СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛА САПФИРА НА ЗАТРАВОЧНОМ КРИСТАЛЛЕ, ОСТАЮЩЕМСЯ В РАСПЛАВЕ, В АВТОМАТИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ
PROCEDURE FOR GROWTH OF MONO CRYSTAL OF SAPPHIRE ON SEED LEFT IN MELT UNDER AUTOMATIC MODE

Изобретение относится к области автоматизированного выращивания высокотемпературных монокристаллов и может быть использовано для управления процессом в ростовых установках с весовым методом контроля.
Анализ существующего уровня техники показал следующее:
- не выявлены источники известности, описывающие автоматическое управление выращиванием монокристалла сапфира на затравочном кристалле, остающегося в расплаве (метод Накена-Киропулоса);
6
- известен способ управления диаметром монокристаллов, выращиваемых методом Чохральского с жидкостной герметизацией при весовом контроле (см. патент РФ №2067625 от 21.09.1994 г., МПК С30В 15/28, опубл. 10.10.1996 г.). Способ состоит в идентификации программы разращивания, основанной на восстановлении с помощью фильтра Калмана текущих значений весового сигнала и его производных в ходе линейного уменьшения мощности нагрева тигля и неуправляемого разращивания, сравнении этих величин с расчетными по модели процесса кристаллизации.
Недостатком известного технического решения является неполная автоматизация процесса управления (неконтролируемый процесс разращивания), снижение оперативности регулирующего воздействия за счет использования производных веса, как сигнала управления;
2
3
7
- известны способы автоматического управления выращиванием монокристаллов методом Чохральского с использованием сигналов первой и второй производной веса (см. заявка Великобритании № 1494342 от 03.04.1974 г., МПК G05B 11/01, опубл. 07.12.1977 г.; патент США № 4539067 от 27.06.1983 г., МПК С30В 15/28, опубл. 03.09.1985 г.; патент США № 6294017 от 22.02.1993 г., МПК С30В 15/26, опубл. 25.09.2001 г.).
Недостатком известных технических решений является снижение оперативности регулирующего воздействия за счет использования производных веса, как сигнала управления, требующего времени на обработку сигнала;
- известен способ управления выращиванием монокристалла методом Чохральского, основанный на вычислении диаметра монокристалла по сигналу веса и сравнении его значений с теоретически рассчитанными с последующим изменением программы нагрева (см. заявку Японии № 63159288 от 23.12.1986 г., МПК С30В 15/28, опубл. 02.07.1988 г.).
Недостатком известного способа управления является усложнение выбора регулирующего воздействия, обусловленное дополнительным определением программы нагрева;
5
- в качестве прототипа нами взят способ выращивания монокристаллов из расплава в автоматическом режиме методом Чохральского (см. патент РФ №2023063 от 09.07.1990 г., МПК С30В 15/00, опубл. 15.11.1994 г.). Способ включает затравление и выращивание монокристаллов при одновременном снижении температуры расплава, вычисление значений скорости вытягивания и измерение веса растущего монокристалла, определение и компенсацию отклонений между измеренными и заданными значениями геометрической формы монокристалла путем регулирования температуры расплава и скорости вытягивания в соответствующих каналах автоматических систем.
