CN111945218B - 坩埚高温线的高度控制***和方法、生长炉 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种坩埚高温线的高度控制***和方法、生长炉，该***包括温度采集单元、控制单元和执行单元，其中，温度采集单元用于采集坩埚的不同高度处对应的实际温度，并将其发送至控制单元；控制单元用于基于坩埚的不同高度处对应的实际温度获得坩埚高温线的实际高度值，且将实际高度值与坩埚高温线的预设位置高度值进行比较；执行单元根据所述控制单元的比较结果使坩埚与环绕在坩埚周围的感应线圈作相对升降运动，以使实际高度值与预设位置高度值一致。本发明提供的坩埚高温线的高度控制***，其能够实时获得坩埚高温线的准确位置，同时能够实现坩埚高温线位置的闭环控制，从而可以提高工艺准确性和可靠性。

Description

坩埚高温线的高度控制***和方法、生长炉

技术领域

本发明涉及生长炉技术领域，特别涉及一种坩埚高温线的高度控制***和方法、生长炉。

背景技术

物理气相传输(Physical Vapor Transport，以下简称PVT)法为制备碳化硅晶体的主流方法之一。如图1所示，PVT法生长SiC单晶的具体过程为：通常将SiC晶体1作为籽晶放置在石墨坩埚2顶部，将SiC粉末3作为料源放置在石墨坩埚2底部，感应线圈4将石墨坩埚2感应加热，坩埚内部温度达到2300℃左右，从而实现晶体生长。此外，在外石英管5和内石英管6之间间隙中通入冷却水，以起到冷却作用。在晶体生长过程中，籽晶1的温度较低，料源3的温度较高，两者之间存在一定的温度梯度。晶体生长过程中料源3升华并在冷端的籽晶上结晶，就获得了SiC体单晶。

在晶体生长过程中，感应线圈4与石墨坩埚2的相对位置不同，则在石墨坩埚2表面涡流效应产生的电流分布就不同，因此在石墨坩埚2在其高度方向上分布的温场就不同，通常将石墨坩埚2在其高度方向上的最高温度对应的高度线作为坩埚高温线8。石墨坩埚高温线8是影响SIC晶体凸度的重要参数之一。目前，将感应线圈4在其轴向上的中间位置默认为坩埚高温线8的位置，并将SIC生长速度近似值视为坩埚的升降速度。随着工艺时间延长，SIC原料不断升华，需要通过实时调整石墨坩埚2与感应线圈4的相对位置，来调整坩埚高温线8的位置，以保证工艺生长得出的晶体凸度满足标准。

但是，在晶体生长过程中，由于缺少实时监测数据，现有技术完全依靠理论值来估算和调节坩埚高温线8的高度，即为开环控制，这种控制方式的准确性差，精度低，影响整个工艺参数的把控。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种坩埚高温线的高度控制***和方法、生长炉，其能够实时获得坩埚高温线的准确位置，同时能够实现坩埚高温线位置的闭环控制，从而可以提高工艺准确性和可靠性。

为实现上述目的，本发明提供了一种坩埚高温线的高度控制***，包括温度采集单元、控制单元和执行单元，其中，

所述温度采集单元用于采集坩埚的不同高度处对应的实际温度，并将其发送至所述控制单元；

所述控制单元用于基于所述坩埚的不同高度处对应的实际温度获得坩埚高温线的实际高度值，且将所述实际高度值与所述坩埚高温线的预设位置高度值进行比较；

所述执行单元根据所述控制单元的比较结果，使所述坩埚与环绕在所述坩埚周围的感应线圈作相对升降运动，以使所述实际高度值与所述预设位置高度值一致。

可选的，所述温度采集单元包括红外成像仪，所述红外成像仪用于采集包含所述坩埚的不同高度处对应的实际温度的热图像数据，并将所述热图像数据发送至所述控制单元。

可选的，所述执行单元包括用于驱动所述坩埚或者所述感应线圈作升降运动的驱动装置。

可选的，所述执行单元用于驱动所述坩埚作升降运动；所述高度控制***还包括位置检测单元，所述位置检测单元用于检测所述坩埚上预设监测点的实际高度值，并将其发送至所述控制单元；

