一种导模法生长晶体的热场结构及装置

技术领域

本发明涉及人工晶体技术领域，尤其涉及一种导模法生长晶体的热场结构及装置。

背景技术

目前，生长晶体的方法有导模法、坩埚下降法等。其中导模法是一种借助模具将熔液通过毛细作用输运至模具顶部生长成晶体的生长方法。通过加热，将坩埚内的晶体原料融化成熔体，模具放在坩埚中，使熔体通过模具的毛细作用输运至模具顶部，存放在毛细缝隙中。此时将籽晶缓慢下降，与模具上表面接触，使籽晶微微融，此时籽晶与模具之间形成一层薄薄的液膜，然后通过变速的提拉籽晶，使液膜不断凝固形成单晶，晶体形状由模具形状决定。

但是，目前导模法生长晶体(例如氧化镓晶体等)存在一定的困难。氧化镓生长温度高，生长过程中挥发物严重，现有技术中热场结构中的气流方向是从发热体坩埚上方流向观察窗，因此，挥发物会沉积在观察窗上，而挥发物遮挡观察窗使技术人员不易观察到晶体生长过程，导致晶体生长不可控。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种导模法生长晶体的热场结构及装置，旨在解决现有热场结构中挥发物会沉积在观察窗上，使得技术人员不易观察到晶体生长过程，导致晶体生长不可控的问题。

本发明的技术方案如下：

本发明的第一方面，提供一种导模法生长晶体的热场结构，其中，包括：

第一保温体，所述第一保温体包括：

第一通孔，设置在所述第一保温体的中心轴上；

若干个第二通孔，两两对称设置在所述第一保温体的侧壁上，所述第一通孔与所述若干个第二个通孔连通；

罩体，罩设在所述第一保温体外，所述第一保温体的四周及顶部均与所述罩体之间具有空隙；所述罩体的侧壁上设置有透明观察窗，用于通过所述若干个第二通孔观察晶体的生长。

可选地，所述第二通孔的中心轴方向与水平方向之间的夹角小于等于20°。

可选地，所述第一保温体的四周与所述罩体的侧壁之间的空隙为3-5cm。

可选地，所述第一保温体的顶部与所述罩体的顶壁之间的空隙为2-5cm。

可选地，所述罩体的侧壁的材质为石英或玻璃，所述罩体的顶壁的材质为氧化铝、氧化锆、石英中的至少一种；所述罩体的顶壁的中心位置处设置有第三通孔。

可选地，所述第一保温体的材质为氧化锆、氧化铝中的至少一种；和/或，

所述第一保温体为圆柱状第一保温体，在所述圆柱状第一保温体圆周方向上，每隔180°、90°或60°设置一个第二通孔。

本发明的第二方面，提供一种导模法生长晶体的装置，其中，包括：

下热场结构；

上热场结构，设置在所述下热场结构上；所述上热场结构为本发明如上所述的热场结构；

提拉机构，包括提拉杆，所述提拉杆位于所述热场结构的第一通孔中，所述提拉杆的一端用于安装籽晶。

可选地，

所述下热场结构包括：

第二保温体；

感应线圈，环设在所述第二保温体外；

坩埚，设置在所述第二保温体中，所述坩埚中安装有模具，所述坩埚的中轴线与所述第一通孔的中轴线重合。

可选地，所述第二保温体包括：

第一保温层，设置在所述坩埚下部；

第二保温层，环设在所述坩埚外；

锆沙，填充在所述第二保温层和所述坩埚之间。

可选地，所述第二保温体还包括：

第三保温层，设置在所述第一保温层下部；

氧化锆棉花层，设置所述锆沙上；

氧化锆纤维砖层，设置在所述氧化锆棉花层上。

有益效果：本发明中的热场结构能够有效引导热气流的走向，第一保温体的四周和罩体之间的空隙中能够形成稳定的自上而下的热气流，同时第二通孔中能够形成自外朝内的热气流，在晶体生长过程中有效抑制了挥发物在观察窗上的沉积，有效避免在生长晶体时，挥发物随热气流沉积在观察窗上而导致技术人员不易观察到晶体生长过程的问题，从而使得晶体生长可控，可根据观察到的晶体生长情况随时做出相应的调整。

