CN101182646A - 采用热交换法生长半球型晶体的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种采用热交换法生长半球型晶体的装置，其特征是，在半球形的坩埚外的底部中央接触连接电热交换器，在管状的热交换器内设置有输送气体的输气管。使用上述装置生长半球型晶体的方法，它主要包括下列步骤：(1)电阻加热器升温，使坩埚内原料熔化，同时在热交换器内通入氦气冷却籽晶；(2)通过控制加热器的功率和热交换器内氦气的流量，使坩埚内的原料能充分熔化成熔体，而籽晶不被熔化；(3)熔体的温度梯度由石墨加热器控制，晶体温度梯度由热交换器控制；增加热交换器的气体流量，降低籽晶的温度，晶体生长的固液界面以近球面的弧面向外扩展；(4)晶体生长完成后，晶体降温至室温，完成半球型晶体生长。

Description

采用热交换法生长半球型晶体的装置及方法

技术领域

本发明涉及晶体生长技术领域，属于一种用于热场中熔体晶体生长的装置及方法。

背景技术

晶体的生长，是将放有原料的坩埚设置在热场中进行原料熔化为熔体，设置在热场中心轴线上的籽晶与熔体接触，沿籽晶晶向进行晶体的生长。直接生长碗状晶体难度较大，采用半球体加工成碗状晶体是通常采用的方法之一。采用温梯法生长半球体晶体装置(见图3所示)，它主要包括有一个筒形的石墨电加热器101，在筒形的石墨电阻加热器的中放置有一个半球形的坩埚102，在筒形的石墨电阻加热器外部四周设置有保温层103，使用时，在坩埚内放入籽晶106和原料，用加热器升温加热坩埚，使原料熔化为熔体104，通过控制加热器的温度，使籽晶不被熔化，同时进行晶体105生长，晶体生长的固液界面以微凸的弧面向前推进，晶体不断长大(见图4所示)。由于晶体的生长是通过控制加热器所形成的温度分布的热场来实现，很难做到精准控制。因此该方法生长大直径晶体较为困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种晶体生长的装置及方法，其可单独控制籽晶的温度和实现对晶体生长速度的控制，以提高晶体的生长质量。

为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：

一种采用热交换法生长半球型晶体的装置及方法，它主要包括有一个筒形的石墨电加热器，在筒形的石墨电加热器的中部设置有一个半球形的坩埚，在筒形的石墨电阻加热器外部四周设置有保温层，其特征在于：在坩埚外的底部中央接触一个管状的电热交换器，在管状的热交换器内设置有通向热交换器顶部输送气体的输气管。

一种采用热交换法生长半球型晶体的方法，它主要包括下列步骤：

(1)、石墨电阻加热器升温，使坩埚内原料熔化，同时在热交换器内通入气体(如氦气等不与热交换器材料反应的气体)冷却籽晶，使籽晶不被融化；

(2)、籽晶的熔接，通过控制加热器的功率和热交换器内气体的流量，使坩埚内的原料能充分熔化成熔体，而籽晶不被熔化；

(3)、晶体生长：熔体的温度梯度由石墨加热器控制，晶体温度梯度由热交换器控制；缓慢增加气体流量，使籽晶与熔体接触处开始结晶并进行晶体生长，晶体生长的固液界面以近球面的弧面向外扩展，晶体不断长大；晶体生长速度由气流量增加的速度决定，最大气流量决定热交换生长晶体尺寸的大小；

(4)、晶体生长完成后，晶体降温至室温，完成半球型晶体生长。

采用热交换法生长半球体的晶体生长过程中，熔体的温度梯度由石墨加热器控制，晶体温度梯度由热交换器控制；由于坩埚所在区域的温度梯度小，热交换器冷却时，晶体生长的固液界面以近球面的弧面向外扩展，晶体不断长大。

