CN106283178A - 一种大尺寸提拉法单晶生长设计和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明给出了一种提拉法单晶生长的形状、工艺参数和控制参数的设计及其控制方法，分段设计整根晶体的直径、工艺参数和控制参数，数个晶体段构成一个完整的晶体。保持相邻晶体段间在过渡处的拉速、转速、直径和PID参数相等，并分别设定，从而在整个晶体生长过程中的拉速、转速、直径和PID参数均按给出的函数关系计算，为晶体生长的实时控制提供参数并计算反馈量，达到稳定控制晶体生长的目的。

Description

一种大尺寸提拉法单晶生长设计和控制方法

技术领域

本发明涉及功能及衬底晶体单晶生长领域，具体是一种提拉法单晶生的形状、工艺参数及其PID参数设计和控制方法。

背景技术

提拉法是一种制备大尺寸高质量单晶的重要方法，广泛用于激光晶体(如稀土掺杂的Y₃Al₅O₁₂(YAG)、YAlO₃(YAP)、Lu_2(1-x)Y_2xSiO₅(LYSO))、衬底晶体(如Gd₃Ga₅O₁₂(GGG)、LaAlO₃、蓝宝石Al₂O₃)、闪烁晶体(如Ce_2xLu_2(1-x)SiO₅、Ce_2xY_2yLu_2(1-x-y)SiO₅)、压电晶体(如La₃Ga₅SiO₁₄、La₃Ga_4.5Ta_0.5SiO₁₄、La₃Ga_4.5Nb_0.5SiO₁₄)等的单晶生长。为了提高温场的对称性，一般提拉法晶体生长的温场都设计为轴对称或者接近轴对称，从而所生长的晶体都是轴对称或近似轴对称的，提拉法晶体生长形状设计和控制的基础是假设垂直于晶体生长方向的截面为一半径为r的圆形截面。

通常提拉法至少包含两个阶段：第一阶段是由籽晶逐步扩大晶体尺寸到所需的晶体直径过程，该阶段俗称“放肩”；第二阶段通常按所需的晶体直径等径生长，俗称“等径”阶段。在放肩过程中，晶体直径逐渐增加，结晶速度通常也不断增大，过快的结晶速度会导致晶体内部产生较大的热应力。在此阶段，通常所用的晶体形状设计过程采用线性算法设定，其在放肩结束转等径阶段不是一个平滑的过渡，会进一步增大晶体内部应力，当此应力过大时则会导致晶体开裂。在一些晶体如蓝宝石、Gd₃Ga₅O₁₂晶体生长中，为避免籽晶中的位错延伸至晶体，提高晶体质量，在整个晶体生长过程中，晶体会有多个直径变化的过程，直径变化的算法通常采用线性算法。

由此可见，提拉法生长涉及到相对复杂的晶体直径变化及其直径控制。在这些直径变化过程中，一些直径变化较大的部分有可能导致晶体中存在过大的应力，破坏晶体生长完整性和晶体质量。另外一方面，晶体生长过程具有非线性、时变、滞后的特点，晶体生长系统是一个保温系统，系统内部温度的变化不能够快速升高或降低，因而在晶体直径变化过程中，需要充分考虑晶体的应力及其直径变化与系统温场变化的适应性。

近几年来，自动化提拉法生长设备的研制已经有了很大发展，如法国CyberStar公司的提拉法单晶炉、中国电子科技集团第二十六所的提拉法单晶炉等，在精度、稳定性等方面都达到了良好的水平。但就如何设计一个适合这些单晶炉系统的自动化控制系统控制生长晶体所需的外形、工艺参数、控制算法目前还未见有文献报道。本专利基于长期生长Nd:YAG、GGG、YSGG、LaAlO₃等晶体实践的基础上，提出了分段组合设计晶体直径、提拉旋转参数、PID参数、生长速率的方法，可以获得生长工艺所需的多种复杂晶体形状，并可实现晶体直径的光滑过渡，适应晶体生长系统的热惯性，有利于提高晶体的完整性及其质量。特别地，本专利所提出的直径设计都是函数化的，在使用中只需设定有限的参数，即可获得晶体生长所需的比较复杂的形状，并由计算机软件自动计算，从而提高了设计的灵活性和控制的自动化程度。