附图说明

图1为本发明实施例中导模法生长晶体的装置的截面示意图。

图2为采用一种现有技术中导模法生长晶体的装置生长氧化镓晶体时的温场模拟结果图。

图3为本发明实施例1中所述装置生长氧化镓晶体时温场的模拟结果图。

附图中的标号说明：

1、第一保温体；11、第一通孔；12、第二通孔；2、罩体；21、罩体的侧壁；22、罩体的顶壁；221、透明观察窗；222、第三通孔；3、提拉杆；4、第二保温体；41、第一保温层；411、氧化铝支座；42、第二保温层；43、锆沙；44、第三保温层；45、氧化锆棉花层；46、氧化锆纤维砖层；5、感应线圈；6、坩埚；61、模具；7、氧化镓籽晶；8、氧化镓熔体；9、氧化镓单晶。

具体实施方式

本发明提供一种导模法生长晶体的热场结构及装置，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术术语和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。

本文所使用的术语如“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可以是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。

另外，需要说明的是，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

氧化镓(Ga

本发明实施例提供一种导模法生长晶体的热场结构，其中，如图1所示(上半部分)，包括：

第一保温体1，所述第一保温体1包括：

第一通孔11，设置在所述第一保温体1的中心轴上；

若干个第二通孔12，两两对称设置在所述第一保温体的侧壁上，所述第一通孔11与所述若干个第二个通孔12连通；

罩体2，罩设在所述第一保温体1外，所述第一保温体1的四周及顶部均与所述罩体2之间具有空隙；所述罩体的侧壁21上设置有透明观察窗221，用于通过所述若干个第二通孔12观察氧化镓晶体的生长。

本发明实施例中，所述热场结构中第一保温体的四周及顶部与罩体之间的空隙，以及第一保温体中的第一通孔和第二通孔(不仅具有观察功能，还是一条重要的气流通道)，能够形成气流通道，如此能够实现第一通孔下部的热气流向上流动，此处便产生负压，然后流到第一通孔上部与罩体顶部之间，此处为正压，所以热气流会经过第一保温体顶部与罩体之间的空隙，然后分别向下流入第一保温体四周与罩体之间的空隙，并继续向下流动，最终通过若干个第二通孔流入回第一通孔下部，填补第一通孔下部的负压，构成一个循环。也就是说，本发明实施例中的热场结构能够有效引导热气流的走向，第一保温体的四周和罩体之间的空隙中能够形成稳定的自上而下的热气流，同时第二通孔中能够形成自外朝内的热气流(而不是自内朝外的热气流，现有技术中自内朝外的热气流会导致热气流中的挥发物沉积在观察窗上)，在氧化镓晶体生长过程中有效抑制了挥发物在观察窗上的沉积，有效避免在生长氧化镓晶体时，挥发物随热气流沉积在观察窗上而导致技术人员不易观察到氧化镓晶体生长过程的问题，从而使得氧化镓晶体生长可控，根据观察到的氧化镓晶体生长情况随时做出相应的调整。本发明实施例的热场结构简单，在不引入其他结构的前提下，通过对热场的结构进行设计实现了抑制挥发物在观察窗上沉积的目的。本发明实施例为规模化生长高质量的氧化镓单晶提供了重要途径。

另外，受不对称因素影响，温场不稳定造成固液界面热场的不稳定，具体地，如图2所示，其是一种现有技术中导模法生长晶体的装置进行氧化镓晶体生长时的温场，可见温场左右不对称，且形成的涡流不稳定，从而引起导模法氧化镓晶体生长放肩过程中的角度不对称，造成在氧化镓晶体生长放肩过程中一侧已经放肩，另一侧还未放肩，造成原料的浪费，生长时间变长，降低生长效率。所以通过设计合理的温场结构，保持气流的稳定对晶体生长的控制尤为重要。目前业内有通过直接吹入外界气流的方式调节放肩过程中的温度梯度，调节气流流场结构，保证左右两侧温场的对称和稳定。但是通过直接吹入外界气流的方式调节放肩过程中的温度梯度会造成温度梯度过大，会在晶体生长过程中形成杂晶。而在本发明实施例中，第二通孔内形成有稳定的自外朝内的气流，自外朝内的气流降低了氧化镓晶体肩部的温度梯度，增强了生长动力，同时本发明实施例中温场结构的设计，能够有效引导气流走向，形成稳定的对称流场，即形成稳定的对称温场，进而实现放肩过程中的对称性控制。此外，本发明实施例中气流的流场在热场结构内部形成，没有引入热场结构外部的过冷气流，而且气流在热场结构内部循环，温差不至于太大，不会出现因温差太大而形成杂晶的问题。

