CN114622284B - 一种晶体生长的原料预熔炉及氟化钙晶体原料预熔方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种晶体生长的原料预熔炉及氟化钙晶体原料预熔方法，该原料预熔炉包括设置保温层的炉体，保温层围成保温腔；在保温腔中，挥发物收集桶安装到坩埚支架中部，若干坩埚单元安装到坩埚支架的挥发物收集桶周围，若干加热器安装到坩埚单元周围，坩埚单元上方安装能够上下移动的漂浮物捕捉器，漂浮物捕捉器上方安装圆顶状的导流罩；挥发物收集桶的桶口与炉体外的真空系统通过抽气管道连接，抽气管道依次穿过导流罩、保温层和炉体顶壁；导流罩下方的抽气管道开设若干抽气口，抽气口下端设置倾斜向上延伸的环状翻沿；反应气体和保护气体分别通过进气管入保温腔中。本发明的原料生长炉能够将原料预熔成多个小块料，使预熔料得到进一步提纯。

Description

一种晶体生长的原料预熔炉及氟化钙晶体原料预熔方法

技术领域

本发明涉及晶体生长工艺领域，尤其是一种晶体生长的原料提纯预熔炉及氟化钙晶体原料预熔方法。

背景技术

晶体生长对环境要求较高，既要求炉膛内环境洁净无污染，又需要原料纯度较高无杂质。尤其是大尺寸晶体的生长对晶体生长环境以及原料纯度要求极高，例如大尺寸紫外级氟化钙晶体的生长，绝大部分原料厂家提供的氟化钙原料纯度在99.99％-99.999％之间，而深紫外级晶体对原料纯度的要求甚至达到了99.99999％。

为了得到理想纯度的原料，预熔原料是一项行之有效的提纯措施。传统的预熔方式，大多直接使用晶体生长炉，将原料熔化后再降温使其结晶为块料。结晶过程中，杂质会发生分凝现象，集中在预熔后块料的表侧。使用该块料时清理掉这一侧的原料即可。

采用晶体生长炉的预熔方式，原料中的一部分杂质会被除去，但提纯效率并不高，对晶体紫外区间性能影响最关键的很多含氧基团仍然没有除去。预熔完成后的原料是一整块跟坩埚形状匹配的块料，不能根据晶体生长需要添加的料量灵活取料。此外，在生长大尺寸晶体时，考虑到时效，一次需要预熔的原料很多，由于原料预熔后结晶为与坩埚形状匹配的块料，块料体积过大、质量过重，导致预熔后原料搬运不方便，取料不灵活，在进行晶体生长时，上述块料装入晶体生长炉困难，会因操作不慎导致块料掉落或碎裂，甚至砸损设备，导致不必要的经济损失。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种晶体生长的原料预熔炉，使用该预熔炉预熔后的原料能够除去含氧集团等杂质，使原料得到进一步纯化，并且预熔后的块料便于周转。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种晶体生长的原料预熔炉，包括设置保温层的炉体，所述保温层围成保温腔；在所述保温腔中，挥发物收集桶安装到坩埚支架中部，若干坩埚单元安装到所述坩埚支架的所述挥发物收集桶周围，若干加热器安装到所述坩埚单元周围，所述坩埚单元上方安装能够上下移动的漂浮物捕捉器，所述漂浮物捕捉器上方安装圆顶状的导流罩；

所述挥发物收集桶的桶口与所述炉体外的真空系统通过抽气管道连接，所述抽气管道依次穿过所述导流罩、所述保温层和所述炉体顶壁；所述导流罩下方的抽气管道开设若干抽气口，所述抽气口下端设置倾斜向上延伸的环状翻沿；

