[发明专利]一种晶体生长过程的加热电源控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及电源控制技术领域；特别是涉及一种晶体生长过程的加热电源控制方法。

背景技术

在晶体生长工艺过程中，电源需长时间输出较大的功率对负载进行加热。然而在不同的工艺阶段对电源输出功率的控制精度有不同要求，其中在熔料阶段和退火阶段对功率控制精度要求较低，在长晶阶段对功率控制精度要求较高。现有晶体生长炉加热电源在各个工艺段均采用相同的控制方式，即高精度直流连续输出(如图1所示，图中0至T1阶段为熔料阶段、T1至T2为长晶阶段，T2至T3为退火阶段，T3至T4为自然冷却阶段)。由于电源效率随着输出功率降低而下降，这就使得电源在熔料阶段和退火阶段一直工作于低效率状态(如图1所示，上述两个阶段的输出功率低)，进而增加了企业的生产成本。从长远发展来看，提供一种全面适用于晶体生长工艺需求的节能型电源将取得良好的经济效益和社会效益,也会成为未来晶体电源的重要技术发展趋势。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中晶体生长工艺的不同阶段(熔料阶段、长晶阶段、退火阶段)加热电源均采用直流连续输出的控制方式，从而导致在熔料阶段、退火阶段电源利用效率不高的问题，提供一种采用周期脉冲控制方法控制电源，从而提高电源利用效率的加热电源的控制方法；为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种晶体生长过程的加热电源控制方法；在所述晶体的熔料阶段和/或退火阶段，加热电源采用周期脉冲控制；所述周期脉冲控制是指，将所述加热电源的输出功率幅值及脉冲周期固定，通过调节每个脉冲周期内的脉冲占空比控制所述加热电源的每个脉冲周期内的输出功率；所述输出功率幅值始终等于预设的固定值P_e。

进一步的，所述脉冲周期内加热电源的功率输出时间t_p通过下式计算得到：

其中，t2-t1＝Tn，Tn为单位脉冲周期，P(t)为采用直流连续输出方式时所述加热电源在t1至t2时刻的输出功率函数，P_e为所述加热电源在周期脉冲控制模式下的固定输出功率，t_p为加热电源在单位脉冲周期内输出功率的时间。

本公式的理论依据为牛顿-莱布尼茨公式，即相等时间内面积相等的波形，其功率也相等的原则。由于晶体炉热场有较大热惯性，在晶体生长过程中的熔料工艺阶段和退火工艺阶段，采用定周期的脉冲输出，代替现有技术中的高精度直流连续输出。进而使得晶体生长的熔料阶段与退火阶段，在保持输出功率(即热场温度)不变的情况下，提高电源的输出效率。

进一步的，随着退火阶段的进行，所述加热电源在单位脉冲周期内输出功率的时间t_p逐渐缩短。

进一步的，在熔料阶段初期，晶体炉负载阻抗随温度升高而线性增大阶段，所述加热电源采用恒流限压方式进行功率输出；

在晶体炉负载阻抗稳定后所述加热电源采用周期脉冲控制方式进行功率输出。由于晶体炉在加热前，其负载冷态阻抗较小，随着温度上升负载阻抗将逐渐增大。在负载冷态阻抗较小时如果采用较高电压输出，会产生过大电流损坏电源和晶体炉发热体，因此在熔料阶段的升温初期采用恒流限压的方式控制电源输出；当晶体炉负载阻抗随温度升高而相对稳定后，采用定周期脉冲输出方式控制电源的输出。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1.根据晶体生长工艺需求，在晶体生长的熔料阶段和退火阶段(低功率输出)加热电源采用周期脉冲控制方式控制功率输出，解决现有技术中在熔料阶段和退火阶段(低功率输出)转换效率低、能耗高的情况，达到节约能源，降低晶体生产的成本等功效；实现高效节能的效果；

同时在长晶阶段(高功率输出)加热电源采用高精度直流连续输出的组合控制方式，能有效解决电源低功率输出时效率低的缺点，使电源在各个工艺阶段均以较高效率运行。

2.根据牛顿-莱布尼茨公式所述相同时间内面积相等的波形功率相等的原则，由于晶体炉热场惯性大的特征，采用定周期脉冲输出方式代替现有技术中的高精度直流连续输出，在保证熔料和退火阶段工艺温度曲线基本不变的同时降耗节能。

3.由于晶体炉在加热前，其负载冷态阻抗较小，随着温度上升负载阻抗将逐渐增大。通过采用恒流限压的方式控制电源输出，可有效防止大电流损坏电源和晶体炉发热体。

附图说明：

图1为现有技术中，晶体生长过程中典型的功率输出曲线图。

图2为晶体的退火阶段采用现有技术及本发明方法进行功率输出对比示意图。

图3为实施例中采用不同的输出功率的效率曲线图。