发明内容

本发明提供的是一种提拉法单晶生长的形状、工艺参数和控制参数的设计方法及其控制方法，具体叙述如下：

一种大尺寸提拉法单晶生长设计以及控制方法，其特征在于：包括的大尺寸提拉法单晶生长形状、工艺参数和控制参数设计方法和控制方法，所述的大尺寸提拉法单晶生长形状、工艺参数和控制参数设计方法是指整根晶体的直径、工艺参数和PID控制参数分段设计，每段称为晶体段；数个晶体段组合成一个完整的晶体，在保持相邻晶体段间在连接处的拉速、转速、直径和PID参数相等的情况下，每个晶体段的直径、拉速、转速和PID参数单独设计，所述控制方法是指根据上述设计参数以及实际测量参数，进行单晶生长直径的自动控制，根据生长特点和习性，一根晶体的生长控制由数段组成，通常不多于10段。

所述的每个晶体段的生长形状、工艺参数和控制参数具体设计如下：

设每个晶体段的高度为H，顶部、底部的半径分别为r₁、r₂，顶部、底部的晶体生长速度为v₁、v₂，顶部、底部的转速分别为ω₁、ω₂，顶部、底部的PID控制参数别为P₁、P₂，I₁、I₂，D₁、D₂，在晶体生长时，由晶体段顶部开始生长，逐步生长到晶体段底部，在此过程中，

2.1晶体段半径r随晶体生长高度h的变化按如下规律变化：

r(h)＝r₁+(r₂-r₁)f(h) (1)

f(h)为调制函数，取为如下几种形式：

f(h)＝[3(h/H)²-2(h/H)³]ⁿ(0≤h≤H，n>0) (2)

$f\left(h\right)={\[3{\left(\frac{h}{2H}\right)}^2-2{\left(\frac{h}{2H}\right)}^3\]}^n,(0\≤h\≤H,n>0)---\left(3\right)$

$f\left(h\right)={\[3{(0.5+\frac{h}{2H})}^2-2{(0.5+\frac{h}{2H})}^3\]}^n,(0\≤h\≤H,n>0)---\left(4\right)$

2.2晶体段的生长速度按如下规律变化：

v(h)＝(v₁ ²+2ah)^1/2 (5)

a＝(v₂ ²-v₁ ²)/(2H) (6)

2.3晶体段的转速按如下规律变化：

ω(h)＝ω₁+(ω₂-ω₁)h/H (7)

2.4晶体段PID参数如下规律变化：

P(h)＝P₁+(P₂-P₁)h/H (8)

I(h)＝I₁+(I₂-I₁)h/H (9)

D(h)＝D₁+(D₂-D₁)h/H (10)

所述的控制方法的具体过程如下：设在生长过程中的t时刻，其设定生长直径r、生长速率v、转速ω由公式(1)～(8)计算，从晶体生长系统的称重系统可检测出实际晶体直径为r_obs、实际生长速率为v_obs，可采用如下误差e作为反馈信号作为自动控制的信号：

e＝r_obs-r (11)

或e＝v_obs-v (12)

采用标准的PID控制算法获得加热电源的功率调节值δ以实现晶体直径的自动控制：

$\mathrm{\δ}=P(e+\frac{\∫edt}{I}+D\frac{de}{dt})---\left(13\right)$

式中P、I、D由公式(8)～(10)计算，∫edt为误差的积分值，为误差的微分值。

采用上述的一种大尺寸提拉法单晶生长设计以及控制方法生产的单个晶体段。

采用上述单个晶体段生产大尺寸单晶体的工艺方法，其特征在于：可以采用任意段晶体段组合生产大尺寸单晶体。

所述的任意段晶体段组合包括二段晶体段组合生产法、三段晶体段组合生产法和四段晶体段组合生产法。

其中：所述的二段晶体段组合生产法具体是指：

第一段为逐步扩大晶体直径的阶段，称为“放肩段”，该段由籽晶直径逐步扩展到所需晶体直径，然后进入第二段，该段的顶部和尾部直径相等，成为一圆柱段，称为“等径段”；

所述的三段晶体段组合生产法具体包括两种情况：

第一种情况是指：第一段放肩段，第二段“等径段”，第三段再从“等径段”的直径生长收缩到某一设定直径，称为“收尾”，完成生长；

第一种情况是指：第一段设定为底部生长的直径小于籽晶直径，称为“缩颈”，第二段为“放肩段”，第三段为“等径段”，运行完该段即完成生长；

所述的四段晶体段组合生产法具体是指：依次由“放肩段”、“等径段”、“收尾段”，再生长一段“等径段”组成，也可由“缩颈段”、“放肩段”、“等径段”、“收尾段”依次组成。