反应气体和保护气体分别通过进气管入所述保温腔中。

进一步，所述漂浮物捕捉器为锥形斗，所述锥形斗的侧壁和底部设置多个熔体孔。

进一步，所述漂浮物捕捉器与所述炉体外部的驱动装置通过驱动杆连接，所述驱动杆从所述炉体上端或所述炉体下端穿过，所述驱动杆与所述炉体之间安装密封装置。

进一步，所述原料预熔炉还包括坩埚托，所述坩埚托用于支撑所述坩埚支架，所述坩埚托下端穿过所述保温层安装到所述炉体底壁上。

进一步，所述炉体和所述真空系统之间的所述抽气管道上还安装过滤器和水冷挡板。

进一步，所述进气管包括：与所述保温腔连通的主进气管，分别与所述主进气管连通的反应气进气管和保护气进气管；所述反应气进气管和所述保护气进气管上分别安装反应气体阀和保护气体阀，所述主进气管上安装气体流量计。

进一步，所述炉体的炉壁为中空结构，所述炉壁的上端和下端分别设置进水口和出水口。

本发明晶体生长的原料预熔炉，将原料置于若干坩埚单元中，将原料预熔成多个小块料，便于预熔料的取放；坩埚单元周围设置的加热器对坩埚单元中的原料加热预熔，通过进气管将反应气体和保护气体通入保温腔中，真空系统中的抽气泵用于将炉膛抽真空并将反应后的气体抽出，以便将原料提纯并使温场挥发物和原料挥发物原料等杂质随着气体流动，在导流罩的作用下，气流通过导流罩下方抽气管道上的抽气口排出炉体，流动气体中的部分挥发物粘结后形成颗粒掉落到挥发物收集桶中，抽气口下方的翻沿便于颗粒滑入挥发物收集桶中，其他气体挥发物随着气流被抽走。漂浮物捕捉器下降后浸入坩埚单元内的熔体，然后升起脱离熔体，以便捕捉熔体中的漂浮物。本发明的原料生长炉能够将原料预熔成多个小块料，便于预熔料的取放，通过导流罩、抽气口及翻沿的配合，有利于预熔料的提纯，通过使用漂浮物捕捉器能够去除预熔料表面的漂浮物，使预熔料得到进一步提纯。

本发明还提供了一种氟化钙晶体原料预熔方法，采用本发明的原料预熔炉，该方法包括：

将原料碎料分别装入每一个坩埚单元中，原料中加入一定比重的ZnF₂作为除氧剂；

采用所述真空系统将炉膛抽真空，开启所述加热器；

将原料升温至200℃~300℃，恒温20h~24h后，控制所述真空系统停止抽真空；

通过所述进气管充入保护气体Ar和反应气体CF₄，Ar气和CF₄气体的充入体积比200:1；炉膛内气压在-55KPa~-45KPa时，继续升温。

将原料升温至1000℃~1100℃，恒温20h~24h；继续升温至原料完全熔化后，保持恒温；

控制所述真空系统开始抽气，同时通过所述进气管充入保护气体Ar，维持炉膛内气压在-55KPa~-45KPa；

原料熔化1h后，将所述漂浮物捕捉器下降浸入熔体后，再将所述漂浮物捕捉器升起至完全脱离熔化原料液面一定高度，完成漂浮物捕捉。

恒温一定时段后，控制加热器以一定速率降温至室温后，预熔的原料结晶为块料。

采用本发明的方法生产的氟化钙晶体块料只需从坩埚支架上取下坩埚单元，倒出块料，根据生长大尺寸紫外级氟化钙晶体需要的料重，拿取预熔后的块料料进行正式生长。采用本发明的原料预熔炉和预熔方法可使晶体生长的原料得到进一步纯化，从坩埚单元中拿取块料，有利于提高大尺寸紫外级氟化钙晶体的产品质量。