本实施方式中，所述罩体的侧壁上设置透明观察窗，即所述罩体的侧壁上包括观察窗区域(透明的)和非观察窗区域(可透明，也可不透明；当非观察窗区域为透明的时，罩体侧壁整体可以采用一种透明材料制成)。

在一些实施方式中，所述透明观察窗位于所述若干个第二通孔沿其中心轴线方向在所述罩体的侧壁上的投影区域。如此，可以有效地通过第二通孔观察到氧化镓晶体的生长情况。

在一些实施方式中，所述第二通孔的中心轴方向与所述水平方向之间的夹角α小于等于20°。这样能够更为有效地使得第二通孔中的热气流补充第一通孔下部的负压，在第二通孔中形成自外朝内的热气流，抑制挥发物在观察窗上沉积。

在一些具体的实施方式中，如图1所示，所述第二通孔的中心轴方向与所述水平方向之间的夹角α大于0°小于等于20°

在一些实施方式中，如图1所示，所述第一保温体1的四周与所述罩体的侧壁21之间的空隙d1为3-5cm，也就是说，第一保温体的四周与罩体的侧壁之间的直线距离为3-5cm。此大小的空隙作为气流通道，能够保证形成自上而下的热气流。作为举例，空隙d1为3cn、3.5cm、4cm、4.5cm或5cm等。

在一些实施方式中，如图1所示，所述第一保温体1的顶部与所述罩体的顶壁22之间的空隙d2为2-5cm，也就是说，第一保温体的顶部与罩体的顶壁之间的直线距离为2-5cm。此大小的空隙作为气流通道，引导自第一通孔底部上升到第一通孔顶部的气流向第一保温体的四周与罩体的侧壁之间的空隙中流动。作为举例，空隙d2为2cm、2.5cm、3cm、3.5cm、4cm、4.5cm或5cm等。

在一些实施方式中，所述罩体的侧壁的材质为石英或玻璃，所述罩体的顶壁的材质为氧化铝、氧化锆、石英(具体可为高纯石英)中的至少一种；所述罩体的顶壁的中心位置处设置有第三通孔222。

在一些实施方式中，所述第一保温体的材质为氧化锆、氧化锆中的至少一种，但不限于此。

本发明不限定第一通孔和第二通孔的截面形状，其可以是圆孔，也可以是方孔。作为举例，所述第一通孔和第二通孔的截面形状均为圆孔，两者的直径可根据实际需要进行设置，例如，所述第一通孔的直径10-15cm，所述第二通孔的直径为3cm。

本发明实施例中，所述第二通孔的个数至少为两个，所述两个第二通孔对称设置。

在一些实施方式中，所述第一保温体为圆柱状第一保温体，在所述圆柱状第一保温体圆周方向上，每隔180°设置一个第二通孔，此时，所述第二通孔的个数为两个。当然，也可每隔90°设置一个第二通孔，此时，所述第二通孔的个数为四个，也可每隔60°设置一个第二通孔，此时，所述第二通孔的个数为六个。

在一些实施方式中，以所述第一保温体的中心轴为对称轴，所述热场结构为对称结构。

本发明实施例还提供一种导模法生长晶体的装置，如图1所示，其中，包括：

下热场结构；

上热场结构，设置在所述下热场结构上；所述上热场结构为本发明实施例如上所述的热场结构；

提拉机构，包括提拉杆3，所述提拉杆3位于所述热场结构的第一通孔11中，所述提拉杆3的一端用于安装籽晶7，另一端穿过所述罩体顶壁的中心位置处的第三通孔222(所述提拉杆位于所述第一通孔的中轴线上)，所述第三通孔的大小刚好允许提拉杆通过，以尽可能避免内部气流流向热场结构外部。

