85kg至120kg藍(lán)寶石晶體生長自動(dòng)化控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了85kg至120kg藍(lán)寶石晶體生長自動(dòng)化控制方法,包括藍(lán)寶石晶體引晶步驟,在單晶爐內(nèi)設(shè)置用于測量晶體重量的電子稱重器,電子稱重器將重量信號(hào)發(fā)送到PLC控制系統(tǒng),藍(lán)寶石晶體引晶完畢后,PLC根據(jù)晶體重量判斷晶體生長過程中所處階段,調(diào)出對應(yīng)階段的工藝參數(shù)包,通過PID調(diào)節(jié);當(dāng)電子稱重器測量晶體凈重超過3kg~5kg后,PLC調(diào)整溫度降幅,控制藍(lán)寶石晶體等徑生長;當(dāng)電子稱重器測量測量晶體重量超過45kg~70kg后,PLC調(diào)整溫度降幅控制藍(lán)寶石晶體生長收尾;當(dāng)PLC計(jì)算加熱器功率降幅超過15%~20%后,自動(dòng)轉(zhuǎn)入到冷卻充氣階段,完成脫鍋,結(jié)束生長。
【專利說明】85kg至120kg藍(lán)寶石晶體生長自動(dòng)化控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于引晶完畢后執(zhí)行的大尺寸藍(lán)寶石晶體生長自動(dòng)化控制技術(shù),特別是一種85kg至120kg藍(lán)寶石晶體生長自動(dòng)化控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]藍(lán)寶石的組成為氧化鋁(A1203),是由三個(gè)氧原子和兩個(gè)鋁原子以共價(jià)鍵型式結(jié)合而成,其晶體結(jié)構(gòu)為六方晶格結(jié)構(gòu).它常被應(yīng)用的切面有A-Plane,C-Plane及R-Plane.由于藍(lán)寶石的光學(xué)穿透帶很寬,從近紫外光(190nm)到中紅外線都具有很好的透光性.因此被大量用在光學(xué)元件、紅外裝置、高強(qiáng)度鐳射鏡片材料及光罩材料上,它具有高聲速、耐高溫、抗腐蝕、高硬度、高透光性、熔點(diǎn)高(2045°C)等特點(diǎn),它是一種相當(dāng)難加工的材料,因此常被用來作為光電元件的材料。目前超高亮度白/藍(lán)光LED的品質(zhì)取決于氮化鎵磊晶(GaN)的材料品質(zhì),而氣化嫁嘉晶品質(zhì)則與所使用的監(jiān)寶石基板表面加工品質(zhì)息息相關(guān),監(jiān)寶石(單晶A1203)C面與II1-V和I1- VI族沉積薄膜之間的晶格常數(shù)失配率小,同時(shí)符合GaN磊晶制程中耐高溫的要求,使得藍(lán)寶石晶片成為制作白/藍(lán)/綠光LED的關(guān)鍵材料。盡管目前藍(lán)寶石生長方法各種各樣,但目前泡生法(Ky法)是缺陷最小,尺寸最易大化的工藝方法。
[0003]泡生法藍(lán)寶石單晶單晶爐,是在高真空爐中,利用電阻加熱,熔化鋁料,利用無缺陷的籽晶接觸液面,并采用旋轉(zhuǎn)改善熔體溫度均勻性,采用提拉增加藍(lán)寶石散熱,并施加一定的功率降率維持晶體的生長,由于此種生長方式具有較小的溫度梯度,而且不與坩堝壁接觸,相對而言,長出的晶體缺陷較少,截至目前,泡生法長出的藍(lán)寶石晶體是最適合的沉底材料。
[0004]目前大尺寸,晶體質(zhì)量高的藍(lán)寶石晶體的工藝如下:
[0005]1將5N的高純藍(lán)寶石原料裝入坩堝中,并將經(jīng)過定向的藍(lán)寶石籽晶裝到單晶爐的籽晶桿上;
[0006]2合上泡生法單晶爐下法蘭蓋,抽真空檢漏;
[0007]3加熱化料,下降籽晶,尋找弓丨晶溫度;
[0008]4上下洗晶,并確保籽晶外表熔去部分晶體;
[0009]5控制提拉和旋轉(zhuǎn),通過觀察窗口觀察晶體逐步長大,拉制長50mm脖子;
[0010]6逐步降低功率,實(shí)現(xiàn)晶體放肩,等徑生長,收尾,冷卻過程;
[0011]分階段對爐腔充氣,待充氣完畢后開爐取出晶體;