附图说明

图1为本发明示例提供的晶体生长的原料预熔炉结构组成示意图；

图2为本示例原料预熔炉中一种坩埚支架3结构示意图；

图3为本示例原料预熔炉中另一种坩埚支架3结构示意图；

图4为本示例原料预熔炉中漂浮物捕捉器7的测视示意图；

图5为图4的剖面结构示意图；

图6为本示例原料预熔炉中抽气管道10的局部结构示意图；

图7为本示例原料预熔炉中抽气管道10的局部剖面结构示意图；

图中：

1—炉体；1-1—炉膛；1-2—进水口；1-3—出水口；2—保温层；2-1—保温腔；3—坩埚支架；3-1—收集桶放置位；3-2—坩埚单元放置位；4—挥发物收集桶；5—坩埚单元；6—加热器；7—漂浮物捕捉器；7-1—熔体孔；8—导流罩；9—真空系统；10—抽气管道；10-1—抽气口；10-2—翻沿；11—进气管；11-1—主进气管；11-2—反应气进气管；11-3—保护气进气管；12—坩埚托；13—过滤器；14—水冷挡板；14-1—进水口；14-2—出水口；15—反应气体阀；16—保护气体阀；17—气体流量计。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的方案，下面结合本发明示例中的附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的示例仅仅是本发明的一部分示例，而不是全部的示例。基于本发明中的示例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施方式都应当属于本发明保护的范围。

传统晶体生长的预熔方式相对简单，不需要额外的预熔设备，占用晶体生长炉进行预熔，提纯效率一般且预熔完成后的块料相对尺寸较大，形状固定，选料不灵活，装炉不方便。从晶体成品的高质量需求以及操作简便角度来看，是效益低下的。因此，本示例提供了一种生长大体积、高质量晶体的预熔炉，并以大尺寸紫外级氟化钙晶体生长为例，提供一种使用该预熔炉进行氟化钙晶体原料预熔的工艺方法。

如图1-7所示的示例，提供本发明一种晶体生长的原料预熔炉，包括设置保温层2的炉体1，保温层2围成保温腔2-1；在保温腔2-1中，挥发物收集桶4安装到坩埚支架3中部，若干坩埚单元5安装到坩埚支架3的挥发物收集桶4周围，若干加热器6安装到坩埚单元5周围，坩埚单元5上方安装能够上下移动的漂浮物捕捉器7，漂浮物捕捉器7上方安装圆顶状的导流罩8；

挥发物收集桶4的桶口与炉体1外的真空系统9通过抽气管道10连接，抽气管道10依次穿过导流罩8、保温层2和炉体1顶壁；导流罩8下方的抽气管道10开设若干抽气口10-1，抽气口10-1下端设置倾斜向上延伸的环状翻沿10-2；

反应气体和保护气体分别通过进气管11入保温腔2-1中。

参见图2-3，本示例提供了两种坩埚支架3，坩埚支架分别设置中部的收集桶放置位3-1和周围的坩埚单元放置位3-2，坩埚支架3的内部结构类似蜂窝，每个坩埚单元放置位3-2内放置一个与之匹配的坩埚单元5，优选地，坩埚单元5的上沿比坩埚单元放置位3-2上沿高出一定尺寸，且坩埚单元5设置把手，以便预熔后块料的取出。坩埚单元放置位3-2设置的个数和尺寸根据晶体生长实际的装料需求来确定。熔料完成后，原料被坩埚单元5分隔成多个独立的小块料，取出坩埚单元5即可倒出小块料，装取十分方便，将该小块料装入晶体生长炉中也十分方便。

参见图4-5，漂浮物捕捉器7为锥形斗，锥形斗的侧壁和底部设置多个熔体孔7-1。漂浮物捕捉器7捕捉器材质与坩埚单元5相同，不会污染熔体。每个漂浮物捕捉器7对应一个坩埚单元5。优选地，熔体孔7-1的直径可以是0.8mm，熔体可以缓慢进入和漏出，而漂浮物进入锥形斗后无法从熔体孔7-1漏出，即漂浮物留在锥形斗中。

作为一种漂浮物捕捉器7上下移动的实施方式，漂浮物捕捉器7与炉体1外部的驱动装置通过驱动杆（图中未示出）连接，驱动杆从炉体1上端或炉体1下端穿过，驱动杆与炉体1之间安装密封装置。其中，每个漂浮物捕捉器7可以连接一个驱动杆；也可以是多个漂浮物捕捉器7进行环状连接后，再与连接杆连接，该种方式可以减少驱动杆的数量，又能够保证多个漂浮物捕捉器7运动的同一性。驱动装置可以是气缸、液压缸、步进电机等，为了保证漂浮物捕捉器7上升和下降距离的精确控制，本示例选用步进电机作为驱动装置。本示例的密封装置采用油封或磁流体密封。

