一种在提拉法生长晶体过程中测量晶体塞贝克系数的方法和装置

技术领域

本发明涉及晶体生长技术领域，更具体的，涉及一种在提拉法生长晶体过程中测量晶体塞贝克系数的方法和装置。

背景技术

提拉法大量应用于半导体材料、激光晶体、闪烁晶体等的生长，但如何生长高质量的大块晶体材料依旧是急需解决的问题，对于晶体生长过程的监控是解决这个问题的关键。现有多种方法应用于晶体生长的监测，例如通过热电偶测量晶体生长环境的温度，称重装置测量已经生长的晶体质量以及直接观察晶体的生长形貌等。这些方法可以测量得到晶体生长环境的变化以及晶体质量、形状等的宏观改变，对于提升晶体生长的质量起到了重要的作用。但是固液界面处的传热传质过程隐藏在高温熔体中，现有的监测手段无法对晶体内部生长情况进行分析。通过X射线衍射成像、布拉格衍射成像等方法可以对晶体生长的内在结构进行分析，但是这些方法需要苛刻的监测条件，无法运用到晶体生长的过程中。晶体生长行业急需能够监测晶体生长过程中界面演化的方法，从而针对晶体生长过程中内部细节的变化进行反馈控制。晶体界面相本征电动势分析方法为对晶体生长过程内部细节的实时检测提供了解决方案，通过对晶体生长过程中的界面相本征电动势分析，可以得到熔体对流频率、生长条纹变化、界面传热、质量积累等信息，这可以为晶体生长过程提供更加及时的信息反馈。该方法正在不断的发展完善，在此前的界面相本征电动势分析中将晶体的塞贝克系数视为常数，但同一种晶体因为成分的不同，塞贝克系数也不一样。从文献上查找得到的数值仅能作为参考，实际生产过程中的塞贝克系数与晶体成分和结构有关，在生长过程中是实时变化的，直接将晶体塞贝克系数视为常数会严重影响分析的精确程度。晶体生长过程中塞贝克系数的实时测量对提高电信号分析的精确程度具有重要意义，但目前没有合适的解决方案。

现有的塞贝克系数测量方法只能在样品生长完成后进行，不能在生长过程中进行实时反馈，测量的温度范围也存在限制，塞贝克测量仪最高测量温度一般不超过1100℃，而很多晶体的生长温度已经大大超出塞贝克系数测量仪可以测量的温度范围，例如YAG晶体的熔点为1970℃，单晶硅的熔点为1410℃等，常规的测量方法已经无法测得这些晶体在生长环境下的塞贝克系数。

发明内容

本发明为了解决以上现有技术存在的不足与缺陷的问题，提供了一种在提拉法生长晶体过程中测量晶体塞贝克系数的方法和装置。

为实现上述本发明目的，采用的技术方案如下：

一种在提拉法生长晶体过程中测量晶体塞贝克系数的方法，所述的方法包括步骤如下：

在晶体生长过程中，通过对籽晶杆造成可调的周期性温度波动，记录晶体生长过程中籽晶的周期性波动的温度T和周期性波动的界面相本征电动势U；

通过多个波动周期的叠加，将晶体的电信号和熔体的电信号以及其他的干扰信号区分开；

然后根据周期性波动的温度T和对应周期性波动的界面相本征电动势U求得晶体塞贝克系数；所述晶体塞贝克系数为界面相本征电动势波动的第一幅度和温度波动的第二幅度的比值。

优选地，对籽晶杆造成可调的周期性温度波动，具体通过气泵向籽晶杆周期性的吹风冷却获得，吹风的周期通过对气泵供电电压的周期进行调节。

优选地，所述气泵的出风口位于籽晶杆上端，在所述气泵的出风口，和籽晶与籽晶杆连接的位置之间设有用于隔绝出风口的气流对籽晶干扰的隔离挡板。

优选地，所述籽晶的温度由固定在籽晶与籽晶杆连接的位置的热电偶采集得到。

优选地，所述界面相本征电动势通过采集坩埚底和籽晶的电压得到。

进一步地，在籽晶与籽晶杆连接的位置用与籽晶杆同类的贵金属丝作为界面相本征电动势的正极引出，在坩埚底部用同类的贵金属丝作为界面相本征电动势的负极引出，并都连接到炉外的电压表上。

