CN114318505A - 一种晶体生长动态温场调节装置 - Google Patents
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Abstract
一种晶体生长动态温场调节装置，包括炉体、加热感应圈、坩埚和籽晶提拉杆，顶部连接单晶提拉机构，还包括：保温罩，立放于炉体上方，底部与炉体形成生长腔，其上设置有将生长腔连通至外部的炉孔和贯通孔，炉孔提供籽晶提拉杆垂直活动空间；环形反射器，设于生长腔内与单晶同轴且位于单晶溶液上3‑20mm，用于控制单晶与单晶溶液接触面的温度梯度；随动杆，下端通过贯通孔，后连接环形反射器，上端连接随动机构，随动机构被配置为控制环形反射器在单晶溶液上的高度。本发明的突出优势在于可在现有的生长炉上进行升级改造，改造难度和成本低，通过预设程序控制环形反射器在单晶溶液上的高度即可达到保证单晶外形规整和内部质量的显著技术效果。
Description
技术领域
本发明涉及晶体生长温场控制领域，具体涉及一种晶体生长动态温场调节装置。
背景技术
提拉法晶体生长，需要有足够大的生长驱动器，才能维持生长。单晶生长腔内需要构建大的轴向、径向温度梯度，才能提供大的生长驱动力。
现有技术下的提拉法，假如生长初期，采用过大的温度梯度设置，尽管单晶外形规正容易控制，但原生单晶内应力大，出炉容易开裂，内部质量也很差；假如生长初期采用比较小的温度梯度设置，但由于晶体生长是一个动态过程，当晶体生长到下半部时，上半部晶体占据生长腔空间，阻碍了固液界面的结晶潜热及时传递出去，轴向温度梯度越来越低，另外，随着晶体生长的进行，坩埚中的熔体液面不断下降，坩埚壁裸露产生热辐射，径向温度梯度也越来越低，直至单晶生长驱动力不足而无法生长下去。
以上综合原因导致单晶生长的后半程总是容易产生晶体生长驱动力不足的现象，如晶体出现甩尾，甚至出现组分过冷，使得单晶生长无法进行下去。因此传统单晶生长装置难以生长出大尺寸、大长度单晶。
发明内容
根据背景技术提出的问题，本发明提供一种晶体生长动态温场调节装置来解决，接下来对本发明做进一步地阐述。
一种晶体生长动态温场调节装置，包括：炉体，用于向内置的坩埚传递热量；加热感应圈，外设于炉体，通电产生交变磁力线，让金属质坩埚涡流发热；坩埚，装载单晶熔体；籽晶提拉杆，顶部连接单晶提拉机构，用于为单晶生长提供初始的生长方向，单晶提拉机构控制单晶底部与单晶熔体始终接触；还包括：保温罩，立放于炉体上方，底部与炉体形成生长腔，其上设置有将生长腔连通至外部的炉孔和贯通孔，炉孔提供籽晶提拉杆垂直活动空间；环形反反射器，设于生长腔内与单晶同轴且位于单晶溶液上3-20mm，用于控制单晶与单晶熔体接触面的温度梯度；随动杆，下端通过贯通孔贯穿保温罩后连接环形反射器，上端连接随动机构，随动机构被配置为控制环形反射器在单晶熔体上的高度。
进一步地，炉体底部内置有保温层
进一步地，保温层上放置有坩埚托，坩埚放置于坩埚托上，坩埚托将坩埚的重量均匀传递到保温层上。
进一步地，所述环形发射器随着熔体液面下降而跟随下降，下降速度满足如下公式：
其中，K为熔体液面高度下降量，D为坩埚内径，v为籽晶杆提拉速度，d为单晶直径，A单晶密度，B为熔体密度，tn为n节点时间，tn+1为n+1节点时间。
进一步地，坩埚内装盛的单晶熔体的量固定，单晶直径固定，目标单晶的长度既定；当生长单晶上半部时，环形发射器维持在熔体液面上方10-20mm；当生长单晶下半部时，环形反射器维持在熔体液面上方3-10mm。
有益效果：与现有技术相比，本发明在突出优势在于可在现有的生长炉上进行升级改造，改造难度和成本低，通过预设程序控制环形反射器在单晶熔体上的高度即可达到保证单晶外形规正和生长质量的显著技术效果。
附图说明
图1：本发明的结构示意图；
图中：炉体1、加热感应圈2、保温层3、坩埚托4、坩埚5、单晶熔体6、单晶7、保温罩8、生长腔9、炉孔10、籽晶提拉杆11、环形反射器12、随动杆13、贯通孔14。
具体实施方式
接下来结合附图1对本发明的一个具体实施例来做详细地阐述。