[0012]目前大尺寸泡生法藍(lán)寶石晶體生長困難,普遍自動(dòng)化程度不高,其工業(yè)化生產(chǎn)需要大量的技術(shù)人員在現(xiàn)場完成,而且晶體生產(chǎn)過程漫長,人的勞動(dòng)強(qiáng)度巨大,單位人員的生產(chǎn)效率低下。隨著自動(dòng)化控制技術(shù)的成熟以及長晶工藝數(shù)據(jù)的大量積累,泡生法生產(chǎn)的全自動(dòng)化控制技術(shù)成為可能。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0013]發(fā)明目的:本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足,提供一種85kg至120kg藍(lán)寶石晶體生長自動(dòng)化控制方法。
[0014]為了解決上述技術(shù)問題,本發(fā)明公開了一種85kg至120kg藍(lán)寶石晶體生長自動(dòng)化控制方法,包括,藍(lán)寶石晶體引晶步驟,在單晶爐內(nèi)設(shè)置用于測量晶體重量的電子稱重器,電子稱重器將重量信號(hào)發(fā)送到PLC控制系統(tǒng),藍(lán)寶石晶體引晶完畢后,PLC根據(jù)晶體重量判斷晶體生長過程中所處階段,調(diào)出對應(yīng)階段的工藝參數(shù)包,通過PID調(diào)節(jié),將實(shí)際計(jì)算的生長速率與參數(shù)包中的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配,并調(diào)整溫度變化;
[0015]當(dāng)電子稱重器測量晶體凈重超過3kg~5kg后,PLC調(diào)整溫度降幅,控制藍(lán)寶石晶體等徑生長;
[0016]當(dāng)電子稱重器測量測量晶體重量超過45kg~70kg后,PLC調(diào)整溫度降幅控制藍(lán)寶石晶體生長收尾;
[0017]當(dāng)PLC計(jì)算單晶爐加熱器功率降幅超過15%~20%后,自動(dòng)轉(zhuǎn)入到冷卻充氣階段,完成脫鍋,結(jié)束藍(lán)寶石晶體生長。
[0018]本發(fā)明將電子稱重器測量的藍(lán)寶石晶體重量作為控制藍(lán)寶石晶體生長狀態(tài)的基準(zhǔn)點(diǎn),PLC按照放肩的工藝參數(shù)控制晶體生長過程直到晶體重量達(dá)到3kg~5kg后,再進(jìn)入到等徑工藝控制模式;在自動(dòng)放肩階段,按照晶體重量劃分成5個(gè)階段,每個(gè)階段控制生長速率在一定范圍內(nèi),PLC對比實(shí)際值和設(shè)定值,調(diào)節(jié)功率;
[0019]在進(jìn)入到等徑狀態(tài),同樣按照重量的不同劃分成3個(gè)階段,每個(gè)階段有不同的速率設(shè)定值,PLC按照預(yù)定的程序調(diào)節(jié)溫度速率來控制生長狀態(tài)在可控范圍內(nèi);
[0020]在重量達(dá)到45kg~`70kg后PLC自動(dòng)進(jìn)入到收尾階段,PLC按照預(yù)定的程序加快降溫速率,同時(shí)啟動(dòng)脫鍋程序,防止晶體重量超過籽晶承受的極限;
[0021]PLC計(jì)算功率降幅超過20%后,便進(jìn)入到預(yù)先設(shè)定的冷卻工藝階段,當(dāng)運(yùn)行完設(shè)定的工藝時(shí)間后,PLC切入到充氣工藝過程,直到開爐。
[0022]本發(fā)明在大尺寸晶體單晶爐上設(shè)計(jì)高精度雙稱重系統(tǒng),根據(jù)測得的晶體重量判斷晶體所處階段,然后引入各階段的工藝參數(shù)控制包來控制晶體生長的狀態(tài),如控制系統(tǒng)檢測到諸如粘鍋、斷水等預(yù)先設(shè)置突發(fā)異常情況,系統(tǒng)將自動(dòng)根據(jù)預(yù)設(shè)的處理程序緊急動(dòng)作。其特征在于:根據(jù)稱重系統(tǒng)測量的凈重,判斷晶體生長所處階段。