一種提拉法晶體生長(zhǎng)爐的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于提拉法單晶生長(zhǎng)裝置，具體涉及一種提拉法晶體生長(zhǎng)爐，能夠控制爐內(nèi)流場(chǎng)。
技術(shù)背景
[0002]提拉法又稱直拉法，英文簡(jiǎn)稱Cz法，是一種目前最流行的塊狀單晶體生長(zhǎng)技術(shù)，傳統(tǒng)的提拉法裝置由加熱系統(tǒng)(加熱、控溫和保溫)、氣氛控制系統(tǒng)(真空、氣路、充氣)、傳動(dòng)系統(tǒng)(提拉、旋轉(zhuǎn))等構(gòu)成。該方法的優(yōu)勢(shì)在于可測(cè)試和觀察生長(zhǎng)界面、定向籽晶、“縮頸”技術(shù)、“收尾“技術(shù)、可旋轉(zhuǎn)坩禍和晶體，因而控制方便，能獲得較快的生長(zhǎng)速率和很高的產(chǎn)品性能均勻性，因而成品率遠(yuǎn)大于其它晶體生長(zhǎng)方式。該方法的劣勢(shì)在于坩禍的污染、流動(dòng)導(dǎo)致系統(tǒng)的非穩(wěn)定性等，除此之外，生長(zhǎng)界面附近高溫度梯度在保證了高生長(zhǎng)率的同時(shí)，也導(dǎo)致了生長(zhǎng)界面和晶體內(nèi)部很高的熱應(yīng)力，導(dǎo)致與熱應(yīng)力相關(guān)的缺陷較大，如采用提拉法生長(zhǎng)的藍(lán)寶石由于位錯(cuò)密度太高，無法用作LED器件中GaN薄膜襯底的制備。
[0003]由于提拉法的重要性，目前已申請(qǐng)的專利較多。中國專利申請(qǐng)2009101168954公開了一種Cz直拉法單晶爐，使直拉法單晶爐的最大取棒行程明顯增加。中國專利申請(qǐng)2013107451055公開了一種提高直拉法單晶生長(zhǎng)速度的單晶爐，通過導(dǎo)流筒內(nèi)的冷卻裝置，強(qiáng)化生長(zhǎng)界面附近的晶體冷卻效果，增大晶體的縱向溫度梯度，從而大幅提高晶體的生長(zhǎng)速度。然而，現(xiàn)有的提拉法晶體生長(zhǎng)過程中爐腔上部的氣流雖然提供了額外的熱區(qū)控制方法，但同時(shí)也增加了生長(zhǎng)系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致流場(chǎng)溫度場(chǎng)分布不對(duì)稱；熔體對(duì)流強(qiáng)度不易控制導(dǎo)致生成包裹體雜質(zhì)，不利于生長(zhǎng)高質(zhì)量的晶體材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供一種提拉法晶體生長(zhǎng)爐，解決現(xiàn)有提拉法晶體生長(zhǎng)爐內(nèi)由于冷卻氣的非對(duì)稱流動(dòng)引起的不穩(wěn)定性和熔體內(nèi)包裹體雜質(zhì)在晶體中聚集的問題。
[0005]本發(fā)明所提供的一種控制流動(dòng)的提拉法晶體生長(zhǎng)爐，包括爐體、基座、內(nèi)隔熱層、電磁感應(yīng)加熱器、爐蓋、坩禍、坩禍蓋和籽晶桿；
[0006]所述爐體為圓筒體，所述基座固連于爐體底端并將其封閉，基座中心具有進(jìn)氣孔道，所述內(nèi)隔熱層亦為圓筒體，位于爐體內(nèi)的基座上，并與爐體構(gòu)成同軸夾心結(jié)構(gòu)，爐體和內(nèi)隔熱層之間的環(huán)形空腔內(nèi)填充有側(cè)壁隔熱材料，所述內(nèi)隔熱層底部腔體內(nèi)設(shè)置有底部隔熱層；所述電磁感應(yīng)加熱器環(huán)繞于所述爐體外壁；所述爐蓋為圓盤形，其中心具有出氣孔道，爐蓋底面敷設(shè)頂部隔熱層；所述坩禍為底端封閉的圓筒體，固定于底部隔熱層上，所述坩禍蓋為具有中心通口的旋轉(zhuǎn)體，連接于坩禍的頂端；
