CN109853032A - 一种热交换法生长晶体管的模具及生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种热交换法生长晶体管的模具及其生长方法，所述模具为倒置的凸字形空心圆柱体结构坩埚，所述坩埚底端为籽晶区，上端为晶体管生长区和圆柱体；所述圆柱体沿所述坩埚中心轴线设置在整个结构的中间，所述晶体管生长区设置在圆柱体、坩埚之间；所述圆柱体是可拆卸安装在坩埚内。所述晶体管生长方法包括：装炉、抽真空并通入保护气体、升温化料、晶体管生长、退火取出晶体管，通过控制加热功率与保护气体流量控制温度变化与炉内环境。与传统的加工技术相比，本发明用热交换法直接生长晶体管，有效提高晶体利用率，降低生产成本；并且晶体管的尺寸可控，可简化加工程序。
Description
技术领域
本发明属于晶体生长领域，特别涉及一种热交换法生长晶体管的模具及生长方法。
背景技术
晶体相对玻璃及陶瓷等具有许多优异的特性，例如物理化学性能稳定，较好的热学性能，且具有高的光学、电学性能，可制成多种特殊性能的关键材料而得到广泛应用。尤其蓝宝石单晶，因其相对优越的综合性能成为理想的中红外窗口材料，在军用光电设备中得到了广泛的应用。而且它具备极高的硬度和极低的摩擦系数，仅次于金刚石；在超宽波段具有优异光谱透过性能；并且，蓝宝石单晶具有较强的抗酸碱腐蚀能力，一般酸碱常温下甚至熔融状态下都无法侵蚀。故具有特殊性能的晶体在屏幕材料、各种光学检测仪器以及各种可视仪表窗口界面的应用已经成为行业发展趋势，具有特殊性能的晶体管在激光泵浦灯、室外照明高压钠灯的包壳、高效激光装置等方面具有很大的应用前景。
目前晶体管主要采用机械加工的方法，但是金刚石单线切割尺寸定位误差大，晶体管同心度不佳；同时激光打孔在晶体表面留下损伤层，不利于孔内壁抛光。中国专利(201210519922.4)蓝宝石管的成型方法，避免了上述缺陷，但是不适用于尺寸较长或者较小的晶体管的加工，且晶体利用率低，加工程序繁多。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中传统加工方法，晶体材料利用率低等问题，进行改进，涉及了一种结构简单，易于加工的优点，可生长不同种类的晶体管的模具。
本发明提供了一种热交换法生长晶体管的模具，所述模具为倒置的凸字形空心圆柱体结构坩埚，所述坩埚底端为籽晶区，上端为晶体管生长区和圆柱体；所述圆柱体沿所述坩埚中心轴线设置在整个结构的中间，所述晶体管生长区设置在圆柱体、坩埚之间；所述圆柱体可拆卸安装在坩埚内。
作为改进，所述坩埚的内径为所述晶体管的外径尺寸，所述圆柱体的直径为所述晶体管的内径尺寸。
作为改进，所述坩埚内径为50-210mm；所述圆柱体直径为20-200mm，高度为240-270mm。
同时，还提供了一种采用上述模具进行热交换法生长晶体管方法，包括以下步骤：
S01，在所述坩埚底部籽晶区装入籽晶，在籽晶上面放置所述圆柱体，按比例分别称取高纯原料，充分混合均匀后装入所述晶体管生长区内；
S02，抽真空，并通入惰性气体作为保护气氛；
S03，升温至原料完全熔化，恒温热处理8-17h，且通过控制功率与通入惰性气体的速率控制籽晶不要熔掉；
S04，以0.5-1.0℃/h缓慢降温，使模具内的熔体由下至上结晶；
S05，待晶体管生长结束，以1.5-3.0℃/h降至一定温度，完成退火过程；
S06，按照10-30℃/h的降温速度降至室温，取出晶体管。
作为改进，所述的原料纯度为4N及以上。
作为改进，所述籽晶为单晶，外围尺寸比所述籽晶区小0.2-0.5mm。
