CN204265882U - 一种晶体生长装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种晶体生长装置。晶体生长装置包括晶体生长组件和加热组件，物料内置于晶体生长组件，加热物料至预定的温度梯度，引导物料进入引晶阶段、放肩阶段和等径生长阶段。根据测温组件的检测温度，导向组件驱动晶体生长组件运动，以适应VGF工艺和VB工艺的温度梯度要求。本实用新型结合VGF工艺和VB工艺的优势，有效放宽热场温度梯度的限制，提升晶体结晶速度。

Description

一种晶体生长装置

技术领域

本实用新型涉及一种晶体生长装置，属于晶体生长技术领域，特别涉及一种结合VGF工艺和VB工艺的晶体生长装置。

背景技术

单晶材料是光电领域一种重要的基础应用材料，近年来相关研究逐步深入，发展十分迅速，在光伏发电等领域应用非常广泛。然而，单晶材料的制备工艺的要求非常严格，晶体在生长过程中极易形成多晶、孪晶等伴生晶体，影响单晶的品质和质量，降低生产效率，提高生产成本。

目前，晶体生长工艺主要包括:

液封直拉法,(Liquid Encapsulated Czochralski,LEC)；

水平布里奇曼法,(Horizontal Bridgman,HB)；

垂直布里奇曼法,(Vertical Bridgman,VB)；

垂直梯度凝固法,(Vertical Gradient Freeze,VGF)

以上晶体生长工艺及相关生长设备均存在一定缺陷。LEC工艺(液封直拉法)生长的晶体位错密度较高，难以生长高质量、低位错的单晶体。HB工艺(水平布里奇曼法)生长大尺寸单晶的材料利用率低。VB工艺(垂直布里奇曼法)相比于LEC工艺(液封直拉法)生长的晶体位错密度较低，但相比于HB工艺(水平布里奇曼法)和VGF工艺(垂直梯度凝固法)的晶体位错密度高。VGF工艺(垂直梯度凝固法)虽可生长高质量的单晶体，材料利用率较高，但VGF工艺(垂直梯度凝固法)的晶体生长过程不可视，且VGF工艺(垂直梯度凝固法)对热场温度梯度要求严格，导致单晶体成品率下降。另一方面，VGF工艺(垂直梯度凝固法)相比于VB工艺(垂直布里奇曼法)的晶体生长速度缓慢，导致单晶体生长成本昂贵。

当前，综合考察晶体生长的多种生长工艺，发展较为迅速、晶体生长品质和 质量较高的晶体生长工艺是VB工艺(垂直布里奇曼法)和VGF工艺(垂直梯度凝固法)，但两种工艺各有优缺点。当前缺少一种可结合VGF工艺(垂直梯度凝固法)和VB工艺(垂直布里奇曼法)各自优点的晶体生长装置。传统的晶体生长装置不能有效结合VGF工艺(垂直梯度凝固法)在引晶阶段和放肩阶段的高质量晶体生长优势，不能有效结合VB工艺(垂直布里奇曼法)在等径生长阶段的晶体位错密度低的优势。此外，传统的晶体生长装置对热场温度梯度要求严格，单晶体生长速度缓慢。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种晶体生长装置，结合VGF工艺和VB工艺生长单晶体。

本实用新型的另一目的在于提供一种晶体生长装置，结合VGF工艺在引晶阶段和放肩阶段的高质量生长优势，结合VB工艺在等径生长阶段低位错密度的优势，又快又好地生长单晶体。

