊6與整個爐體保持絕緣。在這里，采用絕緣塊5、6進行絕緣，但僅是示例，其他可用的絕緣設計也是可行。絕緣塊5、6可采用常規絕緣材料制備。籽晶2位于籽晶桿和籽晶夾具I的下端，坩堝3中容納有用于晶體生長的熔體。在這里示出以籽晶桿和籽晶夾具I作為籽晶夾持單元，但應理解不限于此。在該示例中坩堝3作為用于提拉法的生長爐示出，但也應理解，本專利技術的系統還可用于其他晶體生長法，例如泡生法、助溶劑法等。在該示例中，通過加熱單元(未圖示)將構成晶體的原料放在坩堝中加熱熔化形成熔體，通過加熱單元可以調整爐內溫度場，使熔體上部處于過冷狀態；然后讓安放在籽晶桿的籽晶接觸過冷的熔體表面，待籽晶表面稍熔后，提拉并轉動籽晶桿，使熔體處于過冷狀態而結晶于籽晶上，在不斷提拉和旋轉過程中，生長出圓柱狀晶體。加熱單元可由加熱、保溫、控溫三部分構成。最常用的加熱裝置分為電阻加熱和高頻線圈加熱兩大類。采用電阻加熱，方法簡單，容易控制。保溫裝置通常采用金屬材料以及耐高溫材料等做成的熱屏蔽罩和保溫隔熱層。控溫裝置主要由傳感器等進行測溫、操作和控制。坩堝3的材料要求化學性質穩定、純度高，高溫下機械強度高，熔點要高于原料的熔點200°C左右。常用的坩堝材料為鉬、銥、鑰、石墨、二氧化硅或其它高熔點氧化物。其中優選鉬、銥和鑰主等要用于生長氧化物類晶體的坩堝材料。通過傳動單元(未圖示)使安放籽晶的籽晶桿旋轉和升降。本專利技術的輔助監控系統還包括一端連接到籽晶桿和籽晶夾具1，另一端連接到坩堝3等爐體部分的電容信號檢測儀4用于檢測以籽晶桿和籽晶夾具I為一極以坩堝3等爐體部分為另一極的電容的電容值。由于隨著晶體與熔體的接觸和生長，作為介電體的晶體和熔體的比例會發生變化，而使該電容的介電體的介電常數發生變化，因此檢測的電容值會發生變化，從而通過監控電容值可以在一定程度上表征晶體的生長狀況。例如，在引晶放肩過程中，籽晶在接觸到熔體的一瞬間勢必會引發電容信號的突變。信號在該過程的突變可以提供給操作人員籽晶接觸本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種適用于高溫氧化物晶體生長的輔助監測系統，其特征在于，包括：夾持籽晶的籽晶夾持單元；設計為與所述籽晶夾持單元和所述籽晶絕緣的生長爐，所述生長爐容納有用于生長晶體的熔體；以及一端連接到所述籽晶夾持單元，并且另一端連接到所述生長爐的電容監測單元，所述電容監測單元用于在晶體生長過程中監測隨著晶體和熔體的相對比例變化而變化的電容值而輸出電容信號。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：李紅軍，陳偉超，唐慧麗，徐軍，錢小波，胡克艷，王靜雅，汪傳勇，吳鋒，唐飛，
申請(專利權)人：中國科學院上海硅酸鹽研究所，
類型：發明
國別省市：