本实施方式中，所述上热场结构的高度可根据实际需要进行设置。采用本发明实施例如上所述的热场结构作为上热场结构进行氧化镓晶体生长时，能够抑制挥发物沉积在观察窗上，可实时观察氧化镓晶体的生长情况。同时，所述热场结构能够形成稳定的热场，保证左右同时放肩，提升氧化镓晶体质量。本发明实施例中所述上热场结构(图1中的上半部分，也即上文实施例中的热场结构)和下热场结构(图1中的下半部分)均为轴对称结构。

在一些实施方式中，所述下热场结构包括：

第二保温体4；

感应线圈5，环设在所述第二保温体4外；

坩埚6，设置在所述第二保温体4中，所述坩埚6中安装有模具61，所述坩埚6的中轴线与所述第一通孔11的中轴线重合。

本实施方式中，所述模具的形状可根据所需氧化镓晶体的形状进行设置。

进行氧化镓晶体生长时，将氧化镓原料置于坩埚6中，安装好模具61，然后将氧化镓籽晶7安装在提拉杆3的端部，通过感应线圈5的电磁感应作用，加热坩埚6，坩埚6上的热量传递到模具61和氧化镓原料上，氧化镓原料熔化，形成氧化镓熔体8，将提拉杆3上的氧化镓籽晶7接触到模具61，通过氧化镓籽晶7进行引晶，提拉出高质量的氧化镓单晶9。

进行氧化镓晶体生长时，被加热的坩埚上部具有上升的热气流，本发明实施例中的热场结构使得该热气流继续沿着第一通孔向上流动，此时坩埚上部便产生负压，然后流到第一通孔上部与罩体顶部之间，此处为正压，所以热气流会经过第一保温体顶部与罩体之间的空隙，然后向下流入第一保温体四周与罩体之间的空隙，并继续向下流动，最终通过若干个第二通孔流入回坩埚上部，填补坩埚上部的负压。也就是说，本发明实施例中的热场结构能够有效引导热气流的走向，第一保温体的四周和罩体侧壁之间的空隙中能够形成稳定的自上而下的热气流，同时第二通孔中能够形成自外朝内的热气流，在氧化镓晶体生长过程中有效抑制了挥发物在观察窗上的沉积，有效避免在生长氧化镓晶体时，挥发物随热气流沉积在观察窗上而导致技术人员不易观察到氧化镓晶体生长过程的问题，从而使得氧化镓晶体生长可控，根据观察到的氧化镓晶体生长情况随时做出相应的调整。本发明实施例的热场结构简单，在不引入其他结构的前提下，通过对热场的结构进行设计实现了抑制挥发物在观察窗上沉积的目的。本发明实施例为规模化生长高质量的氧化镓单晶提供了重要途径。

另外，在本发明实施例中，第二通孔内形成有稳定的自外朝内的气流，自外朝内的气流降低了氧化镓晶体肩部的温度梯度，增强了生长动力，同时本发明实施例中热场结构的设计，能够有效引导气流走向，形成稳定的对称流场，即形成稳定的对称温场，进而实现放肩过程中的对称性控制。此外，本发明实施例中气流的流场在热场结构内部形成，没有引入热场结构外部的过冷气流，而且气流在热场结构内部循环，温差不至于太大，不会出现因温差太大而形成杂晶的问题。

