CN115161774B - 一种大尺寸碲锌镉单晶的生长装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大尺寸碲锌镉单晶的生长装置及方法，包括坩埚以及晶体移动杆，所述晶体移动杆设置在坩埚底部，且其顶部伸入坩埚内底部，所述坩埚上方设置有对热辐射能进行聚集的环形热辐射聚光片以及发热管，所述发热管位于环形热辐射聚光片下侧，且环形热辐射聚光片连接在聚光片传动组件的下侧，所述坩埚上设置有超声波探测系统。本发明在垂直布里奇曼法的基础上，加入了自动监测和调节固液界面温度的装置，不改变结晶区温场，消除晶体生长时所产生的固液凹型界面，从而使晶体成长的界面处于可控状态，使大尺寸碲锌镉具有更高的成晶率，并且有利率锌组分在径向上的分布，并能生长大尺寸单晶。

Description

一种大尺寸碲锌镉单晶的生长装置及方法

技术领域

本发明涉及碲锌镉晶体生长技术领域，尤其涉及一种大尺寸碲锌镉单晶的生长装置及方法。

背景技术

碲锌镉单晶生长时微凸界面是晶体生长较理想的界面，由于碲锌镉热导率低，存在径向温梯，导致生长时的固液界面容易形成凹形，凹型界面易形成多晶，4寸以上晶体生长时此现象由为明显。目前行业内碲锌镉单晶生长用的方法主要是垂直布里奇曼法(VB法)，由于晶体生长时固液界面不可控，只能生长2-3寸小尺寸单晶，成晶率低，且单晶尺寸偏小。

发明内容

本发明旨在提供一种大尺寸碲锌镉单晶的生长装置及方法克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，以解决现有的碲锌铬单晶生长成晶率低，且单晶尺寸偏小的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：

本发明的提供了一种大尺寸碲锌镉单晶的生长装置及方法，包括坩埚以及晶体移动杆，所述晶体移动杆设置在坩埚底部，且其顶部伸入坩埚内底部，所述坩埚上方设置有对热辐射能进行聚集的环形热辐射聚光片以及发热管，所述发热管位于环形热辐射聚光片下侧，且环形热辐射聚光片连接在聚光片传动组件的下侧，所述坩埚上设置有超声波探测系统。

所述超声波探测系统包括超声波发生器以及超声波探头，所述超声波发生器位于坩埚的上方，所述超声波探头设置在坩埚内底部，所述超声波发生器与超声波探头相对应，且超声波发生器用于接收超声波探头所发出的超声波信号。

所述聚光片传动组件包括主传动架、X轴次传动杆以及Y轴次传动杆，所述X轴次传动杆以及Y轴次传动杆均连接在主传动架上，且X轴次传动杆位于Y轴次传动杆下侧，所述X轴次传动杆以及Y轴次传动杆分别与环形热辐射聚光片两侧相连接。

一种大尺寸碲锌镉单晶的生长方法，包括以下操作步骤：

将坩埚放入生长炉内，并设置在梯度区之间，且通过晶体移动杆的移动来引导碲锌镉单晶的生长；

通过超声波探头来发出超声波信号，且通过超声波信号来实时检测结晶界面的形状及位置，并由超声波发生器进行接收信号；

通过电脑来与超声波发生器进行连接，并在电脑上形成3D的相，且通过不同的颜色标注不同厚度的面型；

由发热管来进行发热，且通过功率控制器控制镍铬加热丝的热辐射量，且通过环形热辐射聚光片把热辐射流聚集到一个环形的区域，厚度为2～5mm，用以给结晶界面的温度进行微调。

作为本发明进一步的方案，所述环形热辐射聚光片设有多个，且多个环形热辐射聚光片彼此活动连接在一起，且多个环形热辐射聚光片彼此之间连接有伸缩弹簧，通过伸缩弹簧的自身弹力便于带动多个环形热辐射聚光片进行展开和收紧，从而对聚光面进行调节。

作为本发明进一步的方案，所述环形热辐射聚光片由镍合金制造而成，且环形热辐射聚光片表面镀铂，提高了反射率，并具有较好耐高温性能。

作为本发明更进一步的方案，所述主传动架底部设置有转向轴，且转向轴外侧分别套接有X轴传动线缆以及Y轴传动线缆，所述X轴传动线缆与X轴次传动杆相连接，所述Y轴传动线缆与Y轴次传动杆相连接，所述X轴传动线缆以及Y轴传动线缆两端分别缠绕在对应的伺服电机的传动轴上，所述主传动架顶端与电动推杆的伸缩杆固定连接。

作为本发明更进一步的方案，所述X轴次传动杆底部开设有滑槽，所述Y轴次传动杆顶部滑动设置在滑槽内。

作为本发明更进一步的方案，所述发热管通过连接杆固定在X轴次传动杆下侧，所述发热管内部设置由八段半圆弧状的镍铬加热丝，可以根据结晶界面每个方位高度的细微差别，对结晶界面每个方位温度分进行微调。