作为改进，所述籽晶为Y3Al5O12或者蓝宝石。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.该模具具有结构简单，易于加工，可以直接生长所需内、外径和长度的晶体管，避免机械加工困难及材料利用率低的问题。
2.利用热交换法生长晶体管，生长过程中坩埚、晶体管和热交换器皆不移动，无机械扰动，晶体生长界面稳定，减少晶体内部缺陷，所长晶体管具有外观规整，表面光滑，透明度好的优点。
3.晶体管生长后仍保持在热区，通过控制加热功率与保护气体流量控制温度变化与炉内环境，实现晶体管原位退火，减少晶体管内部应力及位错等缺陷。
4.整个晶体管生长过程可实现全自动化，节省人力，降低生产成本。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为本发明所述热交换法生长晶体管的模具剖面图。
附图中：1、坩埚；2、圆柱体；3、晶体管生长区；4、籽晶区。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
一种热交换法生长晶体管的模具，所述模具为倒置的凸字形空心圆柱体结构坩埚1，坩埚1底端为籽晶区4，上端为晶体管生长区3和圆柱体2；圆柱体2沿坩埚1中心轴线设置在整个结构的中间，所述晶体管生长区3设置在圆柱体2、坩埚1之间；所述圆柱体2可拆卸安装在坩埚1内。可选择地设置上述模具为同一种材质，材料可以是石墨、钼、钨及钨钼合金等。
所述坩埚1的内径为所述晶体管的外径尺寸，所述圆柱体2的直径为所述晶体管的内径尺寸。所述坩埚1内径为50-210mm；所述圆柱体2直径为20-200mm，高度为240-270mm。
一种采用上述模具进行的热交换法生长晶体管方法，包括以下步骤：
S01，在所述坩埚底部籽晶区4装入籽晶，在籽晶上面放置所述圆柱体2，按比例分别称取高纯原料，充分混合均匀后装入所述晶体管生长区3内；
S02，抽真空，并通入惰性气体作为保护气氛；
S03，升温至原料完全熔化，恒温热处理8-17h，且通过控制功率与通入惰性气体的速率控制籽晶不要熔掉；
S04，以0.5-1.0℃/h缓慢降温，使模具内的熔体由下至上结晶；
S05，待晶体管生长结束，以1.5-3.0℃/h降至一定温度，完成退火过程；
S06，按照10-30℃/h的降温速度降至室温，取出晶体管。
其中，设置所述的原料纯度为4N及以上；所述籽晶为单晶，外围尺寸比所述籽晶区小0.2-0.5mm；所述籽晶为Y3Al5O12或者蓝宝石。S03中通入惰性气体的速率为50-90L/min，其中优选75L/min。
实施例1
所用坩埚1内径为200mm，圆柱体2直径为190mm，高度为260mm。
S01，首先籽晶区4装入Y3Al5O12(YAG)籽晶；装入上述的圆柱体2；根据Y3Al5O12化学式，按比例分别称取Y2O3、Al2O3高纯原料，充分混合均匀后装入晶体管生长区3内；
S02，抽真空，并通入惰性气体作为保护气氛；
S03，升温至原料完全熔化，恒温热处理17h，且通过控制功率与通入惰性气体的速率控制籽晶不要熔掉；
S04，以0.5-1.0℃/h缓慢降温，使模具内的熔体由下至上结晶；
S05，待晶体管生长结束，以1.5-2.2℃/h降至一定温度，完成退火过程；
S06，按照10-25℃/h的降温速度降至室温，取出晶体管，获得外径200mm，内径190mm的晶体管。
实施例2
所用坩埚1内径为100mm，圆柱体2直径为80mm，高度为260mm。
S01，首先在籽晶区4装入蓝宝石籽晶；装人上述的圆柱体2；称取Al2O3高纯原料，装入晶体管生长区3内；
S02，抽真空，并通入惰性气体作为保护气氛；
S03，升温至原料完全熔化，恒温热处理15h，且通过控制功率与通入惰性气体的速率控制籽晶不要熔掉；
S04，以0.5-1.0℃/h缓慢降温，使模具内的熔体由下至上结晶；