本实用新型的另一目的在于提供一种晶体生长装置，结合VGF工艺和VB工艺优势，提高原材料利用率，提高单晶体成品率。

本实用新型的另一目的在于提供一种晶体生长装置，在单晶体等径生长阶段采用VB工艺，降低热场温度梯度要求。

本实用新型的另一目的在于提供一种晶体生长装置，在引晶阶段和放肩阶段采用VGF工艺，提高单晶体生长速度。

本实用新型的另一目的在于提供一种晶体生长装置，晶体生长装置的导向组件驱动导向轴带动晶体生长组件运动，以满足热场温度梯度要求。

本实用新型的另一目的在于提供一种晶体生长装置，晶体生长装置的加热组件相互重叠，以满足热场温度梯度要求。

本实用新型的另一目的在于提供一种晶体生长装置，晶体生长装置的测温组件多角度、多位置检测温度，便于调整温度，满足热场温度梯度要求。

本实用新型的另一目的在于提供一种晶体生长装置，晶体生长装置的隔热组件立体保温，以满足热场温度梯度要求。

本实用新型的另一目的在于提供一种晶体生长装置，便于通过晶体生长装置 的观察孔观察单晶体生长程度和进度。

本实用新型的另一目的在于提供一种晶体生长装置，晶体生长装置的顶盖、本体和基座为中空结构，便于通入冷却水而原位退火。

为实现本实用新型的以上目的，一种晶体生长装置至少包括：

一种晶体生长装置，其特征在于，包括：

一基座、一顶盖和一本体，所述本体设有一本体收容腔；

一晶体生长组件，所述本体分别连接于所述基座和所述顶盖，所述本体设有

一本体收容腔，所述基座和所述本体和所述顶盖形成所述本体收容腔；

一加热组件，所述加热组件电连接于外部电源，所述加热组件包括一第一加热部、一第二加热部和一第三加热部，所述第一加热部、所述第二加热部和所述第三加热部分别外设于所述晶体生长组件，所述第一加热部、所述第二加热部和所述第三加热部组合加热内置于所述晶体生长组件的所述物料；

一隔热组件，所述隔热组件内设于所述本体收容腔，所述隔热组件外设于所述加热组件，所述隔热组件包括一第一隔热部和一第二隔热部，所述第一隔热部和所述第二隔热部分别外设于所述加热组件，所述第一隔热部一体连接于所述第二隔热部，所述第一隔热部和所述第二隔热部区隔所述晶体生长组件的热量；和

一测温组件，所述测温组件内设于所述本体收容腔，所述测温组件包括多个测温部，所述测温部分别贴近于所述加热组件，所述测温部包括一热电偶，所述测温部的所述热电偶内设于所述本体收容腔，所述测温部的所述热电偶贴近于所述加热组件，根据所述测温部的所述热电偶的检测温度调整所述加热组件加热功率，所述物料在所述晶体生长组件受热生长结晶为晶体。

根据本实用新型的一个实施例，所述晶体生长装置进一步包括一导向组件，所述导向组件包括一导向轴，所述导向轴一体连接于所述导向组件，所述晶体生长组件进一步包括一晶体生长组件连接部，所述晶体生长组件连接部一体连接于所述晶体生长组件，所述导向轴可旋转地连接于所述晶体生长组件连接部，所述导向组件驱动所述导向轴，所述导向轴带动所述晶体生长组件在所述本体收容腔内运动。

根据本实用新型的一个实施例，所述基座进一步包括一第一连接件，所述本体包括一第一筒体和一第二筒体，所述第一连接件分别固定连接所述基座和所述本体，所述顶盖进一步包括一第二连接件，所述第二连接件分别固定连接所述顶 盖和所述本体。

根据本实用新型的一个实施例，所述第一加热部、所述第二加热部和所述第三加热部的材料采用石墨制成。

根据本实用新型的一个实施例，所述第一加热部、所述第二加热部和所述第三加热部相互重叠，所述第一加热部和所述第二加热部的重叠距离不小于5毫米，所述第二加热部和所述第三加热部的重叠距离不小于5毫米。

根据本实用新型的一个实施例，所述第一隔热部的材料为透明石英，所述第二隔热部的材料采用石墨和碳毡制成。

根据本实用新型的一个实施例，所述测温度的所述热电偶的数量大于或等于3个。

根据本实用新型的一个实施例，所述顶盖进一步设有一观察孔，所述观察孔贯通于所述本体收容腔，通过所述观察孔观察所述物料的结晶程度和结晶进度。根据本实用新型的一个实施例，所述基座进一步设有一第一贯通孔和一第二贯通孔，所述第一贯通孔和所述第二贯通孔分别贯通于所述本体收容腔，通过所述第一贯通孔向所述本体收容腔通入惰性气体，通过所述第二贯通孔排出所述惰性气体。

根据本实用新型的一个实施例，所述基座、所述本体、所述顶盖分别具有一中空结构，所述基座、所述本体、所述顶盖分别设有中空腔，向所述中空腔通入冷却水。

附图说明

图1是根据本实用新型的一个优选实施例的剖视图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本实用新型以使本领域技术人员能够实现本实用新型。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本实用新型的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本实用新型的精神和范围的其他技术方案。

