一種高精度自動化光電晶體提拉爐的製作方法

2023-08-13 08:58:11 1

專利名稱：一種高精度自動化光電晶體提拉爐的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光電晶體提拉爐，尤其涉及一種高精度自動化光電晶體提 拉爐。
背景技術：
人工晶體在科學技術和工業生產領域中起到越來越重要的作用，而人工晶 體的製備設備和製備技術，成為了制約人工晶體產量和質量的主要瓶頸。最先 進的人工晶體製備技術掌握在美國、德國、法國等發達國家手中，他們的晶體 提拉設備自動化程度高，易於實現批量生產，生產的晶體質量也很高，但是其 價格昂貴。目前世界上比較先進的晶體提拉主要面向單晶矽生長，適用於光電 晶體生長的自動化提拉設備還比較少見。國內有少數企業也可以提供光電晶體 提拉設備，但技術水平低下，均沒有實現真正的全程自動化控制，功能單一， 對操作人員的專業水平要求很高，其產品質量也普遍較低，大規模生產的能力 非常薄弱。

發明內容
針對現有技術的缺點，本發明的目的是提供一種高精度自動化光電晶體提 拉爐。
為實現上述目的，本發明的技術方案為 一種高精度自動化光電晶體提拉 爐，包括爐體、設於爐體內且裝有熔融晶體的坩堝及用於提拉晶體的提拉杆， 還包括對坩堝進行加熱的加熱模塊、實時測量坩堝溫度的測溫模塊、根據鉗堝 測量的溫度控制加熱模塊的溫控模塊、調節提拉杆速度的提拉模塊、調節提拉 杆旋轉速度的旋轉模塊、對坩堝內剩餘晶體重量作監控的監控模塊及通過總線 和通信協議與各個模塊相連接的控制系統。
各個模塊均設有一用於控制與維護本模塊的控制子模塊，且控制子模塊與控制系統通過總線交互數據。
該旋轉模塊還包括旋轉電機及其驅動電路，旋轉電機將其實際轉速形成反 饋電壓反饋至控制子模塊，當控制子模塊檢測到實際轉速與預設值不同時，則 將旋轉電機轉速調整至預設值內。
該提拉模塊還包括提拉電機及其驅動電路，提拉模塊的控制子模塊中設有 用於監控提拉電機位移的光柵尺，當控制子模塊檢測到實際提拉速度與預設值 不同時，則將提拉電機速度調整至預設值內。
該溫控模塊為精確度小於或等於0. 1攝氏度的溫控儀器。該測溫模塊採用 各種類型熱電偶。
該加熱模塊包括對坩堝進行非接觸式加熱的中頻線圈及連接至中頻線圈的 中頻電源。
該監控模塊包括設於坩堝下方用於稱量爐體內晶體重量的電子秤及與電子 秤連接的單片機驅動電路，該坩堝設於抵壓在電子秤上的絕熱支架上。
該監控模塊包括將中頻線圈加熱功率波動產生的電子秤讀數誤差進行過濾 的濾波單元。
該控制系統還包括與各個模塊相互傳輸參數的輸入輸出單元、對製備參數 進行記錄的數據記錄單元、將各參數進行顯示的顯示單元、用於判斷晶體生長 過程的實際參數是否超過預設保護參數範圍的參數判斷單元及對各參數進行處 理的處理單元。
本發明與現有技術相比具有如下優點和有益效果
本發明的控制系統通過統一的總線和通信協議統一管理各個模塊，實現光 電晶體的全自動化生長；本發明通過高精度的溫控模塊監控坩堝的加熱溫度， 實現溫度的穩定控制，避免由於加熱功率的波動對電子秤造成影響，提高了電 子秤的測量精度。
本發明還提供了顯示單元作為用戶界面，大大降低對操作人員的專業技術 要求；並將晶體提拉生長的經驗數據進行記錄，使得生長過程對人員經驗的要 求大大降低。本發明安全、可靠、方便，允許一位操作人員同時管理多臺設備，從而容 易實現大規模生產。