作为本发明更进一步的方案，所述环形热辐射聚光片上开设有缺口，且缺口的一侧固定连接有便于对环形热辐射聚光片进行收纳的转动杆。

作为本发明更进一步的方案，所述结晶界面的微调区间在0℃～5℃。

作为本发明更进一步的方案，所述发热管整体发热功率为0～1kW，每段镍铬加热丝发热功率为0～120W。

本发明提供了一种大尺寸碲锌镉单晶的生长装置及方法，有益效果在于：在垂直布里奇曼法的基础上，加入了自动监测和调节固液界面温度的装置，不改变结晶区温场，消除晶体生长时所产生的固液凹型界面，从而使晶体成长的界面处于可控状态，使大尺寸碲锌镉具有更高的成晶率，并且有利率锌组分在径向上的分布，并能生长大尺寸单晶。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为本发明实施例聚光片传动组件的结构示意图。

图3为本发明实施例Y轴次传动杆与X轴次传动杆的局部连接结构示意图。

图4为本发明实施例Y轴次传动杆的局部结构示意图。

图5为本发明实施例X轴次传动杆的局部结构示意图。

图6为本发明实施例主传动架的结构示意图。

图7为本发明实施例环形热辐射聚光片的结构示意图。

图8为本发明实施例多个环形热辐射聚光片的连接结构示意图。

图9为本发明实施例环形热辐射聚光片的结构示意图。

图中：1、环形热辐射聚光片；2、超声波发生器；3、聚光片传动组件；4、加热区；5、梯度区；6、冷却区；7、固相区；8、晶体移动杆；9、超声波探头；10、结晶界面；11、热辐射线；12、坩埚；13、发热管；14、Y轴次传动杆；15、X轴次传动杆；16、主传动架；17、伸缩弹簧；18、转动杆；141、Y轴传动线缆；151、X轴传动线缆；152、滑槽；161、转向轴。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

参见图1，本发明实施例提供的一种大尺寸碲锌镉单晶的生长装置，包括坩埚12以及晶体移动杆8，所述晶体移动杆8设置在坩埚12底部，且其顶部伸入坩埚12内底部，所述坩埚12上方设置有对热辐射能进行聚集的环形热辐射聚光片1以及发热管13，所述发热管13位于环形热辐射聚光片1下侧，且环形热辐射聚光片1连接在聚光片传动组件3的下侧，所述坩埚12上设置有超声波探测系统。

所述超声波探测系统包括超声波发生器2以及超声波探头9，所述超声波发生器2位于坩埚12的上方，所述超声波探头9设置在坩埚12内底部，所述超声波发生器2与超声波探头9相对应，且超声波发生器2用于接收超声波探头9所发出的超声波信号。

所述聚光片传动组件3包括主传动架16、X轴次传动杆15以及Y轴次传动杆14，所述X轴次传动杆15以及Y轴次传动杆14均连接在主传动架16上，且X轴次传动杆15位于Y轴次传动杆14下侧，所述X轴次传动杆15以及Y轴次传动杆14分别与环形热辐射聚光片1两侧相连接。

本发明在使用过程中，在不影响内部温场情况下，加入了超声波检测探头和环形聚光片，超声波检测探头发出超声波信号，超声波信号穿过碲锌铬单晶生长的结晶界面10，并由超声波发生器2对超声波信号进行接收，并根据超声波信号在液体和固体中传递速度的微小差值计算晶面微小的厚度差，且传递给外部连接的电脑，并在电脑上的专用软件上进行形成3D图形，并通过不同的颜色标注不同厚度的面型，以辅助观察这了解结晶界面10的情况，能实时检测结晶界面10的形状及位置，并根据结晶界面10的位置，通过移动聚光片传动组件3来对结晶面实现“对焦”，根据结晶界面10的形状，通过调节环形热辐射聚光片1内发热管13功率的大小，来调节结晶面的温度，通过调节结晶面的温度控制结晶面的形状，同时通过超声波探头9的反馈来观测设置条件是否有效，实现对结晶面形状的控制，再配合适当的晶体生长工艺，能实现大尺寸碲锌镉单晶的生长，也提高了碲锌镉单晶的成晶率，且保证了碲锌镉单晶径向方向锌分布的均匀性。

参见图7和图8，所述环形热辐射聚光片1设有多个，且多个环形热辐射聚光片1彼此活动连接在一起，且多个环形热辐射聚光片1彼此之间连接有伸缩弹簧17，通过伸缩弹簧17的自身弹力便于带动多个环形热辐射聚光片1进行展开和收紧，从而对聚光面进行调节。