所述控制单元还用于根据下述公式计算获得所述坩埚高温线的预设位置高度值；

J1＝J-△h；

其中，J1为所述坩埚高温线的预设位置高度值；J为所述坩埚上预设监测点的实际高度值；△h为预设距离值。

可选的，所述预设监测点位于所述坩埚的底部。

作为另一个技术方案，本发明还提供一种生长炉，包括炉体、设置在所述炉体内的坩埚和环绕设置在所述炉体周围的感应线圈，还包括本发明提供的上述坩埚高温线的高度控制***。

可选的，所述温度采集单元包括红外成像仪，所述红外成像仪用于采集包含所述坩埚的不同高度处对应的实际温度的热图像数据，并将所述热图像数据发送至所述控制单元；

所述生长炉还包括设置在所述炉体的侧壁的观察窗，所述红外成像仪设置在所述炉体外侧的与所述观察窗相对应的位置处。

可选的，所述炉体包括内石英管和间隔套置在所述内石英管外侧的外石英管，且在所述内石英管和外石英管之间的间隔中充满冷却水；并且，所述观察窗穿设于所述内石英管和外石英管的管壁中，且在所述观察窗的周围设置有密封结构，用以将所述观察窗与所述冷却水相隔离。

作为另一个技术方案，本发明还提供一种坩埚高温线的高度控制方法，用于使用生长炉进行工艺的过程中，包括：

采集坩埚的不同高度处对应的实际温度；

基于所述坩埚的不同高度处对应的实际温度获得坩埚高温线的实际高度值，并将所述实际高度值与所述坩埚高温线的预设位置高度值进行比较；

根据比较结果使所述坩埚与环绕在所述坩埚周围的感应线圈作相对升降运动，以使所述实际高度值与所述预设位置高度值一致。

作为另一个技术方案，本发明还提供一种，在所述基于所述坩埚的不同高度处对应的实际温度获得坩埚高温线的实际高度值，并将所述实际高度值与所述坩埚高温线的预设位置高度值进行比较的步骤中，所述坩埚高温线的预设位置高度值的获得方法包括：

检测所述坩埚上预设监测点的实际高度值；

根据下述公式计算获得所述坩埚高温线的预设位置高度值；

J1＝J-△h；

其中，J1为所述坩埚高温线的预设位置高度值；J为所述坩埚上预设监测点的实际高度值；△h为预设距离值；

在所述根据比较结果使所述坩埚与环绕在所述坩埚周围的感应线圈作相对升降运动，以使所述实际高度值与所述预设位置高度值一致的步骤中，驱动所述坩埚作升降运动。

可选的，所述预设监测点位于所述坩埚的底部。

本发明的有益效果：

本发明所提供的坩埚高温线的高度控制***和方法、生长炉的技术方案中，通过借助温度采集单元在生长炉进行工艺的过程中，采集坩埚的不同高度处对应的实际温度，可以实时获得坩埚高温线的准确位置，同时，通过借助控制单元基于坩埚的不同高度处对应的实际温度获得坩埚高温线的实际高度值，且将该实际高度值与坩埚高温线的预设位置高度值进行比较，执行单元根据比较结果使坩埚与环绕在坩埚周围的感应线圈作相对升降运动，可以使坩埚高温线的实际高度值与预设位置高度值一致，即，实现了坩埚高温线位置的闭环控制，从而可以提高工艺准确性和可靠性。

附图说明

图1为现有的生长炉的剖视图；

图2为本发明实施例提供的生长炉的剖视图；

图3为本发明实施例提供的坩埚高温线的高度控制***的原理框图；

图4为本发明实施例采用的坩埚高温线的高度与温度的曲线图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的坩埚高温线的高度控制***和方法、生长炉进行详细描述。

请一并参阅图2和图3，在本实施例中，生长炉100包括炉体、设置在该炉体内的坩埚11、环绕设置在炉体周围的感应线圈14和坩埚高温线的高度控制***。其中，炉体包括内石英管12和间隔套置在内石英管12外侧的外石英管13，且在内石英管12和外石英管13之间的间隔中充满冷却水，用于冷却石英管。

