CN111005062A - 一种晶体生长装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种晶体生长装置，包括支架结构，支架结构上可上下移动的设有生长炉，生长炉中设有保温结构，保温结构的内壁上设有一圈上加热区域和一圈下加热区域，生长炉的下方可移动的设有支撑结构，外部套设支撑套的坩埚可拆卸的固定在支撑结构上，坩埚通过支撑结构在生长炉中进行上下移；本发明稳定性好，操作方便，充分利用余热、节约了能源。

Description

一种晶体生长装置
技术领域
本发明涉及一种生长装置，具体涉及一种晶体生长装置。
背景技术
晶体材料在现代技术材料领域尤其是在新能源、光电技术以及微电子等领域都具有着至关重要的作用，而晶体的生长质量以及成本等已经成为其规模发展和应用的制约因素。晶体的生长技术主要采用提拉法，泡生法、温度梯度法、导模法、热交换法以及坩埚下降法等，综合上述各种晶体的生长技术，坩埚下降法具有温场稳定，易于控制等优势，采用坩埚下降法生长出的晶体内应力小，在加工过程中不易出现应力释放型碎裂，晶体外形还可以控制，使得晶体的利用效率高，这样就利于加工成本的减低。特别是在温场稳定时，采用坩埚下降法生长的晶体中的位错密度低，故此，坩埚下降法已经成为一种常用的晶体生长技术。
但是传统的单晶生长炉仍存在以下不足之处：炉体设计和结构不易于安装和维护，使用不方便；坩埚进出料往往会触碰到炉体内的保温层和发热体，而保温层和发热体经过高温加热后强度会大大降低，经常触动极易损坏，这样不仅会破坏温场的稳定性和工艺的可重复性，还会造成单晶生长炉的正常使用周期变短，平均一个月就要更换一次发热体和内侧保温层，极大地增加了设备成本。
发明内容
本发明针对上述问题提出了一种晶体生长装置，稳定性好，操作方便，充分利用余热、节约了能源。
具体的技术方案如下：
一种晶体生长装置，包括支架结构，支架结构上可上下移动的设有生长炉，生长炉中设有保温结构，保温结构的内壁上设有一圈上加热区域和一圈下加热区域，生长炉的下方可移动的设有支撑结构，外部套设支撑套的坩埚可拆卸的固定在支撑结构上，坩埚通过支撑结构在生长炉中进行上下移动。
进一步的，生长炉包括底部开口的上炉体和顶部开口的下炉体，上炉体的底部向外翻折的形成上平台，下炉体的顶部向外翻折的形成下平台，上平台和下平台相互压合并通过紧固件加以锁紧固定；
保温结构包括水平设置的固定板，固定板的上方设有上保温层，固定板的下方设有下保温套，固定板插设在上平台和下平台之间、使上保温层插入上炉体中、下保温层插入下炉体中；
上加热区域和下加热区域均设置在上保温层中，上加热区域和下加热区域分别由多个发热体固定在上保温层的内壁上形成。
进一步的，发热体为硅碳棒或硅钼棒。
进一步的，固定板上设有至少一个进气通道和一个出气通道，上平台上设有分别与进气通道和出气通道相连通的通气嘴。
进一步的，支撑结构包括竖直且同轴设置的外支撑管和内支撑杆，内支撑杆的底部设有第一限位板，内支撑杆过渡配合的贯穿外支撑管、使第一限位板贴合外支撑管设置；
支撑结构自下而上的穿过下炉体和保温结构的固定板插入上炉体上，外支撑管的顶部向外翻折的形成第三平台，第三平台可压设在固定板上起限位作用；
内支撑杆的顶部同轴的设有顶杆，顶杆的外壁上可转动的设有转套，转套上设有锁紧结构；
坩埚放置于顶杆上，端面为正方形结构的支撑套套设在坩埚的外部，锁紧结构可与支撑套的底部加以锁紧固定。
进一步的，支撑套包括用于压设在坩埚顶部的支撑顶板，固定在支撑顶板下方、且套设在坩埚外部的支撑侧壁和固定在支撑侧壁底部的卡接结构，卡接结构用于与锁紧结构加以固定；