所述环形热辐射聚光片1由镍合金制造而成，且环形热辐射聚光片1表面镀铂，提高了反射率，并具有较好耐高温性能。

参见图2-6，所述主传动架16底部设置有转向轴161，且转向轴161外侧分别套接有X轴传动线缆151以及Y轴传动线缆141，所述X轴传动线缆151与X轴次传动杆15相连接，所述Y轴传动线缆141与Y轴次传动杆14相连接，所述X轴传动线缆151以及Y轴传动线缆141两端分别缠绕在对应的伺服电机的传动轴上，所述主传动架16顶端与电动推杆的伸缩杆固定连接。

所述X轴次传动杆15底部开设有滑槽152，所述Y轴次传动杆14顶部滑动设置在滑槽152内。

本发明在使用过程中，通过在X轴传动线缆151以及Y轴传动线缆141的两端分别与对应的伺服电机上的传动轴进行缠绕连接，并将多个伺服电机与外部的电脑进行连接，从而通过电脑上的对应的控制软件来控制伺服电机的运行，而通过伺服电机的转动则便于对X轴传动线缆151以及Y轴传动线缆141进行收卷，进而带动X轴次传动杆15以及Y轴次传动杆14来跟随X轴传动线缆151以及Y轴传动线缆141的移动而移动，线缆传动不仅避免了高温区域对伺服电机的影响，减少了震动，而且能通过X轴传动线缆151和Y轴传动线缆141来分别调节X轴次传动杆15和Y轴次传动杆14的行程，X轴次传动杆15的行程能调节发热管13的尺寸，X轴次传动杆15和Y轴次传动杆14的行程能在一定范围内调节环形热辐射聚光片1的尺寸，而通过电动推杆的伸缩则便于调节发热管13以及环形热辐射聚光片1的高度，从而适应不同尺寸的晶体生长。

参见图2，所述发热管13通过连接杆固定在X轴次传动杆15下侧，所述发热管13内部设置由八段半圆弧状的镍铬加热丝，可以根据结晶界面10每个方位高度的细微差别，对结晶界面10每个方位温度分进行微调。

参见图9，所述环形热辐射聚光片1上开设有缺口，且缺口的一侧固定连接有便于对环形热辐射聚光片1进行收纳的转动杆18。

本发明在使用过程中，在使用结束后，可将环形热辐射聚光片1从坩埚12和生长炉内取出，并通过转动杆18的转动来对环形热辐射聚光片1进行收卷，实现了方便收纳以及放置的目的。

参见图1，本发明实施例提供的一种大尺寸碲锌镉单晶的生长方法，包括以下操作步骤：

将坩埚12放入生长炉内，并设置在梯度区5之间，且通过晶体移动杆8的移动来引导碲锌镉单晶的生长；

通过超声波探头9来发出超声波信号，且通过超声波信号来实时检测结晶界面10的形状及位置，并由超声波发生器2进行接收信号；

通过电脑来与超声波发生器2进行连接，并在电脑上形成3D的相，且通过不同的颜色标注不同厚度的面型；

由发热管13来进行发热，且通过功率控制器控制镍铬加热丝的热辐射量，且通过环形热辐射聚光片1把热辐射流聚集到一个环形的区域，厚度为2～5mm，且环形热辐射聚光片1耐1500℃以上的高温，用以给结晶界面10的温度进行微调。

所述结晶界面10的微调区间在0℃～5℃。

所述发热管13整体发热功率为0～1kW，每段镍铬加热丝发热功率为0～120W，通过功率控制器控制镍铬加热丝的热辐射量。

固液界面调节与环形热辐射聚光片1电流大小的控制系统分别手动模式和自动模式。

手动模式：通过超声波检测探头检测到结晶面距离基准面距离，手动输入主传动架16、X轴次传动杆15以及Y轴次传动杆14的行程，检查结晶界面10的面型，计算出凹形面边缘与中心的差值，设置各个镍铬加热丝功率，通过给边缘升温让结晶面重新长成“凸型”。

镍铬加热丝以及环形热辐射聚光片1具备向不同方向辐射不同功率热量，以对不规则面型细微调整的功能。

控制系统中有环形热辐射聚光片1的3D同步模型在调节主传动架16，X轴次传动杆15以及Y轴次传动杆14过程中，实时反馈聚光点的位置(聚光点相对于结晶面的方位)，辅助使用者调试工艺参数。