坩埚高温线的高度控制***包括温度采集单元16、控制单元19和执行单元20，其中，温度采集单元16用于在生长炉100进行工艺的过程中，采集坩埚11的不同高度处对应的实际温度，并将其发送至控制单元19。借助温度采集单元16，可以准确地检测坩埚11在其高度方向上的温度分布，从而可以获得坩埚高温线15的准确位置。所谓坩埚高温线15，是指坩埚11在其高度方向上的最高温度所在的高度。在坩埚工艺过程中，随着坩埚内容纳的料源物质的不断升华，需要根据情况不断调整坩埚高温线15在坩埚的高度方向上的对应位置，在本文中，将坩埚高温线15在坩埚的高度方向上预期的对应位置所在的高度，称为坩埚高温线15的预设位置高度值。

可选的，温度采集单元16包括红外成像仪，该红外成像仪用于采集包含坩埚的不同高度处对应的实际温度的热图像数据，并将该热图像数据发送至控制单元19。红外成像仪可以准确地获取坩埚11在其高度方向上的温度分布曲线，从而可以获得坩埚高温线15的准确位置。

优选的，可以采集在坩埚11的预设高度范围内的热图像数据，预设高度范围设定为不低于坩埚11的底部高度，且不高于坩埚11的顶部高度，或者生长炉100的炉体的顶部高度。这样，可以保证温度采集单元16采集的温度分布范围覆盖坩埚11在其高度方向上的所有位置。

控制单元19用于基于坩埚11的不同高度处对应的实际温度获得坩埚高温线15的实际高度值，且将该实际高度值与坩埚高温线15的预设位置高度值进行比较，具体来说，通过利用温度采集单元16获得坩埚11在其高度方向上的温度分布曲线，利用温度值与高度值的对应关系可以获得坩埚高温线15的实际高度值；然后，控制单元19将该实际高度值与获取的坩埚高温线15的预设位置高度值进行比较，若二者存在差异，则需要调节坩埚高温线15的当前高度，直至坩埚高温线15的实际高度值与预设位置高度值一致。

执行单元20根据控制单元19的比较结果使坩埚11与感应线圈14作相对升降运动，以使实际高度值与预设位置高度值一致。在本实施例中，执行单元20包括用于驱动坩埚11作升降运动的驱动装置18，在该驱动装置18的驱动下，坩埚11与感应线圈14之间会产生相对升降运动，从而可以调节坩埚高温线15的当前高度。驱动装置18包括升降电机、升降气缸或者升降液压缸等等。

当然，在实际应用中，也可以采用驱动感应线圈14作升降运动，而坩埚11固定不动的方式来实现坩埚11与感应线圈14之间的相对升降运动。

在本实施例中，若驱动装置18驱动坩埚11作升降运动，可选的，高度控制***还包括位置检测单元，用于检测坩埚11上预设监测点的实际高度值，并将其发送至控制单元19。可选的，位置检测单元为与驱动装置18连接的编码器21。在此基础上，控制单元19可以根据坩埚11上预设监测点的实际高度值来计算获得坩埚高温线15的预设位置高度值，具体可以根据下述公式来计算：

J1＝J-△h；

其中，J1为坩埚高温线15的预设位置高度值；J为坩埚11上预设监测点的实际高度值，优选的，该预设监测点位于坩埚11的底部；△h为预设距离值，该预设距离值可以是坩埚11上位于预设监测点上方或者下方的某一点与该预设监测点之间的距离值，其大小可以根据工艺需要而自由设定。

借助位置检测单元，可以准确地获得坩埚11的实际高度，以实现对坩埚11的升降运动的闭环控制，从而可以提高准确性和可靠性。容易理解，若驱动装置用于驱动感应线圈14作升降运动，则位置检测单元用于检测感应线圈14的底部高度。

综上所述，本实施例提供的坩埚高温线的高度控制***，其可以实现坩埚高温线位置的闭环控制，从而可以提高工艺准确性和可靠性。

作为另一个技术方案，本实施例提供的生长炉100，例如，可以用于PVT法生长SiC单晶，其还包括设置在炉体的侧壁中的观察窗17，温度采集单元16包括红外成像仪，该红外成像仪设置在炉体外侧的与观察窗17相对应的位置处，用于透过观察窗17向坩埚11发射检测信号。