支撑侧壁的高度大于坩埚的高度；
支撑侧壁包括多个竖直支撑板，相邻的两个竖直支撑板之间设有向内凹陷的压合板，压合板的截面为外大内小的等腰梯形结构，压合板压设在坩埚上、竖直支撑板远离坩埚设置，每个竖直支撑板上均设有多个通孔；
卡接结构包括多个卡接板，卡接板垂直的固定在支撑侧壁位于最下方的竖直支撑板的内壁上，相邻的两个卡接板之间设有插槽。
进一步的，锁紧结构包括包覆固定在转套外壁上的支柱，支柱的底部设置挡板，支柱的顶部设有插板，挡板和插板通过紧固件锁紧固定在支柱上；
插板的数量和形状与卡接结构的插槽对应设置；
当支撑套自上而下的套设在坩埚外部时，插板与插槽对应的穿过卡接板，旋转转套带动锁紧结构一同旋转，从而使卡接板过渡配合的固定在插板和挡板之间，且此时，支撑顶板和顶杆分别压设在坩埚的上下两端。
进一步的，生长炉的外壁上设有至少两圈定位板，定位板用于与支架结构相连接。
进一步的，支架结构包括底部支架和固定在底部支架上方的顶部支架，底部支架和顶部支架之间可转动的设有多个丝杠，相邻的两个丝杠之间设有一个导向杆，丝杠螺纹配合的穿过定位板，导向杆间隙配合的穿过定位板，丝杠的顶部穿过顶部之间与伺服电机的输出轴相连接，伺服电机转动可控制生长炉进行上下移动；
支撑结构的第一限位板与限位柱固定连接，限位柱穿过底部支架与位于底部支架下方的第二限位板相连接，第二限位板可通过插销固定在底部支架上；
第二限位板上垂直的设有多个定位杆，定位板穿过底部支架与第三限位板相连接，定位板上套设弹簧，弹簧压设在第三限位板与底部支架之间。
进一步的，内支撑杆和外支撑管之间、下炉体和外支撑管之间、上炉体和下炉体之间均设有密封结构。
进一步的，使用生长装置的晶体生长方法为：
(1)将生长炉升高至最高位，并且通过插销将第二限位板加以固定，此时坩埚位于生长炉外部；
(2)将熔体放置于坩埚中，将支撑套套设在坩埚的外部，再通过锁紧结构和卡接结构的相互配合将坩埚固定在内支撑杆上；
(3)向下移动生长炉至最低位，使内支撑杆插入外支撑管中、且第一限位板贴合外支撑管设置，同时，坩埚移动至上炉体的最高处；
(4)关闭进气通道，对生长炉内进行抽真空；再关闭出气通道、打开近期通道，向生长炉内通入氮气；
(5)控制发热体开始加热，使上加热区域的温度高于下加热区域的温度；
(6)向上提升生长炉，使坩埚从上加热区域向下加热区域移动、直至第三平台压设在固定板上；
(7)继续向上提升生长炉，使内支撑杆向下逐渐移出外支撑管，外支撑管通过生长炉内的余热对坩埚进行保温；
(8)继续向上提升生长炉，使坩埚部分向下移出外支撑管，从而对坩埚进行自然冷却；
(9)拔出插销、旋转锁紧结构并向下移动内支撑杆，即可将坩埚取出。
本发明的有益效果为：
1)本发明稳定性好，操作方便，充分利用余热、节约了能源；
2)本发明的上炉体的顶部处于封闭状态，能够有效减少高温区的热量损失；
3)本发明支撑套的结构设置，既能够防止坩埚直接与加热体接触、又保证了热量传递。
附图说明
图1为本发明在步骤(3)时的结构示意图；
图2为本发明在步骤(6)时的结构示意图(2)；
图3为本发明在步骤(7)时的结构示意图(3)；
图4为本发明在步骤(8)时的结构示意图(4)；
图5为图1中局部放大图；
图6为图5中局部放大图；
图7为图6中支撑套A-A方向剖视图；
图8为锁紧结构的结构示意图；
图9为锁紧结构和卡接结构锁紧状态下的局部示意图。
附图标记
支架结构1、生长炉2、保温结构3、上加热区域4、下加热区域5、支撑结构6、支撑套7、坩埚8；