[0007]工作時(shí)爐蓋覆蓋于所述爐體的頂端，所述籽晶桿上端穿過頂部隔熱層及所述爐蓋的出氣孔道，籽晶桿下端伸入所述坩禍蓋的中心通口，接觸熔體表面，旋轉(zhuǎn)提拉生長(zhǎng)出晶體；
[0008]所述坩禍內(nèi)腔底部中心固定有坩禍整流筒，其為空心圓筒，圓筒高度為坩禍高度的1/3?1/2，圓筒內(nèi)徑大于待提拉的晶體直徑，圓筒下端具有沿圓周均布的矩形孔；
[0009]所述籽晶桿下部通過徑向呈輻射狀均勻分布的肋條與隔熱環(huán)連接，所述隔熱環(huán)為圓環(huán)形，其外徑與內(nèi)隔熱層的內(nèi)徑相適應(yīng)。
[0010]所述隔熱環(huán)的截面形狀可以為矩形或等腰梯形，采用低電導(dǎo)率、高熱反射率的材料制成。
[0011]所述的提拉法晶體生長(zhǎng)爐，其進(jìn)一步特征在于:
[0012]所述坩禍整流筒的材料和坩禍相同；
[0013]所述內(nèi)隔熱層、頂部隔熱層、側(cè)壁隔熱材料、底部隔熱層采用低電導(dǎo)率、低熱導(dǎo)率、高熱反射率的材料制成。
[0014]本發(fā)明工作時(shí)，將隔熱環(huán)固定在籽晶桿適當(dāng)位置，底部進(jìn)氣道適當(dāng)進(jìn)氣，生長(zhǎng)過程中緩慢提拉隔熱環(huán)，維持凝固界面所需的溫度梯度；坩禍整流筒在晶體生長(zhǎng)過程中可以抑制熔體內(nèi)自然對(duì)流的強(qiáng)度。
[0015]本發(fā)明的隔熱環(huán)和坩禍整流筒，具備控制爐內(nèi)流場(chǎng)的功能，隔熱環(huán)由低電導(dǎo)率、高熱反射率的材料制成，不同形狀、不同固定位置的隔熱環(huán)能夠起到不同程度的流場(chǎng)控制作用，隨著籽晶桿垂直移動(dòng)調(diào)整冷氣流動(dòng)特征，加強(qiáng)對(duì)爐腔上方冷卻氣流的控制，消除不對(duì)稱流的出現(xiàn)，確保流場(chǎng)的對(duì)稱性，同時(shí)還能改善晶體上方區(qū)域的溫場(chǎng)，避免因凝固界面附近溫度梯度過大引起的熱應(yīng)力過大，提高系統(tǒng)熱場(chǎng)的穩(wěn)定性，形成穩(wěn)定的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)；坩禍整流筒固定在坩禍底部中心，而熔體的流動(dòng)主要包括自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流，兩者的強(qiáng)度相對(duì)大小對(duì)于包裹體雜質(zhì)的形成和分布具有重要影響，坩禍整流筒底部開孔能夠有效地促進(jìn)筒內(nèi)熔體和坩禍內(nèi)熔體之間的傳熱傳質(zhì)，抑制熔體的自然對(duì)流強(qiáng)度，避免雜質(zhì)隨自然對(duì)流流動(dòng)在中心軸線附近聚集，有效減少包裹體雜質(zhì)，確保熔液的凝固界面較為平坦，提高晶體質(zhì)量。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具備優(yōu)良的爐內(nèi)流場(chǎng)控制功能，能夠有效的調(diào)節(jié)冷卻氣和熔體的流場(chǎng)，進(jìn)而改善溫度場(chǎng)，提高生長(zhǎng)過程的穩(wěn)定性。本發(fā)明通過隔熱環(huán)和坩禍整流筒，可以在生長(zhǎng)初期維持坩禍高溫，利于原料熔化；穩(wěn)定生長(zhǎng)階段可有效控制冷卻氣和熔體流動(dòng)，消除不對(duì)稱流，改善相應(yīng)區(qū)域的流動(dòng)和傳熱特性，提高生長(zhǎng)的穩(wěn)定性，滿足不同晶體材料生長(zhǎng)對(duì)凝固界面溫度梯度的需要，還可以有效減少包裹體雜質(zhì)形成，提高高質(zhì)量晶體成品率，降低生產(chǎn)成本，不僅可以滿足低溫度梯度晶體，如LED襯底品質(zhì)的藍(lán)寶石單晶的生長(zhǎng)需要，也可以滿足需要快速生長(zhǎng)情況下，如單晶硅生長(zhǎng)的溫度場(chǎng)要求；適用于各種不同溫度梯度生長(zhǎng)條件的晶體制備。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2為本發(fā)明的橫截面示意圖；