优选的，观察窗17穿设于内石英管12和外石英管13的管壁中，且在观察窗17的周围设置有密封结构(图中未示出)，用以将观察窗17与冷却水相隔离，从而可以避免冷却水影响检测的准确性。可选的，密封结构可以为能够将观察窗17与冷却水相隔离的盒体、防水材料等等。

本实施例提供的生长炉100，其通过采用本实施例提供的上述坩埚高温线的高度控制***，能够实时获得坩埚高温线的准确位置，同时能够实现坩埚高温线位置的闭环控制，从而可以提高工艺准确性和可靠性。

作为另一个技术方案，本实施例还提供一种坩埚高温线的高度控制方法，其在使用生长炉进行工艺的过程中，可以采用本实施例提供的上述坩埚高温线的高度控制***控制坩埚高温线15的高度。请一并参阅图2至图4，该方法包括：

步骤101、采集坩埚11的不同高度处对应的实际温度；

可以借助温度采集单元16，准确地检测坩埚11在其高度方向上的温度分布，从而可以获得坩埚高温线15的准确位置。

步骤102、基于坩埚11的不同高度处对应的实际温度获得坩埚高温线的实际高度值，并将实际高度值与坩埚高温线的预设位置高度值进行比较；

步骤103、根据比较结果使坩埚11与感应线圈14作相对升降运动，以使实际高度值与预设位置高度值一致。

请参阅图4，在上述步骤102中，坩埚高温线15的预设位置高度值的获得方法包括：

检测坩埚11上预设监测点的实际高度值；

根据下述公式计算获得坩埚高温线15的预设位置高度值；

J1＝J-△h；

其中，J1为坩埚高温线15的预设位置高度值；J为坩埚11上预设监测点的实际高度值；可选的，预设监测点位于坩埚11的底部11a；△h为预设距离值。

在图4中，Y轴表示坩埚11的高度；X轴为坩埚11的温度。

在上述步骤102中，计算坩埚高温线15的实际高度值H与预设位置高度值J1之间的差值(H-J1)，并判断该差值(H-J1)是大于0，还是小于0。

在步骤103中，若差值(H-J1)大于0，则使坩埚11相对于感应线圈14上升，且上升距离等于该差值，以使坩埚高温线15的实际高度值与预设位置高度值一致。

若差值(H-J1)小于0，则使坩埚11相对于感应线圈14下降，且下降距离等于该差值，以使坩埚高温线15的实际高度值与预设位置高度值一致。

可选的，在工艺开始之前，以感应线圈14在高度方向上的中心线对应的高度值作为坩埚高温线15的初始高度值，例如，将坩埚上距离其底部约10mm-20mm的高度位置作为坩埚高温线15初始的预设位置，将感应线圈14在高度方向上的中心线对应的高度位置作为坩埚高温线15初始的实际位置。工艺开始前，将该初始的预设位置调整到与初始的实际位置一致。工艺过程中采用上述实施例中的高度控制***和高度控制方法来进行实时精确调整。

需要说明的是，在实际应用中，也可以驱动感应线圈14作升降运动，在这种情况下，可以通过检测感应线圈14的底部高度，来获得坩埚高温线15的预设位置高度值。

本实施例提供的坩埚高温线的高度控制方法，其通过在生长炉100进行工艺的过程中，采集坩埚11的不同高度处对应的实际温度，可以实时获得坩埚高温线15的准确位置，同时，基于坩埚11的不同高度处对应的实际温度获得坩埚高温线15的实际高度值，且将该实际高度值与坩埚高温线15的预设位置高度值进行比较，并根据比较结果控制使坩埚11与环绕在坩埚周围的感应线圈14作相对升降运动，可以使坩埚高温线15的实际高度值与预设位置高度值一致，即，实现了坩埚高温线位置的闭环控制，从而可以提高工艺准确性和可靠性。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种坩埚高温线的高度控制***，其特征在于，包括温度采集单元、控制单元、执行单元和位置检测单元，其中，