Недостатком прототипа является: невысокое качество управления, обусловленное недостаточной оперативностью управления тепловыми потоками в расплаве, а также усложнение управления выращиванием монокристалла за счет введения дополнительного нагревательного устройства, размещенного в расплаве, снижающего качество выращенного монокристалла. Кроме того, автоматизация охватывает часть технологических операций, оставляя незатронутыми технологические операции подготовки шихты.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении заявленного технического решения, сводится к следующему:
- повышение качества управления на всех операциях роста монокристалла за счет оптимизации выбора регулирующего воздействия, способствующего упрощению процесса при одновременном обеспечении структурного совершенства выращиваемых монокристаллов. При этом по заявляемому способу предварительно в блок констант вводят значения следующих технологических параметров:
ΔT - максимальный допустимый градиент температуры гарнисажа, определяемый эмпирически, °С,
u
t - постоянная времени инерции гарнисажа, определяемая эмпирически, с,
1
k - постоянная температуры нагревателя, В/°С, рассчитываемая по формуле:
плавления
где U - напряжение на нагревателе, соответствующее температуре плавления шихты. В,
плавления
Т - температура плавления шихты, °С,
on
V - скорость вертикального перемещения вниз затравочного кристалла, м/с,
1
h - расстояние от нижнего торца затравочного кристалла до верхней кромки тигля, м,
т
H - глубина тигля, м,
р
3
ρ - плотность расплава, кг/м,
т
D - внутренний диаметр тигля, м,
кр
h - длина затравочного кристалла, м,
кр
V - заданная скорости кристаллизации, м/с, выбираемая эмпирически согласно требованиям, предъявляемым к качеству монокристалла из условия:
d - заданный диаметр шейки монокристалла, м, выбор величины которого не влияет на качество монокристалла, а зависит от веса монокристалла,
к
3
ρ - плотность монокристалла, кг/м,
1
l - заданная длина шейки носовой зоны монокристалла, м, выбираемая эмпирически согласно требованиям, предъявляемым к качеству монокристалла из условия:
α - заданный угол разращивания монокристалла, град, выбранный из диапазона 100-140 град,
β - угол при вершине конуса фронта кристаллизации, образующийся при выращивании носовой зоны, определяемый эмпирически, град,
D - заданный диаметр средней зоны монокристалла, м, обусловленный конструкцией тигля,
2
k - постоянная скорости снижения напряжения на нагревателе, В/кг, рассчитываемая по формуле:
U1
где ΔV - изменение скорости снижения напряжения на нагревателе, В/с,
m
ΔV - изменение скорости прироста веса, кг/с,
1
r - заданное допустимое отклонение от конической формы растущего монокристалла при разращивании шейки носовой зоны, отн. ед.,
ш
m - вес шихты, кг,
3
k - постоянная формы фронта кристаллизации при выращивании средней зоны, град/с, рассчитываемая по формуле:
где γ - угол при вершине конуса фронта кристаллизации, образующийся при выращивании хвостовой зоны, определяемый эмпирически, град,
ср
t - время роста средней зоны, определяемое эмпирически с,
2
r - допустимое отклонение от цилиндрической формы средней и хвостовой зон растущего монокристалла, отн. ед.,
выт3
V - скорость вертикального перемещения монокристалла.
-2
При вакуумировании подключают автоматическую систему управления вакуумным постом, вводят величину минимального предельного значения давления в камере, равную 5·10 Торр, и контролируют вакуумирование камеры. В первый канал вычислительного блока вводят следующие математические формулы, определяющие:
скорость подъема напряжения на нагревателе:
U1
где V - скорость подъема напряжения на нагревателе. В/с,
напряжение на нагревателе, соответствующее температуре обезгаживания гарнисажа:
∂
где U - напряжение на нагревателе, соответствующее температуре обезгаживания гарнисажа. В,
измΔр
-2
U - напряжение на нагревателе при падении давления до 1·10 Торр, В,
U1
V - скорость изменения напряжения на нагревателе в момент изменения давления, В/час.
-2
-2
-3
-4
После чего в первый канал блока сравнения вводят величину максимального предельного значения давления в камере, равную 1·10 Торр, определяющую начало изотермической выдержки, а во второй канал блока сравнения вводят величину минимального предельного значения давления в камере, равную 5·10 Торр или 5·10 Topp в зависимости от применяемого измерительного оборудования, определяющую окончание изотермической выдержки. Подключают автоматическую систему управления нагревом с введенным расчетным значением скорости подъема напряжения на нагревателе в канале регулирования температуры и контролируют дегазацию шихты и гарнисажа. Далее в автоматическую систему управления вакуумным постом вводят величину минимального предельного значения давления в камере, равную 5·10 Торр, и контролируют вакуумирование камеры. В третий канал блока сравнения вводят расчетную величину значения напряжения на нагревателе, соответствующую температуре плавления шихты, при ранее введенной скорости подъема напряжения на нагревателе и контролируют плавление шихты. Затравление и выращивание осуществляют с помощью автоматических систем управления нагревом и вакуумным постом, подключая автоматические системы управления вытягиванием и вращением. При этом в автоматическую систему управления вытягиванием вводят величину скорости вертикального перемещения вниз затравочного кристалла, определяемую из условия:
а во второй канал вычислительного блока вводят следующие математические формулы, определяющие:
величину перемещения затравочного кристалла:
где l - величина перемещения затравочного кристалла, м,
паузу между поворотами:
вр
где τ - пауза между поворотами, с,
размерность коэффициента 0,0002, м.