自动模式：结晶面凹面中心与边缘厚度差，通过输入各个镍铬加热丝的功率来，降低凹面中心与边缘的厚度差，使之变为凸面的过程，系统会自动记录下来，通过大量数据生成模型。

若因为温场变化造成了结晶面的高度位置发生变化，需要调节聚光片的焦距，系统也会自动记录下X轴次传动杆15以及Y轴次传动杆14发生的位移，通过数据生成模型。

通过系统自动记录，在自动模式下运行时，该系统就可以根据数据模型，自动调节加热丝温度，和环形热辐射聚光片1焦距，使结晶面始终为理想的凸型结晶面。

在改进后的VB炉与现有的VB炉中生产碲锌铬单晶，其结构如下表

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种大尺寸碲锌镉单晶的生长装置，包括坩埚(12)以及晶体移动杆(8)，所述晶体移动杆(8)设置在坩埚(12)底部，且其顶部伸入坩埚(12)内底部，其特征在于，所述坩埚(12)上方设置有对热辐射能进行聚集的环形热辐射聚光片(1)以及发热管(13)，所述发热管(13)位于环形热辐射聚光片(1)下侧，且环形热辐射聚光片(1)连接在聚光片传动组件(3)的下侧，所述坩埚(12)上设置有超声波探测系统；

所述超声波探测系统包括超声波发生器(2)以及超声波探头(9)，所述超声波发生器(2)位于坩埚(12)的上方，所述超声波探头(9)设置在坩埚(12)内底部，所述超声波发生器(2)与超声波探头(9)相对应，且超声波发生器(2)用于接收超声波探头(9)所发出的超声波信号；

所述聚光片传动组件(3)包括主传动架(16)、X轴次传动杆(15)以及Y轴次传动杆(14)，所述X轴次传动杆(15)以及Y轴次传动杆(14)均连接在主传动架(16)上，且X轴次传动杆(15)位于Y轴次传动杆(14)下侧，所述X轴次传动杆(15)以及Y轴次传动杆(14)分别与环形热辐射聚光片(1)两侧相连接。

2.根据权利要求1所述的一种大尺寸碲锌镉单晶的生长装置，其特征在于，所述环形热辐射聚光片(1)设有多个，且多个环形热辐射聚光片(1)彼此活动连接在一起，且多个环形热辐射聚光片(1)彼此之间连接有伸缩弹簧(17)。

3.根据权利要求2所述的一种大尺寸碲锌镉单晶的生长装置，其特征在于，所述环形热辐射聚光片(1)由镍合金制造而成，且环形热辐射聚光片(1)表面镀铂，提高了反射率，并具有较好耐高温性能。

4.根据权利要求1所述的一种大尺寸碲锌镉单晶的生长装置，其特征在于，所述主传动架(16)底部设置有转向轴(161)，且转向轴(161)外侧分别套接有X轴传动线缆(151)以及Y轴传动线缆(141)，所述X轴传动线缆(151)与X轴次传动杆(15)相连接，所述Y轴传动线缆(141)与Y轴次传动杆(14)相连接，所述X轴传动线缆(151)以及Y轴传动线缆(141)两端分别缠绕在对应的伺服电机的传动轴上，所述主传动架(16)顶端与电动推杆的伸缩杆固定连接。

5.根据权利要求4所述的一种大尺寸碲锌镉单晶的生长装置，其特征在于，所述X轴次传动杆(15)底部开设有滑槽(152)，所述Y轴次传动杆(14)顶部滑动设置在滑槽(152)内。

6.根据权利要求1所述的一种大尺寸碲锌镉单晶的生长装置，其特征在于，所述发热管(13)通过连接杆固定在X轴次传动杆(15)下侧，所述发热管(13)内部设置由八段半圆弧状的镍铬加热丝，可以根据结晶界面(10)每个方位高度的细微差别，对结晶界面(10)每个方位温度分进行微调。

7.根据权利要求1所述的一种大尺寸碲锌镉单晶的生长装置，其特征在于，所述环形热辐射聚光片(1)上开设有缺口，且缺口的一侧固定连接有便于对环形热辐射聚光片(1)进行收纳的转动杆(18)。

8.一种采用权利要求1-7任意一项所述的大尺寸碲锌镉单晶的生长装置的单晶生长方法，其特征在于，包括以下操作步骤：

将坩埚(12)放入生长炉内，并设置在梯度区(5)之间，且通过晶体移动杆(8)的移动来引导碲锌镉单晶的生长；

通过超声波探头(9)来发出超声波信号，且通过超声波信号来实时检测结晶界面(10)的形状及位置，并由超声波发生器(2)进行接收信号；

通过电脑来与超声波发生器(2)进行连接，并在电脑上形成3D的相，且通过不同的颜色标注不同厚度的面型；

由镍铬加热丝来进行发热，且通过功率控制器控制镍铬加热丝的热辐射量，且通过环形热辐射聚光片(1)把热辐射流聚集到一个环形的区域，厚度为2～5mm，用以给结晶界面(10)的温度进行微调。

9.根据权利要求8所述的单晶生长方法，其特征在于，所述结晶界面(10)的微调区间在0℃～5℃。

10.根据权利要求8所述的单晶生长方法，其特征在于，所述发热管(13)整体发热功率为0～1kW，每段镍铬加热丝发热功率为0～120W。