上述的生产大尺寸单晶体的工艺方法可以适用于生长任何提拉法生长的单晶，包括纯基质、掺杂激活的发光单晶或激光晶体、闪烁晶体、衬底晶体、压电晶体等，例如，可用于生长如下晶体：Nd³⁺、Ce³⁺，Yb³⁺、Ce³⁺,Nd³⁺、Ce³⁺,Pr³⁺、Cr³⁺,Tm³⁺,Ho³⁺、Dy³⁺、Pr³⁺、Sm³⁺掺杂的YAG、GGG、LuAG、YAP、LYSO、LSO、GSO、YSGG、GSGG、GYSGG和它们的纯基质等，以及Ti³⁺:Al₂O₃、Cr³⁺:Al₂O₃、Al₂O₃、LaAlO₃、La₃Ga₅SiO₁₄、La₃Ga_5.5Ta_0.5O₁₄、La₃Ga_5.5Nb_0.5O₁₄等单晶。特别地，本方法成功制备了直径4～5英寸的大尺寸优质Nd:YAG晶体。

附图说明

图1本发明单晶体段生长段设计示意图；

图2本发明YAG整个晶体生长形状设计图。

具体实施案例

下面给出本发明的一个实施案例，本实施例在本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种大尺寸提拉法单晶生长设计以及控制方法，其特征在于：包括的大尺寸提拉法单晶生长形状、工艺参数和控制参数设计方法和控制方法，所述的大尺寸提拉法单晶生长形状、工艺参数和控制参数设计方法是指整根晶体的直径、工艺参数和PID控制参数分段设计，每段称为晶体段；数个晶体段组合成一个完整的晶体，在保持相邻晶体段间在连接处的拉速、转速、直径和PID参数相等的情况下，每个晶体段的直径、拉速、转速和PID参数单独设计，所述控制方法是指根据上述设计参数以及实际测量参数，进行单晶生长直径的自动控制，根据生长特点和习性，一根晶体的生长控制由数段组成，通常不多于10段。

如图1所示，所述的每个晶体段的生长形状、工艺参数和控制参数具体设计如下：

设每个晶体段的高度为H，顶部、底部的半径分别为r₁、r₂，顶部、底部的晶体生长速度为v₁、v₂，顶部、底部的转速分别为ω₁、ω₂，顶部、底部的PID控制参数别为P₁、P₂，I₁、I₂，D₁、D₂，在晶体生长时，由晶体段顶部开始生长，逐步生长到晶体段底部，在此过程中，

2.1晶体段半径r随晶体生长高度h的变化按如下规律变化：

r(h)＝r₁+(r₂-r₁)f(h) (1)

f(h)为调制函数，取为如下几种形式：

f(h)＝[3(h/H)²-2(h/H)³]ⁿ(0≤h≤H，n>0) (2)

$f\left(h\right)={\[3{\left(\frac{h}{2H}\right)}^2-2{\left(\frac{h}{2H}\right)}^3\]}^n,(0\≤h\≤H,n>0)---\left(3\right)$

$f\left(h\right)={\[3{(0.5+\frac{h}{2H})}^2-2{(0.5+\frac{h}{2H})}^3\]}^n,(0\≤h\≤H,n>0)---\left(4\right)$

2.2晶体段的生长速度按如下规律变化：

v(h)＝(v₁ ²+2ah)^1/2 (5)

a＝(v₂ ²-v₁ ²)/(2H) (6)

2.3晶体段的转速按如下规律变化：

ω(h)＝ω₁+(ω₂-ω₁)h/H (7)

2.4晶体段PID参数如下规律变化：

P(h)＝P₁+(P₂-P₁)h/H (8)

I(h)＝I₁+(I₂-I₁)h/H (9)

D(h)＝D₁+(D₂-D₁)h/H (10)

所述的控制方法的具体过程如下：设在生长过程中的t时刻，其设定生长直径r、生长速率v、转速ω由公式(1)～(8)计算，从晶体生长系统的称重系统可检测出实际晶体直径为r_obs、实际生长速率为v_obs，可采用如下误差e作为反馈信号作为自动控制的信号：

e＝r_obs-r (11)

或e＝v_obs-v (12)