-1
Подключают автоматическую систему управления вытягиванием и контролируют перемещение затравочного кристалла вниз. Далее в автоматическую систему управления вращением вводят значение угла правого вращательного движения, равное 180 град, значение угла левого вращательного движения, составляющее 60-90 град, значение скорости вращения, составляющее 0,01-0,3 с, и контролируют разнонаправленные повороты затравочного кристалла с рассчитанной паузой между ними на протяжении процесса выращивания монокристалла. После чего вводят в автоматическую систему управления вытягиванием величину скорости вертикального перемещения вверх затравочного кристалла, равную скорости кристаллизации, в первый канал вычислительного блока системы контроля веса - математическую формулу расчета максимальной предельной величины веса шейки носовой зоны монокристалла:
1
где m - максимальный предельный вес шейки растущего монокристалла, кг. Подключают систему контроля веса и контролируют выращивание шейки носовой зоны. После чего во второй канал вычислительного блока системы контроля веса вводят математическую формулу расчета максимальной предельной величины веса носовой зоны монокристалла:
2
где m - вес носовой зоны монокристалла, кг.
В третий канал вычислительного блока вводят следующие математические формулы, определяющие:
отклонение веса растущего монокристалла при разращивании шейки носовой зоны от теоретически рассчитанного:
1
где Δm - отклонение веса растущего монокристалла при разращивании шейки носовой зоны от теоретически рассчитанного, кг,
изм
m - измеренный вес растущего монокристалла в момент расчета, кг,
1
t - время от начала разращивания шейки носовой зоны, с,
изменение скорости снижения напряжения на нагревателе:
U2
где V - скорость снижения напряжения на нагревателе при разращивании шейки носовой зоны. В/с,
U2
- скорость снижения напряжения на нагревателе при разращивании шейки носовой зоны до расчета V, В/с, при этом начальная скорость снижения напряжения равна 0,
изменение скорости вытягивания растущего монокристалла при разращивании шейки носовой зоны:
выт1
где V - скорость вытягивания при разращивании шейки носовой зоны, м/с.
В четвертый канал блока сравнения вводят математическую формулу расчета максимального предельного отклонения веса растущего монокристалла при разращивании шейки носовой зоны:
1
где Δ - максимальное предельное отклонение веса растущего монокристалла при разращивании шейки носовой зоны, кг,
и контролируют разращивание шейки носовой зоны. После чего вводят в третий канал вычислительно блока системы контроля веса математическую формулу расчета максимальной предельной величины веса средней и носовой зон:
3
где m - максимальный предельный вес средней и носовой зон монокристалла, кг.
В четвертый канал вычислительного блока вводят следующую математические формулы, определяющие:
отклонение веса средней зоны растущего монокристалла от теоретически рассчитанного:
2
где Δm - отклонение веса средней зоны растущего монокристалла от теоретически рассчитанного, кг,
2
t - время от начала выращивания средней зоны монокристалла, с,
изменение скорости снижения напряжения на нагревателе:
U3
где V - скорость снижения напряжения на нагревателе при выращивании средней зоны, В/с,
U3
- скорость снижения напряжения на нагревателе при выращивании средней зоны до расчета V, В/с,
скорость вытягивания растущего монокристалла:
выт2
где V - скорость вытягивания средней и хвостовой зон растущего монокристалла, м/с.
В пятый канал блока сравнения вводят математическую формулу расчета максимального предельного отклонения веса растущего монокристалла при выращивании средней и хвостовой зон:
2
где Δ - максимальное предельное отклонение веса растущего монокристалла при выращивании средней и хвостовой зон, кг,
и контролируют выращивание средней зоны монокристалла. После чего вводят в четвертый канал вычислительно блока системы контроля веса математическую формулу расчета максимальной предельной величины веса монокристалла:
4
где m - максимальный предельный вес монокристалла, кг.