再进一步地，所述在籽晶与籽晶杆连接的位置还设有隔离套。

一种在提拉法生长晶体过程中测量晶体塞贝克系数的装置，所述的装置包括坩埚、籽晶杆、对籽晶杆造成可调的周期性温度波动的温控装置、数据处理装置、温度表和电压表；所述温度表的探测端设于籽晶与籽晶杆连接的位置，用于测量所述籽晶温度T；所述电压表分别连接所述籽晶杆与坩埚，通过测量所述籽晶杆与坩埚之间的电动势获得所述界面电动势U；

在晶体生长过程中，通过所述温控装置对籽晶杆造成可调的周期性温度波动；采用温度表记录晶体生长过程中籽晶的周期性波动的温度T；采用电压表记录周期性波动的界面相本征电动势U；

所述的数据处理装置通过多个波动周期的叠加，将晶体的电信号和熔体的电信号以及其他的干扰信号区分开，然后根据周期性波动的温度T和对应周期性波动的界面相本征电动势U求得晶体塞贝克系数；所述晶体塞贝克系数为界面相本征电动势波动的第一幅度和温度波动的第二幅度的比值。

优选地，还包括用于隔绝出风口的气流对籽晶干扰隔离挡板；所述气泵的出风口位于籽晶杆上端，所述的隔离挡板设置在所述气泵的出风口和籽晶与籽晶杆连接的位置之间。

优选地，还包括隔离套；所述隔离套设置在所述在籽晶与籽晶杆连接的位置。

本发明的有益效果如下：

本发明通过在籽晶端造成周期性温度波动的方式，可以将晶体和熔体的电信号区分开，从而求得晶体的塞贝克系数。这种方法不会干扰到晶体的正常生长，而且在较短时间内通过数据的叠加就能获得晶体的塞贝克系数，能在生长过程中实时的测量。即使是生长同一种晶体，配料的细微差别都会导致晶体塞贝克系数的变化，每颗晶体的塞贝克系数都不是完全一样的，对比通过查阅文献引用他人的数据并将塞贝克系数视为常数的方法，这种方法能测得每一块晶体在生长过程中的晶体塞贝克系数，极大的提高监测的精确程度，这对于生长高质量的晶体具有十分重要的作用。

附图说明

图1是本发明所述在提拉法生长晶体过程中测量晶体塞贝克系数的方法的流程图。

图2是本发明所述在提拉法生长晶体过程中测量晶体塞贝克系数的装置的连接示意图。

图3是以一分钟为周期施加温度波动测得的温度实例。

图4是以一分钟为周期施加界面相本征电动势傅里叶变换实例。

图5是以一分钟为周期施加温度波动测得晶体塞贝克系数实例。

图中，1-籽晶杆、2-隔离挡板、3-隔离套、4-籽晶、5-坩埚、6-气泵、7-出风口、8-可编程电源、9-温度表、10-电压表、11-晶体旋转电机、12-晶转杆、13-绝缘杆、14-导电滑环。

具体实施方式

以下将参照附图和优选实施例来说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书中所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例1

由于在晶体生长过程中，晶体的电信号是由熔体和晶体共同造成的，而且在晶体旋转的过程中两种电信号呈现出相同的规律性，因而很难将两者区分开。因此本实施例提出了一种在提拉法生长晶体过程中测量晶体塞贝克系数的方法，所述的方法包括步骤如下：

在晶体生长过程中，通过对籽晶杆1造成可调的周期性温度波动，记录晶体生长过程中籽晶4的周期性波动的温度T和周期性波动的界面相本征电动势U；

通过多个波动周期的叠加，将晶体的电信号和熔体的电信号以及其他的干扰信号区分开；

然后根据周期性波动的温度T和对应周期性波动的界面相本征电动势U求得晶体塞贝克系数；所述晶体塞贝克系数为界面相本征电动势波动的第一幅度和温度波动的第二幅度的比值。

本发明通过在籽晶4端造成周期性温度波动的方式，可以将晶体和熔体的电信号区分开，从而求得晶体的塞贝克系数。这种方法不会干扰到晶体的正常生长，而且在较短时间内通过数据的叠加就能获得晶体的塞贝克系数，能在生长过程中实时的测量。即使是生长同一种晶体，配料的细微差别都会导致晶体塞贝克系数的变化，每颗晶体的塞贝克系数都不是完全一样的，对比通过查阅文献引用他人的数据并将塞贝克系数视为常数的方法，这种方法能测得每一块晶体在生长过程中的晶体塞贝克系数，极大的提高监测的精确程度，这对于生长高质量的晶体具有十分重要的作用。

通过多个波动周期的叠加，将晶体的电信号和熔体的电信号以及其他的干扰信号区分开，主要是因为温度波动和电信号波动频率相同，呈现一致的变化趋势，但是，干扰信号不会有这样子的特征，所以是分散的散点。

