CN214300460U - 旋转外部加热式高频感应超高纯锗单晶制备设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了锗单晶制备领域中的一种旋转外部加热式高频感应超高纯锗单晶制备设备，包括籽晶提拉转动装置、石英管炉体和旋转的外加热装置，籽晶提拉转动装置包括套在石英管内的石英坩埚和籽晶杆，外加热装置包括加热器和套在加热器外部的加热线圈，加热器通过加热器旋转轴与机座连接。本实用新型减少了坩埚杆等结构的应用，避免这些结构带来的杂质污染，有利于超高纯锗单晶的纯度提高。

Description

旋转外部加热式高频感应超高纯锗单晶制备设备

技术领域

本实用新型涉及半导体学科中的锗单晶制备领域，具体的说，是涉及一种旋转外部加热式高频感应超高纯锗单晶制备设备。

背景技术

探测器级的超高纯锗单晶被用来制备特殊的高纯锗γ射线探测器，并配套上多道分析器可组成γ能谱仪，迄今为止，这种γ探测器仍然是探测γ射线能量分辨率最好的探测器。目前这种γ射线探测器，已经广泛应用于军事国防、科学研究及国民经济的各个领域，包括环保、微量元素测量、质检、海关检测、防恐、反恐、核子医学等等，当今21世纪科学重大课题暗物质的测量和双β衰变研究也迫切需要这类探测器。

美国早在上世纪七十年代已经研发出来能制造这类探测器的超高纯锗单晶材料，我国已经落后四、五十年，虽然上世纪七八十年代国家陆续派出学者去美国研究学习，但由于种种原因，这项研发工作处于停顿状态，近十几年才开始进行进一步研发。由于目前超高纯锗单晶的制备仍然被美国垄断，对我国的技术封锁，一直制约着我国这方面的进展，因此如何解决我国在这个高科技术领域（即超高纯锗单晶材料制备）“卡脖子的关键核心技术”问题，以防备美国突然禁止供给有关的晶体材料、γ射线探测器及有关的设备和仪器至关重要。

目前采用直拉法（CZ）制备超高纯锗单晶时，使用的是以石英管作为炉体的超高纯锗单晶炉，其无论是加热体在炉体内部或是炉体外部，都涉及籽晶杆、坩埚杆等的材料和结构。这些结构部件（包括内部加热体，旋转的籽晶杆、坩埚杆系统）会产生极其敏感量的杂质源和产生锗熔体的微振动，会引起附加的微量杂质，在高纯环境的单晶炉体内是一种杂质的污染源，直接影响到超高纯锗单晶制备的纯度和位错。

基于上述问题，采用我国现有的元器件、材料及加工技术，虽然制备锗单晶的纯度已经达到12N，但是距离达到13N量级的要求还差一个数量级，同时又难以实现1公斤大体积的超高纯锗单晶的制备。

发明内容

为了克服现有的技术的不足，本实用新型提供一种旋转外部加热式高频感应超高纯锗单晶制备设备，减少了坩埚杆等结构的应用，避免这些结构带来的杂质污染，可以满足制备出13N量级的超高纯锗单晶。

本实用新型技术方案如下所述：

一种旋转外部加热式高频感应超高纯锗单晶制备设备，其特征在于，包括籽晶提拉转动装置、石英管炉体和旋转的外加热装置，所述籽晶提拉转动装置及石英管炉体的底部套在所述外加热装置内，