В пятый канал вычислительного блока вводят следующие математические формулы, определяющие:
отклонение веса хвостовой зоны растущего монокристалла от теоретически рассчитанного:
3
где Δm - отклонение веса хвостовой зоны растущего монокристалла от теоретически рассчитанного, кг,
3
t - время от начала выращивания хвостовой зоны монокристалла, с,
скорость снижения напряжения на нагревателе при выращивании хвостовой зоны:
U4
где V - скорость снижения напряжения на нагревателе при выращивании хвостовой зоны, В/с,
U4
- скорость снижения напряжения на нагревателе при выращивании хвостовой зоны до расчета V, В/с,
скорость вытягивания растущего монокристалла:
и контролируют выращивание хвостовой зоны монокристалла. После чего отключают автоматическую систему управления вращением, и в автоматическую систему управления вытягиванием вводят величину скорости вертикального перемещения вверх, определяемую из условия
и величину вертикального перемещения монокристалла вверх по формуле:
где L - величина вертикального перемещения монокристалла вверх, м,
и контролируют процесс движения монокристалла. После чего отключают автоматическую систему управления вытягиванием, а в автоматическую систему управления нагревом вводят величину скорости снижения напряжения на нагревателе, определяемую по формуле,
U5
где V - скорость снижения напряжения на нагревателе, В/с,
и контролируют охлаждение монокристалла.
Считаем, что заявляемый способ соответствует условию новизны.
Принято проводить выращивание высокотемпературных монокристаллов в вакууме. При нагревании в вакууме тигля с шихтой и гарнисажа, включающих материалы с развитой поверхностью, происходит интенсивное испарение полярных ассоциированных частиц (100°С-150°С) и химически связанных органических соединений (150°С-400°С): воды, кислорода, окисленных частиц материалов гарнисажа и тигля, а также шихты. При температурах более 400°С выделяющиеся газообразные вещества окисляются и осаждаются на поверхности элементов гарнисажа, тигля, шихты, впоследствии они являются одной из причин образования газовых включений и увеличения количества примесей в монокристалле. Нами предложено дополнительно проводить операцию дегазации шихты и гарнисажа. Для этого в АСУТП введены минимальные предельные значения давления в камере, а также формула 3, обеспечивающие определение начала и окончания операции дегазации, напряжение на нагревателе, соответствующее температуре дегазации и оптимальную нагрузку на вакуумные насосы вакуумного поста, и как следствие повышение срока службы вакуумных насосов.
-2
-3
Пороги давления 5·10 и 5·10 Торр обусловлены паспортными данными форвакуумного насоса и конструкцией применяемых датчиков давления.
Введение в АСУТП формулы 1 определения скорости подъема напряжения на нагревателе обеспечивает минимальные энерго-временные затраты на плавление шихты, а также максимальный срок службы элементов гарнисажа и тигля.
Для обеспечения термических напряжений в затравочном монокристалле, не превышающих порога скольжения, в АСУТП введено условие (формула 4), определяющее максимально допустимую скорость вертикального перемещения затравочного монокристалла вниз.
Введение в АСУТП расчета по формуле 5, определяющего величину вертикального перемещения затравочного кристалла вниз, способствует погружению затравочного кристалла в расплав на глубину, необходимую для расплавления выросшей части, образовавшейся в момент касания затравочным кристаллом расплава. При этом в точке касания увеличивается лучистый теплоотвод от поверхности расплава (через кристалл и его боковые поверхности), что приводит к быстрому (со скоростью выходящей за интервал оптимальных скоростей кристаллизации) формированию острого конуса, направленного вглубь расплава, содержащего значительное количество макро- и микродефектов. Дальнейшее опускание затравочного кристалла приводит к расплавлению выросшей части и частичному расплавлению затравочного кристалла. При этом, если выросшая часть монокристалла расплавится не полностью, в растущий монокристалл «прорастут» все дефекты, образовавшиеся в этой части.
