CN107723787A - 一种用于氮化铝单晶生长的多段式坩埚装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于氮化铝单晶生长的多段式坩埚装置，设于支撑平台上，包括坩埚本体、坩埚盖、至少一个可拆卸的设于坩埚本体和坩埚盖之间的坩埚套筒，坩埚套筒包括套筒本体、连接在套筒本体上端的用于固定坩埚盖的第一连接部、连接在套筒本体下端的用于固定坩埚本体的第二连接部；当坩埚套筒至少有两个时，上部的坩埚套筒的第二连接部固定在下部的坩埚套筒的第一连接部上。本发明装置可根据实际长晶的需要灵活调整坩埚的高度，为长时间的长晶过程提供稳定、持续的物质流供应。坩埚采用多段式可拆卸结构设计，当长时间长晶完成后，可以通过拆卸坩埚下部的坩埚套筒来保证长晶完成后坩埚的正常开启、晶体的完整取出及坩埚的重复利用。

Description

一种用于氮化铝单晶生长的多段式坩埚装置
技术领域
本发明涉及一种用于氮化铝单晶生长的多段式坩埚装置。
背景技术
第三代半导体材料氮化铝（AlN）禁带宽度为6.2eV，在紫外/深紫外发光波段具有独特优势，是紫外LED最佳衬底材料之一。同时，因其具有较高的击穿场强、较高的饱和电子漂移速率以及不错的导热性、稳定性和抗辐射能力，AlN也可满足高温/高频/高功率电子器件的设计要求，在电子、印刷、生物、医疗、通讯、探测、环保等领域具有巨大的应用潜力。
几乎难溶于任何液体，理论计算熔点在2800℃以上，无法通过传统的溶液法、熔体法获得。利用AlN粉源材料在1800℃以上发生升华的特点，可以通过物理气相传输法获得AlN体材料。此方法以粉源表面与生长界面之间的温度梯度为驱动力，使氮蒸汽与铝蒸汽从高温区传输至低温区，在过饱和状态下结晶得到AlN单晶。
晶体生长通常在封闭或半封闭的坩埚内进行，稳定、持续的物质流供应是AlN晶体持续生长的基础。根据以往的实验研究，物理气相传输法生长AlN晶体的生长速率约为0.1mm/h至0.5mm/h，因此充足的长晶时间是制备大尺寸AlN晶体材料的必要条件。受坩埚内氮化铝粉源/氮化铝烧结体总质量的制约，多数情况下的长晶实验无法维持较长的生长周期，只能在原料耗尽前降温开炉，待补充原料后再重新升温长晶。然而，额外的开炉过程将引入更多的杂质，破坏原有趋于稳定的长晶环境，同时过多的升温、降温操作也会加大热应力对晶体质量的影响，工时和成本也随之增加。此外，在长时间长晶实验中，还会产生坩埚部件连接处的缝隙易被凝华物质覆盖，降温过程中坩埚内部出现负压等情况，以上因素均会导致坩埚无法正常开启或坩埚永久性破坏，以及晶体无法完整取出的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于氮化铝单晶生长的多段式坩埚装置，可根据实际长晶的需要灵活调整坩埚的高度，保证坩埚内部具有充足的填料空间，使坩埚内填充不同质量的氮化铝粉源/氮化铝烧结体时，均能保证具有相同的温度梯度，为长时间的长晶过程提供稳定、持续的物质流供应。同时，坩埚采用多段式可拆卸结构设计，以保证长时间长晶完成后坩埚的正常开启、晶体的完整取出及坩埚的重复利用。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种用于氮化铝单晶生长的多段式坩埚装置，设于支撑平台上，包括用于放置氮化铝粉源或氮化铝烧结体的坩埚本体、盖设于所述坩埚本体顶部的坩埚盖、至少一个可拆卸的设于所述坩埚本体和所述坩埚盖之间的坩埚套筒，所述坩埚套筒包括套筒本体、连接在所述套筒本体上端的用于将所述套筒本体固定在所述坩埚盖上的第一连接部、连接在所述套筒本体下端的用于将所述套筒本体固定在所述坩埚本体上的第二连接部；
当所述坩埚套筒至少有两个时，上部的所述坩埚套筒的所述第二连接部固定在下部的所述坩埚套筒的所述第一连接部上。
优选地，所述第一连接部为第一套筒，所述坩埚盖下端设有用于配合的套设于所述第一套筒内侧周部或外侧周部的第二套筒。
更优选地，所述第一套筒的外径与所述套筒本体的外径相同，且所述第一套筒的内径大于所述套筒本体的内径。
更优选地，所述第一套筒的外径小于所述套筒本体的外径，且所述第一套筒的内径与所述套筒本体的内径相同。
优选地，所述第二连接部为第三套筒，所述坩埚本体上端设有用于配合的套设于所述第三套筒内侧周部或外侧周部的第四套筒。