所述籽晶提拉转动装置包括套在所述石英管炉体内的石英坩埚和籽晶杆，所述籽晶杆的上端穿出所述石英管炉体后与晶体上升旋转机构连接；

所述外加热装置包括加热器和套在所述加热器外部的加热线圈，所述加热器通过加热器旋转轴与机座连接。

根据上述方案的本实用新型，其特征在于，所述籽晶杆上设有可伸缩波纹管。

进一步的，所述籽晶杆位于所述石英管炉体顶部外侧的部分被包围于所述可伸缩波纹管内。

根据上述方案的本实用新型，其特征在于，所述籽晶杆的下端部设有籽晶，作为所述石英坩埚内的锗熔液拉成超高纯锗单晶。

根据上述方案的本实用新型，其特征在于，还包括冷却系统，所述冷却系统包括设于所述籽晶杆上的水冷装置及设于所述石英管炉体顶上端不锈钢盖的水冷系统。

根据上述方案的本实用新型，其特征在于，还包括通气装置，所述通气装置包括设于所述石英管炉体顶上端不锈钢盖的进气口和出气口。

根据上述方案的本实用新型，其有益效果在于，本实用新型通过外部旋转加热的方式，使得加热方式从原来的炉内加热改为炉外加热，不仅使得高纯锗熔体受热更加均匀，还减少了坩埚杆等结构的应用，避免这些结构带来的杂质污染，有利于超高纯锗单晶的纯度提高到单晶每立方厘米的电性杂质为～10¹⁰个的原子，也可以避免因籽晶杆上下及旋转摩擦带来的轻微振动，造成的错位增加。

附图说明

图1为本实用新型制备设备的结构示意图；

图2为本实用新型中涂碳涂层设备的结构示意图；

图3为本实用新型实现流程图；

图4为本实用新型中清洗、吹干的流程图。

在图中，10-锗熔液；101-单晶锗；

11-晶体上升旋转机构；12-籽晶杆；13-籽晶；14-石英管炉体；15-石英坩埚；16-可伸缩波纹管；

21-加热器；22-加热线圈；23-线圈上下移动轴；24-加热器旋转轴；25-机座；

31-进气口；32-出气口；

40-水冷装置；

51-洁净工作台；52-石英支架；53-火焰；54-气体喷枪；55-气体导流层；56-气体分流器；57-机械手臂；58-底座；

60-石英舟。

具体实施方式

下面结合附图以及实施方式对本实用新型进行进一步的描述：

如图1所示，一种旋转外部加热式高频感应超高纯锗单晶制备设备，包括籽晶提拉转动装置、石英管炉体及旋转的外加热装置，籽晶提拉转动装置和石英管炉体的底部套在外加热装置内。由于传统的炉内加热方式中，即便使用石英封装也难免有杂质泄漏，本实用新型采用旋转的外部加热的方式，使得现有的炉内加热变更为炉外加热，避免传统石墨感应加热体在炉内加热后挥发出来的各种杂质污染，有利于提高炉体的洁净度，进而有利于超高纯锗单晶的纯度提高。

本实用新型中，旋转加热装置包括加热器21和套在加热器21外部的加热线圈22，加热器21通过加热器旋转轴24与机座25连接。机座25通过加热器旋转轴24控制加热器21进行旋转并控制其转速，进而形成旋转式热场，可以使得炉体内锗熔化后的锗熔液10所受热场更加均匀，有利于拉单晶时错位减少，且使得分布更趋于均匀。

优选的，上述的加热线圈22通中高频电源。

优选的，加热线圈22通过线圈上下移动轴23与机座25连接，机座25通过线圈上下移动轴23带动加热线圈22上下移动，实现锗熔体上表面层的温度微调。

本实用新型中，籽晶提拉转动装置包括套在石英管炉体14内的石英坩埚15和籽晶杆12，籽晶杆12的下侧端部设有籽晶13，籽晶13从石英坩埚15内的锗熔液10提拉形成单晶锗101，籽晶杆12的上端穿出石英管炉体14及其顶端的不锈钢盖后与晶体上升旋转机构11连接，通过晶体上升旋转机构11实现籽晶杆12的提拉，进而通过籽晶13提拉形成单晶锗101。

本实用新型中籽晶提拉转动装置配合旋转加热装置，可以使得石英管炉体14内无坩埚杆，因此可以避免了传统设备中坩埚杆转动和上下移动的摩擦而产生的微量雾膜状的杂质，也避免坩埚杆对于炉体内密封性能的影响；同时由于没有传统的直拉式单晶炉的坩埚杆，同时籽晶杆12顶部采用磁流体密封结构与石英管炉体密封，使得炉体内的密封性能更好，真空可以很快抽到∽10^-5P以上，达到真空度的要求。