根据本实用新型的一个优选实施例，如图1所示，晶体生长装置包括一基座10、一本体20和一顶盖30，晶体生长装置的本体20分别连接于晶体生长装置的基座10和顶盖30。晶体生长装置的基座10支撑晶体生长装置的本体20和顶盖30。晶体生长装置的顶盖30安装于晶体生长装置的本体20。物料内置于晶体生长装置的本体20，物料在本体20内加热至预定温度梯度，在物料熔料后采用VGF工艺进行引晶和放肩，调整温度梯度，采用VB工艺进行等径生长，单晶体生长结束后原位退火，即可对单晶体进一步处理和加工。

如图1所示，晶体生长装置的基座10设有一第一贯通孔11和一第二贯通孔12，本体20具有一本体收容腔23，基座10的第一贯通孔11和第二贯通孔12贯通连接于本体20的本体收容腔23。通过基座10的第一贯通孔11通入惰性气体至本体20的本体收容腔23，惰性气体可置换本体收容腔23的空气，通过第二贯通孔12将置换后的空气排出，避免加热物料时高温引发的安全隐患。

晶体生长装置的基座10进一步包括一第一连接件13，基座10的第一连接件13分别固定连接于基座10和本体20。基座10的第一连接件13为法兰螺栓连接件。晶体生长装置的顶盖30包括一第二连接件31，顶盖30的第二连接件31分别固定连接于顶盖30和本体20。顶盖30的第二连接件31为法兰螺栓连接件。

晶体生长装置的本体20包括一第一筒体21和一第二筒体22，本体20的第二筒体22内置于第一筒体21。

晶体生长装置包括一晶体生长组件40，晶体生长组件40内置于本体20的本体收容腔23，物料在晶体生长装置的晶体生长组件40内加热，物料在晶体生长组件40内加热至预定温度梯度，物料熔料后采用VGF工艺进入引晶阶段和放肩阶段，调整温度梯度，采用VB工艺进入等径生长阶段，单晶体生长结束后原位退火，即可对单晶体进一步加工处理。优选的，晶体生长组件40包括一坩埚，晶体生长组件40的坩埚内置于本体20的本体收容腔23，物料在晶体生长组件40的坩埚内加热，物料在晶体生长组件40的坩埚内加热至预定温度，物料熔料后采用VGF工艺进入引晶阶段和放肩阶段，调整温度梯度，采用VB工艺进入等径生长阶段，单晶体生长结束后原位退火，即可对单晶体进一步加工处理。

晶体生长装置包括一导向组件50，晶体生长装置的晶体生长组件40进一步包括一晶体生长组件连接部41，晶体生长组件40的晶体生长组件连接部41固定连接于晶体生长组件40的坩埚。晶体生长装置的导向组件50包括一导向轴 51。导向组件50的导向轴51可旋转地连接于晶体生长组件40的晶体生长组件连接部41。导向组件50可引导导向轴51驱动晶体生长组件40的晶体生长组件连接部41，受导向组件50驱动的导向轴51带动晶体生长组件连接部41围绕导向轴51旋转，受导向组件50驱动的导向轴51带动晶体生长组件连接部41竖直上下移动于本体20的本体收容腔23。优选的，晶体生长组件40的晶体生长组件连接部41包括一坩埚垫，导向组件50的导向轴51可旋转地连接于晶体生长组件连接部41的坩埚垫。导向组件50可引导导向轴51驱动晶体生长组件连接部41的坩埚垫，受导向组件50驱动的导向轴51带动晶体生长组件连接部41的坩埚垫围绕导向轴51旋转，受导向组件50驱动的导向轴51带动晶体生长组件连接部41的坩埚垫竖直上下移动于本体20的本体收容腔23，根据不同阶段的温度要求调整晶体生长组件40的高度或围绕导向轴51旋转晶体生长组件40，物料熔料后依次采用VGF工艺进行引晶和放肩，采用VB工艺进行等径生长，使得物料在晶体生长组件40的坩埚内在不同晶体生长阶段按要求受热达到预定的温度梯度，单晶体生长结束后原位退火，即可对单晶体进一步加工处理。

