CN205501448U - 一种大尺寸晶体的生长装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种大尺寸晶体的生长装置，包括炉腔，所述炉腔中安装有坩埚，所述坩埚外层还包裹有保温层，所述坩埚与保温层之间设置有加热器，所述保温层与炉腔之间还设置有一圈低频电磁搅拌器和中频加热器，所述加热器与加热器电源连接，所述低频电磁搅拌器和中频加热器均与变频电源连接。本实用新型通过增加低频电磁搅拌器和中频加热器，生产的晶体质量好、无气泡、成品率高、适用于工业化生产。

Description

一种大尺寸晶体的生长装置

技术领域

本实用新型涉及晶体生产技术领域，尤其涉及一种大尺寸晶体的生长装置。

背景技术

由于气体在晶体中的溶解度远小于熔体中的溶解度，随着晶体的生长，晶体的固/液界面不断推移，由晶体不断排出的气体富集在固/液界面前沿，在初始熔体气体含量较高和缺少强迫对流驱动的情况下，固/液界面前沿富集的气体很容易达到过饱和状态，再加上固/液界面不稳定，此时界面更容易捕获气体而形成气泡，最终导致晶体内部气泡较多。解决气泡问题有三种解决方法，其一是在长晶前尽可能减少熔体中的溶解的气体含量，其二是在长晶过程中增加强迫对流，将固液界面富集的气体快速排到整个熔体和外界气氛中，其三是在保证固/液界面稳定的前提下尽可能降低晶体生长速率，长晶速度越低，单位时间排到固/液界面的气体量越少，同时固/液界面的气体有足够的时间排到熔体和外界气氛中。

专利CN100497756C采用了机械搅拌的方式来强迫熔体对流，从而降低长晶过程中固/液界面前沿的气体含量，该方法能够一定程度上抑制晶体气泡的产生，但其存在以下弊端，其一是直接接触式的机械搅拌器容易与高温熔体反应并形成杂质，这一定程度上会增加晶体气泡和其它缺陷的可能性，其二是在高温状态下机械搅拌较难控制，晶体生长过程中容易破坏固/液界面稳定性，这一定程度上液会增晶体气泡和其它缺陷的可能性。

实用新型内容

本实用新型主要是解决现有技术中所存在的技术问题，从而提供一种晶体质量好、无气泡、成品率高、适用于工业化生产的大尺寸晶体的生长装置。

本实用新型的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

本实用新型提供的一种大尺寸晶体的生长装置，包括炉腔，所述炉腔中安装有坩埚，所述坩埚外层还包裹有保温层，所述坩埚与保温层之间设置有加热器，所述保温层与炉腔之间还设置有一圈低频电磁搅拌器和中频加热器，所述加热器与加热器电源连接，所述低频电磁搅拌器和中频加热器均与变频电源连接。

进一步地，所述加热器为石墨电阻加热器，所述低频电磁搅拌器和中频加热器为一体式结构的电磁加热线圈，所述炉腔侧壁上设置有碳毡保温层。

进一步地，所述加热器为钨电阻加热器，所述低频电磁搅拌器和中频加热器为一体式结构的电磁加热线圈，所述保温层为钨钼合金保温层。

进一步地，所述坩埚四周和底部均设置有所述钨电阻加热器。

进一步地，所述炉腔包括相互连接的上部炉腔和下部炉腔，所述上部炉腔上方安装有顶部炉腔，所述下部炉腔下部安装有底部炉腔。

进一步地，所述低频电磁搅拌器的搅拌频率为0.1～50HZ，所述中频加热器的搅拌加热频率为1000～10000HZ。

本实用新型的有益效果在于：在原料熔化阶段，若晶体固体原料或坩埚是导电型材料，在熔化阶段采用中频电磁感应加热。若晶体固体原料和坩埚是非导电型材料，采用电阻加热熔化晶体原料。