优选的，籽晶杆12上设有可伸缩波纹管16，且可伸缩波纹管16与采用磁流体密封的晶杆升降及旋转控制系统连接。本实施例中，可伸缩波纹管16位于石英管炉体14的不锈钢顶盖的上部，籽晶杆12的上端穿出炉体石英管不锈钢顶盖后进入可伸缩波纹管16，使其不会暴露于空气中，在可伸缩波纹管16内与炉体保持在连通的空间中。相对于传统转动轴的密封垫圈的密封，高真空时容易发生漏气，本实用新型在升降、旋转过程中采用磁流体密封原理，在籽晶杆12上设置可伸缩波纹管16，可伸缩波纹管16下端固定于石英管炉体顶端的不锈钢顶盖上，其上端被固定于晶杆升降及旋转控制系统，实现籽晶杆12的密封环境。

优选的，籽晶杆12采用耐高温且高纯度的棒材制成。

本实用新型的旋转外部加热式高频感应超高纯锗单晶制备设备还包括冷却系统，冷却系统包括设于籽晶杆12上的水冷装置40。通过水冷装置40对籽晶杆12进行降温，避免籽晶杆12在受热的环境下反应而将会释放杂质污染炉体腔内，影响单晶的纯度，。水冷装置可以减少杂质的释放，有益于提高纯度。

本实用新型的旋转外部加热式高频感应超高纯锗单晶制备设备还包括通气装置，通气装置包括设于石英管炉体14顶端不锈钢盖上的进气口31、顶端不锈钢盖下的出气口32。通过进气口31向石英管炉体14内通入高纯度的氢气，以便将石英管炉体14内的空气从出气口32排出，具体的，氢气的纯度大于6N，流量为0.5-2L/min。高纯度的氢气使得石英管炉体14内保持全氢环境，进一步提高单晶产品的纯度。

本实用新型通过上述旋转外部加热式高频感应超高纯锗单晶制备设备的应用，可以采用我国现有的元器件、材料及加工技术，拉制出13N量级、位错小于每平方厘米5000个的超高纯锗单晶，并且实现重量达1kg以上的γ射线探测器级的超高纯锗单晶制备，可以移植到小规模的生产线上，实现完整的制备工艺流程。

如图3所示，上述旋转外部加热式高频感应超高纯锗单晶制备的实现过程中，锗单晶的制备过程包括了商品锗锭原料的铸锭及初级纯化的步骤、精区熔提纯的步骤以及拉制单晶的步骤。

方便国产化的生产线的建立，由于国产锗锭原料在遇到不同厂家的矿源及制作工艺的差别时，其含带的杂质有所差别；即便是同一厂家的产品，其供应的锗锭的不同部位、不同几何形状、长短、薄厚、杂质元素及制备过程中产生的非电性杂质都各有差异。因此，本实用新型在现有的精区熔提纯的步骤前进行原料铸锭及初级纯化的前处理，通过更加完善的工艺流程，适应了统一精提纯的要求，避免在操作过程中带来任何不利的因素。