更优选地，所述第三套筒的外径与所述套筒本体的外径相同，且所述第三套筒的内径大于所述套筒本体的内径。
更优选地，所述第三套筒的外径小于所述套筒本体的外径，且所述第三套筒的内径与所述套筒本体的内径相同。
优选地，所述多段式坩埚装置还包括设于所述坩埚本体和所述支撑平台之间的定位机构。
更优选地，所述定位机构包括设于所述坩埚本体下表面的第一凸起部、设于所述支撑平台上表面的用于配合所述第一凸起部插入的第一凹陷部。
更优选地，所述定位机构包括设于所述支撑平台上表面的第二凸起部、设于所述坩埚本体下表面的用于配合所述第二凸起部插入的第二凹陷部。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明一种用于氮化铝单晶生长的多段式坩埚装置，可根据实际长晶的需要灵活调整坩埚的高度，保证坩埚内部具有充足的填料空间，使坩埚内填充不同质量的氮化铝粉源/氮化铝烧结体时，均能保证具有相同的温度梯度，为长时间的长晶过程提供稳定、持续的物质流供应。同时，坩埚采用多段式可拆卸结构设计，由于坩埚下部的温度较高，不容易结晶，当长时间长晶完成后，可以通过拆卸坩埚下部的坩埚套筒来保证长晶完成后坩埚的正常开启、晶体的完整取出及坩埚的重复利用。
附图说明
附图1为本发明装置的结构示意图。
其中：1、坩埚本体；2、坩埚盖；3、坩埚套筒；4、套筒本体；5、第一套筒；6、第二套筒；7、第三套筒；8、第四套筒；9、第一凸起部。
具体实施方式
下面结合附图来对本发明的技术方案作进一步的阐述。
参见图1所示，上述一种用于氮化铝单晶生长的多段式坩埚装置，设于支撑平台（图中未示出）上。
该用于氮化铝单晶生长的多段式坩埚装置包括用于放置氮化铝粉源/氮化铝烧结体的坩埚本体1、盖设于该坩埚本体1顶部的坩埚盖2、至少一个可拆卸的设于坩埚本体1和坩埚盖2之间的坩埚套筒3。
氮化铝粉源/氮化铝烧结体放置于坩埚本体1的底部，由于坩埚下部的温度较高，不容易结晶，通过设置多段坩埚套筒3，当长时间长晶完成后，可以通过拆卸坩埚下部的坩埚套筒3来保证长晶完成后坩埚的正常开启、晶体的完整取出及坩埚的重复利用。
该坩埚套筒3包括套筒本体4、连接在套筒本体4上端的用于将套筒本体4固定在坩埚盖2上的第一连接部、连接在套筒本体4下端的用于将套筒本体4固定在坩埚本体1上的第二连接部。
当坩埚套筒3至少有两个时，上方的坩埚套筒3的第二连接部固定在下方的坩埚套筒3的第一连接部上，上方的坩埚套筒3的第一连接部固定在坩埚盖2上，下方的坩埚套筒3的第二连接部固定在坩埚本体1上。在本实施例中，该坩埚套筒3从上往下分布有四个。
通过设置多个坩埚套筒3，可根据实际长晶的需要灵活调整坩埚装置的高度，保证坩埚装置内部具有充足的填料空间，使坩埚本体1内填充不同质量的氮化铝粉源/氮化铝烧结体时，均能保证具有相同的温度梯度（即氮化铝粉源上表面至坩埚盖2之间的温度差），为长时间的长晶过程提供稳定、持续的物质流供应。例如，当氮化铝粉源较多时，相应的增加坩埚套筒3的个数。
在本实施例中，第一连接部为第一套筒5，坩埚盖2下端设有用于配合的套设于第一套筒5内侧周部或外侧周部的第二套筒6。在本实施例中，第二套筒6套设于第一套筒5的内侧周部。
在一种情况下，第一套筒5的外径与套筒本体4的外径相同，且第一套筒5的内径大于套筒本体4的内径；在另一种情况下，第一套筒5的外径小于套筒本体4的外径，且第一套筒5的内径与套筒本体4的内径相同。
在本实施例中，第二连接部为第三套筒7，坩埚本体1上端设有用于配合的套设于第三套筒7内侧周部或外侧周部的第四套筒8。在本实施例中，第四套筒8套设于第三套筒7的外侧周部。
在一种情况下，第三套筒7的外径与套筒本体4的外径相同，且第三套筒7的内径大于套筒本体4的内径；在另一种情况下，第三套筒7的外径小于套筒本体4的外径，且第三套筒7的内径与套筒本体4的内径相同。
在本实施例中，四个坩埚套筒3沿竖直方向从上往下依次分布：
在第一个坩埚套筒3中：第一套筒5的外径与套筒本体4的外径相同，且第一套筒5的内径大于套筒本体4的内径；第三套筒7的外径与套筒本体4的外径相同，且第三套筒7的内径大于套筒本体4的内径。
在第二个坩埚套筒3中：第一套筒5的外径与套筒本体4的外径相同，且第一套筒5的内径大于套筒本体4的内径；第三套筒7的外径小于套筒本体4的外径，且第三套筒7的内径与套筒本体4的内径相同。
