[實用新型]一種自饋式探測熔融晶體固液界面位置的裝置

有效

• 申請號: 201220505930.9
• 申請日: 2012-09-28
• 公開（公告）號: CN202793517U
• 公開（公告）日: 2013-03-13
• 發明（設計）人: 趙波;徐芳華;劉芝;王琤;朱志鈿;高杰
• 申請（專利權）人: 杭州精功機電研究所有限公司
• 主分類號: G01F23/00
• 分類號: G01F23/00;C30B35/00
• 代理公司: 浙江翔隆專利事務所(普通合伙) 33206
• 代理人: 張建青

技術領域

本實用新型涉及晶體制造領域，具體地說是一種自饋式探測熔融晶體固液界面位置的裝置及其探測方法。

背景技術

各種晶體及其相應的制備方法是為了滿足不同行業的需求而產生的。雖然晶體種類繁多，且制造方法各不相同，但其涉及的晶體基本生長原理存在著很大的共性。

目前，制備晶硅、藍寶石等晶體的方法大致可分為泡生法（KY）、提拉法（CZ）、熱交換法（HEM）以及由此衍生的改進方法。在制備上述高質量晶體時，都希望能精準地控制晶體的制備過程，包括熔化速度，晶體生長速度，爐內溫度、壓力以及熔體流動，固液界面的位置及形狀等重要參數；而其中的熔化速度，晶體生長速度，熔體流動，固液界面的位置及形狀是無法用常規傳感器來測量獲得的，故如何獲得這些參數的實時值就成為研發機構、設備制造商及生產廠商的一個重要研究課題。而從應用上說，若能準確實時的測得固液界面高度，就能獲得相應的熔化速度及晶體生長速度。

提拉法（CZ）一般通過測量晶棒直徑作為控制晶體生長速度的重要指標，固液界面位置恒定于液面之下，且形狀相對固定；泡生法（KY）利用籽晶提拉端的稱重來獲得晶體生長速度的參數，基本不用考慮晶體固液界面位置及形狀。

在熱交換法的固液界面測量方案中分為非接觸式和接觸式兩大類，非接觸式對晶體生長干擾較小，典型的有激光和超聲波兩種方法。激光能夠檢測到熔液表面位置，理論上可以通過計算固液相變產生的高度變化推算固液界面位置，但實際上液體表面波動產生的測量誤差可以達到5-8mm，而晶體生長的速度大約為10-12mm/h，熔化速度則更大，誤差的數量級已經和測量值一致，使得結果可信度基本為零。同時高溫下物體本身所發出的可見光波段覆蓋這個熱腔，使激光接收后的信號處理非常困難。超聲波是另一種非接觸測量方法，由于液體不能承受剪力，超聲波能夠穿透熔體至固液界面，并進行反射，通過波形的分離可以得知實際傳播的時長，從而計算固液界面位置。但超聲波具有3個應用難點：第一，傳播受溫度影響極大，而熱場內部的溫度分布極不均勻，并隨時間發生變化，需要多次實驗標定，并且爐腔產能越大，精度越低；第二，開放空間下，超聲波發散性很強，如果要使用該方法，必須利用波導管，波導管的選材和使用壽命將限制該方法的應用；第三，某些晶體需要在真空條件下生長，無法使用超聲波。這些方法從原理上分析都固然有效，但實際工程實現非常困難，或者說代價很高。

目前最普遍的測量固液界面的方法是通過人工直接的插棒法，這種接觸式的具體的實施方法是根據制備晶體的不同，選用難熔、不與晶體熔液反應并且互不浸潤的材料制成棒或作為其它基材的涂層，配以簡單的裝置，在需要時，手持測量棒或手動驅動插棒裝置，直接將棒插入液體內，在棒觸及固體時，迅速做標記，拔起，測量標記點與初始標記點的位置差異，獲得固液界面的位置。直接插棒法固然簡單有效，但此方法非常依賴于操作者的技能，并在精度控制上與操作者的感知程度密切相關，而且存在非常大的安全隱患，因為多數的晶體制備都是在密閉的容器內完成，對爐內氣體、壓力、溫度都有嚴格的要求，外界棒的引入，加以人工的操作，非常容易導致密封的失效而鑄就重大的事故。

發明內容

本實用新型所要解決的技術問題是克服上述現有技術存在的缺陷，提供一種自饋式探測熔融晶體固液界面位置的裝置，可自動探測熔融晶體固液界面位置且測量準確、操作方便。

為此，本實用新型采用如下的技術方案：一種自饋式探測熔融晶體固液界面位置的裝置，包括基座，其特征在于，所述的基座上裝有一驅動桿，該驅動桿上設有一隨驅動桿驅動作上下垂直運動的滑塊，滑塊的一側連接一與其聯動的支座，所述的支座上安裝一上部懸掛在支座上的測量用棒，所述基座的底部上開有用于測量用棒下部貫穿的通孔；一位移傳感器隨支座聯動，當測量用棒上部與支座之間的位置狀態發生變化時，位移傳感器采集數據并產生相應的信號反饋給一用于控制驅動桿動作的控制器。

測量用棒由于重力作用跟隨支座一起向下運動，當碰到固液界面時測量用棒即停止運動，與支座產生分離，通過位移傳感器檢測到二者之間的位置狀態發生變化，得到檢測信號，將信號反饋實現自動控制。