圖1為本發明的結構示意圖2為本發明的控制原理圖。
具體實施例方式
以下結合附圖對本發明進行詳細的描述。
如圖1及圖2所示，本發明公開了一種高精度自動化光電晶體提拉爐，包 括爐體、設於爐體內且裝有熔融晶體的坩堝及用於提拉晶體的提拉杆，其中， 還包括對坩堝進行加熱的加熱模塊、實時測量坩堝溫度的測溫模塊、根據坩堝 測量的溫度控制加熱模塊的溫控模塊、調節提拉杆速度的提拉模塊、調節提拉 杆旋轉速度的旋轉模塊、對坩堝內剩餘晶體重量作監控的監控模塊及通過總線 和通信協議與各個模塊相連接的控制系統。本發明通過制定統一的通信協議， 通過總線為每一個模塊提供電源和通信接口。其中，該控制系統為PC機，該晶 體為光電晶體。
各個模塊均設有一用於控制與維護本模塊的控制子模塊，且控制子模塊與 控制系統通過總線交互數據。每個控制子模塊均為單片機，負責本模塊的控制 與維護。通過制定通信協議，保證單片機之間，控制子模塊與控制系統之間的 通信互不千擾。每一模塊的控制下模塊作為該模塊的主要控制器，維護該模塊 的常規任務，並且隨時等待控制系統的訪問，與控制系統交互數據。
該控制系統包括與各個模塊相互傳輸參數的輸入輸出單元、對製備參數進 行記錄的數據記錄單元、將各參數進行顯示的顯示單元及對各參數進行處理的 處理單元。所述製備參數包括坩堝的溫度參數、提拉模塊的提拉速度參數、旋 轉模塊的旋轉速度參數、晶體重量參數、加熱功率參數及電子秤讀數。該控制 系統統一管理所有模塊，並且採用智能PID算法，根據晶體生長過程監控的結 果，來調節提拉速度、加熱功率等參數，從而實現晶體的自動化等徑生長和自 動化任意形狀生長。不同的晶體有不同的用途，就要求晶體有不同的幾何尺寸。本發明在該控 制系統上，提供了一個晶體尺寸設計界面，可以設定晶體的尺寸。設定完成之 後，提拉爐就可以針對這些幾何參數，自動生長出晶體。
晶體生長的工藝，對晶體的性能有重要影響，例如加熱速率的快慢，降溫 速率的快慢，溫度和晶體提拉速度如何配合等等，都會影響晶體的幾何形狀和 物理特性。本發明提供了完備的數據記錄機制，能夠把生長過程中的重要物理 參數，如溫度，功率，重量，提拉速度等保存入數據記錄單元，並且以圖形方 式形象化的顯示出來。這一功能是以前任何同類設備所不具備的。在這一數據 的幫助之下，操作者可以查詢以往任何一次製備晶體的記錄，通過仔細分析晶 體生長過程中的物理參數，來研究晶體性質。這一功能的意義至少有兩點對 於晶體新品種的研發工作，分析歷史數據可以幫助研究人員儘快了解晶體性質 和生長過程的關係；對於批量生產而言，歷史數據就是對"工藝"和"經驗" 的數位化記錄。這一功能可以迅速把"經驗"變成數字顯示出來，以實現大規 模批量生產。
晶體生長是一個複雜的動力學過程，迄今為止材料科學理論尚且不能完全 解釋晶體生長中的各種現象。這就要求操作者為晶體生長環境設計一些"保護