晶体生长装置包括一加热组件60，加热组件60包括多个加热部，晶体生长装置的加热组件60的多个加热部组合加热晶体生长组件40的坩埚。优选的，根据本实用新型的优选实施例，晶体生长装置的加热组件60包括一第一加热部61、一第二加热部62和一第三加热部63，加热组件60内置于本体20的本体收容腔23，加热组件60的第一加热部61、第二加热部62和第三加热部63分别外设于晶体生长组件40，确保全方位加热晶体生长组件40的坩埚，保证物料在晶体生长组件40的坩埚内按要求受热，达到预定的温度梯度。

值得一提的是，优选的，加热组件60的第一加热部61、第二加热部62和第三加热部63重叠设置安装，其中，第一加热部61和第二加热部62的重叠距离大于8毫米，第二加热部62和第三加热部63的重叠距离大于5毫米，确保物料在晶体生长组件40的坩埚内按要求受热，达到预定的温度梯度。

值得一提的是，加热组件60的第一加热部61、第二加热部62、第三加热部63的材料为高纯度石墨。以高纯度石墨为材料的第一加热部61、第二加热部62、第三加热部63组合加热晶体生长组件40的坩埚，确保物料在晶体生长组件40的坩埚内按要求受热，达到预定的温度梯度。

晶体生长装置包括一隔热组件70，隔热组件70包括多个隔热部，晶体生长 装置的隔热组件70的多个隔热部组合隔热，降低内置于本体收容腔23的晶体生长组件40的坩埚的热量流失程度。优选的，根据本实用新型的优选实施例，晶体生长装置的隔热组件70包括一第一隔热部71和一第二隔热部72，隔热组件70内置于本体20的本体收容腔23，隔热组件70外设于加热组件60。具体的，隔热组件70的第一隔热部71外设于加热组件60的顶面，隔热组件70的第二隔热部72外设于加热组件60的侧面。隔热组件70的第一隔热部71一体连接于隔热组件70的第二隔热部72，使得加热组件60的第一加热部61、第二加热部62和第三加热部63内置于隔热组件70的第一隔热部71和第二隔热部72，降低晶体生长组件40的坩埚的热量流失程度，确保物料在晶体生长组件40的坩埚内按要求受热，达到预定的温度梯度。

值得一提的是，隔热组件70的第一隔热部71的材料为石英，隔热组件70的第二隔热部72的材料为高纯度石墨和碳毡。

晶体生长装置包括一测温组件80，测温组件80包括多个测温部81，晶体生长装置的测温组件80的多个测温部81分别检测不同角度、不同位置的温度，便于及时调整加热组件60的加热温度，确保物料在晶体生长组件40的坩埚内按要求受热，达到预定的温度梯度。测温组件80的测温部81分别设置于加热组件60和隔热组件70之间，优选的，测温组件80的测温部81的数量大于或等于3个，测温组件80的测温部81设置于加热组件60，测温部81分别贴近于第一加热部61、第二加热部62、第三加热部63。

值得一体的是，测温组件80的测温部81的数量大于或等于6个，测温部81进一步设置于晶体生长组件40的坩埚底部，测温部81进一步设置于晶体生长组件40和晶体生长组件连接部41的变径处，便于多角度、多位置检测温度，保证及时调整加热组件60的加热温度，及时调整晶体生长组件40的坩埚的高度和旋转方向、速率，确保物料在晶体生长组件40的坩埚内按要求受热，达到预定的温度梯度，确保单晶体在晶体生长组件40的坩埚内又快又好地生长结晶。

值得一提的是，优选的，测温组件80的测温部81包括热电偶，测温部81热电偶分别检测不同角度、不同位置的温度，便于及时调整加热组件60的加热温度，确保物料在晶体生长组件40的坩埚内按要求受热，达到预定的温度梯度。测温部81热电偶分别设置于加热组件60和隔热组件70之间，优选的，测温部81热电偶的数量大于或等于3个，测温部81热电偶设置于加热组件60，测温部 81热电偶分别贴近于第一加热部61、第二加热部62、第三加热部63。

值得一提的是，顶盖30进一步设有一观察孔32，便于通过顶盖30的观察孔32观察单晶体的结晶程度和结晶进度，便于及时调整加热组件60的加热温度，及时调整晶体生长组件40的坩埚的高度和旋转方向、速率，确保物料在晶体生长组件40的坩埚内按要求受热，达到预定的温度梯度，确保单晶体在晶体生长组件40的坩埚内又快又好地生长结晶。