[0019]圖中標(biāo)記:爐體1、基座2、內(nèi)隔熱層3、電磁感應(yīng)加熱器4、爐蓋5、坩禍6、坩禍蓋7、籽晶桿8、側(cè)壁隔熱材料9、底部隔熱層10、頂部隔熱層11、坩禍整流筒12、隔熱環(huán)13、籽晶14、晶體15、熔體16。
【具體實(shí)施方式】
[0020]以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不限定于本發(fā)明。
[0021]如圖1所示，本發(fā)明包括爐體1、基座2、內(nèi)隔熱層3、電磁感應(yīng)加熱器4、爐蓋5、坩禍6、;t甘禍蓋7和籽晶桿8 ；
[0022]所述爐體I為圓筒體，所述基座2固連于爐體I底端并將其封閉，基座中心具有進(jìn)氣孔道2A，所述內(nèi)隔熱層3亦為圓筒體，位于爐體內(nèi)的基座2上，并與爐體構(gòu)成同軸夾心結(jié)構(gòu)，爐體和內(nèi)隔熱層之間的環(huán)形空腔內(nèi)填充有側(cè)壁隔熱材料9，所述內(nèi)隔熱層3底部腔體內(nèi)設(shè)置有底部隔熱層10 ;所述電磁感應(yīng)加熱器4環(huán)繞于所述爐體I外壁；所述爐蓋5為圓盤形，其中心具有出氣孔道5A，爐蓋底面敷設(shè)頂部隔熱層11 ;
[0023]所述坩禍6為底端封閉的圓筒體，固定于底部隔熱層10上，所述坩禍蓋7為具有中心通口 7A的旋轉(zhuǎn)體，連接于坩禍6的頂端；
[0024]工作時(shí)爐蓋5覆蓋于所述爐體I的頂端，所述籽晶桿7上端穿過頂部隔熱層11及所述爐蓋5的出氣孔道5A，籽晶桿7下端接籽晶14伸入所述坩禍蓋7的中心通口 7A，接觸熔體16表面，旋轉(zhuǎn)提拉生長(zhǎng)出晶體15 ;
[0025]本發(fā)明的實(shí)施例中，所述坩禍6內(nèi)腔底部中心固定有坩禍整流筒12，其為空心圓筒，圓筒高度為坩禍高度的1/3，圓筒內(nèi)徑大于待提拉的晶體直徑，為坩禍內(nèi)徑的1/2，圓筒下端具有沿圓周均布的6個(gè)矩形孔12A ;
[0026]所述籽晶桿7下部通過徑向呈輻射狀均勻分布的三根肋條與隔熱環(huán)13連接，所述隔熱環(huán)13為圓環(huán)形，其外徑與內(nèi)隔熱層3的內(nèi)徑相適應(yīng)。
[0027]本實(shí)施例中，所述隔熱環(huán)13的截面形狀為等腰梯形，采用氧化鋯陶瓷材料制成。
[0028]所述坩禍整流筒12的材料和坩禍相同，采用金屬銥制成。
[0029]所述內(nèi)隔熱層3采用氧化鋯陶瓷材料制成。
[0030]所述頂部隔熱層11采用硅酸鋁材料制成。
[0031]所述側(cè)壁隔熱材料9采用氧化鋯熟料材料制成。
[0032]所述底部隔熱層采10用氧化鋯陶瓷材料制成。
[0033]隔熱環(huán)能有效遏制爐腔上部氣流溫度場(chǎng)的非對(duì)稱性，進(jìn)一步降低晶體生長(zhǎng)過程中的應(yīng)力，提高生長(zhǎng)穩(wěn)定性。坩禍整流筒在晶體生長(zhǎng)過程中可以抑制熔體內(nèi)自然對(duì)流的強(qiáng)度，確保熔液的凝固界面較為平坦，避免雜質(zhì)隨自然對(duì)流流動(dòng)在中心軸線附近聚集，提高晶體質(zhì)量。