A、商品锗锭原料的铸锭及初级纯化的步骤中，具体包括：

A1、将第一石英舟在超净工作台进行初步处理；

A2、将原料锗锭在超净工作台进行初步处理；

A3、将初步处理后的第一石英舟在洁净工作台中进行涂碳涂层处理；

A4、将初步处理后的原料锗锭装入涂好碳涂层的第一石英舟内，将第一石英舟推入区熔炉的石英炉管中，用适当加宽的熔区进行初级提纯，得到初级纯化的锗锭。

B、精区熔提纯的步骤中，具体包括：

B1、取出初级纯化的锗锭，再次对其进行初步处理；

B2、将第二石英舟放在清洗超净工作台中进行初步处理；

B3、将第二石英舟放到超净工作台内进行涂硅涂层；

B4、将初级纯化并初步处理后的锗锭放入第二石英舟，推入区熔炉中，作窄熔区的完整区熔，得到精区熔提纯后的超高纯锗多晶。

C、拉制单晶的步骤中，具体包括：

C1、清洗超高纯锗多晶、籽晶；

C2、清洗石英管炉体、籽晶杆及石英坩埚；

C3、安装石英管炉体、籽晶杆及籽晶，将装好超高纯锗多晶的坩埚放入石英管炉体内；

C4、对石英管炉体抽真空，并充氢气；

C5、加热，待石英坩埚内的超高纯锗多晶熔化；

C6、拉制出超高纯锗单晶。

如图4所示，上述各步骤中对于初步处理包括清洗的步骤和吹干的步骤。

清洗的步骤包括依次进行的超声清洗的步骤、化学清洗的步骤。其中，超声清洗采用超声波清洗器用进行超净水清洗，该超净水为的纯度为18兆电阻率；化学清洗采用超净工作台进行化学清洗，具体包括依次进行的硝酸、氢氟酸溶液清洗，盐酸、双氧水溶液清洗，超纯净水冲洗，甲醇淋洗脱水。上述的硝酸、氢氟酸溶液、盐酸、双氧水溶液以及甲醇的纯度均为高纯度的MOS级。

吹干的步骤是在超净水中冲洗后再用甲醇脱水然后氮气吹干，氮气纯度大于5N。

如图2所示，在上述步骤A3中，通过涂碳涂层设备对第一石英舟涂碳涂层。该涂碳涂层设备包括洁净工作台51及位于洁净工作台51内的石英支架52、涂层装置，石英舟60（即第一石英舟）固定于石英支架52上，通过涂层装置对第一石英舟内表面进行喷涂。

涂层装置为碳涂层喷枪，其在喷灯上同上高纯丁烷和高纯氧气，在不充分燃烧的情况下炭黑进行涂层。具体的，碳涂层喷枪包括机械手臂57和位于机械手臂57顶部的丁烷气体喷枪54，机械手臂57通过气体分流器56与丁烷气体喷枪54连接。在进行碳涂层喷涂的时候，气体分流器56通入高纯丁烷，气体分流器56上侧的气体导流层55通过丁烷气体喷枪54喷出火焰53，火焰53接近第一石英舟内表面，火焰不充分燃烧，进而对第一石英舟内表面进行碳涂层。

在本实用新型中，碳涂层喷枪的底座58放在洁净工作台51台面上，可以随意手动进行涂层操作。

在进行初级提纯和精区熔提纯时采用超高纯区熔炉设备制备超高纯锗多晶，后将得到的超高纯锗多晶经由超高纯锗单晶制备设备拉制成锗单晶。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

上面结合附图对本实用新型专利进行了示例性的描述，显然本实用新型专利的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本实用新型专利的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本实用新型专利的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围内。

Claims (6)

1.旋转外部加热式高频感应超高纯锗单晶制备设备，其特征在于，包括籽晶提拉转动装置、石英管炉体和旋转的外加热装置，所述籽晶提拉转动装置及石英管炉体的底部套在所述外加热装置内，

所述籽晶提拉转动装置包括套在所述石英管炉体内的石英坩埚和籽晶杆，所述籽晶杆的上端穿出所述石英管炉体后与晶体上升旋转机构连接；

所述外加热装置包括加热器和套在所述加热器外部的加热线圈，所述加热器通过加热器旋转轴与机座连接。

2.根据权利要求1所述的旋转外部加热式高频感应超高纯锗单晶制备设备，其特征在于，所述籽晶杆上设有可伸缩波纹管。

3.根据权利要求2所述的旋转外部加热式高频感应超高纯锗单晶制备设备，其特征在于，所述籽晶杆位于所述石英管炉体顶部外侧的部分被包围于所述可伸缩波纹管内。

4.根据权利要求1所述的旋转外部加热式高频感应超高纯锗单晶制备设备，其特征在于，所述籽晶杆的下端部设有籽晶，作为所述石英坩埚内的锗熔液拉成超高纯锗单晶。

5.根据权利要求1所述的旋转外部加热式高频感应超高纯锗单晶制备设备，其特征在于，还包括冷却系统，所述冷却系统包括设于所述籽晶杆上的水冷装置及设于所述石英管炉体顶上端不锈钢盖的水冷系统。

6.根据权利要求1所述的旋转外部加热式高频感应超高纯锗单晶制备设备，其特征在于，还包括通气装置，所述通气装置包括设于所述石英管炉体上端不锈钢盖的进气口和出气口。

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