值得一提的是，晶体生长装置的基座10、本体20和顶盖30具有中空结构，晶体生长装置的基座10、本体20和顶盖30分别设有中空腔，便于单晶体在晶体生长组件40的坩埚内生长完毕后，向晶体生长装置的基座10、本体20和顶盖30的中空腔分别通入冷却水，进行原位退火，便于在降温后取出晶体生长组件40的坩埚，对单晶体进行进一步加工处理

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本实用新型的实施例只作为举例而并不限制本实用新型。本实用新型的目的已经完整并有效地实现。本实用新型的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本实用新型的实施方式可以有任何变形或修改。

Claims (10)

1.一种晶体生长装置，其特征在于，包括：

一基座、一顶盖和一本体，所述本体设有一本体收容腔；

一晶体生长组件，所述本体分别连接于所述基座和所述顶盖，所述本体设有

一本体收容腔，所述基座和所述本体和所述顶盖形成所述本体收容腔；

一加热组件，所述加热组件电连接于外部电源，所述加热组件包括一第一加热部、一第二加热部和一第三加热部，所述第一加热部、所述第二加热部和所述第三加热部分别外设于所述晶体生长组件，所述第一加热部、所述第二加热部和所述第三加热部组合加热内置于所述晶体生长组件的所述物料；

一隔热组件，所述隔热组件内设于所述本体收容腔，所述隔热组件外设于所述加热组件，所述隔热组件包括一第一隔热部和一第二隔热部，所述第一隔热部和所述第二隔热部分别外设于所述加热组件，所述第一隔热部一体连接于所述第二隔热部，所述第一隔热部和所述第二隔热部区隔所述晶体生长组件的热量；和

一测温组件，所述测温组件内设于所述本体收容腔，所述测温组件包括多个测温部，所述测温部分别贴近于所述加热组件，所述测温部包括一热电偶，所述测温部的所述热电偶内设于所述本体收容腔，所述测温部的所述热电偶贴近于所述加热组件，根据所述测温部的所述热电偶的检测温度调整所述加热组件加热功率，所述物料在所述晶体生长组件受热生长结晶为晶体。

2.如权利要求1中所述的一种晶体生长装置，其中所述晶体生长装置进一步包括一导向组件，所述导向组件包括一导向轴，所述导向轴一体连接于所述导向组件，所述晶体生长组件进一步包括一晶体生长组件连接部，所述晶体生长组件连接部一体连接于所述晶体生长组件，所述导向轴可旋转地连接于所述晶体生长组件连接部，所述导向组件驱动所述导向轴，所述导向轴带动所述晶体生长组件在所述本体收容腔内运动。

3.如权利要求1中所述的一种晶体生长装置，其中所述基座进一步包括一第一连接件，所述本体包括一第一筒体和一第二筒体，所述第一连接件分别固定连接所述基座和所述本体，所述顶盖进一步包括一第二连接件，所述第二连接件分别固定连接所述顶盖和所述本体。

4.如权利要求1中所述的一种晶体生长装置，其中所述第一加热部、所述第二加热部和所述第三加热部采用石墨制成。

5.如权利要求1中所述的一种晶体生长装置，其中所述第一加热部、所述第二加热部和所述第三加热部相互重叠，所述第一加热部和所述第二加热部的重叠距离不小于5毫米，所述第二加热部和所述第三加热部的重叠距离不小于5毫米。

6.如权利要求1中所述的一种晶体生长装置，其中所述第一隔热部的材料为透明石英，所述第二隔热部采用石墨和碳毡制成。

7.如权利要求1中所述的一种晶体生长装置，其中所述测温度的所述热电偶的数量大于或等于3个。

8.如权利要求1中所述的一种晶体生长装置，其中所述顶盖进一步设有一观察孔，所述观察孔贯通于所述本体收容腔，通过所述观察孔观察所述物料的结晶程度和结晶进度。

9.如权利要求1中所述的一种晶体生长装置，其中所述基座进一步设有一第一贯通孔和一第二贯通孔，所述第一贯通孔和所述第二贯通孔分别贯通于所述本体收容腔，通过所述第一贯通孔向所述本体收容腔通入惰性气体，通过所述第二贯通孔排出所述惰性气体。

10.如权利要求1中所述的一种晶体生长装置，其中所述基座、所述本体、所述顶盖分别具有一中空结构，所述基座、所述本体、所述顶盖分别设有中空腔，向所述中空腔通入冷却水。