在第三个坩埚套筒3中：第一套筒5的外径小于套筒本体4的外径，且第一套筒5的内径与套筒本体4的内径相同；第三套筒7的外径小于套筒本体4的外径，且第三套筒7的内径与套筒本体4的内径相同。
在第四个坩埚套筒3中：第一套筒5的外径小于套筒本体4的外径，且第一套筒5的内径与套筒本体4的内径相同；第三套筒7的外径与套筒本体4的外径相同，且第三套筒7的内径大于套筒本体4的内径。
通过这个设置，四个坩埚套筒3能依次拼接，并与坩埚盖2和坩埚本体1再拼接，形成完整的坩埚装置。显然，坩埚套筒3之间的拼接也可以是其他组合方式。
其中，第一套筒5、第二套筒6、第三套筒7、第四套筒8、套筒本体4、坩埚本体1、坩埚盖2均呈圆柱形分布，且同轴心线分布。第一套筒5、第二套筒6、第三套筒7、第四套筒8的厚度均为套筒本体4的厚度的一半，通过这个设置，使拼接后的坩埚装置的内径始终一致，且外径也始终一致。
坩埚盖2、坩埚套筒3、坩埚本体1均由高温难熔金属、高温难熔金属化合物或高温难熔陶瓷制成。例如，高纯钨、碳化钽或氮化硼等材料。
在本实施例中，第一套筒5、第三套筒7的厚度为1-3mm，高度为1-30mm。
该用于氮化铝单晶生长的多段式坩埚装置还包括设于坩埚本体1和支撑平台之间的定位机构，通过该定位机构，可以实现坩埚装置在生长炉内的准确定位。
在一种情况下，该定位机构包括设于坩埚本体1下表面的第一凸起部9、设于支撑平台上表面的用于配合第一凸起部9插入的第一凹陷部；在另一种情况下，该定位机构包括设于支撑平台上表面的第二凸起部、设于坩埚本体1下表面的用于配合第二凸起部插入的第二凹陷部。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于氮化铝单晶生长的多段式坩埚装置，设于支撑平台上，其特征在于：包括用于放置氮化铝粉源或氮化铝烧结体的坩埚本体、盖设于所述坩埚本体顶部的坩埚盖、至少一个可拆卸的设于所述坩埚本体和所述坩埚盖之间的坩埚套筒，所述坩埚套筒包括套筒本体、连接在所述套筒本体上端的用于将所述套筒本体固定在所述坩埚盖上的第一连接部、连接在所述套筒本体下端的用于将所述套筒本体固定在所述坩埚本体上的第二连接部；
当所述坩埚套筒至少有两个时，上部的所述坩埚套筒的所述第二连接部固定在下部的所述坩埚套筒的所述第一连接部上。
2.根据权利要求1所述的一种用于氮化铝单晶生长的多段式坩埚装置，其特征在于：所述第一连接部为第一套筒，所述坩埚盖下端设有用于配合的套设于所述第一套筒内侧周部或外侧周部的第二套筒。
3.根据权利要求2所述的一种用于氮化铝单晶生长的多段式坩埚装置，其特征在于：所述第一套筒的外径与所述套筒本体的外径相同，且所述第一套筒的内径大于所述套筒本体的内径。
4.根据权利要求2所述的一种用于氮化铝单晶生长的多段式坩埚装置，其特征在于：所述第一套筒的外径小于所述套筒本体的外径，且所述第一套筒的内径与所述套筒本体的内径相同。
5.根据权利要求1所述的一种用于氮化铝单晶生长的多段式坩埚装置，其特征在于：所述第二连接部为第三套筒，所述坩埚本体上端设有用于配合的套设于所述第三套筒内侧周部或外侧周部的第四套筒。
6.根据权利要求5所述的一种用于氮化铝单晶生长的多段式坩埚装置，其特征在于：所述第三套筒的外径与所述套筒本体的外径相同，且所述第三套筒的内径大于所述套筒本体的内径。
7.根据权利要求5所述的一种用于氮化铝单晶生长的多段式坩埚装置，其特征在于：所述第三套筒的外径小于所述套筒本体的外径，且所述第三套筒的内径与所述套筒本体的内径相同。
8.根据权利要求1所述的一种用于氮化铝单晶生长的多段式坩埚装置，其特征在于：所述多段式坩埚装置还包括设于所述坩埚本体和所述支撑平台之间的定位机构。
9.根据权利要求8所述的一种用于氮化铝单晶生长的多段式坩埚装置，其特征在于：所述定位机构包括设于所述坩埚本体下表面的第一凸起部、设于所述支撑平台上表面的用于配合所述第一凸起部插入的第一凹陷部。
10.根据权利要求8所述的一种用于氮化铝单晶生长的多段式坩埚装置，其特征在于：所述定位机构包括设于所述支撑平台上表面的第二凸起部、设于所述坩埚本体下表面的用于配合所述第二凸起部插入的第二凹陷部。
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