所述的叠加就是在一个周期可能看的趋势不是很明显，不能很好的区别出干扰信号，但是通过多几个波动周期，可以很明显的区别出干扰信号。

在本实施例中，所述提拉法生长晶体全程一般依次包括：升温、下晶、放肩、等径、拉脱、降温，共六个阶段，本发明可以应用在下晶到拉脱阶段。所述晶体为铌酸锂、钽酸锂、蓝宝石、钇铝石榴石中的任意一种。

在本实施例中，对籽晶杆1造成可调的周期性温度波动，具体通过气泵6向籽晶杆1周期性的吹风冷却获得，吹风的周期通过对气泵6供电电压的周期进行调节。

当然，也可以在籽晶杆1上设有电热丝，通过周期性加热，实现对籽晶杆1造成可调的周期性温度波动。也可以直接朝籽晶杆1吹风或者在籽晶杆1上端进行水冷等各种方法，均属于在籽晶4端人为的造成温度波动，都属于本发明的保护范畴。本实施例以通过对籽晶杆1吹风为例进行描述。

在本实施例中，所述气泵6的出风口7位于籽晶杆1上端，在所述气泵6的出风口7，和籽晶4与籽晶杆1连接的位置之间设有用于隔绝出风口7的气流对籽晶4干扰的隔离挡板2。所述的隔离挡板2中部设有通孔，所述的籽晶杆1的一端穿过隔离挡板2的通孔与籽晶4连接；所述隔离挡板2采用耐高温材料制作而成，用于隔绝出风口7的气流对隔离挡板2下方的干扰，也即对籽晶4与籽晶杆1连接的位置的干扰。

本实施例由气泵6的出风端口通过硅胶管引入到晶体炉腔内，在靠近籽晶杆1的位置改用耐高温材料作为出风口7。

本实施例对气泵6的供电采用可编程直流稳压电源，通过人为的设定好供电电压周期实现对吹风周期进行调控。所述的供电电压周期可以为正弦波电压、余弦波电压、方形波电压等。所述的籽晶杆1采用贵金属制作而成，具有良好的导热性。

在本实施例中，所述籽晶4的温度由固定在籽晶4与籽晶杆1连接的位置的热电偶采集得到。所述热电偶的末端沿着线路连接到导电滑环14的旋转端，再由导电滑环14的固定端引出到炉体外部，连接到温度表9。

在本实施例中，所述界面相本征电动势通过采集坩埚5的底部和籽晶4的电压得到。

具体地，在籽晶4与籽晶杆1连接的位置用与籽晶杆1同类的贵金属丝作为界面相本征电动势的正极引出，在坩埚5底部用同类的贵金属丝作为界面相本征电动势的负极引出，并都连接到炉外的电压表10上。

本实施例所述热电偶的温度采集点位于籽晶4与籽晶杆1连接点处，并在同一点以与籽晶杆1同类的贵金属丝作为电信号正极引出，所述热电偶的末端与贵金属丝沿着各自的线路连接到导电滑环14的旋转端，再由导电滑环14的固定端引出到炉体外部，连接到温度表9以及电压表10上。而坩埚5的底部用同类型的贵金属丝作为电信号负极引出炉体，连接到电压表10上。热电偶和电信号正极从测量点到导电滑环14的旋转端的连接线路，从导电滑环14的固定端到温度表9和电压表10的连接线路，电信号负极到电压表10的连接线路都需要进行绝缘处理。

在一个具体的实施例中，所述在籽晶4与籽晶杆1连接的位置还设有隔离套3。籽晶4端的测温点用耐高温保温材料制作隔离套3包裹，使得温度波动仅来自于吹风造成的温度波动。

在本实施例中，除了可以在籽晶杆1外围加上隔离挡板2外，通过在坩埚5上方加封盖也能屏蔽气流对坩埚5内部环境的影响。

本实施例以温度表9记录得的温度(T)为横轴，以电压表10记录得的界面相本征电动势(U)为纵轴作图，由于温度和界面相本征电动势具有相同的波动周期，因此经过数个波动周期的叠加可以出现明显的轨迹曲线，可以将晶体的电信号和熔体中产生的电信号以及其他的干扰信号区分开，重叠出来的曲线斜率即为测量得到的晶体塞贝克系数。