采用热交换法直接生长半球体，晶体生长过程可控性好，生长晶体质量高。

晶体生长时，坩埚、晶体和加热区都不移动，是静态的定向凝固过程。晶体生长过程中，晶体生长的固液界面被包裹在熔体中，受外界干扰小。熔体的温度梯度由石墨加热器控制，晶体温度梯度由热交换器控制(热交换器里有冷却气体流过，通过控制气体流量而控制带走热量的多少。晶体生长时，加热器的温度是恒定的，晶体的生长完全由热交换器冷却气体流量控制，控制气流量以控制晶体生长速率比传统的降加热器的功率降温来控制晶体生长速率的精度大为提高，因此有利于生长高质量的晶体。晶体生长完成后降温冷却至室温。至此半球型晶体生长的整个过程完成。

本发明的优点是：结构简单、工艺简单、晶体生长过程可控性好，可提高晶体的质量和缩短生产周期。

附图说明

图1是本发明的装置结构示意图。

图2是采用热交换法生长半球晶体、熔体温场分布示意图。

图3是已有技术的装置结构示意图。

图4是采用温梯法生长半球晶体的熔体温场分布示意图。

具体实施方式

参见图1、图2所示：一种采用热交换法生长半球型晶体的装置，它主要包括有一个筒形的石墨电加热器1，在筒形的石墨电加热器1的中部设置有一个半球形的坩埚2，在筒形的石墨电加热器外部四周设置有保温层3，在坩埚2外的底部中央与一个管状的电热交换器7接触，在热交换器7内设置有通向热交换器顶部输送氦气的输气管8。

电阻加热器1用石墨材料制成对称性好的筒形，筒形的电加热器1使坩埚2处在中心轴线对称热场中；热交换器7的作用是冷却籽晶6使其不被熔化，通过籽晶温度的冷却进行晶体5的生长。

一种使用上述装置采用热交换法生长半球型晶体的方法，它主要包括下列步骤：

(1)根据尺寸要求计算合适重量的高纯Al₂O₃原料放在坩埚内，如：生长直径150mm的碗状晶体，可装重量11kg的高纯Al₂O₃，加热器升温至Al₂O₃熔点以上温度2050-2200C°，使坩埚内Al₂O₃原料熔化，同时在热交换器内通入初始流量的冷却惰性气体3-15升/分钟的氦气，冷却籽晶，使籽晶不被融化；

(2)、籽晶的熔接，通过控制电加热器的功率和热交换器内初始惰性气体的流量，使坩埚内的原料能充分熔化成熔体，而籽晶与熔体接触处不被熔化；

(3)、晶体生长：熔体的温度梯度由石墨加热器控制，晶体温度梯度由热交换器控制；缓慢增加气流量，使籽晶与熔体接触处开始结晶并进行晶体生长，晶体生长的固液界面以近球面的弧面向外扩展，晶体不断长大；晶体生长速度由气流量增加的速度决定，最大气流量决定热交换生长晶体尺寸的大小；

(4)、晶体生长完成后，晶体降温至室温，完成半球型晶体生长。

Claims (2)

1.一种采用热交换法生长半球型晶体的装置及方法，它主要包括有一个筒形的石墨电加热器，在筒形的石墨电加热器的中部放置有一个半球形的坩埚，在筒形的石墨电阻加热器外部四周设置有保温层，其特征在于：坩埚的底部中央与一个管状的热交换器接触，热交换器内置有通向热交换器顶部输送气体的输气管。

2.根据权利要求1所述装置采用热交换法生长半球型晶体的方法，它主要包括下列步骤：

(1)、电加热器升温，使坩埚内原料熔化，同时在热交换器内通入初始气体冷却籽晶，使籽晶不被融化；

(2)、籽晶的熔接，通过控制电阻加热器的功率和热交换器内气体的流量，使坩埚内的原料能充分熔化成熔体，而籽晶与熔体接触处不被熔化；

(3)、晶体生长：熔体的温度梯度由石墨加热器控制，晶体温度梯度由热交换器控制；缓慢增加气流量，使籽晶与熔体接触处开始结晶并进行晶体生长，晶体生长的固液界面以近球面的弧面向外扩展，晶体不断长大；晶体生长速度由气流量增加的速度决定，最大气流量决定热交换法生长晶体尺寸的大小；

(4)、晶体生长完成后，晶体降温至室温，完成半球型晶体生长。

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