在熔体除气除杂静置阶段，若熔化后的原料为电导型熔体，采用电阻加热加低频电磁搅拌，熔体在高温、高真空和低粘度条件下进行强迫对流，使其溶解于熔体内部气体和杂质完全、快速排除，从而减少晶体生长过程中形成气泡等缺陷的可能性。熔体中的杂质、气体排净后，关闭低频电磁搅拌并静置一定时间，为后续长晶提供稳定温度和流动起始点。

在晶体生长阶段，在不影响晶体生长的固/液界面稳定性前提下采用电阻加热+低频电磁搅拌。

在退火和冷却阶段，采用电阻加热或电磁感应加热，将晶体温度下降到常温，最终获取无气泡、晶界及开裂的大尺寸晶体。

通过增加低频电磁搅拌器和中频加热器，生产的晶体质量好、无气泡、成品率高、适用于工业化生产。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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的附图。

图1是本实用新型实施例一的大尺寸晶体的生长装置的结构示意图；

图2是本实用新型实施例二的大尺寸晶体的生长装置的结构示意图；

图3是本实用新型实施例三的大尺寸晶体的生长装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的优选实施例进行详细阐述，以使本实用新型的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本实用新型的保护范围做出更为清楚明确的界定。

参阅图1至图3所示，本实用新型的一种大尺寸晶体的生长装置，包括炉腔1，炉腔1中安装有坩埚2，坩埚2外层还包裹有保温层3，坩埚2与保温层3之间设置有加热器4，保温层3与炉腔1之间还设置有一圈低频电磁搅拌器5和中频加热器6，加热器4与加热器电源7连接，低频电磁搅拌器5和中频加热器6均与变频电源8连接。优选的，低频电磁搅拌器5的搅拌频率为0.1～50HZ，中频加热器6的搅拌加热频率为1000～10000HZ。通过增加低频电磁搅拌器5和中频加热器6，生产的晶体质量好、无气泡、成品率高、适用于工业化生产。

为了方便拆装炉腔1，炉腔1包括相互连接的上部炉腔11和下部炉腔12，所述上部炉腔11上方安装有顶部炉腔13，所述下部炉腔12下部安装有底部炉腔14。

实施例一

增加中频加热和低频电磁搅拌的热交换法具体实施过程：

参阅图1所示，炉腔1内部通冷却水冷却，在坩埚2的底部放入籽晶，坩埚2底部有一个热交换器，通过热交换器对坩埚2底部的籽晶进行保护和长晶过程提供长晶驱动力，坩埚2四周的加热器4为石墨电阻加热器，石墨电阻加热器由加热器电源7电阻电源提供晶体生长的热量，加热器4四周和上下有碳毡保温层进行保温，低频电磁搅拌器5和中频加热器6为一体式结构的电磁加热线圈，其由变频电源8提供变频电源用于中频加热和低频电磁搅拌。

在原料熔化过程，晶体固体原料Al2O3和坩埚2是导电型材料，在该阶段采用1000HZ的电磁感应加热直至2050℃熔化。由于Al2O3熔体为导电型熔体，采用电阻加热和10HZ的低频电磁搅拌，熔体在高温、高真空(2mTorr)和低粘度条件下强迫对流5小时后，关停低频电磁搅拌，熔体静置2小时使内部温度稳定，为长晶做准备，在晶体生长阶段，采用电阻加热器加热和30HZ的低频电磁搅拌进行长晶。在退火和冷却阶段，采用电阻加热器进行加热。

实施例二

增加中频加热和低频电磁搅拌的泡生法具体实施过程：

参阅图2所示，炉腔1内部通冷却水冷却，原料放Al2O3放置于坩埚2内，通过侧壁钨电阻加热器和底部钨电阻加热器加热，电阻加热器由电阻电源提供晶体生长的热量，加热器4四周和上下有钨钼合金保温层进行反辐射保温，在保温层外围和炉腔壁之间安装电磁加热线圈，其由变频电源8提供变频电源用于中频加热和低频电磁搅拌。