在縮頸完畢后在系統(tǒng)進(jìn)入到自動(dòng)生長階段后,當(dāng)晶體重量達(dá)到3kg-5kg之前,系統(tǒng)根據(jù)放肩階段的工藝參數(shù)包進(jìn)行控制;當(dāng)檢測到放肩完成后,控制系統(tǒng)調(diào)入等徑的工藝參數(shù)包繼續(xù)控制晶體生長狀態(tài);當(dāng)檢測晶體重量達(dá)到45kg-70kg,系統(tǒng)結(jié)束等徑控制模式,進(jìn)入到收尾控制模式;當(dāng)檢測到功率降幅達(dá)15%-20%,系統(tǒng)進(jìn)入到冷卻并啟動(dòng)脫鍋程序。在每個(gè)階段運(yùn)行完畢后,發(fā)出切入到其他狀態(tài)的信號(hào),并自動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,直到運(yùn)行完充氣程序,等待開爐,取晶體。在以上各個(gè)階段中,自動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)各階段的實(shí)際測量參數(shù)來匹配工藝參數(shù)包中的參數(shù),靠PLC的PID控制模式調(diào)節(jié)功率輸出以達(dá)到預(yù)定的參數(shù)控制。同時(shí)我們根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)過程出現(xiàn)諸如粘鍋、觸底、斷籽晶、斷電、斷水等特殊情況,預(yù)先設(shè)置處理方案,當(dāng)設(shè)備檢測到以上異常,將自動(dòng)做出判斷,按照設(shè)置好的程序做緊急處理。
[0023]本發(fā)明采用本發(fā)明85kg_120kg藍(lán)寶石晶體生長自動(dòng)化控制技術(shù),保證了晶體品質(zhì)的穩(wěn)定性,大大降低對人的要求,節(jié)省大量的人力物力,縮減生產(chǎn)成本,為藍(lán)寶石晶體的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)提供了可能性。本發(fā)明最大的特點(diǎn)是考慮了藍(lán)寶石特殊的物理化學(xué)性質(zhì),采用大慣性生長系統(tǒng)的控制方式,預(yù)先設(shè)置了經(jīng)過實(shí)際檢驗(yàn)過的生長模型及工藝參數(shù)包,同時(shí)對生產(chǎn)過程中容易出現(xiàn)的緊急情況本系統(tǒng)也會(huì)自動(dòng)采取相應(yīng)措施,減少損失。
[0024]本發(fā)明針對現(xiàn)有晶體自動(dòng)化程度不高,工藝重復(fù)性差,產(chǎn)品質(zhì)量一致性不好等缺點(diǎn),提供一種高效可靠的自動(dòng)化控制方式,該技術(shù)可以避免采用大量的人力來完成生產(chǎn)、檢測作業(yè)、監(jiān)控,為工業(yè)化生產(chǎn)節(jié)省大量的人力成本,確保了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性。因此采用本發(fā)明,可以為生產(chǎn)管理提供更有效率的控制方式,更低的勞動(dòng)成本,更好好的產(chǎn)品品質(zhì)。
[0025]有益效果:本發(fā)明根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)及藍(lán)寶石晶體生長理論建立一套適合大尺寸晶體生長的控制模型,該模型成功適用于類似大尺寸藍(lán)寶石等大熱慣性的生長系統(tǒng)。該藍(lán)寶石生長自動(dòng)化控制技術(shù)還考慮到了粘鍋、觸底、斷籽晶、斷電、真空泄露等各種實(shí)際生產(chǎn)中容易出現(xiàn)的異常情況,并預(yù)先設(shè)置應(yīng)急處理方案,適應(yīng)了大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)藍(lán)寶石的實(shí)際需要。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明做更進(jìn)一步的具體說明,本發(fā)明的上述和/或其他方面的優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更加清楚。
[0027]圖1是本發(fā)明自動(dòng)控制原理示意圖。