[0034]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種控制流動(dòng)的提拉法晶體生長(zhǎng)爐，包括爐體(1)、基座(2)、內(nèi)隔熱層(3)、電磁感應(yīng)加熱器(4)、爐蓋(5)、坩禍(6)、坩禍蓋(7)和籽晶桿⑶； 所述爐體(I)為圓筒體，所述基座(2)固連于爐體(I)底端并將其封閉，基座中心具有進(jìn)氣孔道(2A)，所述內(nèi)隔熱層(3)亦為圓筒體，位于爐體內(nèi)的基座(2)上，并與爐體構(gòu)成同軸夾心結(jié)構(gòu)，爐體和內(nèi)隔熱層之間的環(huán)形空腔內(nèi)填充有側(cè)壁隔熱材料(9)，所述內(nèi)隔熱層(3)底部腔體內(nèi)設(shè)置有底部隔熱層(10);所述電磁感應(yīng)加熱器⑷環(huán)繞于所述爐體⑴外壁；所述爐蓋(5)為圓盤形，其中心具有出氣孔道(5A)，爐蓋底面敷設(shè)頂部隔熱層(11);所述坩禍(6)為底端封閉的圓筒體，固定于底部隔熱層(10)上，所述坩禍蓋(7)為具有中心通口(7A)的旋轉(zhuǎn)體，連接于坩禍(6)的頂端； 工作時(shí)爐蓋(5)覆蓋于所述爐體(I)的頂端，所述籽晶桿(8)上端穿過頂部隔熱層(11)及所述爐蓋(5)的出氣孔道(5A)，籽晶桿⑶下端伸入所述坩禍蓋(7)的中心通口(7A)，接觸熔體表面； 其特征在于: 所述坩禍￠)內(nèi)腔底部中心固定有坩禍整流筒(12)，其為空心圓筒，圓筒高度為坩禍高度的1/3?1/2，圓筒內(nèi)徑大于待提拉的晶體直徑，圓筒下端具有沿圓周均布的矩形孔(12A)； 所述籽晶桿(7)下部通過徑向呈輻射狀均勻分布的肋條與隔熱環(huán)(13)連接，所述隔熱環(huán)(13)為圓環(huán)形，其外徑與內(nèi)隔熱層(3)的內(nèi)徑相適應(yīng)。
2.如權(quán)利要求1所述的提拉法晶體生長(zhǎng)爐，其特征在于: 所述隔熱環(huán)(13)的截面形狀為矩形或等腰梯形，采用低電導(dǎo)率、高熱反射率的材料制成。
3.如權(quán)利要求1或2所述的提拉法晶體生長(zhǎng)爐，其特征在于: 所述坩禍整流筒(12)的材料和坩禍相同； 所述內(nèi)隔熱層(3)、頂部隔熱層(11)、側(cè)壁隔熱材料(9)、底部隔熱層(10)采用低電導(dǎo)率、低熱導(dǎo)率、高熱反射率的材料制成。
【專利摘要】一種提拉法晶體生長(zhǎng)爐，屬于提拉法單晶生長(zhǎng)裝置，解決現(xiàn)有提拉法晶體生長(zhǎng)爐內(nèi)由于冷卻氣的非對(duì)稱流動(dòng)引起的不穩(wěn)定性和熔體內(nèi)包裹體雜質(zhì)在晶體中聚集的問題。本發(fā)明包括爐體、基座、內(nèi)隔熱層、電磁感應(yīng)加熱器、爐蓋、坩堝、坩堝蓋和籽晶桿；坩堝內(nèi)固定有坩堝整流筒，坩堝整流筒下端具有沿圓周均布的矩形孔；籽晶桿下部通過徑向呈輻射狀均勻分布的肋條與隔熱環(huán)連接，所述隔熱環(huán)為圓環(huán)形，其外徑與內(nèi)隔熱層的內(nèi)徑相適應(yīng)。本發(fā)明設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠，能夠有效的調(diào)節(jié)冷卻氣和熔體的流場(chǎng)，進(jìn)而改善溫度場(chǎng)，提高生長(zhǎng)過程的穩(wěn)定性，有利于提高高質(zhì)量單晶的生長(zhǎng)效率，節(jié)約成本，適用于各種不同溫度梯度生長(zhǎng)條件的晶體制備。
【IPC分類】C30B15-14, C30B15-20
【公開號(hào)】CN104562185
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410829489
【發(fā)明人】方海生, 田俊, 王森, 蔣志敏, 張夢(mèng)杰, 趙超杰, 劉勝
【申請(qǐng)人】華中科技大學(xué)
【公開日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2014年12月26日