一种SiC液相长晶炉液位的检测方法及装置 |
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| 申请号 | CN202311769377.9 | 申请日 | 2023-12-21 | 公开(公告)号 | CN117889934A | 公开(公告)日 | 2024-04-16 |
| 申请人 | 南京晶升装备股份有限公司; | 发明人 | 李辉; 王守琛; 毛瑞川; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种SiC液相长晶炉液位的检测方法及装置，所述方法包括：步骤1、不在 坩埚 内添加熔融料，旋转坩埚，测量坩埚处于空锅状态下的 电压 U01；步骤2、在坩埚内添加熔融料，并使籽晶不与熔融料 接触 ，旋转坩埚，测得长晶炉坩埚内带有熔融料且籽晶不与熔融料接触时的电压U02；步骤3、将籽晶与熔融料调整为接触状态，使坩埚与籽晶相向旋转，测得籽晶与熔融料接触状态下的电压U03；步骤4、炉内长晶一定时间后，使坩埚与籽晶相向旋转，测量待测状态下坩埚及坩埚内熔融料的电压U0x；步骤5、根据测得的U01、U02、U03、U0x，计算待测状态下熔融料的 转动惯量 J料x；步骤6、根据转动惯量J料x计算得出待测状态下熔融料的料液深度hx。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种SiC液相长晶炉液位的检测方法，其特征在于，包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 一种SiC液相长晶炉液位的检测方法及装置技术领域[0001] 本发明涉及液相长晶技术领域，尤其涉及一种SiC液相长晶炉液位的检测方法及装置。 背景技术[0002] 碳化硅液相长晶方法具有长晶速度快、结晶质量高、位错低、成型尺寸大等优势，但此方法目前处于工艺开发初期，因此对热场内部各项参数的收集分析尤为重要。其中，液位高度参数对长晶过程中碳元素传输影响较大，是工艺开发中十分重要的参数。但由于液面不透明且温度极高，难以利用红外或其他光学原理直接测量液面位置，导致目前缺少检测SiC液相长晶炉液位的方法，不利于工艺的进一步研究和开发。 发明内容[0003] 发明目的：针对液面不透明且温度极高，难以测量液面高度的缺点，本发明提供一种SiC液相长晶炉液位的检测方法及装置。 [0004] 技术方案：为解决上述问题，本发明采用一种SiC液相长晶炉液位的检测方法，包括以下步骤： [0006] 步骤2、在坩埚内添加熔融料，并使籽晶不与熔融料接触，旋转坩埚，利用测量电路测得长晶炉坩埚内带有熔融料且籽晶不与熔融料接触时的电压U02，此时熔融料未被消耗； [0007] 步骤3、将籽晶与熔融料调整为接触状态，使坩埚与籽晶相向旋转，利用测量电路测得籽晶与熔融料接触状态下的电压U03，此时熔融料未被消耗； [0008] 步骤4、炉内长晶一定时间后，使坩埚与籽晶相向旋转，利用测量电路测量待测状态下坩埚及坩埚内熔融料的电压U0x； [0009] 步骤5、根据测得的U01、U02、U03、U0x，计算待测状态下熔融料的转动惯量J料x； [0010] 步骤6、根据转动惯量J料x计算得出待测状态下熔融料的料液深度hx。 [0011] 进一步的，所述测量电路为全桥差动电路，所述全桥差动电路R1＝R2＝R3＝R4，ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4。 [0014] 旋转坩埚时杆件承受的扭力力矩公式如下： [0015] [0017] 坩埚空锅状态下杆件承受的扭力力矩M1如下： [0018] [0019] 其中，J1为坩埚不带料状态下的系统转动惯量，α为旋转角加速度； [0020] 坩埚内添加熔融料且籽晶不与熔融料接触状态下杆件承受的扭力力矩M2如下： [0021] [0022] 其中J2为熔融料及坩埚的总转动惯量，α为旋转角加速度； [0023] 坩埚内添加熔融料且籽晶与熔融料接触状态下杆件承受的扭力力矩M3如下： [0024] [0025] 计算籽晶与熔融料接触产生的恒定力矩Mf： [0026] [0027] 坩埚空锅状态下杆件承受的扭力力矩M1与待测状态下系统转动惯量及熔融料转动惯量产生的力矩M2X满足如下关系： [0028] [0029] 其中，Mx为待测状态下杆件承受的扭力力矩，根据上述公式得出： [0030] [0031] 带入已测得的U01、U02、U03、U0x及J1，求得待测状态下熔融料的转动惯量J料x。 [0032] 进一步的，所述步骤6具体为： [0033] 熔融料的转动惯量J与熔融料的料液深度h关系如下： [0034] [0035] 其中，π为圆周率，ρ为溶液密度，R为坩埚半径；带入待测状态下熔融料的转动惯量J料x；求出待测状态下熔融料的料液深度hx。 [0036] 本发明还提供一种上述SiC液相长晶炉液位检测方法的检测装置，包括支架、安装于支架上的第一电机和第二电机、与第一电机连接的第一旋转轴、与第二电机连接的第二旋转轴，所述第一旋转轴与第二旋转轴的轴线位于同一直线上；所述第一旋转轴另一端连接有籽晶，所述第二旋转轴另一端连接有坩埚；所述第一旋转轴上安装有第一应变片，所述第二旋转轴上安装有第二应变片；检测时，第一电机驱动第一旋转轴并带动籽晶旋转，第二电机驱动第二旋转轴并带动坩埚旋转，第一应变片测量籽晶一端的电压，第二应变片测量坩埚一端的电压。 [0037] 进一步的，所述第一应变片和第二应变片的电路为全桥差动电路，所述全桥差动电路R1＝R2＝R3＝R4，ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4。 [0038] 进一步的，所述第一电机通过第一联轴器与第一旋转轴连接，所述第二电机通过第二联轴器与第二旋转轴连接。 [0039] 进一步的，所述第一旋转轴上还设有与第一应变片连接第一旋转电缆接头，第二旋转轴上还设有与第二应变片连接第二旋转电缆接头。 [0040] 进一步的，还包括炉体，所述籽晶和坩埚位于炉体内，炉体与第一旋转轴通过第一磁流体密封连接，炉体与第二旋转轴通过第二磁流体密封连接。 [0041] 有益效果：本发明相对于现有技术，其显著优点是(1)利用电阻应变片测量旋转轴在旋转过程中的电压变化，进而计算得到熔融料液面高度，解决了碳化硅长晶方法中液面高度难以检测的问题；(2)可在长晶过程中对炉内液位高度进行实时检测，方便在长晶过程中根据实际情况调整工艺参数，以获得更好的长晶效果；(3)通过上应变片可计算晶片厚度，为碳化硅液相长晶方法的工艺研究提供更多参数。附图说明 [0042] 图1为本发明检测装置的整体结构示意图； [0043] 图2为本发明进行液位检测时的结构示意图； [0044] 图3为本发明应变片的全桥差动电路图。 具体实施方式[0045] 如图1所示，本实施例中的一种SiC液相长晶炉液位的检测装置，包括炉体8、位于炉体8内的保温屏、位于保温屏内的加热器14、位于加热器14内侧的坩埚12和籽晶10。所述保温屏包括顶保温屏9、底保温屏15和侧保温屏13，加热器14对炉内进行加热、为长晶提供适宜温度，保温屏用于减缓散热、维持反应温度。炉体8上端面上安装有上立柱24，上立柱24上安装有上电机1，上电机1通过上联轴器2与上旋转轴6连接。上旋转轴6上安装有上应变片5及与上应变片5连接的上旋转电缆接头3，上立柱24上设有上连接板4，上连接板4设置高度与上旋转电缆接头3上端面平齐，用于对上旋转电缆接头3止转。上旋转轴6一端与上电机1连接，另一端与籽晶10连接，上旋转轴6与炉体8通过上磁流体7密封连接。 [0046] 同理，炉体8下端面上安装有下立柱21，下立柱21上安装有下电机23，下电机23通过下联轴器22与下旋转轴17连接。下旋转轴17上安装有下应变片18及与下应变片18连接的下旋转电缆接头19，下立柱21上设有下连接板20，下连接板20设置高度与下旋转电缆接头19下端面平齐，用于对下旋转电缆接头19止转。下旋转轴17一端与下电机23连接，另一端与坩埚12连接，下旋转轴17与炉体8通过下磁流体16密封连接。上旋转轴6、下旋转轴17及炉体 8的中心轴均位于同一直线上。 [0047] 如图3所示，上应变片5和下应变片18上为全桥差动电路，且该全桥差动电路中R1＝R2＝R3＝R4，ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4，因此ΔR/R＝U0/U，其中U0为测得电压值，U为电源电压值。通过开启电机带动旋转轴及旋转轴一端的籽晶、坩埚旋转，再通过应变片测量籽晶、坩埚一端的电压，并带入相应数学模型中对长晶炉内的液面高度进行检测。 [0048] 本实施例SiC液相长晶炉液位的检测方法具体包括以下步骤： [0049] 步骤1、不在坩埚12内添加熔融料，使坩埚12处于空锅状态，开启下电机23使坩埚12在角加速度为α的条件下旋转，利用下应变片18测量坩埚处于空锅状态下的电压U01。 [0050] 步骤2、在坩埚12内添加熔融料11，在熔融料11未被消耗的初始状态下，开启下电机23使坩埚12在角加速度为α的条件下旋转，利用下应变片18测量坩埚内带有熔融料且籽晶不与熔融料接触时的电压U02。 [0051] 步骤3、在熔融料11未被消耗的初始状态下，将籽晶10与熔融料11调整为接触状态，开启上电机1使籽晶10在角加速度为α的条件下旋转，开启下电机23使坩埚12在角加速度为α的条件下与籽晶10相向旋转，利用下应变片18测量籽晶与熔融料接触状态下坩埚及坩埚内熔融料的电压U03。 [0052] 步骤4、炉内长晶一段时间，需对炉内液面高度进行测量时，此时籽晶10与熔融料11为接触状态，开启上电机1使籽晶10在角加速度为α的条件下旋转，开启下电机23使坩埚 12在角加速度为α的条件下与籽晶10相向旋转，利用下应变片18测量待测状态下坩埚及坩埚内熔融料的电压U0x。 [0053] 步骤5、根据测得的U01、U02、U03、U0x，计算待测状态下熔融料的转动惯量J料x。具体计算过程如下： [0054] 使用本实施例的检测装置进行检测，旋转坩埚时杆件承受的扭力力矩公式如下： [0055] [0056] 其中，M为杆件承受的扭力力矩，Wp为抗扭模量，E为弹性模量，υ为泊松比，K为应变片的灵敏系数，U0为测得电压值，U为电源电压值。 [0057] 坩埚空锅状态下杆件承受的扭力力矩M1如下： [0058] [0059] 其中，J1为坩埚不带料状态下的系统转动惯量，α为旋转角加速度。 [0060] 坩埚内添加初始熔融料且籽晶不与熔融料接触状态下杆件承受的扭力力矩M2如下： [0061] [0062] 其中J2为初始熔融料及坩埚的总转动惯量，α为旋转角加速度。 [0063] 长晶过程中，籽晶与熔融料处于接触状态，因此需考虑固液接触产生的力矩影响。籽晶与熔融料接触并相向旋转时产生的恒定力矩Mf满足以下关系： [0064] [0065] 根据上述关系计算籽晶与熔融料接触产生的恒定力矩Mf： [0066] [0067] 坩埚空锅状态下杆件承受的扭力力矩M1与待测状态下坩埚的系统转动惯量及熔融料转动惯量产生的力矩M2X满足如下关系： [0068] [0069] Mx为待测状态下杆件承受的扭力力矩，根据上述公式得出： [0070] [0071] 带入已测得的U01、U02、U03、U0x及J1，求得待测状态下熔融料的转动惯量J料x。 [0072] 步骤6、根据转动惯量J料x计算得出待测状态下熔融料的料液深度hx。熔融料的转动惯量J与熔融料的料液深度h关系如下： [0073] [0074] 其中，π为圆周率，ρ为溶液密度，R为坩埚半径。带入待测状态下熔融料的转动惯量J料x；求出待测状态下熔融料的料液深度hx。 [0075] 根据本发明的检测方法，可根据测得的U01、U02计算初始状态下，熔融料未被消耗时的液面高度，也可使用上应变片测量晶片厚度。本发明的检测方法利用电阻应变片测量旋转轴在旋转过程中的电压变化，进而计算得到熔融料液面高度，解决了碳化硅长晶方法中液面高度难以检测的问题。同时可在长晶过程中对炉内液位高度进行实时检测，方便在长晶过程中根据实际情况调整工艺参数，以获得更好的长晶效果。 |
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