Введение в АСУТП расчета по формуле 6 паузы между поворотами, а также скорости вращательного движения растущего монокристалла, обусловленной моментом инерции растущего монокристалла и допустимой нагрузкой на шток и затравочный монокристалл, угла правого вращательного движения, равного 180 град, обусловленного компенсацией смещения радиального температурного поля от оси симметрии монокристалла, угла левого вращательного движения, равного 60-90 град, обусловленного компенсацией роста монокристалла во всех возможных направлениях отклонений от оси симметрии монокристалла, обеспечивает усреднение радиальной несимметрии температурного поля вблизи фронта кристаллизации и как следствие придание кристаллу округлой формы.
Ведение в АСУТП расчетов максимальной предельной величины веса каждой зоны растущего монокристалла обеспечивает автоматическое определение границ каждой операции, а расчетов отклонения веса растущего монокристалла, изменения скорости снижения напряжения на нагревателе, изменения скорости вытягивания обеспечивает постоянство скорости кристаллизации по всему объему монокристалла, следовательно, обеспечивает постоянное качество монокристалла по всему объему.
Использование отдельных многоканальных блоков сравнения и вычисления, а также проведение большинства вычислительных операций заранее до использования результата, использование математических операций, не требующих значительных временных и вычислительных ресурсов, обеспечивает упрощение системы управления и одновременно способствует совершенству выращиваемых монокристаллов.
Анализ изобретательского уровня показал, что не выявлены источники известности патентной документации и научно-технической информации, обеспечивающие технологический процесс роста монокристалла по методу Накена-Киропулоса в автоматическом режиме, начиная с вакуумирования и заканчивая охлаждением монокристалла. При этом определен достаточный комплекс технологических параметров, обеспечивающий постоянство скорости кристаллизации, повороты растущего монокристалла на заявляемые углы с заявляемыми паузами, а также расчеты зависимостей, описывающих тонкие частные механизмы компенсации отклонений веса растущего монокристалла от теоретического, применяемый впервые для обеспечения качественного автоматического управления и структурного совершенства выращиваемых монокристаллов.
Заявляемое техническое решение обладает изобретательским уровнем.
Более конкретно техническое решение описывается следующим примером.
ПРИМЕР. На установке типа «АПЕКС», ПАСПОРТ 680000ПС, дополнительно устанавливают программируемый логический контроллер ПЛК 150, производства фирмы ОВЕН, модули ввода МВА и модули вывода МВУ производства фирмы ОВЕН. Для регистрации работы автоматических систем использовано программное обеспечение MasterSCADA, разработанная фирмой ИнСАТ. На фиг.1 представлена схема автоматической системы управления технологическим процессом выращивания монокристаллов.
1. В блок констант вводят следующие технологические параметры:
а) справочные данные:
2
3
- материал - корунд α АlО,
пл
- температура плавления Т=2050°С,
к
3
- плотность кристалла ρ=3980 кг/м,
p
3
- плотность расплава ρ=3080 кг/м,
б) паспортные данные установки:
T
- диаметр тигля D=0,35 м,
ш
- вес загружаемой шихты m=100 кг,
т
- глубина тигля, H=0,54 м,
кр
- длина затравочного кристалла, h=0,1 м,
в) параметры процесса выращивания, обеспечивающие наилучшее качество монокристалла:
кр
-5
- скорость кристаллизации из условия 4: V=2,16·10 м/с,
- максимально допустимый градиента температуры гарнисажа, определяемый эмпирически, ΔT=200°С,
1
- расстояние от нижнего торца затравочного кристалла до верхней кромки тигля, h=0,2 м,
- диаметр шейки (согласно патенту РФ №2056463 от 03.04.92) d=0,036 м,
- диаметр средней зоны монокристалла, D=0,3 м,
1
- длина шейки из условия 6: l=0,107 м,
- угол разращивания шейки монокристалла (согласно патенту РФ №2320789 от 07.07.2006) α=100 град,
1
- допустимое отклонение от конической формы носовой зоны r=0,05 отн.ед.,
2
- допустимое отклонение от цилиндрической формы средней и хвостовой зон r=0,05 отн.ед.,
выт3
- скорость вертикального перемещения монокристалла V=0,02 м/с.