S05，待晶体管生长结束，以1.5-3.0℃/h降至一定温度，完成退火过程；
S06，按照25-30℃/h的降温速度降至室温，取出晶体管，获得外径100mm，内径80mm的晶体管。
实施例3
所用坩埚1内径为50mm，圆柱体2直径为20mm，高度为270mm。
S01，首先在籽晶区4装入蓝宝石籽晶；装人上述的圆柱体2；称取Al2O3高纯原料，装入晶体管生长区3内；
S02，抽真空，并通入惰性气体作为保护气氛；
S03，升温至原料完全熔化，恒温热处理8h，且通过控制功率与通入惰性气体的速率控制籽晶不要熔掉；
S04，以0.6-0.8℃/h缓慢降温，使模具内的熔体由下至上结晶；
S05，待晶体管生长结束，以2.5-3.0℃/h降至一定温度，完成退火过程；
S06，按照10-30℃/h的降温速度降至室温，取出晶体管，获得外径50mm，内径20mm的晶体管。
实施例4
所用坩埚1内径为170mm，圆柱体2直径为85mm，高度为270mm。
S01，首先在籽晶区4装入蓝宝石籽晶；装人上述的圆柱体2；称取Al2O3高纯原料，装入晶体管生长区3内；
S02，抽真空，并通入惰性气体作为保护气氛；
S03，升温至原料完全熔化，恒温热处理12h，且通过控制功率与通入惰性气体的速率控制籽晶不要熔掉；
S04，以0.5-0.9℃/h缓慢降温，使模具内的熔体由下至上结晶；
S05，待晶体管生长结束，以1.5-3.0℃/h降至一定温度，完成退火过程；
S06，按照10-30℃/h的降温速度降至室温，取出晶体管，获得外径170mm，内径85mm的晶体管。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种热交换法生长晶体管的模具，其特征在于：所述模具为倒置的凸字形空心圆柱体结构坩埚(1)，所述坩埚(1)底端为籽晶区(4)，上端为晶体管生长区(3)和圆柱体(2)；所述圆柱体(2)沿所述坩埚(1)中心轴线设置在整个结构的中间，所述晶体管生长区(3)设置在圆柱体(2)、坩埚(1)之间；所述圆柱体(2)可拆卸安装在坩埚(1)内。
2.根据权利要求1所述的一种热交换法生长晶体管的模具，其特征在于：所述坩埚(1)的内径为所述晶体管的外径尺寸，所述圆柱体(2)的直径为所述晶体管的内径尺寸。
3.根据权利要求1所述的一种热交换法生长晶体管的模具，其特征在于：所述坩埚(1)内径为50-210mm；所述圆柱体(2)直径为20-200mm，高度为240-270mm。
4.一种根据权利要求1-3中所述模具的热交换法生长晶体管方法，其特征在于：包括以下步骤：
S01，在所述坩埚底部籽晶区(4)装入籽晶，在籽晶上面放置所述圆柱体(2)，按比例分别称取高纯原料，充分混合均匀后装入所述晶体管生长区(3)内；
S02，抽真空，并通入惰性气体作为保护气氛；
S03，升温至原料完全熔化，恒温热处理8-17h，且通过控制功率与通入惰性气体的速率控制籽晶不要熔掉；
S04，以0.5-1.0℃/h缓慢降温，使模具内的熔体由下至上结晶；
S05，待晶体管生长结束，以1.5-3.0℃/h降至一定温度，完成退火过程；
S06，按照10-30℃/h的降温速度降至室温，取出晶体管。
5.根据权利要求4所述的热交换法生长晶体管方法，其特征在于：所述的原料纯度为4N及以上。
6.根据权利要求4所述的热交换法生长晶体管方法，其特征在于：所述籽晶为单晶，外围尺寸比所述籽晶区小0.2-0.5mm。
7.根据权利要求4所述的热交换法生长晶体管方法，其特征在于：所述籽晶为Y3Al5O12或者蓝宝石。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190607 |