一種用于管式單晶生長爐的觀察窗的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于管式單晶生長爐的觀察窗。它包括套筒，透明石英片，石英放大鏡，卡筒和蓋套；所述套筒內(nèi)間隔設(shè)置多個透明石英片，所述套筒內(nèi)最下面的透明石英片設(shè)置在套筒內(nèi)的底部，所述相鄰透明石英片之間設(shè)置卡筒；所述套筒內(nèi)的頂部設(shè)置有石英放大鏡，所述套筒內(nèi)最上面的透明石英片與石英放大鏡之間設(shè)置有卡筒；所述蓋套設(shè)置在套筒的上方用以將石英放大鏡和套筒內(nèi)的內(nèi)部元件封閉以防滑落。本發(fā)明的觀察窗結(jié)構(gòu)具有安裝方便，拆卸容易的特點；由于空氣的導熱性很差，因此該觀察窗的結(jié)構(gòu)具有更好的保溫效果，對爐內(nèi)徑向溫場的影響也更??；本發(fā)明的觀察窗在一定程度上可以起到對徑向溫場的調(diào)節(jié)作用，具有更大的操作空間。
【專利說明】
一種用于管式單晶生長爐的觀察窗
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及晶體生長的設(shè)備領(lǐng)域，具體設(shè)計一種用于管式單晶生長爐的觀察窗。
【背景技術(shù)】
[0002]利用布里奇曼法(Bridgman)進行晶體生長是近年來人們在探索新型半導體晶體材料生長方法初期所廣泛采用的方法。該方法通常采用水平或豎直式的具有穩(wěn)定溫場分布的管式生長爐作為生長裝置，通過緩慢移動生長安瓿使其從高溫區(qū)逐漸過渡到低溫區(qū)的方式來實現(xiàn)熔體的結(jié)晶生長。該方法工藝簡單，容易控制，對生長爐的要求也不是很高，通常情況下，自行設(shè)計的管式電阻爐只需滿足晶體生長所需的溫場要求，就可以用于布里奇曼法晶體生長;同時該方法采用的封閉安瓿系統(tǒng)，使晶體生長不容易受到外界環(huán)境的污染，有利于高品質(zhì)晶體的生長。而且相對于其他單晶生長平臺的搭建成本也比較低，因此一直受到科研工作者的廣泛采用。
[0003]傳統(tǒng)的用于布里奇曼法單晶生長管式爐由于采用了不透明的電阻絲加熱，同時采用了陶瓷爐管和保溫棉作為爐體結(jié)構(gòu)的組成部分，使得生長過程中無法直接觀察到生長安瓿及其內(nèi)部熔體的狀態(tài)。生長過程中，坩禍在爐管內(nèi)的移動會對管內(nèi)的徑向和軸向溫場產(chǎn)生難以預知的影響，因此利用該方法在采用籽晶法生長晶體時，籽晶的熔接和界面的控制將會是一件非常困難的事。
[0004]為了使生長過程可見，人們對傳統(tǒng)的管式生長爐進行改進，拿掉了其中的陶瓷爐管和保溫棉，改用內(nèi)壁鍍金的透明石英管作為爐殼材料。這樣既可以起到保溫的作用，又能很好地觀察到生長安瓿。但鍍金石英爐殼的生產(chǎn)技術(shù)難度大，目前只有美國等少數(shù)國家能做，而且成本很高。鍍金爐管在使用過程中，由于金膜的自揮發(fā)和結(jié)晶作用，其均勻性也會受到影響，內(nèi)部溫場也會跟著發(fā)生變化。因此金膜的使用壽命有限，不利于大批量長期生產(chǎn)使用。
[0005]相對于高成本的鍍金石英爐殼而言，目前使用比較多的是在爐體側(cè)面局部位置進行開孔，然后用一塊透明石英柱插入其中作為觀察窗，使生長安瓿中位于生長界面的關(guān)鍵位置可見。這樣可以大大降低爐體制作成本，在一定程度上也改變了傳統(tǒng)爐體不可觀察的尷尬局面。
[0006]采用石英柱作為觀察窗固然可以看到爐內(nèi)安瓿的局部情況，但石英柱的高導熱性必然會影響到爐內(nèi)的徑向溫度分布。在高品質(zhì)單晶生長過程中，徑向溫場的不對稱會大大影響到晶體的品質(zhì)，甚至會導致孿晶的出現(xiàn)，降低成晶率。與此同時，石英柱在長時間高溫環(huán)境下使用，表面會因重結(jié)晶而變得不透明。因此石英柱的使用壽命也很有限，而更換成本也很高。
[0007]在尚未找到一種適合的既能耐高溫，又透明，同時又具有低導熱性的窗口材料之時，我們通過改變窗口的結(jié)構(gòu)，設(shè)計制作了一種可以大幅度減小對徑向溫場影響的低成本石英觀察窗，有效提尚了晶體的品質(zhì)和成晶率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008][要解決的技術(shù)問題]