在一些实施方式中，所述感应线圈的材质为铜管，所述感应线圈通过中频交变电流产生感应磁场，变化的磁场使坩埚内产生感应电流进行加热。

在一些实施方式中，所述坩埚为铱金坩埚、铂铑合金坩埚、钨钼合金坩埚中的一种，但不限于此。这些坩埚作为发热体，可良好地实现感应线圈对其进行加热。

在一些实施方式中，如图1所示，所述第二保温体4包括：

第一保温层41，设置所述坩埚6的下部；

第二保温层42，环设在所述坩埚6外；

锆沙43，填充在所述第二保温层42和所述坩埚6之间。

在一些实施方式中，所述第一保温层的材料为氧化锆，具体为氧化锆保温砖，所述第二保温层的材料为氧化锆。

具体地，所述第一保温层41包括第一上保温层、第一下保温层以及设置在所述第一上保温层和所述第一下保温层之间的氧化铝支座411。

本实施方式中，所述结构的第二保温体可提供稳定温场环境。

在一些实施方式中，所述第二保温体4还包括：

第三保温层44，设置在所述第一保温层41下部；

氧化锆棉花层45，设置所述锆沙43上；

氧化锆纤维砖层46，设置在所述氧化锆棉花层45上。

本实施方式中，通过调整第三保温层的厚度调整坩埚在所述感应线圈中的高度位置。在一些具体的实施方式中，所述第三保温层的材料为氧化铝保温砖。

下面通过具体的实施例进行详细说明。

实施例1

本实施例提供一种导模法生长晶体的装置，其为轴(轴向方向为竖直方向)对称结构，如图1所示，其中，包括：

下热场结构；

高度为60cm的上热场结构，设置在所述下热场结构上。

其中，所述上热场结构包括：

第一保温体1(材质为氧化锆)，所述第一保温体1包括：

第一通孔11，设置在所述第一保温体1的中心轴上；所述第一通孔为圆孔，直径为15cm；

四个第二通孔12，两两对称设置在所述第一保温体1的侧壁上，所述第一通孔与四个第二个通孔连通；所述第一保温体为直径为46cm的圆柱状第一保温体，在所述圆柱状第一保温体圆周方向上，每隔90°设置一个第二通孔；所述第二通孔为圆孔，直径为3cm；

罩体2，罩设在所述第一保温体1外，所述第一保温体1的四周及顶部均与所述罩体2之间具有空隙；所述罩体的侧壁21的材质为石英(透明)，所述罩体的侧壁21上设置有透明观察窗221，可实现通过所述若干个第二通孔观察氧化镓晶体的生长；所述罩体的顶壁22的材质为氧化铝，所述罩体的顶壁22的中心位置处设置有第三通孔222；

所述第二通孔12的中心轴方向与所述水平方向之间的夹角α＝20°；

所述第一保温体1的四周与所述罩体的侧壁21之间的空隙d1为3cm；

所述第一保温体1的顶部与所述罩体的顶壁22之间的空隙d2为2cm；

所述下热场结构包括：

第二保温体4；

感应线圈5(材质为铜管)，环设在所述第二保温体4外；

坩埚6(材质为铱金)，设置在所述第二保温体4中，所述坩埚6中安装有模具61(材质为铱金)，所述坩埚6的中轴线与所述第一通孔11的中轴线重合；

所述第二保温体4包括：

第一保温层41，所述坩埚6设置在所述第一保温层41上，所述第一保温层的材料为氧化锆保温砖；

第二保温层42，环设在所述坩埚6外，所述第二保温层的材料为氧化锆；

锆沙43，填充在所述第二保温层42和所述坩埚6之间；

第三保温层44，设置在所述第一保温层41下部，所述第三保温层的材料为氧化铝保温砖；

氧化锆棉花层45，设置所述锆沙43上；

氧化锆纤维砖层46，设置在所述氧化锆棉花层45上。

所述导模法生长晶体的装置还包括：

提拉机构，包括提拉杆3，所述提拉杆3位于所述上热场结构的第一通孔11的中轴线上，所述提拉杆的一端用于安装籽晶7，另一端穿过所述罩体顶壁22的中心位置处的第三通孔222。

对实施例1中的装置生长氧化镓晶体时的热流场进行模拟，结果如图3所示，可见，本实施例装置中的热场结构能够有效引导气流走向，形成稳定的流场，即形成稳定的左右对称的温场，该温场的稳定性可实现放肩过程中的对称性控制。由于坩埚上部上升气流，使罩体侧壁和第一保温体四周之间的空隙中形成稳定的自上而下的气流。同时第二通孔内稳定形成自外朝内的气流(从罩体的侧壁方向到第一通孔的方向)，可有效降低挥发物在观察窗的沉积，有利于氧化镓晶体生长过程中的观察控制。此外，自外朝内的气流也降低了氧化镓晶体肩部的温度梯度，增强了生长动力。本实施例提供的装置能够实现对氧化镓晶体生长过程中的观察，同时能够形成左右对称的温场，生长高质量的氧化镓单晶。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，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，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。