底部支架101、顶部支架102、丝杠103、导向杆104、伺服电机105、限位柱106、第二限位板107、插销108、定位杆109、第三限位板110、弹簧111；
上炉体201、下炉体202、上平台203、下平台204、定位板205；
固定板301、上保温层302、下保温套303、进气通道304、出气通道305、通气嘴306；
外支撑管601、内支撑杆602、第一限位板603、第三平台604、顶杆605、转套606、锁紧结构607、支柱608、挡板609、插板610；
支撑顶板701、支撑侧壁702、卡接结构703、竖直支撑板704、压合板705、通孔706、卡接板707、插槽708。
具体实施方式
为使本发明的技术方案更加清晰明确，下面结合附图对本发明进行进一步描述，任何对本发明技术方案的技术特征进行等价替换和常规推理得出的方案均落入本发明保护范围。
如图所示一种晶体生长装置，包括支架结构1，支架结构上可上下移动的设有生长炉2，生长炉中设有保温结构3，保温结构的内壁上设有一圈上加热区域4和一圈下加热区域5，生长炉的下方可移动的设有支撑结构6，外部套设支撑套7的坩埚8可拆卸的固定在支撑结构上，坩埚通过支撑结构在生长炉中进行上下移动。
进一步的，生长炉包括底部开口的上炉体201和顶部开口的下炉体202，上炉体的底部向外翻折的形成上平台203，下炉体的顶部向外翻折的形成下平台204，上平台和下平台相互压合并通过紧固件加以锁紧固定；
保温结构包括水平设置的固定板301，固定板的上方设有上保温层302，固定板的下方设有下保温套303，固定板插设在上平台和下平台之间、使上保温层插入上炉体中、下保温层插入下炉体中；
上加热区域和下加热区域均设置在上保温层中，上加热区域和下加热区域分别由多个发热体固定在上保温层的内壁上形成。
进一步的，发热体为硅碳棒或硅钼棒。
进一步的，固定板上设有至少一个进气通道304和一个出气通道305，上平台上设有分别与进气通道和出气通道相连通的通气嘴306。
进一步的，支撑结构包括竖直且同轴设置的外支撑管601和内支撑杆602，内支撑杆的底部设有第一限位板603，内支撑杆过渡配合的贯穿外支撑管、使第一限位板贴合外支撑管设置；
支撑结构自下而上的穿过下炉体和保温结构的固定板插入上炉体上，外支撑管的顶部向外翻折的形成第三平台604，第三平台可压设在固定板上起限位作用；
内支撑杆的顶部同轴的设有顶杆605，顶杆的外壁上可转动的设有转套606，转套上设有锁紧结构607；
坩埚放置于顶杆上，端面为正方形结构的支撑套套设在坩埚的外部，锁紧结构可与支撑套的底部加以锁紧固定。
进一步的，支撑套包括用于压设在坩埚顶部的支撑顶板701，固定在支撑顶板下方、且套设在坩埚外部的支撑侧壁702和固定在支撑侧壁底部的卡接结构703，卡接结构用于与锁紧结构加以固定；
支撑侧壁的高度大于坩埚的高度；
支撑侧壁包括多个竖直支撑板704，相邻的两个竖直支撑板之间设有向内凹陷的压合板705，压合板的截面为外大内小的等腰梯形结构，压合板压设在坩埚上、竖直支撑板远离坩埚设置，每个竖直支撑板上均设有多个通孔706；
卡接结构包括多个卡接板707，卡接板垂直的固定在支撑侧壁位于最下方的竖直支撑板的内壁上，相邻的两个卡接板之间设有插槽708。
进一步的，锁紧结构包括包覆固定在转套外壁上的支柱608，支柱的底部设置挡板609，支柱的顶部设有插板610，挡板和插板通过紧固件锁紧固定在支柱上；
插板的数量和形状与卡接结构的插槽对应设置；