[0009]本發(fā)明的目的是解決上述現(xiàn)有技術(shù)問題，提供一種具有全新設(shè)計和結(jié)構(gòu)的用于管式單晶生長爐的觀察窗。該觀察窗解決了傳統(tǒng)石英柱觀察窗導熱性高，維護成本高的問題；其大大提高了布里奇曼法生長晶體的品質(zhì)和成晶率。
[0010][技術(shù)方案]
[0011]為了達到上述的技術(shù)效果，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:
[0012]本發(fā)明為了在保證窗口的透明性的同時最大幅度地減小觀察窗的導熱性，利用多層透明石英片與空氣層交叉疊合的方式作為觀察窗介質(zhì);并采用導熱性差的異型保溫材料作為框架。本發(fā)明不僅可以大幅度的降低觀察窗對徑向溫場的影響，還能大幅度降低使用維護成本。
[0013]—種用于管式單晶生長爐的觀察窗，它包括套筒，透明石英片，石英放大鏡，卡筒和蓋套;所述套筒內(nèi)間隔設(shè)置多個透明石英片，所述套筒內(nèi)最下面的透明石英片設(shè)置在套筒內(nèi)的底部，所述相鄰透明石英片之間設(shè)置有卡筒;所述套筒內(nèi)的頂部設(shè)置有石英放大鏡，所述套筒內(nèi)最上面的透明石英片與石英放大鏡之間設(shè)置有卡筒;所述蓋套設(shè)置在套筒的上方用以將石英放大鏡和套筒內(nèi)的內(nèi)部元件封閉以防滑落。
[0014]本發(fā)明更進一步的技術(shù)方案，所述套筒為底部帶有內(nèi)卡環(huán)，頂部帶有外卡環(huán)的圓柱形筒;所述套筒的外徑與管式單晶生長爐爐體壁面觀察窗的內(nèi)徑一致;所述套筒的長度與管式單晶生長爐爐體保溫材料的厚度相同。
[0015]本發(fā)明更進一步的技術(shù)方案，所述透明石英片是厚度為I?2mm的圓形薄片，所述透明石英片的直徑與套筒的內(nèi)徑相等。
[0016]本發(fā)明更進一步的技術(shù)方案，所述透明石英片中的一個或多個表面進行鍍金處理。
[0017]本發(fā)明更進一步的技術(shù)方案，所述卡筒的外徑與套筒的內(nèi)徑相等，所述卡筒的內(nèi)徑與套筒底部內(nèi)卡環(huán)的內(nèi)徑相同。
[0018]本發(fā)明更進一步的技術(shù)方案，所述石英放大鏡為用石英玻璃制備的凸透鏡;所述石英放大鏡的直徑與套筒的內(nèi)徑相等。
[0019]所述套筒、卡筒和蓋套均是采用異型保溫材料制備而成。
[0020]下面將詳細地說明本發(fā)明。
[0021]本發(fā)明所述的異型保溫材料是指通過注漿成型或其他方式制成的形狀與爐體結(jié)構(gòu)相符的保溫材料。
[0022]本發(fā)明觀察窗的安裝方法如下:將所述透明石英片放于套筒內(nèi)使其置于套筒底部并卡在套筒的內(nèi)卡環(huán)上;然后，將一個卡筒裝進套筒內(nèi)，卡筒下表面壓在透明石英片上將石英片固定;再取一個石英片裝進套筒內(nèi)，透明石英片卡在卡筒的上表面;然后依次裝入卡筒、透明石英片、卡筒數(shù)個直至套筒內(nèi)裝滿合適數(shù)量的透明石英片和卡筒;裝完后最后一個卡筒上表面距離套筒表面的距離剛好夠一個石英放大鏡的厚度;取石英放大鏡放置于套筒內(nèi)頂部，將蓋套蓋在套筒頂部，以使石英放大鏡固定在套筒內(nèi)部。
[0023]本發(fā)明中所述的套筒主體外徑要與爐體壁面觀察窗的內(nèi)徑一致，套筒插入到爐體中后能與周邊保溫材料貼合;所述的套筒主體長度要與爐體保溫材料的厚度一致，致使套筒插入爐體后表面外卡環(huán)部分能留在爐體外表面，方便觀察;所述套筒的內(nèi)卡環(huán)用于穩(wěn)定透明石英片，所述套筒的外卡環(huán)的厚度以方便套筒安裝和拆卸為準。本發(fā)明所述的在透明石英片表面進行鍍金處理，該處理用以增大反射效果，所述鍍金處理可以選擇在最底層的透明石英片上鍍，也可以在套筒中任意透明石英片上進行鍍金，具體需要根據(jù)實際使用效果來進行選擇。石英放大鏡的放大倍數(shù)也需要根據(jù)實際使用需求進行選擇。
[0024][有益效果]
[0025]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的有益效果:
[0026]本發(fā)明的觀察窗結(jié)構(gòu)具有安裝方便，拆卸容易的特點。使用過程中如果有石英片透明度降低，可以有針對性地對其進行更換，大幅度降低使用成本；
[0027]本發(fā)明的觀察窗結(jié)構(gòu)采用石英片和空氣層交叉疊合的方式來進行隔熱。由于空氣的導熱性很差，因此該觀察窗的結(jié)構(gòu)具有更好的保溫效果，對爐內(nèi)徑向溫場的影響也更小；
[0028]本發(fā)明可以任意選取不同位置的石英片來鍍金膜，在一定程度上可以起到對徑向溫場的調(diào)節(jié)作用，具有更大的操作空間。
【附圖說明】
[0029]圖1為本發(fā)明用于管式單晶生長爐的觀察窗的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖2為本發(fā)明用于管式單晶生長爐的觀察窗上套筒的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖3為本發(fā)明用于管式單晶生長爐的觀察窗上透明石英片的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖4為本發(fā)明用于管式單晶生長爐的觀察窗上石英放大鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖5為本發(fā)明用于管式單晶生長爐的觀察窗上卡筒的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖6為本發(fā)明用于管式單晶生長爐的觀察窗上蓋套的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖7為本發(fā)明實施例2中利用本發(fā)明觀察窗得到的徑向溫場分布；
[0036]圖8為本發(fā)明實施例2中利用傳統(tǒng)的石英柱作為觀察窗得到的徑向溫場分布；
[0037]附圖標記如下所示:
[0038]I為套筒;2為透明石英片;3為石英放大鏡;4為卡筒;5為蓋套;6為內(nèi)卡環(huán);7為外卡環(huán)；
【具體實施方式】
[0039]下面結(jié)合本發(fā)明的實施例對本發(fā)明作進一步的闡述和說明。
[0040]實施例1:
[0041]—種用于管式單晶生長爐的觀察窗，它包括套筒I，透明石英片2，石英放大鏡3，卡筒4和蓋套5;所述套筒I內(nèi)間隔設(shè)置多個透明石英片2，所述套筒內(nèi)最下面的透明石英片2設(shè)置在套筒內(nèi)的底部，所述相鄰透明石英片2之間設(shè)置有卡筒4;所述套筒內(nèi)的頂部設(shè)置有石英放大鏡3，所述套筒內(nèi)最上面的透明石英片2與石英放大鏡3之間設(shè)置有卡筒4;所述蓋套5設(shè)置在套筒I的上方用以將石英放大鏡3和套筒I內(nèi)的內(nèi)部元件封閉以防滑落。
[0042]所述套筒I為底部帶有內(nèi)卡環(huán)6，頂部帶有外卡環(huán)7的圓柱形筒;所述套筒I的外徑與管式單晶生長爐爐體壁面觀察窗的內(nèi)徑一致;所述套筒I的長度與管式單晶生長爐爐體保溫材料的厚度相同。
[0043]所述透明石英片2是厚度為I?2mm的圓形薄片，所述透明石英片2的直徑與套筒I的內(nèi)徑相等。
[0044]所述卡筒4的外徑與套筒I的內(nèi)徑相等，所述卡筒4的內(nèi)徑與套筒底部內(nèi)卡環(huán)6的內(nèi)徑相同。
[0045]所述石英放大鏡3為用石英玻璃制備的凸透鏡;所述石英放大鏡3的直徑與套筒I的內(nèi)徑相等。
[0046]所述套筒1、卡筒4和蓋套均5是采用異型保溫材料制備而成。
[0047]組裝后將套筒I插入到爐體側(cè)面已開的觀察口中，在爐內(nèi)加熱到高溫時，便可通過顯露于爐殼外表的套筒I頂部的石英放大鏡3觀察爐內(nèi)的安瓿情況。實施例2
[0048]為了更好的起到保溫作用，本實施例將實施例1觀察窗中的透明石英片進行加鍍黃金膜處理，利用金膜對輻射的反射作用，進一步減少觀察窗對爐內(nèi)徑向溫場的影響。所選用鍍金膜的透明石英片根據(jù)爐內(nèi)徑向溫場的影響程度進行具體選擇。