所述温度采集单元用于在生长炉进行工艺的过程中采集坩埚的不同高度处对应的实际温度，并将其发送至所述控制单元；

所述控制单元用于基于所述坩埚的不同高度处对应的实际温度获得坩埚高温线的实际高度值，且将所述实际高度值与所述坩埚高温线的预设位置高度值进行比较；

所述执行单元用于根据所述控制单元的比较结果，驱动所述坩埚作升降运动，使所述坩埚与环绕在所述坩埚周围的感应线圈作相对升降运动，以使所述实际高度值与所述预设位置高度值一致；

所述位置检测单元用于检测所述坩埚上预设监测点的实际高度值，并将其发送至所述控制单元；

所述控制单元还用于根据下述公式计算获得所述坩埚高温线的预设位置高度值；

J1＝J-△h；

其中，J1为所述坩埚高温线的预设位置高度值；J为所述坩埚上预设监测点的实际高度值；△h为预设距离值。

2.根据权利要求1所述的坩埚高温线的高度控制***，其特征在于，所述温度采集单元包括红外成像仪，所述红外成像仪用于采集包含所述坩埚的不同高度处对应的实际温度的热图像数据，并将所述热图像数据发送至所述控制单元。

3.根据权利要求1所述的坩埚高温线的高度控制***，其特征在于，所述执行单元包括用于驱动所述坩埚或者所述感应线圈作升降运动的驱动装置。

4.根据权利要求1所述的坩埚高温线的高度控制***，其特征在于，所述预设监测点位于所述坩埚的底部。

5.一种生长炉，包括炉体、设置在所述炉体内的坩埚和环绕设置在所述炉体周围的感应线圈，其特征在于，还包括权利要求1-4任意一项所述的坩埚高温线的高度控制***。

6.根据权利要求5所述的生长炉，其特征在于，所述温度采集单元包括红外成像仪，所述红外成像仪用于采集包含所述坩埚的不同高度处对应的实际温度的热图像数据，并将所述热图像数据发送至所述控制单元；

所述生长炉还包括设置在所述炉体的侧壁的观察窗，所述红外成像仪设置在所述炉体外侧的与所述观察窗相对应的位置处。

7.根据权利要求6所述的生长炉，其特征在于，所述炉体包括内石英管和间隔套置在所述内石英管外侧的外石英管，且在所述内石英管和外石英管之间的间隔中充满冷却水；并且，所述观察窗穿设于所述内石英管和外石英管的管壁中，且在所述观察窗的周围设置有密封结构，用以将所述观察窗与所述冷却水相隔离。

8.一种坩埚高温线的高度控制方法，用于使用生长炉进行工艺的过程中，其特征在于，包括：

在生长炉进行工艺的过程中采集坩埚的不同高度处对应的实际温度；

基于所述坩埚的不同高度处对应的实际温度获得坩埚高温线的实际高度值，并将所述实际高度值与所述坩埚高温线的预设位置高度值进行比较；

根据比较结果使所述坩埚与环绕在所述坩埚周围的感应线圈作相对升降运动，以使所述实际高度值与所述预设位置高度值一致；

在所述基于所述坩埚的不同高度处对应的实际温度获得坩埚高温线的实际高度值，并将所述实际高度值与所述坩埚高温线的预设位置高度值进行比较的步骤中，所述坩埚高温线的预设位置高度值的获得方法包括：

检测所述坩埚上预设监测点的实际高度值；

根据下述公式计算获得所述坩埚高温线的预设位置高度值；

J1＝J-△h；

其中，J1为所述坩埚高温线的预设位置高度值；J为所述坩埚上预设监测点的实际高度值；△h为预设距离值；

在所述根据比较结果使所述坩埚与环绕在所述坩埚周围的感应线圈作相对升降运动，以使所述实际高度值与所述预设位置高度值一致的步骤中，驱动所述坩埚作升降运动。

9.根据权利要求8所述的坩埚高温线的高度控制方法，其特征在于，所述预设监测点位于所述坩埚的底部。

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