采用标准的PID控制算法获得加热电源的功率调节值δ以实现晶体直径的自动控制：

$\mathrm{\δ}=P(e+\frac{\∫edt}{I}+D\frac{de}{dt})---\left(13\right)$

式中P、I、D由公式(8)～(10)计算，∫edt为误差的积分值，为误差的微分值。

采用上述的一种大尺寸提拉法单晶生长设计以及控制方法生产的单个晶体段。

采用上述单个晶体段生产大尺寸单晶体的工艺方法，其特征在于：可以采用任意段晶体段组合生产大尺寸单晶体。

所述的任意段晶体段组合包括二段晶体段组合生产法、三段晶体段组合生产法和四段晶体段组合生产法。

其中：所述的二段晶体段组合生产法具体是指：

第一段为逐步扩大晶体直径的阶段，称为“放肩段”，该段由籽晶直径逐步扩展到所需晶体直径，然后进入第二段，该段的顶部和尾部直径相等，成为一圆柱段，称为“等径段”；

所述的三段晶体段组合生产法具体包括两种情况：

第一种情况是指：第一段放肩段，第二段“等径段”，第三段再从“等径段”的直径生长收缩到某一设定直径，称为“收尾”，完成生长；

第一种情况是指：第一段设定为底部生长的直径小于籽晶直径，称为“缩颈”，第二段为“放肩段”，第三段为“等径段”，运行完该段即完成生长；

所述的四段晶体段组合生产法具体是指：依次由“放肩段”、“等径段”、“收尾段”，再生长一段“等径段”组成，也可由“缩颈段”、“放肩段”、“等径段”、“收尾段”依次组成。

上述的生产大尺寸单晶体的工艺方法可以适用于生长任何提拉法生长的单晶，包括纯基质、掺杂激活的发光单晶或激光晶体、闪烁晶体、衬底晶体、压电晶体等，例如，可用于生长如下晶体：Nd³⁺、Ce³⁺，Yb³⁺、Ce³⁺,Nd³⁺、Ce³⁺,Pr³⁺、Cr³⁺,Tm³⁺,Ho³⁺、Dy³⁺、Pr³⁺、Sm³⁺掺杂的YAG、GGG、LuAG、YAP、LYSO、LSO、GSO、YSGG、GSGG、GYSGG和它们的纯基质等，以及Ti³⁺:Al₂O₃、Cr³⁺:Al₂O₃、Al₂O₃、LaAlO₃、La₃Ga₅SiO₁₄、La₃Ga_5.5Ta_0.5O₁₄、La₃Ga_5.5Nb_0.5O₁₄等单晶。下面以Φ100mm×150mm的Nd:YAG晶体形状、生长工艺和控制参数设计、晶体生长为例进行详细介绍。

大尺寸高光学均匀性Nd:YAG晶体的晶体生长方法，采用附图2所示的晶体形状设计图生长，包括如下步骤：

(1)将纯度≥99.99％的氧化钇Y₂O₃、氧化铝Al₂O₃、氧化钕Nd₂O₃在1000℃下灼烧12小时，再按预设的掺钕浓度进行计算、称量配制，混合均匀，然后装入乳胶模具中密封并通过300MPa等静压成型；

(2)将方向为<111>±3°的Nd:YAG籽晶放入所用铱金籽晶杆中；

(3)将步骤(1)中成型的原料放入铱金坩埚中；抽真空，当炉内真空度低于10Pa时，再缓慢往炉膛内充入高纯N₂进行保护；

(4)在JGD800单晶炉上，采用如下形状、生长工艺和控制参数设计：

晶体生长分为放肩、等径两个阶段，设计参数如下：

表1Φ100mm×150mmNd:YAG晶体生长

(5)采用中频电源感应加热升温，待原料充分熔化并恒温3小时后，调整加热功率，使熔体液面温度至Nd:YAG晶体结晶温度1980℃；然后逐渐下降籽晶，至籽晶与熔体表面接触；调整中频电源功率，直至籽晶直径无变化后，再恒温1小时，开始提按表1所示的参数进行自动晶体生长。

(6)晶体生长结束后，以50mm/h的速度将Nd:YAG晶体向上提拉脱离液面，形成附图2所示的自然界面段。然后以20℃/h的速率进行降温，直至室温，降至室温24h后，取出晶体，获得Φ100mm×200mm的Nd:YAG晶体。

