[发明专利]自馈式探测熔融晶体固液界面位置的装置及其探测方法

说明书

技术领域

本发明涉及晶体制造领域，具体地说是一种自馈式探测熔融晶体固液界面位置的装置及其探测方法。

背景技术

各种晶体及其相应的制备方法是为了满足不同行业的需求而产生的。虽然晶体种类繁多，且制造方法各不相同，但其涉及的晶体基本生长原理存在着很大的共性。

目前，制备晶硅、蓝宝石等晶体的方法大致可分为泡生法（KY）、提拉法（CZ）、热交换法（HEM）以及由此衍生的改进方法。在制备上述高质量晶体时，都希望能精准地控制晶体的制备过程，包括熔化速度，晶体生长速度，炉内温度、压力以及熔体流动，固液界面的位置及形状等重要参数；而其中的熔化速度，晶体生长速度，熔体流动，固液界面的位置及形状是无法用常规传感器来测量获得的，故如何获得这些参数的实时值就成为研发机构、设备制造商及生产厂商的一个重要研究课题。而从应用上说，若能准确实时的测得固液界面高度，就能获得相应的熔化速度及晶体生长速度。

提拉法（CZ）一般通过测量晶棒直径作为控制晶体生长速度的重要指标，固液界面位置恒定于液面之下，且形状相对固定；泡生法（KY）利用籽晶提拉端的称重来获得晶体生长速度的参数，基本不用考虑晶体固液界面位置及形状。

在热交换法的固液界面测量方案中分为非接触式和接触式两大类，非接触式对晶体生长干扰较小，典型的有激光和超声波两种方法。激光能够检测到熔液表面位置，理论上可以通过计算固液相变产生的高度变化推算固液界面位置，但实际上液体表面波动产生的测量误差可以达到5-8mm，而晶体生长的速度大约为10-12mm/h，熔化速度则更大，误差的数量级已经和测量值一致，使得结果可信度基本为零。同时高温下物体本身所发出的可见光波段覆盖这个热腔，使激光接收后的信号处理非常困难。超声波是另一种非接触测量方法，由于液体不能承受剪力，超声波能够穿透熔体至固液界面，并进行反射，通过波形的分离可以得知实际传播的时长，从而计算固液界面位置。但超声波具有3个应用难点：第一，传播受温度影响极大，而热场内部的温度分布极不均匀，并随时间发生变化，需要多次实验标定，并且炉腔产能越大，精度越低；第二，开放空间下，超声波发散性很强，如果要使用该方法，必须利用波导管，波导管的选材和使用寿命将限制该方法的应用；第三，某些晶体需要在真空条件下生长，无法使用超声波。这些方法从原理上分析都固然有效，但实际工程实现非常困难，或者说代价很高。

目前最普遍的测量固液界面的方法是通过人工直接的插棒法，这种接触式的具体的实施方法是根据制备晶体的不同，选用难熔、不与晶体熔液反应并且互不浸润的材料制成棒或作为其它基材的涂层，配以简单的装置，在需要时，手持测量棒或手动驱动插棒装置，直接将棒插入液体内，在棒触及固体时，迅速做标记，拔起，测量标记点与初始标记点的位置差异，获得固液界面的位置。直接插棒法固然简单有效，但此方法非常依赖于操作者的技能，并在精度控制上与操作者的感知程度密切相关，而且存在非常大的安全隐患，因为多数的晶体制备都是在密闭的容器内完成，对炉内气体、压力、温度都有严格的要求，外界棒的引入，加以人工的操作，非常容易导致密封的失效而铸就重大的事故。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种自馈式探测熔融晶体固液界面位置的装置，可自动探测熔融晶体固液界面位置且测量准确、操作方便。

为此，本发明采用如下的技术方案：自馈式探测熔融晶体固液界面位置的装置，包括基座，其特征在于，所述的基座上装有一驱动杆，该驱动杆上设有一随驱动杆驱动作上下垂直运动的滑块，滑块的一侧连接一与其联动的支座，所述的支座上安装一上部悬挂在支座上的测量用棒，所述基座的底部上开有用于测量用棒下部贯穿的通孔；一位移传感器随支座联动，当测量用棒上部与支座之间的位置状态发生变化时，位移传感器采集数据并产生相应的信号反馈给一用于控制驱动杆动作的控制器。

测量用棒由于重力作用跟随支座一起向下运动，当碰到固液界面时测量用棒即停止运动，与支座产生分离，通过位移传感器检测到二者之间的位置状态发生变化，得到检测信号，将信号反馈实现自动控制。