кр
-5
2. Для получения практических данных об установке, используемых в дальнейшем в заявляемом техническом решении, однократно проводят выращивание монокристалла по стандартному регламенту, указанному в паспорте установки со скоростью кристаллизации V=3,5·10 м/с (для образования повышенного количества газовых включений в объеме монокристалла) и определяют параметры установки:
u
- постоянную времени инерции гарнисажа t=2647 с определяется суммой объемов элементов гарнисажа, тигля и шихты,
- постоянную температуры нагревателя, В/°С, по формуле 1:
1
, k=0,004 B/°C (практическая величина),
- постоянная скорости снижения напряжения на нагревателе по формуле 4:
2
, k=0,0018 °С/кг (практическая величина),
- угол при вершине конуса фронта кристаллизации, образующийся при выращивании носовой зоны, β=118 град (практическая величина),
- угол при вершине конуса фронта кристаллизации, образующийся при выращивании хвостовой зоны γ=83 град (практическая величина),
ср
- время роста средней зоны t=6200 с (практическая величина),
- постоянную формы фронта кристаллизации при выращивании средней зоны по формуле 5:
3
-3
, k=-2,8·10 град/с.
3. Вводят в программируемый логический контроллер в соответствующие блоки формулы 6, 7, 9-25, 27, 28.
-2
-2
-2
-4
4. Вводят в автоматическую систему управления вакуумным постом величину минимального предельного значения давления в камере, равную 5·10 Торр, величину максимального предельного значения давления в камере, равную 1·10 Торр, определяющую начало изотермической выдержки, величину минимального предельного значения давления в камере, равную 5·10 Торр, определяющую окончание изотермической выдержки, величину минимального предельного значения давления в камере, равную 5·10 Торр.
-5
-5
кр
5. Вводят в автоматическую систему управления вытягиванием величину скорости вертикального перемещения вниз затравочного кристалла, равную 17·10 м/с, величину скорости вертикального перемещения вверх монокристалла, равную 0,02 м/с, величину значения скорости кристаллизации, равную V=2,16·10 м/с.
-1
6. Вводят в автоматическую систему управления вращением угол правого вращательного движения, равный 180 град, угол левого вращательного движения, равный 82,5 град, скорость вращения, равную 0,02 с.
7. Проводят чистку установки, загрузку шихты в тигель, крепят затравочный кристалл, устанавливают элементы гарнисажа согласно регламенту.
8. Подключают автоматическую систему управления вакуумным постом и контролируют вакуумирование камеры. Подключают автоматическую систему управления нагревом и контролируют дегазацию шихты и гарнисажа, далее контролируют плавление шихты. Подключают автоматическую систему управления вытягиванием и контролируют перемещение затравочного кристалла вниз. Подключают автоматическую систему управления вращением и контролируют разнонаправленные повороты затравочного монокристалла на протяжении процесса выращивания монокристалла.
На фигуре 2 представлен график зависимости веса монокристалла, напряжения на нагревателе и скорости вытягивания монокристалла от времени при выращивании носовой зоны монокристалла, где а - кривые, полученные теоретическими расчетами, 6 - кривые, полученные практически.
На фигуре 3 представлен график зависимости веса монокристалла, напряжения на нагревателе и скорости вытягивания монокристалла от времени при выращивании средней зоны монокристалла, где а - кривые, полученные теоретическими расчетами, б - кривые, полученные практически.
На фигуре 4 представлен график зависимости веса монокристалла, напряжения на нагревателе и скорости вытягивания монокристалла от времени при выращивании хвостовой зоны монокристалла, где а - кривые, полученные теоретическими расчетами, б - кривые, полученные практически.
Контролируют выращивание носовой зоны монокристалла (фиг.2), выращивание средней зоны монокристалла (фиг.3), выращивание хвостовой зоны монокристалла (фиг.4) по графикам в программе MasterSCADA. После чего отключают автоматическую систему управления вращением и контролируют движение монокристалла вверх. Далее отключают автоматическую систему управления вытягиванием и контролируют охлаждение монокристалла.
Время выращивания монокристалла весом 98 кг составило 89 часов, полученный монокристалл имел коническую форму носовой зоны, цилиндрическую форму средней и хвостовой зон, отклонения от форм не превышало заданных допустимых отклонений.
Визуальный анализ показал, что количество газовых включений не превышает 0,98% по всему объему монокристалла.
Заявляемое техническое решение соответствует условию промышленной применимости.