在原料熔化过程，晶体固体原料Al2O3和坩埚2是导电型材料，在该阶段采用10000HZ的电磁感应加热直至2050℃熔化。由于Al2O3熔体为导电型熔体，采用电阻加热和0.1HZ的低频电磁搅拌，熔体在高温、高真空(0.1mTorr)和低粘度条件下强迫对流10小时后，关停低频电磁搅拌，熔体静置2小时使内部温度稳定，为长晶做准备。在晶体生长初期，将籽晶18由坩埚顶部缓慢放入坩埚熔体中进行旋转引晶，通过调节籽晶旋转和上升的速度将晶体放肩，待晶体足够大时籽晶停止旋转和上升，然后利用晶体和熔液表面自然对外辐射冷却驱动力使晶体生长，在整个长晶过程中采用电阻加热和20HZ低频电磁搅拌进行长晶。在退火和冷却阶段，采用电阻加热。

实施例三

增加中频加热和低频电磁搅拌的直拉单晶制造法具体实施过程：

参阅图3所示，炉腔1内部通冷却水冷却，原料放Si放置于坩埚2内，通过侧壁石墨电阻加热器进行加热，电阻加热器由电阻电源提供晶体生长的热量，加热器四周和上下有石墨碳毡保温层进行保温，在保温层外围和炉腔壁之间安装电磁加热线圈，其由变频电源8提供变频电源用于中频加热和低频电磁搅拌。

在原料熔化过程，晶体固体原料Si为导电材料和SiO2为非导电材料，在该阶段采用5000HZ的电磁感应加热直至1410℃左右熔化。由于Si熔体为导电型熔体，采用电阻加热和30HZ的低频电磁搅拌，熔体在高温、高真空(10mTorr)和低粘度条件下强迫对流15小时后，关停低频电磁搅拌，熔体静置5小时使内部温度稳定，为长晶做准备。在晶体生长初期，将籽晶32由坩埚顶部缓慢放入坩埚熔体中进行旋转引晶，通过调节籽晶旋转和上升的速度将晶体放肩，待晶体达到所需直径后保持旋转和上升速度进行等径生长，最后加大籽晶的旋转和上升速度进行最后的收肩，在整个长晶过程中采用电阻加热和40HZ低频电磁搅拌进行长晶。在退火和冷却阶段，采用电阻加热。

以上，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种大尺寸晶体的生长装置，包括炉腔(1)，其特征在于：所述炉腔(1)中安装有坩埚(2)，所述坩埚(2)外层还包裹有保温层(3)，所述坩埚(2)与保温层(3)之间设置有加热器(4)，所述保温层(3)与炉腔(1)之间还设置有一圈低频电磁搅拌器(5)和中频加热器(6)，所述加热器(4)与加热器电源(7)连接，所述低频电磁搅拌器(5)和中频加热器(6)均与变频电源(8)连接。

2.如权利要求1所述的大尺寸晶体的生长装置，其特征在于：所述加热器(4)为石墨电阻加热器，所述低频电磁搅拌器(5)和中频加热器(6)为一体式结构的电磁加热线圈，所述炉腔(1)侧壁上设置有碳毡保温层。

3.如权利要求1所述的大尺寸晶体的生长装置，其特征在于：所述加热器(4)为钨电阻加热器，所述低频电磁搅拌器(5)和中频加热器(6)为一体式结构的电磁加热线圈，所述保温层(3)为钨钼合金保温层。

4.如权利要求3所述的大尺寸晶体的生长装置，其特征在于：所述坩埚(2)四周和底部均设置有所述钨电阻加热器。

5.如权利要求1至4任一项所述的大尺寸晶体的生长装置，其特征在于：所述炉腔(1)包括相互连接的上部炉腔(11)和下部炉腔(12)，所述上部炉腔(11)上方安装有顶部炉腔(13)，所述下部炉腔(12)下部安装有底部炉腔(14)。

6.如权利要求1至4任一项所述的大尺寸晶体的生长装置，其特征在于：所述低频电磁搅拌器(5)的搅拌频率为0.1～50HZ，所述中频加热器(6)的搅拌加热频率为1000～10000HZ。