[0049]分別采用傳統(tǒng)的石英柱和本發(fā)明的觀察窗在同一爐體內(nèi)進行實驗，測試徑向溫場分布，溫場測試方向為從觀察窗對面爐膛管壁方向往觀察窗方向，測試結(jié)果如圖7和圖8所示，從圖中可以看出，采用本發(fā)明方案的觀察窗所形成的徑向溫度分布相對于傳統(tǒng)石英柱觀察窗更為平坦，說明本發(fā)明方案的觀察窗因為熱量散失對爐內(nèi)徑向溫場的影響更小。
[0050]綜上所述，本發(fā)明所述觀察窗因為采用了多重結(jié)構(gòu)設(shè)計，大幅度減少了因熱傳遞對爐內(nèi)徑向溫場的影響，得到的徑向溫度分布更有利于晶體生長。同時本發(fā)明采用放大鏡觀察爐內(nèi)情況，有利于得到更加清晰的結(jié)果。采用更為廉價的石英片和保溫材料作為窗口材料，在大幅度降低使用成本的同時，也方便了平時的維護和更換。
[0051]盡管這里參照本發(fā)明的解釋性實施例對本發(fā)明進行了描述，上述實施例僅為本發(fā)明較佳的實施方式，本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，應該理解，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以設(shè)計出很多其他的修改和實施方式，這些修改和實施方式將落在本申請公開的原則范圍和精神之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種用于管式單晶生長爐的觀察窗，其特征在于它包括套筒(I)，透明石英片(2)，石英放大鏡(3)，卡筒(4)和蓋套(5);所述套筒(I)內(nèi)間隔設(shè)置多個透明石英片(2)，所述套筒(1)內(nèi)最下面的透明石英片設(shè)置在套筒內(nèi)的底部，所述相鄰透明石英片(2)之間設(shè)置有卡筒(4);所述套筒內(nèi)的頂部設(shè)置有石英放大鏡(3)，所述套筒(I)內(nèi)最上面的透明石英片(2)與石英放大鏡(3)之間設(shè)置有卡筒(4);所述蓋套(5)設(shè)置在套筒(I)的上方用以將石英放大鏡和套筒內(nèi)的內(nèi)部元件封閉以防滑落。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于管式單晶生長爐的觀察窗，其特征在于所述套筒(I)為底部帶有內(nèi)卡環(huán)(6)，頂部帶有外卡環(huán)(7)的圓柱形筒;所述套筒的外徑與管式單晶生長爐爐體壁面觀察窗的內(nèi)徑一致;所述套筒的長度與管式單晶生長爐爐體保溫材料的厚度相同。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于管式單晶生長爐的觀察窗，其特征在于所述透明石英片(2)是厚度為I?2_的圓形薄片，所述透明石英片(2)的直徑與套筒(I)的內(nèi)徑相等。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于管式單晶生長爐的觀察窗，其特征在于所述透明石英片(2)中的一個或多個表面進行鍍金處理。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于管式單晶生長爐的觀察窗，其特征在于所述卡筒(4)的外徑與套筒(I)的內(nèi)徑相等，所述卡筒(4)的內(nèi)徑與套筒底部內(nèi)卡環(huán)(6)的內(nèi)徑相同。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于管式單晶生長爐的觀察窗，其特征在于所述石英放大鏡(3)為用石英玻璃制備的凸透鏡;所述石英放大鏡(3)的直徑與套筒(I)的內(nèi)徑相等。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于管式單晶生長爐的觀察窗，其特征在于所述套筒(I)、卡筒(4)和蓋套(5)均是采用異型保溫材料制備而成。
【文檔編號】C30B11/00GK105926031SQ201610405379
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月8日
【發(fā)明人】康彬, 袁澤銳, 唐明靜, 張羽, 竇云巍, 陳瑩, 方攀
【申請人】中國工程物理研究院化工材料研究所, 四川省新材料研究中心