[0028]圖2是本發(fā)明劃分晶體各生長階段的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]如圖1和圖2所示,本發(fā)明公開了 85kg至120kg藍(lán)寶石晶體生長自動(dòng)化控制方法,本發(fā)明根據(jù)晶體生長速率情況,經(jīng)過一定算法,自動(dòng)調(diào)整熱場內(nèi)部熱量定向傳輸而完成晶體生產(chǎn)的自動(dòng)化控制技術(shù),其特征在于:整個(gè)晶體生產(chǎn)過程中,除需要人輔助裝卸料外、弓丨晶外,其它所有的工藝過程諸如放肩、等`徑、收尾、冷卻、充氣全部由電腦自動(dòng)依次運(yùn)行。在引晶完畢后,將放肩過程按照重量分作5個(gè)階段,針對不同的階段設(shè)置相應(yīng)的生長速率,通過PLC對比實(shí)際測得速率與各階段的速率值,通過PID調(diào)節(jié)溫度降率。在PLC測量到放肩完畢后,PLC自動(dòng)從數(shù)據(jù)庫中調(diào)出等徑階段的控制模式,同樣對比實(shí)際生長速率與設(shè)定生長速率,通過PLC調(diào)節(jié)溫度降率,以達(dá)到控制晶體質(zhì)量和晶體外形的目的。在稱重傳感器測量到晶體重量達(dá)到45kg-70kg后,PLC將調(diào)出收尾階段的工藝參數(shù),直到PLC計(jì)算功率降幅超過15%-20%后,便自動(dòng)切入到設(shè)定好的冷卻工藝程序里。在冷卻過程中電機(jī)會(huì)根據(jù)脫鍋情況上下運(yùn)動(dòng),直到晶體完全脫鍋。在運(yùn)行完冷卻程序后,PLC自動(dòng)轉(zhuǎn)換到充氣程序,直到開爐。如果控制系統(tǒng)檢測到異常情況,設(shè)備自動(dòng)按照預(yù)先設(shè)置好的程序緊急動(dòng)作,保護(hù)設(shè)備。采用本發(fā)明85kg-120kg藍(lán)寶石晶體生長自動(dòng)化控制技術(shù),保證了晶體品質(zhì)的穩(wěn)定性,大大降低對人的要求,節(jié)省大量的人力物力,縮減生產(chǎn)成本,為藍(lán)寶石晶體的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)提供了可能性。
[0030]本發(fā)明晶體單晶爐的自動(dòng)化控制技術(shù)的具體實(shí)施步驟如下:
[0031]1、用酒精,無塵布,銅絲刷,工業(yè)吸塵器等清理爐膛,保溫層;
[0032]2、在專用潔凈室將純度為5N氧化鋁餅料裝到鎢坩堝內(nèi),裝完畢后蓋干凈塑料布待用;[0033]3、將裝滿料的坩堝裝入爐腔內(nèi),完成籽晶桿對中后合爐,抽真空檢漏;
[0034]4、根據(jù)原料狀態(tài)不同,輸入熔料配方,化料;
[0035]5、化料后適當(dāng)降部分功率,保持熔體在高溫下恒溫3-5小時(shí);
[0036]6、打開攝像頭,調(diào)節(jié)氬氣流量到0.002L/min ;
[0037]7、下降籽晶,并根據(jù)液流線、浮島、籽晶、熱電偶等判斷熔體引晶溫度是否合適;
[0038]8、設(shè)置5-10mm的步進(jìn)距離,埋入籽晶10_50mm,上下步進(jìn),確定融掉少許籽晶;
[0039]9、將洗干凈的那部分桿晶埋入溶體5-30mm,重量清零,恒定5_10鐘,如果桿晶長粗2-5mm,認(rèn)為溫度合適。當(dāng)長的太快,則加200-500瓦,恒溫l_2h,重新洗晶,生長;當(dāng)長的太慢或不長,則減少100-300瓦,繼續(xù)等待,直到生長速度合適;
[0040]10、當(dāng)判斷生長速度合適,設(shè)置2mm/h的提拉速度,并伴有5_15min/次/2mm的步進(jìn)提拉,直到拉完30-70mm的細(xì)勁后切入到自動(dòng)長晶程序;
[0041]11、晶體生長自動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的工藝參數(shù)包依次完成放肩、等徑、收尾、冷卻、充氣程序 。如果遇到緊急情況,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測并按照預(yù)定設(shè)置的參數(shù)包進(jìn)行動(dòng)作;