当支撑套自上而下的套设在坩埚外部时，插板与插槽对应的穿过卡接板，旋转转套带动锁紧结构一同旋转，从而使卡接板过渡配合的固定在插板和挡板之间，且此时，支撑顶板和顶杆分别压设在坩埚的上下两端。
进一步的，生长炉的外壁上设有至少两圈定位板205，定位板用于与支架结构相连接。
进一步的，支架结构包括底部支架101和固定在底部支架上方的顶部支架102，底部支架和顶部支架之间可转动的设有多个丝杠103，相邻的两个丝杠之间设有一个导向杆104，丝杠螺纹配合的穿过定位板，导向杆间隙配合的穿过定位板，丝杠的顶部穿过顶部之间与伺服电机105的输出轴相连接，伺服电机转动可控制生长炉进行上下移动；
支撑结构的第一限位板与限位柱106固定连接，限位柱穿过底部支架与位于底部支架下方的第二限位板107相连接，第二限位板可通过插销108固定在底部支架上；
第二限位板上垂直的设有多个定位杆109，定位板穿过底部支架与第三限位板110相连接，定位板上套设弹簧111，弹簧压设在第三限位板与底部支架之间。
进一步的，内支撑杆和外支撑管之间、下炉体和外支撑管之间、上炉体和下炉体之间均设有密封结构112。
进一步的，使用生长装置的晶体生长方法为：
(1)将生长炉升高至最高位，并且通过插销将第二限位板加以固定，此时坩埚位于生长炉外部；
(2)将熔体放置于坩埚中，将支撑套套设在坩埚的外部，再通过锁紧结构和卡接结构的相互配合将坩埚固定在内支撑杆上；
(3)如图1所示，向下移动生长炉至最低位，使内支撑杆插入外支撑管中、且第一限位板贴合外支撑管设置，同时，坩埚移动至上炉体的最高处；
(4)关闭进气通道，对生长炉内进行抽真空；再关闭出气通道、打开近期通道，向生长炉内通入氮气；
(5)控制发热体开始加热，使上加热区域的温度高于下加热区域的温度；
(6)如图2所示，向上提升生长炉，使坩埚从上加热区域向下加热区域移动、直至第三平台压设在固定板上；
(7)如图3所示，继续向上提升生长炉，使内支撑杆向下逐渐移出外支撑管，外支撑管通过生长炉内的余热对坩埚进行保温；
(8)如图4所示，继续向上提升生长炉，使坩埚部分向下移出外支撑管，从而对坩埚进行自然冷却；
(9)拔出插销、旋转锁紧结构并向下移动内支撑杆，即可将坩埚取出。

Claims (10)

1.一种晶体生长装置，其特征为，包括支架结构，支架结构上可上下移动的设有生长炉，生长炉中设有保温结构，保温结构的内壁上设有一圈上加热区域和一圈下加热区域，生长炉的下方可移动的设有支撑结构，外部套设支撑套的坩埚可拆卸的固定在支撑结构上，坩埚通过支撑结构在生长炉中进行上下移动。
2.如权利要求1所述的一种晶体生长装置，其特征为，生长炉包括底部开口的上炉体和顶部开口的下炉体，上炉体的底部向外翻折的形成上平台，下炉体的顶部向外翻折的形成下平台，上平台和下平台相互压合并通过紧固件加以锁紧固定；
保温结构包括水平设置的固定板，固定板的上方设有上保温层，固定板的下方设有下保温套，固定板插设在上平台和下平台之间、使上保温层插入上炉体中、下保温层插入下炉体中；
上加热区域和下加热区域均设置在上保温层中，上加热区域和下加热区域分别由多个发热体固定在上保温层的内壁上形成。
3.如权利要求2所述的一种晶体生长装置，其特征为，发热体为硅碳棒或硅钼棒。
4.如权利要求2或3所述的一种晶体生长装置，其特征为，固定板上设有至少一个进气通道和一个出气通道，上平台上设有分别与进气通道和出气通道相连通的通气嘴。
5.如权利要求4所述的一种晶体生长装置，其特征为，支撑结构包括竖直且同轴设置的外支撑管和内支撑杆，内支撑杆的底部设有第一限位板，内支撑杆过渡配合的贯穿外支撑管、使第一限位板贴合外支撑管设置；