Claims (7)

1.一种大尺寸提拉法单晶生长设计以及控制方法，其特征在于：包括的大尺寸提拉法单晶生长形状、工艺参数和控制参数设计方法和控制方法，所述的大尺寸提拉法单晶生长形状、工艺参数和控制参数设计方法是指整根晶体的直径、工艺参数和PID控制参数分段设计，每段称为晶体段；数个晶体段组合成一个完整的晶体，在保持相邻晶体段间在连接处的拉速、转速、直径和PID参数相等的情况下，每个晶体段的直径、拉速、转速和PID参数单独设计，所述控制方法是指根据上述设计参数以及实际测量参数，进行单晶生长直径的自动控制。

2.如权利要求1所述的一种大尺寸提拉法单晶生长设计以及控制方法，其特征在于：所述的每个晶体段的生长形状、工艺参数和控制参数具体设计如下：

设每个晶体段的高度为H，顶部、底部的半径分别为r₁、r₂，顶部、底部的晶体生长速度为v₁、v₂，顶部、底部的转速分别为ω₁、ω₂，顶部、底部的PID控制参数别为P₁、P₂，I₁、I₂，D₁、D₂，在晶体生长时，由晶体段顶部开始生长，逐步生长到晶体段底部，在此过程中，

2.1晶体段半径r随晶体生长高度h的变化按如下规律变化：

r(h)＝r₁+(r₂-r₁)f(h) (1)

f(h)为调制函数，取为如下几种形式：

f(h)＝[3(h/H)²-2(h/H)³]ⁿ(0≤h≤H，n>0)(2)

2.2晶体段的生长速度按如下规律变化：

v(h)＝(v₁ ²+2ah)^1/2(5)

a＝(v₂ ²-v₁ ²)/(2H) (6)

2.3晶体段的转速按如下规律变化：

ω(h)＝ω₁+(ω₂-ω₁)h/H (7)

2.4晶体段PID参数如下规律变化：

P(h)＝P₁+(P₂-P₁)h/H (8)

I(h)＝I₁+(I₂-I₁)h/H (9)

D(h)＝D₁+(D₂-D₁)h/H (10)。

3.如权利要求1所述的一种大尺寸提拉法单晶生长设计以及控制方法，其特征在于，所述的控制方法的具体过程如下：设在生长过程中的t时刻，其设定生长直径r、生长速率v、转速ω由公式(1)～(8)计算，从晶体生长系统的称重系统可检测出实际晶体直径为r_obs、实际生长速率为v_obs，可采用如下误差e作为反馈信号作为自动控制的信号：

e＝r_obs-r(11)

或e＝v_obs-v(12)

采用标准的PID控制算法获得加热电源的功率调节值δ以实现晶体直径的自动控制：

式中P、I、D由公式(8)～(10)计算，∫edt为误差的积分值，为误差的微分值。

4.采用权利要求1-3任一项所述的一种大尺寸提拉法单晶生长设计以及控制方法生产的单个晶体段。

5.采用权利要求4所述的单个晶体段生产大尺寸单晶体的工艺方法，其特征在于：可以采用任意段晶体段组合生产大尺寸单晶体。

6.根据权利要去5所述的生产大尺寸单晶体的工艺方法，其特征在于：所述的任意段晶体段组合包括二段晶体段组合生产法、三段晶体段组合生产法和四段晶体段组合生产法。

7.根据权利要去5所述的生产大尺寸单晶体的工艺方法，其特征在于：

所述的二段晶体段组合生产法具体是指：

第一段为逐步扩大晶体直径的阶段，称为“放肩段”，该段由籽晶直径逐步扩展到所需晶体直径，然后进入第二段，该段的顶部和尾部直径相等，成为一圆柱段，称为“等径段”；

所述的三段晶体段组合生产法具体包括两种情况：

第一种情况是指：第一段放肩段，第二段“等径段”，第三段再从“等径段” 的直径生长收缩到某一设定直径，称为“收尾”，完成生长；

第一种情况是指：第一段设定为底部生长的直径小于籽晶直径，称为“缩颈”，第二段为“放肩段”，第三段为“等径段”，运行完该段即完成生长；

所述的四段晶体段组合生产法具体是指：依次由“放肩段”、“等径段”、“收尾段”，再生长一段“等径段”组成，也可由“缩颈段”、“放肩段”、“等径段”、“收尾段”依次组成。