一种晶体生长动态温场调节装置，包括炉体1，炉体1外设加热感应圈2，内置有保温层3，所述加热感应圈2通电后，产生切割磁力线，感应涡流使金属质的坩埚5发热，保温层3上放置有坩埚托4，坩埚托4上承载有坩埚5，坩埚5用于装载单晶熔体6，单晶熔体6上方通过单晶提拉机构悬置有生长的单晶7，单晶的生长采用常规成熟的提拉法，即通过单晶提拉机构提拉单晶使其底部始终接触于单晶溶液上。所述炉体1上方设置有罩盖在坩埚5上的保温罩8，保温罩8内形成有供单晶生长的生长腔9，保温罩8降低生长腔的能量流失；所述保温罩8上设置有贯通至生长腔9的炉孔10，所述单晶提拉机构吊装籽晶提拉杆11，籽晶提拉杆11用于为单晶生长提供初始的生长方向，籽晶提拉杆11通过炉孔10向下连接单晶7；所述生长腔9内还设置有环形反射器12，环形反射器12与单晶7同轴且位于单晶溶液6上一段距离，环形反应器12用于控制调节单晶与单晶熔体界面的温度梯度，保证单晶生长全过程的温度梯度保持稳定，所述环形反射器12连接随动杆13，随动杆13穿过保温罩8上的贯通孔14连接至随动机构，随动机构被配置为通过PLC控制伺服电机拖动控制环形反射器12在单晶熔体上的高度。
在整个单晶生长过程，环形反射器12维持在熔体液面上方3-20mm。
所述环形发射器12随着熔体液面下降而跟随下降，下降速度满足如下公式：
△tn＝tn+1-tn；
其中，K为熔体液面高度下降量，D为坩埚内径，v为提拉速度，d为单晶直径，A单晶密度，B为熔体密度，tn为n节点时间，tn+1为n+1节点时间。
再进一步，单晶生长开始前，根据坩埚内投料量G、坩埚内径D、熔体密度B，可以测算出熔体液面高度K0，让环形反射器置于熔体液面上方10-20mm，
单晶生长开始，设定一个固定的时间间隔，比如1小时，计算熔体液面的下降量K，假如处于等径匀速提拉生长，K将保持恒定，环形反射器随随动机构跟随液面下降。
再进一步，假如处于放肩阶段，或变速提拉生长，可采用matlab等软件，计算熔体液面与时间的关系，设定随动机构PLC运行程序。
所述单晶的生长长度依据所装载的单晶溶液的量依据单晶的直径而固定，本实施例中，当生长单晶上半部时，环形发射器维持在熔体液面上方10-20mm，当生长单晶下半部时，环形反射器维持在熔体液面上方3-10mm。
本发明在突出优势在于可在现有的生长炉上进行升级改造，改造难度和成本低，通过预设程序控制环形反射器在单晶溶液上的高度即可达到保证单晶外形规正和生长质量的显著技术效果。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种晶体生长动态温场调节装置，包括：
炉体，用于向内置的坩埚传递热量；
加热感应圈，外设于炉体，通电产生交变磁力线，让金属质坩埚涡流发热；
坩埚，装载单晶熔体；
籽晶提拉杆，顶部连接单晶提拉机构，用于为单晶生长提供初始的生长方向，单晶提拉机构控制单晶底部与单晶熔体始终接触；
其特征在于还包括：
保温罩，立放于炉体上方，底部与炉体形成生长腔，其上设置有将生长腔连通至外部的炉孔和贯通孔，炉孔提供籽晶提拉杆垂直活动空间；
环形反射器，设于生长腔内与单晶同轴且位于单晶溶液上3-20mm，用于控制单晶与单晶熔体接触面的温度梯度；
随动杆，下端通过贯通孔贯通保温罩后连接环形反射器，上端连接随动机构，随动机构被配置为控制环形反射器在单晶熔体上的高度。
2.根据权利要求1所述的温场调节装置，其特征在于：所述炉体底部内置有保温层。
3.根据权利要求2所述的温场调节装置，其特征在于：所述保温层上放置有坩埚托，坩埚放置于坩埚托上。
4.根据权利要求1所述的温场调节装置，其特征在于：所述环形反射器随着熔体液面下降而跟随下降，下降速度满足如下公式：
其中，K为熔体液面高度下降量，D为坩埚内径，v为籽晶杆提拉速度，d为单晶直径，A单晶密度，B为熔体密度，tn为n节点时间，tn+1为n+1节点时间。
5.根据权利要求4所述的温场调节装置，其特征在于：
所述坩埚内装盛的单晶熔体的量固定，单晶直径固定，目标单晶的长度既定；
当生长单晶上半部时，环形发射器维持在熔体液面上方10-20mm；
当生长单晶下半部时，环形反射器维持在熔体液面上方3-10mm。
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2022
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