參數"，以保證實驗或生產可以安全進行。例如，設定溫度的上限，以保護坩堝 不被融化，不至於發生危險；設定溫度的下限，保證晶體生長過程不會出現過 冷而使得原料凝結，損壞坩堝，等等。 一旦這些保護參數被突破，本發明就認 為"有錯誤發生"，會在顯示單元上出現提示，要求操作者解決。同時會把這些 錯誤記錄起來，方便操作者積累工藝方面的經驗。另外，由於晶體製備所需要 的時間較長， 一般為幾十小時到幾十天不等，隨晶體種類和幾何尺寸不同而改 變，這就要求不同硬體模塊有很強的穩定性和可靠性。在這期間，如果硬體模 塊出現問題，例如通信中斷，或收到錯誤代碼等，也認為"發生了錯誤"。系統 將把整個儀器設置進入安全的狀態，並且提示操作者，請操作者來排除錯誤。 因此該控制系統還包括參數判斷單元，用於判斷晶體生長過程的實際參數是否 超過參數判斷單元所設定的保護參數範圍，是則通過顯示單元顯示，並交由處理單元處理，並發出命令控制相應模塊。該旋轉模塊還包括旋轉電機及其驅動電路，旋轉電機可以在一定的驅動電 壓下轉動，轉動速度因晶體負載多少而不同。同時，旋轉電機提供了反饋電壓， 反饋電壓的高低直接反映了旋轉電機當前的實際轉速。所述旋轉模塊的控制子 模塊檢測旋轉電機的反饋電壓，以獲取其實際轉速。如果檢測到實際轉速與預 設值不同，則馬上將旋轉電機轉速調整至預設值內。該提拉模塊包括提拉電機及其驅動電路，對於晶體生長而言，提拉速度的 控制，比旋轉轉速的控制嚴格得多。這是因為提拉速度會直接影響晶體的長度 和外形。為了解決這一問題，我們在提拉模塊的控制子模塊中使用了高精密度 的光柵尺，並設計了光柵尺的驅動程序。在光柵尺的幫助下我們可以監控提拉 電機微米量級的位移，並且實時計算出提拉速度，並把微米級的位移和速度顯 示在控制系統的顯示單元上。控制系統把實際提拉速度和操作者設定的速度做 比較，如果發現偏差，則對提拉速度作出相應的調整。光柵尺同時起到實時測 量晶體長度的作用。通過讀取光柵尺信號，軟體系統可以實時讀取晶體的生長 長度。當晶體達到了預先設定的生長長度，系統會判斷出生長結束，進入下一 環節。該溫控模塊為高精度溫控模塊，溫控偏差小於加熱模塊，按照指定功率進 行加熱。該測溫模塊採用S型熱電偶。通過溫控模塊內部的PID算法，可以獲 得穩定的溫度和升溫速率。本發明中為驅動溫控模塊設計了控制子模塊，通過 控制子模塊實現了控制系統和溫控模塊之間的通信。我們採用的溫控模塊，可以在室溫到2300攝氏度之間進行溫度控制。溫度控制的精確度可以達到0. 1攝氏度，也就是說，本晶體爐中，爐體的實際溫度和操作者設定的溫度相比，偏差不會超過O. l攝氏度。選用的S型熱電偶，是因為該熱電偶的測溫範圍覆蓋 了室溫到1700度，測溫精度可以達到0. 1度甚至更高。該加熱模塊包括對坩堝進行加熱的中頻線圈及連接至中頻線圈的中頻電 源。該中頻線圈採用非接觸式的加熱方式。正是中頻線圈和坩堝不接觸，塒堝 和內部晶體的重量就可以準確被電子稱測量，為下稱重法提供了可行的機械結構。該監控模塊包括設於坩堝下方用於稱量爐體內晶體重量的電子秤及與電子 秤連接的單片機驅動電路。該坩堝設於抵壓在電子秤上的絕熱支架上。本發明採用大量程、高精度的電子秤作為稱重傳感器。坩堝放在絕熱支架 上面，絕熱支架則壓在電子秤上，於是可以從電子秤上面讀出絕熱支架和柑堝 的總重量。隨著晶體不斷生長，坩堝內材料不斷被消耗，電子秤的讀數會不斷 下降。本發明由於採用了非接觸式的中頻線圈的電磁耦合加熱，所以監控模塊中 的電子秤的讀數會受到中頻電磁場相互作用力的影響。如果中頻加熱功率變化 劇烈，會導致電子秤讀數發生相應的變化，從而無法正確反映晶體生長狀況。 本發明中採用了獨特的機械結構設計和濾波算法設計，配合以高精度的控溫模 塊和適當的環境參數，排除了電磁場對電子秤讀書的影響，使得測量精度可以達到20mg以內，從而保證對晶體生長過程的精準監控。