支撑结构自下而上的穿过下炉体和保温结构的固定板插入上炉体上，外支撑管的顶部向外翻折的形成第三平台，第三平台可压设在固定板上起限位作用；
内支撑杆的顶部同轴的设有顶杆，顶杆的外壁上可转动的设有转套，转套上设有锁紧结构；
坩埚放置于顶杆上，端面为正方形结构的支撑套套设在坩埚的外部，锁紧结构可与支撑套的底部加以锁紧固定。
6.如权利要求5所述的一种晶体生长装置，其特征为，支撑套包括用于压设在坩埚顶部的支撑顶板，固定在支撑顶板下方、且套设在坩埚外部的支撑侧壁和固定在支撑侧壁底部的卡接结构，卡接结构用于与锁紧结构加以固定；
支撑侧壁的高度大于坩埚的高度；
支撑侧壁包括多个竖直支撑板，相邻的两个竖直支撑板之间设有向内凹陷的压合板，压合板的截面为外大内小的等腰梯形结构，压合板压设在坩埚上、竖直支撑板远离坩埚设置，每个竖直支撑板上均设有多个通孔；
卡接结构包括多个卡接板，卡接板垂直的固定在支撑侧壁位于最下方的竖直支撑板的内壁上，相邻的两个卡接板之间设有插槽。
7.如权利要求6所述的一种晶体生长装置，其特征为，锁紧结构包括包覆固定在转套外壁上的支柱，支柱的底部设置挡板，支柱的顶部设有插板，挡板和插板通过紧固件锁紧固定在支柱上；
插板的数量和形状与卡接结构的插槽对应设置；
当支撑套自上而下的套设在坩埚外部时，插板与插槽对应的穿过卡接板，旋转转套带动锁紧结构一同旋转，从而使卡接板过渡配合的固定在插板和挡板之间，且此时，支撑顶板和顶杆分别压设在坩埚的上下两端。
8.如权利要求7所述的一种晶体生长装置，其特征为，生长炉的外壁上设有至少两圈定位板，定位板用于与支架结构相连接。
9.如权利要求8所述的一种晶体生长装置，其特征为，支架结构包括底部支架和固定在底部支架上方的顶部支架，底部支架和顶部支架之间可转动的设有多个丝杠，相邻的两个丝杠之间设有一个导向杆，丝杠螺纹配合的穿过定位板，导向杆间隙配合的穿过定位板，丝杠的顶部穿过顶部之间与伺服电机的输出轴相连接，伺服电机转动可控制生长炉进行上下移动；
支撑结构的第一限位板与限位柱固定连接，限位柱穿过底部支架与位于底部支架下方的第二限位板相连接，第二限位板可通过插销固定在底部支架上；
第二限位板上垂直的设有多个定位杆，定位板穿过底部支架与第三限位板相连接，定位板上套设弹簧，弹簧压设在第三限位板与底部支架之间。
10.如权利要求9所述的一种晶体生长装置，其特征为，使用生长装置的晶体生长方法为：
(1)将生长炉升高至最高位，并且通过插销将第二限位板加以固定，此时坩埚位于生长炉外部；
(2)将熔体放置于坩埚中，将支撑套套设在坩埚的外部，再通过锁紧结构和卡接结构的相互配合将坩埚固定在内支撑杆上；
(3)向下移动生长炉至最低位，使内支撑杆插入外支撑管中、且第一限位板贴合外支撑管设置，同时，坩埚移动至上炉体的最高处；
(4)关闭进气通道，对生长炉内进行抽真空；再关闭出气通道、打开近期通道，向生长炉内通入氮气；
(5)控制发热体开始加热，使上加热区域的温度高于下加热区域的温度；
(6)向上提升生长炉，使坩埚从上加热区域向下加热区域移动、直至第三平台压设在固定板上；
(7)继续向上提升生长炉，使内支撑杆向下逐渐移出外支撑管，外支撑管通过生长炉内的余热对坩埚进行保温；
(8)继续向上提升生长炉，使坩埚部分向下移出外支撑管，从而对坩埚进行自然冷却；
(9)拔出插销、旋转锁紧结构并向下移动内支撑杆，即可将坩埚取出。
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