实施例2

基于以上实施例1提供的一种在提拉法生长晶体过程中测量晶体塞贝克系数的方法，还实施例还提供了一种在提拉法生长晶体过程中测量晶体塞贝克系数的装置，所述的装置包括坩埚5、籽晶杆1、对籽晶杆1造成可调的周期性温度波动的温控装置、数据处理装置、温度表9和电压表10；所述温度表9的探测端设于籽晶4与籽晶杆1连接的位置，用于测量所述籽晶4温度T；所述电压表10分别连接所述籽晶杆1与坩埚5，通过测量所述籽晶杆1与坩埚5之间的电动势获得所述界面电动势U；

在晶体生长过程中，通过所述温控装置对籽晶杆1造成可调的周期性温度波动；采用温度表9记录晶体生长过程中籽晶4的周期性波动的温度T；采用电压表10记录周期性波动的界面相本征电动势U；

所述的数据处理装置通过多个波动周期的叠加，将晶体的电信号和熔体的电信号以及其他的干扰信号区分开，然后根据周期性波动的温度T和对应周期性波动的界面相本征电动势U求得晶体塞贝克系数；所述晶体塞贝克系数为界面相本征电动势波动的第一幅度和温度波动的第二幅度的比值。

所述温度表9也可以为非接触式温度表9。籽晶4端的温度测量方案，无论接触式(热电偶等)或非接触式(红外热像仪等)测温方案，均属于“测量籽晶4温度”，属本发明保护范畴。优选非接触式测量方案，其优势在于可以减少由籽晶杆1引出导线的数量，降低装置的复杂程度。所述的温度表9的探测端采用热电偶进行测温。

在一个具体的实施例中，还包括晶体旋转电机11和导电滑环14；所述籽晶杆1分为三段：连接籽晶4的贵金属籽晶杆1、与导电滑环14可转动连接的绝缘杆13以及连接晶体旋转电机11的晶转杆12，所述的晶转杆12为不锈钢杆。所述晶转杆12的上端与所述晶体旋转电机11连接，其下端与所述籽晶杆1连接；所述导电滑环14安装在所述晶转杆12的下端。

在一个具体的实施例中，还包括用于隔绝出风口7的气流对籽晶4干扰隔离挡板2；所述气泵6的出风口7位于籽晶杆1上端，所述的隔离挡板2设置在所述气泵6的出风口7和籽晶4与籽晶杆1连接的位置之间。

在一个具体的实施例中，还包括隔离套3；所述隔离套3设置在所述在籽晶4与籽晶杆1连接的位置。

在本实施例中，除了可以在籽晶杆1外围加上隔离挡板2外，通过在坩埚5上方加封盖也能屏蔽气流对对坩埚5内部环境的影响。

实施例3

基于以上实施例1和实施例2，现以常用的晶体种类(铌酸锂晶体)为例，介绍如何通过采用上述装置和方法在晶体生长过程中测量晶体塞贝克系数。

按如图2所示连接好装置，以可编程电源8控制气泵6进行周期性出风，利用硅胶管将气流引入晶体炉腔中，在靠近籽晶杆1处转接为耐高温材料，优选的为刚玉陶瓷。吹风口下端采用耐高温隔离挡板2屏蔽掉周期性气流对晶体生长环境的影响。在籽晶4和晶体杆连接的位置，采用石棉等耐高温材料包裹，屏蔽掉其他干扰因素对籽晶4温度的影响。热电偶、电信号引线按图1所示连接到对应的温度表9、电压上。在下晶后，将可编程电源8设置为按所需周期进行周期性供电，通过风冷的方式使得籽晶杆1周期性冷却，同时，温度表9和电压表10不断的记录对应的籽晶4温度T和界面相本征电动势U，以T为横轴，U为纵轴作图，通过多个周期数据的叠加可以明显的区分出由同周期的温度波动和界面相本征电动势波动得到的李萨图像。根据塞贝克系数计算公式

本实施例以一分钟为周期进行周期性冷却测量塞贝克系数。通过可编程电源8以一分钟为周期的正弦波动电压对气泵6进行供电，在下晶后，温度表9、电压表10实时对T、U进行记录。对记录得到的信号进行傅里叶变换(FFT)，如图3、4所示，可以看到籽晶4温度和电信号都出现了和冷却周期一致的特征峰。取10个周期的数据，通过傅里叶滤波器滤去直流分量，以T为横轴，U为纵轴作图，如图5所示，可以看出有散点密集分布的区域，即为周期性温度波动和界面相本征电动势波动得到李萨如图像，测量得到图像横轴长度为1.16493K，纵轴为1.03524mV，计算得到的晶体塞贝克系数α＝0.8887mV/K，即为对应生长过程的晶体塞贝克系数。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。