權利要求
1、一種高精度自動化光電晶體提拉爐，包括爐體、設於爐體內且裝有熔融晶體的坩堝及用於提拉晶體的提拉杆，其特徵在於還包括對坩堝進行加熱的加熱模塊、實時測量坩堝溫度的測溫模塊、根據坩堝測量的溫度控制加熱模塊的溫控模塊、調節提拉杆提拉速度的提拉模塊、調節提拉杆旋轉速度的旋轉模塊、對坩堝內剩餘晶體重量作監控的監控模塊及通過總線和通信協議與各個模塊相連接的控制系統。
2、 根據權利要求l所述的高精度自動化光電晶體提拉爐，其特徵在於各 個模塊均設有一用於控制與維護本模塊的控制子模塊，且控制子模塊與控制系 統通過總線交互數據。
3、 根據權利要求2所述的高精度自動化光電晶體提拉爐，其特徵在於該 旋轉模塊還包括旋轉電機及其驅動電路，旋轉電機將其實際轉速形成反饋電壓 反饋至控制子模塊，當控制子模塊檢測到實際轉速與預設值不同時，則將旋轉 電機轉速調整至預設值內。
4、 根據權利要求2所述的高精度自動化光電晶體提拉爐，其特徵在於該 提拉模塊還包括提拉電機及其驅動電路，提拉模塊的控制子模塊中設有用於監 控提拉電機位移的光柵尺，當控制子模塊檢測到實際提拉速度與預設值不同時， 則將提拉電機速度調整至預設值內。
5、 根據權利要求l所述的高精度自動化光電晶體提拉爐，其特徵在於該 溫控模塊為精確度小於或等於0. 1攝氏度的溫控儀器。
6、 根據權利要求5所述的高精度自動化光電晶體提拉爐，其特徵在於該 測溫模塊為熱電偶。
7、 根據權利要求l所述的高精度自動化光電晶體提拉爐，其特徵在於該 加熱模塊包括對坩堝進行非接觸式加熱的中頻線圈及連接至中頻線圈的中頻電 源。
8 、 根據權利要求l所述的高精度自動化光電晶體提拉爐，其特徵在於該監控模塊包括設於坩堝下方用於稱量爐體內晶體重量的電子秤及與電子秤連接 的單片機驅動電路，該坩堝設於抵壓在設於電子秤上的絕熱支架上。
9、 根據權利要求8所述的高精度自動化光電晶體提拉爐，其特徵在於該 監控模塊包括將中頻線圈加熱功率波動產生的電子秤讀數誤差進行過濾的濾波 爭元。
10、 根據權利要求1至9任一項所述的高精度自動化光電晶體提拉爐，其特徵在於該控制系統包括與各個模塊相互傳輸參數的輸入輸出單元、對製備 參數進行記錄的數據記錄單元、將各參數進行顯示的顯示單元、用於判斷晶體 生長過程的實際參數是否超過預設保護參數範圍的參數判斷單元及對各參數進 行處理的處理單元。
全文摘要
本發明公開了一種高精度自動化光電晶體提拉爐，包括爐體、設於爐體內且裝有熔融晶體的坩堝及用於提拉晶體的提拉杆，還包括對坩堝進行加熱的加熱模塊、實時測量坩堝溫度的測溫模塊、根據坩堝測量的溫度控制加熱模塊的溫控模塊、能調節晶體提拉生長速度的提拉模塊、能調節晶體提拉時旋轉速度的旋轉模塊、對坩堝內剩餘晶體重量作監控的監控模塊及通過總線和通信協議與各個模塊相連接的控制系統。本發明操作方便，測量精度高。
文檔編號C30B15/00GK101660198SQ20091019212
公開日2010年3月3日 申請日期2009年9月8日 優先權日2009年9月8日
發明者周子凡, 李一倫, 林少鵬, 沈文彬, 彪 王 申請人:中山大學