参见图6-7，位于导流罩8下方且位于漂浮物捕捉器7上方的抽气管道10开设若干抽气口10-1，抽气口10-1下端设置倾斜向上延伸的环状翻沿10-2，即该部分抽气管道10进行锥形开孔设计使得挥发物无法因粘结再次落入坩埚中，环状的翻沿10-2对该部分挥发物具有向挥发物收集桶4的导向作用。

向坩埚单元5中加入原料时，需要同时加入一定比重的除氧剂，通过进气管11通入的反应气体与除氧剂会与熔体中的杂质基团反应，纯化原料。通过进气管通入的保护气体充当导流气体，处理挥发物。

参见图1，本示例的原料预熔炉还包括坩埚托12，坩埚托12用于支撑坩埚支架3，坩埚托12下端穿过保温层安装到炉体1底壁上。

在本示例中，炉体1和真空系统9之间的抽气管道10上还安装过滤器13和水冷挡板14。过滤器13用以吸附气流中的挥发物，使其不能进入真空系统9中；水冷挡板14以及过滤器13均能防止真空系统9返油进入炉膛1-1污染生长环境。

参见图1，进气管11包括：与保温腔2-1连通的主进气管11-1，分别与主进气管11-1连通的反应气进气管11-2和保护气进气管11-3；反应气进气管11-2和保护气进气管11-3上分别安装反应气体阀15和保护气体阀16，主进气管11-1上安装气体流量计17。通过流量计17的反馈，能够监测主进气管11-1的气体流量，通过分别调节反应气体阀15和保护气体阀16，能够分别控制进入保温腔2-1的反应气体量和保护气体量。

参见图1，炉体1的炉壁为中空结构，炉壁的上端和下端分别设置进水口1-2和出水口1-3，以便原料预熔得到块料后，能够向炉壁中通入冷却水，达到冷却炉体1的目的。

本示例还提供了一种氟化钙晶体原料预熔方法，采用本示例的原料预熔炉，该方法包括：

将原料碎料分别装入每一个坩埚单元中，原料中加入一定比重的ZnF₂作为除氧剂；需要注意的是，注意：由于原料和除氧剂在高温熔化时会体积膨胀，装料时料块之间留有少量空隙，不要堆积的过于紧实。

采用真空系统将炉膛抽真空，开启加热器；

将原料升温至200℃~300℃，恒温20h~24h后，控制真空系统停止抽真空；

通过进气管11充入保护气体Ar和反应气体CF₄，Ar气和CF₄气体的充入体积比200:1；炉膛内气压在-55KPa~-45KPa时，继续升温。

将原料升温至1000℃~1100℃，恒温20h~24h；继续升温至原料完全熔化后，保持恒温；

控制真空系统开始抽气，同时通过进气管充入保护气体Ar，维持炉膛内气压在-55KPa~-45KPa；此时流动气体会带着温场挥发物和原料挥发物经由导流罩8、抽气口10-1和翻沿10-2进入抽气管道10，挥发物粘结后形成的颗粒会掉落到坩埚支架3中部的挥发物收集桶4中，其他气体挥发物随着气流被抽走，经过滤器13过滤吸附排出，参见图1、图6、图7，图中的箭头方向即为气体流动方向。

原料熔化1h后，将漂浮物捕捉器7下降浸入熔体后，再将漂浮物捕捉器7升起至完全脱离熔化原料液面一定高度，完成漂浮物捕捉。具体地，以合适速率将漂浮物捕捉器7下降直至锥形斗刚好浸入熔体，此时熔体表面液流会流向锥形斗中心，漂浮物随着液流进入到锥形斗内，此时升起漂浮物捕捉器7直至锥形斗底部完全脱离液面一定高度。在此过程中，锥形斗内熔体会从侧面和底部的熔体孔7-1流回到坩埚单元5内，漂浮物则留在锥形斗内，漂浮物捕捉完成。

