[发明专利]一种基于随机分布的泡生法蓝宝石融晶接种态控制方法

说明书

本发明属于蓝宝石制备领域，提出了一种基于随机分布的泡生法蓝宝石融晶接种态控制方法，该方法利用随机分布控制对蓝宝石融晶接种态进行判断和控制，通过获取并处理蓝宝石融晶表面图像，建立以融晶表面图像波纹信息分布所对应基函数逼近权值和电源柜输入电压变化率、电压微调量、冷却水水压、冷却水水温为输入的模型，由模型预测误差不断修正输入信息，跟踪给定期望接种时融晶表面图像波纹信息分布，实现对蓝宝石融晶接种态的控制。本发明在晶体炉加热后，利用融晶图像分布信息判断并保持融晶处于适合的接种状态，不需要通过人工观测依靠经验来判断接种时机，减少了人力资源，提高接种成功率，尤其适用于蓝宝石晶体的大规模生产。

技术领域

本发明属于蓝宝石(氧化铝单晶)制备领域，特别涉及一种基于随机分布的泡生法蓝宝石融晶接种态控制方法。

背景技术

蓝宝石晶体是一种具有优异综合性能的氧化铝单晶。蓝宝石晶体材料强度极高，具有很强的耐磨特性，同时也具有优异的光学特性。从20世纪后，蓝宝石晶体在工程应用领域扮演着越来越重要的角色。在蓝宝石具体应用方面，根据前瞻产业研究院统计显示，2015年LED消耗了全球77.23％的蓝宝石产能，其次是手机玻璃、相机镜头、手表等。根据《2018-2024年中国蓝宝石市场专项调研及投资前景分析报告》，蓝宝石占据着LED衬底材料主流地位，2018年占比94％。随着智能电子设备的不断产出和发展，蓝宝石作为重要材料有着巨大的市场潜力。如何低成本、高质量地生长大尺寸蓝宝石单晶，对我国大尺寸蓝宝石材料摆脱进口依赖，实现我国新材料技术突破具有重要意义。

目前，蓝宝石的生长方法主要有泡生法、热交换法、提拉法、温度梯度法、坩埚移动法等。从产业发展角度来看，泡生法是公认适合用于蓝宝石大规模工业化生产的一种方法。同时，泡生法的生长过程中晶体内部保持较低的温度梯度，泡生法选择用软水作为冷却器内工作流体，相对成本较低，是目前蓝宝石生长的主流方法。

采用泡生法生长蓝宝石晶体时，接种时机的选择对晶体生长有着重要影响。在准备接种过程中，加热体加热熔化晶体原材料，保持生长炉内温度要高于蓝宝石晶体的熔点温度2050℃，数小时后，技术人员从观察孔等待原料完全熔化后，适当降低加热功率，将固定在籽晶夹末端的籽晶缓慢下降，使其与熔体表面接触进行接种。技术人员需要根据观察到的原料熔化情况判断正确的接种时机。由于需要技术人员的观察感觉和经验来判断接种时机，对技术人员的经验要求很高。同时，观察窗口只能间断打开，技术人员长时间从事观察工作可能会产生视力疲劳，这些都可能会导致无法做到对接种时机的准确判断和把控，造成后续接种困难，影响晶体质量，甚至会导致生产失败，造成能源严重浪费。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于随机分布的泡生法蓝宝石融晶接种态控制方法，利用融晶表面图像分布信息代替依靠人工观察信息来判断接种，排除人为因素的干扰。同时实现对融晶接种态的控制，保持融晶处于适合的接种状态，提高接种成功率。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于随机分布的泡生法蓝宝石融晶接种态控制方法，包括以下步骤：

S1：实时获取并处理晶体熔化的融晶表面图像信息；

S2：通过融晶表面图像信息来估计图像波纹信息分布的概率密度函数γ(h,u(k))；

S3：确定期望接种融晶表面图像波纹信息分布γ_g(h,u(k))；

S4：根据晶体熔化过程融晶图像信息选择并训练非线性模型；

S5：根据实际融晶表面图像波纹信息分布输出判断接种时机；

S6：当满足接种条件时，通过训练得到的非线性模型预测出下一时刻融晶表面图像波纹分布，并根据预测结果选取性能指标函数进行优化求解，得到输入电压变化率、电压微调量、冷却水水压、冷却水水温的值后，对融晶接种态进行控制，使融晶表面保持适合接种的状态。