[0042]12、設(shè)備發(fā)出運(yùn)行結(jié)束信號(hào),下降籽晶桿,取出坩堝,拉出晶體。
[0043]本發(fā)明提供了一種85kg至120kg藍(lán)寶石晶體生長自動(dòng)化控制方法,具體實(shí)現(xiàn)該技術(shù)方案的方法和途徑很多,以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式,應(yīng)當(dāng)指出,對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說,在不脫離本發(fā)明原理的前提下,還可以做出若干改進(jìn)和潤飾,這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。本實(shí)施例中未明確的各組成部分均可用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。
【權(quán)利要求】
1.一種85kg至120kg藍(lán)寶石晶體生長自動(dòng)化控制方法,包括,藍(lán)寶石晶體引晶步驟,其特征在于,在單晶爐內(nèi)設(shè)置用于測量晶體重量的電子稱重器,電子稱重器將重量信號(hào)發(fā)送到PLC控制系統(tǒng),藍(lán)寶石晶體引晶完畢后,PLC根據(jù)晶體重量判斷晶體生長過程中所處階段,調(diào)出對應(yīng)階段的工藝參數(shù)包,通過PID調(diào)節(jié),將實(shí)際計(jì)算的生長速率與參數(shù)包中的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配,并調(diào)整溫度變化; 當(dāng)電子稱重器測量晶體凈重超過3kg~5kg后,PLC調(diào)整溫度降幅,控制藍(lán)寶石晶體等徑生長; 當(dāng)電子稱重器測量測量晶體重量超過45kg~70kg后,PLC調(diào)整溫度降幅控制藍(lán)寶石晶體生長收尾; 當(dāng)PLC計(jì)算單晶爐加熱器功率降幅超過15%~20%后,自動(dòng)轉(zhuǎn)入到冷卻充氣階段,完成脫鍋,結(jié)束藍(lán)寶石晶體生長。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種85kg至120kg藍(lán)寶石晶體生長自動(dòng)化控制方法,其特征在于:將電子稱重器測量的藍(lán)寶石晶體重量作為控制藍(lán)寶石晶體生長狀態(tài)的基準(zhǔn)點(diǎn),PLC按照放肩的工藝參數(shù)控制晶體生長過程直到晶體重量達(dá)到3kg~5kg后,再進(jìn)入到等徑工藝控制模式;在自動(dòng)放肩階段,按照晶體重量劃分成5個(gè)階段,每個(gè)階段控制生長速率在一定范圍內(nèi),PLC對比實(shí)際值和設(shè)定值,調(diào)節(jié)功率; 在進(jìn)入到等徑狀態(tài),同樣按照重量的不同劃分成3個(gè)階段,每個(gè)階段有不同的速率設(shè)定值,PLC按照預(yù)定的程序調(diào)節(jié)溫度速率來控制生長狀態(tài)在可控范圍內(nèi); 在重量達(dá)到45kg~70kg后PLC自動(dòng)進(jìn)入到收尾階段,PLC按照預(yù)定的程序加快降溫速率,同時(shí)啟動(dòng)脫鍋程序,防止晶體重量超過籽晶承受的極限; PLC計(jì)算功率降幅超過20%后,便進(jìn)入到預(yù)先設(shè)定的冷卻工藝階段,當(dāng)運(yùn)行完設(shè)定的工藝時(shí)間后,PLC切入到充氣工藝過程,直到開爐。
【文檔編號(hào)】C30B29/20GK103710745SQ201310731033
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月26日
【發(fā)明者】李輝, 王輝輝, 姜宏偉, 毛洪英 申請人:南京晶升能源設(shè)備有限公司