恒温一定时段后，控制加热器以一定速率降温至室温后，预熔的原料结晶为块料。

采用上述方法生产的氟化钙晶体块料只需从坩埚支架上取下坩埚单元，倒出块料，根据生长大尺寸紫外级氟化钙晶体需要的料重，拿取预熔后的块料料进行正式生长。

本示例的原料生长炉能够将原料预熔成多个小块料，便于预熔料的取放，通过导流罩8、抽气口10-1及翻沿10-2的配合，有利于预熔料的提纯，通过使用漂浮物捕捉器7能够去除预熔料表面的漂浮物，使预熔料得到进一步提纯，预熔完成后的块料形状与体积可控，便于装入晶体生长炉。

采用本示例的原料预熔炉和预熔方法可使晶体生长的原料得到进一步纯化，从坩埚单元5中拿取块料，有利于提高大尺寸紫外级氟化钙晶体的产品质量。反应气体的通入及除氧剂的工艺设计，使得原料纯化效率大大提升。

本发明晶体生长的原料预熔炉及氟化钙晶体原料预熔的工艺方法，应用在其他种类的晶体生长，所用设备的部件材质会有所不同，凡结构设计或工艺思路与本发明相同的均在本发明专利保护范围内。

最后，可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种氟化钙晶体原料预熔方法，其特征在于，所述方法采用的原料预熔炉包括：

设置保温层的炉体，所述保温层围成保温腔；在所述保温腔中，挥发物收集桶安装到坩埚支架中部，若干坩埚单元安装到所述坩埚 支架的所述挥发物收集桶周围，若干加热器安装到所述坩埚单元周围，所述坩埚单元上方安 装能够上下移动的漂浮物捕捉器，所述漂浮物捕捉器上方安装圆顶状的导流罩；

所述挥发物收集桶的桶口与所述炉体外的真空系统通过抽气管道连接，所述抽气管道依次穿 过所述导流罩、所述保温层和所述炉体顶壁；所述导流罩下方的抽气管道开设若干抽气口， 所述抽气口下端设置倾斜向上延伸的环状翻沿；

反应气体和保护气体分别通过进气管入所述保温腔中；

所述漂浮物捕捉器为锥形斗，所述锥形斗的侧壁和底部设置多个熔体孔；

所述漂浮物捕捉器与所述炉体外部的驱动装置通过驱动杆连接，所述驱动杆从所述炉体上端或所述炉体下端穿过，所述驱动杆与所述炉体之间安装密封装置；

还包括坩埚托，所述坩埚托用于支撑所述坩埚支架，所述坩埚托下端穿过所述保温层安装到所述炉体底壁上；

所述炉体和所述真空系统之间的所述抽气管道上还安装过滤器和水冷挡板；

所述进气管包括： 与所述保温腔连通的主进气管，分别与所述主进气管连通的反应气进气管和保护气进气管；所述反应气进气管和所述保护气进气管上分别安装反应气体阀和保护气体阀， 所述主进气管上安装气体流量计；

所述炉体的炉壁为中空结构，所述炉壁的上端和下端分别设置进水口和出水口；

所述氟化钙晶体原料预熔方法包括：

将原料碎料分别装入每一个坩埚单元中，原料中加入一定比重的 ZnF2 作为除氧剂；采用所述真空系统将炉膛抽真空，开启所述加热器；

将原料升温至 200℃~300℃，恒温 20h~24h 后，控制所述真空系统停止抽真空；

通过所述进气管充入保护气体 Ar 和反应气体 CF4，Ar 气和 CF4 气体的充入体积比200:1；炉 膛内气压在-55KPa~-45KPa 时，继续升温；控制所述真空系统开始抽气，同时通过所述进气管充入保护气体 Ar， 维持炉膛内气压在 -55KPa~-45KPa；

原料熔化 1h 后， 将所述漂浮物捕捉器下降浸入熔体后， 再将所述漂浮物捕捉器升起至完全脱 离熔化原料液面一定高度，完成漂浮物捕捉；

恒温一定时段后，控制加热器以一定速率降温至室温后，预熔的原料结晶为块料。